CN106052672B - 一种记录、呈现动物运动轨迹的装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于定位技术领域，提供了一种记录、呈现动物运动轨迹的装置、系统及方法，该记录动物运动轨迹的装置包括：传感器模块，用于采集动物在动物载体坐标系下的运动参数；定位模块，用于在有全球导航卫星系统信号的区域内实时定位动物的具体位置信息；基带处理及应用处理模块，分别与传感器模块、定位模块相连接，用于接收运动参数以及具体位置信息，并根据运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息，再根据动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移。该装置在没有GNSS或者GPS信号时也能知道动物的大致位置和运动轨迹，以方便人们实时了解动物所处的位置及运动轨迹。

Description

一种记录、呈现动物运动轨迹的装置、系统及方法

技术领域

本发明属于定位技术领域，尤其涉及一种记录、呈现动物运动轨迹的装置、系统及方法。

背景技术

可穿戴设备就是直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。

动物的可穿戴设备可以让人们更好地了解家犬、赛马等动物的运动、当前位置及其他重要信息。人们将动物的可穿戴设备穿在宠物身上，可以防止宠物走丢。

现有的动物穿戴设备的运动轨迹跟踪功能主要借助GNSS，在GNSS的盲区，没有运动轨迹跟踪功能。另外运动轨迹跟踪功能依赖使用导航坐标系的电子地图，在没有导航坐标系的电子地图的一些地方，比如室内，其运动轨迹也难于呈现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种记录、呈现动物运动轨迹的装置、系统及方法，旨在解决现有的动物穿戴设备在GPS盲区时不能进行定位的问题。

本发明是这样实现的，一种记录动物运动轨迹的装置，该装置固设于动物上，包括：

传感器模块，用于采集动物在动物载体坐标系下的运动参数；

定位模块，用于在有全球导航卫星系统信号的区域内实时定位动物的具体位置信息；

基带处理及应用处理模块，分别与所述传感器模块、所述定位模块相连接，用于接收所述运动参数以及所述具体位置信息，并根据所述运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息，再根据所述动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及所述航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移；

存储模块，分别与所述传感器模块、所述定位模块和所述基带处理及应用处理模块相连接，用于存储所述运动参数、所述具体位置信息以及所述基带处理及应用处理模块在运算过程中的中间数据；

电源管理模块，分别与所述传感器模块、定位模块、基带处理及应用处理模块和存储模块相连接，用于提供电能并控制所述装置的开关机。

进一步地，该装置还包括：

气压计，分别与所述基带处理及应用处理模块、所述存储模块和所述电源管理模块相连接，用于实时测量动物所处的气压值，将所述气压值对照气压与高度的关系得到动物所处的高度值；

所述基带处理及应用处理模块还用于将所述高度值转换为在所述地理坐标系下的高度值；

无线射频模块，分别与所述基带处理及应用处理模块、所述电源管理模块相连接，将所述方位角及位移或者所述高度值进行无线发送。

本发明还提供一种呈现动物运动轨迹的装置，包括：

接收模块，用于接收所述地理坐标系下的方位角、位移和高度值，或者接收在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的所述具体位置信息；

原点确认模块，用于在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点；

计算模块，用于根据所述方位角、位移和所述高度值，计算出在地理坐标 系下的动物在各个时刻运动的坐标点；

呈现模块，以所述原点为起点将所述各个时刻运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据所述具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。

进一步地，所述计算模块包括：

第一计算子单元，计算连续时间间隔的高度值差，若所述高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点；

第二计算子单元，计算连续时间间隔的高度值差，若所述高度值差大于或等于所述预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

本发明还提供一种记录及呈现动物运动轨迹的系统，包括记录动物运动轨迹的装置和呈现动物运动轨迹的装置；

所述记录动物运动轨迹的装置与所述呈现动物运动轨迹的装置相连接，用于记录在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息，或者，用于记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值，并发送给所述呈现动物运动轨迹的装置；

所述呈现动物运动轨迹的装置根据所述具体位置信息在导航坐标系下描绘出动物的运动轨迹，或者，根据所述方位角、所述位移以及所述高度值计算出动物在各个时刻下运动的坐标点，并根据各个时刻的所述坐标点连成动物的运动轨迹。

进一步地，所述记录动物运动轨迹的装置包括：

传感器模块，用于采集动物在动物载体坐标系下的运动参数；

气压计，分别与所述基带处理及应用处理模块、所述存储模块和所述电源管理模块相连接，用于实时测量动物所处的气压值，将所述气压值对照气压与高度的关系得到动物所处的高度值；

定位模块，用于在有全球导航卫星系统信号的区域内实时定位动物的具体位置信息；

基带处理及应用处理模块，分别与所述传感器模块、所述气压计、所述定位模块相连接，用于接收所述运动参数、所述高度值以及所述具体位置信息，并根据所述运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息，再根据所述动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及所述航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移；

无线射频模块，分别与所述基带处理及应用处理模块、所述电源管理模块相连接，将所述方位角及位移或者所述高度值进行无线发送；

存储模块，分别与所述传感器模块、所述气压计、所述定位模块和所述基带处理及应用处理模块相连接，用于存储所述运动参数、所述高度值、所述具体位置信息以及所述基带处理及应用处理模块在运算过程中的中间数据；

电源管理模块，分别与所述传感器模块、定位模块、基带处理及应用处理模块和存储模块相连接，用于提供电能并控制所述装置的开关机。

进一步地，所述呈现动物运动轨迹的装置包括：

接收模块，用于接收所述地理坐标系下的方位角、位移和高度值，或者接收在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的所述具体位置信息；

原点确认模块，用于在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点；

计算模块，用于根据所述方位角、位移和所述高度值，计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点；

呈现模块，以所述原点为起点将所述各个时刻运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据所述具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。

本发明还提供一种记录及呈现动物运动轨迹的方法，包括以下步骤：

实时记录在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息，或者，实时记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值；

在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系 的原点，根据所述方位角、位移和所述高度值计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点；

以所述原点为起点将所述各个时刻下运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据所述具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。

进一步地，所述根据所述方位角、位移和所述高度值计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点具体包括：

计算连续时间间隔的高度值差，将所述高度值差与预设高度进行对比；

若所述高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点；

若所述高度值差大于或等于所述预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

进一步地，所述实时记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值具体包括：

实时采集动物在动物载体坐标系下的运动参数和气压值；

根据气压与高度的关系将所述气压值转换为动物所处的高度值；

根据所述运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息；

再根据所述动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及所述航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：所述的记录动物运动轨迹的装置在有GNSS或者GPS信号时使用定位模块实时定位动物的具体位置信息，并在电子地图上显示动物的运动轨迹，在没有GNSS或者GPS信号时使用传感器模块采集动物在动物载体坐标系下的运动参数，并使用基带处理及应用处理模块对运动参数进行处理，得到方位角和位移，从而知道动物的大致位置和运动轨迹。以方便人们实时了解动物所处的位置及运动轨迹。

附图说明

图1是本发明实施例提供的记录动物运动轨迹的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的呈现动物运动轨迹的装置的结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的呈现动物运动轨迹的装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的记录及呈现动物运动轨迹的系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的呈现动物运动轨迹的方法的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的记录及呈现动物运动轨迹的方法的流程示意图；

图7是本发明实施例中动物载体坐标系与地理坐标系的关系示意图；

图8是本发明实施例中导航坐标系的示意图；

图9是本发明实施例中地理坐标系与导航坐标系的关系示意图；

图10是本发明实施例中长期融合算法的流程示意图；

图11是本发明实施例中动物在地理坐标系水平面的运动轨迹示意图；

图12是本发明实施例中动物在地理坐标系三维空间的运动轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的记录动物运动轨迹的装置的结构示意图，该记录动物运动轨迹的装置固设于动物上，具体包括：基带处理及应用处理模块101、传感器模块102、定位模块103、存储模块109和电源管理模块106。各个模块的详细说明如下：

传感器模块102，用于采集动物在动物载体坐标系下的运动参数。传感器模块102可以准确的监测动物位置和运动的姿态信息。姿态信息包含俯仰角θ(pitch)、偏航角ψ(yaw)、滚转角Φ(roll)、方向角、航向角等。

具体的，运动参数可以是加速度、角速度、磁场强度等。动物的加速度和角速度反映了动物的运动状态。

定位模块103，用于在有全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation SatelliteSystem)信号的区域内实时定位动物的具体位置信息。

基带处理及应用处理模块101，分别与传感器模块102、定位模块103相连接，用于接收运动参数以及具体位置信息，并根据运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息，再根据动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移。

基带处理及应用处理模块101可以采用MTK6580Cortex A7四核1.4G的处理器来负责记录与运算出动物载体坐标系下的姿态信息。

具体的，可以采用动物载体坐标系与地理坐标系的欧拉变换矩阵，从动物的载体坐标系的航向角信息得到地理坐标系的航向角信息。姿态信息包含俯仰角θ(pitch)、偏航角ψ(yaw)、滚转角Φ(roll)等。

存储模块109，分别与传感器模块102、定位模块103和基带处理及应用处理模块101相连接，用于存储运动参数、具体位置信息、方位角、位移以及基带处理及应用处理模块101在运算过程中的中间数据。存储模块109包含EMMC(Embedded Multi Media Card)和T卡，支持高速存储器系统。

电源管理模块106，分别与传感器模块102、定位模块103、基带处理及应用处理模块101和存储模块109相连接，用于提供电能并控制装置的开关机。

关于坐标系的定义及各种坐标系的关系说明如下：

动物载体坐标系，定义为原点在动物的质心，OX_b轴和OY_b轴在当地水平面内，OX_b轴指向载体的右侧，OY_b轴沿载体纵轴方向并指向前方，OZ_b垂直于载体竖直向上。OX_bY_bZ_b坐标系构成右手直角坐标系，当载体没有俯仰、倾斜时，OX_bY_b即为水平面，OZ_b轴与OX_bY_b构成的水平面垂直且指向天顶。

地理坐标系，定义为原点位于载体所在的地球表面，地理坐标系的原点O选取在载体质心处，X_n轴向指向北，Y_n轴正向指向天，Z_n轴正向指向东。动物载体坐标系绕地理坐标系的X轴旋转的姿态角，称为滚转角Φ(roll)；动物载体坐标系绕地理坐标系Y轴旋转的姿态角，称为俯仰角θ(pitch)；动物载体 坐标系绕地理坐标系Z轴旋转的姿态角，称偏航角ψ(yaw)。动物载体坐标系与地理坐标系的关系，请参阅图7。

请参阅图8，图8为本发明实施例中导航坐标系的示意图，导航坐标系及世界大地坐标系的原点O均在地心，OZ_w指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向，OX_w轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，OY_w轴与OX_w、OZ_w构成右手坐标系。WGS-84坐标系是一种协议地球坐标系，它和地球坐标系是一致的，GPS所采用的坐标系即为该坐标系。关于地理坐标系与导航坐标系的关系，请参阅图9。

与上述实施例相结合，定位模块103包含GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、WiFi(WIreless-Fidelity，无线保真)、BT(Bit Torrent，比特流)、北斗二代和FM(frequency modulation，调频)模块等。定位模块103与天线107一起负责处理GPS/WiFi/BT/FM/北斗二代等的定位功能。

与上述各个实施例相结合，该装置还包括气压计104。气压计104分别与基带处理及应用处理模块101、存储模块109和电源管理模块106相连接，用于实时测量动物所处的气压值，将气压值对照气压与高度的关系得到动物所处的高度值。气压计104可以实现分辨率极高的压力和高度测量，其精度可以达到厘米级的高度误差。

在气压计104采集到高度值后，基带处理及应用处理模块101将高度值转换为在地理坐标系下的高度值。

与上述各个实施例相结合，该装置还可以包括：无线射频模块105、音频模块110和摄像头111。

无线射频模块105分别与基带处理及应用处理模块101、电源管理模块106相连接，将方位角、位移、具体位置信息或者高度值进行无线发送。

无线射频模块105支持WIFI/2G/3G/4G等多种通信形式，其与天线108完成无线射频信号的接收和发射。

音频模块110与基带处理及应用处理模块101相连接，用于发出报警音频 信号。当动物处于危险地带或者其运动数据超过预设阈值时，会发现报警信号，用于提示动物或者实时监控动物运动状态的监控人。

摄像头111与基带处理及应用处理模块101相连接，用于拍摄动物的运动过程。拍摄到的视频可以通过无线射频模块105传输到呈现动物运动轨迹的装置中，以方便人们实时了解动物的状况。

传感器模块102可以为MEMS(Micro electro Mechanical Systems，微机电系统)9轴传感器，9轴传感器包括三轴加速度仪、三轴陀螺仪和三轴磁场计。三轴加速度仪主要用于测量动物的加速度，三轴陀螺仪用于测量在动物载体坐标系X-Y-Z下的角速度，三轴磁场计用于测量在动物载体坐标系X-Y-Z下的磁场强度。

在基带处理及应用处理模块101进行计算得到动物的航向角信息时，由于传感器模块102的测量误差，主要是由于三轴陀螺仪的积分误差和振动引起的加速度仪误差，导致得到的运动参数不准确。因此，可以采取长期融合的算法来纠正陀螺仪积分得出的参数。长期融合分为两个阶段，第一阶段是获得直接参数，直接测量的量包括加速度和磁场强度。第二阶段是用直接测量得到的参数纠正当前参数。因为地理坐标系中的重力和磁场是个常量，所以将地理坐标系中的重力向量和磁场向量转换到动物载体坐标系中，此时转换到动物载体坐标系的重力向量和磁场向量与动物载体坐标系中测出来的重力向量和磁场向量会有误差，只要消除此误差，就可以校正动物载体坐标系，进而得到动物载体坐标系准确的航向角信息。消除误差的方法有卡尔曼滤波法、互补滤波法、姿态插值法等。运动参数信息计算出后，通过无线网络传送给呈现动物运动轨迹的装置即可将运动轨迹及实时位置进行显示。

长期融合算法的流程示意图如图10所示，具体为：

进行各种初始化。

判断初始化是否完成。

若初始化未完成，则继续进行各种初始化；若初始化完成，则使用定时器 触发测量，需要测量的量有加速度、角速度、磁场强度和气压值。所有的测量过程都在定时中断中完成。

在测量完成后，保存测量结果，并将状态转到准备测量状态。

用角速度进行快速融合。

判断是否需要进行长期融合，如需进行长期融合，则用加速度和磁场强度进行长期融合；否则返回判断初始化是否完成的步骤。

快速融合算法采用公式：进行计算，其中，angle(角度)_Tn为T_n时刻的角度，angle(角度)_Tn-1为T_n-1时刻的角度，w为陀螺仪的角速度。

消除误差的长期融合算法，三轴陀螺仪在短期测量得到的值比较准确，但是由于存在温漂，在进行积分后，在长时期下得到的值就会存在较大的误差，导致不能使用。所以要通过三轴加速度仪和三轴磁场计进行修正角度，但是三轴加速度仪在短期内测量得到的参数不准确，噪声比较大，而三轴磁场计则易受外界干扰，所以要将三轴陀螺仪高通，三轴加速度仪和三轴磁场计低通后进行一定比例的融合，才能比较准确的反应角度的变化。

在进行长期融合时，使用公式angle(角度)＝α×陀螺仪角度值+(1-α)×加速度/角速度计算得到，其中，加速度和角速度都是三轴加速度仪和三轴陀螺仪在同一个动物载体坐标系下获得的参数。系数α可以通过实验取样测试得到。

是否需要进行长期融合算法的判断依据主要是经验值，一般可以通过现场实验得到。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的呈现动物运动轨迹的装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明相关的部分模块。该呈现动物运动轨迹的装置可以由软件来实现，也可以由硬件来实现，或者由软件和硬件相结合的方式实现。例如，可以由运行在移动终端上的APP应用程序来实现，该APP可以支持Android、IOS两种系统。

该呈现动物运动轨迹的装置主要包括：接收模块201、原点确认模块202、计算模块204和呈现模块205。各个功能模块的详细说明如下：

接收模块201用于接收地理坐标系下的方位角、位移和高度值，或者接收在有全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)信号的区域内动物的所述具体位置信息。

原点确认模块202用于在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点。在地理坐标系中，X/Y/Z轴的方向是地理坐标系的方向，对应关系为显示的X轴代表水平面的东西方向，Y轴代表水平面的南北方向，Z轴代表高度。

计算模块204用于根据方位角、位移和高度值，计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点。

计算模块204可以通过航位推测法，对姿态信息结合航向角信息及高度值作融合计算，得到动物在地理坐标系的X-Y-Z轴的三维坐标。

航位推测法是一种利用现在物体位置及速度推定未来位置和方向的技术。通过读取连续时间间隔的气压计的高度差，当高度差小于一个阀值时，动物在水平面运动，使用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物的坐标。当高度差大于一个阀值时，动物在三维空间运动，使用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物的坐标。

呈现模块205以原点为起点将各个时刻运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。即采用地理坐标系画点的方式，将每个点按时间顺序依次用线段连接起来，形成运动轨迹。

也就是说，在有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在运动轨迹在导航坐标系下呈现。在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物的运动轨迹在地理坐标系下呈现。

请参阅图3，图3为本发明另一实施例提供的呈现动物运动轨迹的装置的结构示意图，与上述的实施例相对比，主要的区别点在于计算模块204和转换模 块203，下面具体对计算模块204进行说明，其它部分的内容请参照上述的实施例，在此不再赘述。

计算模块204包括第一计算子单元2041和第二计算子单元2042。

第一计算子单元2041计算连续时间间隔的高度值差，若高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

第二计算子单元2042计算连续时间间隔的高度值差，若高度值差大于或等于预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

转换模块203用于将在动物载体坐标系下的航向角信息转换为在地理坐标系下的方位角及位移。

具体的，可以采用动物载体坐标系与导航坐标系的转换矩阵，从动物的载体坐标系的航向角信息得到地理坐标系的航向角信息。姿态信息包含俯仰角θ(pitch)、偏航角ψ(yaw)、滚转角Φ(roll)等。

转换模块203实现的将运动载体坐标系的运动参数转化为地理坐标系的方位角和位移。该功能的实现可以在呈现动物运动轨迹的装置中实现，即在APP端实现，也可以在记录动物运动轨迹的装置中实现，即在动物的可穿戴设备上实现。

具体的，动物在水平面运动的轨迹计算方法为：

请参阅图11，图11为动物在地理坐标系水平面的运动轨迹示意图。取相同的单位时间，在A处T₀时刻，其坐标为(X₀，Y₀)，沿着方位角α₁行走位移L₀到B处，B点坐标为(X₁，Y₁)，其中方位角α₁为行走方向与X轴的夹角，在B处T₁时刻，沿着方位角α₂行走位移L₁到C处，C点坐标为(X₂，Y₂)，其中方位角α₂为行走方向与X轴的夹角，在C处T₂时刻，沿着方位角α₃行走位移L₂到D处，D点坐标为(X₃，Y₃)，其中方位角α₃为行走方向与X轴的夹角，在D处T₃时刻，沿着方位角α₄行走位移L₃到E处，E点坐标为(X₄，Y₄)，其中方位角α₄为行走方向与X轴的夹角，在E处T₄时刻，沿着方位角α₅行走位移L₄ 到F处，F点坐标为(X₅，Y₅)，其中方位角α₅为行走方向与X轴的夹角，位移L_i＝步长*步数，这个是从加速度仪得到的在动物载体坐标系的绝对位移，从图11可知，T_i时刻的位置坐标可以由T_i-1时刻的位置坐标、方位角和位移得到，计算的公式为：X_i＝X_i-1+L_i-1cosα_i-1(1)， Y_i＝Y_i-1+L_i-1sinα_i-1(2)其中，方位角α是通过三轴陀螺仪、三轴加速度仪和三轴磁场计的融合计算得到，这样就通过计算得到T_i时刻动物在水平面的坐标点X和Y。

根据计算出来的坐标点，在地理坐标系中用线段按时间顺序依次连接这些点，即可得到动物的运动轨迹。

动物在三维空间运动的轨迹计算方法为：

请参阅图12，图12为动物在地理坐标系三维空间的运动轨迹示意图。取相同单位时间，在A处T₀时刻，其坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，沿着方位角α₁行走位移LL₀到B处，B点坐标为(X₁，Y₁，Z₁)，其中方位角α₁为行走方向与X轴的夹角，在B处T₁时刻，沿着方位角α₂行走位移LL₁到C处，C点坐标为(X₂，Y₂，Z₂)，其中方位角α₂为行走方向与X轴的夹角，在C处T₂时刻，沿着方位角α₃行走位移LL₂到D处，D点坐标为(X₃，Y₃，Z₃)，其中方位角α₃为行走方向与X轴的夹角，在D处T₃时刻，沿着方位角α₄行走位移LL₃到E处，E点坐标为(X₄，Y₄，Z₄)，其中方位角α₄为行走方向与X轴的夹角，在E处T₄时刻，沿着方位角α₅行走位移LL₄到F处，F点坐标为(X₅，Y₅，Z₅)，其中方位角α₅为行走方向与X轴的夹角，位移LL_i＝步长*步数，这个是从三轴加速度仪得到的在动物载体坐标系的绝对位移，从图12可知，T_i时刻的位置坐标可以由上一时刻T_i-1的位置坐标、方位角、位移得到，计算的过程为：

(1)从气压计中得到T_i时刻的高度H_i，换算为高度坐标Z_i，前一时刻T_i-1的高度H_i-1，则高度的位移分量为：ΔH＝H_i-H_i-1。

(2)水平的位移分量为：

(3)水平的位移X_i和Y_i的计算公式为：X_i＝X_i-1+L_i-1cosα_i-1， Y_i＝Y_i-1+L_i-1sinα_i-1，其中，方位角α是通过三轴陀螺仪、三轴加速度仪和三轴磁场计的融合计算得到，通过计算就得到动物在T_i时刻在三维空间的坐标X、Y和Z。

根据计算出来的坐标点，在地理坐标系中用线段按时间顺序依次连接这些点，即可得到动物的运动轨迹。

本发明实施例中，通过接收模块201接收记录动物运动轨迹的装置中得到的方位角、位移、高度值和具体位置信息，然后计算出在地理坐标系下的运动坐标点，从而实现在有GNSS信号和在GNSS盲区均能呈现动物的运动轨迹，从而实现了记录和回放的功能。

请参阅图4，图4为本发明实施例提供的记录及呈现动物运动轨迹的系统的结构示意图，该记录及呈现动物运动轨迹的系统，包括记录动物运动轨迹的装置41和呈现动物运动轨迹的装置42。

记录动物运动轨迹的装置41与呈现动物运动轨迹的装置42相连接，用于记录在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息，或者，用于记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值，并发送给呈现动物运动轨迹的装置42。

记录动物运动轨迹的装置41与呈现动物运动轨迹的装置42可以通过无线或者有线的方式进行连接。本实施例中，记录动物运动轨迹的装置41可以通过WIFI/2G/3G/4G等硬件与呈现动物运动轨迹的装置42相连接，从而实现数据的传输。

呈现动物运动轨迹的装置42根据具体位置信息在导航坐标系下描绘出动物的运动轨迹，或者，根据方位角、位移、高度值计算出动物在各个时刻下运动的坐标点，并根据各个时刻的坐标点连成动物的运动轨迹。

与上述实施例相结合，记录动物运动轨迹的装置41包括：

传感器模块102，用于采集动物在动物载体坐标系下的运动参数。

气压计104，分别与基带处理及应用处理模块101、存储模块109和电源管 理模块106相连接，用于实时测量动物所处的气压值，将气压值对照气压与高度的关系得到动物所处的高度值。

定位模块103，用于在有全球导航卫星系统信号的区域内实时定位动物的具体位置信息。

基带处理及应用处理模块101，分别与传感器模块102、气压计104、定位模块103相连接，用于接收运动参数、高度值以及具体位置信息，并根据运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息，再根据动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移。

无线射频模块105，分别与基带处理及应用处理模块101、电源管理模块106相连接，将方位角、位移、具体位置信息或者高度值进行无线发送。

存储模块109，分别与传感器模块102、气压计104、定位模块103和基带处理及应用处理模块101相连接，用于存储加速度、角速度、磁场强度、高度值、具体位置信息以及基带处理及应用处理模块在运算过程中的中间数据。

电源管理模块106，分别与传感器模块102、定位模块103、基带处理及应用处理模块101和存储模块109相连接，用于提供电能并控制装置的开关机。

呈现动物运动轨迹的装置42具体包括：

接收模块201用于接收地理坐标系下的方位角、位移和高度值，或者接收在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息。

原点确认模块202用于在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点。在地理坐标系中，X/Y/Z轴的方向是地理坐标系的方向，对应关系为显示的X轴代表水平面的东西方向，Y轴代表水平面的南北方向，Z轴代表高度。

转换模块203用于将在动物载体坐标系下的航向角信息转换为在地理坐标系下的姿态信息。当在记录动物运动轨迹的装置中已经实现将动物载体坐标系下的运动参数转化为地理坐标系下的方位角及位移时，可以不需要转换模块203。

具体的，可以采用动物载体坐标系与导航坐标系的转换矩阵，从动物的载体坐标系的航向角信息得到地理坐标系的航向角信息。姿态信息包含俯仰角θ(pitch)、偏航角ψ(yaw)、滚转角Φ(roll)、位移等。

计算模块204用于根据姿态信息和高度值，计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点。计算模块204可以通过航位推测法，对姿态信息结合航向角信息及高度值作融合计算，得到动物在地理坐标系的X-Y-Z轴的3维坐标。

航位推测法是一种利用现在物体位置及速度推定未来位置和方向的技术。通过读取连续时间间隔的气压计的高度差，当高度差小于一个阀值时，动物在水平面运动，使用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物的坐标。当高度差大于一个阀值时，动物在三维空间运动，使用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物的坐标。

呈现模块205以原点为起点将各个时刻运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。即采用地理坐标系画点的方式，将每个点按时间顺序依次用线段连接起来，形成运动轨迹。

计算模块204包括第一计算子单元2041和第二计算子单元2042。

第一计算子单元2041计算连续时间间隔的高度值差，若高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

第二计算子单元2042计算连续时间间隔的高度值差，若高度值差大于或等于预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

记录动物运动轨迹的装置41和呈现动物运动轨迹的装置42中的过程计算过程及对一些模块或器件没有进行描述的地方，请参照上述各个实施例的具体说明。

本发明的实施例中，在GNSS盲区也能实时得到动物的运动轨迹信息，在没有电子地图的地方，通过图形的方式在呈现动物运动轨迹的装置中用地理坐 标系直接呈现动物的运动轨迹。从而方便人们对动物的跟踪及进一步的了解动物的运动状态，并且与方便对运动情况的回放。

请参阅图5，图5是本发明实施例提供的呈现动物运动轨迹的方法的流程示意图。该呈现动物运动轨迹的方法包括以下步骤：

S501、实时接收在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息，或者，实时接收在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值。

S502、在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点，根据方位角、位移和高度值计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点。

S503、以原点为起点将各个时刻运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。

与上述实施例相结合，步骤S502具体包括：

计算连续时间间隔的高度值差，将高度值差与预设高度进行对比。

若高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。预设高度为根据实际的需要进行设定。

若高度值差大于或等于预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

请参阅图6，图6是本发明实施例提供的记录及呈现动物运动轨迹的方法的流程示意图。该记录及呈现动物运动轨迹的方法包括以下步骤：

S601、实时记录在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息，或者，实时记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值。

S602、在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点，根据方位角、位移和高度值计算出在地理坐标系下动物在各个时刻运动的坐标点。

S603、以原点为起点将各个时刻下运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。

与上述实施例相结合，步骤S602具体包括：

计算连续时间间隔的高度值差，将高度值差与预设高度进行对比。

若高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

若高度值差大于或等于预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

实时记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在动物载体坐标系下的航向角信息和高度值具体包括：

实时采集动物在动物载体坐标系下的运动参数和气压值。

根据气压与高度的关系将气压值转换为动物所处的高度值。气压会随着高度的变化而变化，根据测量出的气压值，对比气压与高度的关系即可得到动物的实时高度值。

根据运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息。

再根据动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移。

本发明中，在GNSS或GPS盲区，比如室内和地下室，能通过传感器模块102采集动物的运动参数，并结合航位推测法和惯性导航知道动物的大致位置和轨迹。同时，在没有电子地图的地方，通过基带处理及应用处理模块101将采集到的运动参数进行运算后传给呈现动物运动轨迹的装置上，呈现动物运动轨迹的装置再采用航位推测计算出动物的位置坐标，从而在地理坐标系上将运动轨迹呈现出来，以方便对动物的运动轨迹进行记录、分析与回放，让人们再好地了解动物的运动情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种记录动物运动轨迹的装置，该装置固设于动物上，其特征在于，包括：

传感器模块，用于采集动物在动物载体坐标系下的运动参数；

定位模块，用于在有全球导航卫星系统信号的区域内实时定位动物的具体位置信息；

基带处理及应用处理模块，分别与所述传感器模块、所述定位模块相连接，用于接收所述运动参数以及所述具体位置信息，并根据所述运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息，再根据所述动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及所述航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移；

存储模块，分别与所述传感器模块、所述定位模块和所述基带处理及应用处理模块相连接，用于存储所述运动参数、所述具体位置信息以及所述基带处理及应用处理模块在运算过程中的中间数据；

电源管理模块，分别与所述传感器模块、定位模块、基带处理及应用处理模块和存储模块相连接，用于提供电能并控制所述装置的开关机；该装置还包括：

气压计，分别与所述基带处理及应用处理模块、所述存储模块和所述电源管理模块相连接，用于实时测量动物所处的气压值，将所述气压值对照气压与高度的关系得到动物所处的高度值；

所述基带处理及应用处理模块还用于将所述高度值转换为在所述地理坐标系下的高度值；

无线射频模块，分别与所述基带处理及应用处理模块、所述电源管理模块相连接，将所述方位角及位移或者所述高度值进行无线发送，以便呈现动物运动轨迹的装置根据所述方位角、位移，计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点，所述计算过程包括：计算连续时间间隔的高度值差，若所述高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点；或者，计算连续时间间隔的高度值差，若所述高度值差大于或等于所述预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

2.一种呈现动物运动轨迹的装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收地理坐标系下的方位角、位移和高度值，或者接收在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息；

原点确认模块，用于在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点；

计算模块，用于根据所述方位角、位移和所述高度值，计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点；

呈现模块，以所述原点为起点将所述各个时刻运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据所述具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹；

所述计算模块包括：

第一计算子单元，计算连续时间间隔的高度值差，若所述高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点；

第二计算子单元，计算连续时间间隔的高度值差，若所述高度值差大于或等于所述预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

3.一种记录及呈现动物运动轨迹的系统，其特征在于，包括记录动物运动轨迹的装置和呈现动物运动轨迹的装置；

所述记录动物运动轨迹的装置与所述呈现动物运动轨迹的装置相连接，用于记录在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息，或者，用于记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值，并发送给所述呈现动物运动轨迹的装置；

所述呈现动物运动轨迹的装置根据所述具体位置信息在导航坐标系下描绘出动物的运动轨迹，或者，根据所述方位角、所述位移以及所述高度值计算出动物在各个时刻下运动的坐标点，并根据各个时刻的所述坐标点连成动物的运动轨迹；

其中，所述呈现动物运动轨迹的装置包括：

接收模块，用于接收所述地理坐标系下的方位角、位移和高度值，或者接收在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的所述具体位置信息；

原点确认模块，用于在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点；

计算模块，用于根据所述方位角、位移和所述高度值，计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点；

呈现模块，以所述原点为起点将所述各个时刻运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据所述具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。

4.根据权利要求3所述的记录及呈现动物运动轨迹的系统，其特征在于，所述记录动物运动轨迹的装置包括：

传感器模块，用于采集动物在动物载体坐标系下的运动参数；

气压计，分别与基带处理及应用处理模块、存储模块和电源管理模块相连接，用于实时测量动物所处的气压值，将所述气压值对照气压与高度的关系得到动物所处的高度值；

定位模块，用于在有全球导航卫星系统信号的区域内实时定位动物的具体位置信息；

基带处理及应用处理模块，分别与所述传感器模块、所述气压计、所述定位模块相连接，用于接收所述运动参数、所述高度值以及所述具体位置信息，并根据所述运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息，再根据所述动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及所述航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移；

无线射频模块，分别与所述基带处理及应用处理模块、所述电源管理模块相连接，将所述方位角、所述位移、所述具体位置信息或者所述高度值进行无线发送；

存储模块，分别与所述传感器模块、所述气压计、所述定位模块和所述基带处理及应用处理模块相连接，用于存储所述运动参数、所述高度值、所述具体位置信息以及所述基带处理及应用处理模块在运算过程中的中间数据；

电源管理模块，分别与所述传感器模块、定位模块、基带处理及应用处理模块和存储模块相连接，用于提供电能并控制所述装置的开关机。

5.一种记录及呈现动物运动轨迹的方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时记录在有全球导航卫星系统信号的区域内动物的具体位置信息，或者，实时记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值；

在全球导航卫星系统信号消失时，以消失点的经纬度信息作为地理坐标系的原点，根据所述方位角、位移和所述高度值计算出在地理坐标系下动物在各个时刻运动的坐标点；

以所述原点为起点将所述各个时刻下运动的坐标点连成运动轨迹，或者，根据所述具体位置信息在导航坐标系下描绘出的动物的运动轨迹。

6.根据权利5所述的记录及呈现动物运动轨迹的方法，其特征在于，所述根据所述方位角、位移和所述高度值计算出在地理坐标系下的动物在各个时刻运动的坐标点具体包括：

计算连续时间间隔的高度值差，将所述高度值差与预设高度进行对比；

若所述高度值差小于预设高度，则采用水平面的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点；

若所述高度值差大于或等于所述预设高度，则采用三维空间的运动轨迹的计算方法计算动物各个时刻的坐标点。

7.根据权利5或6所述的记录及呈现动物运动轨迹的方法，其特征在于，所述实时记录在没有全球导航卫星系统信号的区域内，动物在地理坐标系下的方位角、位移和高度值具体包括：

实时采集动物在动物载体坐标系下的运动参数和气压值；

根据气压与高度的关系将所述气压值转换为动物所处的高度值；

根据所述运动参数计算出在动物载体坐标系下的航向角信息；

再根据所述动物载体坐标系与地理坐标系的关系以及所述航向角信息计算出动物在地理坐标系下的方位角及位移。