CN104374387A - 一种运动路径生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动路径生成方法，该方法包括：运动位移获取步骤，获取目标的加速度，根据加速度获取目标在各步的第一速度，根据第一速度获取目标在各步的运动位移；运动角度获取步骤，获取目标的角加速度，根据角加速度获取目标在各步的运动角度；运动路径生成步骤，根据各步的运动位移和运动角度，确定目标的运动路径。本方法能够有效解决现有的运动路径获取方法中存在累积误差的问题，使得获得的运动速度和角度更加准确，从而生成的运动路径更为准确。

Description

一种运动路径生成方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体地说，涉及一种运动路径生成方法。

背景技术

随着信息技术的发展，智能设备开始越来越多地进入人们的生活中，来为人们提供各种各样的服务，其中基于位置信息的服务受到了越来越多的关注。近几年，越来越多的室内、室外定位技术开始利用用户的运动路径，来辅助定位。对用户运动信息的收集是当前的研究热点，运动路径的准确刻画是亟待解决的问题。

现有的路径获生成方法大多是基于位移＝步长×步数这一思想。关于步长的获取，多数运用人体步态特征直接估计、用户与设备交互、简单的机器学习技术。关于步数的研究，前沿方法包括自动机、隐式马尔科夫模型等。由于传感器的噪声影响和误差累积，当前估计位移、角度的方法都存在较大误差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种运动路径生成方法，所述方法包括：

运动位移获取步骤，获取目标的加速度，根据所述加速度获取所述目标在各步的第一速度，根据所述第一速度获取所述目标在各步的运动位移；

运动角度获取步骤，获取所述目标的角加速度，根据所述角加速度获取所述目标在各步的运动角度；

运动路径生成步骤，根据所述各步的运动位移和运动角度，确定所述目标的运动路径。

根据本发明的一个实施例，所述加速度包括竖直加速度和行进加速度。

根据本发明的一个实施例，所述运动位移获取步骤包括：

获取所述目标在前一步的第一速度，利用前一步的第一速度计算所述目标在当前步的第二速度；

根据目标的加速度分别获取所述目标在当前步的第三速度和第四速度，根据所述当前步的第三速度和第四速度计算当前步的更新系数，根据当前步的更新系数、第二速度和第四速度，确定所述目标在当前步的第一速度。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式计算目标在当前步的第二速度：

x_k|k-1＝F_kx_k-1|k-1

其中，x_k|k-1＝[v_k|k-1,a_k|k-1]^T，x_k-1|k-1＝[v_k-1|k-1,a_k-1|k-1]^T，a_k|k-1和a_k-1|k-1分别表示目标在当前步的第二步间加速度和前一步的第一步间加速度，v_k|k-1表示目标在当前步的第二速度，v_k-1|k-1表示目标在前一步的第一速度，F_k表示当前步的第一参数矩阵。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式计算目标在当前步的第三速度：

$v_k=v_0+b\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}{\mathrm{\Δt}}_k\right)$

其中，v_k表示目标在当前步的第三速度，v₀表示运动初始速度，b和T分别表示伸缩变量和运动周期，Δt_k表示当前步的时长。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式计算目标在当前步的第一速度：

x_k|k＝x_k|k-1+K_k(z_k-H_kx_k|k-1)

其中，x_k|k＝[v_k|k,a_k|k]^T，v_k|k和a_k|k分别表示目标在当前步的第一速度和第一步间加速度，K_k表示当前步的更新系数矩阵，z_k和H_k分别表示目标在当前步的第四速度和第二参数矩阵。

根据本发明的一个实施例，利用陀螺仪获取所述目标的角加速度，所述运动角度获取步骤包括：

将所述目标的加速度与角加速度的时间戳对齐；

在各步时长内对所述陀螺仪度数进行求和，得到各步的角加速度；

根据所述各步的角加速度和时长，计算得到目标在各步的运动角度。

根据本发明的一个实施例，所述运动路径生成步骤包括：

根据各步的运动角度计算各步的坐标偏转角；

根据各步的运动角度、坐标偏转角和运动位移，计算所述目标在各步的坐标，从而得到所述目标的运动路径。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式计算所述各步的坐标偏转角：

${\mathrm{\α}}_k={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{k-1}{\mathrm{\θ}}_j$

其中，α_k表示第k步的坐标偏转角，θ_j表示第j步的运动角度。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定所述目标在各步的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_k+s_{k+1}\·\cos ({\mathrm{\α}}_k+{\mathrm{\θ}}_{k+1})\\ y_{k+1}=y_k+s_{k+1}\·\sin ({\mathrm{\α}}_k+{\mathrm{\θ}}_{k+1})\end{array}\right.$

其中，(x_k+1,y_k+1)和(x_k,y_k)分别表示目标在第k+1步和第k步的坐标，s_k+1和θ_k+1分别表示第k+1步的运动位移和运动角度。

本发明带来了以下有益效果：

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的获取目标的运动路径的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的获取目标在当前步的第一速度的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的获取目标在当前步的第一速度的具体流程图；

图4是根据本发明一个实施例的获取目标在各步的运动角度的流程图；

图5是根据本发明一个实施例的确定得到的目标的运动路径示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1示出了本实施例所提供的运动路径生成方法的流程图。

如图1所示，首先在步骤S101中获取目标的加速度，并根据加速度数据获取目标在各步的第一速度。本实施例中，目标在各步的第一速度表示目标从起始点到行进到该步时的平均速度。

以下以获取目标在当前步的第一速度为例进行说明，图2示出了在本实施例中获取目标在当前步的第一速度的流程图。

如图2所示，本实施例中，首先在步骤S201中获取前一步的第一速度；随后在步骤S202中利用前一步的第一速度计算当前步的第二速度；最后在步骤S203中根据目标的加速度分别获取目标在当前步的第三速度和第四速度，并根据当前步的第三速度和第四速度获取当前步的更新系数，根据当前步的更新系数、第二速度和第四速度，即可确定出当前步的第一速度，即目标在当前步的第一速度。

图3示出了在本实施例中获取目标在当前步的第一速度的具体流程图。

本实施例在获取当前步的第一速度时，首先需要获取当前步的第三速度和第四速度。具体地，如图3所示，本实施例在步骤S301中获取目标在各步的加速度数据，即目标在各步的三轴加速度a_x、a_y和a_z。其中，a_y和a_z分别表示目标的行进加速度和竖直加速度。

在步骤S302中，根据竖直加速度a_z计算得到第k步(本实施例中，第k步即为当前步)的时长Δt_k，即目标完成第k步所需时长。具体地，首先对获取到的竖直加速度a_z进行滤波，根据滤波后的第k步的两个相近的加速度极值所对应的时间的时间差，便可以得到第k步的时长Δt_k。

在步骤S303中，根据第k步的时长Δt_k中所采集到的多个行进加速度a_yk可以得到目标在第k步时的行进加速度初始值a_k。具体地，本实施例根据如下表达式计算a_k：

a_k＝σ_ak＝mean(a_yk)       (1)

其中，σ_ak表示第k步的时长Δt_k中所采集到的多个行进加速度a_yk的平均值。

本实施例中，通过在各步的相应时长内采集多个行进加速度，并通过计算这些行进加速度的平均值来得到各步的行进加速度初始值，从而使得得到的行进加速度初始值更为准确，为最终的路径生成结果的准确定提供了保障。当然，需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他合理方式得到目标在第k步时的行进加速度初始值a_k，以保证得到的行进加速度初始值的准确性，本发明不限于此。

在步骤S304中，根据根据第k步的时长Δt_k获取目标在第k步的第三速度v_k。具体地，本实施例中，根据如下表达式计算v_k：

$v_k=v_0+b\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}{\mathrm{\Δt}}_k\right)---\left(2\right)$

其中，v₀表示运动初始速度，b和T分别表示伸缩变量和运动周期。当然，在本发明的其他实施例中，第三速度v_k还可以采用其他合理方式得到，本发明不限于此。

本实施例中，根据目标在第k步时的行进加速度初始值a_k和第三速度v_k，构建目标的第一模型，即x_k＝[v_k,a_k]^T。这样便有：

x_k＝F_kx_k-1+w_k    (3)

其中，F_k和w_k分别表示第k步的第一参数矩阵和***噪声。其中，本实施例中，***噪声w_k服从期望为零、协方差为Q_k的正太分布，即w_k～N(0,Q_k)。

第一参数矩阵F_k可以表示为：

$F_k=\left[\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\Δt}}_k\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

协方差Q_k可以根据如下表达式计算得到：

$Q_k=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\Δt}}_k}{2}& {\mathrm{\Δt}}_k\\ {\mathrm{\Δt}}_k& 1\end{array}\right]\·a_k^2---\left(5\right)$

再次如图3所示，本实施例在步骤S305中根据第k步时的行进加速度初始值a_k和时长Δt_k，计算得到第k步的第四速度z_k。具体地，本实施例根据如下表达式计算第四速度z_k：

z_k＝a_k·Δt_k    (6)

在步骤S306中，根据第k步的第三速度v_k和第四速度z_k，可以计算得到第k步的第二参数矩阵H_k。具体地，本实施例中，根据如下表达式计算第二参数矩阵H_k： $H_k=[\frac{z_k-(v_k-v_0)}{v_k},0]---\left(7\right)$

在步骤S307中，根据目标在第k步时的行进加速度初始值a_k，计算得到第k步的补偿值R_k，该补偿值R_k能够表示速度与加速度线性***之间的关联关系。具体地，本实施例根据如下表达式计算补偿值R_k：

R_k＝sin²(a_k)     (8)

再次如图3所示，在步骤S308中，获取前一步的第一速度v_k-1|k-1，利用前一步的第一速度v_k-1|k-1计算当前步的第二速度v_k|k-1。具体地，本实施例根据如下表达式计算前步的第二速度v_k|k-1：

x_k|k-1＝F_kx_k-1|k-1      (9)

其中，x_k|k-1＝[v_k|k-1,a_k|k-1]^T，x_k-1|k-1＝[v_k-1|k-1,a_k-1|k-1]^T。

在步骤S309中，根据当前步的第二参数矩阵H_k、第二速度v_k|k-1和第四速度z_k确定当前步的第一速度v_k|k。具体地，本实施例中，根据如下表达式计算当前步的第一速度v_k|k：

x_k|k＝x_k|k-1+K_k(z_k-H_kx_k|k-1)      (10)

其中，x_k|k＝[v_k|k,a_k|k]^T，K_k表示当前步的更新系数矩阵，z_k和H_k分别表示当前步的第四速度和第二参数矩阵。

其中，K_k表示当前步(即第k步)的更新系数矩阵。本实施例中，K_k可以根据如下表达式计算：

$K_k=P_{k|k-1}{H}_k^T{(H_k{P}_{k|k-1}{H}_k^T+R_k)}^{-1}---\left(11\right)$

表达式(11)中，P_k|k-1表示当前步的第一协方差矩阵，表示x_k|k-1所对应的协方差，其可以根据如下公式计算得到：

P_k|k-1＝FP_k-1|k-1F^T+Q_k    (12)

表达式(12)中，P_k-1|k-1表示前一步的第二协方差矩阵，表示x_k-k|k-1所对应的协方差。各步的第二协方差绝阵可以根据各步的第一协方差矩阵、更新系数矩阵和第二参数矩阵计算得到。具体地，本实施例中，根据如下表达式计算各步的第二协方差矩阵：

P_k|k＝(I-K_kH_k)P_k|k-1     (13)

由此，便计算得到了目标在各步的第一速度。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的方法在计算当前步的第一速度时，利用加速度计算得到第四速度，利用线性运动方程计算得到第三速度，并利用第四速度来更新***，利用第三速度来限制误差。相较于现有的方法，本方法通过迭代，能够得到误差更小的平均速度，再将该速度用于计算位移，从而得到更加准确的运动位移和路径。

得到目标在各步的第一速度后，在步骤S102中，根据目标在各步的第一速度和时长，便可以得到目标在各步的运动位移。例如，对于目标在第k步的运动位移o_k，其在本实施例中可以根据如下表达式计算：

o_k＝v_k|k·Δt_k     (14)

由于各步的运动位移仅仅能够表征目标在各步的运动长度，而无法确定目标在各步的运动方向，也就无法得到目标的运动路径。所以本实施例在步骤S103中获取目标在各步的角加速度，并根据角加速度确定目标在各步的运动角度。

图4示出了本实施例中获取目标在各步的运动角度的具体流程图，以下以获取目标在第k步的运动角度为例进行说明。

如图4所示，本实施例首先在步骤S401中将获取到的目标的加速度与角加速度的时间戳对齐，这样便将各步的加速度与角加速度对应起来，从而确定出所获取的角加速度所对应的步数。本实施例中，基于陀螺仪度数来获取目标的角加速度。当然，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他合理方式来获取目标的角加速度，本发明不限于此。

在步骤S402中，将第k步的时长内所采集到的陀螺仪度数进行求和，从而得到目标在第k步的角加速度Δγ_k。最后，在步骤S403中，根据目标在第k步的角加速度Δγ_k和时长Δt_k，确定出目标在第k步的运动角度θ_k。其中，该运动角度θ_k表示第k步相对于第k-1步的偏转角度。本实施例中，根据如下表达式计算运动角度θ_k：

θ_k＝Δγ_k·Δt_k     (15)

再次如图1所示，得到目标在各步的运动位移和运动角度后，在步骤S104中便可以根据各步的运动位移和运动角度，确定出目标的运动路径。

具体地，在确定目标的运动路径时，首先根据各步的运动角度计算各步的坐标偏转角。具体地，本实施例根据如下表达式计算第k步的坐标偏转角α_k：

${\mathrm{\α}}_k={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{k-1}{\mathrm{\θ}}_j---\left(16\right)$

随后，根据各步的运动角度、坐标偏转角和运动位移，便可以计算出目标在各步的坐标，即各步结束时目标所处位置相对于初始位置的坐标，从而得到目标的运动路径。本实施例中，根据如下表达式计算第k+1步的坐标(x_k+1,y_k+1)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_k+o_{k+1}\·\cos ({\mathrm{\α}}_k+{\mathrm{\θ}}_{k+1})\\ y_{k+1}=y_k+o_{k+1}\·\sin ({\mathrm{\α}}_k+{\mathrm{\θ}}_{k+1})\end{array}\right.---\left(17\right)$

其中，(x_k+1,y_k+1)和(x_k,y_k)分别表示目标在第k+1步和第k步的坐标，o_k+1和θ_k+1分别表示第k+1步的运动位移和运动角度。图5示出了本实施例中所获取到的目标的运动路径的示意图。

由此，便确定出了目标的运动路径。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的运动路径获取方法能够有效解决现有的运动路径获取方法中存在累积误差的问题，使得获得的运动速度和角度更加准确，从而生成的运动路径更为准确。

本发明所提供的方法在计算当前步的第一速度时，利用加速度计算得到第四速度，利用线性运动方程计算得到第三速度，并利用第四速度来更新***，利用第三速度来限制误差。相较于现有的方法，本方法通过迭代，能够得到误差更小的平均速度，在将该速度用于计算位移，从而得到更加准确的运动位移和路径。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

为了方便，在此使用的多个项目、结构单元、组成单元和/或材料可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。

此外，所描述的特征、结构或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。然而，相关领域的技术人员将明白，本发明无需上述一个或多个具体的细节便可实现，或者也可采用其它方法、组件、材料等实现。在其它示例中，周知的结构、材料或操作并未详细示出或描述以免模糊本发明的各个方面。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种运动路径生成方法，其特征在于，所述方法包括：

运动位移获取步骤，获取目标的加速度，根据所述加速度获取所述目标在各步的第一速度，根据所述第一速度获取所述目标在各步的运动位移；

运动角度获取步骤，获取所述目标的角加速度，根据所述角加速度获取所述目标在各步的运动角度；

运动路径生成步骤，根据所述各步的运动位移和运动角度，确定所述目标的运动路径。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速度包括竖直加速度和行进加速度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述运动位移获取步骤包括：

获取所述目标在前一步的第一速度，利用前一步的第一速度计算所述目标在当前步的第二速度；

根据目标的加速度分别获取所述目标在当前步的第三速度和第四速度，根据所述当前步的第三速度和第四速度计算当前步的更新系数，根据当前步的更新系数、第二速度和第四速度，确定所述目标在当前步的第一速度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据如下表达式计算目标在当前步的第二速度：

x_k|k-1＝F_kx_k-1|k-1

其中，x_k|k-1＝[v_k|k-1,a_k|k-1]^T，x_k-1|k-1＝[v_k-1|k-1,a_k-1|k-1]^T，a_k|k-1和a_k-1|k-1分别表示目标在当前步的第二步间加速度和前一步的第一步间加速度，v_k|k-1表示目标在当前步的第二速度，v_k-1|k-1表示目标在前一步的第一速度，F_k表示当前步的第一参数矩阵。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据如下表达式计算目标在当前步的第三速度：

$v_k=v_0+b\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}{\mathrm{\Δt}}_k\right)$

其中，v_k表示目标在当前步的第三速度，v₀表示运动初始速度，b和T分别表示伸缩变量和运动周期，Δt_k表示当前步的时长。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，根据如下表达式计算目标在当前步的第一速度：

x_k|k＝x_k|k-1+K_k(z_k-H_kx_k|k-1)

其中，x_k|k＝[v_k|k,a_k|k]^T，v_k|k和a_k|k分别表示目标在当前步的第一速度和第一步间加速度，K_k表示当前步的更新系数矩阵，z_k和H_k分别表示目标在当前步的第四速度和第二参数矩阵。

7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，利用陀螺仪获取所述目标的角加速度，所述运动角度获取步骤包括：

将所述目标的加速度与角加速度的时间戳对齐；

在各步时长内对所述陀螺仪度数进行求和，得到各步的角加速度；

根据所述各步的角加速度和时长，计算得到目标在各步的运动角度。

8.如权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述运动路径生成步骤包括：

根据各步的运动角度计算各步的坐标偏转角；

根据各步的运动角度、坐标偏转角和运动位移，计算所述目标在各步的坐标，从而得到所述目标的运动路径。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据如下表达式计算所述各步的坐标偏转角：

${\mathrm{\α}}_k={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{k-1}{\mathrm{\θ}}_j$

其中，α_k表示第k步的坐标偏转角，θ_j表示第j步的运动角度。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，根据如下表达式确定所述目标在各步的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_k+s_{k+1}\·\cos ({\mathrm{\α}}_k+{\mathrm{\θ}}_{k+1})\\ y_{k+1}=y_k+s_{k+1}\·\sin ({\mathrm{\α}}_k+{\mathrm{\θ}}_{k+1})\end{array}\right.$

其中，(x_k+1,y_k+1)和(x_k,y_k)分别表示目标在第k+1步和第k步的坐标，s_k+1和θ_k+1分别表示第k+1步的运动位移和运动角度。