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CN108603767A - 3d地理位置定位系统 - Google Patents

3d地理位置定位系统 Download PDF

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CN108603767A CN201780007558.4A CN201780007558A CN108603767A CN 108603767 A CN108603767 A CN 108603767A CN 201780007558 A CN201780007558 A CN 201780007558A CN 108603767 A CN108603767 A CN 108603767A
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Abstract

一种用于在缺少全球定位系统(GPS)信号的情况下提供移动的人的三维(3D)坐标的3D地理位置定位系统。3D地理位置定位系统使用：被配置成定位在左侧和右侧的脚部‑踝关节结构处的两个惯性传感器，以及测量用户的下肢(小腿、大腿、躯干)的每个部位的空间定向的一系列传感器。在一个实施例中，3D地理位置定位系统使用可以通过由用户穿戴的外骨骼装置或矫正装置提供的下述传感器：在左侧和右侧的腿部‑膝盖或大腿‑臀部结构处的两个附加的惯性传感器，以及提供指示左侧和右侧的膝盖和大腿的角度位置的信息的传感器。使用来自惯性传感器的关于用户的生物力学信息结合膝盖和臀部角度来实施对用户的3D坐标的该确定。

Description

3D地理位置定位系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月25日提交的美国临时专利申请No.62/286,896的权益，其通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及一种3D地理位置定位系统，更具体地，本公开内容涉及一种在缺少GPS信号的情况下运作的3D地理位置定位系统。
背景技术
有些活动需要随时知晓人的位置。例如，在消防员的情形中，如果他或她变得不能行动，那么班长必须能够向不能行动的消防员的位置派遣帮助。救援队的能见度非常有限并且搜索区域经常受到限制；搜索越快，解救不能行动的消防员的机会越大。同样的情景适用于在不能访问全球定位系统(GPS)信号的建筑物内部或地下移动的士兵。
通常，GPS将是够用的。然而，在一些建筑物中，如果GPS信号确实存在的话，其接收可能极其受限。在没有GPS的情况下，除了航位推算法之外，目前还没有平常的解决方案。该算法使用惯性传感器，并且本质上计算全球坐标中的加速度(已知传感器的定向，其可以将所测量的本地参考(即传感器)的加速度转换到全球坐标系统(即世界))。该数值积分倾向于累积误差，通常为行进距离的约3％。在没有GPS的情况下行进100米之后，误差为±3米，因此该误差太大而不能精确地知道需要帮助的用户位于哪一层上，由此需要派遣三个救援队而不是单一救援队(即顶层、中层和底层)或者耗费单个队高达三倍的通常时间。此外，当脚部与地面接触时，惯性导航需要“重置”。在没有该重置的情况下，误差以指数方式增加。更不用说，如果重置在错误的时间发生，那么误差增加。
因此，需要一种精确的3D地理位置定位系统，以用于在缺少GPS信号的情况下提供移动的人的3D坐标。
发明内容
本公开内容提供了一种用于监测用户的位移的地理位置定位系统，包括：
一对惯性传感器，被配置成定位在用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处，该惯性传感器提供用户的生物力学信息；
提供指示用户的右侧和左侧的大腿和躯干的空间定向的信息的至少一对空间定向传感器；
提供指示所述用户的右侧和左侧的小腿的空间定向的信息的至少一对空间定向传感器；
处理器，该处理器经由通信链路与惯性传感器和空间定向传感器通信，该处理器具有相关联的存储器，该存储器包括储存在其上的指令，当在该处理器上执行该指令时，该指令实施下述步骤：
接收生物力学信息和指示用户的右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息；
使用生物力学信息和指示右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息来计算用户的3D坐标；以及
提供计算出的用户的3D坐标；
其中，生物力学信息和指示右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息被持续地提供给处理器，该处理器持续地计算用户的3D坐标，由此允许监测用户的位移。
本公开内容还提供了如以上所公开的3D地理位置定位系统，其中：
提供指示用户的右侧和左侧的大腿以及躯干的信息的至少一对空间定向传感器是被配置成定位在用户的左侧和右侧的腿部-膝盖或大腿-臀部结构处的一对惯性传感器，该惯性传感器提供用户的生物力学信息；并且
提供指示用户的右侧和左侧的小腿的空间定向的信息的至少一对空间定向传感器是被配置成定位在右侧和左侧的膝盖和臀部处的一对角度位置传感器。
本公开内容还提供了如以上所公开的3D地理位置定位系统，其中，用户的生物力学信息包括在被配置成定位在用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处的惯性传感器中的每一个处的加速度，并且其中，计算用户的3D坐标的步骤包括下述子步骤：
通过应用全球参考系统旋转矩阵，将被配置成定位在用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处的惯性传感器中的每一个的、关于用户的脚部的加速度旋转；
对经旋转的加速度进行二重积分，以获得被配置成定位在用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处的惯性传感器中的每一个的位置；
使用指示用户的右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的空间定向的信息来生成用户的姿势；
使用传感器融合算法将惯性传感器中的每一个的位置与用户的姿势合并，以获得3D坐标。
本公开内容还提供了如上所述的3D地理位置定位系统，其中，惯性传感器和空间定向传感器通过由用户穿戴的外骨骼装置和一对矫正装置中的一种提供。
本公开内容还提供了如上所述的3D地理位置定位系统，该系统还包括远程监测系统，该远程监测系统经由通信链路与处理器通信，该通信链路是有线通信链路、无线通信链路或者两者的组合。
本公开内容还提供了如上所述的3D地理位置定位系统，该系统还包括待定位在于其中监测所述用户的位移的结构周围的至少三个射频传感器信标，并且其中，储存在存储器中的指令在处理器上被执行时实施另外的步骤：在从该射频传感器信标中的至少三个接收信号时，对用户的位置进行三角测量并且重置用户的位置。
本公开内容还提供了如上所述的3D地理位置定位系统，该系统还包括至少一个激光雷达型传感器，该激光雷达型传感器提供在其中监测用户的位移的结构的壁的位置，并且其中，储存在存储器中的指令在处理器上被执行时实施另外的步骤：当该壁的位置指示用户静止时，停止对经旋转的加速度进行二重积分的子步骤，以限制漂移误差。该激光雷达型传感器可以通过由用户穿戴的外骨骼装置和一对矫正装置中的一种提供。
附图说明
将通过仅参考所附附图的实施例来描述本公开内容的实施方式，其中：
图1是在没有GPS信号的情况下用于移动体的3D地理位置定位的3D地理位置定位系统的示意图；
图2是图1的3D地理位置定位系统的替代性实施方式的示意图；
图3是根据本公开内容的例示性实施方式的3D地理位置定位计算过程的流程图；并且
图4是图1的3D地理位置定位系统的另一替代性实施方式的示意图；
不同的附图中所使用的相似的附图标记表示相似的部件。
具体实施方式
总体上来说，本公开内容的非限制性例示性实施方式提供了用于在缺少全球定位系统(GPS)信号的情况下提供移动的人的三维(3D)坐标的3D地理位置定位系统。3D地理位置定位系统使用被配置为定位在左侧和右侧的脚部-踝关节结构处的两个惯性传感器和一系列传感器来测量用户的下肢(小腿、大腿、躯干)的每个部位的空间定向。在例示性实施方式中，3D地理位置定位系统使用可以由用户穿戴的外骨骼装置或矫正装置提供的在左侧和右侧的腿部-膝盖或大腿-臀部结构处的两个附加的惯性传感器以及提供指示左侧和右侧的膝盖和大腿的角度位置的信息的传感器，例如，诸如在标题为“LOAD DISTRIBUTIONDEVICE FOR HUMAN JOINTS(用于人类关节的负载分布装置)”的美国专利No.9,370,439中所描述的。使用来自惯性传感器的关于用户的生物力学信息结合膝盖和臀部角度来实施对用户的3D坐标的该确定。
从已知的位置和定向(例如最后已知的GPS位置和定向)开始，3D地理位置定位系统使用由惯性传感器计算的定向来将加速度旋转到全球坐标系统中。具有合适的筛选和误差校正的二重积分给出每个惯性传感器的位置。同时，每个部位(小腿、大腿、躯干)的定向允许确定每个惯性传感器关于其他惯性传感器的相对位置，这帮助最小化每个步骤中的最大误差。使用所有的惯性传感器数据以及部位定向(例如膝盖和臀部角度)的数据融合算法允许在计算用户的位置中的增加的准确性。
参考图1，3D地理位置定位系统10包括具有相关联的存储器14的处理器12，该存储器包括储存在其上的指令，当在处理器12上执行该指令时，该指令实施3D地理位置定位计算过程100的步骤，将在下面进一步描述该过程。3D地理位置定位系统10还包括用于与位于右侧的脚部-踝关节结构处的惯性传感器20a和位于左侧的脚部-踝关节结构处的惯性传感器20b通信的输入/输出(I/O)接口16、观察右侧的大腿和躯干的空间定向的传感器30a和观察左侧的大腿和躯干的空间定向的传感器30b、观察右侧小腿的空间定向的传感器40a和观察左侧小腿的空间定向的传感器40b、以及通过通信链路18的可选的远程监测系统50，该通信链路可以是有线的、无线的或者是两者的组合。
在图2所示的3D地理位置定位系统10的例示性实施方式中，观察右侧的大腿和躯干的空间定向的传感器30a和观察左侧的大腿和躯干的空间定向的传感器30b采用分别定位在右侧的腿部-膝盖或大腿-臀部结构处的惯性传感器30’a和左侧的腿部-膝盖或大腿-臀部结构处的惯性传感器30’b的形式，并且观察右侧小腿的空间定向的传感器40a和观察左侧小腿的空间定向的传感器40b分别采用右侧的膝盖和臀部的角度位置传感器40’a和左侧的膝盖和臀部的角度位置传感器40’b的形式。
要理解的是，角度位置传感器40’a、40’b可以采用任何下述传感器的形式，上述传感器提供指示角度位置的信息或者提供可以从其生成角度位置的信息，如可以通过直接测量来确定膝盖和臀部角度，或者从由各种类型的传感器提供的生物力学信息得出膝盖和臀部角度。
3D地理位置定位系统10从惯性传感器20a、20b、30’a、30’b以及膝盖和臀部的角度位置传感器40’a、40’b中的每一个获得生物力学信息，例如定向、所测量的旋转和所测量的加速度，以计算用户的3D坐标。可选地，该信息通过通信链路18提供给远程监测系统50以允许监测用户的位移。
现在参考图3，示出了由处理器12(参见图1和图2)执行的3D地理位置定位计算过程100的例示性实施例的流程图。随着用户的每一步执行的过程100的步骤由框102至框110指示。
过程100在框102处开始，在该框处，来自惯性传感器20a、20b、30’a、30’b以及膝盖和臀部的角度位置传感器40’a、40’b中的每一个的生物力学信息被提供给处理器12(即惯性传感器20a、20b，观察右侧的大腿和躯干的空间定向的传感器30a和观察左侧的大腿和躯干的空间定向的传感器30b，以及观察右侧小腿的空间定向的传感器40a和观察左侧小腿的空间定向的传感器40b)。
然后，在框104处，使用旋转矩阵将关于每个脚部惯性传感器20a、20b的加速度旋转，以使该加速度关于全球参考系统。例如，假设惯性传感器20a、20b相对于全球参考系统具有分别为10度的滚转角、-20度的俯仰角和30度的偏航角，那么将与-10度的滚转角、20度的俯仰角和30度的偏航角等同的旋转矩阵应用于惯性传感器20a、20b中的每一个的加速度矢量，使得关于全球参考系统来表达上述加速度，在该全球参考系统中，垂直加速度对应于重力的反向而不是对应于惯性传感器20a、20b的顶部/底部。
在框106处，加速度被二重积分(即加速度被积分以关于在时间t＝0处的速率获得速率，然后速率被积分以关于在时间t＝0处的位置获得位置)并被误差校正，以给出每个惯性传感器20a、20b的初始位置。
在框108处，利用传感器融合算法将每个惯性传感器20a、20b的位置与用户的姿势合并，以给出单组经校正的身体3D坐标，该姿势是使用由惯性传感器30’a、30’b和角度位置传感器40’a、40’b提供的膝盖和臀部角度生成的。
最后，在框110处，提供了用户的3D坐标。
参考图4，示出了3D地理位置定位系统10的另一替代性实施方式，其还包括待定位在于其中用户正在移动的建筑物或其他结构周围的三个或更多个射频(RF)传感器信标60。这些RF传感器信标60可以用于对用户的位置进行三角测量，使得处理器12无论何时从RF传感器信标60中的至少三个接收信号，3D地理位置定位计算过程100都可以精确地对用户的位置进行三角测量并且重置用户的位置。在读取之间，3D地理位置定位计算过程100依赖由各种传感器20a、20b、30a、30b、30’a、30’b、40a、40b、40’a、40’b提供的信号来确定用户的位置。
就该替代性实施方式，3D地理位置定位系统10也可以包括通过由用户穿戴的外骨骼或矫正装置提供的至少一个激光雷达型传感器70(或其他映射传感器)。该至少一个激光雷达型传感器70读取壁的位置并且帮助3D地理位置定位计算过程100限制漂移误差。当来自该至少一个激光雷达型传感器70的信号指示用户相对于其环境相对静止时，3D地理位置定位计算过程100将在框106处停止对加速度的二重积分以消除当前的速率误差。
要理解的是，在以上所描述的替代性实施方式中，RF传感器信标60中的至少三个和至少一个激光雷达型传感器70可以单独地或组合地使用。还要理解的是，RF传感器信标60中的至少三个和/或至少一个激光雷达型传感器70可以与图2所示的3D地理位置定位系统10的替代性实施方式一起使用。
尽管已经通过特定的非限制性例示性的实施方式及其实施例对本公开内容进行了描述，但是应当注意，对于本领域技术人员而言明显的是，在不脱离如下文所要求保护的本公开内容的范围的情况下，可以将修改应用于本特定实施方式。

Claims (9)

1.一种用于监测用户的位移的3D地理位置定位系统，包括：
一对惯性传感器，被配置成定位在所述用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处，所述惯性传感器提供所述用户的生物力学信息；
提供指示所述用户的右侧和左侧的大腿以及躯干的空间定向的信息的至少一对空间定向传感器；
提供指示所述用户的右侧和左侧的小腿的空间定向的信息的至少一对空间定向传感器；
处理器，所述处理器经由通信链路与所述惯性传感器和所述空间定向传感器通信，所述处理器具有相关联的存储器，所述存储器包括储存在其上的指令，当在所述处理器上执行所述指令时，所述指令实施下述步骤：
接收所述生物力学信息和指示所述用户的右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息；
使用所述生物力学信息和指示右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息来计算所述用户的3D坐标；以及
提供计算出的所述用户的3D坐标；
其中，将所述生物力学信息和指示右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息持续地提供给所述处理器，所述处理器持续地计算所述用户的3D坐标，由此允许监测所述用户的位移。
2.根据权利要求1所述的3D地理位置定位系统，其中：
提供指示所述用户的右侧和左侧的大腿以及躯干的空间定向的信息的所述至少一对空间定向传感器是被配置成定位在所述用户的左侧和右侧的腿部-膝盖或大腿-臀部结构处的一对惯性传感器，所述惯性传感器提供所述用户的生物力学信息；并且
提供指示所述用户的右侧和左侧的小腿的空间定向的信息的所述至少一对空间定向传感器是被配置成定位在右侧和左侧的膝盖和臀部处的一对角度位置传感器。
3.根据权利要求1或2所述的3D地理位置定位系统，其中，所述用户的生物力学信息包括在被配置成定位在所述用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处的所述惯性传感器中的每一个处的加速度，并且其中，计算所述用户的3D坐标的步骤包括下述子步骤：
通过应用全球参考系统旋转矩阵，将被配置成定位在所述用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处的所述惯性传感器中的每一个的、关于所述用户的脚部的加速度旋转；
对经旋转的加速度进行二重积分，以获得被配置成定位在所述用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处的所述惯性传感器中的每一个的位置；
使用指示所述用户的右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的空间定向的信息来生成所述用户的姿势；
使用传感器融合算法将每个惯性传感器的位置与所述用户的姿势合并，以获得所述3D坐标。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的3D地理位置定位系统，其中，所述惯性传感器和所述空间定向传感器通过由所述用户穿戴的外骨骼装置和一对矫正装置中的一种提供。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的3D地理位置定位系统，还包括远程监测系统，所述远程监测系统经由通信链路与所述处理器通信。
6.根据权利要求5所述的3D地理位置定位系统，其中，所述通信链路选自由下述构成的组：有线通信链路、无线通信链路以及有线和无线通信链路的组合。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的3D地理位置定位系统，还包括待定位在于其中监测所述用户的位移的结构周围的至少三个射频传感器信标，并且其中，储存在所述存储器中的所述指令在所述处理器上被执行时实施另外的步骤：在从所述射频传感器信标中的至少三个接收到信号时，对所述用户的位置进行三角测量并且重置所述用户的位置。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的3D地理位置定位系统，还包括至少一个激光雷达型传感器，所述激光雷达型传感器提供在其中监测所述用户的位移的结构的壁的位置，并且其中，储存在所述存储器中的所述指令在所述处理器上被执行时实施另外的步骤：当所述壁的位置指示所述用户静止时，停止对经旋转的加速度进行二重积分的子步骤，以限制漂移误差。
9.根据权利要求8所述的3D地理位置定位系统，其中，所述激光雷达型传感器通过由所述用户穿戴的外骨骼装置和一对矫正装置中的一种提供。
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