确定二维运动物体的路径的装置及方法.pdf

本发明涉及一种在二维方向上重构生物体或运动物体在平面或二维表面上或者沿着平面或二维表面重复运动的路径的方法，包括以下步骤：测量地球磁场投影在二轴或三轴磁力仪的至少两个轴线上的至少两个分量，该磁力仪连接至或放置在生物体或物体上；测量与至少一个沿着所述磁力仪的轴线之一的可变分量的测量值相对应的信号的周期或频率；根据沿着所述磁力仪的至少两个轴线的至少两个场测量值来测量运动的朝向或方向；从周期或频率的测量值以及朝向或方向的测量值来重构所述路径。

1.  一种在二维方向上重构生物体或运动物体在平面或二维表面上或者沿着平面或二维表面重复运动的路径的方法，包括：
-测量地球磁场投影在二轴或三轴磁力仪的至少两个轴线上的至少两个分量，该二轴或三轴磁力仪连接至或放置在生物体或物体上，
-由所述分量中的至少一个沿着所述磁力仪的轴线之一的可变分量的测量值检测重复运动的出现，
-由沿着所述磁力仪的至少两个轴线的至少两个场测量值来测量运动的朝向或方向，
-由所检测的重复运动的出现及朝向或方向的测量值来重构所述路径。

2.  根据权利要求1所述的方法，由所检测的重复运动的出现、每次出现所移动的距离及朝向或方向的测量值来重构所述路径。

3.  根据权利要求1所述的方法，包括检测与所述可变分量的测量值相对应的信号的周期或频率。

4.  根据权利要求3所述的方法，所述重复运动的出现次数由周期(T)来确定。

5.  根据权利要求1至4中一项所述的方法，所述地球磁场的投影的测量是连续进行的。

6.  根据权利要求5所述的方法，包括对所述地球磁场投影的测量值进行处理，该处理包括将所测量信号与数学模型或前一瞬间的所测量信号进行比较的步骤。

7.  根据权利要求6所述的方法，所述比较是通过自相关、或FFT、或自适应滤波、或子波技术来进行的。

8.  根据权利要求1至7中一项所述的方法，其中采用循环估算方法，使用上一次的周期估算值来确定信号长度，该信号长度用于计算下一个周期。

9.  根据权利要求1至8中一项所述的方法，其中磁力源布置成靠近生物体或运动物体，所述方法还包括估算相对于该磁力源的以位置和/高度表示的相对路径。

10.  根据权利要求9所述的方法，所述相对路径的估算采用最优化或卡曼滤波反演的磁力测量。

11.  根据权利要求1至10中一项所述的方法，其中所述装置通过定位数据来重置或重新定位。

12.  一种在二维方向上重构生物体或运动物体在平面或二维表面上或者沿着平面或二维表面重复运动的路径的装置，其特征在于，该装置包括：
-二轴或三轴的磁力仪(2)，用于测量地球磁场投影在连接至或放置在生物体或物体上的磁力仪的至少两个轴线上的至少两个分量，
-由至少一个沿着所述磁力仪的轴线之一的可变分量的测量值检测重复运动的出现的装置，
-根据沿着所述磁力仪的至少两个轴线的至少两个场测量值来测量运动的朝向或方向的装置，
-从所检测的重复运动的出现及朝向或方向的测量值来重构所述路径的装置。

13.  根据权利要求12所述的装置，所述检测重复运动出现的装置包括用于测量与所述可变分量相对应的信号的周期或频率的装置。

14.  根据权利要求12或13所述的装置，还包括将来自磁力仪的数据与处理和/或显示单元进行通信的装置(6)。

15.  根据权利要求14所述的装置，包括将来自磁力仪的数据与所述再处理和/或显示单元进行无线电通信的装置(6)。

16.  根据权利要求12至15中一项所述的装置，包括处理磁力测量数据的装置(6)。

17.  一种鞋，包括根据权利要求12至16中一项所述的装置。

18.  一种测位和定位系统，包括：
-根据权利要求12至17中一项所述的装置，该装置用于对生物体或运动物体在平面或二维表面内或者沿着平面或二维表面重复运动的周期或频率、及朝向或方向进行测量，
-通过卫星或参照固定的地面站来定位的装置，例如UWB无线电测位或UWB无线电定位类型，
-所述系统被编程，以便当卫星定位装置出现操作故障时，根据本发明的测量装置保持操作或设定到操作。

确定二维运动物体的路径的装置及方法
技术领域
本发明涉及应用于获取体育运动、医学运动或工业运动的通信对象和磁力计量领域。
本发明尤其涉及人行走的周期性(或伪周期性)运动的测量。本发明允许对该运动的方向、步幅或周期进行联合测量。
更具体地，本发明应用到行人或运动物体在平面或二维表面上或者沿着平面或二维表面移动的重复运动。
背景技术
目前，许多物体通过植入与环境完成某种通信功能的电子元件而变得“智能”。例如，在体育运动领域，装备好的鞋完成很简易的功能，例如在固定间隔或当脚进行某项动作(步行、跑步或跳跃)时鞋发出LED光。
在健康领域，我们特有的久坐的生活方式带来对步行逐渐增长的兴趣。许多人日常使用步程计来计算其运动量。步程计估算日常或给定时间间隔内行走的距离并从中获取其穿戴者的体育锻炼水平。
用在步程计中的系统主要包括加速度测量仪。这些传感器提供步行的周期性加速度信号。差不多比较复杂的处理操作使得可检测并计数步幅(并因而通过步幅长度的事先校准来得到移动的距离)或实时估算步幅长度。
在文献US 5583776中，通过借由阈值处理和/或频率分析类型的处理操作，采用垂直放置在脚部处的加速度测量仪的信号来估算移动的距离。该装置与罗盘或GPS相结合，形成基于行走的导航系统。
测得的加速度值是与地球引力场及运动速度相关的数值。因而其它处理操作试图将尤其对于该运动的加速度值更多或更少地隔离，并然后将该信号集成以便得到距离(具有由二次集成导致的漂移风险)。
如果在运动期间对运动速度和传感器所经历的所有振动都很敏感，则加速度信号的趋势不依赖于步行的方向。因而与行人步行的朝向相比，该系统本质上是鲁棒性的。另一方面，通过这类测量不能得到该朝向。
另一方面，磁性测量与传感器的敏感轴上的地球磁场投影相对应，因而磁测与处于背景磁场的传感器行进的路径有关。对于步行或跑步运动，周期性信号的趋势不再依赖于运动速度或地面的硬度，而是根据传感器朝向的定向来改变。由于这个原因，磁力仪通常用来估算朝向而从不用来估算步数或从地球磁场移动的距离。
在一些发明中，尤其是在文献US 6132391中描述了采用磁力仪来确定步行的方向，通常伴随有全球定位系统(GPS类型)。
其它文献提及采用磁力测量来得到移动的距离，但是这些系统均包括放置在第一鞋中的补充磁力源，以及放置在第二鞋中以便限定信号变化度的磁力传感器。然后采用的处理操作差不多比较复杂(阈值处理、校准)，来估算步数、步幅的长度及移动的距离，如在WO2005/034751中描述的。
为了提供步数(以便通过例如事先校准步幅长度来获得移动距离)和朝向，现有发明需要采用两种类型的测量仪(加速度测量仪和磁力仪)。
总而言之，因而通过加速度测量仪来测量距离的方法是公知的。
采用具有磁力源的植入磁力系统也是公知的，该磁力源必须被植入到物体上，到运动的物体上以便得到运动特征(距离、速度等)。
采用这些公知的技术来得到的测量需要两种类型的传感器来获得两种类型的测量值，即距离和朝向。
发明内容
根据本发明的方法使得可在二维方向完成对生物体或运动物体在平面或二维表面内或者沿着平面或二维表面重复运动的路径的重构或投影。
该方法包括以下步骤：
-测量地球磁场(terrestrial magnetic field)投影在二轴或三轴磁力仪(magnetometer)的至少两个轴线上的至少两个分量，该二轴或三轴磁力仪连接至或放置在生物体或物体上；这些分量中的至少一个是可变的，可能的话两个均是可变的，
-由至少一个沿着所述磁力仪的轴线之一的可变分量的测量值检测重复运动的出现，或测量与至少一个沿着所述磁力仪的轴线之一的可变分量的测量值相对应的信号的周期或频率，
-根据沿着所述磁力仪的至少两个轴线的至少两个场测量值来测量运动的朝向或方向，
-从所检测出现及朝向或方向的测量值或一方面是周期或频率及另一方面是朝向或方向的测量值来重构所述路径。
重复运动的术语“出现”在此处及下文中是指周期性或伪周期性运动的基本相位(elementary phase)，该相位进行重复而组成该运动。
为了实现该方法，使用由具有作为最小值两个轴线的磁力仪提供的信号。行人或动物或运动物体装备有诸如二轴或三轴的磁场传感器，以便得到一方面的频率或周期信息、或与运动的出现有关的信息、或距离，以及另一方面的朝向。
本发明并不使用步程计、尤其是基于加速度测量仪的步程计，也不使用加速度测量仪。
然后，对前述意义上运动出现或运动的周期或频率(包含所研究关于运动的步幅的信息)的检测使得若有必要来找到在平面或二维空间的一个或多个方向上移动的距离成为可能。
本发明解决了以简易方式得到两种类型测量值、距离和朝向的问题。该简易方式采用用于确定运动的至少出现次数或步幅(T)的两个(或三个)传感器或磁轴，而不采用来自诸如加速度测量仪或基于加速度测量仪的步程计的装置的任何信息。由步幅数据来提取周期的数量是可能的。
直接采用地球磁场来访问运动的朝向。因而，同样的磁力仪也可用来检测朝向。
适应性处理使得可消除用于确定步幅的磁力信号的变化度。
处理单元使得可处理由传感器传输的信号。传感器及相关电子器件可受益于与微技术工艺相关的在尺寸上减少的优势。因而，根据本发明的系统可与运动物体相关，以便为其提供两个功能：测量其运动的出现或步幅，以及测量其相对于磁北的定向。
例如，根据本发明的系统可被植入运动鞋的鞋跟，以便提供步行(或跑步)的朝向和步幅。
根据本发明的系统可通过无线电或其它连接来将其信息(未加工的或预处理过的测量值)与显示单元通信。
本发明还涉及一种装置，该装置用于在二维方向完成对生物体或运动物体在平面或二维表面内或者沿着平面或二维表面重复运动的路径的重构或投影。该装置包括：
-二轴或三轴的磁力仪，用于测量地球磁场投影在连接至或放置在生物体或物体上的磁力仪的至少两个轴线上的至少两个分量，该两个分量中至少一个是可变的，可能的话两个均是可变的，
-由至少一个沿着所述磁力仪的轴线之一的可变分量的测量值检测重复运动的出现的装置、或测量与至少一个沿着所述磁力仪的轴线之一的可变分量相对应的信号的周期或频率的装置，
-根据沿着所述磁力仪的至少两个轴线的至少两个场测量值来测量运动的朝向或方向，
-从一方面是周期或频率数据及另一方面是朝向或方向数据或所检测出现及朝向或方向的测量值来重构所述路径的装置。
本发明具有几个优势：
-根据本发明的测量系统是简易的且节约能量，因为其采用诸如二轴的磁力仪(而不是诸如加速度测量仪或GPS的其它类型传感器)。
-根据本发明的用于测量步幅的系统不需要事先校准。
-该系统易于实现，因为其采用背景磁场并因而不需要任何人工磁力源；此外，其可连接至微型无线电发送器、可保持紧凑并装备至任何类型的物体上。
根据本发明的装置也可包括诸如无线电类型的装置，用于将来自磁力仪的数据与处理器和/或显示单元进行通信。
该装置可包括处理磁力测量数据的装置。
本发明的一个应用示例是鞋，该鞋包括前述说明的装置。
本发明还涉及一种测位和/或定位系统，包括：
-根据本发明前述说明的装置，该装置用于在二维方向对生物体或运动物体在平面或二维表面内或沿着平面或二维表面重复运动的路径进行重构或投影，
-定位装置，通过卫星或参照固定的地面站，
-该系统可编程，以便当在用于通过卫星或参照固定的地面站来定位的装置中出现操作故障时，根据本发明的测量装置保持操作或设定到操作。
附图说明
图1描述了在鞋上测试期间根据本发明的装置的使用；
图2描述了使用根据本发明的装置期间的计算和显示单元；
图3描述了在步行期间三个分量的磁场变化趋势；
图4描述了以行人的几个步幅来估算步行步幅，采用磁力信号的自相关方法；
图5A和5B示出了根据本发明的通过测量值而重构的两条路径。
具体实施方式
本文将首先以鞋的应用来描述本发明，参考图1，文中的人穿鞋在体育馆中使用的机器上进行锻炼。
在第一个近似化过程中，磁力传感器2(诸如磁通门或巨磁阻(GMR)类型)测量在其敏感轴上的地球磁场投影。由于固定在物体4上，因而磁力传感器2自身连接至行人，跟随该对象的周期性运动。装置6使得可获取传感器的数据，并可能的话将数据例如通过无线连接方式传输给处理及存储装置8。
这种处理装置8在图2中示出。处理装置8包括中心单元80，中心单元80使得可将接收到的数据进行计算并存储所述数据以及进行计算。显示单元82使得可显示数据，诸如接收到的数据(例如以图3中的图形形式)或计算后的数据(诸如在图2示例中显示的，例如栏820和822)。根据鞋的应用中，包含在该两栏中的数据分别与定向数据及用户步行或运动的步幅数据相对应。
该数据处理也可由处理器类型或DSP等的便携式计算单元来完成。
在一个变型中，至少一些处理操作可由图1中用户携载的装置6来完成。在这种情形下，单元80减少至少部分处理操作。
随后可见，广义上讲，根据本发明的方法及装置也使得可测量物体、行人或动物运动的朝向或方向。广义上讲，因而根据本发明的装置可包括电子或计算装置，实现数据处理来获取朝向或方向数据、步幅数据以及可能速度和/或移动距离。这种装置也可配备显示装置，例如用于辅助行人找到其在特定地点朝向精确点的路线。该装置可与绘图软件装置相结合。
采用装置2测量的场具有周期性(或伪周期性，具有缓变的步幅)形式或至少有可变分量。该形式或可变分量与由运动传感器(见图3)测得的地球磁场投影中的变化相对应。取决于周围电磁寄生效应，噪声级别可影响所测得的场。
可从该测量中提取运动的步幅和传感器的定向。其它数据(例如移动距离数据)可从这些步幅和/或定向数据来计算或估算。
采用的频率分析技术可由装置80(见图2)来实现，甚至可能由装置6自身来实现。装置80接收并处理接收到的由装置6发送出的数据。
根据本发明的装置和方法没有采用辅助装置(诸如加速度测量仪类型的步程计或传感器)。具有加速度测量仪来实现的步程计通过脉冲计数(例如通过阈值处理来检测)来测量步数。在理论上来说，很难将该理论应用到磁力仪上，因为其信号在朝向上的幅值不同。
因而，采用消除该变化度的技术是可能的，例如使得可由周期性信号来确定步幅的频率分析技术(例如采用在US 5583776中描述的FFT、或自适应滤波或子波技术(wavelets)来处理)。
该信号可与模型连续进行比较：该模型或者例如采用数学方法形成或者采用在前一瞬间的信号自身来形成。
本发明的采用基于自相关滑窗来处理的步行的一个应用示例提供在图4中描述的结果。该处理的原理是基于周期性信号的下述自相关属性：该自相关与无论何种周期性形式信号趋势的信号在相同步幅处有最大值。
为了确定周期，测量与该自相关函数的第一最大值相对应的非零瞬间。更精确地，选择包含至少四个周期的信号长度L并然后进行其自相关计算；通过加窗处理和阈值处理来设定与该第一最大值相对应的时间：这提供了步幅的第一估算。该估算然后被用来确定新长度L’，该新长度L’计算成使得L’比步幅的四倍更大。然后可使用前述的计算方法。因而，估算步幅的方法进行循环：周期的上一个估算值被用来确定信号长度，该信号长度用于计算下一个周期。该技术中排除了行走变化的趋势。
运动的周期根据步幅的数量显示在图4中，也就是说根据流逝的时间而定。快速步行节奏被清楚地确定，交替为慢速步行节奏。
也可通过诸如在图2中描述的装置80或便携式装置6(图1)的装置来实现自相关处理。自相关并不使用信号形状的数学模型。如果观测窗相当长，则信号的周期性特征相对于朝向占据该变化的趋势，且该自相关独立于朝向来提供步幅的较好估算。
用于相当长的观测窗中，本发明使得可消除与朝向相关的信号趋势的变化。
对于传感器的定向，这是水平分量的磁场与地理北极之间的角度。该角度可由例如通过阈值处理的三轴传感器的三场测量、或二轴传感器的二场测量来确定。在行人的情形下，该传感器优选地放置成平行于脚。例如通过阈值处理，设置与脚的水平位置相对应的瞬时范围是可能的。例如通过对图3中信号Bx和By的阈值处理，该范围与具有平缓斜度的两个信号区域相对应。
可执行数据的融合，数据一方面是朝向或方向而另一方面是步幅或节奏。从步幅或节奏信息(用于移动给定距离的运动的出现)可确定与单次运动出现相关的距离。然后将该距离与朝向信息相结合，以便估算例如每个瞬间相对2D中所选择的每个二维方向在当前方向上移动的距离。因而在图5A和5B中示出了两种类型移动所得到的结果，第一移动(图5A)是矩形的且重复两次，而第二移动(图5B)是圆形的且也重复两次。在每个图中，重构路径给定在参考框内，其中X轴是东西方向而Y轴是南北方向。
更具体地，本发明使得可提供物体路径的可视化描绘，该路径的分量位于物体沿着其移动的平面内或表面上的两个方向上。
本发明中描述的基本系统可进行增强，以便提供补充功能，该补充功能也可由装置80或图2中的便携式装置6来完成。
例如，可完成“计数器”功能：确定步幅T可能计数周期性运动的出现次数N。在步行的情形下，计数为一步每周期。
通过已知运动的出现次数N来完成“步程计”功能，经由用户校准后，使得可确定运动的具体特征。例如对于跑步，移动的距离D由校准后的步幅长度L提供：
D＝N×L
步幅L的长度是由用户或在设备的校准相位期间计算得到的参数(已实践于预定已知距离的有规律步行中)。
如果在校准后较差地估算步幅的长度，则在每步中引入距离上的误差。然后有必要管理导致偏差的漂移，在实际位置与由根据本发明的方法来估算的位置之间该偏差随着时间而逐渐增大。一种改善该装置的方法是通过下述数据来有规律地重置或重新定位：
-当这种定位装置可操作时，诸如GPS的定位数据，
-数据由地理参照的位置数据库来提供，且其将信息提供给根据本发明的装置。例如，当运动是在建筑中进行且所估算的路径在该地点发生时，将人重置至门中间而不是穿过墙壁的路径是可能的。
如果使用几种测量轴，且磁力源(偶极或非偶极)被添加靠近运动的物体，则然后相对于该源的位置(反之亦然)来估算物体的路径(位置和/或高度)也可通过磁力测量反演(最优化，卡曼滤波，例如描述于下述文献：C P Frahm，“Inversion of the magnetic field gradientequations for a magnetic dipole field”，NCSL Informal Report，135-72，1972年)的公知技术来进行。例如，通过这些反演技术将磁力传感器(磁力梯度仪，其采用前述文献中描述的测量技术)放置于一条腿上、磁体放置于另一条腿上，以便估算一条腿相对于另一条的路径并因而实时确定步幅的长度。该接近方法比前述提及校准步幅长度的方法更精确。
根据本发明如前所述的方法和装置采用测量运动的周期或频率，然后测量可变分量的磁场。
更简易地，从上述的同样磁场数据，可能对信号采用阈值处理(简易型，或滞后型以便更鲁棒)，该信号来自可变分量的磁场测量。然后，一旦信号超出某阈值，则得到辨识周期性或伪周期性运动的每次出现或该运动每个基本相位。因而，可能计数基本运动的数量。已知与基本运动相关的距离后，由此可得知总距离。信号可有序预先设定(至少部分地)以便无变化度，例如通过将信号标准化于滑窗(在该窗中信号的最小值设定为0，最大值为1)。这种处理不必要地很鲁棒，但能给出正确结果。而且，在该实施例中，朝向测量与前述已经描述的一致。也可能重构诸如图5A和5B所示的路径。然后将距离和朝向信息有序结合，例如在每个瞬间和相对2D中所选择两个方向的每一个，以便估算在当前方向上移动的距离。又一次，本发明使得可提供对物体路径的可视化描绘，该路径的分量位于物体沿着其运动的平面内或表面上的两个方向上。
无论在哪个实施例中，根据本发明的便携式装置可实施在人、动物或甚至行走的机器人上。该装置然后被紧固于人、动物或机器人上。使得可重构穿戴者在地面上的路径，且如果需要则能将该路径显示在显示屏上，以例如在图5A和5B中的图形的形式。当穿戴者在地面上进行摩擦(有规律的)前进而不是滑行时，该测量原理运行得更好。行走、穿鞋跑步、快步及奔跑都是可采用根据本发明的方法和装置来进行处理的运动。
根据本发明的装置可与诸如GPS类型的测位或定位装置有关。在一个变型中，可为用于参考固定的地面站(例如UWB(超宽带)无线电测位或UWB无线电定位类型)来定位的装置。当后者不是可操作的时，即由于诸如丢失卫星的情况、或在建筑物内的情形下、或在森林中、或包围在大型建筑物之间的街道上，根据本发明的装置向用户提供一方面是朝向或方向而另一方面是步幅或节奏或速度的信息。该系统整体上可编程，以便当测位或定位装置的操作失效时，根据本发明的装置保持操作或设定到操作。
根据本发明的装置，例如与前述讨论的定位系统相结合，也可与绘图软件相关联。
这种装置对于帮助行人找到其朝向精确点的具体地点来说是有用的。
这种应用的一个示例如下：
用户具有包括根据本发明的装置和GPS类型的测位装置的系统。
该用户具有无绳电话，该无绳电话装备有非接触数据传输装置(例如蓝牙类型)。
在大型商业中心的入口处，他接近用于准入该大厦和该大厦方案的信息终端。
自动地，该方案被传送形成用户的无绳电话上的矢量形式(例如矢量图形(svg)格式)，用户看到在电话屏幕上显示的该方案，终端处于的位置以红点表示(意思是“你在这里！”)。
GPS类型的定位装置是不可操作的，因为在商店中卫星是不可见的。
电话(不能看见卫星)自动地切换至借由磁力仪的“相对”定位模式。
若他想去大厦的另一端处，去期望的目的地，例如鞋店。则他在地图上点击该地点。然后本应用即知道相对于北极的全球朝向，这是必须发生的。行人可将其位置与目标在其实际方向上进行对齐。
现在所有他需要做的就是向前行进以便移动该点，所述点定位其在每刻处的位置直到他到达期望的目的地为止。
文中以行人的运动描述的本发明也可应用于动物的运动。生物体、人或动物的运动大致发生在垂直平面上或二维空间内。本发明也可应用到物体在平面或表面内或者沿着平面或表面运动的特征上去。