CN104937377B - 用于处理无约束的便携式导航装置的垂直取向的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于提高平台(例如个人、车辆或船只)内的装置的方航方案的方法和设备，其中所述装置的移动性可以在所述平台内受约束或不受约束，并且其中所述装置可以倾斜到任何取向，包括垂直或接近垂直取向，同时提供无缝导航方案。不论是存在还是不存在绝对导航信息(例如，GNSS或WiFi定位)，该方法都可以使用来自传感器(例如，加速度计、陀螺仪、磁力计等)的测量提供导航方案。

Description

用于处理无约束的便携式导航装置的垂直取向的方法和设备

技术领域

本公开涉及用于提高平台(例如个人、车辆或船只)内的装置的导航方案的方法和设备，其中所述装置的移动性可以在所述平台内受约束或不受约束，并且其中所述装置可以倾斜到任何取向，包括垂直或接近垂直取向，并且仍提供无缝的导航。

背景技术

平台的惯性导航基于通过装置的惯性传感器(例如加速度计，陀螺仪)测量的比力与角速率的积分，该装置含有传感器并定位在支持运动的平台内。在传统系统中，装置拴到平台上。装置的测量可以用来确定装置和/或平台的定位、速度和姿态。

对于传统的惯性导航系统，平台内的惯性传感器的对准(即含有传感器的装置与平台的后向、横向和垂直轴的对准)通常是必需的。在惯性传感器未适当对准的情况下，使用来自惯性传感器的测量计算的定位和姿态将不能代表平台的状态。因此，为了实现高准确性的导航方案，惯性传感器必须拴在平台内，并且需要将装置小心地手动安装在平台内。

然而，不论在平台(例如个人、车辆或任何类型的船只)受约束还是不受约束，便携式导航装置(或支持导航的装置)都不能移动，并且将装置小心地安装或拴到平台都不是选择。

由于支持导航的装置(例如移动/智能电话)变得越来越流行，它们可以配备有辅助全球卫星定位系统(AGPS)芯片组，该辅助全球卫星定位系统(AGPS)芯片组具有高敏感性能力，即使在没有到卫星信号的清晰瞄准线的环境中也能够提供平台(例如用户)的绝对定位。在单独的AGPS信息不足的情况下的环境中，诸如深远的室内或在富有挑战性的城镇中心区导航或定域时，一种可能方案是加入手机塔识别，或如果可能的话，加入用于定位的手机塔的三边测量(在AGPS方案不可用的情况下)。尽管这些两种已知的定位方法在许多移动装置中可用，准确的室内定位仍存在挑战，并且不能满足当前的基于位置服务(LBS)的准确性要求。此外，这些方法仅仅可以平台的绝对航向，而无装置的航向上的任何信息。

支持导航的移动装置(例如移动/智能电话)可以配备有主要用于屏幕控制和娱乐应用的微机电系统(MEMS)传感器。由于非常高的噪声、较大的随机偏移率和装置相对于平台的频繁地改变的取向，这些传感器未广泛地用于导航目的。

移动装置还可以配备有磁力计，并且在一些情况下，已经表明，如果用户足够小心以相对于其主体沿特定取向保持装置，诸如当在校准磁力计之后小心地把持在用户的前面，加速度计和磁力计的导航方案也许是可能的。

然而，存在对提供以下导航方案的方法的需要，该导航方案能够准确地使用来自平台内的支持导航的装置的测量，并且由此在平台(即在室内或室外环境中)或平台内的装置的移动性没有约束的情况下确定装置/平台的导航状态。平台的定位和姿态的估计应当独立装置的使用(例如，用户在导航期间把持或移动装置的方式)。

还存在对这样的方法的需要，以允许装置倾斜到任何取向，包括垂直或接近垂直取向，同时仍提供无缝的导航信息，而无性能的退化。当支持导航的移动装置变得垂直或接近垂直时会出现问题，这是因为装置的方位(也称为航向)和横滚会具有较大变化，这也会引起平台的方位判断的较大变化。应理解，装置的方位和横滚的较大变化由俯仰、横滚和方位的界定引起。俯仰角度从-90度到90度，而方位和横滚均从-180度到180度。

方位角度是在东北平面中从北方向顺时针的航向，装置的俯仰角度是在装置的传感器坐标系的前向轴与东北平面之间的角度，横滚角度是围绕装置的前向轴的角度。当俯仰角度朝向90度或-90度转变时并且由于界定、尤其是所界定的俯仰角度的不连续性，随着装置的前向轴变得垂直，横滚和方位都倾向于表示东北平面中的角度。此外，如果俯仰角度从80度朝向90度改变，角度将会在其想要跨过90度的时候朝向80度回复。同样地，如果俯仰角度从-80度朝向-90度改变，即，角度将会在其想要跨过-90度的时候朝向-80度回复。因此，方位和横滚倾向于翻转180度，这会对使用装置中的传感器的导航方案造成问题。

因此，需要一种用于在装置的俯仰角度接近几乎90或-90度时减轻上述问题的方法。

发明内容

能够检测装置的前向轴的转变的方法和设备，其中所述装置的移动性可以在平台内受约束或不受约束，其中所述装置可以倾斜到任何取向，包括垂直或接近垂直取向，其中所述装置具有能够提供传感器读数的传感器，所述读数具有误差参数，其中所述转变涉及垂直或接近垂直取向，并且在检测到所述转变的情况下，更新所述坐标系，根据更新的坐标系改变所述传感器读数和误差参数，并根据更新的坐标系调整判断的所述装置的取向。

在装置的前向轴中检测的转变可以是下列中的一个：

-从水平或接近水平到垂直或接近垂直，

-从垂直或接近垂直到水平或接近水平，

-从向上垂直或接近向上垂直到向下垂直或接近向下垂直，或

-从向下垂直或接近向下垂直到向上垂直或接近向上垂直。

本方法和设备可以用于提高平台内的装置的导航方案，其中所述装置的移动性可以在所述平台内受约束或不受约束，并且其中所述装置可以倾斜到任何取向，包括垂直或接近垂直取向，同时提供无缝导航方案，而不使所述导航方案的性能退化。

不论是存在还是不存在绝对导航信息(例如，全球卫星导航系统(GNSS)或WiFi定位)，本方法都可以用于使用来自所述装置内的传感器(例如，加速度计、陀螺仪、磁力计等)的测量(读数)的导航方案。

本装置可以包括能够提供传感器读数的传感器组件，所述传感器具有用于传感器的轴的对应坐标系，并且所述传感器读数具有对应的传感器的误差参数。

不论是存在还是不存在绝对导航信息，都可以使用本方法。

在一个实施例中，本方法可以进一步包括能够避免坐标系之间的连续的必要转变的使用的程序。例如，其中由于步行者以手动悬摆方式(也称为手动摆动)携带在水平或接近水平与垂直或接近垂直之间连续移动并且反之亦然的装置，检测到转变。

在另一实施例中，本方法可以进一步包括能够检测转变是否合理、不是一个噪声或瞬时的不必要转变的程序。

在又一实施例中，本方法可以进一步包括在检测到转变之后根据更新的坐标系界定全部地或部分地重新初始化导航方案的重对准程序。

在又一实施例中，本方法可以基于用于这些经调整的要以缺省的轴界定进行界定的俯仰和横滚的当前轴界定从固有的俯仰和/或横滚值调整当前导航方案的输出俯仰和/或横滚。

应理解，可以可选地、单独地或结合地使用前述实施例中的任一个。

广义地说，在一些实施例中，用于提高装置的导航方案的方法和设备，所述装置具有能够提供传感器读数的传感器，其中所述传感器具有对应的坐标系，并且所述读数具有误差参数，其中所述装置的移动性可以在平台内受约束或不受约束，并且其中所述装置可以倾斜到任何取向，包括垂直或接近垂直取向，所述方法包括以下列方式中的任一种方式检测装置的前向轴：(i)从水平或接近水平到垂直或接近垂直，(ii)从垂直或接近垂直到水平或接近水平，(iii)从向上垂直或接近向上垂直到向下垂直或接近向下垂直，或(iv)从向下垂直或接近向下垂直到向上垂直或接近向上垂直；并且在检测到所述转变的情况下，更新所述坐标系，根据更新的坐标系改变所述传感器读数和误差参数，并根据更新的坐标系、在本文中界定的方法调整估计的所述装置的取向。

附图说明

图1示出了装置(a)的量测轴、装置与平台之间的未对准的一个实施例，其中平台是个人(b)或车辆(c)；

图2示出了本方法的一个实施例的方框图(以虚线示出的可选的实施例)；

图3示出了在没有本方法的情况下的导航方案的第一轨迹结果，所述轨迹包括当装置的前向轴垂直或接近垂直时的持续时间，而无任何绝对导航更新；

图4示出了图3中的导航方案的俯仰、横滚和方位的结果；

图5示出了图3中的相同轨迹的轨迹结果，其中导航方案与本方法的一个实施例结合使用；

图6示出了图5中的方航方案的俯仰、横滚和方位的结果；

图7示出了在没有本方法的情况下的导航方案(实线)的第二轨迹结果(实线)，所述轨迹包括装置的前向轴垂直或接近垂直时的持续时间，当可用时所述轨迹使用GPS(带有圆点的线)更新；以及

图8示出了与图7相同的轨迹的轨迹结果，其中导航方案与本方法的一个实施例结合使用(实线)。GPS以带有圆点的线来呈现。

具体实施方式

一般来说，提供了这样的方法和设备，所述方法和设备能够检测平台内的装置的前向轴的转变，并且在检测到转变的情况下，更新坐标系并根据更新的坐标系调整估计的装置的取向。

在一个实施例中，本方法和设备可以用于改善提供在平台内的装置的导航方案，该装置具有能够提供关于装置的传感器读数的传感器，其中传感器具有对应的坐标系，并且所述传感器读数具有对应的传感器参数。更具体地，本方法能够提供装置的无缝导航方案，其中装置在平台内的移动性可以受约束或不受约束，并且其中所述装置可以倾斜到任何的取向，包括垂直或接近垂直取向。

不论存在还是不存在导航信息更新(例如，GPS或WiFi定位)，本方法都可以利来自装置上的传感器(例如，加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等)的测量结果。

所述平台可以是支持运动的平台，所述支持运动的平台可以暂时地静止。一些示例平台可以是个人、车辆或任何类型的船只。船只可以是在陆上起停的、海上的或空中的。

本方法可以在多种应用中使用，包括包含关于装置和/或平台的导航方案的那些应用，所述导航方案包括：

·定位、速度和姿态，或

·仅定位和姿态，

或部分的导航方案，包括：

·仅姿态和速度，或

·仅姿态。

已知的是，在正常使用期间，装置(例如便携式电话)的姿态自由地改变。确切地说，当定位例如用于以横式视图或纵向视图发短信时、当在电话使用期间定位在腰带上、在口袋中或在用户的耳朵附近时(其中所述装置是电话)，移动装置常常经历沿着构成其坐标系10(例如x-轴、y-轴和z-轴)的其主要轴的中任一个的旋转运动。这些轴及其坐标系10在图1(a)、(b)和(c)中进行界定。考虑图1(a)，装置的前向轴界定为x-轴，垂直或z-轴指向下，而横轴或y-轴以完成右手坐标系统的方式进行界定。

还已知的是，平台内的装置的取向不代表平台的取向。考虑图1(b)和(c)，所述装置可以经历相对于平台20沿着其主要轴中的任一个的任何数量的旋转运动。装置的旋转运动不表示平台经历相同的取向变化。例如，用户或平台可能正在平坦的2D平面上移动，而装置可能正在经历任何数量的可能的横滚和俯仰角度。图1(b)和(c)示出了未约束的装置10与不同平台20之间的若干可能的关系。

典型的便携式装置包括用于沿着量测轴(即，x-轴、y-轴和z-轴)中的每一个测量加速度或比力的加速度计。已知的是，"横滚"界定为装置沿着前向x-轴的旋转，而"俯仰"是沿着横向y-轴的旋转。因为如果需要则装置用户自由旋转装置，所述装置可以具有相对于平台的横滚、俯仰和航向(导航方向)的若干变化。

所述装置可以倾斜到任意的取向，包括垂直或接近垂直取向。对于便携式装置导航，无缝方航方案在所有情况下都是必需的，包括这些垂直情况。当装置变得垂直或接近垂直时出现的一个问题是，装置的方位角和横滚会有较大变化，这也会引起平台的方位角估计的大的变化。装置的方位和横滚的较大变化由俯仰、横滚和方位角的界定引起。俯仰角度从-90度到90度，而方位和横滚均从-180度到180度。对于装置的原始坐标系，垂直或接近垂直意味着俯仰角度处于或者接近90度或-90度，而水平或接近水平不意味着垂直或接近垂直。

方位角度是在东北平面中从北方起顺时针的航向(导航方向)，装置的俯仰角度是在装置的传感器坐标系的前向轴与东北平面之间的角度，而横滚角度是围绕装置的前向轴的角度。当俯仰角度接近90度或-90度时，并且由于俯仰、横滚和方位进行界定的方式、尤其是由于俯仰角度在该界定中的不连续性，随着装置的前向轴变得垂直，横滚和方位都可以表示东北平面中的角度。此外，如果俯仰角度从80度朝向90度改变，角度将会在所述角度想要跨过90度的时候朝向80度回复。如果俯仰角度从-80度朝向-90度改变，即，角度将会在所述角度想要跨过-90度的时候朝向-80度回复，这也会发生。在任一种情况下，方位和横滚倾向于翻转180度，并且导致使用装置中的传感器获得导航方案产生了难题。

为了解决这些难题，本方法可以在装置的前向轴(装置中的加速度计的前向轴)垂直或接近垂直时或在该前向轴再次回复到接近水平时自动检测，并且可以触发用于改变轴界定并且改变(交换)导航系统中的对应变量(例如，与每个轴相关的偏向)的程序。存在三个所使用的轴界定，主要界定是根据装置的原始界定(例如，当装置是电话时根据电话的原始轴界定)，第二个界定是当装置的前向轴向上垂直或接近向上垂直时，第三个界定是当装置的前向轴向下垂直或接近向下垂直时。这样的界定可以避免当俯仰角度变得接近90度或-90度时出现的难题。应当注意，使具有遵循下列这些界定的不同轴的传感器(例如，加速度计、陀螺仪、磁力计)均经历当检测到对应的转变时不同界定之间的改变以及与这些传感器相关所有参数(例如，加速度计和陀螺仪的偏向和比例系数，以及磁力计的偏向和比例系数)。

本方法中的第一步骤包括以由下列方式中的任一种方式检测装置的前向轴的转变：(i)从水平或接近水平到垂直或接近垂直，(ii)从垂直或接近垂直到水平或接近水平，(iii)从向上垂直或接近向上垂直到向下垂直或接近向下垂直，(iv)从向下垂直或接近向下垂直到向上垂直或接近向上垂直。

在一些实施例中，装置的前向轴的转变的检测取决于俯仰和横滚角度，或取决于俯仰和横滚角度的平均值。俯仰和横滚值可以根据至少下列中的任一个来计算：(i)通过已知方法、例如四元法的陀螺仪，(ii)加速度计读数或平均的加速度计读数(不论是固定时间平均还是或移动平均)，或(iii)使用已知的积分技术的整体的导航方案，并整合不同的传感器和/或系统，例如下列中的一些或所有：加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、里程计，或任何导航信息更新(例如，GNSS、WiFi或任何其它无线技术)。使用俯仰值、横滚值还是两者来检测转变的决定可以取决于在转变之前的当前坐标系界定。在一个这样的实施例中，从水平或接近水平到垂直或接近垂直(不论是向上还是向下)的转变基于俯仰角度来检测，而垂直或接近垂直(不论是向上还是向下)到水平或接近水平的转变基于俯仰角度或横滚角度来检测(这是由于在垂直或接近垂直情况下的轴的新界定并且因此的俯仰和横滚的新界定)。

在一些其它实施例中，装置的前向轴的转变的检测取决于加速度计读数或加速度计读数的平均的变化形式。加速度计读数或加速度计读数的平均的变化形式(不论是固定时间平均还是或移动平均)可以以下列方式中的任一种或更多种方式使用：(i)检测最近的轴以测量重力加速度，(ii)检测不同的重力分量，或(iii)计算装置的俯仰和横滚。

在一些其它实施例中，装置的前向轴的转变的检测同时取决于(i)俯仰和横滚角度或俯仰和横滚角度的平均值，和(ii)加速度计读数或加速度计读数的平均的变化形式。在这些实施例中，上面的第一实施例中的不同选择(即俯仰和横滚)和上面的第二实施例中的不同选择(即加速度计读数)也可以在这种情况下以类似的方式使用。

在一些实施例中，装置的前向轴的转变的检测取决于单个阈值(用于俯仰的单个阈值和/或用于横滚的单个阈值和/或用于加速度计读数的单个阈值)。在一些其它实施例中，装置的前向轴的转变的检测取决于多个阈值(用于俯仰和/或横滚和/或加速度计读数)。多个阈值可以取决于俯仰和/或横滚和/或加速度计读数在最近预定的持续时间内的时间平均。

当检测到转变时，基于检测到的转变类型轴界定从当前界定改变为更新的新界定。具有遵循下列这些界定的不同轴的传感器(例如，加速度计、陀螺仪、磁力计)均经历当检测到对应的转变时不同界定之间的改变，包括其读数以及与这些传感器相关所有参数(例如，加速度计和陀螺仪的偏差和比例系数，以及磁力计的偏差和比例系数)。

当检测到转变并且轴从一种界定改变为另一种界定时，装置的姿态角度相应地调整，包括基于先前的方位、转变的种类(即从哪一个轴界定到哪一个轴界定)以及转变的触发原因和因素(诸如，俯仰值或历史和/或横滚值或历史和/或方位历史)相应地调整的装置的方位(航向)。

在一些实施例中，不论是存在还是不存在绝对导航信息，都可以使用本方法。

本方法可以进一步包括能够避免坐标系之间的连续的不必要转变的使用的程序。这种情况的示例是，转变由于步行者以手动悬挂状况(也称为手动摆动)携带装置而发生的情况，在这种情况中装置在水平或接近水平与垂直或接近垂直之间连续移动并且反之亦然的。步行者以手动悬挂状况携带的装置可以基于俯仰和横滚值的历史记录或通过加速度计或陀螺仪数据的历史记录来检测。该程序的益处是避免在不同轴界定之间具有连续的不必要转变。

本方法可以进一步包括能够检测转变是否合理并且因此检测噪声或瞬间的不必要转变的程序。这样的程序可以基于暂停。瞬间的不必要转变例如是当装置从水平或接近水平转变为水平或接近水平但是瞬间经过垂直或接近垂直时。另一示例可以是当装置从向上垂直或接近向上垂直转变为向上垂直或接近向上垂直但是瞬间经过水平或接近水平时。另一示例可以是当装置从向下垂直或接近向下垂直转变为向下垂直或接近向下垂直但是瞬间经过水平或接近水平时。如果使用暂停，该程序可以：

1)只要作出暂停并且转变证明是合理转变时，触发轴界定的实际改变；或

2)在暂停阶段期间保持两个方案，两个方案中的一个方案是主方案，一个方案是当暂停开始时触发的临时方案。前者假设转变不合理，而后者转变合理。因此，主要转变察觉到但尚未确认为真(即当暂停开始时)，本程序就可以触发第二方案(除主方案之外)，该方案假设转变合理。此外，本程序可以保持主方案，同时假设转变未发生(非真)，直至暂停结束。当暂停结束时，程序可以选择：(i)在转变未被证明(即错误或不必要)的情况保持主方案，由此摒弃第二方案，或(ii)在转变证明为合理的情况下保持第二方案，并使用所述第二方案来覆盖主方案。

本方法可以进一步包括重对准程序，该重对准程序(重新校正程序)可以在检测到转变并且轴界定改变之后运行，以便根据更新的新坐标系界定利用其变量和参量中的所有(即全部地)或一些(即部分地)重新初始化当前的导航方案。这样的重对准程序可以以一次迭代(即以一个时间点的惯性传感器读数)来实现，或可以具有预定的持续时间。

本方法可以进一步包括如下程序，该程序能够基于用于这些以缺省的轴界定进行限定的经调整的俯仰和横滚的当前轴界定从固有的俯仰和/或横滚值调整当前导航方案的输出俯仰和/或横滚。这样的调整可以是有益的，因为输出俯仰和/或横滚的界定将会遵循一个轴界定，并且当转变发生时不会发生改变。在一个实施例中，缺省的轴界定是当装置水平或接近水平(即，装置的原始轴界定)时的轴界定。

应理解，可以可选地并且单独地或结合地使用前述实施例中的任一个。

图2示出了本方法的一个实施例的示意图，其中以虚线和虚线框示出了可选的实施例。

在本文中呈现的方法和设备可以与导航方案相结合，不论导航方案的类型、不论所使用的传感器的类型、并且不论在导航方案中使用的状态判断或滤波技术的类型。状态判断技术可以是线性的、非线性的或其组合。在导航方案中使用的技术的不同示例可以依赖于卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、非线性滤波器、诸如粒子滤波器、或人工智能技术、诸如神经网络或模糊系统。在导航方案中使用的状态估计技术可以使用任何类型的系统和/或测量模型。导航方案可以遵循用于对不同的传感器和系统进行积分的任何方案，例如松散耦合的积分方案或紧密耦合的积分方案以及其它。导航方案可以利用建模(不论是利用线性还是非线性、短存储长度还是长存储长度)和/或用于惯性传感器和/或所使用的其它传感器的误差的自动校准。

本方法和设备可以与输送算法的模式或建立输送模式的检测算法模式相结合。这能实现不同的情况，例如步行和驱车以及其它可能的模式。

除上面提到的便携式装置的应用(该应用包括完整的导航方案，包括定位、速度和姿态、或定位和姿态)之外，还存在其它应用(该应用可以包括估计全部的方航方案、或仅姿态方案或姿态和速度方案)，其中需要减轻前面提到的问题的方法用于提升用户经历和可用性，并且可以例如在多种情况下可应用：

视频游戏设备；

增强现实设备；或

腕表。

构想的实施例

本公开描述了这样一种主体坐标系，其为x前向、y正向朝向主体右侧和z轴正向向下。应预期到，任何主体坐标系界定都可以用于在本文中描述的本方法和设备的应用。

可构想到，本方法和设备可以与这样的导航方案一起使用，该导航方案可以可选地利用自动零速阶段或静态阶段检测以及其可能的更新和惯性传感器偏向重算、不完整更新、高级建模和/或惯性传感器误差的校准、在适当的时候来自GNSS针对其的可能的测量更新的导数、GNSS解品质和检测退化性能的自动评估、在松散与紧密耦合积分方案之间的自动切换、当处于紧密耦合模式时每个可见GNSS卫星的评估，并且最后可能可以与后向平滑模块一起使用，所述后向平滑模块具有任何类型的后向平滑算法，并且在之后的任务中或在该背景中在相同的任务内以缓冲数据运行。

可进一步构想的是，本方法和设备可以与这样的导航方案一起使用，该导航方案进一步编程为在该背景下运行程序，以模拟绝对导航信息中的人工中断，并估计用于本公开的导航方案的状态判断技术的另一实例的参数，从而优化导航方案的准确性和连贯性。准确性和连贯性通过比较在模拟的中断期间临时背景方案与参考方案来评估。参考方案可以是下列示例中的一个：绝对导航信息(例如GNSS)、装置中的利用绝对导航信息(例如GNSS)并且可能利用可选的速率或速度读数对可用传感器进行积分的后向平滑积分的导航方案、利用绝对导航信息(例如GNSS)并且可能利用可选的速率或速度读数对可用传感器进行积分的后向平滑积分的导航方案。背景处理可以在与前向方案处理相同的处理器上或在与第一处理器通信的另一处理器上运行，并且可以从共享位置读取保存的数据。例如，通过针对用于导航的前向状态判断技术的参数具有改善的值，背景处理方案的结果可以在将来的运行中有益于实时方航方案(即在背景程序已经完成运行之后实时运行)。

进一步构想的是，本方法和设备可以与集成有地图(诸如街道地图、室内地图或模型、或在具有这些可用的地图或模型的应用的情况下的任何其它环境地图或模型)、地图匹配或模型匹配程序的导航方案一起使用。地图匹配或模型匹配可以进一步提升绝对导航信息(诸如GNSS)退化或中断期间的导航方案。在模型匹配的情况下，可以使用采集关于环境的信息传感器或一组传感器，例如，激光测距仪、相机和视觉系统、或声纳脉冲测距系统。这些新系统可以用作提高导航方案在绝对导航信息问题(衰减或不存在)期间的准确性的额外帮助，或在一些应用中它们可以完全替代绝对导航信息。

进一步构想的是，本方法和设备可以与这样的导航方案一起使用，当在紧密耦合的方案或混合的松散/紧密耦合的选择下工作时，该导航方案不必一定要使用伪距测量(该伪距根据编码而非载波相位来计算，因此它们称为基于编码的伪距)和多普勒测量(用来获得伪距率)。也可使用GNSS接收机的载波相位测量，例如：(i)作为计算距离的替代方式而非基于编码的伪距，或(ii)通过加入来自基于编码的伪距和载波相位测量的信息来提高距离计算，这样的提高是载波平滑的伪距。

进一步构想的是，本方法和设备可以与依赖于GNSS接收机与其它传感器的读数之间的超紧密积分方案的导航方案一起使用。

进一步构想的是，本方法和设备可以与使用各种无线通信系统的导航方案一起使用，对于定位和导航来说，所述各种无线通信系统可以是额外的辅助(当GNSS不可用时将会更有益)或作为GNSS信息(例如，在GNSS不可应用的情况下的应用)的替代。这样的用于定位的无线通信系统的示例是通过手机塔和信号、无线电信号、数字电视信号、WiFi或Wimax提供的那些。例如，对于基于手机的应用，来自内手机塔的绝对坐标和室内用户与该塔之间的距离可以用于定位和导航，由此该距离可以通过计算在其之中到达最近的手机定位坐标的进行时间或时间差的不同方法来估计。称为增强观测时间差(E-OTD)的方法可以用来获得已知的坐标和距离。距离测量的标准偏差可以取决于在手机中使用的振荡器的类型和手机塔计时设备以及传输损失。WiFi定位可以以多种方式进行，所述多种方式包括但不限于到达的时间、到达的时间差、到达的角度、接收的信号强度和指纹识别技术以及其他；所有方法提供不同水平的准确度。用于定位的无线通信系统可以将不同的技术用于对来自无线信号的距离、角度或信号强度的误差进行建模，并且可以使用不同的多路径削弱技术。所有上面提到的构思以及其它也可以类似的方式应用于基于无线通信系统的其它无线定位技术。

进一步构想的是，本方法和设备可以和设备可以与使用来自其它移动装置的辅助信息的导航方案一起使用。该辅助信息可以用作额外的辅助(当GNSS不可用时将会更有益)或作为GNSS信息(例如，在基于GNSS的定位不可应用的情况下的应用)的替代。来自其它装置的辅助信息的一个示例可以能够依赖于不同装置之间的无线通信系统。基础构思是，具有更好的定位或导航方案(例如具有良好的可用性和准确性的GNSS)的装置可以帮助具有退化的或不可用的GNSS的装置来获得改善的定位或导航方案。该帮助依赖于用于定位具有退化的或不可用的GNSS的(一个或多个)装置的(一个或多个)辅助装置和无线通信系统的良好定位。该预期的变体涉及一种或两种情况，其中：(i)具有退化的或不可用的GNSS的(一个或多个)装置使用在本文中描述的方法，并且从其它装置和通信系统获得辅助，(ii)具有可用的GNSS并且因此具有良好的方航方案的辅助装置使用在本文中描述的方法。用于定位的无线通信系统可以依赖于不同的通信协议，并且其可以依赖于不同的方法，例如，到达的时间、到达的时间差、到达的角度和接收的信号强度以及其他。用于定位的无线通信系统可以将不同的技术用于对来自无线信号的距离和/或角度的误差进行建模，并且可以使用不同的多路径削弱技术无线通信系统。

应预期到，除在本文中通过示例描述的基于MEMS的传感器之外，本方法和设备还可以与各种类型的惯性传感器一起使用。

在不对前述内容进行限制的情况下，在上面呈现的实施例通过下列示例进一步示范。

示例

低成本原型单元(用于便携式装置)包括来自Invensense的六自由度的惯性单元(即三轴陀螺仪和三轴加速度计)(MPU-6050)、来自Honeywell的三轴磁力计(HMC5883L)、来自MeasurementSpecialties的气压计(MS5803)和来自u-blox的用来记录数据步行、驱车或步行和驱车时若干轨迹的GPS接收机(LEA-5T)。

为了示范目的，在下面呈现了两个示例步行轨迹。

图3、4、5和6示出了步行者步行轨迹中的抽样定位结果，包括当装置的前向轴垂直或接近垂直时的持续时间。该轨迹在室内环境中开始，其中用户给出位置和航向，而对于轨迹的整个长度无绝对导航更新(诸如GNSS或WiFi)。轨迹由办公楼的走廊中的四个矩形环路组成。在该轨迹的第一环路中，装置处于水平取向。在第二环路中，装置处于向下垂直取向。在第三环路中，装置再次水平，而在第四环路中，装置处于向上垂直取向。利用其所有分量的同一个积分的导航方案在每个轨迹中单独地(图3和4)使用或与本方法(图5和6)结合地使用。

考虑图3和4，示出了通过在不具有本方法的情况下的方航方案分别提供的定位结果以及横滚、俯仰和方位(航向)角度结果。

图5和6示出了通过结合本方法使用的导航方案分别提供的定位结果以及横滚、俯仰和方位(航向)角度结果。

图7和8示出了第二步行者步行轨迹中的GPS通过(带有圆点的线)和单独地(图7)或结合本方法(图8)使用的导航方案(实线)提供的采样定位结果，所述第二步行者步行轨迹也包括当装置的前向轴垂直或接近垂直时的持续时间。该第二轨迹在GPS可用的情况下在室外开始，并且整个系统自动初始化。当在室外时并且在进入室内之前，装置以上垂直定位放置在胸袋中，直至轨迹结束。轨迹的室内部分由形成图8的办公楼的走廊中的两个矩形环路组成，并且不提供到GPS或任何其它绝对导航更新的访问。

尽管已经示出并描述了一些实施例，但是本领域技术人员应认识到，可以对这些实施例作出各种变化和更改，而不改变或脱离其范围、意图或功能。在前述说明书中使用的术语和措辞在本文中已经用作描述的术语而非限制的术语，并且不存在排除示出并描述的特征或其部分的等同物的这类术语和措辞的使用的意图，应认识到本发明仅由随后的权利要求界定并限制。

Claims (11)

1.一种关于提高装置导航方案的方法，其特征在于，所述装置的移动性能够在平台内受约束或不受约束，并且所述装置能倾斜到任何取向，包括垂直或接近垂直取向，所述装置具有能够提供传感器读数的传感器，所述传感器具有对应的坐标系，并且所述读数具有误差参数，其特征在于：

i)检测所述装置的前向轴的转变，其中所述转变涉及垂直或接近垂直取向，

ii)在检测到所述转变的情况下，更新所述坐标系，根据更新的坐标系、改变所述传感器读数和误差参数，根据更新的坐标系调整估计的所述装置的取向，并且至少部分地重新初始化所述导航方案；以及

iii)输出经提高的导航方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置的所述前向轴的所述转变是下列中的一个：

从水平或接近水平到垂直或接近垂直，

从垂直或接近垂直到水平或接近水平，

从向上垂直或接近向上垂直到向下垂直或接近向下垂直，或

从向下垂直或接近向下垂直到向上垂直或接近向上垂直。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，不论存在还是不存在绝对导航信息，都可以使用所述方法。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法可以进一步包括能够避免使用坐标系之间的连续的不必要转变的程序。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法可以进一步包括能够检测转变是否合理的程序。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法可以进一步包括用于完全地重新初始化所述导航方案的重对准程序。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法可以进一步包括能够将所述装置的输出俯仰和横滚角度调整为缺省的轴界定的程序。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括下列程序中的两个或更多个：

a.能够避免连续的不必要转变的使用的程序，

b.能够检测转变是否合理的程序，

c.用于完全地重新初始化所述导航方案的重对准程序，或

d.能够将所述装置的输出俯仰和横滚角度调整为缺省的轴界定的程序。

9.一种用于导航的装置，所述装置在平台内具有受约束或不受约束的移动，并且能倾斜到任何取向，包括垂直或接近垂直取向，所述装置包括：

a.传感器组件，所述传感器组件能够提供与关于所述装置的导航信息有关的传感器读数，并产生其输出指示，所述传感器组件具有对应的坐标系，并且所述读数具有对应的误差参数；以及

b.至少一个处理器，用于提高关于所述装置的导航方案，所述处理器耦合为从所述传感器组件接收所述读数，并且其中所述至少一个处理器的特征在于，可运行为：

i)检测所述装置的前向轴的转变，其中所述转变包括垂直或接近垂直取向；

ii)在检测到所述转变的情况下，更新所述坐标系，根据更新的坐标系改变所述传感器读数和误差参数，并根据更新的坐标系调整估计的所述装置的取向，并且至少部分地初始化所述导航方案；并且

iii)输出经提高的导航方案。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置的所述前向轴的所述转变是下列中的一个：

从水平或接近水平到垂直或接近垂直，

从垂直或接近垂直到水平或接近水平，

从向上垂直或接近向上垂直到向下垂直或接近向下垂直，或

从向下垂直或接近向下垂直到向上垂直或接近向上垂直。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理器在存在或不存在绝对导航信息的情况下都运行。