TW201923375A - 用於跟蹤和確定物體位置的方法和系統 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種用於跟蹤和確定物體的位置的方法，包括：基於從外部定位系統接收到的信號來確定主要位置指示，並使用主要位置指示來確定物體的第一位置；使用慣性感應器或加速計感應器信號來記錄周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段內對加速度資料進行積分，以確定物體的周期性運動部分相對於水平面的傾斜；基於使用磁力計感應器測量物體的周期性運動部分的外部磁場來記錄運動物體的方向資料，以確定周期性運動部分相對於外部磁場的取向；計算運動物體在任何方向上的速度；基於第一位置、方向資料和速度資料來確定物體的次要位置指示；以及使用次要位置指示來確定物體的第二位置。
Description
本發明涉及一種用於跟蹤和確定物體的位置的方法。
另外，本發明還涉及一種用於跟蹤和確定物體的位置的系統。
此外，本發明還涉及一種非暫時性電腦可讀取媒體。
特別是，本發明的實施例涉及行動裝置的感應器技術，更具體地涉及由多個感應器提供的資訊的處理。本發明尤其涉及提高由行動裝置或系統所測量的位置指示的精度。行動裝置例如可以是腕上型電腦、行動電話或任何其他攜帶式裝置。
另外，本發明還涉及一種用於跟蹤和確定物體的位置的系統。
此外，本發明還涉及一種非暫時性電腦可讀取媒體。
特別是，本發明的實施例涉及行動裝置的感應器技術，更具體地涉及由多個感應器提供的資訊的處理。本發明尤其涉及提高由行動裝置或系統所測量的位置指示的精度。行動裝置例如可以是腕上型電腦、行動電話或任何其他攜帶式裝置。
來自由人所攜帶於手腕上或身體的其他部位的裝置的GPS(全球定位系統)感應器或其他衛星為主的導航系統的信號雖然具有非常小的偏移誤差，即系統誤差，但是包含大量的雜訊。在人行走或跑步的情況下，在1Hz的測量頻率下，與純GPS信號相比，純粹基於GPS的速度測量中的雜訊可以是20-30%的量級。
由直接攜帶在人體上的感應器所測量和估計的方向或速度資料通常包含較少的雜訊。然而，在這些測量信號中可能存在較大的偏移誤差。
感應器融合意味著第一和第二感應器可以基於不同的操作原理，但是它們測量相同的物理變數。例如，可以使用衛星定位感應器或加速度感應器來測量水平速度。可以用於感應器融合的感應器例如可以是GPS感應器、磁力計(羅盤)、和加速度感應器。利用這種感應器，可以在例如腕上型電腦、行動電話或任何其他攜帶式裝置的行動裝置上測量與在其顯示器上顯示運動物體的加速度、速度和方向。
從GB 2497153中已知了分別用第一和第二感應器來測量第一和第二物理變數，並透過測量第一物理變數來確定目標變數的估計值。透過測量第二物理變數來確定誤差估計值，並且利用取決於誤差估計值的強度來過濾目標變數的估計值。 然而，在衛星信號中斷的期間，就像在僅有微弱或不可檢測到的定位信號強度的陰影區域(例如隧道、後院和山區)中的情況那樣，可能根本無法取得基於衛星的測量值。
因此，需要一種定位系統，其在所有情況下都能夠傳遞準確且不間斷的位置資料以及從其中導出的其他資料。鑒於前述內容，提供一種用於跟蹤和確定物體的位置的方法和系統將是有益的，該方法和系統能夠提供不間斷的位置資料以及從其中導出的其他資料。
由直接攜帶在人體上的感應器所測量和估計的方向或速度資料通常包含較少的雜訊。然而，在這些測量信號中可能存在較大的偏移誤差。
感應器融合意味著第一和第二感應器可以基於不同的操作原理，但是它們測量相同的物理變數。例如，可以使用衛星定位感應器或加速度感應器來測量水平速度。可以用於感應器融合的感應器例如可以是GPS感應器、磁力計(羅盤)、和加速度感應器。利用這種感應器，可以在例如腕上型電腦、行動電話或任何其他攜帶式裝置的行動裝置上測量與在其顯示器上顯示運動物體的加速度、速度和方向。
從GB 2497153中已知了分別用第一和第二感應器來測量第一和第二物理變數，並透過測量第一物理變數來確定目標變數的估計值。透過測量第二物理變數來確定誤差估計值，並且利用取決於誤差估計值的強度來過濾目標變數的估計值。 然而，在衛星信號中斷的期間，就像在僅有微弱或不可檢測到的定位信號強度的陰影區域(例如隧道、後院和山區)中的情況那樣，可能根本無法取得基於衛星的測量值。
因此，需要一種定位系統，其在所有情況下都能夠傳遞準確且不間斷的位置資料以及從其中導出的其他資料。鑒於前述內容，提供一種用於跟蹤和確定物體的位置的方法和系統將是有益的，該方法和系統能夠提供不間斷的位置資料以及從其中導出的其他資料。
本發明由獨立項的特徵來限定。在附屬項中限定了一些特定的實施例。
本發明的某些實施例提供了一種用於確定行動裝置中的定位和導航服務的新類型方法和系統，以及相應的系統。本發明的目的特別是在變化的運動和環境條件下以推導自其他感應器的位置資訊，對GPS定位服務或任何其他定位服務(例如無線定位服務、視覺定位服務或者使用者給出的位置)進行補強資訊。
根據本發明的第一方面，提供了一種用於跟蹤和確定物體的位置的方法，該方法包括：基於從外部定位系統中接收到的信號來確定主要位置指示，並且使用所述主要位置指示來確定所述物體的第一位置，使用慣性感應器信號或加速計感應器信號來記錄物體的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段上對所述加速度資料進行積分，以確定物體的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜，基於使用磁力計感應器，測量物體的周期性運動部分的外部磁場來記錄所述運動物體的方向資料，以確定物體的所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向，計算所述運動物體在任何方向上的速度，基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體的次要位置指示，並使用所述次要位置指示來確定所述物體的第二位置。
所述第一方面的各個實施例可包括如下所述的至少一項特徵：
•如果用於所述主要位置指示的定位信號的品質或可用性低於預定臨限值，則將所述次要位置指示用於確定所述物體的第二位置；
•透過連續地計算所述次要位置指示來跟蹤運動物體的方向和速度；
•所選擇的時間段對應於由加速計感應器或慣性感應器所檢測到的所述物體的部分的周期性運動的檢測序列；
•所述主要位置指示基於GPS信號來確定；
•透過組合使用用於確定物體的部分的地磁方位的磁力計感應器、用於記錄物體在任何方向上已經運動的時間的計時工具，以及用於確定加速度資料的加速計感應器或慣性感應器來確定次要位置指示；
•預定臨限值基於外部定位系統的信號強度；
•透過空氣壓力感應器來測量空氣壓力，並且基於所述空氣壓力來確定所述物體的海拔高度；
•所述海拔高度映射到地形圖與時間的曲線上；
•第二位置是所述物體的室內位置或室外位置；
•所跟蹤的次要位置指示顯示在系統的顯示器上，從該系統傳輸到另一個設備，或顯示在可透過網際網路獲得的地圖上；
•所述物體的至少一個次要位置指示即時地確定，或在稍後階段中確定；
•基於從外部定位系統中接收到的信號來確定所述物體的至少兩個不同位置的主要位置指示，並用於校準次要位置指示的跟蹤；
•在隨後的周期中確定所述周期性運動部分的特徵位置；
•在所述特徵位置中測量所述周期性運動部分的外部磁場。
根據本發明的第二方面，提供了一種用於跟蹤和確定物體的位置的系統，該系統包括用於接收來自外部定位系統的信號的接收器、至少一個慣性感應器或加速計、磁力計、至少一個記憶體單元，以及處理單元，所述處理單元包括至少一個處理核心，包括電腦程式碼的至少一個記憶體，所述至少一個記憶體和電腦程式碼組態為可透過所述至少一個處理核心來使所述系統至少：基於從所述外部定位系統中接收到的信號來確定主要位置指示，並且使用所述主要位置指示來確定所述物體的第一位置，使用來自所述慣性感應器或加速計感應器的感應器信號來記錄物體的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段上對所述加速度資料進行積分，以確定物體的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜，基於使用磁力計感應器測量物體的周期性運動部分的外部磁場來記錄所述運動物體的方向資料，以確定物體的所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向，計算所述運動物體在任何方向上的速度，基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體的次要位置指示，其中，所述系統組態成在用於所述主要位置指示的定位信號的品質或可用性低於預定臨限值時，基於所述次要位置指示來提供所述物體的第二位置。
所述第二方面的各個實施例可包括如下所述的至少一項特徵：
•所述系統組態成在用於所述主要位置指示的定位信號的品質或可用性低於預定臨限值時，基於所述次要位置指示來確定所述物體的第二位置；
•所述處理單元組態成連續地計算和儲存運動物體的方向和速度；
•所選擇的時間段設定成對應於由加速計感應器或慣性感應器所檢測到的所述物體的部分的周期性運動的檢測序列；
•所述系統組態成基於GPS信號來確定所述主要位置指示；
•所述系統組態成透過組合使用用於確定物體的部分的地磁方位的磁力計感應器、用於記錄物體在任何方向上已經運動的時間的計時工具，以及用於確定加速度資料的加速計感應器或慣性感應器來確定次要位置指示；
•所述系統組態成透過計時工具來記錄物體在任何方向上已經運動的時間；
•所述系統組態成透過加速度感應器來測量物體的運動和該物體運動的節奏；
•所述系統還包括陀螺儀；
•所述系統組態成在隨後的周期中確定所述周期性運動部分的特徵位置；
•所述系統組態成在所述特徵位置中測量所述周期性運動部分的外部磁場。
根據本發明的第三方面，提供了一種非暫時性電腦可讀取媒體，其上儲存有一組電腦可讀取指令，當由至少一個處理器執行這一組電腦可讀取指令時，可以使得裝置至少：基於從外部定位系統中接收到的信號來確定主要位置指示，並且使用所述主要位置指示來確定所述物體的第一位置，使用慣性感應器信號或加速計感應器信號來記錄物體的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段內對所述加速度資料進行積分，以確定物體的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜，基於使用磁力計感應器測量物體的周期性運動部分的外部磁場來記錄所述運動物體的方向資料，以確定所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向，基於慣性感應器信號或加速計感應器信號來計算所述運動物體在所述方向上的速度資料，基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體的次要位置指示，並使用所述次要位置指示來確定所述物體的第二位置。
所述第三方面的各個實施例可包括對應於針對第一方面或第二方面所列出的特徵中的至少一項特徵。
透過本發明的某些實施例獲得了相當大的優點。提供了一種用於跟蹤和確定物體的位置的方法和系統。特別是，在衛星信號中斷的期間，就像在僅有微弱或不可檢測到的定位信號強度的陰影區域(例如隧道、建築物內或之間、後院和山區)中無法進行基於衛星的測量的情況那樣，提供了一種定位方法和系統，其在所有情況下都能夠傳遞準確且不間斷的位置資料以及從其中導出的其他資料。
可以即時地和/或在稍後階段提供次要位置指示資料和可從其中導出的其他資料。可以在根據本發明的至少一些實施例的系統的顯示器上、在另一裝置上或在網際網路中顯示次要位置指示資料和可從其中導出的其他資料。
這些資料例如可以用於計算和/或監控覆蓋距離，或者用於安全原因。跑步者可能想要在鍛煉期間即時地和/或稍後知道覆蓋距離。此外，例如在發生事故的情況下，越野行走的人可能希望知道即時位置。在這兩種情況下，根據本發明的至少一些實施例的方法和系統可以提供準確且不間斷的位置資料。
此外，可以透過本發明的某些實施例來計算室內位置。例如，可以計算隧道或諸如體育館的其他建築物(在其中外部定位信號不可用或信號的品質不足)中的人的位置。所計算的位置指示例如可以在緊急情況下使用。所計算的位置指示例如可以傳輸到伺服器，或透過智慧手機應用程式傳輸給急診醫生或其他急診機構，從而提高使用者的安全性。
本發明的某些實施例提供了一種用於確定行動裝置中的定位和導航服務的新類型方法和系統，以及相應的系統。本發明的目的特別是在變化的運動和環境條件下以推導自其他感應器的位置資訊，對GPS定位服務或任何其他定位服務(例如無線定位服務、視覺定位服務或者使用者給出的位置)進行補強資訊。
根據本發明的第一方面，提供了一種用於跟蹤和確定物體的位置的方法，該方法包括：基於從外部定位系統中接收到的信號來確定主要位置指示，並且使用所述主要位置指示來確定所述物體的第一位置，使用慣性感應器信號或加速計感應器信號來記錄物體的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段上對所述加速度資料進行積分，以確定物體的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜，基於使用磁力計感應器，測量物體的周期性運動部分的外部磁場來記錄所述運動物體的方向資料，以確定物體的所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向，計算所述運動物體在任何方向上的速度，基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體的次要位置指示，並使用所述次要位置指示來確定所述物體的第二位置。
所述第一方面的各個實施例可包括如下所述的至少一項特徵：
•如果用於所述主要位置指示的定位信號的品質或可用性低於預定臨限值，則將所述次要位置指示用於確定所述物體的第二位置；
•透過連續地計算所述次要位置指示來跟蹤運動物體的方向和速度；
•所選擇的時間段對應於由加速計感應器或慣性感應器所檢測到的所述物體的部分的周期性運動的檢測序列；
•所述主要位置指示基於GPS信號來確定；
•透過組合使用用於確定物體的部分的地磁方位的磁力計感應器、用於記錄物體在任何方向上已經運動的時間的計時工具，以及用於確定加速度資料的加速計感應器或慣性感應器來確定次要位置指示；
•預定臨限值基於外部定位系統的信號強度；
•透過空氣壓力感應器來測量空氣壓力，並且基於所述空氣壓力來確定所述物體的海拔高度；
•所述海拔高度映射到地形圖與時間的曲線上；
•第二位置是所述物體的室內位置或室外位置；
•所跟蹤的次要位置指示顯示在系統的顯示器上，從該系統傳輸到另一個設備，或顯示在可透過網際網路獲得的地圖上；
•所述物體的至少一個次要位置指示即時地確定，或在稍後階段中確定；
•基於從外部定位系統中接收到的信號來確定所述物體的至少兩個不同位置的主要位置指示，並用於校準次要位置指示的跟蹤；
•在隨後的周期中確定所述周期性運動部分的特徵位置；
•在所述特徵位置中測量所述周期性運動部分的外部磁場。
根據本發明的第二方面，提供了一種用於跟蹤和確定物體的位置的系統，該系統包括用於接收來自外部定位系統的信號的接收器、至少一個慣性感應器或加速計、磁力計、至少一個記憶體單元，以及處理單元，所述處理單元包括至少一個處理核心，包括電腦程式碼的至少一個記憶體，所述至少一個記憶體和電腦程式碼組態為可透過所述至少一個處理核心來使所述系統至少：基於從所述外部定位系統中接收到的信號來確定主要位置指示，並且使用所述主要位置指示來確定所述物體的第一位置，使用來自所述慣性感應器或加速計感應器的感應器信號來記錄物體的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段上對所述加速度資料進行積分，以確定物體的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜，基於使用磁力計感應器測量物體的周期性運動部分的外部磁場來記錄所述運動物體的方向資料，以確定物體的所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向，計算所述運動物體在任何方向上的速度，基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體的次要位置指示，其中，所述系統組態成在用於所述主要位置指示的定位信號的品質或可用性低於預定臨限值時，基於所述次要位置指示來提供所述物體的第二位置。
所述第二方面的各個實施例可包括如下所述的至少一項特徵：
•所述系統組態成在用於所述主要位置指示的定位信號的品質或可用性低於預定臨限值時，基於所述次要位置指示來確定所述物體的第二位置；
•所述處理單元組態成連續地計算和儲存運動物體的方向和速度；
•所選擇的時間段設定成對應於由加速計感應器或慣性感應器所檢測到的所述物體的部分的周期性運動的檢測序列；
•所述系統組態成基於GPS信號來確定所述主要位置指示；
•所述系統組態成透過組合使用用於確定物體的部分的地磁方位的磁力計感應器、用於記錄物體在任何方向上已經運動的時間的計時工具，以及用於確定加速度資料的加速計感應器或慣性感應器來確定次要位置指示；
•所述系統組態成透過計時工具來記錄物體在任何方向上已經運動的時間；
•所述系統組態成透過加速度感應器來測量物體的運動和該物體運動的節奏；
•所述系統還包括陀螺儀；
•所述系統組態成在隨後的周期中確定所述周期性運動部分的特徵位置；
•所述系統組態成在所述特徵位置中測量所述周期性運動部分的外部磁場。
根據本發明的第三方面，提供了一種非暫時性電腦可讀取媒體，其上儲存有一組電腦可讀取指令，當由至少一個處理器執行這一組電腦可讀取指令時，可以使得裝置至少：基於從外部定位系統中接收到的信號來確定主要位置指示，並且使用所述主要位置指示來確定所述物體的第一位置，使用慣性感應器信號或加速計感應器信號來記錄物體的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段內對所述加速度資料進行積分，以確定物體的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜，基於使用磁力計感應器測量物體的周期性運動部分的外部磁場來記錄所述運動物體的方向資料，以確定所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向，基於慣性感應器信號或加速計感應器信號來計算所述運動物體在所述方向上的速度資料，基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體的次要位置指示，並使用所述次要位置指示來確定所述物體的第二位置。
所述第三方面的各個實施例可包括對應於針對第一方面或第二方面所列出的特徵中的至少一項特徵。
透過本發明的某些實施例獲得了相當大的優點。提供了一種用於跟蹤和確定物體的位置的方法和系統。特別是，在衛星信號中斷的期間，就像在僅有微弱或不可檢測到的定位信號強度的陰影區域(例如隧道、建築物內或之間、後院和山區)中無法進行基於衛星的測量的情況那樣，提供了一種定位方法和系統，其在所有情況下都能夠傳遞準確且不間斷的位置資料以及從其中導出的其他資料。
可以即時地和/或在稍後階段提供次要位置指示資料和可從其中導出的其他資料。可以在根據本發明的至少一些實施例的系統的顯示器上、在另一裝置上或在網際網路中顯示次要位置指示資料和可從其中導出的其他資料。
這些資料例如可以用於計算和/或監控覆蓋距離，或者用於安全原因。跑步者可能想要在鍛煉期間即時地和/或稍後知道覆蓋距離。此外，例如在發生事故的情況下，越野行走的人可能希望知道即時位置。在這兩種情況下，根據本發明的至少一些實施例的方法和系統可以提供準確且不間斷的位置資料。
此外，可以透過本發明的某些實施例來計算室內位置。例如，可以計算隧道或諸如體育館的其他建築物(在其中外部定位信號不可用或信號的品質不足)中的人的位置。所計算的位置指示例如可以在緊急情況下使用。所計算的位置指示例如可以傳輸到伺服器，或透過智慧手機應用程式傳輸給急診醫生或其他急診機構，從而提高使用者的安全性。
在圖1中，示出了確定物體的運動方向的一個例子的示意圖。攜帶了根據本發明的某些實施例的系統1的人2將要沿著路徑T跑步。系統1例如可以是附著在人2的右臂上的腕上型電腦。
進一步依賴於以下觀察：跑步是周期性運動。周期意味著由跑步者的手臂或步對進行前後運動。在本發明中，做出以下假設：
1. 與完成一個周期所花費的時間相比，跑步者的跑步形式演變得非常緩慢，並且
2. 跑步者的質心的水平速度是恒定的，並且垂直速度的積分是零。
這些假設意味著跑步者的手腕或身體的任何其他部分在周期結束時與在周期開始時處於相同的取向。
通常，跑步者的前臂並不指向跑步者的運動方向。在跑步時，人2的手臂相對於人2的身體周期性地運動。例如，周期性運動6可以是成角度的或線性的。換句話說，人2的第一部分沿第一方向3運動，而人2的第二部分相對於人2的第一部分周期性運動。術語“周期性運動”意味著在特定的時間間隔內重複該運動。
出於校準系統1的原因，基於從外部定位系統所接收到的信號來確定人2的第一部分(即人2的身體)的第一方向3。例如，基於兩個分開的點P1、P2之間的GPS信號來確定人2的第一部分的第一方向3。在圖1所示的示例中，第一方向3朝向北方。
使用加速計或慣性感應器在多個周期上記錄第一點P1和第二點P2之間的人2的第二部分(即在系統1附著到人2的手臂上的位置處)的加速度資料。加速計或慣性感應器附著到人2的第二部分，即附著到人2的右臂上。由於加速計或慣性感應器包括於腕上型電腦內，所以加速度資料被記錄在腕上型電腦的位置處。加速計的取樣頻率例如可以是104Hz。換句話說，身體的加速度(即可以導出人2的速度和位置的資料)以及腕上型電腦所附著到的手臂的加速度由於人2的手臂的周期性運動而不同。
可以在周期性運動的後續周期中確定特徵位置。例如，每個周期的特徵位置可以是在最大或最小的加速度值處。確定周期的一種方法是考慮總加速度並計數對應於該步伐的峰值。然後，每隔一個步伐或一個峰值完成一個周期。也可以使用例如自適應峰值尋找演算法。提供n秒滑動窗口以計算平均值和標準偏差。在信號低於平均值減去係數乘以標準偏差後，接受最大值。
當在整個周期上對加速度資料進行積分時，動態加速度(即手臂相對於身體的運動)的積分為零。僅留下針對各個軸的重力乘以周期持續時間。換句話說，可以透過在整個周期上對加速度資料進行積分來消除由手臂相對於身體的加速度所引起的誤差，並且可以確定加速計13或慣性感應器相對於水平面的取向。
可以在每個周期的特徵位置處確定或估計加速計13或慣性感應器相對於水平面的取向，即傾斜。加速計的傾斜例如可以使用公式：
來確定或估計，其中是人2的第二部分的加速度，是總體座標系中的重力，是傾斜，而t 是時間。
另外，使用磁力計來測量外部磁場，以確定物體2的周期性運動部分相對於外部磁場的取向。例如，使用磁力計來確定每個周期的特徵位置中人2的第二部分的地磁第一方位，即前進方向。磁力計的取樣頻率例如可以是10Hz。隨後，可以確定人2的第二部分的第一取向與人的第一部分的第一方向3之間的第一角度。
在第二點P2和第三點P3之間，人2正在沿第二方向4移動。在圖1所示的示例中，第二方向4朝向東方。在點P1和P2之間記錄加速度資料。此外，在整個周期上對加速度資料進行積分，以確定加速計13或慣性感應器相對於水平面的傾斜。此外，在隨後的周期中確定特徵位置。另外，使用磁力計來確定每個周期的特徵位置中人2的第二部分的地磁第二方位。現在可以基於人的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的傾斜和偏差來確定人2的第一部分的第二方向4。可以確定人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的第二角度。人2的第二部分的地磁第二方位與人2的第一部分的第二方向4之間的第三角度與第一角度相同，因此第二方向4可以基於人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的偏差來確定。換句話說，人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的偏差與人2的第一方向3和第二方向4之間的偏差相同。
在第三點P3和第四點P4之間，人2正在沿第三方向5移動。在圖1所示的示例中，第三方向5朝向南方。在點P3和P4之間記錄加速度資料。此外，在整個周期上對加速度資料進行積分，以確定加速計13或慣性感應器相對於水平面的傾斜。此外，確定特徵位置。另外，使用磁力計來確定每個周期的特徵位置中人2的第二部分的地磁第三方位。現在可以基於人的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之間的偏差來確定人2的第一部分的第三方向5。可以確定人的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之間的第二角度。人的第二部分的地磁第三方位與人的第一部分的第三方向5之間的第三角度與第一角度相同，因此第三方向5可以基於人2的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之間的傾斜和偏差來確定。換句話說，人2的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之間的偏差與人2的第二方向4和第三方向5之間的偏差相同。
根據某些實施例，可以跟蹤移動的人2的第一部分的每個方向3、4、5和速度，因此可以計算人的位置。透過組合使用不同系統來確定人2的第一部分的位置。出於校準的原因，使用外部定位系統來確定人2的第一部分的第一方向3。採用加速計或慣性感應器來確定加速度資料。採用磁力計來測量人的第二部分的地磁第一方位、地磁第二方位，以及任何其它的地磁方位。還採用計時工具來記錄物體在任何方向3、4、5上已經運動的時間。人2的第一部分的跟蹤位置可以顯示在系統的顯示器上，從系統發送到另一個設備，或者顯示在可透過網際網路獲得的地圖上。跟蹤位置可以是室內或室外的位置。跟蹤位置可以即時確定，或在稍後階段確定。
因為可以顯著地減少外部定位系統(例如GPS定位系統)的使用，因此可以減少根據本發明的至少一些實施例的系統1的電池消耗。根據某些實施例，外部定位系統僅用於系統1的校準。根據某些實施例，外部校準系統以某些時間間隔使用，例如每30秒或每60秒。根據某些實施例，外部定位系統用於不斷地校準系統1。根據某些實施例，當信號強度超過某一臨限值時，使用外部定位系統。
在圖2中，示出了時間加速度圖。使用附著到人2的第二部分上的加速計或慣性感應器來在多個周期上記錄如圖1所示的人2的第二部分(其相對於人2的第一部分周期性運動)的加速度資料。可以基於後續周期中的加速度資料來確定特徵位置。對於每個周期來說，特徵位置例如可以是人2的第二部分的位置，其中借助於加速計或慣性感應器來測量最大加速度值，即峰值。當在整個周期上對加速度資料進行積分時，動態加速度(即人2的第二部分相對於第一部分的運動)積分為零，並且可以確定加速計13或慣性感應器相對於水平面的傾斜。可以使用磁力計來進一步測量外部磁場，以確定周期性運動部分相對於外部磁場的取向。例如，可以使用附著到人2的第二部分上的磁力計來確定人2的第二部分的地磁方位。
在將人的第一部分的方向從第一方向3改變到第二方向4之後，可以在特徵位置中確定人的第二部分的另一個地磁方位，由此可以基於人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的偏差來確定人2的第一部分的運動的第二方向4。
在圖3中，示出了運動的時間-方向圖。使用用於確定物體的運動方向的不同方法來顯示跑步者的隨時間的運動方向。以下述方式來計算運動方向：基於使用本領域已知的GPS定位系統的方法(標記為“GPS 前進方向”)，根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向的方法(標記為“前進方向”)，以及根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向但其中已經校正了某些誤差的方法(標記為“已校正前進方向”)。
除了由於跑步者的下臂相對於跑步者的運動方向的未對準所引起的恒定偏差之外，還存在其他誤差源，例如磁力計和加速計軸線的未對準、校準偏差和積分誤差。所有這些誤差的綜合影響是：真實誤差和估計誤差之間的差異取決於前進方向。例如，這可以模型化為：
這些參數可在能夠獲得基準方向時進行校準。
可以看出，在根據本發明的至少一個實施例中，用於確定物體的運動方向的方法所確定的運動方向(其中已經校正了某些誤差)相對於基於GPS的運動方向的偏差看起來非常小。
因此，根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向的方法提供了用於確定物體的運動方向的足夠精度。特別地，在根據本發明的至少一些實施例的系統校準之後，該系統例如可以用在陰影區域中，如在有關於圖7-10進一步描述的那樣。
在圖4中，示出了使用不同方法所跟蹤的幾何路徑的圖。以如下方式來計算幾何路徑：基於使用本領域已知的GPS定位系統的方法(標記為“GPS”)，根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向的方法(標記為“原始”)，以及根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向但其中如圖3所示地已經校正了某些誤差的方法(標記為“已校正”)。
可以透過由所描述的羅盤形成的座標系中的所提供的羅盤系統來跟蹤物體的位置。這樣的座標系例如在圖4中示出。在這樣的第一座標系中形成的路徑可以與第二座標系(例如地理座標系)對齊，因此路徑可以與地圖相關地顯示出來。 在此之後，甚至可以透過校準由如所述羅盤所形成的座標系來將路徑與地理路徑對齊。
因此，根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向的方法提供了用於確定物體的幾何路徑和/或確定物體的位置的足夠精度。特別地，在根據本發明的至少一些實施例的系統校準之後，該系統例如可以用在陰影區域中，如有關於圖7-10中所進一步描述的那樣。
在圖5中，示出了確定物體的運動方向的示例的另一示意圖。當一個人在划艇2上划船時，他的手臂相對於其身體周期性地運動。另一方面，槳的葉片也相對於划艇2的船體周期性地運動。因此，根據本發明的至少一些實施例的系統可以附著到人的手臂上，或者是附著在槳的葉片上或與之形成一體。在第一種情況下，可以確定人的運動方向。在後一種情況下，可以確定划艇2的運動方向。換句話說，在本文獻中的術語“物體”必須被理解為人、動物或任何其他三維體。
透過使用附著到周期性運動部分上的加速計13或慣性感應器在多個周期上記錄所述周期性運動部分的加速度資料來確定物體2的周期性運動部分的周期性運動，在至少一個運動周期上積分所述加速度資料以確定物體2的周期性運動部分相對於水平面的傾斜，使用磁力計12來測量物體2的所述周期性運動部分的外部磁場以確定物體2的所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向，並基於物體2的周期性運動部分的傾斜和取向來確定物體2的運動方向，從而確定運動方向。
只要物體2的所述周期性運動部分的取向保持恒定或基本恒定，那麽運動方向3就保持恒定。取向的變化表明周期性運動已經改變，或者運動方向已經改變。例如，可以透過傾斜的變化來檢測周期性運動的變化。
可以透過所描述的羅盤所形成的座標系中的所提供的羅盤系統來跟蹤物體的位置。如果周期性運動相對於物體的運動方向以某個角度發生，則可使用參考系統來校準所計算的方向，或者如果局部磁場沒有指向與參考系統相同的方向(例如由於磁偏角的原因)，則可使用參考系統來對該方向進行校準。當然，如果周期性運動相對於物體的運動方向以某個角度發生並且如果局部磁場沒有指向與參考系統相同的方向，則參考系統也可以用於校準所計算的方向。
可以僅基於取向來跟蹤座標系中的物體的位置。然而，在該座標系應該與地理座標系對齊的情況下，基於所述物體2的先前確定的方向3和物體2的周期性運動部分的取向來確定物體2的運動方向。例如，可以使用諸如GPS系統的外部定位系統10來確定先前確定的方向3。
在圖6中，示出了衛星系統和根據本發明的至少一些實施例的系統的示意圖。其中示出了衛星10的示意圖，其例如可以是GPS衛星。根據本發明的系統1配備有磁力計12和加速度感應器13。系統1例如可以是關於圖1所述的系統。
基於從外部定位系統10接收的信號14來確定系統1的主要位置指示。從這些信號14中還可以確定人的第一運動方向。
可以基於加速計感應器13的信號以下述方式來計算系統1的地磁方位：在選定的時間段上對所測量的加速度資料進行積分以確定物體2的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜，並且測量特徵位置中的周期性運動部分的外部磁場以確定所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向。如果該運動是有節奏的或周期性的(在人攜帶該裝置時，幾乎都是如此)，則可以從系統1的地磁方位上獲得該人的任何進一步的方向。
然後例如可以基於相同或不同的加速計感應器13的信號或任何其他速度感應器、輪式感應器、轉速計、葉輪或皮托管來計算速度資料，並且可以基於已知的先前位置、方向資料、速度資料和計時工具來獲得系統的次要位置指示。如果衛星信號的品質或可用性低於預定的臨限值，則可以使用次要位置指示而不是主要位置指示來確定系統1的位置。
在圖7中，示出了根據本發明的至少一些實施例的室外位置確定的示例的示意圖。攜帶根據本發明的某些實施例的系統1的人2將要在山區M1、M2沿著路徑T跑步或行走。由於山區M1和M2的原因，衛星定位信號在沿著路徑T中具有衛星信號微弱或不存在的陰影區域S1和S2。沿著路徑T偶爾能提供衛星信號覆蓋，如輻射圖案C1、C2和C3所示。
在點P1處，系統1在其進入陰影區域S1時中斷與衛星導航系統的聯繫。S1則是基於衛星導航系統的最後已知的“好”位置，即主要位置指示。陰影區域S1中的使用者2的方向和速度由系統中的處理單元透過基於來自衛星系統的信號C1計算主要位置指示來確定，以確定使用者在點P1處的位置。
在點P1和P2之間，系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者2的運動方向。處理單元將使用者2的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者2在每個方向上的速度。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者沿著路徑T的次要位置指示，其被計算為距P1處的最後已知位置的距離。然後，系統1可以基於點P2處的次要位置指示提供該點處的使用者2的第二位置。在點P2和P3之間再次提供有了衛星覆蓋C2，並且基於來自衛星系統的信號C2用點P2處的新的主要位置指示來更新使用者2的位置。當使用者2在點P3處進入陰影區域S2時，則開始與陰影區域S1中相同的程序。在點P4處，則可再次得到基於來自衛星系統的信號C3的主要位置指示。
對於越野賽跑的跑步者，除了水平面中的任何方向之外，還可以記錄跑步者的垂直z方向，即高度的變化。可以透過使用例如由空氣壓力感應器測得的空氣壓力資料所計算的高度資料來執行垂直z方向的記錄。將此資訊映射到地形圖與時間的關係，可以提供跑步者的地面速度和位置的資訊。
在圖8中，示出了根據本發明的至少一些實施例的戶外位置確定的另一示例的示意圖。攜帶根據本發明某些實施例的系統1的人2即將沿著不同建築物之間的市區中的路徑T跑步或行走。由於建築物的原因，衛星定位信號在沿著該路徑中具有衛星信號微弱、不存在或模糊的陰影區域S1和S2。沿著路徑T偶爾能提供衛星信號覆蓋，如輻射圖案C1、C2、C3和C4所示。
在點P1處，系統1在其進入陰影區域S1時中斷與衛星導航系統的聯繫。S1則是基於衛星導航系統的最後已知的“好”位置，即主要位置指示。使用者2在陰影區域S1中的方向和速度由系統中的處理單元透過基於來自衛星系統的信號C1計算主要位置指示來確定，以確定使用者在點P1處的位置。
在點P1和P2之間，系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者的運動方向。處理單元將使用者的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者在每個方向上的速度，並確定人在任意方向上已經運動的時間。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者2沿著路徑T的次要位置指示，其被計算為距P1處的最後已知位置的距離。然後，系統1可以基於點P2處的次要位置指示提供該點處的使用者2的第二位置。在點P2和P3之間再次提供了有衛星覆蓋C2，並且基於來自衛星系統的信號C2，使用點P2處的新的主要位置指示來更新使用者的位置。
當使用者2在點P3處進入陰影區域S2時，衛星信號C3被建築物H2反射，因此人的位置是模糊的。系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者2的運動方向。處理單元將使用者2的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者在每個方向上的速度，並確定人在任意方向上已經運動的時間。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者2沿著路徑T的次要位置指示，其被計算為距P3處的最後已知位置的距離。在點P4處，則可再次得到基於來自衛星系統的信號C4的主要位置指示。
可以從外部定位系統在特定的時間間隔內(例如每30秒或每分鐘)確定主要位置指示。外部定位系統的信號品質也可以在特定的時間間隔內確定。用於確定主要位置指示的時間間隔和用於確定外部定位系統的信號品質的時間間隔可以是不同的或相同的。例如，可以基於信號強度和/或可用性來確定外部定位系統的信號品質。如果信號強度低於特定臨限值，或者根本不能從外部定位系統接收信號，則可以計算使用者2的次要位置指示。次要位置指示的計算也可以永久地進行。所跟蹤的次要位置指示也可以顯示在系統1的顯示器上，例如結合地圖地顯示。
在圖9中，示出了根據本發明的至少一些實施例的室內位置確定的示例的示意圖。攜帶根據本發明某些實施例的系統1的人2即將沿著通過隧道或隧道系統的路徑T跑步或行走。隧道有一個入口Entr和兩個獨立的出口E1、E2。特別地沿著路徑T提供有衛星信號覆蓋，如輻射圖案C1和C2所示。由於隧道的原因，衛星定位信號在點P1處的隧道入口Entr和點P2處的隧道出口E1之間中斷。
透過基於來自衛星系統的信號C1來計算主要位置指示以確定使用者2在點P1處的位置，從而由系統中的處理單元來確定使用者2在隧道中的方向和速度。
在點P1和P2之間，系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者的運動方向。處理單元將使用者2的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者2在每個方向上的速度，並確定人在任意方向上已經運動的時間。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者2沿著路徑T的次要位置指示，其被計算為距P1處的最後已知位置的距離。然後，系統1可以基於點P2處的次要位置指示提供該點處的使用者2的第二位置。在點P2處再次提供了衛星覆蓋C2，並且基於來自衛星系統的信號C2用點P2處的新的主要位置指示來更新使用者的位置。因此，可以計算和/或監控人在隧道或隧道系統內的位置。特別地，可以計算和/或監視人2位於或已經位於隧道或隧道系統的哪個部分。
由於在點P1和P2之間沿著路徑T沒有可用的衛星信號，因此例如可以基於特定時間間隔的所述主要位置指示、所述方向資料、和所述速度資料來確定人2的次要位置指示。時間間隔例如可以是1秒、5秒或10秒。換句話說，只要在點P1和P2之間沒有可用的衛星信號，就例如可以每秒進行一次次要位置指示的計算和/或監測。因此，次要位置指示資料、速度資料和方向資料可以每秒地儲存在根據本發明的某些實施例的系統的記憶體中。根據本發明的某些實施例，次要位置指示資料、速度資料和方向資料可以額外地或替代地經由無線連接發送到伺服器基礎設施或任何其他計算設備。當然，這些資料也可以在稍後階段讀出。
根據本發明的一些實施例，可以在系統的顯示器上顯示出次要位置指示資料、速度資料和方向資料中的至少一個。特別地，次要位置指示資料可以顯示在系統顯示器上的地圖上。次要位置指示資料可以即時地或在稍後階段顯示出來。根據某些實施例，所跟蹤的次要位置指示資料可以即時地或在稍後階段顯示在另一設備的顯示器上的地圖上。根據某些其他實施例，所跟蹤的次要位置指示資料可以即時地或在稍後階段顯示在可透過網際網路接取的地圖上。此外，可以在根據本發明的一些實施例的系統的顯示器上、在另一個設備上或在網際網路中顯示可從次要位置指示資料、速度資料和方向資料中的至少一個中所導出的資料。當然，也可以在根據本發明的一些實施例的系統的顯示器上、在另一個設備上或在網際網路中顯示可從主要位置指示資料中所得到或導出的資料。
此外，點P1和P2處的兩個外部定位信號可用於校準運動方向、次要位置指示的計算和系統1的感應器中的至少一個。通常，可採用任何兩個或更多個外部定位信號來進行校準。校準可以永久地進行，即例如也可以在外部定位信號可用時或在特定時間間隔內發生。由於在外部定位信號不可用或信號品質不足的情況下，提供了良好校準的系統，因此對兩個不同外部定位信號之間的次要位置指示的計算進行永久性校準是有益的。校準可以是個性化的。例如，人可以以手錶的形式佩戴根據本發明的一些實施例的系統1。不同的人在行走或跑步時會不同地移動他們的手臂，因此即使當人們以相同的速度行走或跑步時，加速度感應器也會測量到不同的加速度。由於發生這種不同的加速度，每個系統1可以不同地校準。換句話說，系統1的校準可以是個性化的，特別是透過永久地校準次要位置指示的計算。
在圖9的隧道示例中，在點P2處所計算的次要位置指示與在點P2處從外部定位系統接收的新的主要位置指示相同。次要位置指示和新的主要位置指示之間的任何偏差可用於校準多個參數。獨立的參數例如可以是速度和方向。可採用數學最佳化演算法來校準多個參數。例如，可以使用最小平方法或單工法。例如，透過最小化點離開曲線的偏差的平方和，可以使用數學程序來找到給定點集合的最佳配適曲線。當應用這種所謂的最小平方配適時，使用偏差的平方和而不是絕對值。當偏差的平方和最小時，最小平方法就找到了其最佳解。因此，可以平衡不同誤差源的影響，以便對人的位置提供最佳配適。
在圖10中，示出了根據本發明的至少一些實施例的室內位置確定的另一示例的示意圖。攜帶根據本發明某些實施例的系統1的人2將要沿著路徑T在建築物H1(例如體育館)內跑步或行走。建築物H1具有入口Entr和出口E1。衛星定位信號在沿著路徑T的點P1處的建築物H1的入口Entr和點P2處的建築物H1的出口E1之間中斷。
透過基於來自衛星系統的信號C1來計算主要位置指示以確定使用者2在進入建築物H1的點P1處的位置，從而由系統中的處理單元來確定使用者2在建築物H1中的位置、方向和速度。
在點P1和P2之間，系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者2的運動方向。處理單元將使用者2的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者2在每個方向上的速度，並確定人在任意方向上已經運動的時間。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者2沿著路徑T的次要位置指示。
在建築物H1內，人2例如可以沿著400米的跑道跑步或行走特定距離。借助於根據本發明的一些實施例的系統1，可以在建築物H1內計算和/或監視使用者2的位置、速度和方向以及覆蓋距離。特別地，還可以計算和/或監視使用者的速度和方向的變化。換句話說，系統1被組態為計算點P1和P2之間的任何位置。該計算還特別包括移動的人2的方向的改變。在圖10的示例中，人2沿著400m一圈的跑道的一半朝著點P2移動，然後再沿著該400m一圈的跑道的一半朝向點P1移動，之後再沿著該400m一圈的跑道的一半朝向點P2移動。可以使用所提供的磁力計資料由系統來計算這種方向變化。因此，系統1可以計算和/或監視點P1和P2之間(其中外部定位信號不可用或品質不足)的人2的任何軌跡。
當系統1在點P2處經由出口E1離開建築物H1時，系統1然後可以基於點P2處的次要位置指示在該點處提供使用者2的第二位置。在點P2處，再次被提供有衛星覆蓋C2，並且基於來自衛星系統的信號C2用點P2處的新的主要位置指示來更新使用者的位置。因此，可以計算和/或監視在建築物H1內點P1和P2之間的人2的位置、速度和方向。
在圖11中，示出了根據本發明的至少一些實施例的系統的示例。圖示的是系統600，其例如可以包括讀出系統，或者包括具有讀出和分析功能的整合系統。處理器610包括在系統600中，其例如可以包括單核或多核處理器，其中單核處理器包括一個處理核心，而多核處理器包括一個以上處理核心。處理器610可包括一個以上的處理器。處理核心例如可以包括由ARM Holdings公司製造的Cortex-A8處理核心，或由Advanced Micro Devices公司生産的Steamroller處理核心。處理器610可以包括至少一個Qualcomm Snapdragon和/或Intel Atom處理器。處理器610可以包括至少一個專用積體電路ASIC。處理器610可以包括至少一個場可程式閘陣列FPGA。處理器610可以是用於執行系統600中的方法步驟的裝置。處理器610可以至少部分地由電腦指令所組態以執行動作。
系統600可以包括記憶體620。記憶體620可以包括隨機存取記憶體和/或永久記憶體。記憶體620可以包括至少一個RAM晶片。例如，記憶體620可以包括固態、磁性、光學和/或全息記憶體。記憶體620可以至少部分地可由處理器610存取。記憶體620可以至少部分地包括在處理器610中。記憶體620可以是用於儲存資訊的裝置。記憶體620可以包括處理器610被組態為來執行的電腦指令。當被組態為使處理器610執行某些動作的電腦指令被儲存在記憶體620中，以及系統600整體上被組態為使用來自記憶體620的電腦指令而在處理器610的指導下運行時，處理器610和/或其至少一個處理核心可認為被組態為執行所述特定動作。記憶體620可以至少部分處在系統600之外，但可由系統600存取。
系統600可以包括發射器630。系統600可以包括接收器640。發射器630和接收器640可以被組態為根據至少一個通信標準分別發送和接收資訊。發射器630可包括一個以上的發射器。接收器640可包括一個以上的接收器。發射器630和/或接收器640可以被組態為例如根據全球行動通信系統GSM、寬帶分碼多工存取WCDMA、5G、長期演進技術LTE、IS-95、無線區域網路WLAN，乙太網和/或全球微波接入互操作性WiMAX標準來操作。接收器640被組態為接收來自外部定位系統的信號，例如GPS衛星信號。系統600可包括單個接收器640，或多個不同的接收器640。
系統600可以包括讀出電路650。系統600可以包括使用者界面UI 660。UI 660可以包括顯示器、鍵盤、按鈕、觸控螢幕、振動器(其設置成透過使系統600振動來向使用者發送信號)、揚聲器和麥克風中的至少一個。使用者能夠透過UI 660來操作系統600，例如用以開始和停止位置資料的監視。
處理器610可以配備有發射器，其配置成經由系統600內部的電引線從處理器610輸出資訊到系統600中的其他系統。這種發射器可以包括配置成例如透過至少一個電引線輸出資訊到記憶體620以便儲存在其中的串列匯流排發射器。作為串列匯流排的替代，發射器可以包括並列匯流排發射器。同樣地，處理器610可以包括接收器，其配置為經由系統600內部的電引線從系統600內的其它系統中接收處理器610中的資訊。這樣的接收器可以包括串列匯流排接收器，其配置為例如經由至少一個電引線接收來自接收器640的資訊，以用於在處理器610中進行處理。作為串列匯流排的替代，接收器可以包括並列匯流排接收器。
處理器610、記憶體620、發射器630、接收器640、讀出電路650和/或UI 660可以透過多種不同方式由系統600內部的電引線互連。例如，上述系統中的每一個可以分別連接到系統600內的主匯流排，以允許所述系統交換資訊。然而，如技術人員將理解的那樣，這僅是一個示例，並且取決於實施例的情況，可以選擇在上述系統中互連至少兩個的各種方式而不脫離本發明的範圍。
根據某個實施例，系統600還包括x、y、z加速計和x、y、z磁力計。空氣壓力感應器可以是附加的可選特徵。即，系統600包括用於測量三維加速度、用於測量三維方向以及用於測量空氣壓力的裝置。可以從結合主要位置指示的測量資料中導出使用者的方向、速度和位置。該系統還被組態為透過計時工具來記錄物體在任何方向上已經運動的時間。
根據另一特定實施例，系統600還包括x、y、z加速計，x、y、z陀螺儀，以及x、y、z磁力計以及空氣壓力感應器。可以將陀螺儀添加到系統中，以減輕磁干擾的影響以及當周期性運動受到干擾時(例如當人在揮手時)的情況。如果在開始時已知了取向，則理論上積分陀螺儀資料可以告知在任何稍後的時間點處的取向。由於感應器誤差的原因，陀螺儀測量需要與其他感應器測量相結合。陀螺儀為系統增加了額外的誤差源。可以使用資料的行為來估計陀螺儀誤差。假設運動方向沒有改變，陀螺儀信號在選定的後續周期上的積分應該為零。因此，除了加速計和磁力計資料之外，還可以透過使用陀螺儀資料來確定運動方向。此外，陀螺儀能夠以不同的方式定義周期。如果根據加速計信號中的峰值來估計周期，則存在一些延遲，這是因為峰值不會被立即接受。然而，可使用陀螺儀信號的零交叉來估計該周期，以進行無延遲的檢測。這意味著無需緩衝陀螺儀資料以進行積分。在腕式設備的情況下，根據函數f ＝wy -wz 的零交叉來計算周期是方便的，其中wy 是陀螺儀測量資料，並且假定x方向指向運動方向。
根據一些實施例，系統600例如可以是智慧手機或平板電腦。根據其他實施例，該系統可以是腕上式電腦。上述裝置可以全部包含在單個設備中，或者在系統的不同設備中彼此分離。例如，加速計、陀螺儀、磁力計、空氣壓力感應器和被組態為從外部定位系統中接收信號的接收器可以包含在腕上式電腦中。根據另一特定實施例，加速計、磁力計和空氣壓力感應器可以包含在腕上式電腦中。組態成從外部定位系統接收信號的接收器和處理器610可以包含在單獨的計算設備中。然後，腕上式電腦和計算設備被組態為經由個人區域網路發送和接收資料。換句話說，加速度資料、方向資料和壓力資料可以由腕上式電腦測量，並傳輸到計算設備。外部定位信號可以額外地由計算設備接收。然後，可以基於加速計感應器信號由計算設備計算所述運動物體在所述方向上的速度，並且由計算設備確定所述物體的次要位置指示。最後，所跟蹤的次要定位信號可以由計算設備顯示。
系統600可以包括圖11中未示出的另一設備。在一些實施例中，系統600可以缺少至少一個上述設備。
應理解，所公開的本發明的實施方案不限於本文公開的特定結構、處理步驟或材料，而是延伸至如相關領域的普通技術人員所認識到的其等同物。還應該理解，本文採用的術語僅用於描述特定實施方案的目的，而不是限制性的。
本說明書中對一個實施例或實施例的引用意味著針對該實施例所描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書各處出現的用語“在一個實施例中”或“在實施例中”不一定都指同一個實施例。在使用術語如“大約”或“基本上”來說明某一數值時，也同時公開了精確的數值。
如本文所使用的，為方便起見，可以在共同列表中呈現多個項目、結構元素、組成元素和/或材料。但是，這些列表應該被解釋為好像列表中的每個成員都被單獨標識為一個獨立且獨特的成員。因此，此類列表中的任何個別成員不應僅僅根據其在一個共同組中的陳述而被解釋為該列表中任何其他成員的事實上的等同物，除非有相反的指示。另外，本文中的各種實施方案和實施例可以與其各種組分的替代物一起提及。應當理解，這些實施例、示例和替代方案不應被解釋為彼此事實上的等同物，而是應被視為本發明的單獨和自主的表示。
此外，所描述的特徵、結構或特性可以在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。在以下描述中，提供了許多具體細節，例如長度、寬度、形狀等的示例，以提供對本發明實施例的透徹理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，可以在沒有一個或多個具體細節的情況下或者利用其他方法、組件、材料等來實踐本發明。在其他情況下，衆所周知的結構、材料或操作未詳細示出或描述，以避免使本發明的各個方面模糊。
雖然前述示例在一個或多個特定應用中說明了本發明的原理，但是對於本領域普通技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明的原理和概念的情況下，可以在形式、使用和實現細節的情況下進行多種修改。因此，除了下面提出的申請專利範圍之外，本發明並不受到限制。
動詞“包括”和“包含”在本文中用作開放性限制，其既不排除也不要求也存在未記載的特徵。除非另有明確說明，否則從屬項中所述的特徵可相互自由組合。此外，應該理解，在整個本文件中使用“一個”(即單數形式)並不排除多個。
工業應用性
本發明的至少一些實施例在確定物體的運動方向中具有工業應用性。
縮寫詞列表
進一步依賴於以下觀察：跑步是周期性運動。周期意味著由跑步者的手臂或步對進行前後運動。在本發明中，做出以下假設：
1. 與完成一個周期所花費的時間相比，跑步者的跑步形式演變得非常緩慢，並且
2. 跑步者的質心的水平速度是恒定的，並且垂直速度的積分是零。
這些假設意味著跑步者的手腕或身體的任何其他部分在周期結束時與在周期開始時處於相同的取向。
通常，跑步者的前臂並不指向跑步者的運動方向。在跑步時，人2的手臂相對於人2的身體周期性地運動。例如，周期性運動6可以是成角度的或線性的。換句話說，人2的第一部分沿第一方向3運動，而人2的第二部分相對於人2的第一部分周期性運動。術語“周期性運動”意味著在特定的時間間隔內重複該運動。
出於校準系統1的原因，基於從外部定位系統所接收到的信號來確定人2的第一部分(即人2的身體)的第一方向3。例如，基於兩個分開的點P1、P2之間的GPS信號來確定人2的第一部分的第一方向3。在圖1所示的示例中，第一方向3朝向北方。
使用加速計或慣性感應器在多個周期上記錄第一點P1和第二點P2之間的人2的第二部分(即在系統1附著到人2的手臂上的位置處)的加速度資料。加速計或慣性感應器附著到人2的第二部分，即附著到人2的右臂上。由於加速計或慣性感應器包括於腕上型電腦內，所以加速度資料被記錄在腕上型電腦的位置處。加速計的取樣頻率例如可以是104Hz。換句話說，身體的加速度(即可以導出人2的速度和位置的資料)以及腕上型電腦所附著到的手臂的加速度由於人2的手臂的周期性運動而不同。
可以在周期性運動的後續周期中確定特徵位置。例如，每個周期的特徵位置可以是在最大或最小的加速度值處。確定周期的一種方法是考慮總加速度並計數對應於該步伐的峰值。然後，每隔一個步伐或一個峰值完成一個周期。也可以使用例如自適應峰值尋找演算法。提供n秒滑動窗口以計算平均值和標準偏差。在信號低於平均值減去係數乘以標準偏差後，接受最大值。
當在整個周期上對加速度資料進行積分時，動態加速度(即手臂相對於身體的運動)的積分為零。僅留下針對各個軸的重力乘以周期持續時間。換句話說，可以透過在整個周期上對加速度資料進行積分來消除由手臂相對於身體的加速度所引起的誤差，並且可以確定加速計13或慣性感應器相對於水平面的取向。
可以在每個周期的特徵位置處確定或估計加速計13或慣性感應器相對於水平面的取向，即傾斜。加速計的傾斜例如可以使用公式：
來確定或估計，其中是人2的第二部分的加速度，是總體座標系中的重力，是傾斜，而t 是時間。
另外，使用磁力計來測量外部磁場，以確定物體2的周期性運動部分相對於外部磁場的取向。例如，使用磁力計來確定每個周期的特徵位置中人2的第二部分的地磁第一方位，即前進方向。磁力計的取樣頻率例如可以是10Hz。隨後，可以確定人2的第二部分的第一取向與人的第一部分的第一方向3之間的第一角度。
在第二點P2和第三點P3之間，人2正在沿第二方向4移動。在圖1所示的示例中，第二方向4朝向東方。在點P1和P2之間記錄加速度資料。此外，在整個周期上對加速度資料進行積分，以確定加速計13或慣性感應器相對於水平面的傾斜。此外，在隨後的周期中確定特徵位置。另外，使用磁力計來確定每個周期的特徵位置中人2的第二部分的地磁第二方位。現在可以基於人的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的傾斜和偏差來確定人2的第一部分的第二方向4。可以確定人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的第二角度。人2的第二部分的地磁第二方位與人2的第一部分的第二方向4之間的第三角度與第一角度相同，因此第二方向4可以基於人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的偏差來確定。換句話說，人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的偏差與人2的第一方向3和第二方向4之間的偏差相同。
在第三點P3和第四點P4之間，人2正在沿第三方向5移動。在圖1所示的示例中，第三方向5朝向南方。在點P3和P4之間記錄加速度資料。此外，在整個周期上對加速度資料進行積分，以確定加速計13或慣性感應器相對於水平面的傾斜。此外，確定特徵位置。另外，使用磁力計來確定每個周期的特徵位置中人2的第二部分的地磁第三方位。現在可以基於人的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之間的偏差來確定人2的第一部分的第三方向5。可以確定人的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之間的第二角度。人的第二部分的地磁第三方位與人的第一部分的第三方向5之間的第三角度與第一角度相同，因此第三方向5可以基於人2的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之間的傾斜和偏差來確定。換句話說，人2的第二部分的地磁第二方位和地磁第三方位之間的偏差與人2的第二方向4和第三方向5之間的偏差相同。
根據某些實施例，可以跟蹤移動的人2的第一部分的每個方向3、4、5和速度，因此可以計算人的位置。透過組合使用不同系統來確定人2的第一部分的位置。出於校準的原因，使用外部定位系統來確定人2的第一部分的第一方向3。採用加速計或慣性感應器來確定加速度資料。採用磁力計來測量人的第二部分的地磁第一方位、地磁第二方位，以及任何其它的地磁方位。還採用計時工具來記錄物體在任何方向3、4、5上已經運動的時間。人2的第一部分的跟蹤位置可以顯示在系統的顯示器上，從系統發送到另一個設備，或者顯示在可透過網際網路獲得的地圖上。跟蹤位置可以是室內或室外的位置。跟蹤位置可以即時確定，或在稍後階段確定。
因為可以顯著地減少外部定位系統(例如GPS定位系統)的使用，因此可以減少根據本發明的至少一些實施例的系統1的電池消耗。根據某些實施例，外部定位系統僅用於系統1的校準。根據某些實施例，外部校準系統以某些時間間隔使用，例如每30秒或每60秒。根據某些實施例，外部定位系統用於不斷地校準系統1。根據某些實施例，當信號強度超過某一臨限值時，使用外部定位系統。
在圖2中，示出了時間加速度圖。使用附著到人2的第二部分上的加速計或慣性感應器來在多個周期上記錄如圖1所示的人2的第二部分(其相對於人2的第一部分周期性運動)的加速度資料。可以基於後續周期中的加速度資料來確定特徵位置。對於每個周期來說，特徵位置例如可以是人2的第二部分的位置，其中借助於加速計或慣性感應器來測量最大加速度值，即峰值。當在整個周期上對加速度資料進行積分時，動態加速度(即人2的第二部分相對於第一部分的運動)積分為零，並且可以確定加速計13或慣性感應器相對於水平面的傾斜。可以使用磁力計來進一步測量外部磁場，以確定周期性運動部分相對於外部磁場的取向。例如，可以使用附著到人2的第二部分上的磁力計來確定人2的第二部分的地磁方位。
在將人的第一部分的方向從第一方向3改變到第二方向4之後，可以在特徵位置中確定人的第二部分的另一個地磁方位，由此可以基於人2的第二部分的地磁第一方位和地磁第二方位之間的偏差來確定人2的第一部分的運動的第二方向4。
在圖3中，示出了運動的時間-方向圖。使用用於確定物體的運動方向的不同方法來顯示跑步者的隨時間的運動方向。以下述方式來計算運動方向：基於使用本領域已知的GPS定位系統的方法(標記為“GPS 前進方向”)，根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向的方法(標記為“前進方向”)，以及根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向但其中已經校正了某些誤差的方法(標記為“已校正前進方向”)。
除了由於跑步者的下臂相對於跑步者的運動方向的未對準所引起的恒定偏差之外，還存在其他誤差源，例如磁力計和加速計軸線的未對準、校準偏差和積分誤差。所有這些誤差的綜合影響是：真實誤差和估計誤差之間的差異取決於前進方向。例如，這可以模型化為：
這些參數可在能夠獲得基準方向時進行校準。
可以看出，在根據本發明的至少一個實施例中，用於確定物體的運動方向的方法所確定的運動方向(其中已經校正了某些誤差)相對於基於GPS的運動方向的偏差看起來非常小。
因此，根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向的方法提供了用於確定物體的運動方向的足夠精度。特別地，在根據本發明的至少一些實施例的系統校準之後，該系統例如可以用在陰影區域中，如在有關於圖7-10進一步描述的那樣。
在圖4中，示出了使用不同方法所跟蹤的幾何路徑的圖。以如下方式來計算幾何路徑：基於使用本領域已知的GPS定位系統的方法(標記為“GPS”)，根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向的方法(標記為“原始”)，以及根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向但其中如圖3所示地已經校正了某些誤差的方法(標記為“已校正”)。
可以透過由所描述的羅盤形成的座標系中的所提供的羅盤系統來跟蹤物體的位置。這樣的座標系例如在圖4中示出。在這樣的第一座標系中形成的路徑可以與第二座標系(例如地理座標系)對齊，因此路徑可以與地圖相關地顯示出來。 在此之後，甚至可以透過校準由如所述羅盤所形成的座標系來將路徑與地理路徑對齊。
因此，根據本發明的至少一個實施例的用於確定物體的運動方向的方法提供了用於確定物體的幾何路徑和/或確定物體的位置的足夠精度。特別地，在根據本發明的至少一些實施例的系統校準之後，該系統例如可以用在陰影區域中，如有關於圖7-10中所進一步描述的那樣。
在圖5中，示出了確定物體的運動方向的示例的另一示意圖。當一個人在划艇2上划船時，他的手臂相對於其身體周期性地運動。另一方面，槳的葉片也相對於划艇2的船體周期性地運動。因此，根據本發明的至少一些實施例的系統可以附著到人的手臂上，或者是附著在槳的葉片上或與之形成一體。在第一種情況下，可以確定人的運動方向。在後一種情況下，可以確定划艇2的運動方向。換句話說，在本文獻中的術語“物體”必須被理解為人、動物或任何其他三維體。
透過使用附著到周期性運動部分上的加速計13或慣性感應器在多個周期上記錄所述周期性運動部分的加速度資料來確定物體2的周期性運動部分的周期性運動，在至少一個運動周期上積分所述加速度資料以確定物體2的周期性運動部分相對於水平面的傾斜，使用磁力計12來測量物體2的所述周期性運動部分的外部磁場以確定物體2的所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向，並基於物體2的周期性運動部分的傾斜和取向來確定物體2的運動方向，從而確定運動方向。
只要物體2的所述周期性運動部分的取向保持恒定或基本恒定，那麽運動方向3就保持恒定。取向的變化表明周期性運動已經改變，或者運動方向已經改變。例如，可以透過傾斜的變化來檢測周期性運動的變化。
可以透過所描述的羅盤所形成的座標系中的所提供的羅盤系統來跟蹤物體的位置。如果周期性運動相對於物體的運動方向以某個角度發生，則可使用參考系統來校準所計算的方向，或者如果局部磁場沒有指向與參考系統相同的方向(例如由於磁偏角的原因)，則可使用參考系統來對該方向進行校準。當然，如果周期性運動相對於物體的運動方向以某個角度發生並且如果局部磁場沒有指向與參考系統相同的方向，則參考系統也可以用於校準所計算的方向。
可以僅基於取向來跟蹤座標系中的物體的位置。然而，在該座標系應該與地理座標系對齊的情況下，基於所述物體2的先前確定的方向3和物體2的周期性運動部分的取向來確定物體2的運動方向。例如，可以使用諸如GPS系統的外部定位系統10來確定先前確定的方向3。
在圖6中，示出了衛星系統和根據本發明的至少一些實施例的系統的示意圖。其中示出了衛星10的示意圖，其例如可以是GPS衛星。根據本發明的系統1配備有磁力計12和加速度感應器13。系統1例如可以是關於圖1所述的系統。
基於從外部定位系統10接收的信號14來確定系統1的主要位置指示。從這些信號14中還可以確定人的第一運動方向。
可以基於加速計感應器13的信號以下述方式來計算系統1的地磁方位：在選定的時間段上對所測量的加速度資料進行積分以確定物體2的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜，並且測量特徵位置中的周期性運動部分的外部磁場以確定所述周期性運動部分相對於外部磁場的取向。如果該運動是有節奏的或周期性的(在人攜帶該裝置時，幾乎都是如此)，則可以從系統1的地磁方位上獲得該人的任何進一步的方向。
然後例如可以基於相同或不同的加速計感應器13的信號或任何其他速度感應器、輪式感應器、轉速計、葉輪或皮托管來計算速度資料，並且可以基於已知的先前位置、方向資料、速度資料和計時工具來獲得系統的次要位置指示。如果衛星信號的品質或可用性低於預定的臨限值，則可以使用次要位置指示而不是主要位置指示來確定系統1的位置。
在圖7中，示出了根據本發明的至少一些實施例的室外位置確定的示例的示意圖。攜帶根據本發明的某些實施例的系統1的人2將要在山區M1、M2沿著路徑T跑步或行走。由於山區M1和M2的原因，衛星定位信號在沿著路徑T中具有衛星信號微弱或不存在的陰影區域S1和S2。沿著路徑T偶爾能提供衛星信號覆蓋，如輻射圖案C1、C2和C3所示。
在點P1處，系統1在其進入陰影區域S1時中斷與衛星導航系統的聯繫。S1則是基於衛星導航系統的最後已知的“好”位置，即主要位置指示。陰影區域S1中的使用者2的方向和速度由系統中的處理單元透過基於來自衛星系統的信號C1計算主要位置指示來確定，以確定使用者在點P1處的位置。
在點P1和P2之間，系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者2的運動方向。處理單元將使用者2的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者2在每個方向上的速度。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者沿著路徑T的次要位置指示，其被計算為距P1處的最後已知位置的距離。然後，系統1可以基於點P2處的次要位置指示提供該點處的使用者2的第二位置。在點P2和P3之間再次提供有了衛星覆蓋C2，並且基於來自衛星系統的信號C2用點P2處的新的主要位置指示來更新使用者2的位置。當使用者2在點P3處進入陰影區域S2時，則開始與陰影區域S1中相同的程序。在點P4處，則可再次得到基於來自衛星系統的信號C3的主要位置指示。
對於越野賽跑的跑步者，除了水平面中的任何方向之外，還可以記錄跑步者的垂直z方向，即高度的變化。可以透過使用例如由空氣壓力感應器測得的空氣壓力資料所計算的高度資料來執行垂直z方向的記錄。將此資訊映射到地形圖與時間的關係，可以提供跑步者的地面速度和位置的資訊。
在圖8中，示出了根據本發明的至少一些實施例的戶外位置確定的另一示例的示意圖。攜帶根據本發明某些實施例的系統1的人2即將沿著不同建築物之間的市區中的路徑T跑步或行走。由於建築物的原因，衛星定位信號在沿著該路徑中具有衛星信號微弱、不存在或模糊的陰影區域S1和S2。沿著路徑T偶爾能提供衛星信號覆蓋，如輻射圖案C1、C2、C3和C4所示。
在點P1處，系統1在其進入陰影區域S1時中斷與衛星導航系統的聯繫。S1則是基於衛星導航系統的最後已知的“好”位置，即主要位置指示。使用者2在陰影區域S1中的方向和速度由系統中的處理單元透過基於來自衛星系統的信號C1計算主要位置指示來確定，以確定使用者在點P1處的位置。
在點P1和P2之間，系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者的運動方向。處理單元將使用者的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者在每個方向上的速度，並確定人在任意方向上已經運動的時間。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者2沿著路徑T的次要位置指示，其被計算為距P1處的最後已知位置的距離。然後，系統1可以基於點P2處的次要位置指示提供該點處的使用者2的第二位置。在點P2和P3之間再次提供了有衛星覆蓋C2，並且基於來自衛星系統的信號C2，使用點P2處的新的主要位置指示來更新使用者的位置。
當使用者2在點P3處進入陰影區域S2時，衛星信號C3被建築物H2反射，因此人的位置是模糊的。系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者2的運動方向。處理單元將使用者2的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者在每個方向上的速度，並確定人在任意方向上已經運動的時間。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者2沿著路徑T的次要位置指示，其被計算為距P3處的最後已知位置的距離。在點P4處，則可再次得到基於來自衛星系統的信號C4的主要位置指示。
可以從外部定位系統在特定的時間間隔內(例如每30秒或每分鐘)確定主要位置指示。外部定位系統的信號品質也可以在特定的時間間隔內確定。用於確定主要位置指示的時間間隔和用於確定外部定位系統的信號品質的時間間隔可以是不同的或相同的。例如，可以基於信號強度和/或可用性來確定外部定位系統的信號品質。如果信號強度低於特定臨限值，或者根本不能從外部定位系統接收信號，則可以計算使用者2的次要位置指示。次要位置指示的計算也可以永久地進行。所跟蹤的次要位置指示也可以顯示在系統1的顯示器上，例如結合地圖地顯示。
在圖9中，示出了根據本發明的至少一些實施例的室內位置確定的示例的示意圖。攜帶根據本發明某些實施例的系統1的人2即將沿著通過隧道或隧道系統的路徑T跑步或行走。隧道有一個入口Entr和兩個獨立的出口E1、E2。特別地沿著路徑T提供有衛星信號覆蓋，如輻射圖案C1和C2所示。由於隧道的原因，衛星定位信號在點P1處的隧道入口Entr和點P2處的隧道出口E1之間中斷。
透過基於來自衛星系統的信號C1來計算主要位置指示以確定使用者2在點P1處的位置，從而由系統中的處理單元來確定使用者2在隧道中的方向和速度。
在點P1和P2之間，系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者的運動方向。處理單元將使用者2的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者2在每個方向上的速度，並確定人在任意方向上已經運動的時間。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者2沿著路徑T的次要位置指示，其被計算為距P1處的最後已知位置的距離。然後，系統1可以基於點P2處的次要位置指示提供該點處的使用者2的第二位置。在點P2處再次提供了衛星覆蓋C2，並且基於來自衛星系統的信號C2用點P2處的新的主要位置指示來更新使用者的位置。因此，可以計算和/或監控人在隧道或隧道系統內的位置。特別地，可以計算和/或監視人2位於或已經位於隧道或隧道系統的哪個部分。
由於在點P1和P2之間沿著路徑T沒有可用的衛星信號，因此例如可以基於特定時間間隔的所述主要位置指示、所述方向資料、和所述速度資料來確定人2的次要位置指示。時間間隔例如可以是1秒、5秒或10秒。換句話說，只要在點P1和P2之間沒有可用的衛星信號，就例如可以每秒進行一次次要位置指示的計算和/或監測。因此，次要位置指示資料、速度資料和方向資料可以每秒地儲存在根據本發明的某些實施例的系統的記憶體中。根據本發明的某些實施例，次要位置指示資料、速度資料和方向資料可以額外地或替代地經由無線連接發送到伺服器基礎設施或任何其他計算設備。當然，這些資料也可以在稍後階段讀出。
根據本發明的一些實施例，可以在系統的顯示器上顯示出次要位置指示資料、速度資料和方向資料中的至少一個。特別地，次要位置指示資料可以顯示在系統顯示器上的地圖上。次要位置指示資料可以即時地或在稍後階段顯示出來。根據某些實施例，所跟蹤的次要位置指示資料可以即時地或在稍後階段顯示在另一設備的顯示器上的地圖上。根據某些其他實施例，所跟蹤的次要位置指示資料可以即時地或在稍後階段顯示在可透過網際網路接取的地圖上。此外，可以在根據本發明的一些實施例的系統的顯示器上、在另一個設備上或在網際網路中顯示可從次要位置指示資料、速度資料和方向資料中的至少一個中所導出的資料。當然，也可以在根據本發明的一些實施例的系統的顯示器上、在另一個設備上或在網際網路中顯示可從主要位置指示資料中所得到或導出的資料。
此外，點P1和P2處的兩個外部定位信號可用於校準運動方向、次要位置指示的計算和系統1的感應器中的至少一個。通常，可採用任何兩個或更多個外部定位信號來進行校準。校準可以永久地進行，即例如也可以在外部定位信號可用時或在特定時間間隔內發生。由於在外部定位信號不可用或信號品質不足的情況下，提供了良好校準的系統，因此對兩個不同外部定位信號之間的次要位置指示的計算進行永久性校準是有益的。校準可以是個性化的。例如，人可以以手錶的形式佩戴根據本發明的一些實施例的系統1。不同的人在行走或跑步時會不同地移動他們的手臂，因此即使當人們以相同的速度行走或跑步時，加速度感應器也會測量到不同的加速度。由於發生這種不同的加速度，每個系統1可以不同地校準。換句話說，系統1的校準可以是個性化的，特別是透過永久地校準次要位置指示的計算。
在圖9的隧道示例中，在點P2處所計算的次要位置指示與在點P2處從外部定位系統接收的新的主要位置指示相同。次要位置指示和新的主要位置指示之間的任何偏差可用於校準多個參數。獨立的參數例如可以是速度和方向。可採用數學最佳化演算法來校準多個參數。例如，可以使用最小平方法或單工法。例如，透過最小化點離開曲線的偏差的平方和，可以使用數學程序來找到給定點集合的最佳配適曲線。當應用這種所謂的最小平方配適時，使用偏差的平方和而不是絕對值。當偏差的平方和最小時，最小平方法就找到了其最佳解。因此，可以平衡不同誤差源的影響，以便對人的位置提供最佳配適。
在圖10中，示出了根據本發明的至少一些實施例的室內位置確定的另一示例的示意圖。攜帶根據本發明某些實施例的系統1的人2將要沿著路徑T在建築物H1(例如體育館)內跑步或行走。建築物H1具有入口Entr和出口E1。衛星定位信號在沿著路徑T的點P1處的建築物H1的入口Entr和點P2處的建築物H1的出口E1之間中斷。
透過基於來自衛星系統的信號C1來計算主要位置指示以確定使用者2在進入建築物H1的點P1處的位置，從而由系統中的處理單元來確定使用者2在建築物H1中的位置、方向和速度。
在點P1和P2之間，系統1的處理單元使用來自系統中的加速計的感應器信號來記錄使用者的運動資料，並基於感應器信號如結合圖1所描述的那樣計算使用者2的運動方向。處理單元將使用者2的方向資料記錄在記憶體單元中，以便確定使用者2的現行方向。它還計算使用者2在每個方向上的速度，並確定人在任意方向上已經運動的時間。方向和速度資料儲存在記憶體單元中，以便跟蹤和儲存使用者2沿著路徑T的次要位置指示。
在建築物H1內，人2例如可以沿著400米的跑道跑步或行走特定距離。借助於根據本發明的一些實施例的系統1，可以在建築物H1內計算和/或監視使用者2的位置、速度和方向以及覆蓋距離。特別地，還可以計算和/或監視使用者的速度和方向的變化。換句話說，系統1被組態為計算點P1和P2之間的任何位置。該計算還特別包括移動的人2的方向的改變。在圖10的示例中，人2沿著400m一圈的跑道的一半朝著點P2移動，然後再沿著該400m一圈的跑道的一半朝向點P1移動，之後再沿著該400m一圈的跑道的一半朝向點P2移動。可以使用所提供的磁力計資料由系統來計算這種方向變化。因此，系統1可以計算和/或監視點P1和P2之間(其中外部定位信號不可用或品質不足)的人2的任何軌跡。
當系統1在點P2處經由出口E1離開建築物H1時，系統1然後可以基於點P2處的次要位置指示在該點處提供使用者2的第二位置。在點P2處，再次被提供有衛星覆蓋C2，並且基於來自衛星系統的信號C2用點P2處的新的主要位置指示來更新使用者的位置。因此，可以計算和/或監視在建築物H1內點P1和P2之間的人2的位置、速度和方向。
在圖11中，示出了根據本發明的至少一些實施例的系統的示例。圖示的是系統600，其例如可以包括讀出系統，或者包括具有讀出和分析功能的整合系統。處理器610包括在系統600中，其例如可以包括單核或多核處理器，其中單核處理器包括一個處理核心，而多核處理器包括一個以上處理核心。處理器610可包括一個以上的處理器。處理核心例如可以包括由ARM Holdings公司製造的Cortex-A8處理核心，或由Advanced Micro Devices公司生産的Steamroller處理核心。處理器610可以包括至少一個Qualcomm Snapdragon和/或Intel Atom處理器。處理器610可以包括至少一個專用積體電路ASIC。處理器610可以包括至少一個場可程式閘陣列FPGA。處理器610可以是用於執行系統600中的方法步驟的裝置。處理器610可以至少部分地由電腦指令所組態以執行動作。
系統600可以包括記憶體620。記憶體620可以包括隨機存取記憶體和/或永久記憶體。記憶體620可以包括至少一個RAM晶片。例如，記憶體620可以包括固態、磁性、光學和/或全息記憶體。記憶體620可以至少部分地可由處理器610存取。記憶體620可以至少部分地包括在處理器610中。記憶體620可以是用於儲存資訊的裝置。記憶體620可以包括處理器610被組態為來執行的電腦指令。當被組態為使處理器610執行某些動作的電腦指令被儲存在記憶體620中，以及系統600整體上被組態為使用來自記憶體620的電腦指令而在處理器610的指導下運行時，處理器610和/或其至少一個處理核心可認為被組態為執行所述特定動作。記憶體620可以至少部分處在系統600之外，但可由系統600存取。
系統600可以包括發射器630。系統600可以包括接收器640。發射器630和接收器640可以被組態為根據至少一個通信標準分別發送和接收資訊。發射器630可包括一個以上的發射器。接收器640可包括一個以上的接收器。發射器630和/或接收器640可以被組態為例如根據全球行動通信系統GSM、寬帶分碼多工存取WCDMA、5G、長期演進技術LTE、IS-95、無線區域網路WLAN，乙太網和/或全球微波接入互操作性WiMAX標準來操作。接收器640被組態為接收來自外部定位系統的信號，例如GPS衛星信號。系統600可包括單個接收器640，或多個不同的接收器640。
系統600可以包括讀出電路650。系統600可以包括使用者界面UI 660。UI 660可以包括顯示器、鍵盤、按鈕、觸控螢幕、振動器(其設置成透過使系統600振動來向使用者發送信號)、揚聲器和麥克風中的至少一個。使用者能夠透過UI 660來操作系統600，例如用以開始和停止位置資料的監視。
處理器610可以配備有發射器，其配置成經由系統600內部的電引線從處理器610輸出資訊到系統600中的其他系統。這種發射器可以包括配置成例如透過至少一個電引線輸出資訊到記憶體620以便儲存在其中的串列匯流排發射器。作為串列匯流排的替代，發射器可以包括並列匯流排發射器。同樣地，處理器610可以包括接收器，其配置為經由系統600內部的電引線從系統600內的其它系統中接收處理器610中的資訊。這樣的接收器可以包括串列匯流排接收器，其配置為例如經由至少一個電引線接收來自接收器640的資訊，以用於在處理器610中進行處理。作為串列匯流排的替代，接收器可以包括並列匯流排接收器。
處理器610、記憶體620、發射器630、接收器640、讀出電路650和/或UI 660可以透過多種不同方式由系統600內部的電引線互連。例如，上述系統中的每一個可以分別連接到系統600內的主匯流排，以允許所述系統交換資訊。然而，如技術人員將理解的那樣，這僅是一個示例，並且取決於實施例的情況，可以選擇在上述系統中互連至少兩個的各種方式而不脫離本發明的範圍。
根據某個實施例，系統600還包括x、y、z加速計和x、y、z磁力計。空氣壓力感應器可以是附加的可選特徵。即，系統600包括用於測量三維加速度、用於測量三維方向以及用於測量空氣壓力的裝置。可以從結合主要位置指示的測量資料中導出使用者的方向、速度和位置。該系統還被組態為透過計時工具來記錄物體在任何方向上已經運動的時間。
根據另一特定實施例，系統600還包括x、y、z加速計，x、y、z陀螺儀，以及x、y、z磁力計以及空氣壓力感應器。可以將陀螺儀添加到系統中，以減輕磁干擾的影響以及當周期性運動受到干擾時(例如當人在揮手時)的情況。如果在開始時已知了取向，則理論上積分陀螺儀資料可以告知在任何稍後的時間點處的取向。由於感應器誤差的原因，陀螺儀測量需要與其他感應器測量相結合。陀螺儀為系統增加了額外的誤差源。可以使用資料的行為來估計陀螺儀誤差。假設運動方向沒有改變，陀螺儀信號在選定的後續周期上的積分應該為零。因此，除了加速計和磁力計資料之外，還可以透過使用陀螺儀資料來確定運動方向。此外，陀螺儀能夠以不同的方式定義周期。如果根據加速計信號中的峰值來估計周期，則存在一些延遲，這是因為峰值不會被立即接受。然而，可使用陀螺儀信號的零交叉來估計該周期，以進行無延遲的檢測。這意味著無需緩衝陀螺儀資料以進行積分。在腕式設備的情況下，根據函數f ＝wy -wz 的零交叉來計算周期是方便的，其中wy 是陀螺儀測量資料，並且假定x方向指向運動方向。
根據一些實施例，系統600例如可以是智慧手機或平板電腦。根據其他實施例，該系統可以是腕上式電腦。上述裝置可以全部包含在單個設備中，或者在系統的不同設備中彼此分離。例如，加速計、陀螺儀、磁力計、空氣壓力感應器和被組態為從外部定位系統中接收信號的接收器可以包含在腕上式電腦中。根據另一特定實施例，加速計、磁力計和空氣壓力感應器可以包含在腕上式電腦中。組態成從外部定位系統接收信號的接收器和處理器610可以包含在單獨的計算設備中。然後，腕上式電腦和計算設備被組態為經由個人區域網路發送和接收資料。換句話說，加速度資料、方向資料和壓力資料可以由腕上式電腦測量，並傳輸到計算設備。外部定位信號可以額外地由計算設備接收。然後，可以基於加速計感應器信號由計算設備計算所述運動物體在所述方向上的速度，並且由計算設備確定所述物體的次要位置指示。最後，所跟蹤的次要定位信號可以由計算設備顯示。
系統600可以包括圖11中未示出的另一設備。在一些實施例中，系統600可以缺少至少一個上述設備。
應理解，所公開的本發明的實施方案不限於本文公開的特定結構、處理步驟或材料，而是延伸至如相關領域的普通技術人員所認識到的其等同物。還應該理解，本文採用的術語僅用於描述特定實施方案的目的，而不是限制性的。
本說明書中對一個實施例或實施例的引用意味著針對該實施例所描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書各處出現的用語“在一個實施例中”或“在實施例中”不一定都指同一個實施例。在使用術語如“大約”或“基本上”來說明某一數值時，也同時公開了精確的數值。
如本文所使用的，為方便起見，可以在共同列表中呈現多個項目、結構元素、組成元素和/或材料。但是，這些列表應該被解釋為好像列表中的每個成員都被單獨標識為一個獨立且獨特的成員。因此，此類列表中的任何個別成員不應僅僅根據其在一個共同組中的陳述而被解釋為該列表中任何其他成員的事實上的等同物，除非有相反的指示。另外，本文中的各種實施方案和實施例可以與其各種組分的替代物一起提及。應當理解，這些實施例、示例和替代方案不應被解釋為彼此事實上的等同物，而是應被視為本發明的單獨和自主的表示。
此外，所描述的特徵、結構或特性可以在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。在以下描述中，提供了許多具體細節，例如長度、寬度、形狀等的示例，以提供對本發明實施例的透徹理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，可以在沒有一個或多個具體細節的情況下或者利用其他方法、組件、材料等來實踐本發明。在其他情況下，衆所周知的結構、材料或操作未詳細示出或描述，以避免使本發明的各個方面模糊。
雖然前述示例在一個或多個特定應用中說明了本發明的原理，但是對於本領域普通技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明的原理和概念的情況下，可以在形式、使用和實現細節的情況下進行多種修改。因此，除了下面提出的申請專利範圍之外，本發明並不受到限制。
動詞“包括”和“包含”在本文中用作開放性限制，其既不排除也不要求也存在未記載的特徵。除非另有明確說明，否則從屬項中所述的特徵可相互自由組合。此外，應該理解，在整個本文件中使用“一個”(即單數形式)並不排除多個。
工業應用性
本發明的至少一些實施例在確定物體的運動方向中具有工業應用性。
縮寫詞列表
1‧‧‧系統
2‧‧‧物體
3‧‧‧第一方向
4‧‧‧第二方向
5‧‧‧第三方向
6‧‧‧周期性運動
10‧‧‧衛星
12‧‧‧磁力計
13‧‧‧加速計
14‧‧‧信號
600‧‧‧系統
610‧‧‧處理器
620‧‧‧記憶體
630‧‧‧發射器
640‧‧‧接收器
650‧‧‧讀出電路
660‧‧‧使用者界面
C1-C4‧‧‧衛星信號
E1‧‧‧第一出口
E2‧‧‧第二出口
Entr‧‧‧入口
H1-H2‧‧‧建築物
M1-M2‧‧‧山
P1‧‧‧第一點
P2‧‧‧第二點
P3‧‧‧第三點
P4‧‧‧第四點
T‧‧‧路徑
peak‧‧‧峰值
mean‧‧‧平均值
引用文獻
專利文獻GB2497153
圖1顯示了確定物體的運動方向的一個例子的示意圖；
圖2顯示了時間-加速度圖；
圖3顯示了運動的時間方向的圖；
圖4顯示了使用不同方法所跟蹤的地理路徑的圖；
圖5顯示了確定物體的運動方向的一個例子的另一示意圖；
圖6顯示了衛星系統和根據本發明的至少一些實施例的系統；
圖7顯示了根據本發明的至少一些實施例的室外位置確定的一個例子的示意圖；
圖8顯示了根據本發明的至少一些實施例的室外位置確定的另一個例子的示意圖；
圖9顯示了根據本發明的至少一些實施例的室內位置確定的一個例子的示意圖；
圖10顯示了根據本發明的至少一些實施例的位置確定的另一個例子的示意圖；
圖11顯示了根據本發明的至少一些實施例的系統的一個例子。
Claims (27)
- 一種用於跟蹤和確定物體(2)的位置的方法，所述方法包括： 基於從外部定位系統(10)接收到的信號(14)來確定主要位置指示，並且使用所述主要位置指示來確定所述物體(2)的第一位置， 使用慣性感應器信號或加速計感應器信號來記錄所述物體(2)的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段內對所述加速度資料進行積分，以確定所述物體(2)的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜， 基於使用磁力計感應器(12)測量所述物體(2)的該周期性運動部分的外部磁場來記錄運動物體(2)的方向資料，以確定所述周期性運動部分相對於所述外部磁場的取向， 計算所述運動物體(2)在任何方向(3, 4, 5)上的速度， 基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體(2)的次要位置指示，以及， 使用所述次要位置指示來確定所述物體(2)的第二位置。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，如果用於所述主要位置指示的定位信號(14)的品質或可用性低於預定臨限值，則將所述次要位置指示用於確定所述物體(2)的第二位置。
- 根據申請專利範圍第1或2項所述的方法，其中，透過連續地計算所述次要位置指示來跟蹤所述運動物體(2)的方向和速度。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所選定的時間段對應於由加速計感應器(13)或慣性感應器所檢測到的所述物體(2)的部分的周期性運動的檢測序列。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述主要位置指示基於GPS信號來確定。
- 根據申請專利範圍第4項所述的方法，其中，透過組合使用用於確定所述物體的部分的地磁方位的磁力計感應器(12)、用於記錄所述物體在任何方向上已經運動的時間的計時工具，以及用於確定加速度資料的所述加速計感應器(13)或慣性感應器來確定所述次要位置指示。
- 根據申請專利範圍第2項所述的方法，其中，所述預定臨限值取決於所述外部定位系統(10)的信號強度。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，透過空氣壓力感應器來測量空氣壓力，並且基於所述空氣壓力來確定所述物體(2)的海拔高度。
- 根據申請專利範圍第8項所述的方法，其中，所述海拔高度映射到地形-時間圖上。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述第二位置是所述物體(2)的室內位置或室外位置。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所跟蹤的次要位置指示被顯示在系統(1)的顯示器上，從所述系統(1)傳輸到另一個設備，或顯示在能透過網際網路獲得的地圖上。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述物體(2)的至少一個次要位置指示即時地確定，或在稍後階段中確定。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述物體(2)的至少兩個不同位置的主要位置指示係基於從外部定位系統(10)接收到的信號(14)加以確定，並被用於校準所述次要位置指示的跟蹤。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，在隨後的周期中確定所述周期性運動部分的特徵位置。
- 根據申請專利範圍第14項所述的方法，其中，在所述特徵位置中測量所述周期性運動部分的外部磁場。
- 一種用於跟蹤和確定物體(2)的位置的系統(1)，所述系統(1)包括： 用於接收來自外部定位系統(10)的信號的接收器， 至少一個慣性感應器或加速計(13)， 磁力計(12)， 至少一個記憶體單元，以及 處理單元，所述處理單元包括至少一個處理核心、包括電腦程式碼的至少一個記憶體，所述至少一個記憶體和電腦程式碼與所述至少一個處理核心被組態用以使所述系統(1)至少用以： 基於來自所述外部定位系統(10)的信號來計算主要位置指示，並且用以使用所述主要位置指示來確定所述物體(2)的第一位置， 使用來自所述慣性感應器或加速計(13)的感應器信號來記錄所述物體(2)的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段內對所述加速度資料進行積分，以確定所述物體(2)的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜， 基於使用磁力計感應器(12)測量所述物體(2)的所述周期性運動部分的外部磁場來記錄運動物體(2)的方向資料，以確定所述周期性運動部分相對於所述外部磁場的取向， 計算所述運動物體(2)在任何方向(3, 4, 5)上的速度， 基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體(2)的次要位置指示，及 其中，所述系統(1)被組態成基於所述次要位置指示確定所述物體(2)的第二位置。
- 根據申請專利範圍第16項所述的系統(1)，其中，所述系統(1)被組態成用以如果用於所述主要位置指示的定位信號(14)的品質或可用性低於預定臨限值時，則基於所述次要位置指示來確定所述物體(2)的第二位置。
- 根據申請專利範圍第16或17項所述的系統(1)，其中，所述處理單元被組態成連續地計算和儲存所述運動物體(2)的方向和速度。
- 根據申請專利範圍第16項所述的系統(1)，其中，該所選定的時間段設定成對應於由加速計感應器(13)或慣性感應器所檢測到的所述物體(2)的部分的周期性運動的檢測序列。
- 根據申請專利範圍第16項所述的系統(1)，其中，所述系統(1)被組態成基於GPS信號來確定所述主要位置指示。
- 根據申請專利範圍第19項所述的系統(1)，其中，所述系統(1)被組態成透過組合使用用於確定所述物體(2)的部分的地磁方位的磁力計感應器(12)、用於記錄所述物體(2)在任何方向(3, 4, 5)上已經運動的時間的計時工具，以及用於確定加速度資料的加速計感應器(13)或慣性感應器來確定所述次要位置指示。
- 根據申請專利範圍第16項所述的系統(1)，其中，所述系統(1)被組態成透過計時工具來記錄所述物體(2)在任何方向上已經運動的時間。
- 根據申請專利範圍第16項所述的系統(1)，其中，所述系統(1)被組態成透過加速度感應器(13)來測量運動和物體運動的節奏。
- 根據申請專利範圍第16項所述的系統(1)，其中，所述系統(1)還包括陀螺儀。
- 根據申請專利範圍第16項所述的系統，其中，所述系統被組態成在隨後的周期中確定所述周期性運動部分的特徵位置。
- 根據申請專利範圍第25項所述的系統，其中，所述系統被組態成在所述特徵位置中測量所述周期性運動部分的所述外部磁場。
- 一種非暫時性電腦可讀取媒體，具有儲存在其上的一組電腦可讀取指令，所述電腦可讀取指令在由至少一個處理器執行時能夠使裝置至少用以： 基於從外部定位系統(10)接收到的信號來確定主要位置指示，並且使用所述主要位置指示來確定所述物體(2)的第一位置， 使用慣性感應器信號或加速計感應器信號來記錄所述物體(2)的周期性運動部分的加速度資料，並在選定的時間段內對所述加速度資料進行積分，以確定所述物體(2)的所述周期性運動部分相對於水平面的傾斜， 基於使用磁力計感應器(12)測量所述物體(2)的所述周期性運動部分的外部磁場來記錄運動物體(2)的方向資料，以確定所述周期性運動部分相對於所述外部磁場的取向， 計算所述運動物體(2)在所述方向上的速度資料， 基於所述第一位置、所述方向資料和所述速度資料來確定所述物體(2)的次要位置指示，以及 使用所述次要位置指示來確定所述物體(2)的第二位置。
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