一种步行定位方法与设备

摘要

本发明提供了一种步行定位方法。该方法包括：在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，局部坐标系为运动参考坐标系；在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据，根据姿态数据将加速度转换到全局坐标系，全局坐标系为定参坐标系；对在起步到落步时间段内的转换到全局坐标系的加速度进行积分运算得到每步的位移量；根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。本发明还提供了一种步行定位设备。本发明的人体步行的步幅是实际的步伐长度，通过航向数据即可得到更加精确的人体定位，较好地解决了现有技术的技术问题。

权利要求

1.一种步行定位方法，其特征在于，该方法包括：

在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准；

在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据，根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系，所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准；

对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算以得到每步的位移量；

根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部坐标系为以人体脚端质心为坐标原点，以垂直人体步行方向且指向右侧的方向为X轴，以人的步行方向为Y轴，以垂直OXY平面指向上方的方向为Z轴的坐标系；所述全局坐标系为以人的步行起点为坐标原点，以水平指向东为X轴，以水平指向北为Y轴，以垂直地面指向天顶为Z轴的坐标系；所述姿态数据包括人体脚端运动的俯仰角和横滚角，则：所述将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系通过将所述测量的加速度与旋转矩阵相乘实现转换，所述旋转矩阵为：式中θ、分别为人体脚端运动的俯仰角和横滚角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系之前，所述方法进一步包括：将重力加速度转换到所述局部坐标系；

用所述测量的加速度减去所述转换到局部坐标系的重力加速度得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算以得到位移量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述起步到落步时间段的判定步骤包括：测量人体脚端运动的角速度，判断所述角速度是否等于预设阀值，如果是，则将步行姿态判定为起步或落步，该起步或落步所在时刻作为起步到落步时间段的起点或终点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在对加速度进行积分运算以得到每步位移量的步骤包括：对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累计速度，该速度为剩余速度；

将所述剩余速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，以便在下一个积分循环时，用由加速度进行积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程；

对上述减去速度平均误差后的结果进行积分运算以得到每步位移量。

6.一种步行定位设备，其特征在于，该设备包括：加速度测量模块、姿态数据测量模块、坐标转换模块、积分运算模块和步行轨迹获取模块，其中：所述加速度测量模块，用于在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准；

所述姿态数据测量模块，用于在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据；

所述坐标转换模块，用于根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系，所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准；

所述积分运算模块，用于对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算以得到每步的位移量；

所述步行轨迹获取模块，用于根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括加速度修正模块，则：所述坐标转换模块还用于将重力加速度转换到所述局部坐标系；所述加速度修正模块用于在将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系之前，调用所述坐标转换模块将重力加速度转换到所述局部坐标系，并用所述测量的加速度减去所述转换到局部坐标系的重力加速度得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算以得到位移量。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述积分运算模块包括步态判断子模块和积分运算子模块，所述步态包括起步、移步和落步状态，则：所述姿态数据测量模块还用于测量人体脚端运动的角速度；所述步态判断子模块调用所述姿态数据测量模块得到人体脚端的角速度后，判断所述角速度是否等于预设阀值，如果是，则将步行姿态判定为起步或落步，并停止调用积分运算子模块对加速度进行积分运算；如果否，则将步态判定为移步，并调用积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到每步位移量。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述积分运算模块进一步包括误差消除子模块，该误差消除子模块用于调用积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累积速度，该速度为剩余速度；将所述剩余速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，在下一个积分循环时用由加速度进行每次积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，以便积分运算子模块对该减去速度平均误差后的结果进行积分运算得到每步位移量；所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程。

说明书

一种步行定位方法与设备

技术领域

[0001] 本发明涉及微机械(MEMS)定位领域，尤其涉及一种步行定位方法与设备。

背景技术

[0002] 随着定位技术的发展，人身定位的应用越来越广泛。提及目标物体的定位，人们通常想到的是GPS定位技术，但是除军用GPS定位的精度较高外，民用GPS定位往往误差范围较大，不能满足实际应用需要。此外，GPS定位依赖于卫星信号，在诸如矿井、隧道、地下室等处卫星信号较差，GPS几乎不能发挥作用，阻碍了定位技术的广泛应用。正是由于GPS存在这些缺点，市场上出现了一些辅助定位技术，如使用D-GPS、手机信号、WiFi、Zigbee、RFID以及UWB等辅助信号进行定位，然而，这些方式的主要缺点在于：需要耗费巨资安装大量的辅助基础设施，定位效果因基础设施的安装位置、建筑结构的不同而存在差异。目前，一种简易方便、成本低廉的人身定位技术是采用电子计步器，该设备内部安装有加速度计和类似指南针的航向仪器，加速度计用于根据人步行前进过程中起步与落步的加速度变化测量人行走的步数，然后将事先获知的平均步幅作为固定输入计算出每步的位移变化，再结合航向仪器的航向数据得出人的步行轨迹，从而实现定位。但是，这种方法每次输入的步伐长度(步幅)相对固定，而实际上步幅大小因人而异、因时不同，即使同一个人在不同的状态下的步幅也可能不一样，因而使用该技术无法实现人身的精确定位。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种步行定位的方法与设备，利用加速度与位移之间的物理关系，在测得加速度后对加速度值进行积分运算求得每步的位移，再结合航向数据以实现人身的精确定位。

[0004] 本发明提供的步行定位的方法包括：

[0005] 在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准；

[0006] 在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据，根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系，所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准；

[0007] 对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算以得到每步的位移量；

[0008] 根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。

[0009] 优选地，所述局部坐标系为以人体脚端质心为坐标原点，以垂直人体步行方向且指向右侧的方向为X轴，以人的步行方向为Y轴，以垂直OXY平面指向上方的方向为Z轴的坐标系；所述全局坐标系为以人的步行起点为坐标原点，以水平指向东为X轴，以水平指向北为Y轴，以垂直地面指向天顶为Z轴的坐标系；所述姿态数据包括人体脚端运动的俯仰角和横滚角，则：所述将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系通过将所述测量的加速度与旋转矩阵相乘实现转换，所述旋转矩阵为：

[0010]

[0011] 式中θ、分别为人体脚端运动的俯仰角和横滚角。

[0012] 优选地，在将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系之前，所述方法进一步包括：

[0013] 将重力加速度转换到所述局部坐标系；

[0014] 用所述测量的加速度减去所述转换到局部坐标系的重力加速度得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算以得到位移量。

[0015] 优选地，所述起步到落步时间段的判定步骤包括：

[0016] 测量人体脚端运动的角速度，判断所述角速度是否等于预设阀值，如果是，则将步行姿态判定为起步或落步，该起步或落步所在时刻作为起步到落步时间段的起点或终点。

[0017] 进一步优选地，对加速度进行积分运算以得到每步位移量的步骤包括：

[0018] 对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累计速度，该速度为剩余速度；

[0019] 将所述剩余速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，以便在下一个积分循环时，用由测量的加速度进行积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程；

[0020] 对上述减去速度平均误差后的结果进行积分运算以得到每步位移量。

[0021] 本发明还提供了一种步行定位设备，该设备包括：

[0022] 加速度测量模块、姿态数据测量模块、坐标转换模块、积分运算模块和步行轨迹获取模块，其中：

[0023] 所述加速度测量模块，用于在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准；

[0024] 所述姿态数据测量模块，用于在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据；

[0025] 所述坐标转换模块，用于根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系，所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准；

[0026] 所述积分运算模块，用于对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算以得到每步的位移量；

[0027] 所述步行轨迹获取模块，用于根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取人体步行轨迹以实现人体定位。

[0028] 优选地，所述设备进一步包括加速度修正模块，则：所述坐标转换模块还用于将重力加速度转换到所述局部坐标系；所述加速度修正模块用于在将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系之前，调用所述坐标转换模块将重力加速度转换到所述局部坐标系，并用所述测量的加速度减去所述转换到局部坐标系的重力加速度得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算以得到位移量。

[0029] 优选地，所述积分运算模块包括步态判断子模块和积分运算子模块，所述步态包括起步、移步和落步状态，则：所述姿态数据测量模块还用于测量人体脚端运动的角速度；所述步态判断子模块调用所述姿态数据测量模块得到人体脚端的角速度后，判断所述角速度是否等于预设阀值内，如果是，则将步姿判定为起步或落步，并停止调用积分运算子模块对加速度进行积分运算；如果否，则将步态判定为移步，并调用积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到每步位移量。

[0030] 进一步优选地，所述设备进一步包括误差消除子模块，该误差消除子模块用于调用积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累积速度，该速度为剩余速度；将所述剩余速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，在下一个积分循环时用由加速度进行每次积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，以便积分运算子模块对该减去速度平均误差后的结果进行积分运算以得到每步位移量；所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程。

[0031] 本发明通过测量人体步行过程中的加速度，并在全局坐标系中对该加速度进行积分运算，从而得到每步的位移量，然后结合人体脚端的姿态航向数据得到人体步行的运动轨迹，从而实现人体步行定位。与现有技术相比，本发明的人体步行的步幅不再是固定值，而是实际的步伐长度，通过航向数据即可得到更加精确的人体定位，较好地解决了现有技术的技术问题。

附图说明

[0032] 图1为本发明的方法实施例一的流程图；

[0033] 图2为本发明的方法实施例二的参考坐标系示意图；

[0034] 图3为本发明的方法实施例三的流程图；

[0035] 图4为本发明的方法实施例三的测量的加速度修正示意图；

[0036] 图5为本发明的方法实施例四的步态判断的示意图；

[0037] 图6为本发明的设备实施例六的组成框图。

具体实施方式

[0038] 本发明的主要思想是：将局部坐标系下测得的人体脚端运动的加速度转换到全局坐标系中，通过对转换到全局坐标系下的加速度进行积分运算得到步行位移量，并结合人体脚端的航向数据获取人的步行轨迹，从而实现人身定位。

[0039] 为使本领域技术人员能进一步了解本发明的特征及技术内容，下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。

[0040] 实施例一

[0041] 当一个人通过步行方式从一个已知起点变动到某个终点时，如果要实现人体定位，则至少应当知道人体移动的位移量和移动的方向，根据这两个数据即可描述出人体的运动轨迹，从而实现人身定位。如前所述，通过用移动的步数乘以平均步幅得到位移量，实现定位的方法，其技术效果因人而异、因时而异，不能准确地定位人体的运动轨迹。本发明的实施例给出了一种人体步行定位的方法有效解决了上述技术问题。参见附图1，该方法包括：

[0042] 步骤S101：在局部坐标系中测量人体脚端运动的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准。

[0043] 实现人体定位，首先需要选好坐标系，坐标系是刻画和描述目标物体状态的平台，尽管如何具体地选取坐标系并不改变目标物的运动状态，但适当的选取坐标系有利于直观、快速、方便地实现物体定位。一般而言，描述物体的运动轨迹需要选取两个坐标系，一个是定参坐标系，一个是运动参考坐标系，前者相对于观察者静止，用于呈现运动物体的运动轨迹；后者相对于运动物体本身静止，即该坐标系固着在运动物体上，运动坐标系相对于定参坐标系的变化即是运动物体的运动轨迹。选好坐标系后，进行数据测量与收集需要将测量仪器放置在适当位置，由于人体步行时最能体现人的位移变化的是人的脚部，因此测量仪器可以设置在鞋上或者绑定在人的脚端上，对于放置在脚端的具体什么位置本发明的实施例并不作特殊限定，这可以根据实际情况灵活处理。

[0044] 步骤S102：在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据，根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系，所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准。

[0045] 人步行过程中，脚端的姿态并不固定，可能忽儿上忽儿下，由此在全局坐标系中形成俯仰角，该俯仰角是局部坐标系绕着全局坐标系转动形成的夹角，也可能发生左右倾斜滚动从而形成横滚角，还可能左右摇摆导致航向发生变化，因此，人的脚步姿态可通过上述三个角度值进行刻画，在进行测量时可使用角速度仪进行测量，最常见的角速度仪器是陀螺仪；通过陀螺仪测量得到的姿态数据是用于实现第一加速度由局部坐标系到全局坐标系的转换，脚部的不同姿态使得局部坐标系到全局坐标系的每个时刻的具体转换度量不同，但通常这种转换可通过转移矩阵实现，由于人行走时步行向前，两种坐标系之间的转换关系主要取决于俯仰角和横滚角，而脚端运动的航向角在一个跨步中的变化近乎可以忽略，因此，转移矩阵主要是关于俯仰角与横滚角的一个矩阵。

[0046] 步骤S103：对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算得到每步的位移量。

[0047] 人的一个步行过程可行划分为三个步态：起步、移步和落步，各阶段的加速度变化不同，从起步到移步阶段，速度由零迅速增加，加速度骤然变大，在平移步子阶段速度平缓，加速度变化较小，从移步到落步阶段，加速度又发生急剧变化。由于不同阶段不同时刻加速度的数值不同，因此求算一个步伐的位移量需要分阶段进行积分，积分的时间间隔划分越小，结果越准确，积分间隔越大，结果越粗略，积分间隔取决于采样频率，加速度测量仪器测量加速度的频率越高，采样间隔越小，积分间隔就越小，由此可见，如果需要提高精度，可以增加采样频率；由测量得到的加速度进行一次积分运算可得到速度，再进行一次积分即可得到位移量，由于均是对时间进行线性积分，因此也可直接对加速度进行二重积分以得到位移量；用公式表示上述积分过程为：

[0048]

[0049] 式中Sj第j步的位移量，ai是积分区段[ti-1，ti]内的加速度，n为从起步时刻点T0到落步时刻点Tn的一个积分循环内的积分总次数。

[0050] 步骤S104：根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取步行轨迹以实现人体定位。

[0051] 人的运动轨迹是由每步的位移组成，通过上述步骤得到各步骤位移后，再结合测量人体脚端的姿态数据时测得的航向角，即可获得人体步行的轨迹，从而在已知起点基础上加上步行轨迹即可得到人运动到的终点位置的坐标，由此实现人身定位。

[0052] 本实施例在局部坐标系中测量人体步行过程中的加速度，然后将该加速度转换到全局坐标系中，并在全局坐标系中对该加速度进行二重积分运算，从而得到每步的位移量，然后结合人体脚端的姿态航向数据得到人体步行的运动轨迹，从而实现人体步行定位。与现有技术相比，本实施例的人体步行的步幅不再是固定值，而是实际的步伐长度，通过航向数据即可得到更加精确的描述人的运动轨迹，较好地解决了现有技术的技术问题。

[0053] 实施例二

[0054] 上述实施例中已经提及坐标系的选取虽然不能改变人体步行的轨迹，但是，适当选取坐标系可以起到方便观测、简化计算、提高效率的作用。本实施例优选按照下述的方法建立坐标系，参见附图2。

[0055] 局部坐标系固着在人体脚部，该坐标系的坐标原点为人体脚端质心，以垂直人的步行方向且指向右侧的方向为X轴，以人的步行方向为Y轴，以垂直OXY平面指向上方的方向为Z轴的坐标系；全局坐标系以人的步行起点为坐标原点，以水平指向东为X轴，以水平指向北为Y轴，以垂直地面指向天顶为Z轴的坐标系。

[0056] 实际上坐标系的选择还可以有其他多种方式，比如局部坐标系的坐标原点不一定必须在人体脚端质心，还可以是其他位置点，甚至可以设置在鞋的某一部位，由于这些点均能代表人体步伐的运动状态，因而如何选取坐标原点并不影响本发明的发明目的的实现。同样地，全局坐标系的坐标原点也不限于以步行者的步行起点为原点，还可以设置在其他便于观察者观察的点上，只要事先预知人体步行起点的坐标值，在得到位移量和航向数据后仍能计算出人体终点所在位置的坐标值，从而实现定位。

[0057] 按照本实施例建立附图2所示的坐标系后，两个坐标系的转换关系即固定下来，由于本发明的实施例中测量加速度仪器可以测量三个轴向上的加速度，因此两个坐标系之间的转换可以通过转移矩阵(RGL)作为中介实现。转移矩阵(RGL)按照如下式子定义：

[0058]

[0059] 式中的θ、分别为人体脚端运动的俯仰角和横滚角。

[0060] 当需要将全局坐标系中的物理量转换到局部坐标系中时，用全局坐标系中的量与上述转移矩阵(RGL)相乘即可实现转换；当需要将局部坐标系中的物理量转换到全局坐标T系中时，用局部坐标系中的量与上述转移矩阵的转置(RLG＝RGL)相乘即可实现转换。

[0061] 实施例三

[0062] 上述实施例测量人体脚端运动的加速度时，并没有考虑重力加速度。而实际上，由于重力加速度的普遍存在，设置在脚端的测量仪器所测量的加速度并不能真实反映人体脚端运动的加速度，如果加速度值不准确，由加速度计算出来的位移必然发生偏差，导致不能准确定位人体的终点位置。为了更为精确地实现人体定位，本实施例给出一种消除重力加速度影响的方法。本实施例与实施例一相比，除增加加速度的修正步骤外，其余步骤均相同。参见附图3，本实施例在实施例一的S101和S102步骤之间增加如下所述步骤，其余步骤的序号作相应调整。

[0063] 步骤S302：将重力加速度转换到所述局部坐标系。

[0064] 重力加速度普遍存在，它并不随着人体脚端运动状态的变化而变化，因此，重力加速度是在全局坐标系中的物理量；为了与测量得到的加速度(第一加速度)进行运算，必须将两个物理量置于相同的参考坐标系下，本实施例选择将重力加速度转换到局部坐标系，具体转换方法可采用实施例二所述的方法实现转换。

[0065] 步骤S303：用所述测量的加速度减去所述转换到局部坐标系的重力加速度，得到修正加速度，以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算以得到位移量。

[0066] 测量人体脚端的加速度测量仪器可以测量三个轴向的加速度，上述重力加速度转换到局部坐标系后，也在三个轴向上产生分量，每个轴向上的加速度值是人体脚端的真实加速度值与重力加速度值的叠加，因此，为减小或消除重力加速度的影响，只需用测量加速度在某个轴向上的分量减去重力加速度在该轴向上的分量即可得到真实角速度值。参见附图4，用公式表述如下：

[0067] a′＝a-sinθ×g

[0068] 式中θ为人体脚端的俯仰角，a为加速度测量仪器测的总加速度(测量的加速度)，a′为真实加速度。三个轴向均按照上述方式计算出真实加速度后，将这些加速度值再变换到全局坐标系中进行积分运算。

[0069] 本实施例对加速度测量仪器测得的加速度数值进行了修正，减小或消除了重力加速度的影响，使得积分运算时采用的加速度尽可能真实地反映人体脚端的运动，从而得到更加可靠的位移量以实现人体的准确定位。

[0070] 实施例四

[0071] 人的步行轨迹由每步位移量结合航向数据得到，每步的位移量通过对步行加速度的二重积分得到，一个积分循环的起点是人体处于起步步态之时，终点是人体处于落步步态之时。虽然理论上可以认为人体步伐在起步或落步状态时的速度为零，但在实际应用场合，人在起步或落步时脚端的速度未必为零，这取决于人的行走速度、行走姿态、地面情况等多种因素，比如，人在沙面上行走，由于沙面蓬松稀疏，脚端接触到沙面时脚端的速度不会立即降为零，而是存在一个缓冲过程，如果对这段缓冲过程继续进行积分运算，将导致得到的位移量出现“截余”误差(ΔS)，由此得到的结果不能真实地反映人步行的轨迹。在起步或落步时脚端速度不为零的情况下，应当停止积分运算。为此，需要判断起步和落步的时间界点以控制积分运算的积分起止点。参见附图5，本实施例提供了一种判断起步到落步时间段的方法，只要判断出了步行的姿态，即可明确该时间段的时间起止，从而明确积分运算的区间。该方法包括：

[0072] 测量人体脚端运动的角速度，判断所述角速度是否等于预设阀值，如果是，则将人体步行姿态判定为起步或落步，该起步或落步所在时刻作为起步到落步时间段的起点或终点。

[0073] 判断出起步时刻和落步时刻后，即可明确积分运算的区间，当人体步行姿态处于起步之前或落步之后时，即停止对所述测量的加速度进行二重积分运算以得到位移量；当人体步行姿态处于起步到落步之间的移步时间内，则进行对所述测量的加速度的二重积分运算以得到位移量；人体脚端运动的角速度的获取可通过多种方式得到，一种比较常用的方法是通过前述的陀螺仪进行测量，前面提到陀螺仪可用于测量人体脚端的姿态数据(俯仰角、横滚角、航向角)，实际上，陀螺仪测量得到的最初数据是三个轴向上的瞬时角速度，对该角速度进行积分即得到姿态数据，因此，人体脚端运动的角速度可通过记录陀螺仪测量的瞬时角速度得到；通过该方式获得人体脚端的运动速度后，将该速度与预设阀值进行匹配判断，这里的预设阀值可在考虑人行走的姿态、行走的速度以及路面情况后根据实际进行确定，也可以通过多次试验优化选择得到：连续记录步行时脚端运动的角速度，将记录得到的角速度值绘成角速度曲线，该曲线是波峰、波谷交替的曲线，取曲线处于波谷的角速度值进行平均，该平均值即为预设阀值；为增加预设阀值的准确性和有效性，可以增加步数，比如记录步行10步、100步，甚至更多步子时脚端的角速度，然后求取波谷的平均值作为预设阀值。

[0074] 本实施例中将测量得到的脚端运动的角速度直接用于判断起步落步状态，实际上，除这种情况外，本发明还可以将三个轴向上的角速度值进行一定的运算后用于判断步态，以避免个别速度值本身的不准确。这种数学运算可以是求算术平均数或几何平均数，或者求方差与均方差。

[0075] 本实施例通过检测判断人行走时的起步与落步状态，使得积分的范围更加准确，扣除了落地后产生的惯性速度，有利于更加精确地实现人体定位。

[0076] 实施例五

[0077] 实际应用场合，测量加速度往往采用加速度计，而加速度计本身易受到前行过程的加速度以及人体脚端轻微不规则振动的影响，由此导致加速度计测量的加速度并不准确，这种误差几乎在每个积分循环中都存在，且影响的程度相当。因此，为了消除加速度计的这种“固有”误差，本实施例通过记录第一个积分循环的误差，然后将该误差平摊到积分循环内的每次积分过程，当下一个积分循环每次对测量的加速度进行积分时先减去这种固有误差再进行积分运算，从而实现误差的减小或消除。本实施例提供的减小或消除加速度计这种“固有”误差的方法包括：

[0078] 第一步：对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累计速度，该速度为剩余速度；在上一个实施例中已经叙述如何判断人体步行的姿态，判定该姿态的目的在于决定积分运算求取位移量的起止时间，人体步行姿态从落步时刻开始到下一个步伐的起步时刻之间的时间段内应当停止以求取位移量为目的的积分运算，但是，由于上述测量加速度过程中的“固有”因素以及路面情况等原因，导致落步之后还存在“剩余速度”，该剩余速度可通过在起步到落步时间段内每次对加速度进行一次积分得到的速度累积而成，用公式表示为：

[0079]

[0080] 式中Vj第j步的剩余速度，ai是积分区段[ti-1，ti]内的加速度，n为从起步时刻点T0到落步时刻点Tn的一个积分循环内的积分总次数。

[0081] 第二步：将所述剩余速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，在下一个积分循环时用由加速度进行积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，以便对该减去速度平均误差的结果进行积分运算以得到每步位移量；所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程；用公式表示为：

[0082]

[0083] 式中Sj+1第j+1步的位移量，aj+1，i是j+1步积分循环内在积分区段[ti-1，ti]上的加速度，n为一个积分循环内的积分总次数。

[0084] 本实施例考虑了加速度计测量的准确性问题，通过在一个积分循环内对加速度进行积分得到剩余速度，然后将该剩余速度用于在下一个积分循环过程中对加速度计的积分结果进行修正，从而使得测量的加速计变得准确，减小或消除了累积误差的问题。

[0085] 实施例六

[0086] 前述实施例均是描述本发明方法的实施例，相应地，本发明还提供了一种步行定位设备的实施例。参见附图6，该设备600包括：加速度测量模块601、姿态数据测量模块602、坐标转换模块603、积分运算模块604和步行轨迹获取模块605，其中：加速度测量模块601，用于在局部坐标系中测量人体脚端运动时的加速度，所述局部坐标系为运动参考坐标系，该坐标系与人体脚端相固接，用于作为描述人体脚端运动的基准；姿态数据测量模块602，用于在全局坐标系中测量人体脚端的姿态数据；坐标转换模块603，用于根据所述姿态数据将所述测量的加速度转换到全局坐标系，所述全局坐标系为定参坐标系，用于作为描述人体脚端运动姿态和运动轨迹的基准；积分运算模块604，用于对在起步到落步时间段内转换到全局坐标系的加速度进行积分运算以得到每步的位移量；步行轨迹获取模块
605，用于根据人体脚端的姿态数据中的航向数据和所述每步的位移量获取步行的轨迹以实现人体定位。

[0087] 本实施例的工作过程是：加速度测量模块601在局部坐标系中测量得到加速度，姿态数据测量模块602在全局坐标系中测量得到人体脚端的运动姿态数据，然后调用坐标转换模块603将测量的加速度转换到全局坐标系中，并将该转换后的数据输入到积分运算模块604，由该模块完成对所述测量的加速度的积分运算，从而得到每步的位移量，然后由步行轨迹获取模块605结合姿态数据测量模块602测量得到的航向数据获取步行轨迹以实现人体定位。

[0088] 由于重力加速度的普遍存在，上述实施例中加速度测量模块测量得到的加速度，实际上并不能完全真实地反映人体脚端运动的加速度，因此，为得到人体步行的准确定位，有必要对上述测量得到的加速度值进行修正。由此，本实施例还可以包括加速度修正模块606，该模块用于在将局部坐标系中测量的加速度转换到全局坐标系之前调用所述坐标转换模块将重力加速度转换到所述局部坐标系，并用所述测量的加速度减去所述转换到局部坐标系的重力加速度，得到减小或消除重力后的修正加速度以便将该修正加速度转换到全局坐标系进行积分运算。

[0089] 本实施例中需要对加速度进行二重积分(或两次一次积分)，该积分运算的起点、终点是人体步伐的起步与落步，实际应用场合，起步与落步时速度可能并不为零，仍然有加速度的存在，而此时进行积分运算得出的位移量实际上是多余的，因此，有必要消除这点“位移量”。为实现该目的，本实施例所述的设备的积分运算模块604可以包括步态判断子模块6041和积分运算子模块6042，该模块用于在调用所述姿态数据测量模块得到人体脚端的角速度后，判断所述角速度是否等于预设阀值，如果是，则将步姿判定为起步或落步，并停止调用积分运算子模块对加速度进行积分运算；如果否，则将步态判定为移步，并调用积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到每步位移量。

[0090] 本实施例中测量加速度的加速度仪器往往发生振动，导致加速度计测量的不准确，为此，需要消除加速度计的这种“固有”误差。因此，本实施例的积分运算模块604还可以包括误差消除子模块6043，该误差消除子模块用于调用积分运算子模块对加速度进行积分运算以得到起步到落步时间段内的累积速度，该速度为剩余速度；将所述剩余速度除以一个积分循环内的积分总次数得到速度平均误差，在下一个积分循环时用由加速度进行每次积分运算得到的速度值减去所述速度平均误差，以便积分运算子模块对该减去速度平均误差后的结果进行积分运算以得到每步位移量；所述积分循环为起步到落步时间段内的积分过程。

[0091] 值得注意的是：本发明的上述实施例仅叙述了以人为研究对象的步行定位方法和设备，实际上，本发明的技术方案并不限于在人的范围内适用，对于其他动物，比如猫、狗、狮子等，均可采用本发明实施例所述的方法与设备实现他们的定位。推而广之，只要目标物体(研究对象)是以“交替性”前行的方式运动，本发明均可适用，这里的“交替式”指以“起步-移步-落步-起步-”的循环性移动过程。

[0092] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。