CN105674984A - 一种无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，包括：通过移动终端获取预置坐标系中的加速度、角速度及地球磁场强度；根据加速度、角速度及地球磁场强度，通过航姿参考系统AHRS获取所述移动终端在大地坐标系中的航向角；识别移动终端的携带方式；根据识别到的携带方式时移动终端与行人航向的差异对所述航向角进行修正，得到行人的前进方向。本发明提供的无约束使用移动终端获取行人前进方向方法通过移动终端即可确定行人的运动方向，而移动终端与行人之间的位置关系则不受限制，也即本发明方法可识别不同的移动终端携带方式从而根据不同情况获取行人实际的行动方向。该方法操作过程简单，易于实现，且应用较为广泛。
Description
技术领域
本发明涉及行人定位技术领域，特别涉及一种无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法。
背景技术
随着定位技术的发展和智能手机的普及，人们对基于位置服务LBS(Location-BasedService)的需求与日俱增。当前，导航定位的最重要手段依然是卫星定位，如全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)、北斗卫星导航系统BDS(BeiDouNavigationSatelliteSystem)等。然而，在用户活动区域位于室内或者有建筑物遮挡的环境中时，由于卫星信号被遮挡和衰减，会造成卫星定位的精度下降，甚至无法使用。为了在室内或者有建筑物遮挡的环境中获得良好的导航定位结果，必须借助于其它定位增强技术。
在众多定位技术中，步行者航位推算PDR(PedestrianDeadReckoning)是一种常用的室内定位技术。与其他室内定位方法相比，该方法成本较低，不需要建造和布置额外设施，只需利用移动终端如智能手机即可实现自主导航。该方法的主要原理是通过手机的内置传感器采集加速度、角速度和磁场强度等信息，进而推算出行人的行走方向，再结合步态检测和步长估计，推算出行人的行走方向和距离。其中，航向估计是PDR技术的关键，因为即使较小的航向偏差也会造成较大的定位误差。航向估计常用的方法是行人固定姿态手持手机并保证手机的朝向和运动方向一致，然后通过姿态和方位参考系统AHRS(AttitudeHeadingReferenceSystem)获得手机在大地坐标系中的姿态角，即航向角(yaw角)，俯仰角(pitch)，翻滚角(roll)，此时的航向角就是行人行走的方向。通常情况下，该方法可以获得比较高的精确度。
但是由于该方法需要用户保持手机朝向与运动方向一致，而在其他情况下(如放在口袋中或打电话时)则无法使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，以解决现有的行人前进方向定位方法所存在的受限于手机朝向无法在其他情况进行使用的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，该方法包括：
S10：通过移动终端获取预置坐标系中的加速度、角速度及地球磁场强度；
S20：根据所述加速度、角速度及地球磁场强度，通过航姿参考系统AHRS获取所述移动终端在大地坐标系中的航向角；
S30：识别所述移动终端的携带方式；
S40：根据识别到的携带方式时移动终端与行人航向的差异对所述航向角进行修正，得到行人的前进方向。
较佳地，所述S20具体包括：
S21：判断所述地球磁场强度是否小于预设阈值，如是，则进入步骤S22，如否，则进入步骤S23；
S22：将所述加速度、角速度及地球磁场强度带入模式为九轴模式的航姿参考系统AHRS，以获取所述航向角；
S23：将所述加速度、角速度及地球磁场强度带入模式为六轴模式的航姿参考系统AHRS，以获取所述航向角。
较佳地，所述S30中采用模式识别方法识别所述移动终端的携带方式，具体包括：判断所述移动终端的航向角与行人的运动方向之间是否有固定夹角，如是，则携带方式为固定姿态，如否，则携带方式为非固定姿态。
较佳地，当所述移动终端的携带方式为固定姿态时，则所述S40包括：获取所述固定夹角，并采用所述固定夹角作为补偿角补偿所述航向角得到行人的前进方向；
当所述移动终端的携带方式为非固定姿态时，则所述S40包括：获取所述航向角进行滤波处理得到稳定的航向角，计算滤波后稳定的航向角与行人前进方向的修正夹角并作为补偿角补偿所述航向角得到行人的前进方向。
较佳地，所述固定姿态包括导航模式及通话模式，当携带方式为导航模式时，所述航向角为行人的前进方向，当携带方式为通话模式时，所述固定夹角与所述航向角之和为行人的前进方向；所述非固定姿态包括口袋模式和摆动模式，当携带方式为口袋模式或摆动模式时，所述修正夹角与所述稳定的航向角之和为行人的前进方向。
较佳地，所述S10包括：所述移动终端通过加速度计、陀螺仪及磁力计分别获取所述加速度、角速度及地球磁场强度，并对所述加速度、角速度及地球磁场强度进行滤波处理。
本发明提供的无约束使用移动终端获取行人前进方向方法通过移动终端即可确定行人的运动方向，而移动终端与行人之间的位置关系则不受限制，也即本发明方法可识别不同的移动终端携带方式从而根据不同情况获取行人实际的行动方向。该方法操作过程简单，易于实现，且应用较为广泛。
附图说明
图1为本发明提供的无约束使用移动终端获取行人前进方向方法的整体流程图；
图2为图1中步骤S20的具体流程图；
图3为图2中步骤S40的具体流程图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：
实施例一：
本发明提供的无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法主要应用于用户携带移动终端行走时，获得行人的行走方向。具体实施中还可以根据本发明核心思想用于室内或者有建筑物遮挡的环境中进行定位。
如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S10：通过移动终端获取预置坐标系中的加速度、角速度及地球磁场强度。
具体地，移动终端可以采用软件控制的方式，通过打开软件进而通过移动终端内置的加速度计、陀螺仪及磁力计分别获取上述的加速度、角速度及地球磁场强度。其中，上述软件为设置为可检测用户行走方向的软件，使用时，用户携带移动终端行走过程中，将该软件打开，通过该软件获取加速度、角速度及地球磁场强度数据。
进一步地，通过移动终端中加速度计、陀螺仪和磁力计别获取位于预置坐标系中对应X、Y、Z轴的加速度、角速度和地球磁场强度，也即分别获得加速度、角速度和地球磁场强度相当于预置坐标系的X、Y、Z三个轴所在方向的加速度、角速度和地球磁场强度。
其中，获取的加速度、角速度及地球磁场强度信号可进行滤波处理，得到稳定值数据供后面步骤使用。
S20：根据加速度、角速度及地球磁场强度，通过航姿参考系统AHRS获取移动终端在大地坐标系中的航向角。
本步骤中，根据步骤S10获得的预置坐标系中移动终端的加速度、角速度和地球磁场强度，利用航姿参考系统AHRS(AttitudeHeadingReferenceSystem)，可以获得移动终端的姿态角，这是一组欧拉角，分别表示移动终端的航向角(yaw)、俯仰角(pitch)、翻滚角(roll)，其中本发明需用到的是航向角。其中，航向角为在大地坐标系的水平面上与正北的夹角。本实施例中以开始测量时，行人迈开第一步的时刻所在位置为原点。当然，在其他优选实施例中，也可以设置其他位置为原点，比如设置通过计步器获得行人每次迈步的位置作为原点。
S30：识别所述移动终端的携带方式。
具体地，本步骤中采用模式识别方法识别移动终端的携带方式。根据生活中移动终端的实际使用规律，本实施例中将移动终端的携带方式分为：
(1)导航模式，即手持移动终端并看着屏幕，行人前进方向与正北的夹角就是所述航向角。
(2)通话模式，即手持移动终端打电话。此时行人的前进方向与正北的夹角并不等于移动终端的航向角，但是两者差值基本不变。
(3)口袋模式，即把移动终端放在口袋里。此时移动终端的航向角随着腿部的移动而变化，而且行人前进方向与正北的夹角并不等于此航向角，此。
(4)摆动模式，即把移动终端拿在手里随着手臂摆动。此时移动终端的航向角随手臂的摆动而变化，而且行人前进方向与正北的夹角并不等于此航向角。
本步骤中，分辨不同携带方式时，可以采用以下方法：需预先采集行人在使用4种不同携带方式时移动终端的加速度，并从中提取出重力分量和线性加速度分量。然后选取重力分量在终端预置坐标系X、Y、Z轴上投影的绝对值作为三个特征值，选取线性加速度的绝对值作为第四个特征值。由于在不同携带方式中这四个特征值的差异比较明显，因此可以根据上述四个特征值，判断出移动终端的携带方式。当然，在其他优选实施例中，判断携带方式时也可以基于其他比较明显的动态特征进行判断，本发明对携带方式的判定方法不作特别限定。
在上述的四种携带方式中，前两种携带方式中移动终端的航向角与行人的运动方向之间存在固定夹角，而后两种携带方式中移动终端的航向角与行人的运动方向之间的夹角变化较大。根据这个现象，可将上述四种携带方式分为固定姿态模式和非固定姿态模式。其中，固定姿态模式包括导航模式和通话模式，而非固定姿态模式包括口袋模式和摆动模式。
S40：根据识别到的携带方式时移动终端与行人航向的差异对所述航向角进行修正，得到行人的前进方向。
参见图3，首先根据来自步骤S30的识别结果，采用步骤S41判断携带方式是否为固定姿态。
当移动终端的携带方式为固定姿态时，则获取固定夹角，并采用固定夹角作为补偿角补偿上述航向角得到行人的前进方向。具体地，可首先采用步骤S42判断携带方式是否为导航模式，若是，则固定夹角为0，行人的前进方向与正北方向的夹角即为上述步骤S20所求的航向角，则采用步骤S44输出该航向角作为结果即可。若否，则携带方式为通话模式，则采用步骤S45求出此时的航向角与初始导航模式时航向角之间的夹角作为补偿角，最终所求的航向角等于步骤S20的航向角加上该补偿角，将所加和作为结果输出。
当移动终端的携带方式为非固定姿态时，则获取航向角进行滤波处理，计算滤波后航向角与行人前进方向的夹角并作为补偿角补偿所述航向角得到行人的前进方向。具体地，参见图3，执行步骤S41后结果为否时，则携带方式为属于非固定姿态的口袋模式或摆动模式。此时，首先采用步骤S43对航向角进行快速傅立叶变换FFT(FastFourierTransform)，变换后功率最大的频率就是噪声频率，然后将航向角通过截止频率为1/2噪声频率的低通滤波器得到稳定的航向角，并将原航向角替换为该稳定的航向角；其次，执行步骤S45，则求出此时的航向角与初始导航模式时航向角之间的夹角作为补偿角，此时的航向角与补偿角之和即为行人的前进方向。
其中，步骤S41～S45之间并不具备限制于图3所示的顺序，本领域技术人员可根据需要作出适应性的调整。此外，本发明所指移动终端可以为任何具有测量加速度、角速度及地球磁场强度功能的移动设备，当然也可以为任何可以通过通信方式实时获取携带该移动终端的行人或该移动终端当前的加速度、角速度及地球磁场强度的移动设备。
具体地，本实施例中使用的航姿参考系统获得的姿态角是根据四元数微分方程求解当前姿态，并利用梯度下降法对姿态进行补偿，包括两种情况：包含磁场强度的9轴模式和不包含磁场强度的6轴模式。则参见图2，本实施例的步骤S20中获取航向角的过程进一步包括：
S21：判断地球磁场强度是否小于预设阈值，如是，则进入步骤S22，如否，则进入步骤S23；
S22：将加速度、角速度及地球磁场强度带入模式为九轴模式的航姿参考系统AHRS，以获取航向角；
S23：将加速度、角速度及地球磁场强度带入模式为六轴模式的航姿参考系统AHRS，以获取航向角。
其中，如果地球磁场强度大于或等于预设阈值，则说明移动终端处于受磁场强度影响比较大的地方，此时适用于采用9轴模式；如果地球磁场强度小于预设阈值，则表明移动终端处于受磁场强度影响比较小的地方，此时适用于采用6轴模式。这种方式使得求得的航向角更为准确。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，其特征在于，该方法包括：
S10：通过移动终端获取预置坐标系中的加速度、角速度及地球磁场强度；
S20：根据所述加速度、角速度及地球磁场强度，通过航姿参考系统AHRS获取所述移动终端在大地坐标系中的航向角；
S30：识别所述移动终端的携带方式；
S40：根据识别到的携带方式时移动终端与行人航向的差异对所述航向角进行修正，得到行人的前进方向。
2.根据权利要求1所述的无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，其特征在于，所述S20具体包括：
S21：判断所述地球磁场强度是否小于预设阈值，如是，则进入步骤S22，如否，则进入步骤S23；
S22：将所述加速度、角速度及地球磁场强度带入模式为九轴模式的航姿参考系统AHRS，以获取所述航向角；
S23：将所述加速度、角速度及地球磁场强度带入模式为六轴模式的航姿参考系统AHRS，以获取所述航向角。
3.根据权利要求1所述的无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，其特征在于，所述S30中采用模式识别方法识别所述移动终端的携带方式，具体包括：判断所述移动终端的航向角与行人的运动方向之间是否有固定夹角，如是，则携带方式为固定姿态，如否，则携带方式为非固定姿态。
4.根据权利要求3所述的无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，其特征在于，
当所述移动终端的携带方式为固定姿态时，则所述S40包括：获取所述固定夹角，并采用所述固定夹角作为补偿角补偿所述航向角得到行人的前进方向；
当所述移动终端的携带方式为非固定姿态时，则所述S40包括：获取所述航向角进行滤波处理得到稳定的航向角，计算滤波后稳定的航向角与行人前进方向的修正夹角并作为补偿角补偿所述航向角得到行人的前进方向。
5.根据权利要求4所述的无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，其特征在于，所述固定姿态包括导航模式及通话模式，当携带方式为导航模式时，所述航向角为行人的前进方向，当携带方式为通话模式时，所述固定夹角与所述航向角之和为行人的前进方向；所述非固定姿态包括口袋模式和摆动模式，当携带方式为口袋模式或摆动模式时，所述修正夹角与所述稳定的航向角之和为行人的前进方向。
6.根据权利要求1所述的无约束使用移动终端获取行人前进方向的方法，其特征在于，所述S10包括：所述移动终端通过加速度计、陀螺仪及磁力计分别获取所述加速度、角速度及地球磁场强度，并对所述加速度、角速度及地球磁场强度进行滤波处理。
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