協(xié)作慣導(dǎo)定位的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種協(xié)作慣導(dǎo)定位。當(dāng)一移動(dòng)設(shè)備的慣導(dǎo)誤差遠(yuǎn)大于鄰近的移動(dòng)設(shè)備時(shí)，它利用鄰近的移動(dòng)設(shè)備來優(yōu)化其慣導(dǎo)位置?；跍y(cè)量出的兩個(gè)設(shè)備之間相對(duì)位置，優(yōu)化后的位置等于鄰近設(shè)備的慣導(dǎo)位置與相對(duì)位置之矢量和。
【專利說明】協(xié)作慣導(dǎo)定位
[0001] 本申請(qǐng)要求申請(qǐng)?zhí)枮?1/830, 105、申請(qǐng)日為2013年6月2日的美國專利申請(qǐng)的優(yōu) 先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及移動(dòng)電子設(shè)備領(lǐng)域，更確切地說，涉及慣導(dǎo)定位。

【背景技術(shù)】
[0003] 慣導(dǎo)定位（dead reckoning)是一種利用一時(shí)間間隔內(nèi)的已知或估算速度、通過該 時(shí)間間隔開始時(shí)的位置來推算該時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)位置的方法。對(duì)于一名攜帶移動(dòng)設(shè)備10 的移動(dòng)用戶來說，慣導(dǎo)定位利用移動(dòng)設(shè)備10的傳感器(包括加速度傳感器和指南針)來定位 (圖1A)?；诩铀俣葌鞲衅鞯淖x數(shù)，移動(dòng)設(shè)備10確定用戶是否走了一步（圖1A和圖1B中 的每個(gè)點(diǎn)代表一步)，并相應(yīng)地算出移動(dòng)用戶的位移?；谥改厢樀淖x數(shù)，移動(dòng)設(shè)備10確定 移動(dòng)用戶每一步伐的方向。這些數(shù)據(jù)-位移和方向-組成了移動(dòng)用戶每一步伐的移動(dòng)矢量 Sit)
[0004] 如圖1A所示，一區(qū)域含有多個(gè)參考點(diǎn)R1、R2···。在每個(gè)參考點(diǎn)處，移動(dòng)設(shè)備10的位 置可以被精確地確定。參考點(diǎn)可以是一路標(biāo)。路標(biāo)具有特別的傳感器讀數(shù)(即傳感器特征)， 其例子包括建筑物入口或電梯。參考點(diǎn)也可以是一地面真實(shí)事件（ground truth event)的 發(fā)生地。地面真實(shí)事件是指為用戶或用戶自己確定移動(dòng)設(shè)備位置的事件，如用戶手動(dòng)輸入 其位置，或獲取一與其位置相關(guān)的圖像。當(dāng)移動(dòng)用戶路過一參考點(diǎn)時(shí)，其定位誤差重新置 零。
[0005] 慣導(dǎo)定位以如下方法估算位置：從一個(gè)參考點(diǎn)開始，慣導(dǎo)定位將一移動(dòng)用戶所有 步伐的移動(dòng)矢量相加，從而估算出他現(xiàn)在的位置(慣導(dǎo)位置)。由于移動(dòng)設(shè)備的傳感器質(zhì)量 較差，慣導(dǎo)位置的誤差(慣導(dǎo)誤差）是一積累誤差，它與用戶步伐數(shù)(從上一參考點(diǎn)算起）的 立方成正比（圖2)。慣導(dǎo)誤差曲線具有一鋸齒形狀：隨著步伐數(shù)的增加，慣導(dǎo)誤差逐步增 大，在達(dá)到下一個(gè)參考點(diǎn)時(shí)重置到零，然后再逐步增大。當(dāng)移動(dòng)用戶在兩個(gè)參考點(diǎn)之間不走 直線時(shí)，慣導(dǎo)誤差可能會(huì)變得很大。例如說，圖1A中的路徑P沿長方形ABCD繞了一圈，繞 這一圈時(shí)用戶走的多余步伐導(dǎo)致了極大的慣導(dǎo)誤差（圖2中的誤差曲線E)。
[0006] Kramer等提出了一種采用對(duì)等慣導(dǎo)定位來提高慣導(dǎo)精確度的方法（peer-to-peer dead reckoning)(參見《A-GNSS a different approach》，Inside GNSS 雜志，2009 年 9 月 /10月，第52-61頁)。當(dāng)兩個(gè)具有不同慣導(dǎo)誤差的移動(dòng)設(shè)備相遇時(shí)(如在圖IB的相遇點(diǎn)M)， 它們的共同慣導(dǎo)位置等于它們各自慣導(dǎo)位置的加權(quán)平均（以它們各自誤差的倒數(shù)為權(quán)重)。 如果第一設(shè)備的慣導(dǎo)誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二設(shè)備，則第二設(shè)備的位置實(shí)際上被用作這兩個(gè)設(shè)備 的共同慣導(dǎo)位置，該共同慣導(dǎo)位置的誤差約等于該第二設(shè)備的慣導(dǎo)誤差。如圖2中的誤差 曲線E*所示，在相遇點(diǎn)M，第一移動(dòng)設(shè)備10的慣導(dǎo)誤差降至第二移動(dòng)設(shè)備10*的慣導(dǎo)誤差。 由于第二設(shè)備10*的慣導(dǎo)誤差僅沿路徑P*積累，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第一設(shè)備10。因此，對(duì)等慣導(dǎo) 定位能降低慣導(dǎo)定位的誤差。
[0007] 雖然對(duì)等慣導(dǎo)定位能降低慣導(dǎo)誤差，但是它受限于兩個(gè)移動(dòng)設(shè)備相遇（Kramer要 求兩個(gè)設(shè)備的距離小于2米）的概率。而兩個(gè)移動(dòng)設(shè)備相遇的概率取決于該區(qū)域中移動(dòng)設(shè) 備的密度，它是一個(gè)完全隨機(jī)的變量。因此，對(duì)等慣導(dǎo)定位基本上沒有實(shí)際應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的主要目的是提高慣導(dǎo)定位的精確度。
[0009] 本發(fā)明的另一目的是使對(duì)等慣導(dǎo)定位能實(shí)際應(yīng)用。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種協(xié)作慣導(dǎo)定位。它利用鄰近的移動(dòng)設(shè)備來 優(yōu)化本移動(dòng)設(shè)備的慣導(dǎo)位置。與對(duì)等慣導(dǎo)定位不同的是，協(xié)作慣導(dǎo)定位不要求兩個(gè)移動(dòng)設(shè) 備相遇，它可以讓兩個(gè)處于不同位置的移動(dòng)設(shè)備相互協(xié)作。假設(shè)第一移動(dòng)設(shè)備的慣導(dǎo)誤差 大于第二移動(dòng)設(shè)備，為了利用第二設(shè)備較小的慣導(dǎo)誤差，首先測(cè)量兩個(gè)設(shè)備之間的相對(duì)位 置(包括它們之間的距離和方向）。該測(cè)量最好采用聲學(xué)(或電磁）測(cè)量法。聲學(xué)(或電磁） 測(cè)量法的誤差很小，一般在2%左右。對(duì)于10米的距離測(cè)量，誤差在20厘米左右。接著，計(jì) 算第一設(shè)備的推導(dǎo)位置，它等于第二設(shè)備的慣導(dǎo)位置與第一第二設(shè)備之間相對(duì)位置的矢量 和。第一設(shè)備優(yōu)化后的位置(稱為其協(xié)作慣導(dǎo)位置）等于第一設(shè)備的推導(dǎo)位置和其慣導(dǎo)位 置的加權(quán)平均（以它們各自誤差的倒數(shù)為權(quán)重)。如果第一設(shè)備的慣導(dǎo)誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二設(shè) 備，則第一設(shè)備的推導(dǎo)位置實(shí)際上被用作其協(xié)作慣導(dǎo)位置，該協(xié)作慣導(dǎo)位置的誤差約等于 該第二設(shè)備的慣導(dǎo)誤差。因此，協(xié)作慣導(dǎo)定位能極大地降低慣導(dǎo)誤差。更重要的是，因?yàn)閰f(xié) 作慣導(dǎo)定位不要求兩個(gè)設(shè)備相遇，它比對(duì)等慣導(dǎo)定位具有更為廣泛的實(shí)際應(yīng)用。
[0011] 相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)，其特征在于含有：一含有第一慣導(dǎo)模 塊的第一移動(dòng)設(shè)備，該第一慣導(dǎo)模塊獲取該第一設(shè)備的第一位置；一含有第二慣導(dǎo)模塊的 第二移動(dòng)設(shè)備，該第二慣導(dǎo)模塊獲取該第二設(shè)備的第二位置；一測(cè)量該第一和第二設(shè)備相 對(duì)位置的相對(duì)位置測(cè)量模塊；其中，如果該第一位置的誤差大于該第二位置的誤差，至少部 份通過所述相對(duì)位置和所述第二位置獲取該第一設(shè)備的優(yōu)化位置。
[0012] 本發(fā)明還提出一種協(xié)作慣導(dǎo)定位方法，其特征在于含有如下步驟：1)通過第一慣 導(dǎo)模塊獲取第一設(shè)備的第一位置；2)通過第二慣導(dǎo)模塊獲取第二設(shè)備的第二位置；3)測(cè)量 該第一和第二設(shè)備的相對(duì)位置；如果該第一位置的誤差大于該第二位置的誤差，至少部份 通過所述相對(duì)位置和所述第二位置獲取該第一設(shè)備的優(yōu)化位置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1A顯示一移動(dòng)設(shè)備10經(jīng)過的路徑P ;圖1B顯示兩個(gè)相向運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)設(shè)備10、 10*，它們經(jīng)過路徑P和P*并在點(diǎn)Μ相遇。
[0014] 圖2比較圖1Α和圖1Β中移動(dòng)設(shè)備10的誤差曲線Ε、Ε*。
[0015] 圖3顯示采用協(xié)作慣導(dǎo)定位時(shí)幾個(gè)移動(dòng)設(shè)備各自的位置和誤差。
[0016] 圖4顯示一種協(xié)作慣導(dǎo)定位法的多個(gè)步驟。
[0017] 圖5是一種協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)的功能框圖。
[0018] 圖6披露了一種測(cè)量移動(dòng)設(shè)備之間相對(duì)位置的方法。
[0019] 注意到，這些附圖僅是概要圖，它們不按比例繪圖。為了顯眼和方便起見，圖中的 部分尺寸和結(jié)構(gòu)可能做了放大或縮小。在不同實(shí)施例中，相同的符號(hào)一般表示對(duì)應(yīng)或類似 的結(jié)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 在本說明書中，符號(hào)"/"表示"和"或"或"的關(guān)系。移動(dòng)設(shè)備的"位置"是指其坐 標(biāo)，它是一矢量；"慣導(dǎo)位置"是指通過慣導(dǎo)定位確定的位置；"協(xié)作慣導(dǎo)位置"是指通過協(xié) 作慣導(dǎo)定位確定的位置。矢量由大寫字母表示，標(biāo)量由小寫字母表示。
[0021] 圖3和圖4披露了協(xié)作慣導(dǎo)定位的一個(gè)典型流程。區(qū)域X包括攜帶移動(dòng)設(shè)備a、 b、c、d的多個(gè)移動(dòng)用戶。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備可以是不同類設(shè)備中的一類，不同移動(dòng)設(shè)備可以是 同類設(shè)備，也可以是不同類設(shè)備。例如說，移動(dòng)設(shè)備可以是手機(jī)、便攜式電腦、上網(wǎng)本、平板 電腦、個(gè)人電腦、移動(dòng)工作站、娛樂設(shè)備、游戲機(jī)、車載電腦等。移動(dòng)設(shè)備可以是含有海量存 儲(chǔ)器和強(qiáng)大處理器的高端設(shè)備，也可以是含有少量存儲(chǔ)器和較差處理器的低端設(shè)備。由于 協(xié)作慣導(dǎo)定位的概念可以應(yīng)用到水下導(dǎo)航，移動(dòng)設(shè)備也可以是潛水艇。
[0022] 攜帶第一移動(dòng)設(shè)備a的第一用戶從參考點(diǎn)&開始沿路徑Pa步行，并通過慣導(dǎo)定位 來估測(cè)其位置(步驟ll〇a)。這時(shí)，其估測(cè)的位置是慣導(dǎo)位置10a，它由位置矢量L a來表示 (步驟120a)，圓20a表示慣導(dǎo)位置10a的方差。類似地，攜帶第二移動(dòng)設(shè)備b的第二用戶從 參考點(diǎn)R 2開始沿路徑Pb步行，并通過慣導(dǎo)定位來估測(cè)其位置(步驟ll〇b)。這時(shí)，其估測(cè)的 位置是慣導(dǎo)位置l〇b，它由位置矢量L b來表示(步驟120b)，圓20b表示慣導(dǎo)位置10b的方 差。
[0023] 由于路徑Pa遠(yuǎn)比路徑Pb長，慣導(dǎo)位置10a的方差20a遠(yuǎn)大于慣導(dǎo)位置10b的方差 20b。如果方差20a超過一預(yù)定值，第一設(shè)備a可以向其附近的設(shè)備，尤其是附近具有較小 慣導(dǎo)誤差的設(shè)備，尋求"幫助"。另一方面，如果一設(shè)備的慣導(dǎo)誤差較?。ㄈ缧∮谝活A(yù)訂值)， 則它可以為附近的設(shè)備，尤其是附近具有較大慣導(dǎo)誤差的設(shè)備，提供"幫助"。
[0024] -旦第二設(shè)備b被招募來提供"幫助"，則首先測(cè)量兩個(gè)設(shè)備a、b之間的相對(duì)位 置矢量L ba (包括它們之間的距離和方向）（步驟130)。該相對(duì)位置的測(cè)量誤差(厘米級(jí)） 一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于慣導(dǎo)誤差(至少米級(jí)）（參見圖6)。為了充分利用第二設(shè)備b較小的慣導(dǎo)誤 差，第二設(shè)備b的位置被用來推導(dǎo)第一設(shè)備a的位置。這個(gè)被推導(dǎo)出來的、第一設(shè)備a的 位置被稱為推導(dǎo)位置l〇a*。其位置矢量L a*等于第二設(shè)備b的位置矢量Lb和設(shè)備a、b之 間相對(duì)位置矢量Ua之和，即k*=L b+Lba (步驟140)。相應(yīng)地，其方差也是兩者方差之和，即 var (La*) =var (Lb) +var (Lba)。由于 var (Lba)與 var (Lb)相比可以忽略不計(jì)，推導(dǎo)位置 10a* 的方差約等于設(shè)備b位置的方差，即var (La*)?var (Lb)。
[0025] 第一設(shè)備a優(yōu)化后的位置被稱為其協(xié)作慣導(dǎo)位置10a'。其位置矢量La'等于其推 導(dǎo)位置L a*和慣導(dǎo)位置La的加權(quán)平均（以它們各自誤差的倒數(shù)為權(quán)重）(步驟150)。它可以 表達(dá)為：

【權(quán)利要求】
1. 一種協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)，其特征在于含有： 一含有第一慣導(dǎo)模塊的第一移動(dòng)設(shè)備，該第一慣導(dǎo)模塊獲取該第一設(shè)備的第一位置； 一含有第二慣導(dǎo)模塊的第二移動(dòng)設(shè)備，該第二慣導(dǎo)模塊獲取該第二設(shè)備的第二位置； 一測(cè)量該第一和第二設(shè)備相對(duì)位置的相對(duì)位置測(cè)量模塊； 其中，如果該第一位置的誤差大于該第二位置的誤差，至少部份通過所述相對(duì)位置和 所述第二位置獲取該第一設(shè)備的優(yōu)化位置。
2. -種協(xié)作慣導(dǎo)定位方法，其特征在于含有如下步驟： 1) 通過第一慣導(dǎo)模塊獲取第一設(shè)備的第一位置； 2) 通過第二慣導(dǎo)模塊獲取第二設(shè)備的第二位置； 3) 測(cè)量該第一和第二設(shè)備的相對(duì)位置； 如果該第一位置的誤差大于該第二位置的誤差，至少部份通過所述相對(duì)位置和所述第 二位置獲取該第一設(shè)備的優(yōu)化位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)和方法，其特征還在于：所述第一和 第二設(shè)備的相對(duì)距離大于兩米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)和方法，其特征還在于：所述第一和 第二慣導(dǎo)模塊含有加速度傳感器、指南針和/或陀螺儀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)和方法，其特征還在于：通過至少兩 個(gè)物理空間分離的接收器測(cè)量該相對(duì)位置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)和方法，其特征還在于：用聲波測(cè)量 該相對(duì)位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)和方法，其特征還在于：所述聲波包括可 聽聲和超聲波。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)和方法，其特征還在于：用電磁波測(cè) 量該相對(duì)位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)和方法，其特征還在于：所述電磁波包括 激光、紅外線和微波。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的協(xié)作慣導(dǎo)定位系統(tǒng)和方法，其特征還在于：優(yōu)化后的位 置誤差小于第一位置的誤差。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK104215240SQ201410243722
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月2日
【發(fā)明者】張國飆 申請(qǐng)人:杭州海存信息技術(shù)有限公司