相關(guān)申請的交叉引用

本公開要求于2014年10月1日提交的題為“methodsandsystemforverticaltrajectorydetermination”的美國臨時申請no.62/058,517以及于2015年1月9日提交的題為“methodsandsystemforverticaltrajectorydeterminationandautomaticjumpdetection”的美國臨時申請no.62/101,942的權(quán)益，它們通過引用全部并入本文。

本公開涉及包括mems慣性測量單元的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及用于捕獲和跟蹤在垂直方向上的人體運動的其它系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

關(guān)鍵表現(xiàn)變量(kpv)是運動員表現(xiàn)的定量測量。通過訪問和回顧運動員的kpv，運動員可以顯著地提高整體表現(xiàn)：kpv允許運動員與教練共享表現(xiàn)信息，隨時間記錄和跟蹤表現(xiàn)，并向運動員提供實時反饋。

在諸如滑雪和單板滑雪的運動中，kpv可以描述跳躍的表現(xiàn)。跳躍的kpv可以包括：1)空中時間(從起跳到著陸的跳躍持續(xù)時間)，2)距離(運動員從起跳到著陸的水平位移)，3)高度(運動員達到的最大垂直高度)，以及4)旋轉(zhuǎn)度(運動員在跳躍期間實現(xiàn)的旋轉(zhuǎn))。這些kpv可以用于向運動員提供反饋和激勵。

目前可用的基于視頻或基于攝像機的運動捕獲(mocap)方法提供很少的定量變量。此外，這些mocap技術(shù)被限于室內(nèi)使用或不適于戶外體育的運動捕捉的有限區(qū)域，這些戶外體育例如滑雪、單板滑雪、滑旱冰和騎自行車，因為這些活動發(fā)生在較長的距離上。

另一方面，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(ins)是自足式的(self-contained)，因此可以提供對高級運動和位置信息的無約束的可訪問性。ins廣泛用于各種mocap應(yīng)用，例如船舶和飛機導(dǎo)航、緊固工具和鋼筆跟蹤以及運動分析，以提供諸如姿勢、速度和位置等信息。

近來，微型微機電系統(tǒng)(mems)慣性設(shè)備已經(jīng)變得更加普遍，并且小尺寸的mems慣性設(shè)備已經(jīng)導(dǎo)致了使用可穿戴mocap技術(shù)進行人體運動跟蹤的ins的出現(xiàn)。通常，可穿戴mocap設(shè)備利用mems慣性測量單元(mems-imu)和/或絕對位置傳感器來捕獲用于室內(nèi)/室外定位的運動。例如，mocap相機系統(tǒng)可以用作絕對位置傳感器并被添加到慣性設(shè)備，用于在室內(nèi)環(huán)境中進行更精確的人體定位。對于室外環(huán)境，全球定位系統(tǒng)(gps)是示例性絕對位置傳感器，其可以用于加強慣性測量單元進行更精確的人體定位。

上述gps/mems-imu集成方法的缺點在于，消費者級gps導(dǎo)出的垂直位置(或高度)信息通常比水平位置信息在精度上低得多。gps高度測量精度會變化高達40米(通常為10米至20米)；這種不精確性的最重要原因是衛(wèi)星可見度(即在地平線上幾乎沒有可見的衛(wèi)星)以及多徑信號效應(yīng)。實時gps技術(shù)，例如實時運動學(xué)gps和差分gps提供更高的位置精度，但是其高昂的成本對于運動消費電子市場來說是限制因素。

附圖說明

在結(jié)合附圖閱讀以下對具體實施例的描述之后，本公開的其他方面和特征對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見。

現(xiàn)在將參照附圖僅以示例的方式描述本公開的實施例。

圖1是根據(jù)本公開的實施例的垂直位置確定系統(tǒng)的框圖。

圖2是根據(jù)本公開的實施例的垂直位置確定的方法的流程圖。

圖3是示出根據(jù)本公開的實施例的閾值處理垂直加速度、垂直速度和時間的曲線圖。

圖4是根據(jù)本公開的實施例的自動檢測跳躍事件的方法的流程圖。

圖5是根據(jù)本公開的實施例的用于垂直軌跡確定的裝置的示意性框圖。

具體實施方式

圖1示出了根據(jù)本公開的實施例的示例性垂直位置和速度確定系統(tǒng)100的框圖。如下所述，在一些實施例中，系統(tǒng)100可以使得計算效率增加，并且可以實現(xiàn)于可穿戴電子設(shè)備中，以向設(shè)備的穿戴者提供垂直運動信息。

系統(tǒng)100包括用于接收旋轉(zhuǎn)速率(rateofturn)信息101、加速度信息102和大氣壓力信息103的輸入。旋轉(zhuǎn)速率信息輸入101可以例如連接到陀螺儀，例如三軸陀螺儀(在圖5中示為mems-imu504的一部分)。加速度信息輸入102可以例如連接到加速度計，例如三軸加速度計(在圖5中示為mems-imu504的一部分)。大氣壓力信息輸入103可以例如連接到氣壓高度計(在圖5中示為mems氣壓高度計502)。系統(tǒng)100可以與慣性測量單元(imu)結(jié)合使用，imu提供加速度計和陀螺儀，并且還集成有氣壓高度計。如本文所使用的，術(shù)語“imu-baro”用于指代此類具有集成的氣壓高度計的imu。系統(tǒng)100還包括垂直位置估計輸出104和垂直速度估計輸出105。

垂直位置和速度確定系統(tǒng)100進一步包括級聯(lián)的兩級kalman(卡爾曼)濾波器(kf)系統(tǒng)，其包括方位(orientation)kf110和垂直位置/速度kf120。第一級(方位kf110)的輸出被提供作為第二級(垂直位置/速度kf120)的輸入。

方位kf110包括重力矢量時間更新器111和重力矢量測量更新器112。重力矢量時間更新器111從旋轉(zhuǎn)速率信息輸入101生成傳感器系(frame)(imu的坐標(biāo)系)中的重力矢量的預(yù)測113。重力矢量測量更新器112從重力矢量預(yù)測113和加速度信息輸入102的加權(quán)組合，生成傳感器系中的校正的重力矢量。然后，使用傳感器系中的校正的重力矢量，重力矢量測量更新器112生成側(cè)傾角和俯仰角信息114。如本文所使用的，術(shù)語“側(cè)傾角”是指圍繞水平軸沿著第一(例如前后)方向的旋轉(zhuǎn)，并且術(shù)語“俯仰角”是指圍繞水平軸沿著垂直于第一方向的第二(例如左右)方向的旋轉(zhuǎn)。

垂直位置/速度kf120包括垂直位置/速度時間更新器121、垂直位置/速度測量更新器122和可選的零速度更新檢測器123。垂直位置/速度時間更新器121從側(cè)傾角和俯仰角信息114和加速度信息輸入102，生成垂直位置/速度預(yù)測124。

垂直位置/速度測量更新器122基于垂直位置/速度預(yù)測124和大氣壓力信息輸入103的加權(quán)組合，生成校正的垂直位置估計104和垂直速度估計105。

可選的零速度更新檢測器123從加速度信息輸入102生成零速度信號125。零速度信號125在零速度更新檢測器123檢測到靜態(tài)階段(stillphase)時迫使垂直速度估計105為零。

ins通過對外部加速度值進行積分而求解捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航公式，來估計包括位置和速度在內(nèi)的導(dǎo)航參數(shù)。因此，重要的是ins通過從加速度計信號中減去重力加速度來精確地估計動態(tài)條件期間的外部加速度。為了實現(xiàn)這個減法函數(shù)，ins需要對其方位的精確估計。

圖1的實施例包括級聯(lián)kf，其形式為方位kf與垂直位置/速度kf級聯(lián)。級聯(lián)kf提供良好的計算效率。級聯(lián)kf具有比全局kf小得多的計算開銷，因為與方位狀態(tài)相關(guān)的計算與垂直位置/速度kf分開。因此，級聯(lián)kf可以使用線性函數(shù)來實現(xiàn)，而全局kf將需要非線性kalman濾波方法，例如擴展kalman濾波器(ekf)或無跡kalman濾波器(ukf)所利用的濾波方法。除了改善的計算成本之外，與全局kf相比，級聯(lián)kf使得靈活性增加，且實現(xiàn)和調(diào)諧更容易。

盡管級聯(lián)kf與全局kf相比，在理論上產(chǎn)生次優(yōu)(不太精確)的估計，但是在實踐中為了慣性導(dǎo)航的目的，級聯(lián)kf的性能與全局kf能夠相比擬。根據(jù)本文公開的示例對示例級聯(lián)kf系統(tǒng)的初步測試表明，對于慢運動、垂直跳躍和下降式跳躍垂直軌跡跟蹤，垂直軌跡跟蹤誤差分別約為26.9cm、27.2cm和28.1cm。在附錄a的文章中闡述了實驗設(shè)置的細(xì)節(jié)和來自初步測試的進一步結(jié)果。

使用rauch-tung-striebel(rts)平滑器觀察到垂直軌跡跟蹤精度的顯著改善，如以下所討論的。此外，基于實驗結(jié)果，使用rts-平滑器的平均跳躍kpv(高度/下降)確定誤差對于垂直跳躍和下降式跳躍分別為大約2.9cm和5.8cm(與在垂直方向上的一些地點的gps的～40m誤差相比)。對于跳躍高度的幅度是小的娛樂目的來說，這個實現(xiàn)的精度應(yīng)當(dāng)是足夠的。另一方面，競技體育跳躍中的跳躍高度的幅度遠(yuǎn)高于娛樂跳躍中的跳躍高度的幅度。因此，所實現(xiàn)的約2.9cm至5.8cm的跳躍kpv確定精度對于使用可穿戴技術(shù)的戶外測量目的來說也應(yīng)當(dāng)是足夠的。

現(xiàn)在將描述級聯(lián)kf中的各個濾波器，即方位kf110和垂直位置/速度kf120的結(jié)構(gòu)。在下面的描述中，下標(biāo)1和下標(biāo)2分別指代方位kf110和垂直位置/速度kf120的變量。

方位kf110生成側(cè)傾角和俯仰角信息114。側(cè)傾角和俯仰角信息114對于在垂直方向上的重力加速度補償和慣性運動跟蹤來說是足夠的。因此，不需要全部三維方位的信息。

三軸陀螺儀和三軸加速度計分別向方位kf110提供旋轉(zhuǎn)速率信息輸入101和加速度信息輸入102。重力矢量時間更新器111執(zhí)行下面的公式1的函數(shù)，以從旋轉(zhuǎn)速率信息輸入101生成傳感器系中的重力矢量的預(yù)測113。

x1(k)＝a1(k-1)x1(k-1)+w1(k-1)(公式1)

在公式1中，x1(k)是在步驟k處的方位kf110的3×1狀態(tài)矢量；因此，x1(k)是傳感器系中的歸一化重力矢量；a1是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；w1是過程模型噪聲矢量。重力矢量時間更新器111使用先前的重力矢量預(yù)測x1(k-1)，根據(jù)預(yù)測模型生成傳感器系中的重力矢量x1(k)的預(yù)測113。

重力矢量測量更新器112執(zhí)行下面的公式2的函數(shù)，以使用來自加速度信息輸入102的測量來更新重力矢量預(yù)測113。

z1(k)＝c1(k)x1(k)+v1(k)(公式2)

在公式2中，z1是測量矢量(即，在加速度計的傳感器系中測得的重力矢量)；c1是3×3觀測矩陣；v1是測量模型噪聲矢量。

公式1和公式2的矩陣從下面的公式3至公式13來計算。

生成方位kf的重力矢量預(yù)測

狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣a1(k-1)是從i3和導(dǎo)出的，i3是3×3單位矩陣，是三軸陀螺儀測量的3×3斜對稱矩陣。

過程模型噪聲矢量w1(k-1)基于和ng，并且被假定為不相關(guān)和零均值白高斯，其中，是x1的3×3的斜對稱矩陣，ng是陀螺儀測量噪聲矢量。

因此，公式1、公式3和公式4定義了重力矢量預(yù)測113。以這種方式，重力矢量時間更新器111從(旋轉(zhuǎn)速率信息輸入101)導(dǎo)出x1(k)(重力矢量預(yù)測113)。

生成方位kf的側(cè)傾角和俯仰角信息

c1(k)＝gi3(公式5)

在公式5中，3×3觀測矩陣c1是從3×3單位矩陣i3和重力矢量的范數(shù)g導(dǎo)出的。

在公式6中，測量模型噪聲矢量v1是從和na導(dǎo)出的，并且假定為不相關(guān)和零均值白高斯，其中，是加速度計的傳感器系中的外部加速度誤差，na是陀螺儀測量噪聲矢量。

公式7和公式8描述了加速度計的傳感器系中的外部加速度誤差。

^sa^-(k)＝ca^sa⁺(k-1)(公式8)

在公式7中，^sa(k)＝ca^sa(k-1)+ε(k)，其中，ε(k)是外部加速度過程模型的時間變化誤差。在公式7和公式8中，上標(biāo)+和-分別表示方位kf110中的“后驗”和“先驗”估計；上標(biāo)s表示該量在傳感器系中；ca是0和1之間的無量綱常數(shù)，其確定外部加速度模型中的截止頻率。

z1(k)＝y(tǒng)a(k)-ca^sa⁺(k-1)(公式9)

公式2中的測量矢量z1由公式9和公式10定義，其中，ya(k)是加速度計的偏置補償輸出矢量；并且傳感器系中的所估計的歸一化重力矢量是因此，公式2以及公式5-10定義了傳感器系中的所估計的歸一化重力矢量

公式11使用傳感器系中的所估計的歸一化重力矢量來生成計算出的側(cè)傾角(γ)和俯仰角(β)。根據(jù)公式2以及公式5-11，重力矢量測量更新器112從ya(k)(加速度信息輸入102)并且從x1(k)(重力矢量預(yù)測113)，生成指示側(cè)傾角(γ)和俯仰角(β)的方位信號114。

r1(k)＝∑acc+∑a(公式13)

公式12和公式13定義了方位kf110中的過程和測量噪聲協(xié)方差矩陣。使用過程模型噪聲矢量w1(k-1)來計算過程噪聲協(xié)方差矩陣q1(k-1)，其等于e[w1(k-1)w1(k-1)^t]，其中，e是預(yù)期算子。∑g是陀螺儀測量噪聲的協(xié)方差矩陣，其被定義為e[ngng^t]。通過假定陀螺噪聲方差在三個軸上等于σg，∑g被設(shè)定為

測量噪聲協(xié)方差矩陣r1(k)使用測量模型噪聲矢量v1(k)來計算并且等于e[v1(k)v1(k)^t]。∑a是加速度計的測量噪聲的協(xié)方差矩陣，其被設(shè)定為∑acc是加速度模型的協(xié)方差，并且被設(shè)定為

生成垂直位置/速度kf的垂直位置/速度預(yù)測

垂直位置/速度kf120生成垂直位置估計104和垂直速度估計105。方位kf110、三軸加速度計和氣壓高度計分別將側(cè)傾角(γ)和俯仰角(β)(來自方位信號114)、加速度信息(來自輸入102)和大氣壓力信息(來自輸入103)提供到垂直位置/速度kf120。

垂直位置/速度時間更新器121執(zhí)行下面的公式14的函數(shù)，以從來自方位信號114的側(cè)傾角和俯仰角以及來自輸入102的加速度信息生成垂直位置/速度預(yù)測124。

x2(k)＝a2(k-1)x2(k-1)+b2(k-1)u2(k-1)+w2(k-1)(公式14)

在公式14中，x2(k)＝[h(k)v(k)]^t是垂直位置/速度kf120的狀態(tài)矢量，包括垂直位置分量和垂直速度分量；a2(k-1)和b2(k-1)是垂直位置/速度kf120的狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣和輸入矩陣；u2(k-1)是輸入矢量，其包括導(dǎo)航系中的重力補償加速度的垂直分量，并且是使用輸入102和輸入114來計算的；w2(k-1)是過程噪聲的2×1矢量。

公式15和公式16分別定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣和輸入矩陣a2(k-1)和b2(k-1)。

公式17定義導(dǎo)航系中的重力補償加速度的垂直分量。導(dǎo)航系中的重力補償加速度的垂直分量的值基于旋轉(zhuǎn)矩陣其是使用來自方位信號114的側(cè)傾角(γ)和俯仰角(β)以及來自輸入102的加速度ya(k-1)計算的。將加速度計傳感器系的z軸與導(dǎo)航系對準(zhǔn)。

公式18和公式19分別描述了旋轉(zhuǎn)矩陣和過程噪聲的2×1矢量w2(k-1)，將加速度計傳感器系的z軸與導(dǎo)航系對準(zhǔn)。

根據(jù)公式14-19，垂直位置/速度時間更新器121從來自方位信號114的側(cè)傾角(γ)和俯仰角(β)以及加速度信息輸入102生成垂直位置/速度預(yù)測124，x2(k)。

生成垂直位置/速度kf的垂直位置估計和垂直速度估計

垂直位置/速度測量更新器122執(zhí)行下面的公式20的函數(shù)，以從垂直位置/速度預(yù)測124和氣壓計信息輸入103，生成垂直位置估計104和垂直速度估計105。

z2(k)＝c2(k)x2(k)+v2(k)(公式20)

在公式20中，z2(k)是從氣壓計信息輸入103計算的相對高度(δhbaro)；c2(k)是觀測矩陣；v2(k)是測量噪聲。

公式21描述了氣壓計信息輸入103，p,如何用在垂直位置/速度測量更新器122中。在公式21中，δhbaro是相對于參考位置的初始高度(hinit)的相對高度；hinit是使用在參考位置處的初始壓力數(shù)據(jù)來計算的，(hinit可以例如使用如下所述的穩(wěn)定初始化來計算)；p0是等于101,325pa的標(biāo)準(zhǔn)壓力。由于氣壓高度計中存在顯著的量化噪聲，因此應(yīng)當(dāng)使用滾動平均濾波器來提高氣壓高度測量的精度，并且在測量噪聲v2(k)中應(yīng)當(dāng)考慮其殘差。

c2(k)＝[10](公式22)

公式22定義了觀測矩陣c2(k)。

公式23定義使用過程噪聲矢量w2(k-1)和輸入矩陣b2(k-1)計算出的過程噪聲協(xié)方差矩陣q2(k-1)。

公式24定義測量噪聲協(xié)方差矩陣r2(k)，其中，是氣壓計噪聲方差。通過e[v2(k)v2(k)^t]獲得測量噪聲協(xié)方差矩陣r2(k)。

根據(jù)公式20-24，垂直位置/速度測量更新器122利用從氣壓計信息輸入103導(dǎo)出的相對高度測量z2(k)來校正垂直位置/速度預(yù)測124，x2(k)＝[h(k)v(k)]^t，以生成垂直位置估計104，h(k)和垂直速度估計105，h(k)。

圖1的垂直位置/速度確定系統(tǒng)在不使用gps的情況下有利地提供了相對高度測量的精確估計。因此，垂直位置和速度確定系統(tǒng)100可以與gps/mems-imu組合，以使gps/mems-imu增強有改進的垂直位置確定。垂直位置和速度確定系統(tǒng)100特別地與gps/mems-imu互補，因為在穩(wěn)定狀態(tài)下，gps可以用于初始化(到絕對高度)垂直位置確定系統(tǒng)的氣壓高度計；而在動態(tài)狀態(tài)下，垂直位置和速度確定系統(tǒng)100可以提供相對高度測量的精確估計，而不依賴于gps的不精確的動態(tài)高度測量。

在圖1的進一步實施例中，垂直位置和速度確定系統(tǒng)100可選地包括零速度更新檢測器123，用于限制ins中的漂移誤差。可選的零速度更新檢測器123從加速度信息輸入102生成零速度信號125。零速度信號125在零速度更新檢測器123檢測到靜態(tài)階段時，迫使垂直速度估計105為零。在一些實施例中，通過對由加速度計測得的加速度信號的范數(shù)設(shè)定閾值，并且加速度信號低于閾值時確定靜態(tài)階段，來檢測靜態(tài)階段。

在一些實施例中，可以使用穩(wěn)態(tài)初始化(stationaryinitialization)來校準(zhǔn)垂直位置和速度確定系統(tǒng)100。在靜態(tài)初始化期間，計算初始姿態(tài)和傳感器偏置。在方位kf110中使用三軸加速度計和三軸陀螺儀數(shù)據(jù)來計算初始傾斜角的平均值。傳感器系中的外部加速度^sa⁺(k)是方位kf110的副產(chǎn)品。然而，由于外部加速度在穩(wěn)態(tài)初始化步驟期間應(yīng)該為零，所以^sa⁺(k)的平均值被認(rèn)為是傳感器系中的加速度計偏置矢量。假設(shè)mems陀螺儀對于測量地球的旋轉(zhuǎn)速率是不夠精確的，則陀螺儀偏置矢量被計算為在該穩(wěn)態(tài)初始化步驟期間的三軸陀螺儀測量的平均值。這些偏置值被假定為在穩(wěn)態(tài)初始化過程之間的操作期間是恒定的。然后從測得的加速度計和陀螺儀信號中減去所估計的加速度計和陀螺儀偏置，以用于垂直軌跡估計。在穩(wěn)態(tài)初始化步驟期間，速度被設(shè)定為零，并且通過從參考系統(tǒng)獲得的初始高度來校準(zhǔn)氣壓高度計中的hinit。該參考系統(tǒng)可以提供用于絕對高度跟蹤的實際橢球面高度(例如從gps獲得的高度)，或者提供用于相對高度跟蹤的相對于任意坐標(biāo)系的相對高度(例如從基于相機的mocap系統(tǒng)獲得的高度)。

在本公開的又一實施例中，垂直位置和速度確定系統(tǒng)100包括軌跡平滑器(如圖5所示)。在不需要實時數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用中，可以通過平滑來進一步提高垂直位置估計的精度，平滑將正向和反向處理的數(shù)據(jù)組合。在一個示例中，垂直位置確定系統(tǒng)100的軌跡平滑器被配置為rauch-tung-striebel(rts)軌跡平滑器。rts平滑器是在導(dǎo)航應(yīng)用中廣泛使用的軌跡平滑器，用于平滑位置和速度軌跡。rts平滑器包括一個正向數(shù)據(jù)處理部分和一個反向數(shù)據(jù)處理部分。rts平滑器的正向處理部分是垂直位置和速度確定系統(tǒng)100的垂直位置/速度kf120。rts平滑器存儲來自正向處理部分的估計及其協(xié)方差，然后使用以下公式25-27在反向掃描中遞歸地更新平滑的估計及其協(xié)方差：

在公式25-27中，p2⁺和p2^—是“后驗”和“先驗”協(xié)方差估計；ks是平滑后的增益；x2⁺和x2^—是“后驗”和“先驗”狀態(tài)估計；xs是平滑后的狀態(tài)矢量。所有上述變量與垂直位置/速度kf120有關(guān)。

處理器130可以連接到方位kf110和垂直位置/速度kf120。處理器130被配置為：記錄測得的imu-baro加速度的垂直分量和imu-baro的所估計的垂直速度二者的時間序列數(shù)據(jù)；通過將測得的imu-baro加速度的垂直分量與一個或多個加速度閾值進行比較來檢測潛在跳躍；以及通過將imu-baro的所估計的垂直速度的時間序列數(shù)據(jù)中的潛在跳躍附近內(nèi)的最大速度和最小速度之間的差與速度閾值進行比較來驗證潛在跳躍。

圖2示出了根據(jù)本公開的實施例的垂直位置/速度確定的方法200的流程圖。

在201，該方法測量與氣壓高度計集成在同一設(shè)備中的慣性測量單元(imu)(imu-baro)的旋轉(zhuǎn)速率、imu-baro的加速度，并且使用來自氣壓高度計的大氣壓力信息測量imu-baro的高度。在實施例中，這些測量包括噪聲數(shù)據(jù)；也就是說，測量值固有地包括誤差，例如由傳感器噪聲引起的誤差。

在202，該方法根據(jù)第一kalman濾波操作，基于旋轉(zhuǎn)速率測量和加速度測量來估計imu-baro的側(cè)傾和俯仰。在實施例中，在202處的估計進一步包括在kalman濾波器中進行遞歸的預(yù)測和校正步驟。

預(yù)測包括：基于使用來自陀螺儀的旋轉(zhuǎn)速率測量和imu-baro傳感器系中的先前重力加速度的捷聯(lián)積分，來預(yù)測imu-baro傳感器系中的重力加速度矢量。校正包括：將傳感器系中的重力加速度矢量的預(yù)測與來自加速度計的測量組合，以生成傳感器系中的重力加速度矢量的估計。最后，側(cè)傾角和俯仰角函數(shù)從傳感器系中的所估計的重力加速度矢量計算估計的側(cè)傾角和俯仰角。

在203，該方法將來自第一kalman濾波操作的側(cè)傾估計和俯仰估計提供到第二kalman濾波操作。在實施例中，第一kalman濾波操作的輸出是第二kalman濾波操作的輸入。

在204，該方法根據(jù)第二kalman濾波操作，基于加速度測量、大氣壓力測量以及側(cè)傾估計和俯仰估計，來估計imu-baro的垂直位置/速度。在實施例中，在204處的估計進一步包括在kalman濾波器中進行遞歸的預(yù)測和校正。

預(yù)測包括：基于使用imu-baro的加速度以及先前垂直位置和垂直速度的捷聯(lián)積分來預(yù)測垂直位置(高度)和垂直速度。

校正包括：在kalman濾波器中，將預(yù)測的垂直位置和垂直速度與來自氣壓高度計的測得的垂直位置(高度測量)組合，以生成垂直位置和垂直速度估計。

圖3是示出示例跳躍的隨時間的示例垂直加速度和垂直速度的曲線圖。實線示出了根據(jù)本公開的實施例的來自imu-baro設(shè)備的示例垂直加速度信號301(針對重力歸一化)。虛線示出了示例垂直速度信號302，其可以例如是根據(jù)本公開的實施例的來自imu-baro的估計速度。圖3示出了根據(jù)本公開的實施例的可以與自動跳躍檢測的某些閾值進行比較的加速度信號301和速度信號302的多個特性，如下面進一步討論的。

當(dāng)加速度信號301下降到低于第一加速度閾值(例如，當(dāng)加速度信號301針對重力被歸一化時，為零)時，可以確定加速度信號301中的起跳指示符303，用于指示潛在跳躍事件的開始。

可以將加速度信號301中的起跳后的峰值加速度304與第二加速度閾值進行比較，當(dāng)垂直加速度超過第二加速度閾值時，指示潛在跳躍事件的結(jié)束。第二加速度閾值被選擇為對應(yīng)于由設(shè)備測得的典型跳躍著陸力。第二加速度閾值可以例如為大約1g或更大。在一些實施例中，第二加速度閾值可以是大約1.1g。在一些實施例中，第二加速度閾值可以是大約1.25g。

可以使用速度差305來將潛在跳躍驗證為實際跳躍。速度差305可以被確定為：加速度信號301中的起跳指示符303的預(yù)定范圍內(nèi)(例如前一刻)的時間的速度信號302中的局部最大值與起跳后的峰值加速度304的預(yù)定范圍內(nèi)的時間的速度信號302中的局部最小值之間的差。速度差305可以與速度閾值進行比較，以驗證跳躍?？梢詫⑺俣乳撝敌?zhǔn)為對應(yīng)于大多數(shù)典型跳躍并消除假跳躍。速度閾值可以例如是大約3m/s或更大。在一些實施例中，速度閾值可以是大約3.1m/s。在一些實施例中，速度閾值可以是大約4.3m/s。

跳躍時間306可以用于將潛在跳躍驗證為實際跳躍。跳躍時間306可以被確定為起跳指示符303與在起跳后的峰值加速度304前一刻的加速度信號301中的過零點307之間的時間。跳躍時間306可以與跳躍時間閾值進行比較，以驗證跳躍。跳躍時間閾值可以被校準(zhǔn)為對應(yīng)于大多數(shù)典型跳躍并消除假跳躍。跳躍時間閾值可以例如是大約0.1s或更多。在一些實施例中，跳躍時間閾值可以是大約0.12s。在一些實施例中，跳躍時間閾值可以是大約0.30s。

在所附的附錄b的文章中闡述了所進行的實驗細(xì)節(jié)和進一步示例閾值。

圖4示出了根據(jù)本公開的實施例的自動檢測跳躍事件的方法400的流程圖。方法400處理垂直加速度和垂直速度數(shù)據(jù)，以自動檢測運動員的跳躍事件。方法400包括：在401，接收imu、gps和大氣壓力信息，以提供測得的imu-baro加速度信號301和所估計的垂直速度信號302。加速度信號301和速度信號302可以例如利用如上文所公開的系統(tǒng)100來提供。在一些實施例中，方法400還可以包括：接收用于初始化絕對高度的gps信息，如上所述。

在402，該方法將測得的imu-baro加速度信號301與第一加速度閾值進行比較，以識別指示潛在跳躍事件的開始的起跳指示符303。如果測得的imu-baro加速度信號301保持高于第一加速度閾值，則該方法保持在402處，并且保持檢查測得的imu-baro加速度301是否下降到第一加速度閾值以下。

一旦在402處，測得的imu-baro加速度301下降到第一加速度閾值以下，就檢測到潛在跳躍，并且該方法前進到403，以記錄潛在跳躍的開始時間。在403，該方法進一步開始于：通過搜索在記錄的開始時間之前的imu-baro的所估計的垂直速度信號302中的局部最大值，來驗證潛在跳躍。

然后，方法400進行到404，在這里，繼續(xù)監(jiān)測來自垂直位置和速度確定系統(tǒng)100的imu-baro的測得的imu-baro加速度信號301和所估計的垂直速度信號302。在404，方法400將測得的imu-baro加速度信號301與指示跳躍事件結(jié)束的第二加速度閾值進行比較。第二加速度閾值被校準(zhǔn)為對應(yīng)于典型的跳躍著陸力。如果測得的imu-baro加速度信號301超過第二加速度閾值，則該方法識別著陸，并且進行到405。如果測得的imu-baro加速度信號301沒有超過第二加速度閾值，則進行到406，以便保持檢查測得的imu-baro加速度信號301是否超過第二加速度閾值。

方法400將僅保持檢查測得的imu-baro加速度信號301是否超過第二加速度閾值長達在406處定義的預(yù)定時間。在406，方法比較自記錄的跳躍開始起經(jīng)過的跳躍時間與第一定時器閾值。第一定時器閾值被設(shè)定為使該方法在404處識別著陸僅達對于典型跳躍而言為合理的時間量。第一定時器閾值可以根據(jù)上下文和預(yù)期的跳躍類型而變化。例如，初步測試數(shù)據(jù)指示跳躍通常將具有至少0.15s的空中時間。第一定時器閾值可以例如在大約0.1s至0.3s的范圍內(nèi)。在一些實施例中，跳躍時間閾值可以是大約0.12s。

一旦在406處，總經(jīng)過的跳躍時間超過第一定時器閾值，則該方法確定之前在402處識別的潛在跳躍是無效的。在402處可能因例如來自運動員的頭部運動的測量噪聲而檢測到假跳躍。該方法返回到402，在這里，該方法繼續(xù)監(jiān)測測得的imu-baro加速度信號301，以便識別未來的潛在跳躍。

返回到405，該方法基于在404處的測得的imu-baro加速度信號301超過第二加速度閾值的時間，來記錄潛在跳躍的結(jié)束時間。例如，記錄結(jié)束時間可以包括：識別在超過第二加速度閾值前一刻的加速度信號301中的過零點307。在405，方法400在記錄的結(jié)束時間之后還搜索imu-baro的所估計的垂直速度信號302中的最小值。

然后，該方法進行到407，將與潛在跳躍相關(guān)聯(lián)的速度差305與速度閾值進行比較。通過從在403處所識別的imu-baro的最大估計垂直速度302減去在405處所識別的imu-baro的最小估計垂直速度302來計算估計速度差305。有效跳躍具有典型的最小速度差(其可以被選擇為速度閾值)；因此，方法400將計算出的潛在跳躍的估計速度差305與速度閾值進行比較，速度閾值被校準(zhǔn)為對應(yīng)于大多數(shù)典型跳躍并消除假跳躍。如果計算出的估計速度差305小于速度閾值，則該方法返回到402，以便繼續(xù)監(jiān)測測得的imu-baro加速度信號301，以識別未來的潛在跳躍。

如果計算出的估計速度差305大于速度閾值，則方法進行到408，以便將潛在跳躍的總經(jīng)過時間與跳躍時間閾值進行比較。通過從記錄的結(jié)束時間減去記錄的開始時間來計算總經(jīng)過的跳躍時間。跳躍時間閾值被校準(zhǔn)為對應(yīng)于大多數(shù)典型跳躍并消除假跳躍。如果總經(jīng)過的跳躍時間小于跳躍時間閾值，則該方法返回到402，以便繼續(xù)監(jiān)測測得的imu-baro加速度信號301，以識別未來的潛在跳躍。

如果在408處總經(jīng)過的跳躍時間大于跳躍時間閾值，則該方法確定在402處檢測到的潛在跳躍是有效的，并且進行到409，以記錄測得的有效跳躍的數(shù)據(jù)。

圖5是根據(jù)本公開的實施例的用于垂直軌跡確定的裝置500的示意性框圖。裝置500包括可穿戴設(shè)備502，其可以容納圖1和圖5所示的各種硬件組件和軟件組件。裝置500包括用于接收旋轉(zhuǎn)速率信息101、加速度信息102和大氣壓力信息103的輸入。裝置500可以與提供加速度計和陀螺儀的慣性測量單元(imu)結(jié)合使用。在一些情況下，imu還可以具有與其集成的氣壓高度計。如本文所使用的，術(shù)語“imu-baro”用于指代這種具有集成氣壓高度計的imu。

旋轉(zhuǎn)速率信息輸入101可以例如連接到陀螺儀，例如三軸陀螺儀(在圖5中示為mems-imu504的一部分)。加速度信息輸入102可以例如連接到加速度計，例如三軸加速度計(在圖5中示為mems-imu304的一部分)。大氣壓力信息輸入103可以例如連接到氣壓高度計(在圖5中示為mems氣壓高度計502)。裝置500還包括垂直位置估計輸出104和垂直速度估計輸出105。

在本公開的一些實施例中，垂直位置和速度確定裝置500包括軌跡平滑器506(在圖5中示為rts506)。在不需要實時數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用中，可以通過平滑來進一步提高垂直位置估計的精度，平滑將正向和反向處理的數(shù)據(jù)組合。在一個示例中，垂直位置確定裝置500的軌跡平滑器被配置為rauch-tung-striebel(rts)軌跡平滑器506。rts平滑器506是在導(dǎo)航應(yīng)用中廣泛使用的軌跡平滑器，用于平滑位置和速度軌跡。

本公開提供了用于垂直位置和速度確定的方法和系統(tǒng)。垂直位置和速度確定將來自垂直位置傳感器(例如，使用壓力測量導(dǎo)出高度信息的mems氣壓高度計)的垂直位置信息與從mems-imu導(dǎo)出的方位(傾斜角)和加速度信息組合。mems氣壓高度計的輸出與使用級聯(lián)的兩級kalman濾波器(kf)系統(tǒng)的mems-imu的輸出相融合。

所提出的處理需要無磁力計的mems-imu來提供傾斜角，因此，垂直位置確定對磁干擾是魯棒的。另外，級聯(lián)kf的使用避免了需要傳播附加狀態(tài)，從而提高了位置確定方法的計算效率。因此，該位置確定方法適合于運動員穿戴的小型輕質(zhì)的電池供電的電子設(shè)備。

本公開另外提供了用于自動檢測運動員的跳躍事件或跳躍活動的方法和系統(tǒng)。自動跳躍檢測包括處理根據(jù)本公開的各種實施例確定的垂直位置和速度信息。

本公開的一個方面提供了一種用于與氣壓高度計集成在同一設(shè)備中的慣性測量單元(imu)(imu-baro)的垂直位置和速度確定系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：旋轉(zhuǎn)速率輸入，被連接以接收測得的imu-baro方位；加速度輸入，被連接以接收測得的imu-baro加速度；大氣壓力輸入，被連接以接收測得的imu-baro高度；第一kalman濾波器，連接到旋轉(zhuǎn)速率輸入和加速度輸入，以基于測得的imu-baro方位和測得的imu-baro加速度來估計imu-baro的側(cè)傾和俯仰；以及第二kalman濾波器，連接到加速度輸入、大氣壓力輸入和第一kalman濾波器；第二kalman濾波器與第一kalman濾波器級聯(lián)，以從第一kalman濾波器接收imu-baro的所估計的側(cè)傾角和俯仰角，并且基于測得的imu-baro加速度、使用氣壓高度計測得的大氣壓力以及imu-baro的所估計的側(cè)傾和俯仰，來估計imu-baro的垂直位置和垂直速度。

本公開的另一方面提供了一種用于確定imu-baro的高度的裝置。該裝置包括：第一kalman濾波器，被配置為：基于測得的imu-baro旋轉(zhuǎn)速率且基于測得的imu-baro加速度，估計imu-baro的側(cè)傾和俯仰；和第二kalman濾波器，以級聯(lián)布置的方式連接到第一kalman濾波器，用于：接收imu-baro的所估計的側(cè)傾和俯仰。第二kalman濾波器被配置為：基于imu-baro的所估計的側(cè)傾和俯仰、測得的imu-baro加速度和測得的大氣壓力，來估計imu-baro的垂直位置和垂直速度，并且輸出imu-baro的所估計的垂直位置和垂直速度。

本公開的另一方面提供了一種確定imu-baro的垂直位置和速度的方法。該方法包括：測量imu-baro的旋轉(zhuǎn)速率、imu-baro的加速度和大氣壓力；基于旋轉(zhuǎn)速率測量和加速度測量，根據(jù)第一kalman濾波器操作估計imu-baro的側(cè)傾和俯仰；將來自第一kalman濾波操作的側(cè)傾和俯仰估計提供到第二kalman濾波操作；基于加速度測量、大氣壓力測量以及側(cè)傾和俯仰估計，根據(jù)第二kalman濾波器操作估計imu-baro的垂直位置和速度；以及基于所估計的垂直位置和速度來確定imu-baro的垂直位置和速度；以及輸出所確定的垂直位置和速度。

本公開的另一方面提供了一種用于與氣壓高度計集成在同一設(shè)備中的慣性測量單元(imu)(imu-baro)的跳躍檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：旋轉(zhuǎn)速率輸入，被連接以接收測得的imu-baro方位；加速度輸入，被連接以接收測得的imu-baro加速度；大氣壓力輸入，被連接以接收測得的imu-baro高度；第一kalman濾波器，連接到旋轉(zhuǎn)速率輸入和加速度輸入，用于：基于測得的imu-baro方位和測得的imu-baro加速度來估計imu-baro的側(cè)傾和俯仰；第二kalman濾波器，連接到加速度輸入、大氣壓力輸入和第一kalman濾波器，第二kalman濾波器與第一kalman濾波器級聯(lián)，用于：從第一kalman濾波器接收imu-baro的所估計的側(cè)傾角和俯仰角，并且基于測得的imu-baro加速度、使用氣壓高度計測得的大氣壓力以及imu-baro的所估計的側(cè)傾和俯仰，來估計imu-baro的垂直位置和垂直速度；和處理器，連接到第一kalman濾波器和第二kalman濾波器。處理器被配置為：記錄測得的imu-baro加速度的垂直分量和imu-baro的所估計的垂直速度兩者的時間序列數(shù)據(jù)；通過將測得的imu-baro加速度的垂直分量與一個或多個加速度閾值進行比較來檢測潛在跳躍；以及通過將imu-baro的所估計的垂直速度的時間序列數(shù)據(jù)中的潛在跳躍附近內(nèi)的最大速度和最小速度之間的差與速度閾值進行比較，來驗證潛在跳躍。

本公開的另一方面提供一種使用imu-baro檢測跳躍的方法。該方法包括：測量imu-baro的旋轉(zhuǎn)速率、imu-baro的加速度、和大氣壓力；根據(jù)第一kalman濾波器操作，基于旋轉(zhuǎn)速率測量和加速度測量來估計imu-baro的側(cè)傾和俯仰；將來自第一kalman濾波器操作的側(cè)傾和俯仰估計提供到第二kalman濾波器操作；根據(jù)第二kalman濾波器操作，基于加速度測量、大氣壓力測量以及側(cè)傾和俯仰估計，來估計imu-baro的垂直位置和速度；以及基于所估計的垂直位置和速度來確定imu-baro的垂直位置和速度；以及記錄測得的imu-baro加速度的垂直分量和imu-baro的所估計的垂直速度兩者的時間序列數(shù)據(jù)；通過將測得的imu-baro加速度的垂直分量與一個或多個加速度閾值進行比較來檢測潛在跳躍。以及通過將imu-baro的所估計的垂直速度的時間序列數(shù)據(jù)中的潛在跳躍附近內(nèi)的最大速度和最小速度之間的差與速度閾值進行比較，來驗證潛在跳躍。

在前面的描述中，為了解釋的目的，闡述了許多細(xì)節(jié)以便提供對實施例的透徹理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，這些具體細(xì)節(jié)不是必需的。在其他實例中，以框圖形式示出了公知的電氣結(jié)構(gòu)和電路，以免掩蓋理解。例如，關(guān)于本文描述的實施例是否實現(xiàn)為軟件例程、硬件電路、固件還是其組合，并沒有提供具體細(xì)節(jié)。

本公開的實施例可以表示為存儲在機器可讀介質(zhì)(也稱為計算機可讀介質(zhì)、處理器可讀介質(zhì)或具有體現(xiàn)在其中的計算機可讀程序的計算機可用介質(zhì))中的計算機程序產(chǎn)品代碼。該機器可讀介質(zhì)可以是任何合適的有形非瞬時性介質(zhì)，包括磁、光或者電存儲介質(zhì)，包括磁盤、光盤只讀存儲器(cd-rom)、存儲器設(shè)備(易失性或非易失性)或類似的存儲機構(gòu)。該機器可讀介質(zhì)可以包含各種指令集、代碼序列、配置信息或其他數(shù)據(jù)，它們在被執(zhí)行時使處理器執(zhí)行根據(jù)本公開的實施例的方法中的步驟。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，實現(xiàn)所描述的實現(xiàn)方式所必需的其他指令和操作也可以存儲在機器可讀介質(zhì)上。存儲在機器可讀介質(zhì)上的指令可以由處理器或其他合適的處理設(shè)備執(zhí)行，并且可以與用于執(zhí)行所描述的任務(wù)的電路接口連接。

上述實施例僅旨在作為示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對特定實施例進行改變、修改和變化。權(quán)利要求的范圍不應(yīng)受到本文所闡述的特定實施例的限制，而是應(yīng)以與整個說明書一致的方式來解釋。