用于垂直轨迹确定的方法和系统技术方案

本公开提供了一种用于同一设备中具有集成气压高度计的惯性测量单元(IMU)(IMU‑baro)的垂直位置和速度确定系统。该系统包括被连接以接收所测量的IMU‑baro转向速率的转向速率输入；被连接以接收所测量的IMU‑baro加速度的加速度输入；被连接以接收所测量的IMU‑baro高度的气压输入；被连接到转向速率输入和加速度输入的第一卡尔曼滤波器，以基于所测量的IMU‑baro转向速率和所测量的IMU‑baro加速度来估计IMU‑baro的滚转和俯仰；以及被连接到加速度输入、连接到气压输入和连接到第一卡尔曼滤波器的第二卡尔曼滤波器。

Method and system for vertical trajectory determination

The invention provides a method for inertial measurement unit with integrated pressure altimeter in the same equipment of (IMU) (IMU baro) to determine the system's vertical position and speed. The system includes is connected to receive the measured IMU baro steering rate input rate; acceleration input is connected to receive the baro IMU acceleration measurement; connected to receive the measured IMU baro high pressure input; Calman filter is connected to the first input steering rate and acceleration input. The rate of turn and the measured IMU baro accelerometer based on the measured IMU baro IMU baro to estimate the roll and pitch; and is connected to the input acceleration, is connected to the input pressure and connected to the first second Calman Calman filter filter.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本公开要求在2014年10月1日提交的题为“用于垂直轨迹确定的方法和系统(METHODSANDSYSTEMSFORVERTICALTRAJECTORYDETERMINATION)”的美国临时专利申请号62/058,517和在2015年1月9日提交的题为“用于垂直轨迹确定和自动跳跃检测的方法和系统(METHODSANDSYSTEMSFORVERTICALTRAJECTORYDETERMINATIONANDAUTOMATICJUMPDETECTION)”的美国临时专利申请号62/101,942的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本公开涉及包括MEMS惯性测量单元的惯性导航系统和用于捕获和跟踪人在垂直方向上的运动的其它系统。
技术介绍
关键表现变量(KPV)是运动员表现的定量测量。通过访问和查看运动员的KPV，运动员可以显著地提高整体表现。KPV允许运动员与教练共享表现信息、记录和跟踪随时间推移的表现并向运动员提供实时反馈。目前可用的基于视频或基于摄像机的“动作捕获”(MOCAP)方法提供了很少的定量变量。此外，这些MOCAP技术被限制在室内使用或不适合户外运动(诸如滑雪、单板滑雪、溜旱冰和骑自行车)的动作捕获的限制区域，因为这些活动发生在较大距离上。另一方面，惯性导航系统(INS)是独立成套的，并因此可以提供对高级动作和位置信息的无约束可达性。INS被广泛用在各种MOCAP应用，诸如船舶和飞机导航、紧固工具和钢笔跟踪以及运动分析，以提供诸如姿态、速度和位置等信息。近来，微型微机电系统(MEMS)惯性设备已经变得更加普遍，并且MEMS惯性设备的小尺寸致使使用可穿戴MOCAP技术进行人体动作跟踪的INS的出现。通常，可穿戴MOCAP设备利用MEMS惯性测量单元(MEMS-IMU)和/或绝对位置传感器来捕获用于室内/室外定位的动作。例如，MOCAP摄像机系统可以用作绝对位置传感器，并且被添加到用于在室内环境中进行更精确的人体定位的惯性设备。对于室外环境，全球定位系统(GPS)为示例性的绝对位置传感器，其可以被用于加强惯性测量单元以用于更精确的人体定位。上述GPS/MEMS-IMU集成方法的缺点在于消费者级GPS导出的垂直位置(或海拔高度)信息通常比水平位置信息精确度低得多。GPS海拔高度测量精度可以变化高达40米(通常为10米到20米)；这种不精确性的最重要的原因是卫星可见度(即在地平线上几乎没有可见的卫星)以及多径信号效应。实时GPS技术(诸如实时运动学GPS和差分GPS)提供更高的位置精度，但是其高昂的成本是运动消费电子市场的限制因素。附图说明现在将参考附图仅以示例的方式描述本公开的实施例。图1为根据本公开的实施例的垂直位置确定系统的示意性框图。图2为根据本公开的实施例的垂直位置确定的方法的流程图。图3为根据本公开的实施例的用于垂直轨迹确定的设备的示意性框图。具体实施方式本公开致力于改进消费级设备中的垂直位置确定的需求。图1为根据本公开的实施例的示例垂直位置和速度确定系统100的示意性框图。如下所述，在一些实施例中，系统100可提供增加的计算效率，并且可在可穿戴电子设备中实现，以向设备的佩戴者提供垂直动作信息。系统100包括用于接收转向速率信息的输入101、用于接收加速度信息的输入102和用于接收气压信息的输入103。转向速率信息输入101可例如被连接到陀螺仪，诸如三轴陀螺仪(在图3中示出为MEMS-IMU304的一部分)。加速度信息输入102可例如被连接到加速度计，诸如三轴加速度计(在图3中示为MEMS-IMU304的一部分)。气压信息输入103可例如被连接到气压高度计(在图3中示为MEMS气压高度计302)。系统100可与提供加速度计和陀螺仪并且还具有与其集成的气压高度计的惯性测量单元(IMU)结合使用。如本文所使用的，术语“IMU-baro”用于指具有集成气压高度计的这种IMU。系统100也包括垂直位置估计输出端104和垂直速度估计输出端105。垂直位置和速度确定系统100另外包括级联两步卡尔曼滤波器(KF)系统，其包括方位KF110和垂直位置/速度KF120。第一步骤(方位KF110)的输出被设置为第二步骤(垂直位置/速度KF120)的输入。方位KF110包括重力矢量时间更新器111和重力矢量测量更新器112。重力矢量时间更新器111根据转向速率信息输入101生成传感器坐标系(IMU-baro的坐标系)中的重力矢量的预测113。重力矢量测量更新器112从重力矢量预测113和加速度信息输入102两者的加权组合生成传感器坐标系中的校正重力矢量。然后，通过使用传感器坐标系中的校正重力矢量，重力矢量测量更新器112生成滚转角和俯仰角信息114。如本文所使用的，术语“滚转角”是指围绕沿着第一(例如前后)方向的水平轴线的旋转，以及术语“俯仰角”是指围绕沿着垂直于第一方向的第二(例如左右)方向的水平轴线的旋转。垂直位置/速度KF120包括垂直位置/速度时间更新器121、垂直位置/速度测量更新器122和可选的零速度更新检测器123。垂直位置/速度时间更新器121从滚转和俯仰角信息114以及加速度信息输入102生成垂直位置/速度预测124。垂直位置/速度测量更新器122基于垂直位置/速度预测124和气压信息输入103的加权组合生成校正垂直位置估计104和垂直速度估计105。可选零速度更新检测器123从加速度信息输入102生成零速度信号125。当静止相位(stillphase)被零速度更新检测器123检测到时，零速度信号125迫使垂直速度估计105为零。INS通过求解捷联式惯性导航方程通过外部加速度值的积分来估计包括位置和速度的导航参数。因此，重要的是INS通过从加速度计信号中减去重力加速度来精确地估计动态状况期间的外部加速度。为了实现该减法函数，INS需要对其方位进行精确的估计。图1的实施例包括采取方位KF与垂直位置/速度KF级联的形式的级联KF。级联KF提供良好的计算效率。级联KF具有比全局KF小得多的计算开销，因为与方位状态相关的计算与垂直位置/速度KF分离。因此，级联KF可以使用线性函数来实现，而全局KF将需要非线性卡尔曼滤波方法，诸如由扩展卡尔曼滤波器(EKF)或无迹卡尔曼滤波器(UKF)所利用的那些方法。除了改善的计算成本之外，级联KF允许增加灵活性并且更容易在全局KF上实现和调谐。虽然级联KF理论上产生与全局KF相比次优(不太精确)的估计，但实际上为了惯性导航的目的，级联KF的表现与全局KF正相当。根据本文所公开的示例的示例级联KF系统的初步测试指示分别用于慢动作、垂直跳跃和下降跳跃(step-downjump)垂直轨迹跟踪的垂直轨迹跟踪误差约为26.9cm、27.2cm和28.1cm。实验设置的细节和初步测试的进一步结果在附录A中的文件中列出。使用Rauch-Tung-Striebel(RTS)平滑器观察到垂直轨迹跟踪精度的显著改善，如下所述。另外，基于实验结果，通过使用RTS平滑器，用于垂直跳跃和下降跳跃的平均跳跃KPV(高度/下降)确定误差分别约为2.9cm和5.8cm(与在垂直方向上的一些点中的GPS的～40m误差相比)。这个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于同一设备中具有集成气压高度计的惯性测量单元(IMU)(IMU‑baro)的垂直位置和速度确定系统，所述系统包括：被连接以接收所测量的IMU‑baro方位的转向速率输入；被连接以接收所测量的IMU‑baro加速度的加速度输入；被连接以接收所测量的IMU‑baro高度的气压输入；被连接到所述转向速率输入和所述加速度输入的第一卡尔曼滤波器，以基于所测量的IMU‑baro方位和所测量的IMU‑baro加速度来估计所述IMU‑baro的滚转和俯仰；被连接到所述加速度输入、连接到所述气压输入和连接到所述第一卡尔曼滤波器的第二卡尔曼滤波器；所述第二卡尔曼滤波器与所述第一卡尔曼滤波器级联，以从所述第一卡尔曼滤波器接收所估计的所述IMU‑baro的滚转角和俯仰角，并且基于所测量的IMU‑baro加速度、使用气压高度计所测量的气压以及所估计的所述IMU‑baro的滚转和俯仰来估计所述IMU‑baro的垂直位置和垂直速度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.01 US 62/058,517;2015.01.09 US 62/101,9421.一种用于同一设备中具有集成气压高度计的惯性测量单元(IMU)(IMU-baro)的垂直位置和速度确定系统，所述系统包括：被连接以接收所测量的IMU-baro方位的转向速率输入；被连接以接收所测量的IMU-baro加速度的加速度输入；被连接以接收所测量的IMU-baro高度的气压输入；被连接到所述转向速率输入和所述加速度输入的第一卡尔曼滤波器，以基于所测量的IMU-baro方位和所测量的IMU-baro加速度来估计所述IMU-baro的滚转和俯仰；被连接到所述加速度输入、连接到所述气压输入和连接到所述第一卡尔曼滤波器的第二卡尔曼滤波器；所述第二卡尔曼滤波器与所述第一卡尔曼滤波器级联，以从所述第一卡尔曼滤波器接收所估计的所述IMU-baro的滚转角和俯仰角，并且基于所测量的IMU-baro加速度、使用气压高度计所测量的气压以及所估计的所述IMU-baro的滚转和俯仰来估计所述IMU-baro的垂直位置和垂直速度。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括连接到所述加速度输入和所述第二卡尔曼滤波器两者的零速度更新检测器，用于在所述加速度输入处检测到静止相位时，向所述第二卡尔曼滤波器提供零速度信号。3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括Rauch-Tung-Striebel(RTS)轨迹平滑器，其中，所述平滑器存储所估计的垂直位置和垂直速度状态以及来自所述第二卡尔曼滤波器的估计状态的协方差，并递归更新所估计的垂直位置和速度以及后向扫描的协方差。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气压输入被连接到微机电系统气压高度计，以及所述转向速率输入和加速度输入被连接到微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述MEMS-IMU包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述IMU-baro为可穿戴电子设备的一部分。7.一种计算机程序产品，包括计算机可用介质，所述计算机可用介质具有实施在其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码适于被执行以实现用于确定具有集成高度计气压计的惯性测量单元(IMU-baro)的垂直位置和速度的方法，所述方法包括：测量所述IMU-baro的转向速率、所述IMU-baro的加速度和气压；根据第一卡尔曼滤波器运算基于转向速率测量和加速度测量来估计所述IMU-baro的滚转和俯仰；向第二卡尔曼滤波器运算提供来自所述第一卡尔曼滤波器运算的滚...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·齐哈杰扎德，J·W·帕克，R·A·霍斯金森，H·阿卜杜勒拉伊，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US