一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统及其实现方法，系统包括电源模块、功能开关、加速度传感器、陀螺仪、微处理器、存储器和显示屏。实现方法包括以下几个步骤：初始化；系统启动后确定用户每步的步长；使用步数判定算法判定当前步伐是否有效；通过方向判定算法计算得到相邻两步间的方向α；通过轨迹描述算法对用户的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标；计算当前位置到初始位置的距离，将当前位置与初始位置相连接，可计算出当前位置与初始位置间的方向；将距离数据及方向数据输出到显示屏显示。本发明在无信号覆盖环境下实现反向轨迹导航，价格低廉、体积小巧、便携性好、操作简便。
【专利说明】-种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种反向导航系统，具体涉及一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航 系统及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 导航系统目前实现方式有两大类。第一大类；依靠GI^定位、Wifi信号定位、手机 信号定位等，该些方案都受到信号覆盖范围的限制，在无信号或信号衰减幅度大的环境下， 场所（如停车场）需要付出高昂的代价购买信号增幅设备增强空间内信号的强度，同时需 要购买信号发射设备来支持定位。第二大类：使用惯导模块结合GI^的导航，该些方案系统 复杂，体积大，成本高昂，操作复杂，便捷性差。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种无信号覆盖环境下的反向轨迹 导航系统及其实现方法，可在无信号覆盖环境下使用，价格低廉、体积小巧、便携性好、能够 实现反向寻找固定地点及物品。
[0004]为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
[0005] 本发明的一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统，包括
[0006] 电源模块，用于将电能供给加速度传感器、巧螺仪、微处理器、存储器和显示屏，并 将高电平信号提供给功能开关；
[0007] 功能开关，与微处理器相连接用于控制系统的运行；
[0008] 加速度传感器，与微处理器相连接用于将加速度数据提供给微处理器；
[0009] 巧螺仪，与微处理器相连接用于将方向数据提供给微处理器；
[0010] 微处理器，根据加速度数据和方向数据，得出当前位置与初始位置间的距离与方 向；
[0011] 存储器，与微处理器输出端相连接用于存储计算过程中的数据；
[0012] 和显示屏，与微处理器输出端相连接用于显示当前位置到初始位置间的方向和距 贸。
[0013] 上述巧螺仪、加速度传感器具体采用的是单个H轴巧螺仪传感器、H轴加速度传 感器或者采用九轴/十轴巧螺仪。
[0014] 本发明的无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统的实现方法，具体包括W下几个 步骤：
[0015] (1)初始化：系统启动前，先将所述巧螺仪水平放置1-2砂，并读取当前巧螺仪的 角速度，然后按下所述功能开关微处理器开始运行；
[0016] (2)系统启动后确定用户每步的步长；
[0017] (3)使用步数判定算法判定当前步伐是否有效，如果有效则转向步骤（4);
[0018] (4)在判定步伐有效后，通过方向判定算法计算得到相邻两步间的方向a;
[0019] (5)通过轨迹描述算法对用户的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标；
[0020] (6)计算当前位置到初始位置的距离，将当前位置与初始位置相连接，可计算出当 前位置与初始位置间的方向；
[0021] (7)将距离数据及方向数据输出到显示屏显示。
[0022] 步骤（2)中，用户每步的步长取决于用户的速度和身高。
[0023] 步骤（3)中，所述步数判定算法具体包括W下几个步骤：
[0024] (Ia)将所述加速度传感器和巧螺仪的坐标系定为X、Y和Z;
[00巧](2a)通过所述微处理器对加速度传感器W固定频率持续采样，并更新Z轴上加速 度的最大值Max和最小值Min,将加速度平均值（Max+Min) /2称为阔值；
[0026] (3a)当加速度Max〉阔值〉Min时，判定当前步伐有效，步数加一，得到步伐数据。
[0027] 步骤（4)中，所述方向判定算法由角速度数据W及间隔时间计算得出，具体计算 方法如下：
[0028] 方向a=角速度对时间的积分a= ￡wdt，其中，角速度CO是从所述巧螺仪直接 读出，时间t的计算方法如下：
[0029](化）将所述加速度传感器的采样频率记为f;
[0030](2b)将上一次判定步伐有效到本次判定步伐有效间的采样次数记为n;
[0031] (3b)时间t的计算公式t= (n+l)/f。
[0032] 步骤巧）中，所述轨迹描述算法具体包括W下几个步骤：
[003引 （Ic)将直角坐标系内[X。= 0,y。= 0]坐标设置为初始位置，通过步骤做判定 用户已迈出一步；
[0034] (2c)将步骤（4)中得到的第一步的方向数据a与用户步长一起计算，计算得出该 位置在坐标系内的坐标为[sina*1,COSa*1]即为[Xi，yJ点；
[003引 （3c)将步骤（4)中得到的第二步的方向数据用a1表示，与用户步长一起计算后， 得到该位置在坐标系内的坐标为[sina*l+sinai*l,cosa*l+cosai*l]即为[X2，y2];
[0036] (4c)W此轨迹描述算法对之后的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标。
[0037] 步骤（6)中，W[X2，y2]为例，贝IJ当前位置到初始位置的距离=
【权利要求】
1. 一种无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统，其特征在于，包括 电源模块，用于将电能供给加速度传感器、陀螺仪、微处理器、存储器和显示屏，并将高 电平信号提供给功能开关； 功能开关，与微处理器相连接用于控制系统的运行； 加速度传感器，与微处理器相连接用于将加速度数据提供给微处理器； 陀螺仪，与微处理器相连接用于将方向数据提供给微处理器； 微处理器，根据加速度数据和方向数据，得出当前位置与初始位置间的距离与方向； 存储器，与微处理器输出端相连接用于存储计算过程中的数据； 和显示屏，与微处理器输出端相连接用于显示当前位置到初始位置间的方向和距离。
2. 根据权利要求1所述的无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统，其特征在于， 所述陀螺仪、加速度传感器具体采用的是单个三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器 或者采用九轴/十轴陀螺仪。
3. 根据权利要求1所述的无信号覆盖环境下的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征 在于，具体包括以下几个步骤： (1) 初始化：系统启动前，先将所述陀螺仪水平放置一段时间，并读取当前陀螺仪的角 速度，然后按下所述功能开关微处理器开始运行； (2) 系统启动后确定用户每步的步长； (3) 使用步数判定算法判定当前步伐是否有效，如果有效则转向步骤（4); (4) 在判定步伐有效后，通过方向判定算法计算得到相邻两步间的方向a ; (5) 通过轨迹描述算法对用户的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标； (6) 计算当前位置到初始位置的距离，将当前位置与初始位置相连接，可计算出当前位 置与初始位置间的方向； (7) 将距离数据及方向数据输出到显示屏显示。
4. 根据权利要求3所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于， 步骤（2)中，用户每步的步长取决于用户的速度和身高。
5. 根据权利要求3所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于， 步骤（3)中，所述步数判定算法具体包括以下几个步骤： (la) 将所述加速度传感器和陀螺仪的坐标系定为X、Y和Z ; (2a)通过所述微处理器对加速度传感器以固定频率持续采样，并更新Z轴上加速度的 最大值Max和最小值Min，将加速度平均值（Max+Min) /2称为阈值； (3a)当加速度Max〉阈值〉Min时，判定当前步伐有效，步数加一，得到步伐数据。
6. 根据权利要求3所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于， 步骤（4)中，所述方向判定算法由角速度数据以及间隔时间计算得出，具体计算方法 如下： 方向a =角速度对时间的积分a = Jo1 wdt，其中，角速度〇是从所述陀螺仪直接读出， 时间t的计算方法如下： (lb) 将所述加速度传感器的采样频率记为f ; (2b)将上一次判定步伐有效到本次判定步伐有效间的采样次数记为n ; (3b)时间t的计算公式t = (n+l)/f。
7. 根据权利要求3所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于， 步骤（5)中，所述轨迹描述算法具体包括以下几个步骤： (Ic)将直角坐标系内[Xtl = 0，％ = 0]坐标设置为初始位置，通过步骤（3)判定用户 已迈出一步； (2c)将步骤（4)中得到的第一步的方向数据a与用户步长一起计算，计算得出该位置 在坐标系内的坐标为[sin a *1，cos a *1]即为[X1, yj点； (3c)将步骤（4)中得到的第二步的方向数据用Ci1表示，与用户步长一起计算后，得到 该位置在坐标系内的坐标为[sin a *l+sin Ct1=I=I, cos a *l+c〇s Ct1=I=I]即为[x2, y2]; (4c)以此轨迹描述算法对之后的运动逐次进行计算，得到当前所处位置的坐标。
8. 根据权利要求7所述的反向轨迹导航系统的实现方法，其特征在于，
通过公式Z P =arctan(y2/x2)+90°得到|^2,72]与7 (|轴的夹角即为当前位置指向初 始位置（〇,〇)的方向角，从而得到当前位置到初始位置（〇,〇)间的导航方向。
【文档编号】G01C21/26GK104359483SQ201410594832
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】吴云珊, 黄业成, 田潇, 王韬, 王悦 申请人:吴云珊, 黄业成, 田潇, 王韬, 王悦