CN106680857A - 一种基于加速计和gps的低功耗定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速计和GPS的低功耗定位方法，包括如下步骤：(1)如果GPS定位功能为可用状态，则利用GPS获得初始定位点，如果GPS定位功能为不可用状态，则直接利用加速计获得初始定位点；(2)采用地图匹配方法将初始定位点匹配到合适道路上以降低定位误差，得到匹配后定位点；并将匹配后定位点作为加速计的初始位置；(3)利用加速计获得各时刻的实时三维加速度投影信息；(4)利用加速计的初始位置，以及各时刻的实时三维加速度投影信息，获得当前时刻的定位信息。本发明方法周期性开启GPS定位功能并结合加速计的定位推算，还结合地图匹配方法进行道路匹配，能够在保证定位精度的前提下降低功耗。

Description

一种基于加速计和GPS的低功耗定位方法

技术领域

本发明属于移动定位技术领域，更具体地，涉及一种基于加速计和GPS的低功耗定位方法。

背景技术

随着智能终端(如智能手机、智能手环、智能手表等)的不断普及，终端位置获取已经成为一项基本的服务，给地图定位、位置导航、基于位置的服务(Location BasedService)等提供基础条件。

然而，目前智能终端的定位存在两个重大的缺陷。第一，智能终端定位的功耗非常大，例如智能手机只能支持5小时到6小的连续GPS定位，智能手环和智能手表等只能支持不到半天的连续GPS定位，从而高精度的位置获取和服务给终端续航能力带来极大的挑战。第二，在一些建筑物密集、或者有遮挡的地方，如城市市区和步行购物街等地方，GPS卫星信号受到严重的遮挡，经常定位失败或者得到错误的定位结果，给上层的位置服务及应用带来诸多不便。

目前在智能终端上提供的主流定位方法有三种：GPS定位、WIFI定位以及基站定位。其中，GPS定位精度最高，晴朗天气约10米左右；WIFI定位精度约几十米到上百米，但需要实现知道各个AP热点的位置和分布情况；基站定位精度最差，通常数百米到几千米，取决于基站信号强度和分布情况。主流定位方法是将GPS定位、WIFI定位、基站定位这三者融合起来，如果可以获取到GPS位置，就直接使用GPS定位，否则使用WIFI定位，如果WIFI定位也失败了，则使用基站定位。也就是说，这个方法优选GPS定位，会导致GPS一直打开功耗很大；如果GPS定位失败，备选的WIFI定位和基站定位的精度又不够高。显然，这些方法不能很好地处理上文所述的定位功耗较高以及定位精度不高的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其目的在于通过周期性开关GPS，在GPS定位功能开启时通过GPS获得初始定位点，在GPS定位功能关闭时通过加速计获得初始定位点，并根据加速度获得的三维加速度投影信息进行定位推算，从而在保证定位精度的前提前降低功耗，由此解决现有技术中定位功耗较高以及定位精度不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于加速计和GPS的低功耗定位方法，包括：

(1)如果GPS定位功能为可用状态，则利用GPS获得初始定位点，如果GPS定位功能为不可用状态，则直接利用加速计获得初始定位点；

(2)采用地图匹配方法将初始定位点匹配到合适道路上以降低定位误差，得到匹配后定位点；并将匹配后定位点作为加速计的初始位置；

(3)利用加速计获得各时刻的实时三维加速度投影信息；

(4)利用加速计的初始位置，以及各时刻的实时三维加速度投影信息，获得当前时刻的定位信息。

本发明的一个实施例中，所述方法还包括：根据当前道路的出入度信息以及预设的误差累积时间阈值计算GPS工作周期，根据所述GPS工作周期打开和关闭GPS。

本发明的一个实施例中，所述步骤(2)中采用地图匹配方法将初始定位点匹配到合适道路上以降低定位误差，得到匹配后定位点，具体为：

获得连续N个初始定位点分别到其两条相邻道路上的距离L_i1和L_i2，其中i＝1-N，L_i1表示第i个初始定位点到第一条道路的距离，L_i2表示第i个初始定位点到另二条道路的距离，N为自然数；

根据所述N个初始定位点分别到其两条相邻道路上的距离d_i1和d_i2，计算将初始定位点定位到第一条道路上的概率K₁和第二条道路上的概率K₂；

如果所述K₁大于K₂，则将初始定位点定位到第一条道路上，如果所述K₁小于K₂，则将初始定位点定位到第二条道路上，如果所述K₁等于于K₂，则获得第N+1个初始定位点到两条相邻道路上的距离L_i1和L_i2，并计算K₁和K₂直到K₁不等于K₂。

本发明的一个实施例中，所述k₁＝1/(d₁₁d₂₁......d_N1),k₂＝1/(d₁₂d₂₂......d_N2)。

本发明的一个实施例中，所述步骤(3)具体根据下式计算：

s_x(t)＝s′_x0(t)+∫∫a′_x(t)dt

s_y(t)＝s′_y0(t)+∫∫a′_y(t)dt，

s_z(t)＝s′_z0(t)+∫∫a′_z(t)dt

其中s_x(t),s_y(t),s_z(t)为当前时刻的定位信息，(s'_x0(t),s'_y0(t),s'_z0(t))为加速计的初始位置，(a'_x,a'_y,a'_z)为各时刻的实时三维加速度投影信息。

本发明的一个实施例中，所述实时三维加速度投影信息具体为：

其中，(a_x,a_y,为加速计获得的加速度采样值，g为重力加速度。

本发明的一个实施例中，所述GPS工作周期为T＝T₀/M，其中T₀为误差累积时间阈值，M为当前道路的出入度。

本发明的一个实施例中，所述T₀为一分钟。

本发明的一个实施例中，所述M取值为前向道路的个数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明方法通过判断GPS定位功能的开启状态，在GPS定位功能开启时通过加速计获得初始定位点，并结合加速度获得的三维加速度投影信息进行定位推算，从而在保证定位精度的前提下降低功耗；

(2)本发明方法周期性开启GPS定位功能并结合加速计的定位推算，从而能够因关闭GPS定位功能而降低定位功耗，也能通过周期性开启GPS定位功能而保证较高的定位精度；

(3)本发明方法根据当前道路的出入度信息以及预设的误差累积时间阈值计算GPS工作周期，根据所述GPS工作周期打开和关闭GPS，从而能够根据当前需定位位置的具体地形信息调节开关周期，进一步保证了低功耗与高精度的平衡；

(4)本发明方法还结合地图匹配方法进行道路匹配，在计算的定位结果误差较大的时候，能够结合地图上的实际道路信息进行定位纠正，进一步提高定位精度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种低功耗定位方法示意图；

图2是本发明实施例中一种基于加速计和GPS的低功耗定位方法；

图3是本发明实施例中定位信息的地图匹配示意图；

图4是本发明实施例中三轴加速计的结构示意图；

图5是本发明实施例中三轴加速计的角度定义示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种能够在保证定位精度的前提下降低功耗的定位方法，如图1所示，主要工作过程包括以下方面：

A、位移计算：终端上集成加速计，来感知X、Y、Z三个方向的加速度的变化，在短时间内进行积分，就能得到终端的运动速度和位移变化。

B、GPS定位和校正：如果GPS定位功能可用，则首先使用GPS定位，获取GPS位置。然后，将GPS位置匹配到合适的道路上，来降低GPS误差；最后，对终端的运动位置进行校正，提供一个可靠的位置参考点。

C、低功耗定位：为了降低整体定位功耗，需要周期性关闭GPS模块，利用加速计定位来降低功耗。首先，通过地图API接口，加载当前地图道路矢量，根据当前道路复杂度，计算合适的GPS开启、关闭时间，更新GPS工作周期。其次，在GPS关闭时间，将位置参考点投影到地图，进行地图匹配。最后，用运动位移和方向来做定位推算。这段过程也可以称为主动定位。

D、位置失锁定位：如果GPS定位失败，直接进行地图匹配和定位推算，得到当前位置。这段过程也可以称为被动定位。

为了实现上述目的，如图2所示本发明提供了一种基于加速计和GPS的低功耗定位方法，包括如下步骤：

(1)如果GPS定位功能为可用状态，则利用GPS获得初始定位点，如果GPS定位功能为不可用状态，则直接利用加速计获得初始定位点；

在本发明实施例中，为了降低整体定位功耗，需要周期性关闭GPS模块，利用加速计定位来降低功耗。

为了降低系统功耗，应该尽可能少打开GPS，使用功耗较低的加速计来计算。但是，加速计使用两次积分，时间长了会有比较大的累积误差，造成定位误差较大。而且，如果当前道路比较复杂，例如有非常多的转弯情况，也会给系统引入新的误差。也就是说，GPS工作周期与加速计定位时间间隔、以及当前道路的复杂程度都密切相关。

具体地，假设经过T₀时间加速计的累积误差就比较大，通过地图API得到当前道路的出入度为M，这设置GPS工作周期为T＝T₀/N。其中，一般取T₀＝1分钟。M的取值设置为前向道路的个数，例如：如果道路前向有两条支路，则取N＝2。

在本发明实施例中，可以根据当前道路的出入度信息以及预设的误差累积时间阈值计算GPS工作周期，根据所述GPS工作周期打开和关闭GPS；

如果当前到了GPS定位周期，而且GPS定位功能可用，则读取GPS位置g(g_x,g_y,g_z)作为初始定位点；如果不处于GPS定位周期或者GPS定位功能不可用，则继续使用加速计获得的的位置信息作为初始定位点；

(2)采用地图匹配方法将初始定位点匹配到合适道路上以降低定位误差，得到匹配后定位点；并将匹配后定位点作为加速计的初始位置；

GPS定位位置平均有10米定位误差，得到的定位点g(g_x,g_y,g_z)可能不是刚好落在道路上，一般会在道路附近波动，可以使用地图匹配的方法，将定位点匹配到合适的道路上，降低定位误差；

具体地，获得连续N个初始定位点分别到其两条相邻道路上的距离L_i1和L_i2，其中i＝1-N，L_i1表示第i个初始定位点到第一条道路的距离，L_i2表示第i个初始定位点到另二条道路的距离，N为自然数；

根据所述N个初始定位点分别到其两条相邻道路上的距离d_i1和d_i2，计算将初始定位点定位到第一条道路上的概率K₁和第二条道路上的概率K₂；

如果所述K₁大于K₂，则将初始定位点定位到第一条道路上，如果所述K₁小于K₂，则将初始定位点定位到第二条道路上，如果所述K₁等于于K₂，则获得第N+1个初始定位点到两条相邻道路上的距离L_i1和L_i2，并计算K₁和K₂直到K₁不等于K₂；

例如如图3所示，假设有两条道路r₁和r₂，得到连续三个位置点p₁，p₂，p₃。由于存在一些定位误差，这三个位置点没有刚好落在道路r₁和r₂上。为了确定三个位置点应该是在哪一条道路上，需要进行地图匹配。具体匹配算法如下：

首先将三个位置点p₁，p₂，p₃分别将两条道路r₁和r₂做投影线，得到各个位置点到两条道路r₁和r₂的距离为d₁₁，d₂₁，d₃₁，d₁₂，d₂₂，d₃₂。直观上可以发现，如果位置点距离某条道路越近，则越有可能是该道路上的点。因此三个位置点p₁，p₂，p₃在道路r₁上的概率分别设置为1/d₁₁,1/d₂₁,1/d₃₁。从而，三个点同时在道路r₁上的概率为k₁＝1/(d₁₁d₂₁d₃₁)。同理，三个点同时在道路r₂上的概率为k₂＝1/(d₁₂d₂₂d₃₂)。

比较两个概率k₁＝1/(d₁₁d₂₁d₃₁)和k₂＝1/(d₁₂d₂₂d₃₂)的大小，如果k₁＞k₂则认为三个点都在道路r₁上，如果k₁＜k₂则认为三个点都在道路r₂上。特别地，如果k₁＝k₂则添加新的位置点p₄，按照上述方面重新计算，直至k₁≠k₂为止。

更新加速计的初始位置，即校正加速计位置s₀(s_x0,s_y0,s_z0)＝g'(g_x,g_y,g_z)，其中g'(g_x,g_y,g_z)为地图匹配后的GPS定位位置。最后，关闭GPS模块来降低系统能耗。

(3)利用加速计获得各时刻的实时三维加速度投影信息；

具体地，可以在智能终端上集成加速计，通过调用加速计的API函数，读取三轴加速度传感器的X、Y、Z轴的值。其中，三个轴的方向通常定义为：X轴指着左右横向，Y轴指向上下竖向，Z轴垂直于面板方向，如图4所示。考虑到加速计芯片的焊接位置可能与实际的方向有所不同。此时，需要进行左右、前后、上下移动，确定各个轴对应的方向；

上面步骤采集的X、Y、Z轴方向都是与智能终端的面板方向相关联，但在实际操作中，智能终端不一定是水平放置，可能与水平面有一定夹角。例如，用户可以把终端放在手上，与水平面就会存在一定的夹角。因此，需要把采集到的X、Y、Z轴加速度投影到水平面上，来更好地感知运动状态变化；

图5所示是加速度各个角度的定义，通常将绕X轴旋转的角度定义为翻转角(Rollangle)，绕Y轴旋转的角度定义为俯仰角(Pitch angle)，绕Z轴旋转的角度定位为偏航角(Yaw angle)；

为了将加速度采样值(a_x,a_y,a_z)投影到水平面、竖直方向所在空间，需要先计算出俯仰角p和翻转角r：

p＝arcsin(-a_x/g)

r＝arcsin(a_y/(g cos p))

其中，g为地球表面竖直方向加速度常量9.8m/s²；

从而，得到水平面、竖直方向所在空间的三维加速度投影(a'_x,a'_y,a'_z)为：

(4)利用加速计的初始位置，以及各时刻的实时三维加速度投影信息，获得当前时刻的定位信息。

通过在智能终端上集成的加速计来感知X、Y、Z三个方向的加速度的变化，在短时间内进行积分，就能得到终端的运动速度和位移变化。

将X、Y、Z三个方向的加速度进行两次积分，得到所在方向的位置变化

s_x(t)＝s′_x0(t)+∫∫a′_x(t)dt

s_y(t)＝s′_y0(t)+∫∫a′_y(t)dt

s_z(t)＝s′_z0(t)+∫∫a′_z(t)dt

其中，其中s_x(t),s_y(t),s_z(t)为当前时刻的定位信息，(s'_x0(t),s'_y0(t),s'_z0(t))为加速计的初始位置，(a'_x,a'_y,a'_z)为各时刻的实时三维加速度投影信息。

本领域的技术人员容易理解，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 (9)

1.一种基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)如果GPS定位功能为可用状态，则利用GPS获得初始定位点，如果GPS定位功能为不可用状态，则直接利用加速计获得初始定位点；

(2)采用地图匹配方法将初始定位点匹配到合适道路上以降低定位误差，得到匹配后定位点；并将匹配后定位点作为加速计的初始位置；

(3)利用加速计获得各时刻的实时三维加速度投影信息；

(4)利用加速计的初始位置，以及各时刻的实时三维加速度投影信息，获得当前时刻的定位信息。

2.如权利要求1所述的基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述方法还包括：根据当前道路的出入度信息以及预设的误差累积时间阈值计算GPS工作周期，根据所述GPS工作周期打开和关闭GPS。

3.如权利要求1或2所述的基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用地图匹配方法将初始定位点匹配到合适道路上以降低定位误差，得到匹配后定位点，具体为：

获得连续N个初始定位点分别到其两条相邻道路上的距离L_i1和L_i2，其中i＝1-N，L_i1表示第i个初始定位点到第一条道路的距离，L_i2表示第i个初始定位点到另二条道路的距离，N为自然数；

根据所述N个初始定位点分别到其两条相邻道路上的距离d_i1和d_i2，计算将初始定位点定位到第一条道路上的概率K₁和第二条道路上的概率K₂；

如果所述K₁大于K₂，则将初始定位点定位到第一条道路上，如果所述K₁小于K₂，则将初始定位点定位到第二条道路上，如果所述K₁等于于K₂，则获得第N+1个初始定位点到两条相邻道路上的距离L_i1和L_i2，并计算K₁和K₂直到K₁不等于K₂。

4.如权利要求3所述的基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述k₁＝1/(d₁₁d₂₁......d_N1),k₂＝1/(d₁₂d₂₂......d_N2)。

5.如权利要求1或2所述的基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述步骤(3)具体根据下式计算：

s_x(t)＝s'_x0(t)+∫∫a'_x(t)dt，

s_y(t)＝s'_y0(t)+∫∫a'_y∫∫a′_y(t)dt

s_z(t)＝s'_z0(t)+∫∫a'_z(t)dt

其中s_x(t),s_y(t),s_z(t)为当前时刻的定位信息，(s'_x0(t),s'_y0(t),s'_z0(t))为加速计的初始位置，(a'_x,a'_y,a'_z)为各时刻的实时三维加速度投影信息。

6.如权利要求1或2所述的基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述实时三维加速度投影信息具体为：

$\left[\begin{array}{c}{a}_x^{\′}\\ a_y^{\′}\\ a_z^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(p\right)& 0& \sin \left(p\right)\\ \sin \left(r\right)\sin \left(p\right)& \cos \left(r\right)& -\sin \left(r\right)\cos \left(p\right)\\ -\cos \left(r\right)\cos \left(p\right)& \sin \left(r\right)& \cos \left(r\right)\cos \left(p\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ a_z\end{array}\right]$

其中，(a_x,a_y,a_z)为加速计获得的加速度采样值，g为重力加速度。

7.如权利要求2所述的基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述GPS工作周期为T＝T₀/M，其中T₀为误差累积时间阈值，M为当前道路的出入度。

8.如权利要求7所述的基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述T₀为一分钟。

9.如权利要求7所述的基于加速计和GPS的低功耗定位方法，其特征在于，所述M取值为前向道路的个数。