文/黃昌正 陳曦 周言明

0 引言

近年來(lái)智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)興起。可穿戴技術(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?；顒?dòng)或工作中整合計(jì)算特性，采用具有一定實(shí)用功能和特點(diǎn)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(huì)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的智能可穿戴設(shè)備將會(huì)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(qiáng)大功能正悄無(wú)聲息地滲透和改變?nèi)藗兊纳?。人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)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(yùn)動(dòng)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(guó)內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯市舉辦的國(guó)際消費(fèi)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(lè)心等國(guó)內(nèi)外知名廠商都推出了智能手環(huán)產(chǎn)品。市場(chǎng)調(diào)研分析機(jī)構(gòu)國(guó)際數(shù)據(jù)公司 (International Data Corporation，IDC)發(fā)布《中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告》，報(bào)告統(tǒng)計(jì)， 2019年第一季度中國(guó)前五大可穿戴設(shè)備廠商依次是小米、華為、蘋(píng)果（中國(guó)）、步步高和五洲無(wú)線，市場(chǎng)出貨量為1950萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)34.7%（見(jiàn)圖1）；第二季度出貨量為2307萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng) 34.3%（見(jiàn)圖2）。IDC預(yù)測(cè)2019年可穿戴設(shè)備市場(chǎng)全球出貨量有望突破2.229億臺(tái)，如果按照7.9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率來(lái)計(jì)算的話，在2023年全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將增加至3.023億臺(tái)。

圖1 2019年第一季度中國(guó)前五大可穿戴設(shè)備市場(chǎng)情況

圖2 2019年第二季度中國(guó)前五大可穿戴設(shè)備市場(chǎng)情況

隨著可穿戴設(shè)備市場(chǎng)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(yùn)動(dòng)人群為主，關(guān)注于運(yùn)動(dòng)和健康，主要是為了記錄人體的運(yùn)動(dòng)情況、健康監(jiān)測(cè)、培養(yǎng)良好而科學(xué)的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，隨著解決方案升級(jí)延伸到活動(dòng)反饋、鍛煉、睡眠監(jiān)測(cè)等持續(xù)性監(jiān)測(cè)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(wú)任何期待，或者說(shuō)在技術(shù)上一直沒(méi)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(jì)和把玩性，希望通過(guò)不同的理念來(lái)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(kāi)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(jī)信號(hào)基站定位、藍(lán)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(lái)新的契機(jī)。但是由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有高能耗的特點(diǎn)，現(xiàn)有的具有獨(dú)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(gè)嚴(yán)重缺陷，即開(kāi)啟衛(wèi)星定位功能后的持續(xù)定位軌跡記錄工作時(shí)間短，基本小于2小時(shí)，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間戶外定位應(yīng)用需求。

2 新一代長(zhǎng)效運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)愛(ài)好者，其定位功能使用場(chǎng)景的持續(xù)使用時(shí)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(shí)又需要支持4~8小時(shí)的連續(xù)定位和運(yùn)動(dòng)軌跡記錄，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位軌跡記錄方案無(wú)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(zhǎng)時(shí)間續(xù)航問(wèn)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(jìn)行研究，探索一種新一代長(zhǎng)效運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)軌跡記錄功能。本文重點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)間持續(xù)定位記錄運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題。

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能手環(huán)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙SOC芯片nRF52832，該芯片為CortexM4高速處理器，高達(dá)64 MHz的系統(tǒng)工作頻率，滿足高速運(yùn)動(dòng)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(cè)量單元）傳感器，是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝 (system in a package，SiP) 器件，集成了三軸加速計(jì)、三軸陀螺儀、磁力儀和一個(gè) 32位 ARM? Cortex?-M0+ 微控制器，提供復(fù)雜的信號(hào)處理算法來(lái)處理傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行算法處理后獲得運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)IIC/SPI接口提供給外部進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。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(chǔ)模塊采用256M/51 2M ROM，保障超長(zhǎng)時(shí)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(tái)框架。

圖3 智能手環(huán)硬件平臺(tái)框架

2.2 衛(wèi)星定位與慣性輔助定位相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)軌跡記錄方法

為了實(shí)現(xiàn)低功耗、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)動(dòng)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(lái)實(shí)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(shí)間后，會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)一段時(shí)間，在休眠時(shí)間結(jié)束后再次進(jìn)入工作狀態(tài)工作一段時(shí)間。衛(wèi)星定位模塊在處于工作狀態(tài)期間，會(huì)持續(xù)地與衛(wèi)星定位系統(tǒng)通信，獲取當(dāng)前的位置定位數(shù)據(jù)信息，包括經(jīng)度、緯度和時(shí)間；而當(dāng)衛(wèi)星定位模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)后，將處于功耗極低的節(jié)能模式，將不會(huì)與衛(wèi)星定位系統(tǒng)通信，也無(wú)法獲取當(dāng)前的位置定位數(shù)據(jù)信息，降低系統(tǒng)整體功耗，如此進(jìn)行間斷性地通過(guò)衛(wèi)星定位獲取定位坐標(biāo)，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(biāo)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(yùn)動(dòng)軌跡段a1、a2、a3…an，a1對(duì)應(yīng)圖4中N00，N01…N0n，a2對(duì)應(yīng)圖4中N10，N11…N1n，an對(duì)應(yīng)圖4中Nn0，Nn1…Nnn。根據(jù)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，可計(jì)算出每次衛(wèi)星定位模塊工作期間每個(gè)軌跡段的對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)速度v1、v2、v3…vn和移動(dòng)距離L1、L2、L3…Ln。同時(shí)，在衛(wèi)星定位模塊工作期間，慣性IMU傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉，記錄每個(gè)軌跡段的運(yùn)動(dòng)步數(shù)，通過(guò)每個(gè)軌跡段的移動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)步數(shù)，獲得每個(gè)軌跡段的運(yùn)動(dòng)步幅s1、s2、s3… sn。由此得出的衛(wèi)星定位模塊工作期間每個(gè)軌跡段的運(yùn)動(dòng)速度v和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)步幅。

在衛(wèi)星定位模塊休眠期間，運(yùn)動(dòng)過(guò)程將通過(guò)慣性IMU傳感器所捕捉的運(yùn)動(dòng)歐拉角(P，Y，R)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行輔助位置計(jì)算。在衛(wèi)星定位模塊休眠期間，慣性IMU傳感器捕捉的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)歐拉角數(shù)據(jù)組成多組不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡段b1、b2、b3…bn，b1對(duì)應(yīng)圖4中n00，n01…n0n，b2對(duì)應(yīng)圖4中n10，n11…n1n，bn對(duì)應(yīng)圖4中nn0，nn1…nnn，每個(gè)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊在每一個(gè)記錄點(diǎn)的絕對(duì)世界坐標(biāo)方向，由此可確定實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向。根據(jù)此運(yùn)動(dòng)方向和衛(wèi)星定位模塊工作期間計(jì)算出來(lái)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)步幅，有兩種方法實(shí)現(xiàn)慣性IMU傳感器輔助定位：方法一是通過(guò)運(yùn)動(dòng)速度v、運(yùn)動(dòng)時(shí)間t計(jì)算出運(yùn)動(dòng)距離；方法二是通過(guò)運(yùn)動(dòng)步幅、運(yùn)動(dòng)計(jì)步數(shù)與運(yùn)動(dòng)時(shí)間計(jì)算出運(yùn)動(dòng)距離；通過(guò)一系列的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輔助定位與運(yùn)動(dòng)軌跡記錄。

衛(wèi)星定位模塊工作記錄運(yùn)動(dòng)軌跡a1、a2、a3…an與慣性IMU傳感器輔助定位記錄運(yùn)動(dòng)軌跡b1、b2、b3…bn共同實(shí)現(xiàn)了智能手環(huán)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡記錄。

圖4 衛(wèi)星定位模塊運(yùn)動(dòng)軌跡記錄

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，人們對(duì)自身的健康越來(lái)越關(guān)注，相應(yīng)的人們的戶外運(yùn)動(dòng)也越來(lái)越多，隨著科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展，人們對(duì)一些穿戴設(shè)備的智能化要求越來(lái)越高，對(duì)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?xiàng)運(yùn)動(dòng)情況，智能穿戴設(shè)備出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)手套、運(yùn)動(dòng)手表、運(yùn)動(dòng)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(lái)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(jì)一種具有功耗低、定位精度高、能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)記錄運(yùn)動(dòng)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(gè)技術(shù)問(wèn)題。本文提出衛(wèi)星定位與慣性輔助定位結(jié)合的運(yùn)動(dòng)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(gè)有借鑒意義的參考。