CN105102928B - 惯性装置、方法和程序 - Google Patents

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Abstract

公开了一种惯性装置，具有能够操作来输出水平方向上的加速度和垂直方向上的加速度的传感器，所述惯性装置包括：检测单元，配置来检测表示垂直方向上的加速度相对于时间的波形中的拐点并且配置来检测拐点处的时间；计算单元，配置来在以拐点处的时间为中心的预定周期中使用水平方向上的加速度来计算水平方向上的速度；判断单元，配置来判断速度是否小于或等于阈值；以及估计单元，配置来响应于由判断单元的、速度小于或等于阈值的判断通过使用速度来估计具有惯性装置的目标移动的方向。

Description

惯性装置、方法和程序
技术领域
本公开的一个方面涉及一种惯性装置、方法和程序。
背景技术
在全球定位***(GPS)不能用于测量位置的地点，例如建筑物或地下，使用行人航位推算(PDR)技术以便估计行人关于包括加速度传感器和磁场传感器的惯性装置的位置。
使用PDR的传统方法通过在惯性装置中执行的计算来估计移动方向和位置，所述惯性装置贴附且固定于用户的身体，以限制惯性装置的移动(专利文献1至4)。
另一方面，代替将惯性装置贴附且固定于用户的身体，传统方法通过使用从高性能的惯性传感器(例如，加速度传感器、角速度传感器(陀螺仪)、磁场传感器等)通过高负载计算来估计方向和位置(专利文献5、6)。这种计算包括傅立叶变换(FT)或主分量分析，以便使用由传感器获得的加速度或角速度来估计方向。
然而，传统的惯性装置并不方便，因为该装置需要被固定于目标(例如用户)。此外，由于不需要被固定的惯性装置必须具有高性能，所以惯性装置往往成本较高，并且难以减少惯性装置的尺寸。
发明内容
在一个方面，本公开提供了一种大体上消除了由现有技术的限制和缺陷所导致的一个或多个问题的惯性装置、方法和程序。
在本公开的一个方面，提供了一种惯性装置，所述惯性装置具有加速度传感器，所述加速度传感器能够操作来输出水平方向上的加速度和垂直方向上的加速度，所述惯性装置包括：检测单元，配置来检测表示垂直方向上的加速度相对于时间的波形中的拐点并且配置来检测拐点处的时间；计算单元，配置来在以拐点处的时间为中心的预定周期中使用水平方向上的加速度来计算水平方向上的速度；判断单元，配置来判断速度是否小于或等于阈值；以及
估计单元，配置来响应于由判断单元的、速度小于或等于阈值的判断通过使用速度来估计具有惯性装置的目标移动的方向。
根据本发明的另一实施例，提供了一种方法，由具有加速度传感器的惯性装置来进行，所述加速度传感器能够操作来输出水平方向上的加速度和垂直方向上的加速度，所述方法包括：检测表示垂直方向上的加速度相对于时间的波形中的拐点并且配置来检测拐点处的时间；计算单元，配置来在以拐点处的时间为中心的预定周期中使用水平方向上的加速度来计算水平方向上的速度；判断单元，配置来判断速度是否小于或等于阈值；以及估计单元，配置来响应于由判断单元的、速度小于或等于阈值的判断通过使用速度来估计具有惯性装置的目标移动的方向。
根据本发明的另一实施例，提供了一种程序，用于使具有加速度传感器的惯性装置进行方法，所述加速度传感器能够操作来输出水平方向上的加速度和垂直方向上的加速度，所述方法包括：检测表示垂直方向上的加速度相对于时间的波形中的拐点并且配置来检测拐点处的时间；计算单元，配置来在以拐点处的时间为中心的预定周期中使用水平方向上的加速度来计算水平方向上的速度；判断单元，配置来判断速度是否小于或等于阈值；以及估计单元，配置来响应于由判断单元的、速度小于或等于阈值的判断通过使用速度来估计具有惯性装置的目标移动的方向。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的惯性装置的概况的示图。
图2是示出根据本发明的实施例的惯性装置的配置的概况的示图。
图3是示出根据本发明的实施例的惯性装置的功能性配置的框图。
图4是示出计算姿态的步骤的概况的示图。
图5是示出在时间更新步骤中计算姿态(翻滚角、投掷角和偏航角)的操作的示图。
图6是示出在时间更新步骤中计算姿态(翻滚角、投掷角和偏航角)的操作的示图。
图7是示出在时间更新步骤中计算姿态(翻滚角、投掷角和偏航角)的操作的示图。
图8是示出在第一测量更新步骤中计算姿态(翻滚角和投掷角)的操作的示图。
图9是示出在第二测量更新步骤中计算姿态(偏航角)的操作的示图。
图10是示出用于检测峰值的步骤的示图。
图11是示出用于计算转换后的速度的水平分量的步骤的示图。
图12是示出用于计算转换后的速度的水平分量的步骤的示图。
图13是示出判断步骤的示图。
图14是示出用于判断转换后的速度在水平方向上的变化的视图。
图15是示出用于估计移动方向的步骤的示图。
图16是示出用于使用TRIAD算法来计算姿态的步骤的示图。
图17是示出扩展卡尔曼过滤器(现有技术)的方程式的示图。
图18是示出时间更新步骤(现有技术)中所使用的变量的示图。
图19是示出测量更新步骤(现有技术)中所使用的变量的示图。
图20是示出在垂直方向上行走的运动特征的示图。
图21是示出在水平方向上行走的运动特征的示图。
图22是示出在对行走运动和非行走运动进行判断时的移动方向的估计结果的示图。
图23是示出以各种位置握持装置的、移动方向的估计结果的示图。
图24是示出以各种位置握持装置的、移动方向的估计结果的示图。
具体实施方式
本文将参照示例性实施例对本发明进行描述。本领域技术人员将认识到的是，通过运用本发明的教导能够实现很多替代实施例并且本发明并不限于出于示例性目的而示出的这些实施例。
应注意的是，在附图的说明中，相同的组件被给予相同的参考标记，并且进行重复性说明。
1.概况
图1是示出根据本发明的实施例的惯性装置的概况的示图。图1示出了一用户，其携带惯性装置1行走。在本说明书中，该用户行走的方向被表示为x轴，与x轴垂直的且与地面平行的方向被表示为y轴，并且与x轴和y轴垂直的方向被表示为z轴。
惯性装置1是便携的，并且可由用户携带(例如手机、智能电话、个人数字助理或笔记本PC)。惯性装置1具有在普通智能电话中实现的惯性传感器(例如加速度传感器、角速度传感器、磁场传感器等)。惯性装置1可以检测加速度和角速度的变化以及惯性装置1的方向。
根据本发明的实施例的惯性装置1可以根据需要获得传感器数据，该传感器数据包括三个轴上的加速度(3轴加速度)、三个轴上的角速度(3轴角速度)、以及三个轴上的磁场强度(3轴磁场强度)。坐标系取决于装置或传感器类型，该坐标系被称作“装置坐标系”。因此，在装置坐标系中所获得的测量值被转换为绝对坐标系。
惯性装置1可以获得绝对坐标系中转换后的加速度(向量)。特别地，惯性装置1可以通过转换坐标系并且从转换后的传感器数据中去除重力来根据传感器数据获得加速度(转换后的3轴加速度)的垂直分量和水平分量。惯性装置2可以一波形来识别在转轴脚落在地面上之后目标的一只脚跨过另一只脚的时间，所述波形指示根据需要所获得并存储的转换后的3轴加速度在垂直方向上的转换后的加速度的变化。由于该时间指示低拐点(低峰值)在波形中出现的时间，所以该时间被称作“峰值时间”或“峰值位置”。
接下来，惯性装置1可以在以峰值位置为中心的预定周期中对转换后的加速度的水平分量进行积分。这里，所计算的值被称作“转换后的速度向量的水平分量”。惯性装置1可以通过使用转换后的速度向量的经计算的水平分量来判断所获的数据是否指示目标的实际行走运动(或移动动作)；目标的活动动作的周期；以及转换后的加速度的垂直分量的峰值或峰值幅度(垂直方向上的峰值加速的值)。这里，目标的活动动作的周期被称作“活动周期”。活动周期的示例是人的行走周期。此外，目标的实际行走运动或移动动作被简单地表示为“行走运动”(尽管包括除了“行走”以外的任何动作)。
接下来，当惯性装置1判断出数据从实际行走运动获得时，惯性装置1可以以获得该数据的时间为中心结合转换后的速度向量的水平分量，并且惯性装置1可以根据需要计算指示用户迈步的移动方向向量。接下来，惯性装置1可以估计由最新的移动方向向量与之前的方向向量的结合所指示的移动方向。
通过这种方式，由于惯性装置1可以估计移动方向而无需傅立叶变换(FT)或主分量分析，所以惯性装置1无需由于目标的行走运动的加速度信号的低频率而进行高速率传感器采样。此外，由于惯性装置1无需针对多个行走步数进行FT，所以提高了每一步所估计的移动方向的准确性并改善了所述估计的响应。能够降低成本并且减少装置的尺寸。
此外，由于用户持有所述惯性装置的方式并不受限，所以可改善易用性。当所述惯性装置为用户提供导航功能时，该优点尤其有益。
惯性装置1可以被实现为除了上述装置以外的、诸如音乐播放器、健康监视器、手表等这样的装置。此外，惯性装置1可被合并至另一装置(例如行走机器人或动物的项圈)中。能够估计在特定周期中沿垂直方向运动的、各种类型的生物或物体的移动方向。
2.硬件配置
图2是示出根据本发明的实施例的惯性装置1的配置的概况的示图。在图2中所示的示例中，惯性装置1被实现为诸如智能电话这样的移动装置。
惯性装置1具有CPU 11、RAM 12、ROM 13、加速度传感器14、角速度传感器15、磁场传感器16、麦克风17、扬声器18、通信模块19、蓝牙(TM)通信模块20、GPS接收器模块21、显示器22、触摸面板23、电池24、气压传感器25以及总线26。
CPU 11可以执行控制感性装置1的程序。RAM 12可以作为CPU 11的工作区域来工作。ROM 13可以存储有CPU 11执行的程序以及执行所述程序所需要的数据。加速度传感器14可以检测在由惯性装置1所使用的装置坐标系中沿X’轴、Y’轴和Z’轴的加速度。角速度传感器15(或陀螺仪)可以检测在由惯性装置1所使用的装置坐标系中沿X’轴、Y’轴和Z’轴的角速度。磁场传感器16可以输出使罗盘指向北的3维向量并且可以被用于检测惯性装置1的向X。气压传感器25可以测量气压并且检测惯性装置1的海拔高度。
麦克风17可以将声音转换成电信号。扬声器18可以将电信号输出为声音。通信模块19可以经由3G网络和/或无线LAN与其它装置进行通信。蓝牙(TM)通信模块20可以使用蓝牙协议与其它装置进行通信。GPS接收器模块21可以接收从GPS卫星或室内消息***(IMES)发送器所发送的定位信号。
显示器22可以为用户提供屏幕。触摸面板23可以接收来自用户的输入。电池24可以将电力提供给惯性装置1。总线26可以将上述装置(除了电池24)彼此连接。
麦克风17、扬声器18、通信模块19、蓝牙(TM)通信模块20、GPS接收器模块21、显示器22、触摸面板23以及气压传感器25对于惯性装置1而言是可选元件。例如，当惯性装置1被实现为不需要显示屏的健康监视器时，惯性装置1不需要具有这些通信模块。
可选择地，惯性装置1可以具有根据其它通信协议(例如ZigBee(TM))的通信装置来代替蓝牙(TM)通信模块20。
3.功能
图3是惯性装置1的功能配置的框图。惯性装置1的功能可以大体上被划分成“改变坐标系”功能以及“估计移动方向”功能。
3.1 改变坐标系
坐标系转换单元100对惯性装置1进行坐标系的转换，所述坐标系转换单元11具有加速度获取单元101、角速度获取单元102、磁场获取单元103、姿态计算单元104、磁场可靠性评估单元105以及绝对加速度转换单元107。坐标系转换单元100可以将从加速度传感器104所获得的、装置坐标系中的3轴加速度转换成绝对坐标系中的绝对加速度。
绝对坐标系被用于处理由各种类型的传感器所测量的坐标值，所述绝对坐标系包括由GPS所使用的世界测地***1984(WGS84)以及诸如通用横轴墨卡托坐标(UTM)系这样的正交坐标系。因此，在绝对坐标系中，目标的位置或方向可由与在空间中所固定的起点的距离关系来表示。绝对坐标系被称作“世界坐标系”。另一方面，装置坐标系被称作“身体坐标系”，所述装置坐标系将起点定义为惯性装置1内部的一点，并且定义彼此正交的三个轴(即x轴、y轴和z轴)。
加速度获取单元101可以获取由加速度传感器14所检测的三轴加速度的变化。
角速度获取单元102可以获得由角速度传感器15所检测的三轴角速度的变化。这里，可以在装置坐标系中与加速度共同获取角速度。
磁场获取单元103可以获取指向磁北的三维磁场向量，所述三维磁场向量由磁场传感器106检测。通过这种方式，磁场获取单元103可以得到惯性装置1的方向。这里，可以在装置坐标系中与加速度共同获取所述方向。
姿态计算单元104可以通过使用由加速度获取单元101、角速度获取单元102以及磁场获取单元103所获得的传感器数据来计算惯性装置1的当前姿态，并且姿态计算单元104可以通过对所计算的姿态数据(旋转矩阵)进行逆矩阵计算来计算逆旋转矩阵106。
由于室内环境中的环境磁场，所以由磁场获取单元103所获得的数据可能是不可靠的。因此，姿态计算单元104可以仅在磁场可靠性评估单元105(稍后说明)判断出所述数据可靠时才使用由磁场获取单元103所获得的数据。
姿态计算单元104可以使用本领域(见非专利文献1、2，图17和18)中通常使用的扩展卡尔曼过滤器来计算表示惯性装置1的姿态的矩阵，并且姿态计算单元104可以对矩阵进行逆变换。下文对详细步骤进行说明。
扩展卡尔曼过滤器的一般方程式
图17是示出扩展卡尔曼过滤器的方程式的示图。在卡尔曼过滤器的计算中，执行“时间更新”和“测量更新”步骤以便推进时间步(time step)。在时间更新步骤中，根据在前一时刻的估计状态来计算当前时刻的估计状态。在测量更新步骤中，使用当前时刻的测量来校正估计值，从而可以估计更准确的状态。通过重复这些步骤，最佳状态变量被估计。
图18是示出时间更新步骤(现有技术)中所使用的变量的示图。对所述变量进行说明，所述变量与图17中所示的、名称为“时间更新”的框中的方程式(1)-(3)相对应。这里，“k”表示离散的步时间，并且“k-1”表示前一步的时间。
图19是示出测量更新步骤中所使用的变量的示图。对所述变量进行说明，所述变量与图17中所示的、名称为“测量更新”的框中的方程式(1)-(6)相对应。
扩展卡尔曼过滤器的应用
姿态计算单元104可以使用扩展卡尔曼过滤器中的时间更新步骤来对从角速度传感器15所获得的姿态数据(翻滚角、投掷角以及偏航角)进行更新。此外，姿态计算单元104可以使用扩展卡尔曼过滤器中的测量更新步骤来对从加速度传感器14所获得的姿态数据(翻滚角和投掷角)进行更新(下文称作“第一测量更新步骤”)。此外，姿态计算单元104可以使用测量更新步骤来对从磁场传感器16所获得姿态数据(偏航角)进行更新(下文称作“第二测量更新步骤”)。
通过这种方式，姿态计算单元104可以形成七种状态的扩展卡尔曼过滤器。姿态计算单元104可以重复执行时间更新步骤并且并列重复执行两个测量更新步骤，并且估计姿态和陀螺仪零点偏压值。
四元组向量具有四个变量，并且可以表示物体的姿态。使用翻滚角、投掷角和偏航角的姿态表示具有关于称作“万向锁”(Gimbal Lock)的奇异点的问题，但是所述四元组可以表示任何姿态，而没有奇异点。陀螺仪零点偏压值可以通过使用与三个轴相对应的三个变量bxk、byk、bzk(b是常数)来表示。
在下文中，对上述三个步骤(1)至(3)进行说明。
时间更新步骤
首先参照图5-7，对扩展卡尔曼过滤器中的时间更新步骤进行说明。姿态计算单元104可以执行该步骤，并且通过将陀螺仪输出值用作稍后说明的状态估计模型中的输入来根据扩展卡尔曼过滤器中的时间更新步骤来进行时间积分。通过这种方式，获得更新后的四元组向量q以及误差协方差矩阵P(翻滚角、投掷角和偏航角)。
图5是示出扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的、根据本发明的实施例的***状态估计模型的(1)变量的示图。这里，通过使用四元组向量和陀螺仪零点偏压值来将当前的状态估计值定义为图5中的方程式(1)-1。
xk|k-1＝[wk xk yk zk bxk byk bzk]T
通过使用角速度传感器的输出值(ω0xk、ω0yk、ω0zk)(弧度/每秒)来将输入值uk定义为图5中的方程式(1)-4。
因此，所述值(ω0xk、ω0yk、ω0zk)指示其中零点值被减去(subtracted)的角速度，并且没有偏移。***状态估计模型由图5中的方程式(1)-5来表示，其中C1、C2、C3是常数。
图6是示出扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的、根据本发明的实施例的时间更新步骤中(2)偏微分矩阵(雅可比行列式)的示图。如图5中所示，***状态估计模型由方程式(1)-5表示。方程式(1)-5的右侧是“f”。因此，右侧的偏微分的结果是时间更新步骤中的偏微分矩阵。
图7是示出扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的、根据本发明的实施例的误差协方差模型Pk|k-1的示图。处理噪声Qk预先在***识别处理中判断。
通过使用处理噪声Qk、前一步的误差协方差矩阵、时间更新步骤中的偏微分矩阵(雅克比行列式)以及其转置矩阵Fk T(图7中的方程式(3)-5)可以计算当前时刻的误差协方差矩阵Pk|k-1。当前时刻的误差协方差矩阵Pk|k-1以及矩阵Pk-1|k-1具有作为实数的、7×7个要素。
姿态计算单元104可以使用上述模型和变量来执行扩展卡尔曼过滤器中的时间更新步骤；计算绝对坐标系中的惯性装置1的姿态；并且计算指示姿态的矩阵的逆旋转矩阵。
第一测量更新步骤
图8示出了图示扩展卡尔曼过滤器中的第一测量更新步骤的示图。通过执行该步骤，姿态计算单元104可以将由加速度获取单元101所获得的水平方向上的角数据与本四元组向量的水平角数据进行比较，并且姿态计算单元104可以校正差异。
图8示出了在扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的(1)观测残差中所包括的变量。
首先，前一步的观测值(向量)h由图8中的方程式(1)-3表示。
根据三维旋转矩阵(4×4)以及要素所获得的、上述方程式中所包括的要素被预先确定。观测值(向量)zk由图8中的方程式(1)-2表示。
这里，值(ax、ay、az)从加速度传感器14输出，所述至由加速度获取单元101获得。通过使用上述h和zk，如下所示来计算观测残差。
扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的测量更新步骤Hk中的(2)偏微分矩阵(雅克比行列式)通过计算图8中的方程式(1)-3中所示的观测值h的偏微分来获得。
通过使用观测噪声(矩阵)Rk、测量更新步骤中的偏微分矩阵Hk、其转置矩阵Hk T、以及当前时刻的误差协方差矩阵Pk|k-1来计算扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的(3)残差协方差Sk。
这里，值(r1、r2、r3)是针对加速度传感器14的装置评估处理中确定的方差。
通过使用当前时刻的误差协方差矩阵Pk|k-1、测量更新步骤中的偏微分矩阵的转置矩阵Hk T、以及残差协方差的逆矩阵Sk -1来计算扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的(4)卡尔曼增益Kk。Kk具有作为实数的、7×3个要素。
相似地，通过使用上述变量来计算扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的(5)状态估计值xk|k以及(6)更新后的误差协方差矩阵Pk|k。
姿态计算单元104通过使用上述模型和变量可以执行扩展卡尔曼过滤器中的测量更新步骤；将水平方向的角数据与本四元组向量的水平角数据进行比较；并且校正差异(仅针对翻滚角和投掷角)。
第二测量更新步骤
图9是示出扩展卡尔曼过滤器的第二测量更新的示图。姿态计算单元104可以从磁场可靠性评估单元105(稍后说明)接收通知，该通知指示由磁场获取单元103所获得的数据是可靠的。当来自磁场获取单元103的数据可靠时，姿态计算单元103可以通过使用根据姿态数据所计算的偏航角来执行第二测量更新步骤，以校正四元组向量的偏航角分量，所述姿态数据通过TRIAD算法来获得。稍后对TRIAD算法进行说明。
与图8一样，图9示出了扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中(1)观测残差中所包括的变量。
与图8一样，前一步的观测值(向量)h由图9中的方程式(1)-3表示。另一方面，观测值(向量)zk由图9中的方程式(1)-2表示。
上述向量指示由TRIAD算法所计算的偏航角方向。
与第一测量更新步骤一样，扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的测量更新中(2)偏微分矩阵(雅可比行列式)Hk通过计算前一步h的观测值的偏微分来获得。
通过使用观测噪声(矩阵)Rk、测量更新中的偏微分矩阵Hk、其转置矩阵Hk T、以及当前时刻的误差协方差矩阵Pk|k-1来计算扩展卡尔曼过滤器的一般方程式中的(3)残差协方差Sk。
这里，值(T1、T2、T3)是针对磁场传感器16的装置评估处理中确定的方差。
此外，(4)卡尔曼增益Kk、(5)更新后的状态估计值xk|k、以及(6)更新后的误差协方差矩阵Pk|k的计算与第一测量更新步骤相同。
磁场可靠性评估单元105可以判断出经由磁场获取单元103从磁场传感器16所获取的磁场向量是可靠的，并且磁场可靠性评估单元105可以将该结果发送至姿态计算单元104。已知，来自磁场传感器16的传感器数据的精度可根据地磁以及传感器装置周围的环境磁场的变化而下降。磁场可靠性评估单元105可以对该效果进行评估并且判断传感器数据是否可靠。在下文中，对该判断处理进行说明。
磁场可靠性评估单元105获得第一姿态数据(四元组)，该第一姿态数据是已经经由上述步骤所获取的最新的姿态数据。接下来，磁场可靠性评估单元105通过使用加速度的参考向量和地磁的参考向量以及由磁场获取单元103所获得的磁场向量根据TRIAD算法来获取第二姿态数据(四元组)。表示垂直向下方向的、加速度的参考向量和地磁的参考向量是经工厂配置的或由用户配置。
使用TRIAD算法来计算姿态
图16是示出步骤的示图，该步骤由磁场可靠性评估单元105来进行以根据已知的TRIAD算法来计算第二姿态数据。
在步骤S10，在装置出厂之前或者响应于用户的指令来进行初始处理，并且存储参考向量AccRef和MagRef。AccRef指示加速度的垂直向下分量，并且MagRef是磁场向量。可以根据下文步骤S20所说明的四元组来计算指示加速度的垂直向下分量的向量。磁场向量指向磁场从磁场传感器输入的罗盘北极。该步骤仅在装置出厂之前进行或者响应于用户的指令进行。因此，如果不执行初始处理，则参考向量保持相同的值。
在步骤S20，磁场可靠性评估单元105将指示惯性装置1的最新姿态的最新四元组向量(4×1)转换成指示垂直分量(向下的方向)的1×3(即1行、3列)矩阵AccFrame。
在步骤S30，磁场可靠性评估单元105通过使用AccFrame以及指示由磁场传感器所获取的磁场向量的矩阵MagFrame来计算3×3矩阵MagFrameM。
在步骤S32，磁场可靠性评估单元105通过对AccFrame和MagFrame进行外积并且使所计算的结果标准化来计算矩阵AccCrossMag。
在步骤S34，磁场可靠性评估单元105通过对AccFrame和AccCrossMag进行外积并且对所计算的结果标准化来计算矩阵AccCrossAcM。
在步骤S36，磁场可靠性评估单元105通过使用AccFrame、在步骤S32计算的AccCrossMag以及在步骤S34计算的AccCrossAcM来计算3×3矩阵MagFrameM。
在步骤S40，磁场可靠性评估单元105通过使用AccRef和MagRef来计算3×3矩阵MagRefM。
在步骤S42，磁场可靠性评估单元105通过对AccRef和MagRef进行外积并且使所计算的结果标准化来计算矩阵MagCrossAcc。
在步骤S44，磁场可靠性评估单元105通过对AccRef和MagCrossAcc进行外积并且使所计算的结果标准化来计算矩阵MagCross。
在步骤S46，磁场可靠性评估单元105通过将AccRef与分别被转置的、在步骤S42计算的MagCrossAcc和在步骤S44计算的MagCross合并来产生3×3矩阵MagRefM。
在初始化之后，可以在AccRef和MagRef被改变时进行步骤S40(S42-S46)。因此，磁场可靠性评估单元105可以再利用所存储的MagRefM直到再次进行初始化为止。
在步骤S50，磁场可靠性评估单元105获取MagFrame与MagRefM的内积。所获取的矩阵被称作“mag_triad”(3×3)。mag_triad被用于将装置坐标系转换成绝对坐标系。在TRIAD算法中，三个列被分别称作TRIAD1、TRIAD2和TRIAD3
在步骤S60，磁场可靠性评估单元105对mag_triad(用于在绝对坐标系与装置坐标系之间转换的矩阵)进行逆变换并且将逆变换后的mag_triad转换成四元组。该四元组指示第二姿态数据。
磁场可靠性评估单元105将第一姿态数据的微分值与由上述步骤所计算的第二姿态数据的微分值进行比较，以判断是否存在差异。当不存在差异时(即两个微分值之差小于阈值)，磁场可靠性评估单元105判断出由磁场传感器16所获取的数据(地磁)是可靠的。
此外，磁场可靠性评估单元105可以通过使用下面的标准来提高这种计算的准确性：
-磁场向量的绝对值是否在预定范围内；
-从第一姿态数据和磁场向量所获取的俯角是否在预定范围内；以及
-从第二姿态数据和磁场向量所获取的俯角是否在预定范围内。
可以通过使用由日本地理测绘院所发布的俯角数据和磁场向量的幅度来定义所述范围。
当地磁数据可靠时，使用根据第二姿态数据所计算的偏航角来执行第二测量更新步骤。否则，不执行第二测量更新步骤。
绝对加速度转换单元107将由加速度获取单元101所获得的加速度与由姿态计算单元104所计算的逆旋转矩阵106，以计算绝对坐标系中的三轴加速度。
3.2 估计移动方向
如图3中所示的、执行“估计移动方向”功能的方向估计单元200包括带通过滤器201、峰值检测单元204、峰值位置存储单元205、转换后的加速度存储单元206、转换后的速度的水平分量管理单元207、转换后的加速度的峰值垂直分量管理单元208、转换后的速度的水平分量获取单元209、周期获取单元210、判断单元211以及方向计算单元212。
方向估计单元200可以基于由坐标系转换单元100所获得的、绝对坐标系中的加速度为每个步计算目标的移动方向。
带通过滤器201可以从由坐标系转换单元100输出的三轴绝对加速度中去除重力分量。例如，通带可以是大约1-3Hz，其是行走运动一般频率。注意，所述通带可以根据惯性装置1的目标的行走或移动运动的频率而改变。这里，其中去除了重力分量的绝对加速度被称作“转换后的加速度202”，所述转换后的加速度202由带通过滤器201输出。转换后的加速度202可以存储在转换后的加速度存储单元206中。此外，转换后的加速度的垂直分量被表示为“转换后的加速度的垂直分量203”。转换后的加速度的垂直分量203被传送至峰值检测单元204(稍后说明)。
峰值检测单元204可以测量由带通过滤器201输出的转换后的加速度202的、转换后的加速度的垂直分量203的变化(时间变化)，并且检测波形的低拐点(峰值时间或峰值位置)。检测到的峰值位置被存储在峰值位置存储单元205(稍后说明)中。在下文中，对低拐点的检测方法进行说明。
图10示出了波形，所述波形指示转换后的加速度的垂直分量203(Z)以及转换后的加速度的水平分量(X，Y)的变化，其中横坐标轴指示时间(秒)。如图10中所示，每个波形具有与活动周期(例如行走周期)相对应的周期。具体地，与水平分量相比，转换后的加速度的垂直分量203的波形具有更大的幅度(从-1m/s2至1m/s2)。当目标的脚触碰地面时，上拐点出现。当一只脚跨过另一只脚时，下拐点出现。
图20是示出在垂直方向上行走的运动特征的示图。通常，根据下肢运动，可以将行走运动分类成站立阶段和迈步阶段。在站立阶段，一只脚的脚后跟触碰地面，然后该脚的脚趾抬起离开地面。在迈步阶段，一只脚的脚趾抬起离开地面，然后该脚的脚后跟触碰地面。此外，行走运动以双支撑期为特征。通常，行走运动变慢时，双支撑期的速率增大，并且当行走运动变快时，速率减小。此外，跑步运动消除了双支撑期。并且，当用户走直线时，已知在垂直方向和水平方向上的移动在“站立中(mid stance)”阶段中最大。
站立中阶段的前一半包括这样的运动：抬起的脚跨过转轴脚(抬起的脚跨过身体的躯干下方的点)。身体向上方向移动，并且在垂直的上方向出现转换后的加速度。另一方面，站立中阶段的后一半包括这样的运动：抬起的脚触碰地面。身体向下方向移动，并且在垂直的下方向出现转换后的加速度。
图21是示出在水平方向上行走的运动特征的示图。站立中阶段的前一半中的、转换后的加速度的水平分量受到当由于向目标位置移动而抬起脚时的加速度的影响；以及受到由重心的移动所造成的摇摆所导致的加速度的影响。另一方面，站立中阶段的后一半中的、转换后的水平分量受到当由于向目标位置移动而抬起脚时的加速度的影响；以及受到由重心的移动所造成的摇摆所导致的加速度的影响。因此，在站立中阶段的后一半中，并未观察到用以抬起脚所需的、转换后的加速度。
相应地，根据本发明的实施例的惯性装置1可以通过使用站立中阶段的前一半中的转换后的加速度来估计移动方向，所述转换后的加速度反映用于抬起脚以移动目标的身体的加速度。
因此，惯性装置1可以通过使用信号阈值来检测转换后的加速度的垂直分量203中的下拐点并且测量行走脚步。由于上拐点处(即脚触碰地面)的水平方向的转换后的加速度可能包括由于该触碰所导致的波动和噪声，所以下拐点被用于检测行走步。下拐点处的水平方向的转换后的加速度较少地收到脚的触碰的影响，并且可以更准确地表示由于行走运动所造成的实际加速度。
在转换后的加速度的垂直分量203下降低于预定阈值Th之后，峰值检测单元204可以通过检测如下运动来检测峰值(拐点)：转换后的加速度的垂直分量203超过Th。这里，峰值检测单元204可以通过计算在转换后的加速度的垂直分量203下降低于Th时的时间ta与转换后的加速度的垂直分量203超过Th时的时间tb之间的中间时间来指定峰值位置。例如，Th可以是在实际行走运动中所观察到的转换后的加速度的垂直分量的值的一半。可以使用任何其它方法来检测峰值位置。
此外，通过存储过去的峰值位置，峰值检测单元204可以计算峰值间隔，该峰值间隔指示过去的峰值位置与当前的峰值位置之间的时间间隔。
峰值位置存储单元205可以存储由峰值检测单元204所检测的峰值位置。峰值位置存储单元205通过使用环形缓冲区存储过去的峰值位置和最新的峰值位置。峰值位置存储单元205至少存储最新的峰值位置和前一峰值位置。峰值位置由稍后获得的峰值位置更新。在峰值位置存储单元205中存储的峰值位置的数量可以根据惯性装置1的存储容量而调整。
转换后的加速度存储单元206可以将时间数据加入由带通过滤器201所输出的转换后的加速度202，并且将它们存储为时序数据。
当峰值检测单元204检测到峰值位置时，转换后的速度的管理单元207的水平分量可以针对以峰值位置为中心的预定周期(τ)中的每个分量(x和y)对转换后的加速度的水平分量进行积分。速度被称作“转换后的速度的水平分量”。转换后的速度的水平分量被表示为向量，该向量指示方向的相对值以及速度的幅度。转换后的速度的水平分量管理单元207可以存储一组转换后的速度的水平分量和时间t。因此，转换后的速度的水平分量管理单元207具有计算转换后的速度的水平分量的功能；以及存储转换后的速度的水平分量的功能。
图11示出了指示转换后的垂直分量203和转换后的加速度的水平分量的变化的波形，所述波形与图10中所示的波形相对应。在该示例中，转换后的速度的水平分量管理单元207可以在以根据转换后的加速度的垂直分量203的波形所检测到的峰值位置t1、t2和t3为中心的预定周期(τ)中相对于时间对转换后的加速度的水平分量进行积分，并且可以计算转换后的速度V1、V2、V3的水平分量。
期望周期(τ)小于或等于(tb-ta)。这是以往内，如果转换后的速度的水平分量管理单元207在整个时域进行积分，则其结果可能受到由于行走运动所导致的摇摆所产生的加速度以及由脚后跟触碰地面时的波动所产生的加速度的影响，并且转换后的速度的水平分量管理单元207无法正确地估计移动方向。
当一只脚跨过转轴脚时，转换后的速度的水平分量可以由上述峰值检测步骤以及后续步骤生成。所生成的特征可以由指示速度的方向和幅度的、转换后的速度向量的水平分量表示。如图12中所示，转换后的速度向量的水平分量指示当一只脚跨过转轴脚时目标的身体从一侧向另一侧移动的方向(移动方向)和幅度。
转换后的加速度的峰值垂直分量管理单元208可以获得在转换后的加速度的垂直分量203中的峰值位置(时间)处的转换后的加速度(下文称作“转换后的加速度的峰值垂直分量”)，并且可以将转换后的加速度传送至判断单元211(稍后说明)。
转换后的速度的水平分量获取单元209可以从转换后的速度的水平分量管理单元207获得转换后的速度的最新的水平分量和前一水平分量，并且可以将所获得的、转换后的速度的水平分量传送至判断单元211。
周期获取单元210可以从峰值位置存储单元205获得多个峰值位置并且可以获得目标的移动周期(例如行走周期)。此外，周期获取单元210可以通过计算峰值位置的差异来获得最新的移动周期和过去的移动周期。周期获取单元210可以将所获得的移动周期传递至判断单元211(稍后说明)。
通过执行图13中所示的步骤，判断单元211可以对源自实际行走运动的、上述步骤中所获得的各种数据进行判断。行走运动包括由目标所进行的移动运动，所述移动运动包括行走运动以及跑运动。另一方面，非行走运动包括自愿或非自愿的摇动惯性装置1的运动或者由外界环境(例如，目标被移动物体运送)所引起的加速度所造成的运动。在下文中，对图13中所示的步骤进行说明。
在步骤S100，判断单元211判断从转换后的加速度的峰值垂直分量管理单元208所获得的转换后的加速度的峰值垂直分量是否落在预定范围内。如果是，则所述步骤进入步骤S200。否者，所述步骤进入步骤S600，并且判断单元211判断出检测到的运动(即数据)源自非行走运动。关于转换后的加速度的峰值垂直分量的预定范围可以根据测量目标的特征(例如，行人的行走特征)由惯性装置1的提供商或用户来预先配置。
接下来，在步骤S200，判断单元211判断从转换后的速度的水平分量管理单元207所获得的转换后的速度的水平分量的幅度是否落在预定范围内。如果是，则所述步骤进入步骤S300。否则，所述步骤进入步骤S600，并且判断单元211判断出检测到的运动源自非行走运动。转换后的速度的水平分量的预定范围可以根据测量目标的特征(例如，行人的行走特征)由惯性装置1的提供商或用户来预先配置。
接下来，在步骤S300，判断单元211判断从周期获取单元210获得的移动周期是否落在预定范围内。如果是，则所述步骤进入步骤S400。否则，所述步骤进入步骤S600并且判断单元211判断出检测到的运动源自非行走运动。移动周期的预定范围可以根据测量目标的特征(例如，行人的行走特征)由惯性装置1的提供商或用户来预先配置。
接下来，在步骤S400，判断单元211判断水平方向上的移动的幅度是否落在预定范围内。如果是，则所述步骤进入步骤S500。否则，所述步骤进入步骤S600，并且判断单元211判断出检测到的运动源自非行走运动。
这里，参照图14，对水平方向上的速度的变化进行说明。如图14(a)中所示，在行走运动中，当用户使用右脚向前迈步时，在右方向上出现转换后的速度向量，并且当用户使用左脚向前迈步时，在左方向出现转换后的速度向量。为了识别该运动，判断单元211判断出转换后的速度向量的水平分量满足那些特征。
首先，如图14(b)中所示，判断单元211将转换后的速度向量的水平分量的起始点与转换后的速度向量的水平分量的结束点结合。接下来，判断单元211计算Vn向量的连线中心与每个Vn向量的结束点之间的距离dn。接下来，判断单元211判断dn是否落在预定范围内，如果是，则判断单元211判断出该运动源自实际行走运动。关于dn的预定范围可以根据测量目标的特征(例如，行人的行走特征)由惯性装置1的提供商或用户来预先配置。
在步骤S500，判断单元211判断出运动源自实际行走运动。
在步骤S600，判断单元211判断出检测到的运动源自非行走运动。
注意，可以省略上述步骤S100至S400中的一个或多个步骤。然而，当执行全部步骤时，惯性装置1可以准确估计移动方向。
当判断单元211判断出检测到的运动源自行走运动时，方向计算单元212可以进行下文的步骤以估计每一步的移动方向。
当用户的行走运动从零步过渡至第一步时，方向计算单元212从转换后的速度的水平分量获取单元209获得转换后的速度向量的水平分量V1(见图15(a))。接下来，当用户的行走运动从第一步过渡至第二步时，方向计算单元212从转换后的速度的水平分量获取单元209获得转换后的速度向量的水平分量V1(见图15(a))。
接下来，方向计算单元212是向量V0、V1标准化以获得向量V0’、V1’。方向计算单元212计算所获得的向量V0’、V1’的合成向量，并且使用合成向量的方向来为每一步估计移动方向213。当用户向前移动一步时，执行上述步骤。
结果，对测量目标的位置进行测量的外部应用可以使用由方向估计单元200输出的移动方向213来估计该目标的当前位置。所述应用可以假定：所述目标向由方向计算单元212所计算的合成向量(V0’+V1’)所指示的方向移动预定的时间以估计当前位置。
通过这种方式，根据本实施例的惯性装置1可以使用从通常在智能电话中使用的惯性传感器获得的传感器数据来为每一步估计惯性装置1的测量目标的移动方向。因此，由于不进行传统PDR方法中所使用的傅立叶变换(FT)或主分量分析，所以其消除了对高计算性能的需要。这使得进行高速率采样的高性能惯性传感器不是必要的，并且可以降低惯性装置1的成本。
此外，为了为每一步估计移动方向，惯性装置1使用水平方向上的速度向量。通过对以下峰值位置(拐点)为中心的预定周期中的、绝对坐标系中的加速度进行积分来计算该速度向量。由于惯性装置1使用当用户沿一方向将脚向前迈步时所产生的加速度，所以可以减少由于行走运动所导致的摇摆所产生的加速度以及由当脚后跟触碰地面时的波动所产生的加速度。结果，可以提高所估计的方向的准确性。
此外，惯性装置1评估由磁场传感器所获得传感器数据，并且当该传感器数据可靠时，惯性装置1使用该传感器数据来校正指示惯性装置1的姿态的向量(偏航角)。这使得能够使用磁场传感器数据以高精确度来校正姿态向量。
例如，导航应用可以使用由惯性装置1所估计的移动方向，从而即使诸如GPS这样的外部定位***不工作并且无法测量绝对位置时，也实现了高准确性的PDR。
3.3 移动方向的估计结果
图22是示出在对行走运动和非行走运动进行判断时的移动方向的估计结果的示图。图22示出了当将根据本发明的实施例的惯性装置1握持于右手的用户进行行走运动和非行走运动时移动方向的估计结果。
这里，对行走运动和非行走运动进行说明。首先，握持惯性装置1的用户走直线，然后该用户停止并且在垂直方向上摇晃惯性装置1十次(即非行走运动)。接下来，用户停止大约10秒钟，然后用户沿同一方向走直线。
图22(a)示出了惯性装置1的判断单元211的估计结果。在该示例中，当惯性装置1判断出检测到的转换后的加速度的峰值源于行走运动时，输出行走_检测标记。另一方面，当惯性装置1判断出检测到的转换后的加速度的峰值源自非行走运动时，输出非_行走_检测标记。如图22(a)中所示，该结果恰当地反映出由用户进行的实际运动。
这里，惯性装置1针对实际的非行走运动(摇晃运动10次)检测到11次非行走运动。这意味着惯性装置1针对由实际的非行走运动所导致的噪声(干扰)检测到非行走运动。因此，惯性装置1可以将当用户自愿或非自愿地移动惯性装置1时的非行走运动检测为由用户的动作所导致的次级噪声。
图22(b)示出了基于图22(a)中所示的判断结果由惯性装置1的方向计算单元212所估计的移动方向的估计结果。如图22(b)中所示，仅当检测到行走运动时，才获得移动方向的估计结果。另一方面，当检测到非行走运动时，不输出估计结果。
通过这种方式，根据本发明的实施例的惯性装置1可以避免获得移动方向的错误估计结果。因此，降低了在诸如行人的导航应用这样的、使用估计的移动方向的应用中显示错误位置的可能性。
图23、24是示出以各种位置握持装置的、移动方向的估计结果的示图；图23示出了握持惯性装置1的用户行走的行走路径。图24(a)-(e)在五个不同方面示出了当用户握持惯性装置1时的移动方向的估计结果。
图24(a)示出了当用户在图23中所示的行走路径行走同时在他的手中握持惯性装置1时移动方向的估计结果。
图24(b)示出了当用户在图23中所示的行走路径行走同时在他的胃部区域携带惯性装置1时移动方向的估计结果。
图24(c)示出了当用户在图23中所示的行走路径行走同时将惯性装置1放入他的裤子口袋里时移动方向的估计结果。
图24(d)示出了当用户在图23中所示的行走路径行走同时将惯性装置1放入他的夹克口袋里时移动方向的估计结果。
图24(e)示出了当用户在图23中所示的行走路径行走同时在接电话时将惯性装置1放在他的耳朵附近时移动方向的估计结果。
在图24(a)-(e)中，-180度和+180指示相同的方位角。如图24(a)-(e)中所示，在握持根据本发明的实施例的惯性装置1的不同方面，可以由该装置估计正确的方向。因此，诸如行人的导航应用这样的应用可以提高导航的准确性。
在上述实施例中，在实施例中所说明的每个装置中所执行的程序均可以是诸如CD-ROM、软盘(FD)、CD-R或数字万用盘(DVD)这样的计算机可读记录介质中的可安装形式或可执行形式。
在根据实施例的每个装置上执行的程序可以被存储在与诸如因特网这样的网络连接的计算机上，并且可以通过经由该网络下载而被提供。在根据实施例的每个装置上执行的程序可以通过诸如因特网这样的网络而被提供或被发布。
可选择地，在根据实施例的每个装置上执行的程序可预先被存储在ROM中并被提供。
上述惯性装置、方法和程序并不限于上述实施例，并且在不背离本发明的范围的情况下可以做出各种变化和修改。此外，可以通过结合上述任何元件来形成各种发明。
本申请基于2013年2月1日递交的日本专利申请第2013-018464号以及2013年11月6日递交的日本专利申请第2013-230049号，并要求它们的优先权的权益，通过援引的方式将它们的全部内容并入本文。
[专利文献]
[专利文献1]日本特开专利公报第2003-302419号
[专利文献2]日本特开专利公报第2011-237452号
[专利文献3]日本特开专利公报第2000-97722号
[专利文献4]日本特开专利公报第2002-139340号
[专利文献5]日本特开专利公报第2012-145457号
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[非专利文献1]格雷格韦尔奇和加里毕夏普，“卡尔曼过滤器介绍”，计算机科学系，北加州大学教堂山分校，2006年7月24日
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Claims (11)

1.一种惯性装置，所述惯性装置具有加速度传感器，所述加速度传感器能够操作来输出水平方向上的加速度和垂直方向上的加速度，所述惯性装置包括：
检测单元，配置来检测表示垂直方向上的加速度相对于时间的波形中的低拐点并且配置来检测低拐点处的时间；
计算单元，配置来在以低拐点处的时间为中心的预定周期中使用水平方向上的加速度来计算水平方向上的速度；
判断单元，配置来判断目标在水平方向上的移动的幅度是否小于或等于阈值，所述幅度通过由计算单元所计算的多个速度来计算；以及
估计单元，配置来响应于由判断单元的、移动的幅度小于或等于阈值的判断通过使用速度来估计具有惯性装置的目标移动的方向，
其中所述水平方向上的加速度反映用于抬起脚以移动目标的身体的加速度。
2.根据权利要求1所述的惯性装置，惯性装置还具有角速度传感器和磁场传感器，还包括：
评估单元，配置来判断从磁场传感器的输出是否可靠；以及
操作单元，配置来计算表示惯性装置的姿态的姿态数据，
其中操作单元响应于由评估单元的、输出不可靠的判断通过使用仅从加速度传感器和角速度传感器的输出来计算姿态数据，并且操作单元响应于由评估单元的、输出是可靠的判断除了从加速度传感器和角速度传感器的输出以外还通过使用从磁场传感器的输出来计算姿态数据。
3.根据权利要求2所述的惯性装置，其中评估单元通过将第一姿态数据与第二姿态数据进行比较来判断出从磁场传感器的输出是可靠的，操作单元通过使用从加速度传感器和角速度传感器的输出来计算第一姿态数据，并且操作单元通过使用所计算的第一姿态数据、针对加速度传感器和角速度传感器的输出预先配置的参考数据以及从磁场传感器的输出来计算第二姿态数据。
4.根据权利要求3所述的惯性装置，其中第一姿态数据和第二姿态数据中的每个均由四元组向量表示。
5.根据权利要求4所述的惯性装置，其中当第一姿态数据的微分值与第二姿态数据的微分值之差小于或等于预定值时，评估单元判断出磁场传感器的输出是可靠的。
6.根据权利要求2所述的惯性装置，其中操作单元进行：
第一步骤，用于使用角速度传感器的输出来计算关于翻滚角、投掷角和偏航角的姿态数据；
第二步骤，用于使用加速度传感器的输出来计算关于翻滚角和投掷角的姿态数据；以及
第三步骤，用于使用磁场传感器的输出来计算关于偏航角的姿态数据。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的惯性装置，其中垂直方向上的加速度在拐点为负。
8.根据权利要求7所述的惯性装置，其中，当拐点处的垂直方向上的加速度小于或等于预定值时，估计单元估计出具有惯性装置的目标移动的方向，并且当拐点处的垂直方向上的加速度大于预定值时，估计单元制止对具有惯性装置的目标移动的方向的估计。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的惯性装置，还包括周期获取单元，配置来使用由检测单元所检测到的多个拐点处的时间来获得目标的脚运动的周期，其中，当周期等于或小于预定值时，估计单元估计具有惯性装置的目标移动的方向。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的惯性装置，其中速度由两个向量表示，并且估计单元通过结合所述两个向量来估计方向。
11.一种由具有加速度传感器的惯性装置进行的方法，所述加速度传感器能够操作来输出水平方向上的加速度和垂直方向上的加速度，所述方法包括：
检测表示垂直方向上的加速度相对于时间的波形中的低拐点并且配置来检测低拐点处的时间；
在以低拐点处的时间为中心的预定周期中使用水平方向上的加速度来计算水平方向上的速度；
判断目标在水平方向上的移动的幅度是否小于或等于阈值，所述幅度通过所述计算中计算的多个速度来计算；以及
响应于移动的幅度小于或等于阈值的判断通过使用速度来估计具有惯性装置的目标移动的方向，
其中所述水平方向上的加速度反映用于抬起脚以移动目标的身体的加速度。
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