新一代長效運動定位軌跡記錄智能手環(huán)研究*

文/黃昌正 陳曦 周言明

0 引言

近年來智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)興起?？纱┐骷夹g(shù)主要是指用戶能戴在身上的電子設(shè)備或產(chǎn)品，即可以在日常活動或工作中整合計算特性，采用具有一定實用功能和特點的，可直接穿戴的儀器、設(shè)備，或是與用戶衣服或配件設(shè)備相整合的可佩戴儀器、設(shè)備。隨著社會技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的智能可穿戴設(shè)備將會改變我們的生活方式。智能手環(huán)是可穿戴式智能設(shè)備中的一種，作為目前備受用戶關(guān)注的科技產(chǎn)品，其擁有的強大功能正悄無聲息地滲透和改變?nèi)藗兊纳?。人們在日常生活中對于具有定位與軌跡記錄功能的穿戴式智能產(chǎn)品需求日益增多，如兒童定位手環(huán)（表）、老人定位手環(huán)（表）、戶外運動跟蹤定位與軌跡記錄手環(huán)等。

1 智能穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及分析

2015年在美國內(nèi)華達州拉斯維加斯市舉辦的國際消費電子展上，很多公司推出了新型智能可穿戴產(chǎn)品，如智能手鐲、智能腰帶以及智能手環(huán)等，意味著智能可穿戴產(chǎn)品將成為新的發(fā)展方向。隨著智能可穿戴設(shè)備的興起，智能手環(huán)的發(fā)展更加迅猛，小米、華為、樂心等國內(nèi)外知名廠商都推出了智能手環(huán)產(chǎn)品。市場調(diào)研分析機構(gòu)國際數(shù)據(jù)公司 (International Data Corporation，IDC)發(fā)布《中國可穿戴設(shè)備市場季度跟蹤報告》，報告統(tǒng)計， 2019年第一季度中國前五大可穿戴設(shè)備廠商依次是小米、華為、蘋果（中國）、步步高和五洲無線，市場出貨量為1950萬臺，同比增長34.7%（見圖1）；第二季度出貨量為2307萬臺，同比增長 34.3%（見圖2）。IDC預(yù)測2019年可穿戴設(shè)備市場全球出貨量有望突破2.229億臺，如果按照7.9%的復(fù)合年增長率來計算的話，在2023年全球可穿戴設(shè)備市場規(guī)模將增加至3.023億臺。

圖1 2019年第一季度中國前五大可穿戴設(shè)備市場情況

圖2 2019年第二季度中國前五大可穿戴設(shè)備市場情況

隨著可穿戴設(shè)備市場的不斷成熟，智能可穿戴設(shè)備將成為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）生態(tài)中連接人與物的重要一環(huán)。傳統(tǒng)智能手環(huán)佩戴人群基本以運動人群為主，關(guān)注于運動和健康，主要是為了記錄人體的運動情況、健康監(jiān)測、培養(yǎng)良好而科學的運動習慣，隨著解決方案升級延伸到活動反饋、鍛煉、睡眠監(jiān)測等持續(xù)性監(jiān)測功能，在功能方面大同小異，基本上各大廠商的成品功能千篇一律，讓用戶已無任何期待，或者說在技術(shù)上一直沒有更多的突破，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了比較緩慢的底部，很多的廠商把重心放在重新定義外觀設(shè)計和把玩性，希望通過不同的理念來吸引用戶，而缺乏技術(shù)上的創(chuàng)新突破。

目前，具有定位功能的智能手環(huán)、智能手表已開始逐漸發(fā)展，代表性的應(yīng)用體現(xiàn)在兒童定位手表，采用了全球定位系統(tǒng)（GPS）/北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、手機信號基站定位、藍牙定位等，定位功能的增加為智能穿戴設(shè)備的發(fā)展帶來新的契機。但是由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有高能耗的特點，現(xiàn)有的具有獨立衛(wèi)星定位系統(tǒng)的智能穿戴產(chǎn)品如智能手環(huán)、智能手表存在一個嚴重缺陷，即開啟衛(wèi)星定位功能后的持續(xù)定位軌跡記錄工作時間短，基本小于2小時，無法滿足長時間戶外定位應(yīng)用需求。

2 新一代長效運動定位軌跡記錄智能手環(huán)研究

在可穿戴設(shè)備中，需要使用衛(wèi)星定位功能的人群基本為戶外運動愛好者，其定位功能使用場景的持續(xù)使用時間基本在半天以上，如果要在體積日漸減小的智能手環(huán)中集成衛(wèi)星定位功能，同時又需要支持4~8小時的連續(xù)定位和運動軌跡記錄，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位軌跡記錄方案無法滿足需求，需要解決系統(tǒng)的低功耗與定位軌跡記錄的長時間續(xù)航問題。

本文從慣性導(dǎo)航技術(shù)與衛(wèi)星定位技術(shù)相結(jié)合的方向進行研究，探索一種新一代長效運動定位軌跡記錄的智能手環(huán)技術(shù)方案，采用衛(wèi)星定位與慣性輔助定位相結(jié)合的技術(shù)方案，除具有通用智能手環(huán)功能外，更具有精確的衛(wèi)星定位功能和長時間運動軌跡記錄功能。本文重點探討慣性輔助定位軌跡記錄方案，以解決可穿戴設(shè)備系統(tǒng)所需的低功耗與長時間持續(xù)定位記錄運動軌跡問題。

2.1 硬件平臺設(shè)計

智能手環(huán)硬件平臺設(shè)計采用藍牙SOC芯片nRF52832，該芯片為CortexM4高速處理器，高達64 MHz的系統(tǒng)工作頻率，滿足高速運動捕捉算法處理需求，慣性輔助導(dǎo)航采用Hillcrest BNO070 IMU（inertial measurement unit，慣性測量單元）傳感器，是一個系統(tǒng)級封裝 (system in a package，SiP) 器件，集成了三軸加速計、三軸陀螺儀、磁力儀和一個 32位 ARM? Cortex?-M0+ 微控制器，提供復(fù)雜的信號處理算法來處理傳感器數(shù)據(jù)，進行算法處理后獲得運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過IIC/SPI接口提供給外部進行數(shù)據(jù)訪問。衛(wèi)星定位采用北斗與GPS雙模芯片，保障衛(wèi)星定位的高精度和可靠性。存儲模塊采用256M/51 2M ROM，保障超長時間連續(xù)定位軌跡記錄。如圖3所示為智能手環(huán)硬件平臺框架。

圖3 智能手環(huán)硬件平臺框架

2.2 衛(wèi)星定位與慣性輔助定位相結(jié)合的運動軌跡記錄方法

為了實現(xiàn)低功耗、長時間連續(xù)運動軌跡記錄，采用衛(wèi)星定位軌跡記錄與慣性傳感器輔助定位軌跡記錄相結(jié)合的方式來實現(xiàn)，如圖4所示。

衛(wèi)星定位模塊處于間斷性工作狀態(tài)，即衛(wèi)星定位模塊持續(xù)工作一段時間后，會進入休眠狀態(tài)一段時間，在休眠時間結(jié)束后再次進入工作狀態(tài)工作一段時間。衛(wèi)星定位模塊在處于工作狀態(tài)期間，會持續(xù)地與衛(wèi)星定位系統(tǒng)通信，獲取當前的位置定位數(shù)據(jù)信息，包括經(jīng)度、緯度和時間；而當衛(wèi)星定位模塊進入休眠狀態(tài)后，將處于功耗極低的節(jié)能模式，將不會與衛(wèi)星定位系統(tǒng)通信，也無法獲取當前的位置定位數(shù)據(jù)信息，降低系統(tǒng)整體功耗，如此進行間斷性地通過衛(wèi)星定位獲取定位坐標，形成一系列由不連續(xù)的經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)組成的坐標軌跡序列如下：衛(wèi)星定位模塊第1次、第2次、第3次…第n次工作所記錄定位數(shù)據(jù)組成多組不連續(xù)的運動軌跡段a1、a2、a3…an，a1對應(yīng)圖4中N00，N01…N0n，a2對應(yīng)圖4中N10，N11…N1n，an對應(yīng)圖4中Nn0，Nn1…Nnn。根據(jù)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，可計算出每次衛(wèi)星定位模塊工作期間每個軌跡段的對應(yīng)運動速度v1、v2、v3…vn和移動距離L1、L2、L3…Ln。同時，在衛(wèi)星定位模塊工作期間，慣性IMU傳感器進行運動捕捉，記錄每個軌跡段的運動步數(shù)，通過每個軌跡段的移動距離和運動步數(shù)，獲得每個軌跡段的運動步幅s1、s2、s3… sn。由此得出的衛(wèi)星定位模塊工作期間每個軌跡段的運動速度v和運動步幅s作為衛(wèi)星定位模塊下一次休眠期間的參考速度和參考運動步幅。

在衛(wèi)星定位模塊休眠期間，運動過程將通過慣性IMU傳感器所捕捉的運動歐拉角(P，Y，R)數(shù)據(jù)來進行輔助位置計算。在衛(wèi)星定位模塊休眠期間，慣性IMU傳感器捕捉的運動數(shù)據(jù)記錄如下：衛(wèi)星定位模塊第1次、第2次、第3次…第n次休眠期間，慣性IMU傳感器所捕捉的運動歐拉角數(shù)據(jù)組成多組不連續(xù)的運動軌跡段b1、b2、b3…bn，b1對應(yīng)圖4中n00，n01…n0n，b2對應(yīng)圖4中n10，n11…n1n，bn對應(yīng)圖4中nn0，nn1…nnn，每個運動軌跡段b由一組連續(xù)的歐拉角(Pn，Yn，Rn)數(shù)據(jù)組成，其中P為傾斜角Pitch，Y為偏航角Yaw，R為橫滾角Roll，(Pn，Yn，Rn)數(shù)據(jù)唯一地確定了慣性IMU運動檢測模塊在每一個記錄點的絕對世界坐標方向，由此可確定實時的運動方向。根據(jù)此運動方向和衛(wèi)星定位模塊工作期間計算出來的運動速度和運動步幅，有兩種方法實現(xiàn)慣性IMU傳感器輔助定位：方法一是通過運動速度v、運動時間t計算出運動距離；方法二是通過運動步幅、運動計步數(shù)與運動時間計算出運動距離；通過一系列的實時運動方向和運動距離，實現(xiàn)運動輔助定位與運動軌跡記錄。

衛(wèi)星定位模塊工作記錄運動軌跡a1、a2、a3…an與慣性IMU傳感器輔助定位記錄運動軌跡b1、b2、b3…bn共同實現(xiàn)了智能手環(huán)的長時間運動定位軌跡記錄如下：a1、b1、a2、b2、a3、b3、…an、bn，最終形成如圖4所示的完整運動軌跡記錄。

圖4 衛(wèi)星定位模塊運動軌跡記錄

3 結(jié)語

當前，人們對自身的健康越來越關(guān)注，相應(yīng)的人們的戶外運動也越來越多，隨著科學技術(shù)水平發(fā)展，人們對一些穿戴設(shè)備的智能化要求越來越高，對智能穿戴設(shè)備的體積要求越小越好。為記錄人們?nèi)粘Ｉ钪械母黜椷\動情況，智能穿戴設(shè)備出現(xiàn)了運動手套、運動手表、運動手環(huán)等，這些智能穿戴設(shè)備都在向著小型化方向發(fā)展，使得設(shè)備的內(nèi)部空間越來越小，這樣就要求設(shè)備的硬件系統(tǒng)向著小型化、集成化、低功耗方向極致地發(fā)展。如何設(shè)計一種具有功耗低、定位精度高、能長時間連續(xù)記錄運動軌跡的智能穿戴產(chǎn)品，是智能穿戴設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域急需解決的一個技術(shù)問題。本文提出衛(wèi)星定位與慣性輔助定位結(jié)合的運動軌跡記錄方案，希望可以為新型傳感器技術(shù)的應(yīng)用提供一個有借鑒意義的參考。