本實用新型涉及定位導航領域，特別是涉及了一種定位用腳環及室內外定位系統。

背景技術：

如何實現全空域的室內外無縫定位導航一直是各大機構爭相研究的熱點。室外定位主要依靠GPS/北斗等衛星導航，技術成熟、可靠性高。主流的室內定位依靠無線定位，如WIFI定位、藍牙定位、Zigbee定位、移動通信網絡定位、依靠GPS/北斗信號室內轉發裝置定位等。但這些室內無線定位所有的基站位置需要事先設定好，一旦環境改變或網絡覆蓋范圍發生變化，最終得到的定位結果就會出現嚴重誤差。并且室內無線定位需要基站與接收機之間的環境為視距環境，人體遮擋、多徑傳播、同頻干擾對定位精度影響很大。

還有一些室內定位方法不依賴于基站，如依靠室內地磁強弱定位以及慣性輔助定位。地磁室內定位是一種地磁強度指紋識別匹配的方法。這種方法需要龐大的指紋數據庫，數據庫建設難度大、維護成本高。依靠MEMS慣性器件的行人航跡推算室內定位方法，如計步器、計程器。該方法不依賴外界環境，可實時自主定位，但定位精度低，穩定性差，且存在慣性漂移，無法適用跑動，跳躍等運動形式。

市場上報道的室內外無縫定位系統主要有高德地圖、“羲和”系統。高德地圖室外依靠GPS/LBS，室內依靠WIFI或藍牙定位。“羲和”系統是中國的北斗室外導航技術和移動通信基站定位技術相結合的室內外無縫定位技術。這兩種定位方法在室內定位中都依靠固定基站。

如何實現不依賴外部環境，且無慣性漂移的室內外無縫定位是一個亟待解決的難題。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術的不足，本實用新型提供了一種定位用腳環，其通過將硬件集成在腳環上，方便拆裝且攜帶方便、抗干擾能力強、可靠性高、穩定性強，且通用性高，無需復雜的安裝連接，直接拆裝適用于任何人，特別是針對兒童及老人；解決了現有定位方法硬件安裝復雜、不便于攜帶、拆裝不便，且干擾性較強、穩定性較弱及無法實現通用性的問題。本系統不依賴固定基站，無非視距干擾，可實現室內外自主定位，解決了現有室內外無縫定位時依賴固定基站、慣性漂移及干擾性強的難題。本實用新型還提供了一種室內外定位系統。

本實用新型所要解決的技術問題通過以下技術方案予以實現：

一種定位用腳環，包括左腳環和右腳環；所述左腳環作為信號發送端，包括第一主控制器，與所述第一主控制器連接的無線電發射模塊、超聲波發射模塊、第一磁羅盤，所述第一主控制器主要用于控制各模塊及負責同時發送無線電信號和超聲波信號，所述第一磁羅盤與所述無線電發射模塊相互垂直設置；所述右腳環作為信號接收處理端，包括第二主控制器，與所述第二主控制器連接的無線電接收模塊、超聲波接收模塊、第二磁羅盤及無線通信模塊，所述第二主控制器主要用于控制各模塊及負責接收無線電信號和超聲波信號、處理信號并計算獲得行人航跡的行人位置坐標，所述第二磁羅盤與所述無線電接收模塊相互垂直設置。

進一步地，所述無線電發射模塊設置在所述左腳環的第一環狀承載體的弧形頂部處，所述超聲波發射模塊靠近所述無線電發射模塊；所述無線電接收模塊設置在所述右腳環的第二環狀承載體的弧形頂部處，所述超聲波接收模塊靠近所述無線電接收模塊。

進一步地，所述超聲波發射模塊和超聲波接收模塊組成超聲波收發模塊，該超聲波收發模塊的水平面收發角度為100~180°，豎直面收發角度為100~180°。所述超聲波收發模塊為一組超聲波收發模塊或多組超聲波收發模塊。進一步地，所述無線電發射模塊和無線電接收模塊組成無線電收發模塊，所述無線電收發模塊優選但不局限于Zigbee收發模塊。

一種室內外定位系統，其包括智能終端、與智能終端通信連接的定位用腳環，所述定位用腳環包括左腳環和右腳環；所述左腳環作為信號發送端，包括第一主控制器，與所述第一主控制器連接的無線電發射模塊、超聲波發射模塊、第一磁羅盤，所述第一主控制器主要用于控制各模塊及負責同時發送無線電信號和超聲波信號，所述第一磁羅盤與所述無線電發射模塊相互垂直設置；所述右腳環作為信號接收處理端，包括第二主控制器，與所述第二主控制器連接的無線電接收模塊、超聲波接收模塊、第二磁羅盤及無線通信模塊，所述第二主控制器主要用于控制各模塊及負責接收無線電信號和超聲波信號、處理信號并計算獲得行人航跡的行人位置坐標，所述第二磁羅盤與所述無線電接收模塊相互垂直設置。

進一步地，所述無線電發射模塊設置在所述左腳環的第一環狀承載體的弧形頂部處，所述超聲波發射模塊靠近所述無線電發射模塊；所述無線電接收模塊設置在所述右腳環的第二環狀承載體的弧形頂部處，所述超聲波接收模塊靠近所述無線電接收模塊。

進一步地，所述超聲波發射模塊和超聲波接收模塊組成超聲波收發模塊，該超聲波收發模塊的水平面收發角度為100~180°，豎直面收發角度為100~180°。所述超聲波收發模塊為一組超聲波收發模塊或多組超聲波收發模塊。進一步地，所述無線電發射模塊和無線電接收模塊組成無線電收發模塊，所述無線電收發模塊優選但不局限于Zigbee收發模塊。

本實用新型具有如下有益效果：本定位用腳環其采用了依靠超聲波信號與無線信號的TDOA方法進行步幅檢測，無慣性漂移問題，通過將硬件集成在腳環上，方便拆裝且攜帶方便、抗干擾能力強、可靠性高、穩定性強，且通用性高，無需復雜的安裝連接，直接拆裝適用于任何人，特別是針對兒童及老人；解決了現有定位方法硬件安裝復雜、不便于攜帶、拆裝不便，且干擾性較強、穩定性較弱及無法實現通用性的問題。本系統不依賴固定基站，無非視距干擾，可實現室內外自主定位，解決了現有室內外無縫定位時依賴固定基站、慣性漂移及干擾性強的難題。

附圖說明

圖1為本發明室內外定位方法的流程示意圖；

圖2為本發明左腳環的結構示意圖；

圖3為圖2的側視圖；

圖4為本發明右腳環的結構示意圖；

圖5為本發明超聲波收發模塊的水平收發角度示意圖；

圖6為本發明超聲波收發模塊的豎直收發角度示意圖；

圖7為本發明室內外定位方法中步幅變化曲線的示意圖；

圖8為本發明室內外定位方法中航向角計算的示意圖；

圖9為本發明室內外定位系統的原理框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的說明。

實施例1

請參考圖1至8，一種基于TDOA和雙磁羅盤的室內外定位方法按以下步驟實現：

（1）穿戴定位用腳環在腳踝上；所述定位用腳環上設置有無線電收發模塊、超聲波收發模塊及雙磁羅盤；

具體實現時，所述定位用腳環包括將分別穿戴在使用者的左右腳踝上的左右腳環。

如圖2、3所示，所述左腳環作為信號發送端，其包括：第一環狀承載體1，和設置在所述第一環狀承載體1上的Zigbee發射模塊11、超聲波發射模塊12、第一磁羅盤13、第一主控制器14、第一電池模塊15；所述第一環狀承載體1具有一開口，俯視狀態下呈C形狀，但不局限于此；通過該開口穿戴在左腳踝上，所述開口相對處為環狀承載體的弧形頂部，所述Zigbee發射模塊11設置在所述第一環狀承載體1的弧形頂部處，所述超聲波發射模塊12靠近所述Zigbee發射模塊11，所述第一磁羅盤13相對所述Zigbee發射模塊11垂直安裝在所述第一環狀承載體1一側；所述第一主控制器14分別與所述Zigbee發射模塊11、超聲波發射模塊12、第一磁羅盤13及第一電池模塊15連接，主要用于控制各模塊及負責同時發送無線電信號和超聲波信號；

如圖4所示，所述右腳環作為信號接收處理端，其包括：第二環狀承載體2，和設置在所述第二環狀承載體2上的Zigbee接收模塊21、超聲波接收模塊22、第二磁羅盤23、第二主控制器24、第二電池模塊25及無線通信模塊26。所述第二環狀承載體2具有一開口，俯視狀態下呈C形狀，但不局限于此；通過該開口穿戴在右腳踝上，所述開口相對處為環狀承載體的弧形頂部，所述Zigbee接收模塊21設置在所述第二環狀承載體2的弧形頂部處，所述超聲波接收模塊22靠近所述Zigbee接收模塊21，所述第二磁羅盤23相對所述Zigbee接收模塊21垂直安裝在所述第二環狀承載體2一側；所述第二主控制器24分別與所述Zigbee接收模塊21、超聲波接收模塊22、第二磁羅盤23、第二電池模塊25及無線通信模塊26連接，主要用于控制各模塊及負責接收無線電信號和超聲波信號、處理信號并計算獲得行人航跡的行人位置坐標并將該行人位置坐標無線發送至智能終端上。

值得注意的是，為了提高檢測精度，降低干擾，將所述左右腳環穿戴在腳踝上時，要求所述超聲波發射模塊和超聲波接收模塊朝向兩腳內側，第一磁羅盤和第二磁羅盤朝向人行走的正前方即朝向人腳趾頭方向，更優選地，分別套在兩腳踝的兩腳環上的Zigbee發射模塊和Zigbee接收模塊在穿戴時要相互對準。

需要說明的是，所述左右腳環內各模塊均采用現有模塊，且各模塊之間的連接關系，本領域技術人員根據各模塊所起到的作用及實際所采用的模塊型號容易清楚獲得各模塊的相互連接關系，在此不再贅述。

（2）基于超聲波收發模塊和Zigbee收發模塊進行TDOA測距，獲得行走周期內兩腳之間的實時距離，該步驟具體如下：初始化設置、發送接收超聲波信號和無線電、第二主控制器的計時器定時計數到達時間差測距。其中，發送超聲波和無線電時，需保證同時發出兩種信號，具體實現時，可按照一定定時周期發送，如每隔50ms發送一次，但不局限于此；無線信號傳輸速度為 ，先到達Zigbee接收模塊，啟動計時器，開始計數；超聲波信號傳播速度約為，后到達超聲波接收模塊，到達后觸發計時結束，停止計算；將計時時間乘以即為兩腳間的距離，實現了人行走時的兩腳之間的實時距離。

（3）基于雙磁羅盤進行航向角檢測，該步驟具體如下：初始化設置、kalman濾波誤差補償、雙磁羅盤誤差矯正。其中雙磁羅盤誤差矯正涉及人走路時的“八字腳”誤差δ，最終航向角取兩腳航向角的均值，以消除行走時的“八字腳”誤差δ，如圖8所示。

值得注意的是，一般情況下，沿一個方向行走，航向角不變，只有轉彎的時候航向角才會變化，但由于雙磁羅盤綁在腳踝處會有晃動，在一個行走周期內測得的航向角也對應變化了一個周期。在同一行走周期內，航向角與TDOA測的兩腳間距是一一對應的，即每一兩腳間距對應一個航向角。

（4）基于步驟（2）、（3）獲得行人航跡的步幅和運算航向角；具體包括：根據測得行走周期內的實時兩腳間距獲得步幅變化曲線，該步幅變化曲線由正弦波和方波交替組成；取正弦波的峰值作為當前行走周期行人航跡的步幅，且取步幅最大時刻的航向角（即正弦波峰值時刻對應的航向角）作為運算航向角。由于超聲波傳播的定向性，且安裝于行人腳踝內側；超聲波信號正常接收時，測得的兩腳間距呈正弦波變化，而無法接收時，測得的兩腳間距呈矩形波變化。在實際行走中，正弦波和方波呈周期性交替出現，如圖7所示。

（5）將步驟（4）的步幅和運算航向角代入行人航跡推算的計算公式即北向坐標：，東向坐標：，即可實現行人軌跡的跟蹤定位，即實時更新行人位置坐標；其中，表示行人的初始位置，可以是(0,0)，還可以是通過GPS定位獲取，其獲取方法不局限于此；i表示第i個行走周期；n表示行走n個行走周期。

值得注意的是，步驟（2）至（5）顯示了一個行走周期內進行行人軌跡的跟蹤定位方法，具體行走時是連續的行走周期，即重復步驟（2）至（5），連接每一行走周期的位置坐標即為行人軌跡。

（6）所述右腳環經無線通信模塊與智能終端通信連接，在智能終端上實時顯示腳環的行人位置坐標，進而實現行人的室內外定位。

需要說明的是，請參考圖5、6，超聲波收發模塊（發射模塊和接收模塊）具有方向性強，發射角度有限的特點，本發明超聲波收發模塊的收發角度優選為水平面收發角度為100~180°，豎直面收發角度為100~180°，更優選地，水平面收發角度為180°，豎直面收發角度為180°；可根據實際情況，選擇設定合適的水平面收發角度和豎直面收發角度，如當用于正常行走狀態時，水平面收發角度優選為100°，豎直面收發角度優選為100°；當用于劇烈運動狀態是，水平面收發角度優選為180°，豎直面收發角度優選為180°。本發明優選采用多個收發傳感器進行TDOA測距，使得超聲波信號收發角度盡可能大，更優選地，采用四組超聲波收發模塊；還可以是，采用一個超聲波收發模塊，其靠近所述Zigbee收發模塊；但不局限于此，超聲波收發模塊的數量跟安裝角度，是根據超聲波收發模塊的型號跟參數變化的。

需要說明的是，基于磁羅盤進行航向角檢測中的kalman濾波誤差補償獲得航向角為現有技術，在此不再贅述。所述無線通信模塊可以是藍牙模塊、WiFi模塊等，所述無線通信模塊可安裝在所述右腳環或左腳環上，優選安裝在所述右腳環。可根據使用者的行走習慣，所述左腳環和右腳環可以互換穿戴在右腳踝和左腳踝上，可根據實際情況做選擇。

本實施例的一種室內外定位方法，其基于TDOA和雙磁羅盤實現室內外無縫定位，包括穿戴腳環、兩腳間距檢測、航向角檢測、行人位置坐標的計算，本方法采用了依靠超聲波信號與無線信號的TDOA方法進行兩腳間距檢測，無慣性漂移的問題，通過將硬件集成在腳環上，方便拆裝且攜帶方便、抗干擾能力強、可靠性高、穩定性強，且通用性高，無需復雜的安裝連接，直接拆裝適用于任何人，特別是針對兒童及老人；解決了現有定位方法硬件安裝復雜、不便于攜帶、拆裝不便，且干擾性較強、穩定性較弱及無法實現通用性的問題。本方法不依賴固定基站，無非視距干擾，可實現室內外自主定位，解決了現有室內外無縫定位時依賴固定基站、慣性漂移及干擾性強的難題。

實施例2

如圖9所示，一種基于TDOA和雙磁羅盤的室內外定位系統，其包括智能終端、與智能終端通信連接的定位用腳環，實時顯示行人位置坐標，進而實現行人的室內外定位。所述定位用腳環包括將分別穿戴在使用者的左右腳踝上的左右腳環。

如圖2、3所示，所述左腳環作為信號發送端，其包括：第一環狀承載體1，和設置在所述第一環狀承載體1上的Zigbee發射模塊11、超聲波發射模塊12、第一磁羅盤13、第一主控制器14、第一電池模塊15；所述第一環狀承載體1具有一開口，俯視狀態下呈C形狀，但不局限于此；通過該開口穿戴在左腳踝上，所述開口相對處為環狀承載體的弧形頂部，所述Zigbee發射模塊11設置在所述第一環狀承載體1的弧形頂部處，所述超聲波發射模塊12靠近所述Zigbee發射模塊11，所述第一磁羅盤13相對所述Zigbee發射模塊11垂直安裝在所述第一環狀承載體1一側；所述第一主控制器14分別與所述Zigbee發射模塊11、超聲波發射模塊12、第一磁羅盤13及第一電池模塊15連接，主要用于控制各模塊及負責同時發送無線電信號和超聲波信號；

如圖4所示，所述右腳環作為信號接收處理端，其包括：第二環狀承載體2，和設置在所述第二環狀承載體2上的Zigbee接收模塊21、超聲波接收模塊22、第二磁羅盤23、第二主控制器24、第二電池模塊25及無線通信模塊26。所述第二環狀承載體2具有一開口，俯視狀態下呈C形狀，但不局限于此；通過該開口穿戴在右腳踝上，所述開口相對處為環狀承載體的弧形頂部，所述Zigbee接收模塊21設置在所述第二環狀承載體2的弧形頂部處，所述超聲波接收模塊22靠近所述Zigbee接收模塊21，所述第二磁羅盤23相對所述Zigbee接收模塊21垂直安裝在所述第二環狀承載體2一側；所述第二主控制器24分別與所述Zigbee接收模塊21、超聲波接收模塊22、第二磁羅盤23、第二電池模塊25及無線通信模塊26連接，主要用于控制各模塊及負責接收無線電信號和超聲波信號、處理信號并計算獲得行人航跡的行人位置坐標并將該行人位置坐標無線發送至智能終端上。

值得注意的是，為了提高檢測精度，降低干擾，將所述左右腳環穿戴在腳踝上時，要求所述超聲波發射模塊和超聲波接收模塊朝向兩腳內側，第一磁羅盤和第二磁羅盤朝向人行走的正前方即朝向人腳趾頭方向，更優選地，分別套在兩腳踝的兩腳環上的Zigbee發射模塊和Zigbee接收模塊在穿戴時要相互對準。

需要說明的是，所述左右腳環內各模塊均采用現有模塊，且各模塊之間的連接關系，本領域技術人員根據各模塊所起到的作用及實際所采用的模塊型號容易清楚獲得各模塊的相互連接關系，在此不再贅述。

需要說明的是，請參考圖5、6，超聲波收發模塊（發射模塊和接收模塊）具有方向性強，發射角度有限的特點，本發明超聲波收發模塊的收發角度優選為水平面收發角度為100~180°，豎直面收發角度為100~180°，更優選地，水平面收發角度為180°，豎直面收發角度為180°；可根據實際情況，選擇設定合適的水平面收發角度和豎直面收發角度，如當用于正常行走狀態時，水平面收發角度優選為100°，豎直面收發角度優選為100°；當用于劇烈運動狀態是，水平面收發角度優選為180°，豎直面收發角度優選為180°。本發明優選采用多個收發傳感器進行TDOA測距，使得超聲波信號收發角度盡可能大，更優選低，采用四組超聲波收發模塊；還可以是，采用一個超聲波收發模塊，其靠近所述Zigbee收發模塊；但不局限于此，超聲波收發模塊的數量跟安裝角度，是根據超聲波收發模塊的型號跟參數變化的。

所述無線通信模塊可以是藍牙模塊、WiFi模塊等，所述無線通信模塊可安裝在所述右腳環或左腳環上，優選安裝在所述右腳環。可根據使用者的行走習慣，所述左腳環和右腳環可以互換穿戴在右腳踝和左腳踝上，可根據實際情況做選擇。

本實施例的一種室內外定位系統，其基于TDOA和雙磁羅盤實現室內外無縫定位，本系統采用了依靠超聲波信號與無線信號的TDOA方法進行步幅檢測，無慣性漂移的問題，通過將硬件集成在腳環上，方便拆裝且攜帶方便、抗干擾能力強、可靠性高、穩定性強，且通用性高，無需復雜的安裝連接，直接拆裝適用于任何人，特別是針對兒童及老人；解決了現有定位系統硬件安裝復雜、不便于攜帶、拆裝不便，且干擾性較強、穩定性較弱及無法實現通用性的問題。本系統不依賴固定基站，無非視距干擾，可實現室內外自主定位，解決了現有室內外無縫定位時依賴固定基站、慣性漂移及干擾性強的難題。

以上所述實施例僅表達了本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制，但凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術方案，均應落在本發明的保護范圍之內。