確定設備與行人之間的未對準的方法和裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關申請
[0002] 本申請要求美國臨時專利申請No. 61/754, 863的權益，該申請在此通過引用結 合。
技術領域
[0003] 本公開涉及用于確定設備和行人之間的未對準的方法和裝置，其中行人能夠以受 約束或不受約束的方式沿不同取向攜帶、保持或使用該設備。
【背景技術】
[0004] 平臺的慣性導航是基于通過設備的慣性傳感器（例如，加速度計，陀螺儀）所 測量的比力（specificforce)與角速率的積分，該設備包含傳感器并定位在支持運動 (motion-capable)的平臺內。。在傳統系統中，該設備拴系到平臺。來自設備的測量可被用 于確定設備和/或平臺的位置、速度和姿態。
[0005] 平臺內的慣性傳感器的對準（S卩，包含傳感器的設備與平臺的前向、橫向和垂直 軸的對準）通常是傳統的慣性導航系統所需的。在慣性傳感器未適當對準的地方，使用來 自慣性傳感器的測量所計算的位置和姿態將不能代表平臺的狀態。由此，為了獲得高準確 度的導航解決方案，慣性傳感器必須拴系在平臺內并且需要將設備仔細地手動安裝在平臺 內。
[0006] 然而，不論在平臺（諸如例如人、車輛或任何類型的船只）內受約束還是不受約 束，便攜式導航設備（或支持導航的（navigation-capable)設備）都能夠移動，所以將設 備仔細安裝或拴系到平臺不是選項。
[0007] 現有便攜式導航設備（或支持導航的設備）不能獲得平臺的準確姿態和位置，除 非已知下列三個條件中的至少一個：
[0008] 1)設備和平臺的絕對姿態角；
[0009] 2)設備的絕對姿態角以及設備與平臺之間的未對準；
[0010] 3)平臺的絕對姿態角以及設備與平臺之間的未對準。
[0011] 由于第一上述選項至少需要兩個傳感器組件，一個在設備上且一個在平臺上，因 而了解未對準是啟用便攜式導航設備而沒有先前提到的約束的關鍵因素。
[0012] 隨著支持導航的設備（例如，移動電話/智能電話）變得越來越流行，它們可以配 備輔助全球定位系統（AGPS)芯片組，該輔助全球定位系統（AGPS)芯片組具有即使在沒有 到衛星信號的清晰視線的環境中也能夠提供平臺（例如，用戶）的絕對定位的高靈敏度能 力。在單獨的AGPS信息不夠的環境中，諸如在室內深處或在挑戰性的市中心區導航或定位 中，一種可能的解決方案是結合手機信號塔（celltower)識別，或如果可能的話，結合用于 定位的手機信號塔的三邊測量（其中AGPS解決方案是不可用的）。盡管這兩種已知的定位 方法可用在很多移動設備中，但準確的室內定位仍提出挑戰并且未能滿足當前基于位置的 服務（LBS)的準確度要求。此外，這些方法僅可提供平臺的絕對航向（heading)而沒有關 于設備的航向的任何信息。
[0013] 支持導航的移動設備（例如，移動/智能電話）可配備有主要用于屏幕控制和娛 樂應用的微機電系統（MEMS)傳感器。這些傳感器由于非常高的噪聲、大的隨機漂移率以及 設備相對于平臺的頻繁改變的取向而還沒有被廣泛用于導航目的。
[0014] 移動設備還可配備有磁力計，并且在某些情況下，已表明如果用戶足夠小心保持 設備相對于其身體的特定取向（諸如當在校準磁力計之后小心保持在用戶前面時），使用 加速度計和磁力計的導航解決方案也許是可能的。
[0015] 然而，需要提供以下導航解決方案的方法，該導航解決方案能夠準確地利用來自 平臺內的支持導航的設備的測量，并且藉此確定設備/平臺的導航狀態而沒有對平臺（即， 在室內或室外環境中）或平臺內的設備的移動性的任何約束。平臺的位置和姿態的估計應 獨立于設備的使用（例如，用戶在導航期間保持或移動設備的方式）。所需的方法應允許設 備以任何取向傾斜同時仍提供無縫的導航信息而沒有性能的退化。
[0016] 除了上面提到的便攜式設備的應用（該應用包括完整的導航解決方案，包括位 置、速度和姿態、或位置和姿態）之外，還有其它應用（其可包括估計完整的導航解決方案、 或僅姿態解決方案或姿態和速度解決方案），其中所需的方法旨在提高用戶體驗和可用性， 并且可應用于許多場景，諸如例如：
[0017] 視頻游戲設備；
[0018] 增強現實設備；或
[0019]腕表。
[0020] 文獻中可用的某些技術僅能夠基于設備的離散使用情況分類來計算未對準角的 僅離散值或預定值。這限制它們用于這些離散使用情況，并且即使當使用所支持的使用情 況之一時，準確度也會惡化，如果真實的未對準值與分配給經分類的使用情況的離散未對 準值有點不同（后者在真實生活場景中可大量發生）。
[0021] 為了解決設備和行人之間的未對準確定的這個關鍵問題，文獻中的以往方法使用 主分量分析（PCA)來獲得運動軸的方向（S卩，具有180度的不確定性（ambiguity)的向 前-向后運動方向的軸）。這意味著，單獨的PCA不能從向后方向中檢測出向前方向。使 用PCA來獲得運動的軸的方向背后的基本原理是，加速度矢量的變化沿人體的橫向軸最小 并且沿人體的前向軸最大。基于該理論，可估計設備相對于用戶運動的運動軸，但具有如以 上所解釋的180度的不確定性。在某篇以往文獻中，運動的方向的180度不確定性問題是 基于以下想法來解決的，即，對投影的水平加速度執行PCA以得到運動的方向并且對該分 量的積分被用于確定哪個方向是前面（通向正面）。然而，這種方法是為口袋中的設備而開 發的并且不適合于所有其它設備取向。該文獻中用于解決180度不確定性并確定向前方向 的另一方法是通過測試在向前-向后方向上的運動信號中的加速度峰值處的垂直加速度 的斜率是否增加；如果是這樣的話，則運動軸的方向是向前的，否則其是向后的。這種技術 不能正確工作于所有設備使用和取向。
[0022] 由此，需要解決180度不確定性并能夠工作于相對于行人的任何設備使用或取向 以及不同人的步態和速度的方法和裝置。
【發明內容】
[0023] 本公開涉及用于確定設備和行人之間的未對準的方法和裝置，其中行人能夠以受 約束或不受約束的方式沿不同取向攜帶、保持或使用該設備，并且其中該設備包括傳感器 組件。設備中的傳感器可以是例如加速度計、陀螺儀、磁力計、氣壓計以及其它。這些傳感器 具有傳感器的軸的對應坐標系（frame)。設備和行人之間的未對準對應于設備中的傳感器 組件的坐標系與行人的坐標系之間的未對準。不論存在還是不存在導航信息更新（諸如， 例如，全球導航衛星系統（GNSS)或WiFi定位），本方法和裝置都可以工作。
[0024] 本方法和裝置可工作于（workwith)具有其不同步態和速度的各種類型的步行 者。其可工作于緩慢行走、正常行走或快速行走。而且，其可工作于具有其不同步態和速度 的各種類型的跑步者。
[0025] 本方法和裝置可工作于相對于行人的不同設備使用和取向。出于本說明書的目 的，設備的不同使用和取向被定義為"設備使用情況"。這些使用情況可包括，例如：（i)手 持，具有所有不同的可能取向，包括羅盤、發短信縱向、發短信橫向或任何任意取向（包括 任何橫搖、縱搖和航向）；
[0026] (ii)手懸擺（也被稱為手擺動），處于不論水平還是垂直的任意取向上以及處于 各種類型的懸擺，包括非常輕擺動、輕擺動、正常擺動或強烈擺動；（iii)褲子口袋，不管是 前面的、側面的或后面的，具有任何類型（緊身口袋、寬松口袋等）并具有包括例如水平、垂 直或以任何姿勢傾斜的任何設備取向；（iv)帶，這意味著在具有任何類型、在帶周圍的任 意位置上的任何帶扣中，并且具有帶扣的任何取向，例如水平、垂直或以任何姿勢傾斜；(V) 耳朵，這意味著行人將設備保持在其耳朵上或附近，以用于在包括水平、垂直或傾斜的任何 取向上聽/說；(vi)襯衫口袋，具有任何設備取向或傾斜，例如水平、垂直或以任何姿勢傾 斜；
[0027] (Vii)夾克/西服口袋（不論側面口袋/胸部口袋/內口袋），具有任何設備取 向或傾斜，例如水平、垂直或以任何姿勢傾斜；(viii)胸部裝配或背部裝配，這意味著設備 以任何取向或傾斜（例如，水平、垂直或以任何姿勢傾斜）處于胸部裝配或背部裝配中，并 且這樣的裝配的示例是用于士兵、警察、消防員等示例的裝配；（ix)拴系或松弛的背包，具 有任何設備取向或傾斜，例如水平、垂直或以任何姿勢傾斜；(X)電腦包，不論設備是栓系 還是松弛的，具有任何設備取向或傾斜，例如水平、垂直或以任何姿勢傾斜；(Xi)錢包，不 論設備是拴系還是松弛的，具有任何設備取向或傾斜，例如水平、垂直或以任何姿勢傾斜； (Xii)以任何取向（包括水平、垂直或傾斜）在手腕上（諸如例如智能手表）；(Xiii)頭戴 式（諸如，智能眼鏡、智能護目鏡、耳戴式系統、頭盔系統或任何其它種類的頭戴式系統）； (Xiv)與處于任一以上使用情況中或以任何設備取向或傾斜（例如水平、垂直或以任何姿 勢傾斜）拴系到身體的任何部位的設備一起跑，某些示例是腿、臂、手腕、胸部裝配、口袋或 任何攜帶方式。在所有設備使用和取向中，本方法可工作于設備的任何橫搖、縱搖和方位 (航向）角。
[0028] 本方法和裝置可被用于計算覆蓋整個未對準空間的連續未對準角，而不只是基于 設備的使用情況分類的這種角的離散值或預定值。
[0029] 本方法和裝置使用加速度計讀數來確定未對準角。本方法和裝置可被用于以等于 或小于加速度計讀數的速率的速率給出輸出。在一個實施例中，本方法可對緩沖的讀數進 行操作，而在另一實施例中，本方法可對瞬時讀數進行操作并且僅自動地緩沖該方法的對 應步驟中的所需的量。首先，使用橫搖值和縱搖值來分級（level)所接收的加速度計讀數。 在加速度計的讀數被分級后，可從經分級的垂直加速度計數據中移除重力值以給出垂直加 速度分量。在分級之后，水平加速度分量是用于獲得輸入數據域中的最大可能方差的技術 的輸入參數。在一個實施例中，被用于獲得最大可能方差的技術是PCA技術。兩個水平加 速度緩沖器（buffer)被饋送至PCA，該PCA可生成兩個水平分量緩沖器的主分量。可基于 所返回的值來計算沿軌（along-track)角。然而，該沿軌角具有180度不確定性，S卩，其可 以是未對準角的向前方向或向后方向。為了得到運動方向，即，為了解決180度不確定性的 問題并確定運動方向是向前還是向后，基于沿軌角（不管其是正確的沿軌角還是180反向 的沿軌角）的變換可被應用于經分級的水平分量。此運算可將經分級的水平加速度分量變 換成沿軌加速度分量和側軌（或橫向方向）加速度分量。沿軌加速度分量和垂直加速度分 量可被緩沖達預定持續時間。
[0030] 為了解決沿軌角的180度不確定性并計算正確的未對準角，可使用不同的數據緩 沖器：沿軌加速度分量緩沖器、跨軌（cross-track)加速度分量緩沖器、垂直加速度分量 緩沖器、水平加速度大小緩沖器以及3D加速度大小緩沖器。在某些實施例中，低通濾波器 (LPF)可被應用于這些緩沖器以使經緩沖的信號平滑。沿軌緩沖器和垂直緩沖器中的加速 度信號中的模式可基于設備使用情況而具有不同性質。用于確定或分類設備使用情況的技 術可在沿軌緩沖器和垂直緩沖器上運行。基于使用情況確定例程的結果并且可能地還基于 設備類型（例如，智能手機、平板電腦、智能手表或頭戴式/智能眼鏡），不同技術可被用于 解決180度不確定性并校正沿軌角以給出正確的未對準角。如果180度不確定性的解決失 敗，則該方法在當前迭代處（即，加速度計讀數的當前樣本）的結果可以是"無決定"，這意 味著該方法不能提供正確的未對準角。
[0031] 在某些實施例中，可使用在主方法給出"無決定"輸出的情況下給出未對準角 輸出的可選例程；這種可選例程可以是基于下列中的任一個或任何組合的歷史：（i)沿 軌角的緩沖的歷史，（ii)經校正的未對準角的緩沖的歷史，（iii) 180度消除不確定性 (disambiguity)解決結果的輸出的緩沖的歷史，（iv)橫搖角和縱搖角的緩沖的歷史，（V) 方位（航向）角的緩沖的歷史。
[0032] 在某些實施例中，可使用用于增強未對準角計算的可選例程，這樣的可選例程可 以是基于下列中的任一個或任何組合的歷史：（i)沿軌角的緩沖的歷史，（ii)經校正的未 對準角的緩沖的歷史，（iii) 180度消除不確定性解決結果的輸出的緩沖的歷史，（iv)橫搖 角和縱搖角的緩沖的歷史，（V)方位（航向）角的緩沖的歷史。在其它實施例中，此例程可 依賴于對緩沖的量的以上列表中的任一個或任何組合的平滑、平均或對于本領域技術人員 來說已知的任何類型的過濾或其任何組合。
[0033] 在某些實施例中，可使用計算所計算出的未對準角的標準差的可選例程。
[0034] 在某些實施例中，可使用當絕對導航信息（諸如例如GNSS或WiFi，以及其它）可 用且能夠計算行人航向時用于增強本方法的未對準角計算的可選例程。
[0035] 在某些實施例中，可使用以上提到的可選例程中的任一個或任何組合。
[0036] 廣泛地說，在某些實施例中，提供了一種用于確定設備和行人之間的未對準的方 法，其中該設備包括三軸加速度計，該方法包括以下步驟：a)通過將三軸加速度計讀數變 換成經分級的垂直加速度計讀數分量以及第一和第二水平加速度分量來從三軸加速度計 的讀數計算多個經分級的加速度計讀數；b)從經分級的垂直加速度計讀數分量中生成垂 直加速度分量；c)通過對第一和第二水平加速度分量應用最大可能方差技術來計算沿軌 角；
[0037]d)確定該設備的使用情況；e)基于該使用情況來檢測該沿軌角中的180度誤差是 否存在；以及f)從該沿軌角以及如果存在的話，180度誤差計算未對準角。
[0038] 在替代實施例中，提供了一種用于確定設備和行人之間的未對準的方法，其中該 設備包括三軸加速度計，該方法包括以下步驟：a)通過將三軸加速度計讀數變換成經分級 的垂直加速度計讀數分量以及第一和第二水平加速度分量來從三軸加速度計的讀數計算 多個經分級的加速度計讀數；b)從經分級的垂直加速度計讀數分量中生成垂直加速度分 量；c)對第一和第二水平加速度分量應用主分量分析；d)使用主分量分析的輸出來計算沿 軌角；e)使用該沿軌角來變換水平加速度分量以生成沿軌加速度分量和跨軌加速度分量； f)確定該設備的使用情況；g)基于該使