CN108426577B - 基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法和装置，其方法包括：对自行车轮圈相关系数和传感器相关系数进行预先标定；判断用户是否处于骑行模式；如果用户处于骑行模式，计算得出可穿戴设备坐标系相对于导航坐标系的航向角；计算得出用户坐标系相对于可穿戴设备坐标系的未对准角和用户的航向；计算当前的高度；判断用户当前是处于脚蹬模式还是处于滑行模式，并根据不同模式进行相应推算，得出用户的纯惯导的位置；将用户的纯惯导的位置与GNSS定位得出的位置进行融合，并对GNSS定位质量设置相应的权重；输出与融合后的用户3轴位置信息和用户的航向、俯仰角信息；继续判断用户是否处于骑行模式，进行循环，直至任务结束。

Description

基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法和装置

技术领域

本发明涉及导航定位技术领域，具体涉及一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法和装置。

背景技术

当今时代万物互联，可穿戴设备是除了手机之外的第二大消费增长点。同时兼具实用功能，健康监测功能，甚至是时尚配饰功能的可穿戴手环手表日益收到人们的青睐。同时日益成熟的技术方案和生态环境也降低了产品的准入门槛，各种中低价位的可穿戴手环手表出货量出现井喷。现代社会压力增大，人类同时也在关注各种健康类的运动。骑行，作为低碳环保的运动代表之一，也被越来越多的人接受和推崇；共享单车的普及，解决了城市的最后一公里问题，也使得骑行在日常生活中占的比重提高。基于社交类/健康类的APP分享中，骑行的轨迹定位和配速展示是骑行体验展示的重要环节。但是由于城市道路的复杂性，例如高架林立，高楼众多；导致基于GNSS的定位信号受到遮挡或反射，导致定位精度变差，定位路径偏离实际骑行道路，实际骑行速度与定位速度不符合的情况，从而使用户的骑行体验变差。此外，基于位置的援助类应用如果获取不了真实的位置坐标，也会给援助带来困难，援助不及时等问题。

目前的可穿戴手环手表中通常会搭载GNSS定位系统和MEMS传感器；GNSS定位系统包括但不限于GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU等；MEMS传感器包括但不限于陀螺仪，磁传感器，加速度计，温度计，气压计等。利用陀螺仪，加速度计的信号特性分析，可以判断出用户是否处于骑行模式；若用户处于骑行模式，则可继续判断处于骑行模式中的脚蹬模式还是滑行模式；若当前用户是脚蹬模式时，可用陀螺仪和加速度计敏感出用户的脚蹬频率，在已知用户轮圈大小的情况下可以计算得出骑行速度，若用户轮圈大小未事先配置的情况下可以用信号质量较好的GNSS信号进行标定；若用户处于滑行状态，则可用信号质量较好时的GNSS信号标定出车轮摩擦系数特征得出骑行速度；同时，利用加速度计，陀螺仪和磁传感器可以计算得出用户的骑行航向；利用航向和速度进行航位推算和GNSS平面定位位置融合即可获知用户当前的平面位置。由于GNSS在高程上定位并不是很准确，因此可以利用手环手表中的气压计和GNSS高度进行融合得出更为准确的用户高度。

专利(公开号CN202710071U)中描述了一种自行车导航仪的方法，包括导航模块和重力传感器和地磁传感器模块。导航接收模块，用于接收定位信息；按键模块；传感模块，包括重力传感器和地磁传感器；存储模块，用于存储信息；导航处理模块，分别与所述导航接收模块、按键模块、传感模块和存储模块相连，处理所述传感模块获得的检测信息和导航接收模块接收的定位信息并获得导航信息；显示模块，与所述导航处理模块相连并显示所述导航信息；蓄电模块，分别与所述导航处理模块、导航接收模块、传感模块、存储模块和显示模块相连，并对上述模块供电。

专利(公开号CN105403219A)描述了一种基于MEMS的自行车导航系统，其特征在于：该自行车导航系统包括：行程测量模块、车速检测模块、碰撞检测模块、侧翻检测模块、姿态检测模块和/或导航模块。

专利CN202710071U中自行车导航仪仅仅是利用重力传感器敏感和地磁传感器获取航向信息和一些姿态信息，并没有和导航模块做信息融合，因此并不能改善导航定位的精度，带来骑行增强定位的体验；专利CN105403219A中的基于MEMS的自行车导航系统，仅仅包括了MEMS传感器，用来计算车速以及行程，也没有包括导航定位模块，因此不能精准的进行定位。

发明内容

本发明利用可穿戴设备上配备的MEMS传感器，包括但不限于，3轴陀螺仪，3轴磁传感器，3轴加速度计，温度计，气压计，与可穿戴设备上搭载的GNSS系统进行组合导航定位，输出3轴的位置、航向信息，以解决骑行在复杂城市道路环境下，由于信号收到遮挡或反射等导致单纯GNSS定位位置信息不准确的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，包括以下步骤：

对自行车轮圈相关系数和传感器相关系数进行预先标定；

如果预先标定步骤完成，则判断用户是否处于骑行模式，否则继续进行预先标定；

如果用户处于骑行模式，则根据陀螺仪、加速度计、磁传感器的输入计算得出可穿戴设备坐标系相对于导航坐标系的航向角，否则持续判断用户是否处于骑行模式；

根据陀螺仪和加速度计的输入计算得出用户坐标系相对于可穿戴设备坐标系的未对准角和用户的航向；

根据气压计和温度计，结合初始高度计算出当前的高度；

根据陀螺仪和加速度计的输入判断用户当前是处于脚蹬模式还是处于滑行模式，并根据不同模式进行相应推算，得出用户的纯惯导的位置；

将用户的纯惯导的位置与GNSS定位得出的位置进行融合，并根据GNSS定位精度对GNSS定位质量设置相应的权重；

输出与GNSS融合后的用户3轴位置信息和用户的航向、俯仰角信息；

继续判断用户是否处于骑行模式，进行循环，直至用户结束任务。

进一步地，对自行车轮圈相关系数和传感器相关系数进行预先标定具体包括以下步骤：

等待GNSS定位收敛，如果GNSS定位未收敛，继续等待直至GNSS定位收敛，得出GNSS初始高度；

用户朝一个固定方向正常骑行，然后自由滑行直至自行车速度为0为止；

用户原地翻转带可穿戴设备的手腕，做∞字运动，标定出磁传感器的误差；

根据自行车的起始位置和自行车正常骑行的终点位置标定出轮圈的周长；根据自行车正常骑行的终点位置和自行车自由滑行的终点位置标定出滑行摩擦系数。

进一步地，用户朝某一个固定方向正常骑行20圈，以一侧脚蹬从最高点蹬一圈再回至最高点为一圈。

进一步地，用户翻转手腕做5圈∞字运动。

进一步地，当用户处于脚蹬模式时，检测当前是否脚蹬一圈，如果是，则根据标定的轮圈的周长，选取前一圈发生时刻和当前时刻的航向角均值进行航位推算，否则继续检测。

进一步地，根据陀螺仪和加速度计的输入判断当前是否脚蹬一圈，以一侧脚蹬从最高点蹬一圈再回至最高点为一圈。

进一步地，当用户处于滑行模式时，根据标定的滑行摩擦系数和上一时刻的水平速度进行航位推算。

进一步地，根据水平位移和高程位移计算出俯仰角。

进一步地，如果GNSS定位质量差则权重低，如果GNSS定位质量好则权重高；如果GNSS无定位则输出惯导位置。

一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的装置，所述装置包括：

预先标定单元，用于对自行车轮圈相关系数和传感器相关系数进行预先标定；

骑行模式判断单元，用于在预先标完成后，判断用户是否处于骑行模式；

信息计算单元，在骑行模式下，用于计算可穿戴设备坐标系相对于导航坐标系的航向角，用户坐标系相对于可穿戴设备坐标系的未对准角和用户的航向，当前的高度；

脚蹬/滑行模式判断单元，用于判断用户当前是处于脚蹬模式还是处于滑行模式，并根据不同模式进行相应推算，得出用户的纯惯导的位置；

GNSS和惯导融合解算单元，用于将用户的纯惯导的位置与GNSS定位得出的位置进行融合，并根据GNSS定位精度对GNSS定位质量设置相应的权重；

信息输出单元，用于输出与GNSS融合后的用户3轴位置信息和用户的航向、俯仰角信息。

本发明的有益效果在于，综合利用了可穿戴设备中的MEMS传感器和GNSS导航模块，将两者的信息进行合理的融合，可以实时无间断地提供三轴的位置，航向信息；在GNSS无信号或者信号收到部分遮挡和反射的恶劣环境中也能正常工作，精准定位，极大增强了骑行系统的定位能力，给用户带来了增强型的定位体验。

附图说明

图1为本发明坐标系说明图；

图2为本发明预先标定流程图；

图3为本发明主流程实现流程图。

具体实施方式

本发明主要利用惯性测量元器件，包括陀螺仪，加速度计，磁传感器敏感得到的航向信息和不同运动状态下的轮速信息进行航位推算，和GNSS进行融合，辅助单GNSS在定位质量较差的时候也可保持较高质量的定位输出。下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

本发明中可穿戴设备优选为手环手表，图1为本发明坐标系说明：

手环手表坐标系为b系，x轴定义为以手环中心为原点，指向手环右侧径向为正；y轴定义为以手环中心为原点，指向手指方向为正；z轴定义为以手环中心为原点垂直于手环表面并和xy轴满足右手坐标系定义。

导航坐标系为n系，x轴定义为东向，y轴定义为北向，z轴定义为天向。

用户坐标系为u系，x轴定义为以手环中心为圆心，与躯干平行指向躯干右侧为正，y轴定义为以手环中心为圆心，指向骑行的前进方向为正，z轴定义指向天向并与xy轴满足右手坐标系定义。

由图1中可知，u系中用户骑行的航向角即为uy在水平面上的投影与ny的夹角；用户骑行的俯仰角为uz与nz的夹角；用户骑行的横滚角一般为0；在平坦的非上下坡的道路上，骑行的俯仰角约为零。

由图1中可知，b系中手环的航向角即为by在水平面上的投影与ny的夹角；由于用户骑行的前进方向即uy的方向与手环的by在水平面的投影方向不一致，存在未对准角，因此用户的航向角需由手环的航向角进行未对准角补偿后得出。

本发明的输入为：

不可缺省输入：

三轴加速度计的测量值，频率为50Hz；

三轴陀螺仪的测量值，频率为50Hz；

三轴磁传感器的测量值，频率为50Hz；

温度计的测量值，频率为10Hz-1Hz；

气压计的测量值，频率为10Hz-1Hz；

GNSS的定位结果，包括经度，纬度，高度，定位精度，频率为1Hz。

本发明的输出为：

用户的3维位置信息，包括经度，纬度，高度；用户的骑行航向，俯仰角度，频率为1Hz。

图2为本发明辅助骑行增强定位的方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S1，若用户还未进行标定，则需先进行步骤S2-步骤S6的标定流程，标定分为轮圈相关系数标定和传感器相关系数标定，如图3所示。轮圈相关系数标定的主要目标为：标定出自行车的轮圈大小，滑行摩擦系数以及初始高度；传感器相关系数标定的主要目标为：标定出磁传感器的硬磁和软磁误差。

步骤S2，标定时需要选取较为空旷平坦的GNSS定位质量较好的场景，标定程序可集成在手环手表上。标定流程开始时，先静止一段时间，优选为1min，直至GNSS定位收敛。若GNSS定位未收敛，则重复步骤S2直至定位收敛为止。

步骤S3，开始朝某一固定方向正常骑行20圈，以一侧脚蹬从最高点蹬一圈再回至最高点为一圈。

步骤S4，开始无刹车的自由滑行，直至自行车速度为0为止，滑行和骑行时的航向需保持一致。

步骤S5，原地翻转带手环手表的手腕，做5圈∞字运动。

步骤S6，根据步骤S2的起始位置和步骤S3的终点位置可以标定出轮圈的周长L；根据步骤S3的终点位置和步骤S4的终点位置可标定出滑行摩擦系数s，根据步骤S5可标定出磁传感器的误差；根据步骤S2可以得出初始高度h0。标定流程结束。

步骤S7，标定流程完成后，从节省功耗的角度出发，仅当检测出用户当前处于骑行状态时才会进入GNSS和惯导融合解算模块，因此首先利用加速度计和陀螺仪，判断用户当前是否处于骑行模式。当用户处在骑行模式时，进入步骤S8，反之则持续步骤S7。

步骤S8，根据陀螺仪，加速度计，磁传感器的输入计算得出手环手表坐标系b系相对于导航坐标系n系的航向角H。

步骤S9，由于手环手表坐标系b投影在水平面上的y轴正向与用户坐标系在水平面上的y轴正向不一致，存在未对准角θ，因此还需要根据陀螺仪和加速度计的输入计算得出用户坐标系u系相对于手环手表坐标系b系的未对准角θ来进行补偿，计算出用户坐标系相对于导航坐标系的航向角，用户的航向角Hˊ为＝H–θ。

步骤S10，利用不同高度的气压差原理可以用气压计和温度计计算出高度变化；结合标定出的初始高度h0，即可计算得出当前的高度。

步骤S11，由于脚蹬骑行和滑行骑行中距离的计算方法并不一致，因此还需利用加速度计和陀螺仪的输入(信号特征)，如小波分析出当前信号包含的主要频率和能量等，判断当前是否处于脚蹬模式，若处于脚蹬模式，则跳转到步骤S12；若当前处于滑行模式，则跳转到步骤S14。

步骤S12，根据陀螺和加速度计的输入判断当前是否脚蹬一圈，以一侧脚蹬从最高点蹬一圈再回至最高点为一圈。若检测出脚蹬一圈，则继续步骤S13，否则继续检测。

步骤S13，根据标定的轮圈周长L，选取前一圈发生时刻和当前时刻的航向角均值进行航位推算，得出纯惯导的位置，并跳转至步骤S15。

E_k＝E_k-1+sinHˊ_AVE·L

N_k＝N_k-1+cosHˊ_AVE·L

其中，E_k、N_k分别是当前时刻的东向和北向位置，E_k-1、N_k-1分别是上一检测出脚蹬时刻的东向和北向位置，起始点的E₀、N₀均为0，Hˊ_AVE为航向均值，L为标定的轮圈周长。计算出平面距离之后再结合起始点的经纬度可得出当前时刻的经纬度值。

步骤S14，根据标定的车轮摩擦系数和上一时刻的水平速度进行航位推算，得出纯惯导位置。

E_k＝E_k-1+sinHˊ_k·(v_k-1t–1/2st²)

N_k＝N_k-1+cosHˊ_k·(v_k-1t–1/2st²)

v_k＝v_k-1–st

其中，滑行时刻的解算频率为1Hz；Hˊ_k为当前的航向，s为标定的摩擦特征系数，t为当前时刻和上一时刻的时间，单位为秒。v_k为当前时刻的水平速度，v₀为滑行模式开始时刻的水平速度，v₀＝L/Δt，其中L为轮圈周长，Δt为脚蹬模式中脚蹬最后一圈所需的时间。

步骤S15，与当前时刻最为接近的GNSS定位位置点进行EKF(Extended KalmanFilter，扩展卡尔曼滤波)融合，并根据GNSS定位精度对GNSS的定位质量设置相应的权重。若GNSS定位质量差则权重低，GNSS定位质量好则权重高；若GNSS无定位则输出惯导位置。

步骤S16，根据高程距离与平面(水平)距离的比值可以计算出俯仰角。

步骤S17，输出与GNSS融合后的3轴位置和航向、俯仰角信息。

步骤S18，返回至步骤S8继续循环，直至用户结束任务为止。

本发明还提供一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的装置，包括：

预先标定单元，用于对自行车轮圈相关系数和传感器相关系数进行预先标定；

骑行模式判断单元，用于在预先标完成后，判断用户是否处于骑行模式；

信息计算单元，在骑行模式下，用于计算可穿戴设备坐标系相对于导航坐标系的航向角，用户坐标系相对于可穿戴设备坐标系的未对准角和用户的航向，当前的高度；

脚蹬/滑行模式判断单元，用于判断用户当前是处于脚蹬模式还是处于滑行模式，并根据不同模式进行相应推算，得出用户的纯惯导的位置；

GNSS和惯导融合解算单元，用于将用户的纯惯导的位置与GNSS定位得出的位置进行融合，并根据GNSS定位精度对GNSS定位质量设置相应的权重；

信息输出单元，用于输出与GNSS融合后的用户3轴位置信息和用户的航向、俯仰角信息。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对自行车轮圈相关系数和磁传感器相关系数进行预先标定；

如果预先标定步骤完成，则判断用户是否处于骑行模式，否则继续进行预先标定；

如果用户处于骑行模式，则根据陀螺仪、加速度计、磁传感器的输入计算得出可穿戴设备坐标系相对于导航坐标系的航向角，否则持续判断用户是否处于骑行模式；

根据陀螺仪和加速度计的输入计算得出用户坐标系相对于可穿戴设备坐标系的未对准角和用户的航向；

根据气压计和温度计，结合初始高度计算出当前的高度；

根据陀螺仪和加速度计的输入判断用户当前是处于脚蹬模式还是处于滑行模式，并根据不同模式进行相应推算，得出用户的纯惯导的位置；

将用户的纯惯导的位置与GNSS定位得出的位置进行融合，并根据GNSS定位精度对GNSS定位质量设置相应的权重；

输出与GNSS融合后的用户3轴位置信息和用户的航向、俯仰角信息；

继续判断用户是否处于骑行模式，进行循环，直至用户结束任务。

2.如权利要求1所述的一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，对自行车轮圈相关系数和传感器相关系数进行预先标定具体包括以下步骤：

等待GNSS定位收敛，如果GNSS定位未收敛，继续等待直至GNSS定位收敛，得出GNSS初始高度；

用户朝一个固定方向正常骑行，然后自由滑行直至自行车速度为0为止；

用户原地翻转带可穿戴设备的手腕，做∞字运动，标定出磁传感器的误差；

根据自行车的起始位置和自行车正常骑行的终点位置标定出轮圈的周长；根据自行车正常骑行的终点位置和自行车自由滑行的终点位置标定出滑行摩擦系数。

3.如权利要求2所述的一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，用户朝某一个固定方向正常骑行20圈，以一侧脚蹬从最高点蹬一圈再回至最高点为一圈。

4.如权利要求2所述的一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，用户翻转手腕做5圈∞字运动。

5.如权利要求2所述的一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，当用户处于脚蹬模式时，检测当前是否脚蹬一圈，如果是，则根据标定的轮圈的周长，选取前一圈发生时刻和当前时刻的航向角均值进行航位推算，否则继续检测。

6.如权利要求5所述的一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，根据陀螺仪和加速度计的输入判断当前是否脚蹬一圈，以一侧脚蹬从最高点蹬一圈再回至最高点为一圈。

7.如权利要求2所述的一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，当用户处于滑行模式时，根据标定的滑行摩擦系数和上一时刻的水平速度进行航位推算。

8.如权利要求2所述的一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，根据水平位移和高程位移计算出俯仰角。

9.如权利要求2所述的一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的方法，其特征在于，如果GNSS定位质量差则权重低，如果GNSS定位质量好则权重高；如果GNSS无定位则输出惯导位置。

10.一种基于可穿戴设备的辅助骑行增强定位的装置，其特征在于，所述装置包括：

预先标定单元，用于对自行车轮圈相关系数和磁传感器相关系数进行预先标定；

骑行模式判断单元，用于在预先标完成后，判断用户是否处于骑行模式；

信息计算单元，在骑行模式下，用于根据陀螺仪、加速度计、磁传感器的输入计算得出可穿戴设备坐标系相对于导航坐标系的航向角，根据陀螺仪和加速度计的输入计算得出用户坐标系相对于可穿戴设备坐标系的未对准角和用户的航向，根据气压计和温度计，结合初始高度计算出当前的高度；

脚蹬/滑行模式判断单元，用于判断用户当前是处于脚蹬模式还是处于滑行模式，并根据不同模式进行相应推算，得出用户的纯惯导的位置；

GNSS和惯导融合解算单元，用于将用户的纯惯导的位置与GNSS定位得出的位置进行融合，并根据GNSS定位精度对GNSS定位质量设置相应的权重；

信息输出单元，用于输出与GNSS融合后的用户3轴位置信息和用户的航向、俯仰角信息。

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