CN104352039A - 监测拐杖 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种监测拐杖，包括卫星导航模块、MEMS惯导模块、电子罗盘模块、气压计模块、中央处理模块和通讯模块；卫星导航模块用于第一定位信息；MEMS惯导模块用于获取第二定位信息；电子罗盘模块用于获取第三定位信息；气压计模块用于获取第四定位信息；当导航卫星信号良好时，中央处理模块将第一定位信息作为当前位置信息；当导航卫星信号不良时，中央处理模块接收第一定位信息、第二定位信息、第三定位信息、第四定位信息和修正值进行综合处理，获得当前位置信息；修正值为根据第三定位信息和第四定位信息对第二定位信息的修正值；通讯模块用于将当前位置信息传输出去。本发明的监测拐杖可以为行动不便者的救护和日常监测提供便利。

Description

监测拐杖

技术领域

本发明涉及一种辅助行动不便的人行走的工具。

背景技术

行动不便的人，特别是老人，每日的行动都受到家人的关注，特别是当老人遭受意外时，家人更希望能够及时确定老人的位置，以便尽早提供帮助。而家人由于工作等社会责任所在，难以随时跟随在老人身边，因此常常为老人的安全担忧，进而也会对所负担的责任造成困扰。

随着智能手机技术的发展，通过智能手机已经可以提供定位信息。人们设想让老人携带上智能手机，以便提供老人的即时定位信息。

上述措施在实际应用中存在一定的问题，即很多老人不习惯携带智能手机，或者由于记忆力的原因，常常会忘记携带智能手机，使得相应的功能难以实现。

发明内容

为了解决老人或其他行动不便的人能够便于携带定位装置，本发明提供了一种监测拐杖。

本发明的技术方案如下。

监测拐杖，包括卫星导航模块、MEMS惯导模块、电子罗盘模块、气压计模块、中央处理模块和通讯模块；所述卫星导航模块、所述MEMS惯导模块、所述电子罗盘模块、所述气压计模块、所述通讯模块分别与所述中央处理模块连接；

所述卫星导航模块用于接收导航卫星信号，并根据所述导航卫星信号获得第一定位信息；

所述MEMS惯导模块包括加速度计和陀螺仪，测量加速度和角速度用于获取第二定位信息；

所述电子罗盘模块测量磁通量用于获取第三定位信息；

所述气压计模块测量气压用于获取第四定位信息；

当所述导航卫星信号良好时，所述中央处理模块将所述第一定位信息作为所述当前位置信息；当所述导航卫星信号不良时，所述中央处理模块接收所述第一定位信息、所述第二定位信息、所述第三定位信息、所述第四定位信息和修正值进行综合处理，获得当前位置信息；所述修正值为根据所述第三定位信息和所述第四定位信息对所述第二定位信息的修正值；

所述通讯模块用于将所述当前位置信息传输出去。

所述修正值对所述第二定位信息进行修正后的结果与所述第一定位信息、所述第三定位信息、所述第四定位信息进行卡尔曼滤波处理，获得所述当前位置信息。

所述修正值包括位置误差、失准角、陀螺零偏和加表零偏；获得所述修正值包括如下步骤：

所述第二定位信息中包含的速度数据作为第一观测量；

所述第四定位信息中包含的高度数据与所述第二定位信息中包含的高度数据的差作为第二观测量；

所述第三定位信息中包含的航向数据与所述第二定位信息中包含的航向数据的差作为第三观测量；

当判断所述拐杖速度为零时，利用所述第一观测量、第二观测量和所述第三观测量获得所述位置误差、所述失准角、所述陀螺零偏和所述加表零偏。

利用所述修正值对所述第二定位信息的修正方法包括：利用所述位置误差和所述失准角分别修正所述第二定位信息中的位置信息和姿态信息，利用所述陀螺零偏和所述加表零偏分别对所述陀螺仪和所述加速度计进行补偿。

获得所述修正值采用卡尔曼滤波方法；

获得所述修正值的所述卡尔曼滤波方法的状态方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_I\\ {\stackrel{\·}{h}}_B\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{A}_I& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{B}_I& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{W}_I\\ w_B\\ w_C\end{array}\right]$

其中，X_I＝[δL δλ δh δV_E δV_N δV_U φ_E φ_N φ_U ▽_x ▽_y ▽_z ε_x ε_y ε_z]为所述MEMS惯导模块的状态量，δL、δλ和δh分别为纬度误差、经度误差和高度误差，δV_E、δV_N和δV_U分别为东向、北向和天向速度误差，φ_E、φ_N、φ_U分别为东向、北向和天向的失准角，▽_x、▽_y和▽_y为所述加表零偏，ε_x、ε_y、ε_z为所述陀螺零偏；

$B_I=\left[\begin{array}{c}{0}_{3\×6}\\ \begin{array}{cc}{C}_{3\×3}& 0_{3\×3}\\ 0_{3\×3}& C_{3\×3}\end{array}\end{array}\right]$

C_3×3为所述MEMS惯导模块的姿态矩阵；

其中，

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}0& \frac{1}{R}& 0\\ \frac{\sec L}{R}& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],A_2=\left[\begin{array}{ccc}0& 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

$A_3=\left[\begin{array}{ccc}0& -f_U& f_N\\ f_U& 0& -f_E\\ -f_N& f_E& 0\end{array}\right],$

$A_4=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],A_5=\left[\begin{array}{ccc}0& -\frac{1}{R+h}& 0\\ \frac{1}{R+h}& 0& 0\\ \frac{\tan L}{R+h}& 0& 0\end{array}\right],$

$A_6=\left[\begin{array}{ccc}0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

ω_ie为地球自转角速度，L为当地纬度，R为地球半径。h_B为所述气压计模块输出的高度，φ_C为所述电子罗盘模块输出的方位角，W_I＝[w_ax w_ay w_az w_gx w_gy w_gz]为所述MEMS惯导模块中所述加速度计和所述陀螺仪的噪声，w_B为所述气压计模块的误差，w_C为所述电子罗盘模块的误差，f_E、f_N和f_U分别为东向、北向、天向的加速度输入。

观测方程为：

$Z_{\mathrm{IC}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{V}_E\\ \mathrm{\δ}{V}_N\\ \mathrm{\δ}{V}_U\\ \mathrm{\δh}-\mathrm{\δ}{h}_B\\ \mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_U-\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{VE}}\\ v_{\mathrm{VN}}\\ v_{\mathrm{VU}}\\ v_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]=G_{\mathrm{IC}}\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{VE}}\\ v_{\mathrm{VN}}\\ v_{\mathrm{VU}}\\ v_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]$

其中，

为观测方程系数矩阵，v_VE、v_VN和v_VU分别为东向、北向和天向速度误差的零均值高斯白噪声，v_h为所述第四定位信息中的零均值高斯白噪声，v_φ为所述第三定位信息中的零均值高斯白噪声。

获得所述修正值包括如下步骤：

当判断所述拐杖速度为非零时，利用所述第二观测量和所述第三观测量获得位置误差、失准角、陀螺零偏和加表零偏。

获得所述修正值采用卡尔曼滤波方法；

获得所述修正值的所述卡尔曼滤波方法的状态方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_I\\ {\stackrel{\·}{h}}_B\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{A}_I& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{B}_I& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{W}_I\\ w_B\\ w_C\end{array}\right]$

其中，X_I＝[δL δλ δh δV_E δV_N δV_U φ_E φ_N φ_U ▽_x ▽_y ▽_z ε_x ε_y ε_z]为所述MEMS惯导模块的状态量，δL、δλ和δh分别为纬度误差、经度误差和高度误差，δV_E、δV_N和δV_U分别为东向、北向和天向速度误差，φ_E、φ_N、φ_U分别为东向、北向和天向的失准角，▽_x、▽_y和▽_y为所述加表零偏，ε_x、ε_y、ε_z为所述陀螺零偏；

$B_I=\left[\begin{array}{c}{0}_{3\×6}\\ \begin{array}{cc}{C}_{3\×3}& 0_{3\×3}\\ 0_{3\×3}& C_{3\×3}\end{array}\end{array}\right]$

C_3×3为所述MEMS惯导模块的姿态矩阵；

其中，

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}0& \frac{1}{R}& 0\\ \frac{\sec L}{R}& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],A_2=\left[\begin{array}{ccc}0& 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

$A_3=\left[\begin{array}{ccc}0& -f_U& f_N\\ f_U& 0& -f_E\\ -f_N& f_E& 0\end{array}\right],$

$A_4=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],A_5=\left[\begin{array}{ccc}0& -\frac{1}{R+h}& 0\\ \frac{1}{R+h}& 0& 0\\ \frac{\tan L}{R+h}& 0& 0\end{array}\right],$

$A_6=\left[\begin{array}{ccc}0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

ω_ie为地球自转角速度，L为当地纬度，R为地球半径。h_B为所述气压计模块输出的高度，φ_C为所述电子罗盘模块输出的方位角，W_I＝[w_ax w_ay w_az w_gx w_gy w_gz]为所述MEMS惯导模块中所述加速度计和所述陀螺仪的噪声，w_B为所述气压计模块的误差，w_C为所述电子罗盘模块的误差；

观测方程为：

$Z_{\mathrm{BC}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δh}-\mathrm{\δ}{h}_B\\ \mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_U-\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]=G_{\mathrm{BC}}\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]$

其中，

为观测方程系数矩阵，v_h为所述第四定位信息中的零均值高斯白噪声，v_φ为所述第三定位信息中的零均值高斯白噪声。

所述中央处理器将所述MEMS惯导模块测得的特定姿态变化与控制命令对应，并通过所述通讯模块将所述控制命令发出。

在所述拐杖的手柄上设置体温传感器模块、脉搏传感器模块，所述体温传感器模块、所述脉搏传感器模块分别与所述中央处理模块连接；

所述体温传感器模块用于获得人体体温数据；

所述脉搏传感器模块用于获得人体血压、心率数据；

所述中央处理模块将所述体温传感器模块、所述脉搏传感器模块获得的数据通过所述通讯模块传出。

在所述手柄上还设置有生物电传感器模块、热通量传感器模块和/或光学传感器模块；所述生物电传感器模块、所述热通量传感器模块、所述光学传感器模块分别与所述中央处理模块连接；

所述生物电传感器模块用于获得人体心电、脑电数据；

所述热通量传感器模块用于获得人体热量消耗数据；

所述光学传感器模块用于获得人体血氧含量、血流速数据；

所述中央处理模块将所述生物电传感器模块、所述热通量传感器模块、所述光学传感器模块获得的数据通过所述通讯模块传出。

本发明的技术效果：

本发明将卫星导航模块、MEMS惯导模块、电子罗盘模块、气压计模块等构成的定位***设置在老人或其他行动不便者日常使用的拐杖上，老人无须改变生活习惯，在行动时只需按常规携带拐杖即可实现定位。即使老人一时忘记携带拐杖，但行走不便也会提醒他(她)应该携带拐杖，从而解决了忘记携带的问题。

另外，本发明的拐杖上还设置有通讯模块，能够将上述定位***获取的定位信息通过通讯模块发出，传递给家人等能提供帮助的人，以便家人能够即时了解老人的位置，在需要的时候可以以最快的速度提供帮助。

附图说明

图1为本发明监测拐杖第一个实施例的原理图。

图2为本发明监测拐杖第二个实施例的原理图。

图3为本发明监测拐杖定位部分的工作流程图。

图4为本发明监测拐杖控制部分的工作流程图。

图5为本发明监测拐杖健康监测部分的工作流程图。

具体实施方式

在对本发明的技术方案进行详细描述之前，对涉及到的一些措辞进行统一说明。

卫星导航模块：与空间定位卫星进行信息交换以确定当前位置的硬件模块，例如基于GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星进行定位的导航模块。成熟产品例如瑞士u-blox公司生产的UBX-G6010-ST卫星导航模块。

MEMS惯导模块：MEMS是Micro-Electro-Mechanical System的缩写，MEMS惯导模块是基于微机电***的惯性导航***，其中包括加速度计和陀螺仪。成熟产品例如美国AD公司生产的ADIS16300惯性测量模块。

电子罗盘模块：电子罗盘，也叫数字指南针，是基于电子技术制作的利用地磁场来定方向的一种装置。成熟产品例如美国Honeywell公司生产的HMC5883L三轴电子罗盘模块。

气压计模块：通过测量气压得到当前所在的高度的模块电路，包括气压高度计。成熟产品例如美国MEAS公司生产的MS5607-02BA03气压高度计。

中央处理模块：对各模块产生的数据进行处理，并通过通讯模块向外传输处理后的结果。中央处理模块可以采用DSP(digital signal processor)处理器。

通讯模块：与外部设备或网络进行数据通讯的模块电路，包括各种有线通讯模块和无线通讯模块。无线通讯模块可以进行无线通讯，例如蓝牙模块或标准的SIM卡模块。

当前位置信息：中央处理模块对采集到的数据进行处理后的结果，也是传输给家人的结果。

健康数据：各传感器模块测量得到的体温、热量消耗、血压、心率、心电、脑电、体脂含量、血氧含量等人体生理状态数据。

体温传感器模块：用于测量人体体温数据的传感器电路。其中的体温传感器，可采用例如中国众智光电公司ANT-OTP-538U红外线热电堆传感器。

脉搏传感器模块：用于推算血压、心率等数据的传感器电路。其中的脉搏波传感器，可采用例如美国PulseSensor光电脉搏波传感器。

生物电传感器模块：用于采集心电、脑电数据，也可用于推算脂肪含量等的传感器电路。其中的生物电传感器，可采用例如中国思知瑞科技公司的TrueSense脑电心电传感器。

热通量传感器模块：用于监测热量消耗能力，可以用于血糖辅助计算和新陈代谢能力推算的传感器电路。其中的热通量传感器，可采用例如美国OMEGA欧米茄HFS-3薄膜热通量传感器。

光学传感器模块：用于推算血氧含量、血流速等健康数据的传感器电路。其中的光学传感器，可采用例如英国TLT公司的TLT Sapphire Sensor传感器。

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1显示了本发明监测拐杖的一个实施例的原理，包括卫星导航模块、MEMS惯导模块、电子罗盘模块、气压计模块、中央处理模块和通讯模块。卫星导航模块、MEMS惯导模块、电子罗盘模块、气压计模块、通讯模块分别与中央处理模块连接。

卫星导航模块用于接收导航卫星信号，并根据所述导航卫星信号获得第一定位信息。第一定位信息也被传输给MEMS惯导模块，供MEMS惯导模块进行初始对准。MEMS惯导模块包括加速度计和陀螺仪，测量加速度和角速度用于获取第二定位信息。电子罗盘模块用于获取第三定位信息。第三定位信息也被传输给MEMS惯导模块，供MEMS惯导模块进行初始对准。气压计模块测量气压用于获取第四定位信息。第四定位信息也被传输给MEMS惯导模块，供MEMS惯导模块进行初始对准。通讯模块将中央处理模块处理的数据结果向外传输。

在这里举一些通讯模块的应用例子。如通讯模块选用蓝牙模块，则与之相应的可以设置一个移动终端(例如智能手机)，该移动终端可以显示当前位置信息，也可以将当前位置信息传输到移动通讯网络，到达家人(或其他监护人员)携带的设备上，以便家人能够及时了解老人的位置，在老人出现危机状况时，能够第一时间确定位置，缩短救援时间。通讯模块的另一个应用实例是选用标准SIM卡，这样就可以直接将当前位置信息通过移动通讯网络传递给家人。当然，在图1所示实例的基础上，还可以增加控制按键模块，该控制按键模块与中央处理模块连接，或直接与通讯模块连接。所述控制按键模块在被按下其上的控制键后，能够发出报警信息，该报警信息可以通过通讯模块传输给家人。这在老人突然遇到意外时非常有帮助，家人能够在第一时间得知紧急情况的发生，同时还获取了老人的位置信息，哪怕老人在外行动，也可以及时给予救援。

图2显示了本发明监测拐杖的另一个实例，其中也包含多个在此基础上演变的技术方案。图2所示的监测拐杖在图1所示实例的基础上增加了体温传感器模块和脉搏传感器模块，体温传感器模块和脉搏传感器模块均设置在拐杖的手柄上(这里所说的设置在手柄上，是指至少传感器模块的探测端设置在所述手柄上)，以便人手把持手柄时，体温传感器模块和脉搏传感器模块能够即时获取人体的健康数据。体温传感器模块和脉搏传感器模块分别与中央处理模块连接。中央处理模块将体温传感器模块和脉搏传感器模块测得的健康数据通过通讯模块传输出去。这样，使得家人也可以随时能够获悉老人的健康状况。

另外，在图2所示的基础上，还可以在拐杖的手柄上增设一个或多个如下模块：生物电传感器模块、热通量传感器模块、光学传感器模块。所述生物电传感器模块、所述热通量传感器模块、所述光学传感器模块分别与所述中央处理模块连接。

所述生物电传感器模块、所述热通量传感器模块、所述光学传感器模块测得的健康数据通过所述通讯模块传递给家人。

图3显示了监测拐杖中，由卫星导航模块、MEMS惯导模块、电子罗盘模块、气压计模块构成的定位***的工作流程。以下结合图3对其中的各框图进行说明。

初始对准

初始对准即用卡尔曼滤波的方法对MEMS惯导模块获得的所述第二定位信息中的姿态角进行估计。初始对准时拐杖保持静止，因此卡尔曼滤波的观测量、观测方程、状态量和状态方程均与下述零速修正相同。

有卫星信号

这一步骤判断导航卫星信号是否良好。当在室内等导航卫星信号被遮挡的情况下，导航卫星信号不良，当然卫星导航模块获得的位置信息也就不可信。已有成熟技术手段判断导航卫星信号是否良好，不再赘述。

当判断导航卫星信号良好时，中央处理模块直接将所述第一定位信息(即卫星导航模块获得的位置信息)作为当前位置信息，并将这一当前位置信息通过通讯模块传输出去。因为此时卫星导航模块获取的位置信息是可靠的，所以可以直接采用。

当判断导航卫星信号不良时，中央处理模块利用所述第一定位信息、所述第二定位信息、所述第三定位信息、所述第四定位信息和修正值进行综合处理，获取当前位置信息，并通过通讯模块传输出去。所述修正值为根据所述第三定位信息和所述第四定位信息对所述第二定位信息的修正值，在后面的“零速修正”和“非零速修正”步骤中会有具体介绍。

拐杖着地

即判断拐杖是否着地。拐杖着地，意味着此时拐杖速度为零，则执行下面的“零速修正”。如果判读拐杖没有着地，意味着此时拐杖的速度不为零，则执行“非零速修正”步骤。

零速修正

零速修正是指如下步骤：

将所述第二定位信息中包含的速度数据作为第一观测量；所述第四定位信息中包含的高度数据与所述第二定位信息中包含的高度数据的差作为第二观测量；所述第三定位信息中包含的航向数据与所述第二定位信息中包含的航向数据的差作为第三观测量。利用所述第一观测量、第二观测量和所述第三观测量获得位置误差、失准角、陀螺零偏和加表零偏。位置误差、失准角、陀螺零偏和加表零偏即前述的修正值。利用所述位置误差和所述失准角分别修正第二定位信息中的位置信息和姿态信息，利用所述陀螺零偏和所述加表零偏分别对所述陀螺仪和所述加速度计进行补偿。

其中，采用卡尔曼滤波方法，利用所述第一观测量、第二观测量和所述第三观测量获得所述位置误差、所述失准角、所述陀螺零偏和所述加表零偏对。具体的卡尔曼滤波方法的状态方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_I\\ {\stackrel{\·}{h}}_B\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{A}_I& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{B}_I& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{W}_I\\ w_B\\ w_C\end{array}\right]$

其中，X_I＝[δL δλ δh δV_E δV_N δV_U φ_E φ_N φ_U ▽_x ▽_y ▽_z ε_x ε_y ε_z]为所述MEMS惯导模块的状态量，δL、δλ和δh分别为纬度误差、经度误差和高度误差，δV_E、δV_N和δV_U分别为东向、北向和天向速度误差，φ_E、φ_N、φ_U分别为东向、北向和天向的失准角，▽_x、▽_y和▽_y为所述加表零偏，ε_x、ε_y、ε_z为所述陀螺零偏；

$B_I=\left[\begin{array}{c}{0}_{3\×6}\\ \begin{array}{cc}{C}_{3\×3}& 0_{3\×3}\\ 0_{3\×3}& C_{3\×3}\end{array}\end{array}\right]$

C_3×3为所述MEMS惯导模块的姿态矩阵；

其中，

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}0& \frac{1}{R}& 0\\ \frac{\sec L}{R}& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],A_2=\left[\begin{array}{ccc}0& 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

$A_3=\left[\begin{array}{ccc}0& -f_U& f_N\\ f_U& 0& -f_E\\ -f_N& f_E& 0\end{array}\right],$

$A_4=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],A_5=\left[\begin{array}{ccc}0& -\frac{1}{R+h}& 0\\ \frac{1}{R+h}& 0& 0\\ \frac{\tan L}{R+h}& 0& 0\end{array}\right],$

$A_6=\left[\begin{array}{ccc}0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

ω_ie为地球自转角速度，L为当地纬度，R为地球半径。h_B为所述气压计模块输出的高度，φ_C为所述电子罗盘模块输出的方位角，W_I＝[w_ax w_ay w_az w_gx w_gy w_gz]为所述MEMS惯导模块中所述加速度计和所述陀螺仪的噪声，w_B为所述气压计模块的误差，w_C为所述电子罗盘模块的误差；f_E、f_N和f_U分别为东向、北向、天向的加速度输入。

观测方程为：

$Z_{\mathrm{IC}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{V}_E\\ \mathrm{\δ}{V}_N\\ \mathrm{\δ}{V}_U\\ \mathrm{\δh}-\mathrm{\δ}{h}_B\\ \mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_U-\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{VE}}\\ v_{\mathrm{VN}}\\ v_{\mathrm{VU}}\\ v_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]=G_{\mathrm{IC}}\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{VE}}\\ v_{\mathrm{VN}}\\ v_{\mathrm{VU}}\\ v_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]$

其中，

为观测方程系数矩阵，v_VE、v_VN和v_VU分别为东向、北向和天向速度误差的零均值高斯白噪声，v_h为所述第四定位信息中的零均值高斯白噪声，v_φ为所述第三定位信息中的零均值高斯白噪声。

非零速修正

如果在“拐杖着地”步骤判断拐杖没有着地，即拐杖速度不为零，利用所述第二观测量和所述第三观测量获得位置误差、失准角、陀螺零偏和加表零偏；位置误差、失准角、陀螺零偏和加表零偏即前述的修正值；利用所述位置误差和所述失准角分别修正第二定位信息中的位置信息和姿态信息，利用所述陀螺零偏和所述加表零偏分别对所述陀螺仪和所述加速度计进行补偿，得到对第二定位信息修正后的结果。

当拐杖速度不为零，采用卡尔曼滤波方法获得所述位置误差、所述失准角、所述陀螺零偏和所述加表零偏，该卡尔曼滤波方法的状态方程与前述“零速修正”中的状态方程相同，在此不再重复。但由于速度不为零，所述第二定位信息(MEMS惯导模块获得的定位信息)中的速度数据不能直接作为速度误差进行误差估计，因此观测方程为如下方程：

$Z_{\mathrm{BC}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δh}-\mathrm{\δ}{h}_B\\ \mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_U-\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]=G_{\mathrm{BC}}\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]$

其中，

为观测方程系数矩阵，v_h为所述第四定位信息中的零均值高斯白噪声，v_φ为所述第三定位信息中的零均值高斯白噪声。

数据融合

中央处理模块将第二定位信息修正后的结果，所述第一定位信息、所述第二定位信息、所述第三定位信息、所述第四定位信息进行数据融合，得到当前位置信息。这里的数据融合的方法采用卡尔曼滤波方法。

前述的“零速修正”、“非零速修正”及“数据融合”即前述“利用所述第一定位信息、所述第二定位信息、所述第三定位信息、所述第四定位信息和修正值进行综合处理”步骤。

发送当前位置信息

将“数据融合”得到的当前位置信息通过通讯模块发送出去。

本发明的监测拐杖还可以实现控制家居用品的功能，即在家居用品(如家用电器、窗帘等)上设置相应的通讯模块与监测拐杖上的通讯模块对应，而监测拐杖的特定姿态变动(即拐杖的一个动作，例如向上挥动)被解读为一个控制命令(如开启窗帘)，该控制命令被家居用品上的通讯模块接收并转化成实际的操作。这种功能为老人等行动不便者提供了方便。

图4显示了实现控制家居用品的功能过程中监测拐杖的工作过程。

启动控制模式

通过开启设置在拐杖上的按键、开关等装置，启动监测拐杖的控制模式。即开启中央处理模块识别拐杖特定姿态变化的模式。这可以避免老人在不经意时做出的动作导致拐杖产生了特定姿态变化被识别成控制命令，进而导致混乱。

获取拐杖姿态

MEMS惯导模块监测拐杖的姿态变化，如果捕捉到特定的姿态变化，而这一特定姿态变化与相应的控制命令对应，则中央处理模块将该控制命令发出。

发送控制命令

将前述控制命令通过通讯模块发出，由相应的家居用品上的通讯模块接收。

控制模式是否结束

这一步判断控制模式是否结束，如果是采取前述控制按键的方式，则取决于操作者是否启动结束控制模式的按键。如果控制模式没有结束，则转回到“获取拐杖姿态”步骤。如果控制模式结束，则恢复到常规状态。

图5显示了图2所示实施例中获取并传输健康数据的过程。

通讯模块是否正常

这一步骤测试通讯模块是否正常，如果不正常，则继续测试；如果通讯模块正常，则继续下一步“手是否握住手柄”。

手是否握住手柄

探测人手是否握住了手柄，可以通过手柄温度变化等多种方式判断，不再赘述。如果手还没有握住手柄，则继续探测；如果手握住了手柄，则继续下一步“采集传感器数据”。

采集传感器数据

是指前述体温传感器模块、脉搏传感器模块、生物电传感器模块、热通量传感器模块、光学传感器模块开始工作，检测人体数据，形成健康数据。

发送数据

将获得的健康数据通过通讯模块传输出去。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (10)

1.监测拐杖，其特征在于：包括卫星导航模块、MEMS惯导模块、电子罗盘模块、气压计模块、中央处理模块和通讯模块；所述卫星导航模块、所述MEMS惯导模块、所述电子罗盘模块、所述气压计模块、所述通讯模块分别与所述中央处理模块连接；

所述卫星导航模块用于接收导航卫星信号，并根据所述导航卫星信号获得第一定位信息；

所述MEMS惯导模块包括加速度计和陀螺仪，测量加速度和角速度用于获取第二定位信息；

所述电子罗盘模块测量磁通量用于获取第三定位信息；

所述气压计模块测量气压用于获取第四定位信息；

当所述导航卫星信号良好时，所述中央处理模块将所述第一定位信息作为所述当前位置信息；当所述导航卫星信号不良时，所述中央处理模块接收所述第一定位信息、所述第二定位信息、所述第三定位信息、所述第四定位信息和修正值进行综合处理，获得当前位置信息；所述修正值为根据所述第三定位信息和所述第四定位信息对所述第二定位信息的修正值；

所述通讯模块用于将所述当前位置信息传输出去。

2.根据权利要求1所述监测拐杖，其特征在于：所述修正值对所述第二定位信息进行修正后的结果与所述第一定位信息、所述第三定位信息、所述第四定位信息进行卡尔曼滤波处理，获得所述当前位置信息。

3.根据权利要求1或2所述监测拐杖，其特征在于：所述修正值包括位置误差、失准角、陀螺零偏和加表零偏；获得所述修正值包括如下步骤：

所述第二定位信息中包含的速度数据作为第一观测量；

所述第四定位信息中包含的高度数据与所述第二定位信息中包含的高度数据的差作为第二观测量；

所述第三定位信息中包含的航向数据与所述第二定位信息中包含的航向数据的差作为第三观测量；

当判断所述拐杖速度为零时，利用所述第一观测量、第二观测量和所述第三观测量获得所述位置误差、所述失准角、所述陀螺零偏和所述加表零偏。

4.根据权利要求3所述监测拐杖，其特征在于：利用所述修正值对所述第二定位信息的修正方法包括：利用所述位置误差和所述失准角分别修正所述第二定位信息中的位置信息和姿态信息，利用所述陀螺零偏和所述加表零偏分别对所述陀螺仪和所述加速度计进行补偿。

5.根据权利要求3所述监测拐杖，其特征在于：获得所述修正值采用卡尔曼滤波方法；

获得所述修正值的所述卡尔曼滤波方法的状态方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_I\\ {\stackrel{\·}{h}}_B\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{A}_I& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{B}_I& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{W}_I\\ w_B\\ w_C\end{array}\right]$

其中，X_I＝[δL δλ δh δV_E δV_N δV_U φ_E φ_N φ_U ▽_x ▽_y ▽_z ε_x ε_y ε_z]为所述MEMS惯导模块的状态量，δL、δλ和δh分别为纬度误差、经度误差和高度误差，δV_E、δV_N和δV_U分别为东向、北向和天向速度误差，φ_E、φ_N、φ_U分别为东向、北向和天向的失准角，▽_x、▽_y和▽_y为所述加表零偏，ε_x、ε_y、ε_z为所述陀螺零偏；

$B_I=\left[\begin{array}{c}{0}_{3\×6}\\ \begin{array}{cc}{C}_{3\×3}& 0_{3\×3}\end{array}\\ \begin{array}{cc}{0}_{3\×3}& C_{3\×3}\end{array}\end{array}\right]$

C_3×3为所述MEMS惯导模块的姿态矩阵；

其中，

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}0& \frac{1}{R}& 0\\ \frac{\sec L}{R}& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],A_2=\left[\begin{array}{ccc}0& 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

$A_3=\left[\begin{array}{ccc}0& -f_U& f_N\\ f_U& 0& -f_E\\ -f_N& f_E& 0\end{array}\right]A_4=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right]A_5=\left[\begin{array}{ccc}0& -\frac{1}{R+h}& 0\\ \frac{1}{R+h}& 0& 0\\ \frac{\tan L}{R+h}& 0& 0\end{array}\right],$

$A_6=\left[\begin{array}{ccc}0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

ω_ie为地球自转角速度，L为当地纬度，R为地球半径。h_B为所述气压计模块输出的高度，φ_C为所述电子罗盘模块输出的方位角，W_I＝[w_ax w_ay w_az w_gx w_gy w_gz]为所述MEMS惯导模块中所述加速度计和所述陀螺仪的噪声，w_B为所述气压计模块的误差，w_C为所述电子罗盘模块的误差，f_E、f_N和f_U分别为东向、北向、天向的加速度输入。

观测方程为：

$Z_{\mathrm{IC}}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δV}}_E\\ {\mathrm{\δV}}_N\\ {\mathrm{\δV}}_U\\ \mathrm{\δh}-{\mathrm{\δh}}_B\\ {\mathrm{\δ\φ}}_U-{\mathrm{\δ\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{VE}}\\ v_{\mathrm{VN}}\\ v_{\mathrm{VU}}\\ v_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]=G_{\mathrm{IC}}\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{VE}}\\ v_{\mathrm{VN}}\\ v_{\mathrm{VU}}\\ v_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]\end{array}$

其中，

为观测方程系数矩阵，v_VE、v_VN和v_VU分别为东向、北向和天向速度误差的零均值高斯白噪声，v_h为所述第四定位信息中的零均值高斯白噪声，v_φ为所述第三定位信息中的零均值高斯白噪声。

6.根据权利要求3所述监测拐杖，其特征在于：获得所述修正值包括如下步骤：

当判断所述拐杖速度为非零时，利用所述第二观测量和所述第三观测量获得位置误差、失准角、陀螺零偏和加表零偏。

7.根据权利要求6所述监测拐杖，其特征在于：获得所述修正值采用卡尔曼滤波方法；

获得所述修正值的所述卡尔曼滤波方法的状态方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_I\\ {\stackrel{\·}{h}}_B\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{A}_I& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{B}_I& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{W}_I\\ w_B\\ w_C\end{array}\right]$

其中，X_I＝[δL δλ δh δV_E δV_N δV_U φ_E φ_N φ_U ▽_x ▽_y ▽_z ε_x ε_y ε_z]为所述MEMS惯导模块的状态量，δL、δλ和δh分别为纬度误差、经度误差和高度误差，δV_E、δV_N和δV_U分别为东向、北向和天向速度误差，φ_E、φ_N、φ_U分别为东向、北向和天向的失准角，▽_x、▽_y和▽_y为所述加表零偏，ε_x、ε_y、ε_z为所述陀螺零偏；

$B_I=\left[\begin{array}{c}{0}_{3\×6}\\ \begin{array}{cc}{C}_{3\×3}& 0_{3\×3}\end{array}\\ \begin{array}{cc}{0}_{3\×3}& C_{3\×3}\end{array}\end{array}\right]$

C_3×3为所述MEMS惯导模块的姿态矩阵；

其中，

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}0& \frac{1}{R}& 0\\ \frac{\sec L}{R}& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],A_2=\left[\begin{array}{ccc}0& 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ 2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

$A_3=\left[\begin{array}{ccc}0& -f_U& f_N\\ f_U& 0& -f_E\\ -f_N& f_E& 0\end{array}\right]A_4=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right]A_5=\left[\begin{array}{ccc}0& -\frac{1}{R+h}& 0\\ \frac{1}{R+h}& 0& 0\\ \frac{\tan L}{R+h}& 0& 0\end{array}\right],$

$A_6=\left[\begin{array}{ccc}0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L& 0& 0\end{array}\right],$

ω_ie为地球自转角速度，L为当地纬度，R为地球半径。h_B为所述气压计模块输出的高度，φ_C为所述电子罗盘模块输出的方位角，W_I＝[w_ax w_ay w_az w_gx w_gy w_gz]为所述MEMS惯导模块中所述加速度计和所述陀螺仪的噪声，w_B为所述气压计模块的误差，w_C为所述电子罗盘模块的误差；

观测方程为：

$Z_{\mathrm{BC}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δh}-{\mathrm{\δh}}_B\\ {\mathrm{\δ\φ}}_U-{\mathrm{\δ\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]=G_{\mathrm{BC}}\left[\begin{array}{c}{X}_I\\ h_B\\ {\mathrm{\φ}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_h\\ v_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]$

其中，

为观测方程系数矩阵，v_h为所述第四定位信息中的零均值高斯白噪声，v_φ为所述第三定位信息中的零均值高斯白噪声。

8.根据权利要求1所述监测拐杖，其特征在于：所述中央处理器将所述MEMS惯导模块测得的特定姿态变化与控制命令对应，并通过所述通讯模块将所述控制命令发出。

9.根据权利要求1所述监测拐杖，其特征在于：在所述拐杖的手柄上设置体温传感器模块、脉搏传感器模块，所述体温传感器模块、所述脉搏传感器模块分别与所述中央处理模块连接；

所述体温传感器模块用于获得人体体温数据；

所述脉搏传感器模块用于获得人体血压、心率数据；

所述中央处理模块将所述体温传感器模块、所述脉搏传感器模块获得的数据通过所述通讯模块传出。

10.根据权利要求9所述监测拐杖，其特征在于：在所述手柄上还设置有生物电传感器模块、热通量传感器模块和/或光学传感器模块；所述生物电传感器模块、所述热通量传感器模块、所述光学传感器模块分别与所述中央处理模块连接；

所述生物电传感器模块用于获得人体心电、脑电数据；

所述热通量传感器模块用于获得人体热量消耗数据；

所述光学传感器模块用于获得人体血氧含量、血流速数据；

所述中央处理模块将所述生物电传感器模块、所述热通量传感器模块、所述光学传感器模块获得的数据通过所述通讯模块传出。