三維定位方法和三維定位系統的製作方法
2023-09-22 01:55:55 2
專利名稱：三維定位方法和三維定位系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種三維定位方法以及一種三維定位系統。
背景技術：
目前，三維定位技術的發展非常迅速，對三維運動參數的測量也具備多 種方式，其中主要有電》茲方式和光學方式。
電；茲方式主要依靠產生空間》茲場，通過採集定位物體在空間；茲場內運動 時發生的電參數變化來分析運動特性。其缺點是磁場容易受幹擾，因此對於 環境的要求較高。
光學方式主要通過光學圖像處理技術來採集並分析運動特性參數，光學 方式的三維定位方法可以捕捉定位物體的實時運動，但其後處理(包括定位物 體運動特徵識別、跟蹤、空間坐標的計算等)的工作量較大，光學設備成本也 較高，且容易受幹擾而發生定位錯誤，對於環境的要求較高。
另外還有基於GPS的定位方法和基於微波的定位方法，但是此類三維定 位方法的誤差大，而且實現方法的系統設備複雜，成本較高。
發明內容
為解決現有技術中三維定位方法對環境依賴性大，可靠性較低的問題， 本發明提供一種對環境依賴性較小，可靠性較高的三維定位方法。
本發明提供一種三維定位方法，其包括步驟
獲取定位物體相對於一第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐 標軸與重力加速度方向的夾角，所述第 一坐標係為以所述定位物體的中心為 原點的動態坐標系，所述第 一坐標系的原點和其坐標軸的方向隨所迷定位物 體的運動而變化；獲:f又所述定位物體的初始速度；
根據所述定位物體相對於所述第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標 系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，確定
所述定位物體在z軸與重力加速度方向反向平行的水平坐標系中的位移。
優選地，所述的三維定位方法中，確定定位物體在水平坐標系中的位移
的方法為
根據所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的 坐標軸與重力加速度方向的夾角，得到所述定位物體相對於水平坐標系的三 維加速度，根據所述定位物體相對於水平坐標系的三維加速度和所述定位物 體的初始速度，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移。
優選地，所述的三維定位方法中，獲取定位物體相對於一第一坐標系的 三維加速度和所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角的步驟包括 以下步驟
對所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐 標軸與重力加速度方向的夾角每隔一個採樣時間間隔採樣一次；
並且，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移的方法為
根據每個採樣時間間隔開始時採樣得到的所述定位物體相對於第一坐標 系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及 所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在所述採樣時間間隔結束後在 水平坐標系中的位移。
優選地，所述的三維定位方法中，獲取定位物體的初始速度的方法為
根據笫n個採樣時間間隔開始時採樣得到的所述定位物體相對於第一坐 標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以 及所述定位物體的初始速度，計算所述第n個採樣時間間隔結束後所述定位 物體的速度，並作為第n+l個採樣時間間隔開始時所述定位物體的初始速度。優選地，所述的三維定位方法中，獲取定位物體相對於一第一坐標系的 三維加速度和所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角的步驟包括 一對採樣得到的數據進行誤差平衡處理的步驟。
優選地，所述的三維定位方法中，確定定位物體在水平坐標系中的位移
的方法為
根據每個採樣時間間隔開始時採樣得到的所述定位物體相對於第一坐標 系的三維加速度和所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及 所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在所述採樣時間間隔結束後在 水平坐標系中的位移變化量，根據所述物體在水平坐標系中的位移變化量， 確定在所述採樣時間間隔結束後，所述定位物體在水平坐標系中的位移。
優選地，所述的三維定位方法中，根據所述物體在水平坐標系中的位移 變化量，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移的步驟具體包括
根據該定位物體在該水平坐標系中位移的計算值的變化情況，判斷所述 位移的計算值是否滿足對應的運動學規律，當計算值與相應的運動學規律不 符的概率達到25%時，停止對當前採樣數據的計算，重新採樣物體從靜止開 始，相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速 度方向的夾角，並重新獲取所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在 水平坐標系中的位移。
與現有技術相比，本發明的三維定位方法獲取定位物體在第 一 坐標中的 三維加速度，以及所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，再根 據所述定位物體在第一坐標系中的三維加速度、所述第一坐標系的坐標軸與 重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體 在水平坐標系中的位移。由於對物體加速度以及所述第一坐標系的坐標軸與 重力加速度方向的夾角的獲取不易受環境影響，所以本發明的三維定位方法 對環境依賴性較小，可靠性較高。同時，對所述定^f立物體相對於第一坐標系的三維加速度和所迷第一坐標 系的坐標軸與重力加速度方向的夾角每隔一個採樣時間間隔採樣一次，然後 根據採樣得到的數據，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移，可以通過 設定該採樣時間間隔的大小，靈活地設定該三維定位方法的精確度。
另外，對採樣得到的數據進行誤差平衡處理，以及根據運動學規律，對 物體運動軌跡的計算值進行檢測，可以使計算結果更符合實際物體運動的規 律，使定位更準確。
為解決現有技術中三維定位系統對環境依賴性大，可靠性較低的問題， 本發明提供一種對環境依賴性較小，可靠性較高的三維定位系統。
本發明提供一種三維定位系統，其包括 一加速度傳感模塊、 一傾角傳 感模塊、 一初始速度獲取模塊和一數據處理模塊。
所述加速度傳感模塊用於獲取定位物體相對於第 一 坐標系的三維加速 度，所述第一坐標係為以所述定位物體的中心為原點的動態坐標系，所述第 一坐標系原點和坐標軸的方向隨所述定位物體的運動而變4匕；
所述傾角傳感模塊用於獲取所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向 的夾角；
所述初始速度獲舉^莫塊用於獲取所述定位物體的初始速度； 所述數據處理模塊連接所述加速度傳感模塊、所述傾角傳感模塊和所述 初始速度獲取模塊，用於根據所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速度 和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的 初始速度，確定所述定位物體在z軸與重力加速度方向反向平行的水平坐標 系中的位移。
優選地，所述的三維定位系統中，該加速度傳感模塊和該傾角傳感模塊 對所述定位物體相對於第 一坐標系的三維加速度和所述第 一坐標系的坐標軸 與重力加速度方向的夾角每隔一個採樣時間間隔採樣一次，並將採樣數據發
8送至該數據處理模塊；
所述數據處理模塊根據每個採樣時間間隔開始時採樣得到的所述定位物 體相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度
方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在所述採樣 時間間隔結束後在水平坐標系中的位移。
優選地，所述的三維定位系統中，所述數據處理-漠塊進一步包括 一檢測模塊，所述檢測模塊接收該定位物體在該水平坐標系中的位移的 計算值，並根據該定位物體在該水平坐標系中的位移的計算值的變化情況， 判斷所述計算值其是否滿足對應的運動學規律。當計算值與相應的運動學規 律不符的概率達到25%時，使數據處理模塊停止對當前採樣數據的計算，使 該採樣;漠塊重新採樣物體從靜止開始，相對於第一坐標系的三維加速度和所 述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，並使所述初始速度獲取模 塊重新獲取所述定位物體的初始速度，該數據處理模塊重新確定所述定位物 體在水平坐標系中的位移。
與現有技術相比，本發明的三維定位系統利用所述加速度傳感模塊和所 述傾角傳感模塊，獲取所述定位物體在第一坐標系中的三維加速度，以及所 述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，再利用所述初始速度獲取 模塊獲取所述定位物體的初始速度，所述數據處理模塊確定所述定位物體在 水平坐標系中的位移。由於所述加速度傳感衝莫塊和所述傾角傳感模塊對加速 度以及所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角的獲取不易受環境 影響，所以本發明的三維定位系統對環境依賴性較小，可靠性較高。
同時，所述採樣模塊對所述定位物體相對於第 一坐標系的三維加速度和 所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角每隔一個採樣時間間隔採 樣一次，所述數據處理模塊根據每次採樣得到的數據，確定所述定位物體在 水平坐標系中的位移，可以通過i殳定該採樣時間間隔的大小，靈活地設定該 三維定位方法的精確度。另外，通過設定所述檢測模塊，可以使物體計算結果更符合實際物體運 動的規律，使定位更準確。
圖l是本發明三維定位方法的流程圖。
圖2是本發明三維定位系統第一實施方式的結構方框示意圖。 圖3是本發明三維定位系統第二實施方式的結構方框示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖l,其是本發明三維定位方法的流程圖。 本發明三維定位方法的步驟包括
S102獲取定位物體相對於一第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系 的坐標軸與重力加速度方向的夾角，所述第一坐標係為以所述定位物體的中 心為原點的動態坐標系，所述第一坐標系的原點和其坐標軸的方向隨所述定 位物體的運動而變化；
S104獲耳又所述定位物體的初始速度；
S106根據所述定位物體相對於所述第一坐標系的三維加速度和所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度， 確定所述定位物體在水平坐標系中的位移。
在本實施方式中，對該步驟S102,可利用加速度傳感器測量所述定位物體
在所述第一坐標系的三維加速度，同時，利用傾角傳感器測量所述第一坐標
系的坐標軸與重力加速度方向。另外，還可以用其他本領域中常用的技術手
段去獲取所述定位物體在所述第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的
坐標軸與重力加速度方向，在此不作--列舉。
利用加速度傳感器測量所述定位物體在所述第一坐標系的加速度時，將所述加速度傳感器固定在該定位物體上。所述第一坐標係為以所述定位物體的 中心為原點的動態坐標系，即，該第一坐標系的坐標原點和坐標軸的方向隨 所述定位物體的運動而變化，當所述定位物體相對於水平坐標系傾斜一定角 度時，該第 一坐標系的坐標軸也相對於水平坐標系傾斜。
假設測量得到的所述定位物體在所述第 一坐標系中的三維加速度為A ，
S， A。其中，A為該定位物體在該第一坐標系的x軸上的加速度分量，^
為該定位物體在該第一坐標系的y軸上的加速度分量，A為該定位物體在該第 一坐標系的z軸上的加速度分量。
同時，利用傾角傳感器測量所述第 一坐標系的各個坐標軸與重力加速度方
向的夾角為A, ^， A。其中，^為所述第一坐標系的x坐標軸與重力加 速度方向的夾角，&為所述第一坐標系的y坐標軸與重力加速度方向的夾角，
%為所述第 一坐標系的z坐標軸與重力加速度方向的夾角。
所述水平坐標系即x軸和y軸在 K平面內，並且z軸與重力加速度方向反向 平行的坐標系。根據所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，可 以將所述加速度傳感器測量到的定位物體在所述第一坐標系的加速度，轉化 成所述定位物體在水平坐標系中的加速度。
進一步地，在獲取定位物體在所述第一坐標系的加速度和所述第一坐標 系的坐標軸與重力加速度方向的夾角時，可以對定位物體在所述第 一坐標系 的加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角每隔一段時間 採樣 一 次，兩次採樣動作之間的時間稱為採樣時間間隔。當採樣時間間隔足夠短時，定位物體在一個採樣時間間隔內的運動可以一見作勻加速直線運動。
進一步地，可以先對釆樣到的所述定位物體相對於一第一坐標系的三維 加速度和所述第 一 坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角的數據進行誤差 判斷和平衡優化。
在對數據進行測量時，會有測量誤差，其主要與測量設備本身的性能和 使用設置有關；在對數據進行採樣時，亦會有釆樣誤差，其主要與採樣設備 本身的性能和4吏用設置有關。對測量或採樣到的數據進行誤差判斷和優化， 可以降低由測量誤差和採樣誤差帶來的影響，使測量數據儘量接近真實的物 體運動軌跡，提高定位的準確度。
在步驟S104中，所述定位物體的初始速度可以通過直接對所述定位物體
的實際速度的測量獲得，也可以通過對加速度的測量，計算物體從靜止開始， 到某 一 時刻的速度，作為所述時刻的初始速度。
作為本發明的一種具體實施方式
，提供一種通過對加速度的測量，計算
物體從靜止開始，到某一時刻的初始速度的方法
當定位物體靜止時，其初始速度為零；當定位物體運動到某一時刻時， 定位物體的初始速度為F。。假設定位物體從靜止開始，到所述某一時刻的時
間內包括n個時間間隔^，並且每個時間間隔&的時間足夠短，所述定位物 體在每個時間間隔&中，所作的運動都可以;視作勻加速直線運動，通過/^式
K《+",卜一，2&，……r0=o。
其中，^是第n個時間間隔結束時，所述定位物體的速度， 是第n個時
間間隔開始時，所述定位物體的速度，&為時間間隔。
所述^即為第n+l個時間間隔開始時，該定位物體的初始速度。進一步地，可以將對所述定位物體的初始速度的計算結果儲存在存儲器
中，在進行數據處理時可以方便地從存儲器中直接讀取。例如將第n個時間間 隔結束時，定位物體的速度K儲存在存儲器中，則在計算^+1時，就可以從儲 存器中讀取K,並根據公式得到
其中，K是第n個時間間隔結束時，所述定位物體的速度，""是第n個時
間間隔開始時，所述定位物體的初始速度，^為時間間隔。
在步驟S106中，根據所述定位物體相對於所述第一坐標系的三維加速度 和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的 初始速度，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移。
首先，根據所述定位物體相對於所述第一坐標系的三維加速度和所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，計算所述定位物體在水平坐標 系中的三維加速度；然後，利用所述定位物體在水平坐標系中的三維加速度 和定位物體的初始速度，計算定位物體在水平坐標系中的位移。
具體根據以下公式計算定位物體在所述水平坐標系中的三維加速度
"x = —n a cos & + Vsin A cos a (1.1) 二 'sin a cos pv + ax 'sin ^ cos pY (i .2)
<az = <2x cospx cos^y+<^'cospx cos^y+flz'cospx cos^y (1.3)
4 — —
其中，A 、 s和A為該定位物體在所述水平坐標系中的三維加速度。A
13為該定位物體在水平坐標系的X軸上的加速度分量，^為該定位物體在水平坐
標系的y軸上的加速度分量，^為該定位物體在水平坐標系的Z軸上的加速度 分量。
特別地，對於每隔一個採樣時間間隔對加速度採樣一次的情況，^、;
和^是所述定位物體在一個採樣時間間隔開始時，在該水平坐標系中的三維 加速度的釆樣值。
根據所述定位物體在水平坐標系中的三維加速度和初始速度，利用以下
公式計算定位物體在所述水平坐標系中的位移變化量
A&, 二^—A + ,(刮2 (14)
其中，A^,為從第n個時間間隔開始到結束，所述定位物體在水平坐標系 的位移變化量，i為第n個時間間隔t開始時，定位物體在水平坐標系中的的
初始速度，《1為第n個時間間隔開始時，定位物體在水平坐標系中的加速度。
並且，所述時間間隔足夠短，使時間間隔&內物體的運動可一見作勻加速直 線運動。
以上公式各個符號表示的量除時間間隔&之外，都可以表示在所述水平 坐標系的某 一 坐標軸上產生的分量。
在第n個時間間隔t結束時，定位物體在水平坐標系中的位移總量為進一步地，為了簡化計算，可儲存第n-l個時間間隔結束時，所述定位物 體在水平坐標系中的位移，則，第n個時間間隔結束時，定位物體在水平坐標 系各個坐標軸上的坐標分量可用下式表示
卜 、 ^ 、 乂
卜 、 —
/ r，r《1 + A5VOT v 乂
、
V 乂
二 Z『—i + A z。r
(1.8)
(1.9)
(1.10)
其中，
/ y，r/ z,r
為第T個時間間隔結束時，定位物體
在所述水平坐標系各個坐標軸上的位移，A-1, Z^為第n-1個時間間
隔結束時，定位物體在所述水平坐標系各個坐標軸上的位移， 一 — 卄
A^rDI.，A5VDr ,ASzD7.為第n+i個時間間隔中，定位物體在所述水平坐標系各個
坐標軸上的位移變化量。
進一步地，為了簡化運算，可以將n個連續的時間間隔劃分為一個離散時 間間隔，計算時可以先將一個離散時間間隔中，所述定位物體的位移總量計 算出來，如公式1.6所示。
AS"加=A5^ + A5^2 +…+ AS《
(1.6)
其中，AS^為一個離散時間間隔中，所述定位物體的位移變化量；為第n個時間間隔中，所述定位物體的位移變化量。
再根據公式1.8-1.10計算一個離散時間間隔後，定位物體的坐標的位移總量。
同時，可以進4亍一對該定位物體在該水平坐標系中的速度、位移和坐標 等計算值進行;險測的步驟。
根據該定位物體在該水平坐標系中的速度、位移和坐標等計算值的變化 情況，判斷其是否滿足對應的運動學規律。當計算值與相應的運動規律不符
的概率達到25%時，停止對當前測量的數據的計算，重新測量物體從靜止開 始，相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速 度方向的夾角，重新獲^^所述定位物體的初始速度，確定所述所述定位物體 在水平坐標系中的位移。
通過上述對計算結果進行判斷的步驟，可以使物體計算結果更符合實際 物體運動的規律，使定位更準確。
進一步地，在該步驟S106結束後，可以將所述定位物體的定位信息(速 度、位移和位移變化量等)通過無線發送裝置發送至其他應用處理端進行後 處理。所述後處理包括運動跟蹤，空間坐標的計算和數據表現形式的建模 等。將該定位物體的定位信息通過所述無線發送裝置傳輸時，按照通常的數 據傳輸規則進行傳輸，如數據通信防衝突和通信誤碼重發機制等。
通過無線傳輸，可以將該三維定位方法的定位信息無線發送至其他的處 理系統中，作進一步地處理或運用，使該三維定位方法的使用範圍更廣泛。
與現有技術相比較，本發明的三維定位方法獲取所述定位物體在第一坐 標中的三維加速度，以及所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角， 再根據所述定位物體在第一坐標系中的三維加速度、所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，確定所述定位 物體在水平坐標系中的位移。由於對物體加速度以及所述第一坐標系的坐標 軸與重力加速度方向的夾角的測量不易受環境影響，所以本發明的三維定位 方法對環境依賴性較小，可靠性較高。
請參閱圖2，其是本發明三維定位系統第一實施方式的結構方框示意圖。 該三維定位系統包括一加速度傳感模塊、 一傾角傳感模塊、 一初始速度獲取
模塊和 一數據處理模塊。
該加速度傳感模塊，用於獲取定位物體相對於第一坐標系的三維加速度， 所述第 一坐標係為以所述定位物體的中心為原點的動態坐標系，所述第 一坐 標系的原點和坐標軸的方向隨所述定位物體的運動而變化。
該傾角傳感模塊用於獲取所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的 夾角。
該初始速度獲取模塊，其用於獲取所述定位物體的初始速度； 該數據處理模塊，其連接所述加速度傳感模塊、所述傾角傳感模塊和所 述初始速度獲取模塊，用於根據所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速 度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體 的初始速度，確定所述定位物體在z軸與重力加速度方向反向平行的水平坐 標系中的位移。
在本實施方式中，該加速度傳感模塊連接一加速度傳感器(圖未示)，所述 加速度傳感器用於測量定位物體在所述第一坐標系的加速度。所述加速度傳 感器固定設置在該定位物體上，測量定位物體相對於第一坐標系的三維加速 度。所述第一坐標係為以所述加速度傳感器的中心為原點的動態坐標系，即， 該第一坐標系的坐標原點和坐標軸的方向隨所述定位物體的運動而變化，當 所述定位物體相對於水平坐標系傾斜一定角度時，該第一坐標系的坐標軸也 相對於水平坐標系傾斜。所述傾角傳感模塊連接一傾角傳感器(圖未示)，由於所述重力加速度的 方向與水平坐標系的z軸的方向反向平行，所以可通過傾角傳感器測量所述
第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，將所述物體相對於第 一 坐標 系的三維加速度，轉化成所述物體相對於水平坐標系的三維加速度。
進一步地，所述加速度傳感模塊和傾角傳感才莫塊可以對所述定位物體在 所述第一坐標系的加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾 角，每隔一段時間採樣一次，並將採樣的數據傳輸至該數據處理模塊。兩次 採樣動作之間的時間稱為採樣時間間隔，當採樣時間間隔足夠短時，定位物
體在每個釆樣時間間隔內的運動可以視作勻加速直線運動。
對所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐 標軸與重力加速度方向的夾角每隔一個採樣時間間隔採樣一次，所述數據處 理模塊根據每次採樣得到的數據，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移， 可以通過設定該採樣時間間隔的大小，靈活地設定該三維定位方法的精確度。
該初始速度獲取模塊可以通過直接測量或從數據處理模塊中獲取計算值 等方式獲取定位物體的初始速度。該初始速度獲取模塊包括一儲存器。所述 儲存器用於儲存所述定位物體的初始速度，該初始速度可由該數據處理模塊 經過運算得到。在下一次運算時，該數據處理模塊可直接從該儲存器中讀取 所述定位物體的初始速度。
該初始信息獲取模塊中的儲存器可以進一步儲存所述定位物體的初始位 移，所述數據處理模塊可以根據所述初始位移和定位物體的位移變化量確定 所述定位物體的位移。通過所述儲存器儲存之前的計算結果，可以筒化計算 步驟，使定位更迅速。
該數據處理模塊連接所述加速度傳感模塊、所述傾角傳感模塊和所述初 始速度獲取模塊，該數據處理模塊通過計算處理，將所述物體相對於第一坐 標系的三維加速度，轉化成所述物體相對於水平坐標系的三維加速度。根據 所述物體相對於水平坐標系的三維加速度以及所述定位物體的初始速度，計算物體的位移變化量。
所述數據處理模塊包括一檢測模塊。所述檢測模塊用於對計算得到的所 述定位物體在該水平坐標系中的速度、位移和坐標等的計算值進行檢測。
所述檢測模塊根據該定位物體在該水平坐標系中的速度、位移和坐標等 計算值的變化情況，判斷其是否滿足對應的運動學規律。當計算值與相應的 運動規律不符的概率達到25%時，使數據處理模塊停止對當前數據的計算， 使所述加速度傳感模塊和所述傾角傳感模塊重新獲取定位物體從靜止開始， 相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方 向的夾角，並使所述初始速度獲取模塊重新獲取所述定位物體的初始速度， 該數據處理^t塊重新確定所述定位物體在水平坐標系中的位移。
所述檢測模塊根據運動學規律，對計算得到的所述定位物體的運動軌跡 進行判斷，可以使計算結果更符合實際物體運動的規律，使定位更準確。
與現有技術相比，本發明的三維定位系統利用所述加速度傳感模塊和所 述傾角傳感模塊，獲取所述定位物體在第一坐標系中的三維加速度，以及所 述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，再利用所述初始速度獲取 模塊獲取所述定位物體的初始速度，所述數據處理模塊確定所述定位物體在 水平坐標系中的位移。由於所述加速度傳感模塊和所述傾角傳感模塊對加速 度以及所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角的獲取不易受環境 影響，所以本發明的三維定位系統對環境依賴性較小，可靠性較高。
請參閱圖3，其是本發明三維定位系統的第二實施方式結構的方框示意
圖。所述第二實施方式的三維定位系統的結構與該第一實施方式三維定位系
統的結構基本相同，其主要區別在於所述三維定位系統進一步包括一無線 發送裝置。
所述無線發送裝置連接所述數據處理模塊，其用於將該定位物體的定位 信息(速度、位移、位移變化量等)通過無線信號傳輸至一位於所述定位系 統之外的應用處理端進行後處理，所述後處理包括運動跟蹤，空間坐標的計算和數據表現形式的建模等。將該定位物體的定位信息通過所述無線發送 裝置發送時，按照通常的數據傳輸規則進行傳輸，如數據通信防衝突和通信 誤碼重發機制等。
通過使用所述無線發送裝置，可以將該三維定位方法的定位信息發送至 其他的處理系統中，作進一步地處理或運用， -使該三維定位方法的^f吏用範圍 更廣泛。
以上所述的本發明實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何 在本發明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本 發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種三維定位方法，其特徵在於包括步驟獲取定位物體相對於一第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，所述第一坐標係為以所述定位物體的中心為原點的動態坐標系，所述第一坐標系的原點和其坐標軸的方向隨所述定位物體的運動而變化；獲取所述定位物體的初始速度；根據所述定位物體相對於所述第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在z軸與重力加速度方向反向平行的水平坐標系中的位移。
2. 如權利要求1所述的三維定位方法，其特徵在於，所述確定定位物體 在水平坐標系中的位移的方法為根據所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的 坐標軸與重力加速度方向的夾角，得到所述定位物體相對於水平坐標系的三 維加速度，根據所述定位物體相對於水平坐標系的三維加速度和所述定位物 體的初始速度，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移。
3. 如權利要求1或2所述的三維定位方法，其特徵在於，所述獲取定位 物體相對於一第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加 速度方向的夾角的步驟包括以下步驟對所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐 標軸與重力加速度方向的夾角每隔一個採樣時間間隔採樣一次； 並且，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移的方法為 根據每個採樣時間間隔開始時採樣得到的所述定位物體相對於第一坐標 系的三維加速度和所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在所述採樣時間間隔結束後在 水平坐標系中的位移。
4. 如權利要求3所述的三維定位方法，其特徵在於，所述獲取定位物體 的初始速度的方法為根據第n個採樣時間間隔開始時採樣得到的所述定位物體相對於第一坐 標系的三維加速度和所述第 一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，計算所述第n個採樣時間間隔結束後所述定位 物體的速度，並作為第n+l個採樣時間間隔開始時所述定位物體的初始速度。
5. 如權利要求3所述的三維定位方法，其特徵在於，所述獲取定位物體 相對於一第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度 方向的夾角的步驟包括一對採樣得到的數據進行誤差平衡處理的步驟。
6. 如權利要求3所述的三維定位方法，其特徵在於，所述確定定位物體 在水平坐標系中的位移的方法為根據每個採樣時間間隔開始時採樣得到的所迷定位物體相對於第一坐標 系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及 所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在所述採樣時間間隔結束後在 水平坐標系中的位移變化量，根據所述物體在水平坐標系中的位移變化量， 確定在所述採樣時間間隔結束後，所述定位物體在水平坐標系中的位移。
7. 如權利要求6所述的三維定位方法，其特徵在於，根據所述物體在水 平坐標系中的位移變化量，確定所述定位物體在水平坐標系中的位移的步驟 具體包括根據該定位物體在該水平坐標系中位移的計算值的變化情況，判斷所述 位移的計算值是否滿足對應的運動學規律，當計算值與相應的運動學規律不 符的概率達到25%時，停止對當前採樣數據的計算，重新採樣物體從靜止開 始，相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速 度方向的夾角，並重新獲取所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在 水平坐標系中的位移。
8. —種三維定位系統，其特徵在於，該三維定位系統包括 一加速度傳感模塊，其用於獲取定位物體相對於第一坐標系的三維加速度，所述第一坐標係為以所述定位物體的中心為原點的動態坐標系，所述第 一坐標系原點和坐標軸的方向隨所述定位物體的運動而變化；一傾角傳感模塊，其用於獲取所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方 向的夾角；一初始速度獲取模塊，其用於獲取所述定位物體的初始速度； 一數據處理模塊，其連接所述加速度傳感模塊、所述傾角傳感模塊和所 述初始速度獲取模塊，用於根據所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速 度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體 的初始速度，確定所述定位物體在z軸與重力加速度方向反向平行的水平坐 標系中的位移。
9. 如權利要求8所述的三維定位系統，其特徵在於 該加速度傳感模塊和該傾角傳感模塊對所述定位物體相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角每隔一個 採樣時間間隔採樣一次，並將採樣數據發送至該數據處理^t塊；所述數據處理模塊根據每個採樣時間間隔開始時採樣得到的所述定位物 體相對於第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度 方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在所述採樣 時間間隔結束後在水平坐標系中的位移。
10. 如權利要求1所述的三維定位系統，其特徵在於，所述數據處理模塊 進一步包括一檢測模塊，所述檢測模塊接收該定位物體在該水平坐標系中的位移的 計算值，並根據該定位物體在該水平坐標系中的位移的計算值的變化情況， 判斷所述計算值其是否滿足對應的運動學規律，當計算值與相應的運動學規 律不符的概率達到25%時，使數據處理模塊停止對當前採樣數據的計算，使 該採樣模塊重新採樣物體從靜止開始，相對於第一坐標系的三維加速度和所 述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，並使所述初始速度獲取模 塊重新獲取所述定位物體的初始速度，該數據處理^f莫塊重新確定所述定位物 體在水平坐標系中的位移。
全文摘要
本發明提供一種三維定位方法及三維定位系統，該三維定位方法包括步驟獲取定位物體相對於一第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，所述第一坐標係為以所述定位物體的中心為原點的動態坐標系，所述第一坐標系的原點和其坐標軸的方向隨所述定位物體的運動而變化；獲取所述定位物體的初始速度；根據所述定位物體相對於所述第一坐標系的三維加速度和所述第一坐標系的坐標軸與重力加速度方向的夾角，以及所述定位物體的初始速度，確定所述定位物體在z軸與重力加速度方向反向平行的水平坐標系中的位移。本發明的三維定位方法及三維定位系統對環境的依賴性較低，可靠性較高。
文檔編號G01C1/00GK101598540SQ20091004051
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月24日 優先權日2009年6月24日
發明者郭景貴 申請人:廣東威創視訊科技股份有限公司