CN106574837B - 对地球重力的估计的生成 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生成地球重力的估计的方法。该方法包括：获得(210)在一定时间段内的一个或多个加速度数据值和一个或多个定向数据值；根据定向数据值生成(220)定向变化的幅度；基于加速度数据值和定向变化的幅度，确定(230)稳定性值；将所确定的稳定性值与阈值进行比较(240)；以及如果该比较指示所确定的稳定性值小于阈值，则基于加速度数据值生成(250)在该时间段内的地球重力的估计。本发明还涉及实现该方法的装置。

Description

对地球重力的估计的生成

技术领域

本发明总体上涉及测量系统的技术领域。本发明特别地涉及地球重力的确定。

背景技术

传感器技术的发展及其在不同环境中的利用已经实现更成熟的方法来获得并生成对象的信息。传感器的重要应用领域是监测对象(诸如移动设备)的运动。该监测提供信息，借助于该信息，可以导出多种类型的信息，例如关于设备的运动信息。

传统地，通过利用来自例如全球定位系统(GPS)的定位信息来执行对设备上运动信息的确定。基于GPS的系统的理念在于，通过分析设备的位置变化，可以得出关于运动的一些结论。然而，基于GPS的系统具有许多缺点。首先，GPS接收器存在高功率消耗的问题，高功率消耗对于移动设备是个问题。其次，移动设备将“看见”多个卫星，以接收用于确定其位置的足够信息。这在室内是不可能的，因此运动的确定失败。此外，当需要例如基于运动信息的运输模式的细微区别时，当前的基于GPS的解决方案仅提供适当的准确度。

由于基于GPS的系统的缺点，开发了基于用于检测设备运动的传感器的一些其它解决方案。解决方案通常基于加速度计传感器的利用。通过分析传感器信息，可以至少以一些准确度获得关于运动的结论。然而，加速度计传感器的问题在于其受地球重力的影响，因此测量信息包括误差源。在现有的一些实现中，当设备被确定为静止或在窗口上使用加速度计测量的平均值时，地球重力分量被适时考虑。前者取决于频繁的静止期，而后者具有连续加速度的较差的准确度。可选技术是使用加速度计测量的L2范数。即使在这种情况下，L2范数的加速度值由地球重力主导，因此有效地屏蔽水平加速度，水平加速度是例如在机动交通中的重要参数。

在一些解决方案中，开发了基于GPS的系统和基于加速计传感器的系统的组合，但是所提到的缺点仍然存在，这是因为解决方案彼此不同。

值得提及的是，除了地球重力之外，其它加速度相关因素(诸如，设备相对于在其中该设备正行进的实体的动态定向)导致挑战。换句话说，除了源自设备本身的运动的效应之外，还应考虑任何所谓的外力，以确定关于重力分量的确定的准确计算结果。

因此，需要开发解决方案以提高现有技术的测量系统的准确度。特别地，有利的是简便地确定重力分量，使得其考虑影响装置(即，传感器)的大量的力，并且在任何进一步需要中(例如，在装置的运动识别中)利用所估计的重力信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于确定地球重力估计的方法、装置和计算机程序产品。本发明的另一个目的是用于确定地球重力估计的方法、装置和计算机程序产品考虑对象的定向变化。

本发明的目的通过如由相应独立权利要求所限定的方法、装置和计算机程序产品来实现。

根据第一方面，提供了一种用于生成地球重力估计的方法，其中该方法包括：获得在一定时间段内的一个或多个加速度数据值和一个或多个定向数据值；根据定向数据值生成定向变化的幅度；基于加速度数据值和根据定向数据值生成的定向变化的幅度来确定稳定性值，该稳定性值指示在该时间段期间的稳定性；将所确定的稳定性值与阈值进行比较；以及如果该比较指示所确定的稳定性值小于阈值，则基于加速度数据值来生成(250)在该时间段内的地球重力估计。

稳定性值可以通过对以下各项求和来确定：在该时间段期间的加速度数据值的标准差；在该时间段期间的加速度数据值的平均值中的差；在该时间段期间的来自定向数据值的定向变化的幅度。

地球重力的估计可以通过确定在该时间段期间的加速度数据值的平均值而被生成。

可以通过在两个时间段之间内插加速度值来生成在这两个时间段之间的地球重力的估计，其中所确定的稳定性值小于对应的阈值。

该方法还可以包括：将通过内插生成的地球重力的估计与通过稳定性值与阈值的比较生成的地球重力的至少一个估计进行比较，以便检测偏离估计。

响应于确定在该时间段内稳定性值小于阈值，可以调整阈值。阈值的调整可以通过将阈值增加预定因子而被执行。备选地或附加地，阈值的调整可以通过将小于阈值的先前的稳定性值设置为新的阈值而被执行。

根据第二方面，一种用于生成地球重力估计的装置，该装置包括至少一个处理器；以及提供包含计算机程序代码的至少一个存储器，其中处理器被配置为使得装置至少执行：获得在一定时间段内的一个或多个加速度数据值和一个或多个定向数据值；根据定向数据值生成定向变化的幅度；基于加速度数据值和根据定向数据值生成的定向变化的幅度来确定装置的稳定性值，该稳定性值指示在该时间段期间的稳定性；将所确定的稳定性值与阈值进行比较；如果该比较指示装置的所确定的稳定性值小于阈值，则基于加速度数据值来生成在该时间段内的地球重力的估计。

装置可以被配置为通过对以下各项求和来确定稳定性值：在该时间段期间的加速度数据值的标准差；在该时间段期间的加速度数据值的平均值的差；在该时间段期间的来自定向数据值的定向变化的幅度。

装置可以被配置为通过确定该时间段期间的加速度数据值的平均值来生成地球重力的估计。

装置还可以被配置为通过在两个时间段之间内插加速度值来生成这两个时间段之间的地球重力的估计，其中所确定的稳定性值小于对应的阈值。

装置还可以被配置为：将通过内插生成的地球重力的估计与通过稳定性值与阈值的比较生成的地球重力的至少一个估计进行比较，以便检测偏离估计。

装置可以被配置为响应于确定在该时间段内稳定性值小于阈值来调整阈值。此外，装置可以被配置为通过将阈值增加预定因子来执行阈值的调整。备选地或附加地，装置可以被配置为通过将小于阈值的先前的稳定性值设置为新的阈值来执行阈值的调整。

装置可以包括至少一个加速度传感器和至少一个陀螺仪。

根据第三方面，提供了一种计算机程序产品，其中计算机程序产品包括计算机程序代码的部分，计算机程序代码的部分被配置为当计算机程序代码的至少一些部分在计算设备中被执行时执行如上所述的方法的至少一部分。

在本专利申请中呈现的本发明的示例性实施例不应被解释为对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”在本专利申请中用作不排除未记载的特征的存在的开放式限制。除非另有明确说明，否则在从属权利要求中记载的特征可以相互自由地组合。

在所附权利要求中特别阐述了被认为是本发明特性的新颖特征。然而，关于其结构和操作方法，本发明本身以及其附加的目的和优点通过结合附图阅读的具体实施例的以下描述将得到最好的理解。

附图说明

在附图的各图中，通过示例而非限制的方式图示了本发明的实施例。

图1示意性地图示了根据本发明的装置的示例。

图2示意性地图示了根据本发明的方法的示例。

图3更详细地示意性地图示了方法步骤。

具体实施方式

作为示例，图1示意性地图示了根据本发明的装置100。装置100包括一个或多个处理器110、用于存储计算机程序代码121a-121n的部分的易失性或非易失性的一个或多个存储器120。该装置还可以包括第一传感器和第二传感器，其中第一传感器130被配置为测量加速度，以及第二传感器140被配置为测量定向。加速度传感器130(即第一传感器)可以是适合于测量三个空间维度(3D)中的加速度的任何适用类型的加速度传感器。备选地，加速度的测量可以被布置具有多于一个2D类型的加速器。定向传感器140(即第二传感器)可以是布置在装置100中的陀螺仪。在图1中，公开了传感器被布置在装置中，但是也可以布置成传感器不是装置的物理部分，而是可以通信地耦合到装置，并且耦合到对象，该对象的运动被配置为被监测。处理器110、存储器120和传感器130、传感器140之间的通信可以通过被布置在装置100中的数据总线而被内部布置。

装置100的处理器110被配置为执行根据如将要描述的本发明的方法。此外，处理器110可以被配置为控制装置100的操作。可以通过将处理器110布置为执行被存储在存储器120中的、引起处理器110的控制操作的计算机程序代码121a-121n的至少一部分来实现控制。处理器110因此被布置为访问存储器120，并且从存储器120取回任何信息和将任何信息存储到存储器120。此外，处理器110可以被配置为控制传感器130、140的测量操作并且从传感器获得信息。处理器110还可以被配置为控制所生成的信息的存储。为了清楚起见，在其它任务之外，本文中的处理器涉及适于处理信息和控制装置的操作的任何单元。所提及的操作可以例如通过嵌入式软件的微控制器解决方案来实现。

取决于装置的类型，装置还可以包括用于与用户对接的用户接口和用于与任何外部实体通信的通信接口。自然地，应用在装置内提供必要能量的任何已知方式，例如在装置中布置电池或从外部能量源提供功率。此外，用于在装置中提供时钟信号的内部时钟可以被布置在装置100中，或者其可以从外部时钟信号源被引入。

所描述的装置100的一些非限制性示例可以是移动通信设备、平板计算机、膝上型计算机、腕式计算机、可连接到其它装置、设备或系统的特定电路等。

接下来，参考图2描述了根据本发明的方法的示例。在第一阶段中，所描述的装置被配置为从传感器获得测量值210。测量值至少包括来自一个或多个加速器的加速度数据值和来自一个或多个陀螺仪的定向数据值。可以连续地或在某个时间段内获得测量值。然而，对在预定时间段内的数据值执行对所获得的测量数据的分析。所获得的定向数据值被配置为被操纵，使得定向变化的幅度被生成220。本文中的定向变化的幅度涉及基于来自陀螺仪的测量信息来考虑装置定向的总体变化的信息。对每次在预定时间段内所获得的测量数据值有利地执行操纵。可以例如通过首先计算定向变化的数据值的平均值，并且然后从平均值取L2范数以确定预定时间段的定向变化的幅度，来确定在该时间段内的定向变化的幅度。

在下一阶段中，针对装置确定230稳定性值，装置的运动被评估。稳定性值指示讨论中的时间段期间装置的稳定性，通过使用稳定性值，能够确定讨论中的装置100在预定时间段期间经历的运动的类型。根据本发明，从所获得的加速度数据值和从定向数据值得到的定向变化的幅度来得到稳定性值。根据本发明的一个实施例，如图3所示，稳定性值可以通过至少以下方式求和来确定230：在时间段期间的加速度数据值的标准差310、在时间段期间加速度数据值的平均值中的差320、在时间段期间的来自定向数据值的定向变化的幅度。在装置内的一个或多个处理器有利地被配置为执行如所描述的稳定性值的确定。

在本发明的一些实现中，在稳定性值的确定中使用的所提及的数据值被配置为被加权。加权的一个示例可以是加速度数据值的标准差接收20％的权重，加速度数据值的平均值中的差接收60％的权重，并且来自定向数据值的定向变化的幅度接收20％的权重。例如根据本发明的使用区域可以调整权重。加权使得能够将所提及的值归一化为相同尺度。

如所描述的稳定性值的确定230是有利的，这是因为其使得能够区分相关加速度信息和加速度噪声信息。换句话说，所提及的确定提供了用于标识重力估计误差的两个主要来源的工具，两个主要来源即当加速度计受到接近恒定向心力和持续加速影响时的转动周期，以及当加速度计受到恒定水平加速影响时的制动周期。这是通过考虑除了来自加速度数据值的导数之外，还考虑从陀螺仪获得的来自定向数据值的定向变化的幅度来进行实现。

回到图2，所确定的稳定性值被配置为与阈值进行比较240。阈值可以实验性地被确定和被固定。在一些实施方式中，基于装置的应用区域来确定阈值，例如，如果已知装置用于汽车和摩托车中，则可以基于该背景信息来确定阈值。在本发明的一些优选实现中，在估计重力期间调整阈值。根据第一实施例，可以通过利用预定因子(例如，用百分比值)修改现有阈值来执行调整。还可以执行调整，使得根据本发明在该方法(即，地球重力的估计)的运行时间期间确定预定因子。例如，其可以被布置为使得当评估与运动相关的至少一个参数时，监测运动并且根据所监测的运动来定义预定因子。备选地或附加地，调整可以被布置为使得阈值(例如，通过给定根据第一时间段的数据值确定的所确定的稳定性值)被初始设置为某个值。随着下一个时间段确定下一个稳定性值，将新的稳定性值与被设置为阈值的先前稳定性值进行比较。只要装置处于运动中，可以继续调整，或者也可以为调整设置一些另外的标准。通过适应地调整阈值，可以满足例如来自机动车类型、道路和交通状况以及用户行为的至少一些惯性噪声因素。因此，如本文讨论中的以及将要讨论的，通过调整阈值，可以生成高质量的重力估计。

比较240步骤被配置为被实现，使得如果所确定的稳定性值大于阈值，则断定装置不处于可以产生对重力的估计的这样的运动中，例如，恒定运动或静止，继续该过程(参见箭头返回到步骤210)。相反，如果比较指示装置基于比较而处于恒定运动或静止或至少在其内的限度内，则可以生成250地球重力的估计。

如果比较指示所确定的设备的稳定性值小于阈值，则在该时间段内影响设备的地球重力的估计的生成250被配置为基于加速度数据值而被确定。根据本发明的一个实施例，通过确定在针对其确定230稳定性值的相同时间段期间的加速度数据值的平均值来生成地球重力的估计。

根据本发明的一个实施例，该方法包括在地球重力的估计的生成中考虑多个比较结果的步骤。即，如已提及的，稳定性值的确定可以是连续的过程，并且其被配置为在预定时间窗口(即，时间段，诸如1秒)内被顺序执行。针对多个时间段所确定的多个稳定性值的比较可以指示仅一些时间段包括适合于重力估计的这样的数据值。换句话说，在执行该方法的总时间期间，可以存在满足为比较设置的标准的多个稳定性值以及时间段。在这种情况下，可以拾取属于其中稳定性值满足标准的这样的时间帧的加速度值，并且因此通过例如从所拾取的加速度值中取平均值来确定重力的估计。此外，也可以在其稳定性值不满足为比较设置的标准的这样的时间段确定重力的估计。即，可以通过基于源自这样的时间段(其中，满足针对比较设置的标准，即稳定性值小于阈值)的所估计的重力值来内插对于这样的时间段的重力的估计，来导出对这样的时间段的重力估计。换句话说，根据本发明的一个实施例，可以在内插中使用从先前的成功时间段和随后的成功时间段获得的地球重力的估计。通过这种方式，可以生成对于整个监测时间的地球重力的估计。

所内插的重力估计也提供了用于从整个估计集合中检测重力值的偏离估计的工具。即，由于所内插的估计在数学上提供了其可靠性大于通过如图2所示的方法导出的一个估计的可靠性的值，因此地球重力的所内插的估计可以用于检测偏离重力估计值。例如，通过简单地将所内插的值与每个所生成的估计值进行比较，可以例如通过自动忽略偏离所内插的值的预定限度的这样的估计来改进结果。检测偏离估计的优点在于，通过这种方式，可以去除源自例如装置正经历的向心力的那些数据值。

内插可以例如被实现为使得从陀螺仪值开始，通过窗口到窗口的旋转矩阵得到新的内插值。本文中术语“窗口”指代时间段。内插值受到两个启发式限制：a)由旋转引起的重力值的变化不能大于窗口期间加速度值的实际变化，以及b)在与加速度器值比较时，不允许新的内插值增加到先前所内插的值的距离。通过使用这两个限制，可以对从陀螺仪获得的数据值进行过滤。当从被定义到被内插的窗口两端的重力估计开始内插时，可以例如通过相互比较所内插的值来评估所内插的重力估计的质量。通过这种方式，内插实现利用基本传感器，并且其考虑了确定重力估计所处的噪声/动态环境。

值得提及的是，可以根据需要来调整确定稳定性值所处的时间段，即时间窗口。例如，可以根据预期的加速度计模式来调整时间窗口，使得如果预期在所监测的运动中将存在突然转弯和动作，则可以设置更短的时间窗口，并且如果预期长移动的模态，可以设置更长的时间窗口。附加地，可以调整从传感器获得的数据值的采样速率，其为数据窗口提供更多或更少的数据值。这也可以以与时间窗口的调整类似的方式进行布置。

如已提及的，所生成的重力估计可以用于确定装置的运动信息。更具体地，其实现了线性加速度的更复杂的估计，并且因此改进运输模式的确定。所生成的重力估计可以用于从来自加速度计的数据值中消除由地球重力引起的加速度分量，然后通过将重力消除的加速度计测量投影到水平面上，来获得总线性加速度的估计。线性加速度进而是移动的和可穿戴的活动识别的许多应用的重要启动器，这是因为它允许沿水平和垂直平面的分离运动，并且帮助克服对装置定向的敏感性。因此，由于重力估计具有高质量，可以导出可以用于多种目的(例如，用于运输模式的确定)的更复杂的线性加速度值。除了运输模式的确定之外，所描述的方法和装置可以但是不限于通常用于人员的驾驶风格评估、燃料消耗评估、惯性导航、道路状况评估以及交通状况评估。概括地说，对于地球重力的估计的生成可以应用于所提及的传感器耦合到的、并且测量数据被获得的对象的运动的任何评估。

本发明引入了一种用于通过考虑加速度数据和定向数据来估计地球重力的新颖且创造性的方法。以所描述的方式考虑定向数据的优点在于，除其它之外，还可以减轻任何向心力的影响。这进而提供了改进的估计，并且可以在任何应用领域中改进利用所估计的地球重力的任何装置或系统的准确度。即使在本文中主要描述本发明涉及影响装置的地球重力的估计。更特定地，针对传感器所耦合到的对象确定估计。在本发明的一些实施方式中，传感器位于装置内，但这不是本发明的先决条件。

可以以除了明确描述的组合之外的组合来使用在前面描述中所描述的特征。虽然已经参考某些特征描述了功能，但是可以由无论是否描述的其它特征来执行这些功能。虽然已经参考某些实施例描述了特征，但是这些特征也可以存在于无论是否描述的其它实施例中。

Claims (16)

1.一种用于针对连续时间段生成地球重力的估计的方法，其特征在于，所述方法由装置(100)执行，包括针对每个时间段：

获得(210)在讨论中的时间段内的来自至少一个加速度传感器(130)的一个或多个加速度数据值和来自至少一个陀螺仪(140)的一个或多个定向数据值，所述至少一个加速度传感器(130)和所述至少一个陀螺仪(140)被耦合到相同实体，

根据所述定向数据值生成(220)定向变化的幅度，

基于所述加速度数据值和根据所述定向数据值生成的所述定向变化的幅度来确定(230)稳定性值，所述稳定性值指示在所述讨论中的时间段期间的稳定性，

将确定的所述稳定性值与阈值进行比较(240)，其中所述阈值针对所述讨论中的时间段被调整，

如果所述比较指示确定的所述稳定性值小于所述阈值，则基于所述加速度数据值来生成(250)在所述讨论中的时间段内的地球重力的估计。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述地球重力的估计通过确定在所述讨论中的时间段期间的所述加速度数据值的平均值而被生成。

3.根据权利要求1所述的方法，其中两个时间段之间的所述地球重力的估计通过在所述两个时间段之间内插所述加速度数据值而被生成，所述两个时间段的确定的稳定性值小于对应的阈值。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法还包括：将通过内插生成的所述地球重力的所述估计与通过所述稳定性值与阈值的比较生成的地球重力的至少一个估计进行比较，以便检测偏离估计。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值响应于确定在所述讨论中的时间段内所述稳定性值小于所述阈值而被调整。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述阈值的调整通过将所述阈值增加预定因子而被执行。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述阈值的所述调整通过将小于所述阈值的先前稳定性值设置为新的阈值而被执行。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述相同实体是以下一项：包括所述至少一个加速度传感器(130)和所述至少一个陀螺仪(140)的所述装置(100)；所述装置(100)的外部实体，所述至少一个加速度传感器(130)和所述至少一个陀螺仪(140)被耦合到所述外部实体。

9.一种用于针对连续时间段生成地球重力的估计的装置(100)，所述装置(100)包括：

至少一个处理器(110)；以及

至少一个存储器(120)，所述至少一个存储器(120)包括计算机程序代码，其特征在于，所述处理器被配置为使得所述装置(100)针对每个时间段至少执行：

获得在讨论中的时间段内的来自至少一个加速度传感器(130)的一个或多个加速度数据值和来自至少一个陀螺仪(140)的一个或多个定向数据值，所述至少一个加速度传感器(130)和所述至少一个陀螺仪(140)被耦合到相同实体，

根据所述定向数据值生成定向变化的幅度，

基于所述加速度数据值和根据所述定向数据值生成的所述定向变化的幅度来确定用于所述装置的稳定性值，所述稳定性值指示在所述讨论中的时间段期间的稳定性，

将确定的所述稳定性值与阈值进行比较，其中所述阈值针对所述讨论中的时间段被调整，

如果所述比较指示所述装置的确定的所述稳定性值小于所述阈值，则基于所述加速度数据值来生成在所述讨论中的时间段内的地球重力的估计。

10.根据权利要求9所述的装置(100)，其中所述装置(100)被配置为通过确定在所述讨论中的时间段期间的所述加速度数据值的平均值来生成所述地球重力的估计。

11.根据权利要求9所述的装置(100)，其中所述装置被配置为通过在两个时间段之间内插所述加速度数据值来生成所述两个时间段之间的所述地球重力的估计，所述两个时间段的确定的稳定性值小于对应阈值。

12.根据权利要求11所述的装置(100)，其中所述装置(100)还被配置为：将通过内插生成的所述地球重力的所述估计与通过所述稳定性值与阈值的比较生成的地球重力的至少一个估计进行比较，以便检测偏离估计。

13.根据权利要求9所述的装置(100)，其中所述装置(100)被配置为响应于确定在所述讨论中的时间段内所述稳定性值小于所述阈值而调整所述阈值。

14.根据权利要求13所述的装置(100)，其中所述装置(100)被配置为通过将所述阈值增加预定因子来执行所述阈值的所述调整。

15.根据权利要求13所述的装置(100)，其中所述装置(100)被配置为通过将小于所述阈值的先前稳定性值设置为新的阈值来执行所述阈值的所述调整。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的装置(100)，其中所述装置(100)被配置为从其获得所述一个或多个加速度数据值和所述一个或多个定向数据值的所述相同实体是以下一项：包括所述至少一个加速度传感器(130)和所述至少一个陀螺仪(140)的所述装置(100)；所述装置(100)的外部实体，所述至少一个加速度传感器(130)和所述至少一个陀螺仪(140)被耦合到所述外部实体。

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