TWI468646B - Calculation method of step distance of computing device - Google Patents

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Description

運算裝置之步距計算方法
本發明係與室內定位有關，更詳而言之是指一種運算裝置之步距計算方法。
按，全球定位系統多用於行車導航的用途。隨著科技的進步，全球定位系統的衛星接收器已整合到行動裝置(例如智慧型手機)中，使得全球定位系統不再限於行車導航使用，更可應用到個人行走的定位，例如行人步行記錄器。然，全球定位系統使用上有其限制存在，即必須在天空沒有遮蔽的戶外環境使用，衛星接收器才能接收到衛星定位訊號。在室內時，由於建築物的遮蔽，將使得全球定位系統無法定位。因此，使用者在室內只能透過其它定位技術(例如智慧型手機中常見的A-GPS技術)得知大概的位置。惟，在廣大的室內空間中(例如展覽場或博物館)，若無法得知精確的位置，將使得定位技術無法擴展到室內應用。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種運算裝置之步距計算方法，可精確計算使用者的步距，提供精確的定位依據。
緣以達成上述目的，本發明提供一種運算裝置之步距計算方法，用以計算一使用者行走的步距，該運算裝置供使用者配 掛於身上，該步距計算方法包含有下列步驟：A、取得該使用者的一腿部長度；B、取得該使用者跨步時之一垂直加速度值；C、對該垂直加速度值進行雙重積分運算，獲得該使用者跨步時的一垂直位移量；以及D、依據該腿部長度及該垂直位移量計算該步距。
其中，該腿部長度為使用者胯下至腳底之長度。
其中，該運算裝置包含有一加速度計，在步驟B之前先取得該使用者跨步時，該加速度計所測得的加速度值，且在步驟B中進行計算去除重力對該加速度值的影響，以獲得該垂直加速度值。
其中，在步驟A之後先取得該加速度計於靜止時之輸出值，且在步驟B中，該垂直加速度值計算公式為An =(R -M )×sec(cos-1 (M /9.8))，其中R為該使用者跨步時該加速度計測得之加速度值，M為該加速度計於靜止時之輸出值。
其中，在步驟B之後包括進行一低通濾波步驟，用以去除震動對該垂直加速度值所造成的誤差。
其中，在步驟C中包含偵測當該使用者為行走姿態時，對該垂直加速度值進行積分運算獲得該使用者跨步的一垂直速度值，再對該垂直速度值的絕對值進行積分運算，獲得二倍的垂直位移量，將該二倍垂直位移量除以二即獲得該垂直位移量。
其中，該運算裝置包含有一加速度計，該垂直加速度值係由該加速度計測得，該運算裝置於一最低位置及一最高位置時，令該垂直速度值為零。
其中，該運算裝置於該最低位置及該最高位置時，令該垂直速度值為零之方式為簡諧運動特性之模擬。
其中，在步驟C中包含偵測當該使用者為站立姿態跨出步伐，或由行走姿態恢復站立姿態時，係對該垂直加速度值進行積分運算獲得該使用者跨步的一垂直速度值，再對該垂直速度值的絕對值進行積分運算，獲得該垂直位移量。
其中，該運算裝置包含有一加速度計，該垂直加速度值係由該加速度計測得，該運算裝置於一最低位置時，令該垂直速度值為零。
其中，該運算裝置於該最低位置時，令該垂直速度值為零之方式為簡諧運動特性之模擬。
其中，在步驟D中，該步距的計算公式為，其中，D為該步距，L為該腿部長度，h為該垂直位移量。
其中，該運算裝置包含有一陀螺儀，在步驟D之後更包括透過該陀螺儀測得該使用者於一平面上的一轉動角度，依據該轉動角度與該步距計算該使用者於該平面上的一X座標與一Y座標。
其中，該X座標的計算公式為X n =X n -1 +D ×cosθ，其中，Xn 為目前之X座標，Xn-1 為前次計算之X座標，D為該步距，θ為該轉動角度，若為第一步則Xn-1 =0；該Y座標的計算公式為Y n =Y n -1 +D ×sin θ，其中，Yn 為目前之Y座標，Yn-1 為前次計算之Y座標，若為第一步則Yn-1 =0。
藉此，透過該運算裝置之步距計算方法，可精確計算使用者的步距，提供精確的室內定位之依據。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如后。
本發明一較佳實施例之運算裝置之步距計算方法，係應用於一運算裝置，該運算裝置包含有一加速度計與一陀螺儀。本實施例中，該運算裝置為一行人定位推算(pedestrian dead reckoning，PDR)裝置，該運算裝置供使用者配掛於腰間，用以偵測使用者步行過程中產生的軀幹上下震動，並透過該加速度計測得一加速度值。
本實施例運算裝置之步距計算方法，用以計算一使用者行走的步距，包含有圖1所示之下列步驟：在步驟101中，使用者將個人的一腿部長度輸入該運算裝置，使該運算裝置取得該使用者的腿部長度，在本實施例中，該腿部長度為使用者胯下至腳底之長度。
在步驟102中，由於該加速度計受重力影響，即使該加速 度計處於靜止狀態，該加速度計仍然會有讀值輸出，此時該加速度計的輸出讀值即為重力的讀值。為了獲得準確的結果，在本步驟中，該運算裝置先取得該加速度計於靜止時的輸出值，供後續的步驟使用。
在步驟103中，在使用者跨步的同時，該加速度計即會輸出該加速度值，該運算裝置則即時取得該加速度計所測得的加速度值。
在步驟104中，該運算裝置對該加速度值進行計算，以去除重力對該加速度值的影響，以獲得使用者跨步時之一垂直加速度值。該垂直加速度值計算公式為：An =(R -M )×sec(cos-1 (M /9.8))
其中，An為該垂直加速度值，R為該使用者跨步時該加速度計測得之加速度值，M為步驟102中該加速度計於靜止時之輸出值。
圖2所示者為使用者行走時的垂直加速度值對時間之關係圖。圖2中該垂直加速度為最低值A1時，為使用者行走中兩腳跨開的姿勢(圖3參照)之垂直加速度值，此時該運算裝置處於一最低位置，故該垂直加速度值為一最低的極值；圖2中該垂直加速度為最高值A2時，為該使用者收腳時呈站立的姿勢(圖3參照)之垂直加速度值，此時該運算裝置處於一最高位置，故該垂直加速度值為一最高的極值。
當該使用者連續行進時，該運算裝置重覆地於該最高位置 與該最低位之間移動，如同機械運動中的簡諧運動。
此外，由於使用者行走時，除了規則的行走動作外，尚存在許多不可預期的震動(例如手部擺動時碰撞到該運算裝置)，而影響該加速度計輸出的加速度值。為了減少誤差，在本實施例中更進行一低通濾波步驟，用以去除震動對該垂直加速度值所造成的誤差。
在步驟105中，對該垂直加速度值進行雙重積分運算，獲得該使用者跨步時的一垂直位移量。
該運算裝置對該垂直加速度值進行一次積分後，獲得該使用者跨步的一垂直速度值。
為了模擬簡諧運動以及消除積分對該垂直加速度值產生誤差值的累加，在本實施中，該運算裝置係先進行運算裝置處於該最高位置與該最低位置時的垂直速度值歸零，再對該垂直速度值積分。其中：該運算裝置偵測當該使用者為行走姿態時，該運算裝置分別令該最低位置與該最高位置所計算出的垂直速度值為零。接著，該運算裝置對該垂直速度值的絕對值進行積分，獲得二倍的垂直位移量，且將該二倍垂直位移量除以二即獲得該垂直位移量。
該運算裝置偵測當該使用者為站立姿態跨出步伐(即走出第一步時)，或由行走姿態恢復站立姿態(即最後一步收腳時)時，該運算裝置則令該最低位置所計算出的垂直 速度值為零。接著，該運算裝置對該垂直速度值的絕對值進行積分運算，獲得該垂直位移量。
前述中，由於第一步的初始垂直速度值原本就為零，因此不需再進行歸零；而最後一步時，恢復站立後便不再行走，故垂直速度值亦不需設為零。
在步驟106中，該運算裝置依據該腿部長度及該垂直位移量，使用勾股定理計算該步距。
請參閱圖3，使用者的腿步長度為L，由步驟105中獲得的垂直位移量為h，使用者跨出步伐時胯下至地面的高度為腿步長度L減去該垂直位移量h，兩腳之間的距離即為使用者的步距D。續參閱圖4，使用者跨步時，可等效為一等腰三角形的形狀，其中，二個等邊的邊長為使用者的腿步長度L，三角形的底邊即為使用者的步距D，三角形的高即為腿步長度L減去該垂直位移量h。藉此，該運算裝置使用勾股定理計算出步距。該步距的計算公式為：
其中，D為該步距，L為該腿部長度，h為該垂直位移量。
在獲得該步距D後，將該步距D結合方位資訊即可計算使者於一平面上的座標與移動軌跡。
該運算裝置透過該陀螺儀測得該使用者於一平面上的一轉動角度，依據該轉動角度與該步距D計算出使用者於該平 面上的一X座標與一Y座標，並記錄該X座標與該Y座標。藉此，該運算裝置即可得知使用者在該平面上的位置以及移動軌跡。其中：該X座標的計算公式為：X n =X n -1 +D ×cosθ
其中，Xn 為目前之X座標，Xn-1 為前次計算之X座標，θ為該轉動角度，若為第一步則Xn-1 =0。
該Y座標的計算公式為：Y n =Y n -1 +D ×sin θ
其中，Yn 為目前之Y座標，Yn-1 為前次計算之Y座標，若為第一步則Yn-1 =0。
在上述中，透過本發明運算裝置之計算步距方法搭配運算裝置，即可精確地計算出使用者行走時的步距以及在室內空間中的位置。此外，運算裝置除了行人定位推算裝置外，亦可使用智慧型行動電話作為運算裝置。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效方法變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
101~106‧‧‧步驟
A1‧‧‧垂直加速度值最低值
A2‧‧‧垂直加速度值最高值
L‧‧‧腿部長度
h‧‧‧垂直位移量
D‧‧‧步距
圖1為本發明較佳實施例運算裝置之步距計算方法流程圖；圖2為本發明較佳實施例之垂直加速度值與時間關係圖；圖3為本發明較佳實施例使用者跨步及站立示意圖；以及圖4為本發明較佳實施例使用者跨步之等效示意圖。
101~106‧‧‧步驟

Claims (8)

  1. 一種運算裝置之步距計算方法，用以計算一使用者行走的步距，該運算裝置供使用者配掛於身上，該步距計算方法包含有下列步驟：A、取得該使用者的一腿部長度；B、取得該使用者跨步時之一垂直加速度值；C、對該垂直加速度值進行雙重積分運算，獲得該使用者跨步時的一垂直位移量；以及D、依據該腿部長度及該垂直位移量計算該步距；其中，該運算裝置包含有一加速度計，在步驟B之前先取得該使用者跨步時，該加速度計所測得的加速度值，且在步驟B中進行計算去除重力對該加速度值的影響，以獲得該垂直加速度值；其中，在步驟A之後先取得該加速度計於靜止時之輸出值，且在步驟B中，該垂直加速度值計算公式為An =(R -M )×sec(cos-1 (M /9.8))，其中R為該使用者跨步時該加速度計測得之加速度值，M為該加速度計於靜止時之輸出值。
  2. 如請求項1所述之運算裝置之步距計算方法，其中該腿部長度為使用者胯下至腳底之長度。
  3. 如請求項1所述之運算裝置之步距計算方法，其中在步驟B之後包括進行一低通濾波步驟，用以去除震動對該垂直加速度 值所造成的誤差。
  4. 一種運算裝置之步距計算方法，用以計算一使用者行走的步距，該運算裝置供使用者配掛於身上，該步距計算方法包含有下列步驟：A、取得該使用者的一腿部長度；B、取得該使用者跨步時之一垂直加速度值；C、對該垂直加速度值進行雙重積分運算，獲得該使用者跨步時的一垂直位移量；以及D、依據該腿部長度及該垂直位移量計算該步距；其中，在步驟C中包含偵測當該使用者為行走姿態時，對該垂直加速度值進行積分運算獲得該使用者跨步的一垂直速度值，再對該垂直速度值的絕對值進行積分運算，獲得二倍的垂直位移量，將該二倍垂直位移量除以二即獲得該垂直位移量；其中，該運算裝置包含有一加速度計，該垂直加速度值係由該加速度計測得，該運算裝置於一最低位置及一最高位置時，令該垂直速度值為零；其中，該運算裝置於該最低位置及該最高位置時，令該垂直速度值為零之方式為簡諧運動特性之模擬。
  5. 一種運算裝置之步距計算方法，用以計算一使用者行走的步距，該運算裝置供使用者配掛於身上，該步距計算方法包含有下列步驟：A、取得該使用者的一腿部長度；B、取得該使用者跨步時之一垂直加速度值；C、對該垂直加速度值進行雙重積分運算，獲得該使用者跨步時的一垂直位移量；以及D、依據該腿部長度及該垂直位移量計算該步距；其中，在步驟C中包含偵測該使用者為站立姿態跨出步伐，或由行走姿態恢復站立姿態時，對該垂直加速度值進行積分運算獲得該使用者跨步的一垂直速度值，再對該垂直速度值的絕對值進行積分運算，獲得該垂直位移量；其中，該運算裝置包含有一加速度計，該垂直加速度值係由該加速度計測得，該運算裝置於一最低位置時，令該垂直速度值為零；其中，該運算裝置於該最低位置時，令該垂直速度值為零之方式為簡諧運動特性之模擬。
  6. 一種運算裝置之步距計算方法，用以計算一使用者行走的步距，該運算裝置供使用者配掛於身上，該步距計算方法包含有下列步驟：A、取得該使用者的一腿部長度； B、取得該使用者跨步時之一垂直加速度值；C、對該垂直加速度值進行雙重積分運算，獲得該使用者跨步時的一垂直位移量；以及D、依據該腿部長度及該垂直位移量計算該步距；其中，在步驟D中，該步距的計算公式為，其中，D為該步距，L為該腿部長度，h為該垂直位移量。
  7. 如請求項6所述之運算裝置之步距計算方法，其中該運算裝置包含有一陀螺儀，在步驟D之後更包括透過該陀螺儀測得該使用者於一平面上的一轉動角度，依據該轉動角度與該步距計算該使用者於該平面上的一X座標與一Y座標。
  8. 如請求項7所述之運算裝置之步距計算方法，其中該X座標的計算公式為X n =X n -1 +D ×cosθ ，其中，Xn 為目前之X座標，Xn-1 為前次計算之X座標，D為該步距，θ 為該轉動角度，若為第一步則Xn-1 =0；該Y座標的計算公式為Y n =Y n -1 +D ×sinθ ，其中，Yn 為目前之Y座標，Yn-1 為前次計算之Y座標，若為第一步則Yn-1 =0。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10222208B2 (en) * 2013-12-27 2019-03-05 Intel Corporation Apparatus, system and method of estimating an orientation of a mobile device
US9387588B1 (en) 2014-08-25 2016-07-12 Google Inc. Handling gait disturbances with asynchronous timing
US9618937B1 (en) 2014-08-25 2017-04-11 Google Inc. Slip detection using robotic limbs
US10081098B1 (en) 2014-08-25 2018-09-25 Boston Dynamics, Inc. Generalized coordinate surrogates for integrated estimation and control
US9446518B1 (en) * 2014-11-11 2016-09-20 Google Inc. Leg collision avoidance in a robotic device
US9499218B1 (en) 2014-12-30 2016-11-22 Google Inc. Mechanically-timed footsteps for a robotic device
US9594377B1 (en) * 2015-05-12 2017-03-14 Google Inc. Auto-height swing adjustment
US9586316B1 (en) 2015-09-15 2017-03-07 Google Inc. Determination of robotic step path
US9789919B1 (en) 2016-03-22 2017-10-17 Google Inc. Mitigating sensor noise in legged robots
CN107782302B (zh) * 2016-08-26 2023-08-18 深迪半导体(绍兴)有限公司 一种基于下肢运动实现定位的方法、装置及系统
CN109115207B (zh) 2017-06-23 2021-06-04 北京方位捷讯科技有限公司 行人步行轨迹检测方法、装置及系统
CN110866419A (zh) * 2018-08-28 2020-03-06 北京嘀嘀无限科技发展有限公司 一种步长确定方法、系统及计算机可读存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1818569A (zh) * 2005-11-16 2006-08-16 中国科学院合肥物质科学研究院 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统
TW201023169A (en) * 2008-09-26 2010-06-16 Microsoft Corp Compensating for anticipated movement of a device
TW201224459A (en) * 2010-12-06 2012-06-16 Inst Information Industry Human motion identification and locating method
CN202304842U (zh) * 2011-07-01 2012-07-04 微迈森惯性技术开发（北京）有限公司 一种步行定位设备

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5583776A (en) * 1995-03-16 1996-12-10 Point Research Corporation Dead reckoning navigational system using accelerometer to measure foot impacts
AU6943698A (en) * 1997-03-31 1998-10-22 Telecom Medical, Inc. Patient monitoring apparatus
US5976083A (en) * 1997-07-30 1999-11-02 Living Systems, Inc. Portable aerobic fitness monitor for walking and running
KR100905397B1 (ko) * 2008-03-25 2009-06-30 한국표준과학연구원 주기적 회전진동을 이용한 동적 발란싱 장치 및 방법
GB2467514A (en) * 2008-12-23 2010-08-04 Univ Oxford Brookes Gait monitor for sensing vertical displacement
US7873849B2 (en) * 2009-09-02 2011-01-18 Apple Inc. Motion sensor data processing using various power management modes

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1818569A (zh) * 2005-11-16 2006-08-16 中国科学院合肥物质科学研究院 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统
TW201023169A (en) * 2008-09-26 2010-06-16 Microsoft Corp Compensating for anticipated movement of a device
TW201224459A (en) * 2010-12-06 2012-06-16 Inst Information Industry Human motion identification and locating method
CN202304842U (zh) * 2011-07-01 2012-07-04 微迈森惯性技术开发（北京）有限公司 一种步行定位设备

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