CN102575938A - 导航系统初始化系统、方法和配置 - Google Patents

Abstract

一种用于与用户相关的个人导航系统的初始化系统包括：第一参考点配置，其被裝配用于与所述用户的所述个人导航系统通信并且促进包括水平位置和方位角(x₁，y₁，θ₁)的第一用户数据集的生成；第二参考点配置，其被裝配用于与所述用户的所述个人导航系统通信并且促进包括水平位置和方位角(x₂，y₂，θ₂)的第二用户数据集的生成；和至少一个控制装置，其被裝配为至少部分地根据所述第一用户数据集和所述第二用户数据集来确定公用坐标系统。一种初始化方法和配置也被公开了。

Description

导航系统初始化系统、方法和配置

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年10月23日提交的美国临时专利申请序列号61/254,379的优先权的权益，该专利的全文以引用方式并入本文。

背景技术

技术领域

本发明大体上涉及包括个人导航系统的导航和/或位置跟踪领域，并且具体地讲，涉及导航系统初始化(initialization)和部署(deployment)系统、方法和配置。

相关领域描述

本发明大体上涉及确定移动人员的位置的装置、系统和方法，并且具体地讲，涉及确定户外危险条件下和/或一个或多个结构内的工作人员的位置的装置、系统和方法。

现已开发个人导航和跟踪系统以用于任何数量的应用中。在一个实例中，个人导航和跟踪系统可用于军事应用中，以跟踪和指示军事人员在军事实践演习期间和/或军事战地环境中的移动。在另一个实例中，个人导航和跟踪系统可用于现场服务应用中，以跟踪已被派遣到现场的现场服务人员和/或车队。在另一个实例中，个人导航和跟踪系统可用于第一响应者应用中，以跟踪和指示例如犯罪或事故现场的执法人员、事故或火灾现场的消防人员和/或事故现场的急救医疗服务(EMS)人员的位置。

消防人员、第一响应者和军事人员在世界上最危险的环境中从事世界上最危险的职业。消防人员可轻易迷失方向或走散，因为大部分消防在烟雾导致的零能见度下进行。第一响应者不断地使其身处危险之中，这有时会使其被困或致失去能力。军事人员每天都会面临危险情况，并且知道每个士兵的位置、是否要执行常规任务或是否处于敌军火力下对指挥官而言将极其重要。在所有情况下，存在这样的实例，其中通过提供关于需要其他人员援助的人员的位置信息以相对迅速地找到该人员的定位系统可能已防止死亡事故或可能已减轻伤度。

在人员处于户外的情况中，全球定位系统(GPS)的装置和解决方案可例如用于将此类人员大致定位。然而，当在结构内使用GPS装置时，多路传播问题会使GPS装置信号差和结果不准确。此外，GPS装置无需进行大量处理通常可精确到大约±3米。虽然对于将户外人员和物体定位而言，可以接受该偏差，但结构内的3米偏差可例如使救援队被派遣至该结构内的错误的楼层，从而浪费救援任务中宝贵的时间。如同GPS装置，采用例如射频能量、超声能量和/或红外线能量的一些定位装置在结构内使用时可能存在多路传播问题，从而导致大量偏差。

相对于第一响应者应用，消防人员则由于缺乏有效的室内导航和跟踪系统而丧生。因此，特别关注于开发供室内使用的有效的导航和跟踪系统。传统的室内(诸如建筑内)导航系统通常成本高昂或无效。例如，与建筑内射频标识物的安装场地相关的安装和操作成本是不易克服的巨大障碍。此外，射频导航信号(诸如卫星导航系统使用的信号)在建筑内的不良接收排除了其广泛接受性。

更具体地讲，室内环境为实现导航和跟踪系统带来特殊的挑战。例如，室内环境中的信号传输的特征可能在于：存在反射、衰减、低信噪比和信号多路效应；所有这些同时可降低跟踪精度且可抑制信号采集。另外，多层建筑带来其它跟踪障碍，因为这些建筑需要三维定位。

一种类型的导航系统为惯性导航系统(INS)，其为使用计算机和运动传感器以经由航位推算来连续计算运动物体的位置、方向和速度而无需外部参考物的助航设备。惯性导航系统用于不同的多个运动物体，包括车辆、飞机、潜水艇、宇宙飞船和导弹。然而，其部件尺寸、成本和复杂性对INS实际使用的环境造成限制。

INS包括至少计算机和具有加速度计、陀螺仪或其它运动传感装置的平台或模块。典型的INS最初通过另一个来源(人工操作员、GPS卫星接收器等)来提供其位置和速度，并在此后通过整合从运动传感器接收的信息来计算其自身的更新位置和速度。INS的优点在于，其一旦被初始化，就无需外部参考物便可确定其位置、方向或速度。

初始化和部署方法表示使用INS中的一个关键部件，诸如安装在靴子上的INS个人导航系统，其中在给定环境中可跟踪多个用户。例如，如果多个响应者将进入建筑或结构，则必须以某种方式使他们相互协调，以便有效地跟踪其位置。

鉴于上述导航和跟踪系统的缺点，需要具有新的个人导航和跟踪方法。具体地讲，需要具有一种实际和节省成本的个人导航和跟踪系统，该系统在任何环境中高度准确和可靠并且适用于例如但不限于军事应用和第一响应者应用的任何应用中。也希望开发确定移动人员的位置的改进装置、系统和方法，其降低当前定位装置、系统和方法存在的上述和其它问题的严重性或消除这些问题。另外也希望开发用于确定多个用户之间的公用参考系(或坐标系)的导航系统初始化系统和配置。

发明内容

大体上来讲，本发明提供了一种克服与现有导航系统相关的缺点和缺陷中的一些或全部的导航系统初始化系统、方法和配置。在一个实施方案中，本发明优选地提供了一种向INS个人导航系统提供初始化方法的导航系统初始化系统、方法和配置。在另一个实施方案中，本发明优选地提供了一种确定多个用户之间的公用参考系和/或坐标系统的导航系统初始化系统、方法和配置。在另一个实施方案中，本发明优选地提供了一种确定基于惟一用户的方位和位置以建立结合环境中的所有用户使用的公用航向和/或公用坐标系统的导航系统初始化系统、方法和配置。

在一个优选的非限制性实施方案中，本发明提供了一种用于与用户相关的个人导航系统的初始化系统。所述系统包括：任意的第一参考点配置，其被裝配用于与用户的个人导航系统通信并且促进包括水平位置和方位角(x₁，y₁，θ₁)的第一用户数据集的生成；任意的第二参考点配置，其被裝配用于与用户的个人导航系统通信并且促进包括水平位置和方位角(x₂，y₂，θ₂)的第二用户数据集的生成；和至少一个控制装置，其被裝配为至少部分地根据第一用户数据集和第二用户数据集来确定公用坐标系统。

在另一个优选的非限制性实施方案中，本发明提供了一种用于安装于用户的靴子上的个人导航系统的初始化系统。所述系统包括：任意的第一参考点配置，其呈用于放置在表面上并且具有上表面的第一便携式垫的形式，其中当用户的靴子接触所述上表面时，所述第一参考点配置被裝配为与用户的个人导航系统通信，并且促进包括水平位置和方位角(x₁，y₁，θ₁)的第一用户数据集的生成；任意的第二参考点配置，其呈用于放置在地面上并且具有上表面的第二便携式垫的形式，其中当用户的靴子接触所述上表面时，第二参考点配置被裝配为与用户的个人导航系统通信，并且促进包括水平位置和方位角(x₂，y₂，θ₂)的第二用户数据集的生成；和至少一个控制装置，其被裝配为至少部分地根据第一用户数据集和第二用户数据集来确定公用坐标系统。

在另一个优选的非限制性实施方案中，本发明提供了一种用于与用户相关的个人导航系统的初始化方法。所述方法包括：当任意的第一参考点配置接触用户时，与用户的个人导航系统通信并且生成包括水平位置和方位角(x₁，y₁，θ₁)的第一用户数据集；当任意的第二参考点配置接触用户时，与用户的个人导航系统通信并且生成包括水平位置和方位角(x₂，y₂，θ₂)的第二用户数据集；并且至少部分地根据第一用户数据集和第二用户数据集来确定公用坐标系统。

在另一个优选的非限制性实施方案中，使用用于通信和/或促进这些数据集的生成的所需配置和部件来形成第一参考点配置和第二参考点配置。因此，第一参考点配置和第二参考点配置中的任一者或两者为至少一个射频配置、至少一个磁场配置、至少一个压力传感配置、至少一个声学配置和/或至少一个电气配置。

在参照附图考虑以下说明和所附权利要求时，本发明的这些和其它特征和特性以及结构的相关元件的操作方法和功能及制造零件和经济性的组合将变得更加显而易见，所有上述内容将构成本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各图中的相应零件。然而，应当清楚地理解，附图仅用于说明和描述目的，而不旨在对本发明进行限定。除非上下文中另外清楚地指明，如说明书和权利要求所用，单数形式“一个(一种)”和“所述(该)”包括复数形式。

附图简述

图1为结合根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置使用的个人导航系统的一个实施方案的示意图；

图2A为图1的个人导航系统的惯性模块的框图；

图2B为图2A的惯性模块的透视图；

图3A为图1的个人导航系统的个人通信装置的框图；

图3B为图3A的个人通信装置的透视图；

图4A为图1的个人导航系统的现场计算机的框图；

图4B为图4A的现场计算机的透视图；

图5为用于使用图1的个人导航系统进行个人导航的方法的流程图；

图6为结合根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置使用的个人导航系统的另一个实施方案的示意图；

图7A为图6的个人导航系统的移动定位系统的透视图；

图7B为与用户的靴子一起使用的图7A的移动定位系统的透视图；

图8为根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置的示意图；

图9为按照根据本发明原理的导航系统初始化方法做出的确定的图；

图10为根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置的一个实施方案的示意图；

图11为根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置的另一个实施方案的示意图；

图12为根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置的另一个实施方案的后部和局部截面图；

图13为根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置的另一个实施方案的示意图；

图14A为根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置的另一个实施方案的平面图；

图14B为图14A的导航系统初始化系统和配置的截面图和后视图；

图15为根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置中的通信结构的一个实施方案的示意图；

图16为根据本发明原理的导航系统初始化系统和配置的一种示例性实施方式的图；并且

图17为根据本发明原理的导航初始化系统和配置的一部分的示意图。

具体实施方式

出于下文的说明的目的，术语“端部”、“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及其派生词应当与本发明附图中的方向相关。然而，应当理解到，除非有明确的相反规定，否则本发明可采取各种替代变型和步骤顺序。也应当理解到，附图中所示的和以下说明书中描述的具体装置和方法仅为本发明的示例性实施方案。因此，具体尺寸以及与本文公开的实施方案相关的其它物理特性不应被视为进行限制。另外，应当理解到，除非有明确的相反规定，否则本发明可采取各种替代变型和步骤顺序。

本发明涉及一种用于初始化并确定结合佩戴个人导航系统的至少一个用户使用的公用坐标系的导航系统初始化系统、方法和配置。如同下文详细地讨论，本发明的系统、方法和配置可在各种应用中实施，并且可用于计算、处理和/或确定用于提供公用坐标系统、航向、位置或類似的适当数据。

本发明可结合各种不同类型的导航系统来使用，这些导航系统包括个人导航系统、佩戴式导航系统、主要用于户外的系统、主要用于室内的系统、GPS、INS、基于脚的导航系统及類似的系统。本发明的一个主要目的在于提供使个人导航系统初始化并且将其设置成可结合环境中的多个用户使用的公用参考坐标系统的系统、方法和配置。

虽然在第一响应者应用(例如用于跟踪建筑内或附近的消防人员)的情况下提供了本公开的个人导航系统的下述说明，但这仅为示例性的。本公开的个人导航系统不限于仅用于第一响应者应用中。相反地，本公开的个人导航系统可用于任何室内或户外环境的任何导航和/或跟踪应用中。另外，本公开的个人导航系统不限于跟踪人，因为其还适用于跟踪物体。

如同所述，虽然并非进行限制，但本发明结合用户佩戴的个人导航系统却特别有用。另外，在一个优选的非限制性实施方案中，本发明的系统、方法和配置结合基于脚的(例如安装于用户的脚上的靴子上或内)个人导航系统使用。在另一个优选的非限制性实施方案中，基于脚的个人导航系统为惯性导航系统(INS)，如上所述。美国临时专利申请No.61/229,824中示出和描述了此INS以及通用控制、显示和导航管理系统，该专利的全文以引用方式并入本文。′824申请的图1-5与本申请的图1-5相对应。

图1示出了根据本公开的一个优选的非限制性实施方案的个人导航系统100的一个实例的功能框图。优选地，个人导航系统100为惯性导航系统(INS)的一个实例，其特征在于：(1)在室内和/或户外准确可靠地实时跟踪一个或多个受试者的能力；(2)实时识别一个或多个受试者的活动类型的能力；(3)准确可靠地实时提供一个或多个受试者的活动的图示的能力；和(4)低复杂性和低成本。

优选地，个人导航系统100包括惯性传感器装置和通信装置的组合，这两者均可由所述系统的导航和/或跟踪操作的受试者佩戴。例如，一个或多个受试者101可与个人导航系统100相关，其中各受试者101可为作为所述系统的导航和/或跟踪操作的受试者的任何个人。在一个实例中，在第一响应者应用的情况下，各受试者101均可为在事故现场的建筑内或附近被跟踪的消防人员。与个人导航系统100相关的各受试者101均可佩戴惯性传感器模块102。

惯性传感器模块102容纳一个或多个惯性传感器(例如一个或多个加速度计和/或陀螺仪)以及控制电子裝置和控制软件。优选地，惯性传感器模块102安装于各受试者101的鞋袜上和各受试者101的踝下方。惯性传感器模块102可经由例如带子或带具或者通过整合到鞋袜本身中而安装于各受试者101的鞋袜上。惯性传感器模块102的控制电子裝置和控制软件能够处理原始位置数据(即原始的x-y-z坐标)以便：(1)确定各受试者101的活动类型；并且(2)对原始数据进行特定活动的误差校正，以便生成准确地指示其位置的“校正的”位置数据(即校正的x-y-z坐标)。另外，惯性传感器模块102具有用于传输其任何数据的短距离无线电能力。参照图2A和2B描述了惯性传感器模块102的实例的更多细节。

与个人导航系统100相关的各受试者101也佩戴个人通信装置103。优选地，个人通信装置103具有短距离和长距离无线电能力。例如，个人通信装置103的短距离无线电能力能够从也由各受试者101佩戴的惯性传感器模块102接收数据。另外，个人通信装置103的长距离无线电能力能够与不在其近距离附近的任何其它计算装置通信。例如，各个人通信装置103均能够将从其相应的惯性传感器模块102接收的数据以及任何其它数据传输至例如现场计算机104。这样，由各受试者101佩戴的惯性传感器模块102和个人通信装置103的组合提供了将受试者的准确位置信息提供给事故现场的任何有关各方的方式。参照图3A和3B描述了个人通信装置103的实例的更多细节。

现场计算机104可为能够处理和执行程序指令的任何计算装置。现场计算机104通常可为包括或连接至处理器和用户界面的任何装置。优选地，现场计算机104为便携式计算装置，诸如手持式计算机、膝上型计算机或平板装置。

例如监督和/或指示与个人导航系统100相关的活动的任何个人可使用现场计算机104。为了继续第一响应者应用的实例，指挥员105可使用现场计算机104。在该实例中，指挥员105可为例如火灾现场的事故指挥员和监督和/或指示可为消防人员的受试者101的活动的人员。现场计算机104具有用于自/至一个或多个个人通信装置114接收/传输数据的无线电通信能力。另外，用于实时处理从个人通信装置114接收的任何信息并且还实时提供受试者101在现场的活动的图示的软件应用位于现场计算机104上。参照图4A和4B描述了现场计算机104的实例的更多细节。

图1也示出了参考点110，其为公用参考点，个人导航系统100的所有惯性模块102在进入环境之前根据该公用参考点初始化。参考点110为在初始化过程期间相对于个人导航系统100的惯性模块102建立的局部三维(3D)坐标系统111的“原点”或(x＝0，y＝0，z＝0)点。

图2A示出了根据本公开的个人导航系统100的惯性传感器模块102的一个实例的功能框图。在该实例中，惯性传感器模块102包括控制电子裝置200，控制电子裝置200还可包括处理单元201和功率管理电路202。处理单元201可为能够执行程序指令(诸如来自惯性传感器模块102的控制软件203的那些)的任何标准控制器或微处理器装置。处理单元201用于管理惯性传感器模块102的全部操作。功率管理电路202可为用于执行惯性传感器模块102的功率管理功能的任何电路。在一个实例中，功率管理电路202提供功率调节并且可用于使惯性传感器模块102的电池204再充电。优选地，电池204为可再充电电池，但或者可为不可充电电池。大体上来讲，控制电子裝置200可用于管理数据采集操作、数据传输操作、装置上电和断电顺序、初始化方法以及(0，0，0)参考点(诸如图1的参考点110)的采集。

惯性传感器模块102包括一组惯性传感器205。例如，惯性传感器205可包括一个或多个电磁传感器、多轴加速度计、陀螺仪、磁强计類似装置。惯性传感器205可作为低成本的小型微机电系统(MEMS)装置，而非昂贵的大型军用级传感器来实施。即使可能存在与低成本的小型MEMS装置相关的大量“漂移误差”，但其使用通过惯性传感器模块102的控制软件203的某些误差校正方法而成为可能，所述误差校正方法对来自MEMS装置的读数中的任何偏差进行充分的误差校正。这在许多惯性导航系统中是不可能的。原始数据207表示惯性传感器205的未处理的原始读数。

惯性传感器(诸如惯性传感器205)包括测量力并且通过该力产生加速度、速度和位移的那些。一种类型的惯性传感器为加速度计。加速度计为提供与加速度、振动和冲击成比例的输出的传感器。一种加速度计为用于测量加速度和重力引起的反作用力的装置。多轴加速度计(例如3轴加速度计)能够检测作为矢量的加速度的大小和方向。加速度可以重力来表示，重力为物体加速度的度量单位。另一种类型的惯性传感器为陀螺仪，该陀螺仪为响应于方向变化并且可用于维持方向或报告方向变化的惯性装置。

控制软件203可包括例如用于分析惯性传感器205的原始数据207，确定某些活动类型209，并且然后采用特定活动的误差校正值210以便生成校正的位置数据211的零速修正(ZUPT)算法208。例如，由ZUPT算法208实施的方法可基于参照以下专利描述的移动测量系统和方法：名称为“System and method for measuring movement ofobjects”的美国专利No.5,724,265；名称为“System and method formeasuring movement of objects”的美国专利No.5,899,963；名称为“System and method for measuring movement of objects”的美国专利No.6,122,960；和名称为“Rotational sensor system”的美国专利No.6,305,221；及其任何组合，这些专利的公开内容以其全文并入本文。

举例来说，′221专利描述了一种测量人在奔跑或步行时的移动距离、速度和跳跃高度的装置。加速度计和旋转传感器连同进行数学计算以确定每步的距离和高度的电子电路一起设置在一只鞋的底部。射频发射器将距离和高度信息发送至手表或其它中央接收单元。所述手表或其它单元中的射频接收器耦接至根据步距和实耗时间来计算输出速度并且根据前面的所有步距的总和来计算奔跑者的移动距离的微处理器。所述微处理器的输出耦接至显示奔跑者或步行者的移动距离、速度或跳跃高度的显示器。

由ZUPT算法208实施的、可基于′265、′963、′960和/或′221专利的方法可包括(但不限于)以下步骤。

步骤1-连续分析惯性传感器205的原始数据207，以便检测是否存在同时发生的两个条件。待检测的第一个条件为3个轴中的加速度范数的最小值，该条件通过使用例如惯性传感器205的3轴加速度计来测量。即，如果3个轴的合成矢量为所述范数，则可检测加速度的最小值。待检测的第二个条件为最小角速度范数，该条件通过使用惯性传感器205的陀螺仪来测量。

步骤2-检测上述两个量的“静点”。当加速度范数和角速度范数同时为最小时，这在下文中称为时间“静点”。该静点基于惯性传感器模块102在各受试者101的脚处的放置，因为脚为停止任何活动(例如步行、奔跑、匍匐行进、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐电梯和乘坐自动扶梯)的唯一身体部分。因此，检测到“静点”表明脚停止运动。

步骤3-测量到惯性传感器205在时间“静点”时出现的任何运动表明这些传感器存在漂移误差。这样，确定了这些传感器的漂移误差。然后可从读数中减去漂移误差，以实现精确的动态测量。因此，一旦检测到时间“静点”，则可触发可称为零速修正或ZUPT的方法。

步骤4-在ZUPT方法中，进一步分析惯性传感器205的原始数据207，以便确定受试者101的脚的方向。

步骤5-一旦确定了受试者101的脚的方向，则可使脚的方向与某种类型的活动相关。例如，ZUPT算法208的活动类型209可包括使脚的方向与活动类型相关。在活动类型209方面可能相关的这些类型的活动可包括(但不限于)步行、奔跑、匍匐行进、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐电梯、乘坐自动扶梯及類似活動。

步骤6-一旦确定了活动类型，则ZUPT算法208可采用其它验证方法，以便确保该活动类型已被正确地确定。

步骤7-因为每种活动类型的误差校正可能不同，所以一旦确定了活动类型，则可采用预定的特定活动的误差校正。例如，特定活动的误差校正值210的内容可包括步行的独特误差校正值、奔跑的独特误差校正值、匍匐行进的独特误差校正值、跳跃的独特误差校正值等等。这些特定活动的误差校正值可根据′265、′963、′960和/或′221专利凭经验进行预先确定和表征。

再参照ZUPT算法208的上述工艺步骤，因为“静点”通过某个受试者101的每个脚步发生，所以可在每个脚步处采用ZUPT，从而在受试者101的每个脚步处校正惯性传感器205的漂移误差。其结果为各惯性传感器模块102的校正的位置数据211。校正的位置数据211包括活动类型信息以及位置信息。另外，校正的位置数据211可包括由处理单元201提供的时间戳信息和用于识别信息来源的装置标识。

惯性传感器模块102还包括通信接口212，通信接口212可用于将校正的位置数据211传输至外部装置(包括现场计算机104)。通信接口212可为可与其它装置交换信息的任何有线和/或无线通信接口。有线通信接口的实例可包括(但不限于)USB端口、RS232连接器、RJ45连接器、以太网和其任何组合。无线通信接口的实例可包括(但不限于)内联网接口、因特网、Bluetooth

技术、Wi-Fi、Wi-Max、IEEE 802.11技术、射频(RF)、红外数据协会(IrDA)兼容协议、局域网(LAN)、广域网(WAN)、共享无线接入协议(SWAP)、其任何组合以及其它类型的无线网络协议。

优选地，惯性传感器模块102的通信接口212包括短距离无线电能力，诸如基于例如Bluetooth

或Zigbee技术的短距离无线电213，短距离无线电213根据IEEE 802.15.4标准采用短距离无线通信标准。对于各受试者101而言，短距离无线电213有利于他/她的惯性传感器模块102与他/她的个人通信装置103之间的无线个域网(PAN)。

图2B示出了根据本公开的个人导航系统100的惯性传感器模块102的示例性物理实施方式的透视图。例如，惯性传感器模块102可封装在壳体214中，例如图2B所示。壳体214可具有在不利环境中操作所需的任何属性。例如，壳体214可坚固、防水、耐热、防尘等等。壳体214的形状适于安装在脚上，并且特别适于始终适当地锚固在与脚大致相同的位置。

图3A示出了根据本公开的个人导航系统100的个人通信装置103的一个实例的功能框图。在该实例中，个人通信装置103包括控制电子裝置300，控制电子裝置300还可包括处理单元301和功率管理电路302。处理单元301可为能够执行程序指令的任何标准控制器或微处理器装置。处理单元301用于管理个人通信装置103的全部操作。功率管理电路302可为用于执行个人通信装置103的功率管理功能的任何电路。在一个实例中，功率管理电路302提供了功率调节并且可用于使个人通信装置103的电池303再充电。优选地，电池303为可再充电电池，但或者可为不可充电电池。大体上来讲，控制电子裝置300可用于管理数据采集操作、数据传输操作、装置上电和断电顺序、初始化方法等等。

控制电子裝置300也可包括用于连接(有线或无线地)至任何数量和类型的输入装置305的输入装置接口304。输入装置305可为受试者101佩戴的和/或并入受试者101的设备中或与该设备相关的任何装置。例如，输入装置305可包括环境传感器，例如但不限于温度传感器、光传感器、湿度传感器及類似裝置。输入装置305可包括设备传感器，例如但不限于PASS报警器或消防人员的贮气罐的气压传感器。输入装置305可包括用于监测受试者101的健康状况的生物传感器，例如但不限于血压传感器、出汗传感器、心率传感器及類似裝置。输入装置305可包括其它装置，例如但不限于数字照相机和数字录音机。

个人通信装置103包括用于储存例如装置数据307的局部存储器306，装置数据307包括从输入装置305返回的任何读数。另外，装置数据307可包括由处理单元301提供的时间戳信息和用于识别信息来源的装置标识。从惯性传感器模块102接收的校正的位置数据211也可储存在存储器306中，如图2A中所述。因为校正的位置数据211和装置数据307包括时间戳和装置标识信息，所以可通过任何数据处理应用使其相关。

个人通信装置103还包括可用于与惯性传感器模块102和任何其它外部装置(诸如现场计算机104)交换信息的通信接口312。通信接口312可为可与其它装置交换信息的任何有线和/或无线通信接口。有线通信接口的实例可包括(但不限于)USB端口、RS232连接器、RJ45连接器、以太网和其任何组合。无线通信接口的实例可包括(但不限于)内联网接口、因特网、Bluetooth

技术、Wi-Fi、Wi-Max、IEEE 802.11技术、RF、IrDA兼容协议、LAN、WAN、SWAP、其任何组合以及其它类型的无线网络协议。

优选地，个人通信装置103的通信接口312包括短距离无线电能力，诸如基于例如Bluetooth

或Zigbee

技术的短距离无线电308，短距离无线电308根据IEEE 802.15.4标准采用短距离无线通信标准。对于各受试者101而言，短距离无线电308有利于他/她的惯性传感器模块102与他/她的个人通信装置103之间的无线PAN。

优选地，个人通信装置103的通信接口312也包括长距离无线电能力，诸如基于例如Wi-Fi技术的长距离无线电309，长距离无线电309根据IEEE 802.11标准采用无线通信标准。对于各受试者101而言，长距离无线电309有利于他/她的个人通信装置103与例如现场计算机104(或一些其它远程定位计算装置)之间的无线LAN。

图3B示出了根据本公开的个人导航系统100的个人通信装置103的示例性物理实施方式的透视图。例如，个人通信装置103可封装在壳体310中，例如图3B中所示。壳体310可具有在不利环境中操作所需的任何属性。例如，壳体310可坚固、防水、耐热、防尘等等。使得个人通信装置103可佩戴(例如可佩戴在受试者101的肩部周围)的连接器可附接至壳体310，如图1所示。个人通信装置103可为独立单元或可集成于由受试者101佩戴的另一个装置中，诸如消防人员佩戴的自备式呼吸器(SCBA)。

图4A示出了根据本公开的个人导航系统100的现场计算机104的一个实例的功能框图。在该实例中，现场计算机104包括控制电子裝置400，控制电子裝置400还可包括处理单元401和用户界面402。处理单元401可为能够执行程序指令的任何标准控制器或微处理器装置。处理单元401用于管理现场计算机104的全部操作。

现场计算机104的用户界面402可由任何机构或机构组合构成，通过所述机构或机构组合，用户可操作所述装置并且可将所述装置处理的信息提供给该用户。例如，用户界面402可包括(但不限于)显示器、加固式触控面板、键盘、鼠标、一个或多个按钮控件、小键盘、音频扬声器和其任何组合。在一个实例中，图4B示出了显示器403和一组按钮控件404。

现场计算机104包括用于储存例如从输入装置305接收的装置数据307的局部存储器405，输入装置305可连接至一个或多个个人通信装置114。从一个或多个惯性模块102接收的校正的位置数据211也可储存在存储器405中。因为校正的位置数据211和装置数据307包括时间戳和装置标识信息，所以可通过任何数据处理应用(诸如位于现场计算机104上的应用软件406)使其相关。因为与多个受试者101相关的校正的位置数据211和装置数据307储存在存储器405中，所以存储器405起到个人导航系统100的数据仓库功能，该功能可由应用软件406来管理。当然，进一步设想到，单独的远程定位中央控制装置或服务器可用作用于处理和/或储存结合系统100使用的任何数据流的中央数据储存库。

现场计算机104还包括可用于与一个或多个个人通信装置103交换信息的通信接口407。通信接口407可为可与其它装置交换信息的任何有线和/或无线通信接口。有线通信接口的实例可包括(但不限于)USB端口、RS232连接器、RJ45连接器、以太网和其任何组合。无线通信接口的实例可包括(但不限于)内联网接口、因特网、Bluetooth

技术、Wi-Fi、Wi-Max、IEEE 802.11技术、RF、IrDA兼容协议、LAN、WAN、SWAP、其任何组合以及其它类型的无线网络协议。

优选地，现场计算机104的通信接口407包括长距离无线电能力，诸如基于例如Wi-Fi技术的长距离无线电408。长距离无线电408有利于现场计算机104与例如任何数量的个人通信装置103(或个人导航系统100的上述引用的中央控制器)之间的无线LAN。

现场计算机104的应用软件406为用于采集和处理来源于任何数量的惯性模块102的校正的位置数据211和来源于任何数量的个人通信装置114的装置数据307的软件应用。校正的位置数据211和装置数据307通过应用软件406来分析，以将任何有用信息提供给用户，并且尤其是提供受试者101在事故现场的位置和活动的图示，例如提供消防人员在事故现场的建筑内或附近的位置和活动的图示。应用软件406的一组菜单410提供了向其用户(诸如正在使用现场计算机104的指挥员105)显示所述图示的图形用户界面(GUI)。

图4B示出了根据本公开的个人导航系统100的现场计算机104的示例性物理实施方式的透视图。在该实例中，现场计算机104作为包括显示器403和一组按钮控件404的手持式平板装置来实施。图4B还示出了某些菜单410可经由显示器403来提供给用户。

参照图1至4B，参照图5描述了用于跟踪佩戴各自惯性模块102和个人通信装置103的一个或多个受试者101的个人导航系统100的操作和使用。

图5示出了根据临时专利申请No.61/229,824中描述的方法的个人导航系统100的操作方法500的一个实例的流程图。方法500可包括(但不限于)以下步骤，这些步骤可以任何顺序进行实施或优选地省略。

在步骤510，实施系统初始化方法。例如，个人导航系统100的初始化方法可包括其正确操作所需的任何预处理方法。例如，所述初始化方法可包括：获取各惯性传感器模块102的惯性传感器205的初始漂移和偏移，根据公用坐标系统和航向使多个惯性模块102初始化，这使得多个惯性模块102彼此相关等等。另外，所述初始化方法可包括使各受试者101佩戴的某个惯性传感器模块102与某个个人通信装置103之间形成紧密的联系。这样，不可将来自一个受试者101的装置的数据传输与来自另一个受试者101的装置的数据传输相混淆。

在步骤512，通过所有惯性模块102来采集公用参考点(诸如图1的参考点110)，并且惯性模块102开始生成位置数据。在一个实例中，事故现场的某个位置可被指定为所有受试者101的公用出发点。例如，指定出发点可为现场的建筑的正门。在这种情况下，各受试者101实际上走向建筑的正门处的指定出发点并且引发他/她的惯性传感器模块102的参考捕获事件。例如通过按下各个人通信装置103上的“参考捕获”按钮，可能发生上述情况，个人通信装置103将参考捕获事件传送至其相应的惯性传感器模块102。此后，惯性模块102通过整合从惯性传感器205接收的信息来计算其自身的更新位置和速度。这样，惯性模块102开始生成位置数据，诸如原始数据207。

在步骤514，在各惯性模块处对原始位置数据进行局部分析，以便确定静点。例如，在各惯性传感器模块102处，ZUPT算法208用于处理和分析原始数据207，以便确定其惯性传感器205的“静点”，如′265、′963、′960和/或′221专利中的一个或多个所详述并且参照图2A所述。

在步骤516，在各惯性模块处对原始位置数据进行局部分析，以便确定活动类型。例如，在已确定其惯性传感器205的时间“静点”的各惯性传感器模块102处，ZUPT算法208进一步分析原始数据207，以便确定与惯性传感器205在时间“静点”时的移动和/或方向相关的活动类型，这根据′265、′963、′960和/或′221专利中的一个或多个并且参照图2A所述。例如，ZUPT算法208的活动类型209可包括使脚的方向与活动类型相关。这些类型的活动可包括(但不限于)步行、奔跑、匍匐行进、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐电梯、乘坐自动扶梯及類似活動。

在步骤518，对原始位置数据进行特定活动的误差校正，以便在各惯性模块处生成校正的位置数据。例如，在已确定活动类型的各惯性传感器模块102处，ZUPT算法208对原始数据207采用特定活动的误差校正值210，以便在各惯性模块处生成校正的位置数据211。例如，ZUPT算法208可根据′265、′963、′960和/或′221专利中的一个或多个来采用步行的独特误差校正值、奔跑的独特误差校正值、匍匐行进的独特误差校正值、跳跃的独特误差校正值等等。校正的位置数据211的内容包括例如校正误差的x-y-z坐标、活动类型信息、时间戳信息和装置标识信息。

在步骤520，将校正的位置数据211从惯性模块102实时传输至其相应的个人通信装置103。例如，各惯性传感器模块102经由其短距离无线电213来传输其校正的位置数据211。然后通过相应的个人通信装置103的短距离无线电308接收校正的位置数据211。可将校正的位置数据211暂时储存在个人通信装置103的存储器306中。或者，可将校正的位置数据211直接发送至现场计算机104或其它远程定位计算装置或存储装置。

在步骤522，将校正的位置数据211和任何其它数据(诸如装置数据307)从个人通信装置114实时传输至现场计算机104。校正的位置数据211和装置数据307均可包括时间戳信息和装置标识信息。此外，校正的位置数据211的内容包括例如校正误差的x-y-z坐标以及活动类型信息。

在步骤524，实时处理在现场计算机104接收的所有数据，以便提供和显示现场的任何活动的实时图示。例如，在现场计算机104接收的、与所有受试者101相关的所有校正的位置数据211和/或装置数据307通过应用软件406进行实时处理，以便提供和显示现场的任何活动的实时图示，所述实时图示可经由应用软件406的菜单410来提供给用户。

在步骤526，可在现场计算机104与个人通信装置103之间进行任何双向通信。例如，在个人导航系统100的整个操作期间的任何时间，鉴于任何原因，可在现场计算机104和受试者101的个人通信装置103之间进行双向通信，例如以提供导航指令和/或传送警报和/或任何其它有用信息。

在另一个优选的非限制性实施方案中，美国专利申请No.12/497,761中示出和描述了另一种INS以及通用控制、显示和导航管理系统，该专利的全文以引用方式并入本文。′761申请的图1和2与本申请的图6和7相对应。

如图6所示，包括惯性导航模块600的移动定位系统610可例如设置在消防人员602的靴子601的脚趾部分附近或其上。惯性导航模块600用于确定每个消防人员的位置并对其进行跟踪，并且将信息传送(例如经由每个消防人员602佩戴的通信装置603)至例如事故指挥员604和/或其他远程人员。在若干实施方案中，通信装置603为消防人员602佩戴的个人安全报警系统或PASS装置的收发器。惯性导航模块600可例如与通信装置603具有有线或无线连接。惯性导航模块600或者可包括专用通信系统(包括发射器或收发器)。事故指挥员604和/或其他人员可例如配备有基本单元605，基本单元605例如包括显示器606以提供一个或多个消防人员602的位置信息。

惯性导航系统可例如包括加速度传感器和角速度传感器以测量一个或多个消防人员602的运动。惯性导航系统还可包括软件以根据上述信息推断消防人员602的位置并对其移动进行跟踪。如上文所述，例如′265、′963、′960和/或′221专利中的一个或多个描述了适用于本发明的惯性导航系统和方法。

图7示出了用于定位在靴子601的底部中的惯性导航模块600的一个实施方案，如′221专利中所述。然而，对本领域的技术人员显而易见的是，所述系统的各个部件可以各种布置方式实施在消防人员身体的各个位置上。在′265、′963、′960和/或′221专利中的一个或多个所公开的惯性导航系统和/或方法结合本发明的移动定位系统610使用的情况下，移动定位系统610的传感器优选地放置在脚上或其附近。本领域的技术人员意识到，使用其它跟踪和/或惯性导航系统算法或方法能够使所述系统定位在身体的其它位置处。

在一个实施方案中，加速度计701、旋转传感器702和接触开关703放置在例如靴子601的底部(见图7A)，以使得其在步行、奔跑等期间可接触每步的地面。在另一个实施方案中，加速度计701、旋转传感器702和开关703容纳在用户佩戴的系统705的壳体704(见例如图7B)内，用户佩戴的系统705附接至靴子601的外部。

惯性导航模块600可通过或不通过接触开关703来操作。例如，另一种机构可用于生成信号以指示每步的开始。惯性导航模块600可例如包括三个旋转传感器702，每个旋转传感器均被裝配为测量用户的脚相对于参考系的角度。各旋转传感器702将所测量的角度转化成相应的信号，处理器706(例如微处理器)采用该信号来计算与用户的移动(诸如用户的速度、移动距离以及攀登或跳跃高度)相关的信息。

惯性导航模块600也可包括例如三个加速度计701，每个加速度计均被裝配为测量用户的脚相对于参考系的加速度。各加速度计可例如将所测量的加速度转化成相应的信号，该信号可经处理器706处理以实现运动测量。

三个线性加速度计701可例如分别设置在x、y和z方向上。同样，三个旋转传感器702可例如分别设置在x、y和z轴上。当惯性导航模块600最初处于静止状态时，这些方向限定了参考坐标系统。旋转传感器702可例如为测量旋转速度的转速装置，诸如陀螺仪。旋转传感器702不为加速度计，因此不能测量加速度或角加速度。各旋转传感器702的输出可例如一次整合，以根据时间来确定限定传感器702的方向的角度。因此，这些角度限定了在整个步伐的三度空间中变化的平移坐标系统。将各线性加速度计701的输出分两次整合于参考坐标系统中，以分别确定x、y和z方向上的距离。然后将这些值用于计算相对于前一个点的新位置点。

优选地，旋转传感器702和线性加速度计701位于消防人员602的脚上，如上所述。在一个实施方案中，当脚停止运动时，观察线性加速度计701和旋转传感器702的输出。因为在脚停止运动时不应存在信号，所以任何输出均被视为误差信号，然后将其从上一次计算的值中减去，以建立下一个计算周期(即直到脚再次停止运动时)的新参考点。线性加速度计701例如彼此正交并且尽可能地紧密设置。

当脚停止运动时，加速度计701位于限定参考坐标系统的轴的原点处。该参考系在整步中保持静止。由与旋转传感器702对齐的三个轴构成的平移坐标系统随着脚而移动。计算平移坐标系统中的读数，以确定参考坐标系统内的实际运动。在一步结束时，将开始点和结束点用于确定三度空间中的移动距离。因为所述坐标系统为三维坐标系统，所以任何两个轴将限定一个平面。然而，未相对于脚或地面来限定平面。这些平面可位于由脚上的传感器的方向和地面上的脚的方向限定的任何方向上。然而，这些平面未被用作惯性导航模块600的任何计算结果的一部分。这样，模块600不会使用基准面，更不用说当脚在地面上停止运动时，由靴子601的底部限定的基准面或参照地面的基准面。

如图8-16中的各个优选的非限制性实施方案所示，本发明总体上提供了结合由用户3佩戴的或与用户3相关的个人导航系统2使用的初始化系统1，个人导航系统2为例如在图1-5的实施方案中附接至受试者101的靴子的惯性模块102或在图6和7中集成于消防人员602的靴子601的底部中的惯性导航模块600。该初始化方法优选地在步骤510期间或步骤510与512之间实施(如上所述并且如图5所示)。

应该指出的是，需要将所有用户3设置在公用坐标系统上，以在显示器606上显示每个消防人员602。当使用上述惯性导航系统时，使用加速度计、陀螺仪和类似的运动传感装置来确定各个所需值x、y、z、θ及其類似值。众所周知，形成每个用户3的单独的个人导航系统2的这些装置各自包含不同的误差、偏移和其它偏差，使得各个人导航系统2位于其各自不相关的坐标系统上。本发明总体上提供了将所有这些单独和独特的个人导航系统2设置在公用坐标系统上以在所需环境中进行有效跟踪和数据收集的创新能力。

参照图8，本发明包括被裝配用于或适用于与用户3的个人导航系统2通信(或以某种传感关系)的任意的第一参考点配置4。如上所述，此通信可为无线通信、硬接线通信、直接通信、间接通信、信号通信或其任何组合。无论如何，第一参考点配置4可包括用于与个人导航系统2的部件通信或以其它方式从所述部件中获得或确定数据的传感器10。或者，数据收集器或传感器10可与个人导航系统2一起包括在内，并且个人导航系统2与第一参考点配置4之间的感测关系通过个人导航系统2来传输。因此，个人导航系统2与第一参考点配置4之间的关系用于生成包括水平位置和方位角(x₁，y₁，θ₁)的第一用户数据集5。

任意的第二参考点配置6也包括在内，并且以类似于第一参考点配置4的方式构造，即包括传感器10，传感器10为用于与个人导航系统2的部件中的一个或多个通信或促进第二参考点配置6与个人导航系统2之间的关系的装置。因此，该第二参考点配置6也与用户3的个人导航系统2通信(或以感测关系)。该第二参考点配置6用于生成也包括水平位置和方位角(x₂，y₂，θ₂)的第二用户数据集7。

初始化系统1还提供了至少一个控制装置8，并且该控制装置8可与设置在个人导航系统2上或与其相关的第一参考点配置4和第二参考点配置6中的一者或两者集成，或者可为独立单元，诸如现场计算机104(图1)或基本单元605(图6)。这样，控制装置8可与第一参考点配置4和第二参考点配置6中的一者或两者通信或者与其集成，或以其它方式被裝配为获得第一用户数据集5和第二用户数据集7(例如通过另一个部件的通信装置)。另外，该通信可为无线通信、硬接线通信、直接通信、间接通信、信号通信或其任何组合。上述通信标准和结构中的任一者也可结合初始化系统1的部件来使用。可呈计算装置、计算机、便携式计算装置、膝上型电脑、服务器或其類似装置形式的该控制装置8至少部分地根据第一用户数据集5和第二用户数据集7确定了公用坐标系统9。

在操作中，用户3对其个人导航系统2上电或启动该系统并且与第一参考点配置4进行直接或间接接触，然后第一参考点配置4通过与个人导航系统2的部件中的一个或多个通信来建立第一用户数据集5。然后，用户3向前移动并且与第二参考点配置6进行直接或间接接触，从而生成第二用户数据集7。根据至少第一用户数据集5和第二用户数据集7，基于初始水平位置和方位角(0，0，0)和后续水平位置和方位角(在第二参考点配置6处)(1，0，0)来建立和确定公用坐标系统9。通过做出此测定，每个用户3的所有独特的个人导航系统2均被转换为公用坐标系统9，从而提供了确定各个人用户3的航向和/或位置的共同特性。

控制装置8可接收、传输和处理数据，并且能够确定或建立第一参考点配置4和第二参考点配置6之间的矢量、矢量之间的角度、计算的位置、一个或多个方位、航向等。具体地讲，通过获得与第一用户数据集5和第二用户数据集7相关的信息和数据，控制装置8可做出适当的测定。见图9。对于每个用户而言，可进行公用坐标系统9的该测定，而无需考虑第一参考点配置4和第二参考点配置6的实际位置和/或第一参考点配置4与第二参考点配置6之间的距离。相反，第一参考点配置4被视为位于公用坐标系统9上的(0，0，0)，并且第二参考点配置6被视为位于公用坐标系统9上的(1，0，0)。进一步设想到，该第二参考点配置6可用于建立局部坐标系统111和参考点110，如上所述并且如图1所示。例如，第二参考点配置6可为用户3进入环境的出发点或起始点。

在一个优选的非限制性实施方案中，第一参考点配置4和第二参考点配置6形成于单个便携式结构11的间隔位置中。例如，该便携式结构11可为可辊平或放置在地面上的细长垫12。该垫12可结合或者说是集成第一参考点配置4和第二参考点配置6，并且还使得在上表面13与用户3接触。

在另一个优选的非限制性实施方案中，并且如图11所示，第一参考点配置4呈第一便携式结构14的形式，并且第二参考点配置6呈第二便携式结构15的形式。在图11的实施方案中，第一便携式结构14和第二便携式结构15均呈单独的垫16的形式，以再次放置在地面上。这些垫16各自包括用于直接或间接接触用户3的上表面17。

如上所述，实施本发明无需确定第一参考点配置4和第二参考点配置6的位置和两者之间的距离。类似地，垫16的方向可以改变，因为本发明的系统和方法使得适当地确定相对位置以建立公用坐标系统9。因此，进一步设想到，用户3可在任何点和在任何方向上接触第一参考点配置4和第二参考点配置6中的每一个，这可被转换为第一用户数据集5和第二用户数据集7和/或初始点(0，0，0)和第二点(1，0，0)。

然而，为了降低所需测定和总体系统要求的复杂性，可将一个或多个指示物18设置在垫16的上表面17(或细长垫12的上表面13)。指示物18可为视觉标记、缺口、靴形视觉标记、靴形缺口或其任何组合。如图11所示，视觉标记19(尤其是具有参考箭头21的靴形视觉标记20)设置于每个垫16上。这降低了所述系统的复杂性，并且有助于用户3将他或她的靴子精确地定位在正确的位置和方向上以建立第一用户数据集5和第二用户数据集7。

在另一个实施方案中，并且如图12所示，缺口22作为垫16的上表面17中的凹陷部分来提供，并且该缺口22呈靴形缺口23的形式。此外，这进一步确保了用户靴子24的正确定位和定向，从而提供额外的准确度并减少处理时间(和相关的内部误差)。

在另一个优选的非限制性实施方案中，第一参考点配置4和第二参考点配置6可呈各种传感器10和/或传感系统的形式或对其进行集成，诸如射频配置、磁场配置、压力传感配置、声学配置、电气配置或其類似配置。在一个实施方案中，并且如图13所示，利用了磁场配置25。优选地，三块堆叠磁铁26包括在其中，并且与个人导航系统2和优选的设置在其中的磁强计27磁通信。同样如图13所示，第一参考点配置4处的堆叠磁铁26的方向可与第二参考点配置6处的堆叠磁铁26的方向相反(即极性相反)，从而导致磁场方向相反。

参照图14A和14B，磁铁26和磁强计27可并入卡盘29中，卡盘29可拆卸地插入到第一参考点配置4和第二参考点配置6上的狭槽30中。该实施方案也示出了使用靴形缺口23以确保个人导航系统2相对于卡盘29适当地定位和定向。在一个优选的非限制性实施方案中，该卡盘29(和磁铁26)的精确定位使所需通量场产生。在另一个实施方案中，参考点配置4、6(或垫12、16)的高度可为约5英寸，这似乎表示防止由于周围的金属(例如混凝土钢筋或其類似結構)导致的场崩的最低高度。

同样如图13所示，控制装置8(或参考点配置4、6或个人导航系统2的某个本地装置或传感器)还可用于确定用户3的接触位置28(优选的用户3的靴子24)。例如，通过使用场强(在磁场设备25中)，可分析接触位置28，并且将其转换为参考点设备4和6的中心点(第一参考点设备4处的(0，0，0)和第二参考点设备6处的(1，0，0))。因此，本发明能够建立用于确定第一用户数据集5、第二用户数据集7和/或公用坐标系统9而无需接触位置28的具体位置和/或方向的适当点。例如，这可被视为子坐标系统的生成和利用，该子坐标系统用于适当地生成确定公用坐标系统9的基础数据。

在另一个优选的非限制性实施方案中，可能发生某个指示动作，所述指示动作可在用户3与第一参考点配置4和第二参考点配置6进行适当的通信接触时被感测。例如，某个声音指示、视觉指示、触觉指示、嗅觉指示或其组合可被传送至用户3，以表示他与第一参考点配置4和第二参考点配置6进行了适当的接触，从而可有效地确定第一用户数据集5和第二用户数据集7。例如，用户3可能会听到蜂鸣声，或者他的齿轮部件可能会振动，以表示已感测到个人导航系统2并且进行了适当的接触来在第一参考点配置4和第二参考点配置6中的任一者或两者处建立用户数据集5、7。

参照图15，并且如上所述，在另一个优选的非限制性实施方案中，个人导航系统2为位于用户3的靴子24上的惯性传感器模块31。该惯性传感器模块31可包括多个惯性传感器和通信装置。

另外，继续参照图15，个人通信装置32可位于用户3身上或附接至用户3，以用于与第一参考点配置4、第二参考点配置6、个人导航系统2、控制装置8或其任何组合通信。类似地，控制装置8可为用于与第一参考点配置4、第二参考点配置6、个人导航系统2、个人通信装置32或其任何组合直接或间接通信的现场计算机33。该现场计算机33可呈上述计算装置和/或控制器中的任一者的形式。此外，应该指出的是，数据通信继用户数据集5、7的感测和生成之后发生，使得在仍然会生成用户数据集5、7和公用坐标系统9的同时，可优化所述传感器和/或控制器的实际位置。

如图16示意性地所示，本发明的系统、方法和配置可结合各种不同类型和技术的个人导航系统2使用，但不应被解释为限于INS配置。具体地讲，个人导航系统2为以某种方式附接至用户3或以其它方式与用户3通信或相关的单元。因此，设想到，个人导航系统2可为任何类型的定位系统，诸如INS、GPS、星载系统、无线电系统、雷达系统、超声波系统、红外线能量系统、便携式导航装置、网络化导航系统、基于LAN的导航系统、基于WAN的系统、三角测量配置或其類似系统或結構。在任何情况下，这些个人导航系统2各自包括所需的电气元件和装置，以便有效地产生所需位置数据。此外，本发明的系统、方法和配置的任何基本功能均可通过个人导航系统2来实施或集成于该系统中。

实例

以下参照图17讨论了本发明的初始化系统1的一种示例性实施方式。通过方位角(即绕竖轴的角度)和水平(x，y)位置估值来描述用户3的导航状态。在个人导航系统2上电时，这些值是未知的，因此将其假定为零，即(x＝0，y＝0，θ＝0°)。因为用户3之间的关系是未知的，所以不可能以任何有意义的方式来表示公用坐标系统9上的每个用户3。因此，如上所述，本发明提供了一种用于将所有用户3设置在相同的公用坐标系统9上的系统和方法。

参照图16中的图，用户3对个人导航系统2上电，个人导航系统2的状态被界定为(x＝0，y＝0，θ＝0°。然后，用户3接触第一参考点配置4(称为标识物M₁)，第一参考点配置4在该实例中产生第一用户数据集5(x₁＝5，y₁＝5，θ₁＝10°)。然后，用户3走向并接触第二参考点配置6(称为标识物M₂)，第二参考点配置6产生第二用户数据集7(x₂＝20，y₂＝20，θ₂＝25°)。

然后，如下确定了第一参考点配置4到第二参考点配置6的矢量：

$N=M_2-M_1=\left(\begin{array}{c}20\\ 20\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}5\\ 5\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}15\\ 15\end{array}\right)$

假设第一参考点配置4(M₁)的实际位置为R₁＝(0，0)，并且第二参考点配置6(M₂)的实际位置为R₂＝(1，0)。与第一参考点配置4和第二参考点配置6之间的实际距离或其位置无关，因为生成了公用坐标系统9且其为相对坐标系统，如本发明的系统和方法所确定。每个用户3的个人导航系统2各自“假定”第一参考点配置4和第二参考点配置6位于相同的位置(不管其实际位置如何)。如下确定了参考矢量(R)：

$R=R_2-R_1=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)$

然后，如下确定了矢量N与矢量R之间的角度：

Δθ＝atan2(N_y，N_x)-atan2(R_y，R_x)

    ＝45°-0°

    ＝45°

将矢量N旋转Δθ，然后加上R₁，如下所示：

$\stackrel{\‾}{N}=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Δ\θ}& \sin \mathrm{\Δ\θ}\\ -\sin \mathrm{\Δ\θ}& \cos \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}15\\ 15\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}21.2\\ 0\end{array}\right)$

最后，将Δθ加上θ₂，如下所示：

θ＝θ+Δθ＝25°+45°＝70°

根据该测定，用户3现位于公用坐标系统9(1，0，0)中的(x，y，θ)＝(21.2，0，70°)，公用坐标系统9相对于第一参考点配置4和第二参考点配置6并且为所有用户3共用。当然，该初始化和对齐方法还可包括测定和计算，例如三维、四元数姿态表示、卡尔曼滤波器等。

这样，本发明的系统、方法和配置提供了一种在整个多个用户和个人用户3中建立公用坐标系统9的独特创新方法，所述每个用户均具有独特的个人导航系统2。本发明考虑了与已知的个人导航系统诸如INS(和其单独的部件)相关的所有内部偏移和误差，并且可经实施用于各种情况和环境中。例如，在一个优选的环境中，本发明尤其可用于建立跟踪封闭环境(诸如建筑或其類似環境)中的多个用户3的公用坐标系统9。因此，本发明提供了一种可初始化并将所有用户3设置到公用的可跟踪坐标系统上的系统、方法和配置。

虽然根据目前被视为最实用和优选的实施方案，出于说明的目的，详细地描述了本发明，但应当理解到，此详细内容仅出于所述目的，并且本发明不应限于所公开的实施方案，而相反地旨在涵盖所附权利要求书的精神和范围内的修改和等效配置。例如，应当理解到，本发明设想到，任何实施方案的一个或多个特征可尽可能地与任何其它实施方案的一个或多个特征结合。

Claims (20)

1.一种用于与用户相关的个人导航系统的初始化系统，其包括：

任意的第一参考点配置，其被裝配用于与所述用户的所述个人导航系统通信并且促进包括水平位置和方位角(x₁，y₁，θ₁)的第一用户数据集的生成；

任意的第二参考点配置，其被裝配用于与所述用户的所述个人导航系统通信并且促进包括水平位置和方位角(x₂，y₂，θ₂)的第二用户数据集的生成；和

至少一个控制装置，其被裝配为至少部分地根据所述第一用户数据集和所述第二用户数据集来确定公用坐标系统。

2.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述至少一个控制装置还被裝配为确定以下中的至少一个：所述第一参考点配置与所述第二参考点配置之间的至少一个矢量；至少两个矢量之间的至少一个角度；至少一个位置；至少一个方位；至少一个航向；或其任何组合。

3.根据权利要求1所述的初始化系统，还包括多个用户，每个所述用户均与各自的个人导航系统相关。

4.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述第一参考点配置和所述第二参考点配置形成于便携式结构的间隔位置中。

5.根据权利要求4所述的初始化系统，其中所述便携式结构为用于放置在地面上并且具有被裝配用于接触所述用户的上表面的细长垫。

6.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述第一参考点配置包括第一便携式结构，并且所述第二参考点配置包括第二便携式结构。

7.根据权利要求6所述的初始化系统，其中所述第一便携式结构和所述第二便携式结构每个均呈用于放置在所述地面上并且具有被裝配用于接触所述用户的上表面的垫的形式。

8.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述第一参考点配置和所述第二参考点配置中的至少一个呈用于放置在所述地面上并且具有被裝配用于接触所述用户的上表面的便携式结构的形式。

9.根据权利要求8所述的初始化系统，还包括位于所述便携式结构的上表面的至少一个指示物，其中所述指示物为以下中的至少一个：视觉标记、缺口、靴形视觉标记、靴形缺口或其任何组合。

10.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述第一参考点配置和所述第二参考点配置中的至少一个包括以下中的至少一个：至少一个射频配置、至少一个磁场配置、至少一个压力传感配置、至少一个声学配置、至少一个电气配置或其任何组合。

11.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述第一参考点配置和所述第二参考点配置中的至少一个包括至少一块磁铁。

12.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述至少一个控制装置还被裝配为：

在所述第一和第二参考点配置上确定用户的接触位置；和

至少部分地根据所述确定的接触位置来确定所述包括水平位置和方位的所述第一和第二用户数据集。

13.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述第一参考点配置、所述第二参考点配置和所述至少一个控制装置中的至少一个被裝配为使至少一个指示动作发生，所述指示动作可在所述用户接触所述第一参考点配置和所述第二参考点配置时被感测。

14.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述指示动作为以下中的至少一个：声音指示、视觉指示、触觉指示、嗅觉指示或其任何组合。

15.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述个人导航系统为位于所述用户的脚上的惯性传感器模块，所述惯性传感器模块包括多个惯性传感器和通信装置。

16.根据权利要求1所述的初始化系统，其中所述至少一个控制装置为能够与以下中的至少一个通信的现场计算机：所述第一参考点配置、所述第二参考点配置、所述个人导航系统或其任何组合。

17.根据权利要求1所述的初始化系统，还包括位于所述用户身上并且能够与以下中的至少一个通信的个人通信装置：所述第一参考点配置、所述第二参考点配置、所述至少一个控制装置、所述个人导航系统或其任何组合。

18.一种用于安装于用户的靴子上的个人导航系统的初始化系统，其包括：

任意的第一参考点配置，其呈用于放置在表面上并且具有上表面的第一便携式垫的形式，其中当所述用户的靴子接触所述上表面时，所述第一参考点配置被裝配为：与所述用户的所述个人导航系统通信；并且促进包括水平位置和方位角(x₁，y₁，θ₁)的第一用户数据集的生成；

任意的第二参考点配置，其呈用于放置在表面上并且具有上表面的第二便携式垫的形式，其中当所述用户的所述靴子接触所述上表面时，所述第二参考点配置被裝配为：与所述用户的所述个人导航系统通信；并且促进包括水平位置和方位角(x₂，y₂，θ₂)的第二用户数据集的生成；和

至少一个控制装置，其被裝配为至少部分地根据所述第一用户数据集和所述第二用户数据集来确定公用坐标系统。

19.根据权利要求18所述的初始化系统，其中所述至少一个控制装置还被裝配为确定以下中的至少一个：所述第一参考点配置与所述第二参考点配置之间的至少一个矢量；至少两个矢量之间的至少一个角度；至少一个位置；至少一个方位；至少一个航向；或其任何组合。

20.一种用于与用户相关的个人导航系统的初始化方法，其包括：

当任意的第一参考点配置接触所述用户时，与所述用户的所述个人导航系统通信并且生成包括水平位置和方位角(x₁，y₁，θ₁)的第一用户数据集；

当任意的第二参考点配置接触所述用户时，与所述用户的所述个人导航系统通信并且生成包括水平位置和方位角(x₂，y₂，θ₂)的第二用户数据集；并且

至少部分地根据所述第一用户数据集和所述第二用户数据集来确定公用坐标系统。

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