摘 要

在信息化高速发展的今天，手机以其随身携带便携特性成为了承载信息的重要载体。手机已经不仅仅是一个通讯设备，随着越来越多的信息服务登陆手机，它已经成为信息化发展的重要平台。手机移动便携的特性为移动网络服务提供了重要的发展平台,在各种各样的移动网络服务之中，提供移动定位，追踪，导航等位置服务服务发展十分迅猛，已经成为一项引人注目的业务。具有代表性的业务软件百度地图，谷歌地图等都利用移动端的定位技术，提供给用户位置信息，满足不同客户的不同需求。

本次设计目的是开发一款基于目前主流的操作系统——Android的人体运动轨迹追踪软件。通过研究Android手机惯性传感器，包括：加速度计，陀螺仪等传感器的运用方法，并设计人体运动轨迹跟踪系统与良好的用户操作界面，使所开发的app可以准确实时的跟踪手机携带者的运动轨迹，并在Android手机上实时绘制出运动轨迹的曲线图，记录行走步数。本文利用Android平台的优势，通过分析平台的体系架构，并结合本次设计的技术要求，详细介绍了人体轨迹跟踪应用程序涉及的方法和开发过程。

本文的最后在设计的基础上，通过多次真机测试，软件的不断调试修改完善，达到了系统最初的设计目标，在记录运动过程方面展现了一定的价值。

关键词：移动定位，Android平台，惯性传感器，轨迹跟踪

Abstract

With the rapid development of information technology, mobile phones have become an important carrier of information with their portable characteristics.Mobile phones are not just a communication device. With more and more information services landing on mobile phones, it has become an important platform for the development of information technology.Location based mobile location, tracking and navigation services have become a noticeable business in many services provided by mobile phone networks.The representative business software Baidu map, Google map and so on use the mobile terminal positioning technology to provide the user location information to meet the different needs of different customers.

The content of this design is to develop a human trajectory tracking software based on the current mainstream operating system -- Android platform.By studying the Android mobile inertial sensors, including the application of acceleration sensor, gyroscope and so on, designing the human motion track tracking system and a good user operation interface, the developed app can get the moving track of the mobile carrier accurately in real time, draw the real time track on the Android mobile phone. A graph of traces, and record the number of walking steps.By analyzing the architecture of the platform and combining with the technical requirements of this design, this paper introduces the methods and development process of the human trajectory tracking application in detail, using the advantages of the Android platform.

At the end of this paper, on the basis of the design, the original design goal of the system is achieved through the test of many real machines and the constant debugging and modification of the software, which shows a certain value in the process of recording the movement.

Key words:Mobile positioning, Android platform, inertial sensor, trajectory tracking

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

1.4 本章小结 2

第2章 关键技术 3

2.1 Android传感器简介 3

2.1.1 动作传感器 3

2.1.2 位置传感器 3

2.1.3 环境传感器 3

2.2 惯性传感器基本原理 4

2.2.1 加速度传感器 4

2.2.2 方向传感器 5

2.3 人体轨迹实现方法 6

2.3.1 步态检测方法 6

2.3.2 轨迹判断处理 7

2.4 本章小结 8

第3章 整体方案设计与系统实现 9

3.1 系统平台简介 9

3.1.1 Android平台简介 9

3.1.2 开发环境Android studio介绍 9

3.1.3 测试平台 10

3.2 整体结构设计 10

3.2.1 功能建构设计 10

3.2.2 程序结构设计 12

3.3 系统详细设计与实现 13

3.3.1 开发环境配置 13

3.3.2 系统界面设计 14

3.3.3 加速度计实现计步功能 18

3.3.4 方向判断 19

3.4 本章小结 19

第4章 系统测试与结构分析 20

4.1 系统测试 20

4.1.1 计步功能效果 20

4.1.2 方向导航功能效果 20

4.1.3 轨迹绘制效果 21

4.2 结果分析 22

4.3 本章小结 22

第5章 总结与展望 23

参考文献 24

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

上世纪80年代，第一款民用无线电话诞生了，这是名副其实的移动电话机，因为他除了移动和打电话，是没有其他功能的，即使如此，当时在普通人眼里也是高大上的。上世纪90年代，随着2g通信的开发和建设，诺基亚开始轰轰烈烈的发展移动电话市场，于是乎GMS电话机开始成为主流。新时代随着电子与通讯技术的发展，互联网的普及，人们日益增长的需求，智能手机应运而生并且迅猛发展，逐渐改变了我们的生活，而依靠移动网络服务的位置信息获取正是其中一个重大的变革，2017年第二季度，手机地图用户累计规模达6.86亿人，手机用户使用地图功能分布方面查询路线信息和定位导航功能排前两位，占比均超过一半，更为精准的定位和导航服务是人们的需求所在，广大用户所追求的核心要素。

2007年11月谷歌推出专门适用于移动设备的软件平台--Android，Android以它开性，人性化，可定制化，扩展性强，开发成本低等优点，弥补了当时智能手机领域的空白，为大众开发厂商所接受，基于Android平台的应用也逐渐丰富，而随着Android平台不断成熟，一个基于Android的设备与应用供应链逐渐完善，成千上万软件开发者为Android设备开发应用，中国Android应用程序正在迅猛增长，它们有着丰富多样的功能，在生活中为人们提供各种便利^[[1]]。定位导航服务正是其中热门，我们常用的谷歌地图，百度地图都是定位导航运用中的一种。所以，对人体步伐状态进行研究开发一款便捷实用的轨迹跟踪应用是很有意义的。

1.2 国内外研究现状

时至今日，手机已经不只是简单的通讯工具,在我们生活中有着举足轻重的地位。Android操作系统得出现，提高了智能移动设备的推广速度，为了满足人们各式各样的需求，开发者们给智能设备集成了更多的功能，现在的智能手机可以使我们清晰的感受到这种变化。手机可以识别我们的语音信号，触摸信号，手势信号，图像信号，帮我们进行定位导航，帮我们记录我们的运动状态甚至健康状态。许多收手机游戏都集成有体感功能，这会带给玩家更加优秀的游戏体验，如今的智能手机对用户来说绝不仅仅是一个第三方交互工具，它还依靠本身的硬件基础通过软件于人们产生交流互动，比如说屏幕旋转，手势交互，面部识别等等。而这些智能功能的实现需要依靠手机上那一排看起来像小黑点的东西，这些让设备实现智能化的基石“传感器”。传感器可以帮助设备感应磁力，温度，光线，加速度，方向等方面的变化，把生活中的物理信号转化为数字信号，再通过计算机进行分析和运用，让用户获得更加智能的用户体验。因此，想要得到丰富多样的人性化功能就需要对这些传感器灵活的使用。就像人体一样，处理器RAM内存等核心硬件决定了人体的素质，而传感器所提供的是后天训练出来的气质技能，更能让人体会到它的魅力所在。

信息技术的快速发展,使得轨迹定位跟踪技术走进人们的生活和工作中。常用的轨迹跟踪技术主要依靠全球卫星定位系统,但由于室内环境的遮挡,GPS信号无法提供满足用户要求的服务。所以,室内轨迹跟踪导航技术逐渐成为关注的热点，发展的重点。现在我看到的大部分导航系统通常采用无线网络，手机导航服务系统一般是GPS技术，此技术在生活运用中的精度已经达到5m。但是GPS使用场景受限，虽然可以确保在露天空旷地带的准确度，却难以在室内等狭小的区域发挥功效，限制了其进一步发展^[[2]]。于是研究基于手机惯性传感器的轨迹追踪与导航方法，在GPS使用受限的区域发挥功效，可以增加导航的精确度，一定程度上弥补了GPS定位的局限性，完善了导航功能。

1.3 研究内容

在学习Android相关知识和研究轨迹跟踪理论基础上，开发一款在Android平台上使用的手机软件，它利用手机惯性传感器原理，主要是加速度计和方向传感器相关原理实现人体运动轨迹的追踪，基于Android开发平台Android Studio设计良好的用户操作界面显示用户的移动轨迹，以步数为单位用户行程记录也是可实现功能之一，该款软件可以陪伴用户跑步，散步，记录路线与路程，让用户了解自己的行动轨迹，锻炼情况。

1.4 本章小结

本章介绍了此次课题的内容时在Android的惯性传感器人体轨迹实现算法和软件设计。从定位导航和Android设备传感器应用等方面介绍了国内外研究现状及本次课题的研究意义。最后提出了设计软件所需要达到的要求，有良好的用户操作界面并且可以实时跟踪轨迹，同时拥有计步和方向导航功能。

第2章 关键技术

2.1 Android传感器简介

日常使用的Android设备中内置许多的传感器^[[3]]。就我们的Android手机来说，就基本集成各种用以监控运动状态，方向位置，环境变化的传感器。这些传感器可以对十分微小的变化做出感应并向我们提供具有参考价值的数据，帮助我们掌握手机各方面的状态。通过这些数据我们进行分析，处理与操控予以反馈，这样手机便显得智能了。可以举一些例子。我们玩一款游戏，比较有代表性的赛车类游戏，可以通过体感来实现操作。而为了支持体感技术，需要许多传感器数据，以方便哦我们推断复杂的姿势和动作，像身体倾斜，设备振动，旋转等情况;设备也可以通过传感器获取周围环境信息，可以用温度和湿度传感器检测周围天气状况。另外，加速度计，磁场传感器，方向传感器可以帮助我们辨别地理位置方向,是惯性导航的硬件基础。

2.1.1 动作传感器 

为了较好的利用Android设备移动便携的特性，我们需要传感器的支持。我们把可以感应设备运动状态的传感器称作动作传感器。常见的动作传感器有加速度传感器，线性加速度传感器，陀螺仪和旋转量传感器^[[4]]。在Android设备需要结合软件使用，我们可以通过软件选择性获取我们需要的传感器数据来判断设备运动状态；我们也可以在软件中设置不同的方法处理同一传感器中获取的数据，达到所要求的精度和使用范围。

2.1.2 位置传感器 

帮助安卓设备确定其位置信息的传感器名为位置传感器。常见的有检测距离的传感器距离传感器，感应磁场方向的磁场传感器，这两类是依赖硬件的传感器，其中距离传感器在手机中是很常见的，它可以测试人脸与屏幕间距达到自动接听电话的功能；磁场传感器在Android设备中更为普及，不仅可以为指南针程序提供数据，还可以配合软件使用判断手机方位和倾斜角。而方向传感器可以检测设备朝向和位姿状态。

2.1.3 环境传感器 

Android平台还可以搭载许多检测外部环境的传感器。例如，在本次实验测试设备S8中就有压力传感器，光线传感器，声压传感器，温度传感器，湿度传感器等。但是不是所有的Android设备都支持多种传感器，因此若采用环境传感器，运行前应检测Android设备是否支持此类传感器。

2.2 惯性传感器基本原理

本次设计研究内容是基于惯性传感器的人体运动轨迹跟踪方法，要求在安卓上实现一个人体运动轨迹追踪系统。惯性系统拥有一定自我控制能力，不必以外部信息为基础，这种特性使它可以在难以接收到外界网络信号的条件下使用，工作环境十分广阔，不仅可以在空中，地面，水下实现功能，在室内较为为狭小gps难以准确导航的一些地方也同样适用。

惯性导航属于推算导航，即在知道初始位置，初始朝向（姿态），知道每一时刻如何改变了朝向，知道每一时刻相对朝向是如何变化，把这些信息一同连续地推敲，在移动中连续的计算推理，在不考虑各种误差时，得出的结果就应该正好是你现在的朝向和位置^[5]。使用的理论基于牛顿力学的原理，在设定的惯性参考系种获取目标加速度，通过对加速度进行数学处理可以得到方向角度和位置等信息，实现导航效果^[7]。

2.2.1 加速度传感器

加速度传感器会获取设备多轴加速度信息，此次设计实验设备上搭载的是三轴加速度计，可以返回如图2.1所示X,Y,Z三轴的加速度数据。与手机所处空间的直角坐标系不同，这里的三轴是指传感器本身表示的方向坐标轴，加速度计所返回的信息是载体的重力加速度^[[6]]。我们可以借加速度计返回的数据来确定设备的状态，参考表2.1是三轴加速度计返回信息与设备状态对照表。当手机垂直于水平桌面时，Ｘ轴正向从屏幕左侧指向右侧；Ｙ轴正向从手机尾部指向手机顶部；Ｚ轴正向则是垂直于手机屏幕向外侧沿伸^[[7]]。

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