新一代长效运动定位轨迹记录智能手环研究*

文/黄昌正 陈曦 周言明

0 引言

近年来智能可穿戴设备已经兴起。可穿戴技术主要是指用户能戴在身上的电子设备或产品，即可以在日常活动或工作中整合计算特性，采用具有一定实用功能和特点的，可直接穿戴的仪器、设备，或是与用户衣服或配件设备相整合的可佩戴仪器、设备。随着社会技术的不断发展，未来的智能可穿戴设备将会改变我们的生活方式。智能手环是可穿戴式智能设备中的一种，作为目前备受用户关注的科技产品，其拥有的强大功能正悄无声息地渗透和改变人们的生活。人们在日常生活中对于具有定位与轨迹记录功能的穿戴式智能产品需求日益增多，如儿童定位手环（表）、老人定位手环（表）、户外运动跟踪定位与轨迹记录手环等。

1 智能穿戴设备发展现状及分析

2015年在美国内华达州拉斯维加斯市举办的国际消费电子展上，很多公司推出了新型智能可穿戴产品，如智能手镯、智能腰带以及智能手环等，意味着智能可穿戴产品将成为新的发展方向。随着智能可穿戴设备的兴起，智能手环的发展更加迅猛，小米、华为、乐心等国内外知名厂商都推出了智能手环产品。市场调研分析机构国际数据公司 (International Data Corporation，IDC)发布《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告》，报告统计， 2019年第一季度中国前五大可穿戴设备厂商依次是小米、华为、苹果（中国）、步步高和五洲无线，市场出货量为1950万台，同比增长34.7%（见图1）；第二季度出货量为2307万台，同比增长 34.3%（见图2）。IDC预测2019年可穿戴设备市场全球出货量有望突破2.229亿台，如果按照7.9%的复合年增长率来计算的话，在2023年全球可穿戴设备市场规模将增加至3.023亿台。

图1 2019年第一季度中国前五大可穿戴设备市场情况

图2 2019年第二季度中国前五大可穿戴设备市场情况

随着可穿戴设备市场的不断成熟，智能可穿戴设备将成为物联网（IoT）生态中连接人与物的重要一环。传统智能手环佩戴人群基本以运动人群为主，关注于运动和健康，主要是为了记录人体的运动情况、健康监测、培养良好而科学的运动习惯，随着解决方案升级延伸到活动反馈、锻炼、睡眠监测等持续性监测功能，在功能方面大同小异，基本上各大厂商的成品功能千篇一律，让用户已无任何期待，或者说在技术上一直没有更多的突破，技术发展已经到了比较缓慢的底部，很多的厂商把重心放在重新定义外观设计和把玩性，希望通过不同的理念来吸引用户，而缺乏技术上的创新突破。

目前，具有定位功能的智能手环、智能手表已开始逐渐发展，代表性的应用体现在儿童定位手表，采用了全球定位系统（GPS）/北斗卫星定位系统、手机信号基站定位、蓝牙定位等，定位功能的增加为智能穿戴设备的发展带来新的契机。但是由于卫星定位系统具有高能耗的特点，现有的具有独立卫星定位系统的智能穿戴产品如智能手环、智能手表存在一个严重缺陷，即开启卫星定位功能后的持续定位轨迹记录工作时间短，基本小于2小时，无法满足长时间户外定位应用需求。

2 新一代长效运动定位轨迹记录智能手环研究

在可穿戴设备中，需要使用卫星定位功能的人群基本为户外运动爱好者，其定位功能使用场景的持续使用时间基本在半天以上，如果要在体积日渐减小的智能手环中集成卫星定位功能，同时又需要支持4~8小时的连续定位和运动轨迹记录，现有的卫星定位轨迹记录方案无法满足需求，需要解决系统的低功耗与定位轨迹记录的长时间续航问题。

本文从惯性导航技术与卫星定位技术相结合的方向进行研究，探索一种新一代长效运动定位轨迹记录的智能手环技术方案，采用卫星定位与惯性辅助定位相结合的技术方案，除具有通用智能手环功能外，更具有精确的卫星定位功能和长时间运动轨迹记录功能。本文重点探讨惯性辅助定位轨迹记录方案，以解决可穿戴设备系统所需的低功耗与长时间持续定位记录运动轨迹问题。

2.1 硬件平台设计

智能手环硬件平台设计采用蓝牙SOC芯片nRF52832，该芯片为CortexM4高速处理器，高达64 MHz的系统工作频率，满足高速运动捕捉算法处理需求，惯性辅助导航采用Hillcrest BNO070 IMU（inertial measurement unit，惯性测量单元）传感器，是一个系统级封装 (system in a package，SiP) 器件，集成了三轴加速计、三轴陀螺仪、磁力仪和一个 32位 ARM® Cortex®-M0+ 微控制器，提供复杂的信号处理算法来处理传感器数据，进行算法处理后获得运动姿态数据，通过IIC/SPI接口提供给外部进行数据访问。卫星定位采用北斗与GPS双模芯片，保障卫星定位的高精度和可靠性。存储模块采用256M/51 2M ROM，保障超长时间连续定位轨迹记录。如图3所示为智能手环硬件平台框架。

图3 智能手环硬件平台框架

2.2 卫星定位与惯性辅助定位相结合的运动轨迹记录方法

为了实现低功耗、长时间连续运动轨迹记录，采用卫星定位轨迹记录与惯性传感器辅助定位轨迹记录相结合的方式来实现，如图4所示。

卫星定位模块处于间断性工作状态，即卫星定位模块持续工作一段时间后，会进入休眠状态一段时间，在休眠时间结束后再次进入工作状态工作一段时间。卫星定位模块在处于工作状态期间，会持续地与卫星定位系统通信，获取当前的位置定位数据信息，包括经度、纬度和时间；而当卫星定位模块进入休眠状态后，将处于功耗极低的节能模式，将不会与卫星定位系统通信，也无法获取当前的位置定位数据信息，降低系统整体功耗，如此进行间断性地通过卫星定位获取定位坐标，形成一系列由不连续的经度、纬度数据组成的坐标轨迹序列如下：卫星定位模块第1次、第2次、第3次…第n次工作所记录定位数据组成多组不连续的运动轨迹段a1、a2、a3…an，a1对应图4中N00，N01…N0n，a2对应图4中N10，N11…N1n，an对应图4中Nn0，Nn1…Nnn。根据卫星定位数据，可计算出每次卫星定位模块工作期间每个轨迹段的对应运动速度v1、v2、v3…vn和移动距离L1、L2、L3…Ln。同时，在卫星定位模块工作期间，惯性IMU传感器进行运动捕捉，记录每个轨迹段的运动步数，通过每个轨迹段的移动距离和运动步数，获得每个轨迹段的运动步幅s1、s2、s3… sn。由此得出的卫星定位模块工作期间每个轨迹段的运动速度v和运动步幅s作为卫星定位模块下一次休眠期间的参考速度和参考运动步幅。

在卫星定位模块休眠期间，运动过程将通过惯性IMU传感器所捕捉的运动欧拉角(P，Y，R)数据来进行辅助位置计算。在卫星定位模块休眠期间，惯性IMU传感器捕捉的运动数据记录如下：卫星定位模块第1次、第2次、第3次…第n次休眠期间，惯性IMU传感器所捕捉的运动欧拉角数据组成多组不连续的运动轨迹段b1、b2、b3…bn，b1对应图4中n00，n01…n0n，b2对应图4中n10，n11…n1n，bn对应图4中nn0，nn1…nnn，每个运动轨迹段b由一组连续的欧拉角(Pn，Yn，Rn)数据组成，其中P为倾斜角Pitch，Y为偏航角Yaw，R为横滚角Roll，(Pn，Yn，Rn)数据唯一地确定了惯性IMU运动检测模块在每一个记录点的绝对世界坐标方向，由此可确定实时的运动方向。根据此运动方向和卫星定位模块工作期间计算出来的运动速度和运动步幅，有两种方法实现惯性IMU传感器辅助定位：方法一是通过运动速度v、运动时间t计算出运动距离；方法二是通过运动步幅、运动计步数与运动时间计算出运动距离；通过一系列的实时运动方向和运动距离，实现运动辅助定位与运动轨迹记录。

卫星定位模块工作记录运动轨迹a1、a2、a3…an与惯性IMU传感器辅助定位记录运动轨迹b1、b2、b3…bn共同实现了智能手环的长时间运动定位轨迹记录如下：a1、b1、a2、b2、a3、b3、…an、bn，最终形成如图4所示的完整运动轨迹记录。

图4 卫星定位模块运动轨迹记录

3 结语

当前，人们对自身的健康越来越关注，相应的人们的户外运动也越来越多，随着科学技术水平发展，人们对一些穿戴设备的智能化要求越来越高，对智能穿戴设备的体积要求越小越好。为记录人们日常生活中的各项运动情况，智能穿戴设备出现了运动手套、运动手表、运动手环等，这些智能穿戴设备都在向着小型化方向发展，使得设备的内部空间越来越小，这样就要求设备的硬件系统向着小型化、集成化、低功耗方向极致地发展。如何设计一种具有功耗低、定位精度高、能长时间连续记录运动轨迹的智能穿戴产品，是智能穿戴设备技术领域急需解决的一个技术问题。本文提出卫星定位与惯性辅助定位结合的运动轨迹记录方案，希望可以为新型传感器技术的应用提供一个有借鉴意义的参考。