用于改進騎行導航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2013年1月23日提交的美國臨時專利申請No. 61/755, 857的權益， 它通過援引納入于此。
技術領域
[0003] 本公開涉及導航系統和方法，且更具體地涉及騎行平臺的導航解決方案的導航系 統和方法。
【背景技術】
[0004] 平臺的慣性導航通過包含慣性傳感器（例如，加速度計、陀螺儀）的設備基于這些 傳感器測量的特定力和角速度的集成。一般而言，該設備被定位在平臺內并通常拴系到該 平臺。來自該設備的這樣的測量可以用來確定該設備和/或該平臺的位置、速度、以及屬 性。
[0005] 該平臺可以是可能臨時靜止的能夠運動的平臺。平臺的示例中的一些可以是人、 車輛、或任何類型的艦船。在本公開中，如下文所定義的，該平臺是騎行平臺。
[0006] 當今，基于微機電系統（MEMS)的慣性傳感器具有低成本、低功耗、低重量、以及小 尺寸的優點。基于這些特性，MEMS慣性傳感器可與其他運動傳感器（如氣壓計、磁力計）一 起集成在諸如表、護目鏡、鞋、腰帶、智能電話、或定制設備等小型設備中。慣性傳感器是不 依賴于來自外部源的信號傳輸或接收的自包含系統，從而最小化像由各種環境造成的信號 阻塞、干擾、以及多路徑等問題。當被用在導航中時，慣性傳感器提供高數據率加速度和角 速度測量。除了導航之外，低成本MEMS傳感器也可被用在體育中以幫助體育訓練。通過小 尺寸、低功耗以及可負擔的價格的優點，MEMS慣性傳感器使得根據監視優化在體育練習期 間的表現來獲得生物機械、物理或認知信息成為可能。然而，在所有上述應用中，基于MEMS 的慣性傳感器的主要缺陷是依賴于這些傳感器的傳統導航解決方案的性能可隨時間惡化。 因此，采用獨立測量作為經更新的測量來用于降低累積誤差是重要的，因為這些基于MEMS 的傳感器由于傳感器的很大誤差而對于導航目的而言具有非常低質量的性能。因此，MEMS 慣性傳感器不能單獨工作來用于長期導航用途，并且需要來自其他傳感器的輔助（諸如例 如，磁力計和氣壓計）以及來自可提供絕對導航信息的其他基于參考的系統的輔助。
[0007] -個這樣的絕對導航信息的源是全球導航衛星系統（GNSS)，它是通過三角測量技 術來計算用戶的位置和速度的定位系統。換言之，GNSS通過知曉衛星的當前位置和距對象 的對應距離來估計用戶位置。在處于開放天空中時，GNSS可以提供位置和速度的相對準確 的性能。然而，它具有限制其在不具有清晰視線的環境中的實現并可遭受信號降級或完全 阻塞的若干缺點。
[0008] 為了解決上述問題，GNSS已集成了慣性導航系統（INS)。GNSS/INS導航系統已被 廣泛用于各種應用中。然而，在GNSS被降級或阻塞時，基于MEMS的傳感器必須單獨工作并 且傳統定位解決方案將在短時間內降級。基于MEMS的加速度計和陀螺儀中的系統誤差隨 著數學積分運算快速增長，并且導致誤差的累積。
[0009] 除了所有商用INS/GNSS應用常見的且需要針對每一類型的應用的特定過程的上 述問題之外，存在可影響即將到來的應用的附加問題。一般而言，平臺內的慣性傳感器的對 齊（并且與該平臺的前向、橫向以及垂直軸）對慣性導航而言是重要的。如果慣性傳感器 (如加速度計和陀螺儀）沒有與該平臺完全對齊，則使用慣性傳感器的讀數計算得到的位 置和姿態將不代表該平臺。修復平臺內的慣性傳感器因而是提供高準確度導航解決方案的 導航系統的傳統要求。
[0010] 對于有繩系統，用于確保最優導航解決方案的一個已知手段是將慣性傳感器仔細 地手動安裝在平臺內。然而，便攜式導航設備（或具有導航能力的設備）能夠移動，不論是 被約束在還是沒有約束在該平臺內（諸如例如在騎行的人的身體上），所以仔細安裝在平 臺上是非常困難的。
[0011] 如此，存在對以下用于騎行應用的方法和裝置的需求：所述方法和裝置提供能準 確地利用來自設備的測量以確定該設備/平臺的導航狀態，同時降低上述問題的影響的增 強的導航解決方案，而沒有對其中發生騎行的環境（即，室外、室內、城市峽谷、或隧道，以 及其他環境）的任何約束并且還沒有暗示對設備的苛刻約束。該平臺的位置和姿態的估計 必須獨立于該設備的位置（諸如例如，該設備可以在騎行人的背、胸、小腿、臂、大腿、腰帶、 或口袋中）。
[0012] 除了包括包含位置、速度、以及姿態或者位置以及姿態的全導航解決方案的應用 之外，存在可包括只估計姿態的解決方案、姿態以及速度解決方案、或行進距離解決方案 (獨立地或與任何其他所估計的量相組合）的其他應用。在所有這些應用中，存在對以下方 法和裝置的需求：該方法和裝置增強這樣的量的確定以增強騎行應用的用戶體驗、可使用 性、訓練、以及性能分析。
[0013] 歷
[0014] 本公開涉及用于提供騎行應用的增強的導航解決方案的方法和裝置。該導航解決 方案用于騎行平臺內的設備，諸如例如自行車或三輪車。該設備可以處于相對于該平臺的 任何定向（諸如例如在騎行者的身體的任何位置或定向上）。該設備包括傳感器組裝件。 該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，以及其他。傳感器具有用 于傳感器的各軸的對應坐標系。本方法和裝置可被使用而不管是存在還是缺少導航信息更 新（諸如例如GNSS或WiFi定位）。
[0015] 在一些實施例中，本方法和裝置可包括一個設備且可以使用這一設備來提供導航 解決方案的改進。在其他實施例中，本方法和裝置可包括騎行者身體上的不同位置處的一 個以上設備以進一步改進導航解決方案，此外，檢測更多人類運動可幫助進一步改進系統 性能。在具有一個以上設備的情況下，該信息可以在各設備之間傳送（無線地或以有線的 方式）、同步、并彼此共享。
[0016] 在一個實施例中，為了改進騎行導航性能，本方法和裝置使用對踏板輪轉的檢測 并使用這一信息來導出速率和/或每輪轉的行進距離和/或該平臺的行進距離。
[0017] 在另一實施例中，為了改進騎行導航性能，所導出的速率和/或該平臺的每輪轉 的行進距離可被用來獲得騎行定位推算（CDR)解決方案。這一解決方案可被用作或被用來 進一步增強另一導航解決方案的導航性能。
[0018] 在另一實施例中，為了改進騎行導航性能，本方法和裝置使用例程來確定設備與 平臺之間的航向失準角。
[0019] 在另一實施例中，為了改進騎行導航性能，本方法和裝置將所確定的設備與平臺 之間的航向失準角連同該設備的航向一起用來計算平臺的航向并將其用于CDR。
[0020] 在另一實施例中，為了改進騎行導航性能，本方法和裝置使用所確定的設備與平 臺之間的航向失準角來通過對導航解決方案施加運動約束來增強該解決方案。
[0021] 在另一實施例中，為了改進騎行導航性能，本方法和裝置使用例程來確定設備坐 標系（設備的傳感器的坐標系）與平臺坐標系之間的橫搖和縱搖失準角。
[0022] 在另一實施例中，為了改進騎行導航性能，本方法和裝置使用所確定的設備與平 臺之間的橫搖和縱搖失準角來通過對導航解決方案施加運動約束來增強該解決方案。
[0023] 在一些實施例中，本方法和裝置可以由單傳動自行車一起使用。在一些其他實施 例中，本方法和裝置可以由多傳動自行車一起使用。在又一些其他實施例中，本方法和裝置 可以與其他騎行平臺一起工作。
[0024] 本方法和裝置可以與相對于騎行者的不同設備使用和定向一起工作。在所有設備 使用和定向中，本方法和裝置可以與該設備的任何橫搖、縱搖以及方位（航向）角一起工 作。它還可以與任何類型的自行車一起工作，而不管各種輪尺寸、各種傳動并且不管騎行者 如何。
[0025] 以上實施例中的任一者或任何組合可被使用在實時解決方案中或任務后離線解 決方案中。
[0026] 提供了一種用于提供與至少一個設備和通過踏板輪轉移動的騎行平臺相關的增 強的導航解決方案的方法，其中所述至少一個設備能定位在相對于所述平臺的任何定向 上，以及所述設備能位于所述騎行平臺的任何位置處或所述騎行平臺的騎行者的身體上， 并且其中所述至少一個設備包括能提供傳感器讀數的傳感器，所述方法包括使用所述傳感 器讀數來檢測所述踏板輪轉。
[0027] 提供了一種用于提供與至少一個設備和通過踏板輪轉移動的騎行平臺相關的增 強的導航解決方案的方法，其中所述至少一個設備能定位在相對于所述平臺的任何定向 上，以及所述設備能位于所述騎行平臺或所述騎行平臺的騎行者的身體上的任何位置處， 并且其中所述至少一個設備包括能提供傳感器讀數的傳感器，所述方法包括：a)使用所述 傳感器讀數來檢測所述踏板輪轉，并獲得所述平臺的速率的模型、所述平臺的行進距離的 模型、或所述平臺的速率和所述平臺的行進距離兩者的模型；以及b)使用所述傳感器讀數 來檢測所述踏板輪轉，并將所獲得的模型與所述平臺航向一起應用來獲得包括所述平臺的 位置、所述平臺的速度、或所述平臺的位置和速度兩者的騎行定位推算解決方案。
[0028] 提供了一種用于提供與至少一個設備和通過踏板輪轉移動的騎行平臺相關的增 強的導航解決方案的方法，其中所述至少一個設備能定位在相對于所述平臺的任何定向 上，以及所述設備能位于所述騎行平臺或所述騎行平臺的騎行者的身體上的任何位置處， 并且其中所述至少一個設備包括能提供傳感器讀數的傳感器，所述方法包括：a)使用所述 傳感器讀數來檢測所述踏板輪轉；b)確定所述至少一個設備與所述騎行平臺之間的航向 失準。
[0029] 提供了一種用于提供與至少一個設備和通過踏板輪轉移動的騎行平臺相關的增 強的導航解決方案的方法，其中所述至少一個設備能定位在相對于所述平臺的任何定向 上，以及所述設備能位于所述騎行平臺或所述騎行平臺的騎行者的身體上的任何位置處， 并且其中所述至少一個設備包括傳感器，所述方法包括：a)使用所述傳感器讀數來檢測所 述踏板輪轉；b)確定所述至少一個設備與所述平臺之間的航向失準；c)獲得所述平臺的速 率的模型、所述平臺的行進距離的模型、或所述平臺的速率和所述平臺的行進距離兩者的 模型；d)將所述航向失準連同所述至少一個設備航向一起用來計算平臺航向；以及e)將所 獲得的模型與所述平臺航向一起應用來獲得包括所述平臺的位置、所述平臺的速度、或所 述平臺的位置和速度兩者的騎行定位推算解決方案。
[0030] 所述方法可包括使用所述航向失準通過對所述導航解決方案施加運動約束來增 強所述解決方案。所述方法可包括確定所述至少一個設備與所述平臺之間的縱搖失準。所 述方法可包括確定所述至少一個設備與所述平臺之間的橫搖失準。所述方法可包括使用所 述航向失準、所述縱搖失準、以及所述橫搖失準通過對所述導航解決方案施加運動約束來 增強所述解決方案。
[0031] 所述方法可包括：確定所述至少一個設備與所述平臺之間的航向失準，確定所述 至少一個設備與所述平臺之間的縱搖失準，確定所述至少一個設備與所述平臺之間的橫搖 失準，以及使用所述航向失準、所述縱搖失準、以及所述橫搖失準通過應用來自從騎行定位 推算獲得的速率的速度更新來增強所述導航解決方案。
[0032] 所述方法可包括使用來自騎行定位推算的位置通過應用來自騎行定位推算的所 述位置作為位置更新來增強所述導航解決方案。
[0033] 所述方法可包括使用來自騎行定位推算的位置作為所述導航解決方案的位置輸 出。
[0034] 所述騎行定位推算可與具有多個傳動踏板系統、單個傳動踏板系統、或不帶傳動 的踏板系統的平臺一起工作。
[0035] 提供了一種用于或提供用于騎行平臺的增強的導航解決方案的系統，所述騎行平 臺內包括至少一個設備，所述騎行平臺能通過踏板輪轉來移動，其中所述設備能定位在相 對于所述平臺的任何定向上，其中所述設備能位于所述騎行平臺的騎行者的身體上的任何 位置處，所述設備包括：能夠通過傳感器讀數的傳感器組裝件；接收機，其用于接收來自外 部源的與所述設備有關的絕對導航信息并產生絕對導航信息輸出；以及處理器，其耦合以 接收所述傳感器讀數和所述絕對導航信息輸出并能用于檢測所述踏板輪轉。
[0036] 提供了一種用于或提供用于騎行平臺的增強的導航解決方案的系統，所述騎行平 臺內包括至少一個設備，所述騎行平臺能通過踏板輪轉來移動，其中所述設備能定位在相 對于所述平臺的任何定向上，其中所述設備能位于所述騎行平臺的騎行者的身體上的任何 位置處，所述設備包括：能夠通過傳感器讀數的傳感器組裝件；接收機，其用于接收來自外 部源的與所述設備有關的絕對導航信息并產生絕對導航信息輸出；以及處理器，其耦合以 接收所述傳感器讀數和所述絕對導航信息輸出并能用于：檢測所述踏板輪轉并獲得所述平 臺的速率的模型和/或所述平臺每輪轉的行進距離的模型；以及檢測所述踏板輪轉并將所 獲得的模型與所述平臺航向一起應用來獲得包括所述平臺的位置、所述平臺的速度、或所 述平臺的位置和速度兩者的騎行定位推算解決方案。
[0037] 提供了一種用于或提供用于騎行平臺的增強的導航解決方案的系統，所述騎行平 臺內包括至少一個設備，所述騎行平臺能通過踏板輪轉來移動，其中所述設備能定位在相 對于所述平臺的任何定向上，其中所述設備能位于所述騎行平臺的騎行者的身體上的任何 位置處，所述設備包括：能夠通過傳感器讀數的傳感器組裝件；接收機，其用于接收來自外 部源的與所述設備有關的絕對導航信息并產生絕對導航信息輸出；以及處理器，其耦合以 接收所述傳感器讀數和所述絕對導航信息輸出并能用于：檢測所述踏板輪轉；以及檢測所 述踏板輪轉并將所獲得的模型與所述平臺航向一起應用來獲得包括所述平臺的位置、所述 平臺的速度、或所述平臺的位置和速度兩者的騎行定位推算解決方案。
[0038] 提供了一種用于或提供用于騎行平臺的增強的導航解決方案的系統，所述騎行平 臺內包括至少一個設備，所述騎行平臺能通過踏板輪轉來移動，其中所述設備能定位在相 對于所述平臺的任何定向上，其中所述設備能位于所述騎行平臺的騎行者的身體上的任何 位置處，所述設備包括：能夠通過傳感器讀數的傳感器組裝件；接收機，其用于接收來自外 部源的與所述設備有關的絕對導航信息并產生絕對導航信息輸出；以及處理器，其