CN100407236C - 推断环境的电子透视图的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于推断环境(110)的电子透视图(170)的系统和方法包括多个装置(341和345)和一个处理装置。每个装置能够确定邻近无线装置之间的距离。此外，每个装置能够执行以下至少一种：确定环境的环境属性和确定一个目标在环境中的位置。处理装置收集由上述的多个装置所确定的信息并基于收集的信息推断环境的电子透视图。

Description

推断环境的电子透视图的系统和方法

相关申请的参考

本申请涉及Johnson等人(代理人案卷号CM05177G)在2002年5月14日提交的美国申请号为10/145,253、名称为“使用可定位装置推断一种环境的一组特征的系统和方法”，该申请与本申请共同由Motorala公司拥有。

发明领域

本发明主要涉及一种推断环境的电子透视图的系统和方法。

发明背景

在领域中众所周知的定位系统已经达到了先进水平，在建筑物和其他封闭的区域中精确定位覆盖区已经变成现实。扩频和超宽频带(“UWB”)技术在定时精确度方面提供了显著的改善，并且已经出现了分布系统来解决覆盖区问题，并且出现了便携惯性导航系统(“PINS”)解决短期稳定性和覆盖区的缺口。

建筑内的定位系统使用情况通常可以结合用于定位系统的预先安装的基础设施和详细的建筑物平面图来想象，其中平面图允许把定位信息与建筑物或事件周围地区的布局联系起来。但是，在现实世界的情况中有许多信息是无法获得的。例如消防队员、警察、军人经常被要求在初次接触时不知道特征的环境中工作。在一些市区中可以建立包括建筑楼层平面图的数据库，但是楼层平面图会频繁改变，并且许多事件发生在比较旧以及废弃的建筑物中，对于这些建筑物就无法获得数据。对外国的军事操作通常要求在不知道这些数据或数据掌握在敌人手里的环境中工作。

该公开尤其会对紧急行动起作用，例如消防，以后的能量短缺，浓烟，和其他可见度降低到几英寸的情况。事件发展的描述，诸如危险材料的危险识别，闪络和倒转情况的预报，营救工作以及逃跑通路的设计都需要获得拓扑的知识和事件周围地区的状态。拓扑信息的先验集合，例如楼层平面图，通常不切实际；情况信息的先验集合，例如障碍或不能通过的通路，建筑毁坏，环境温度，敌人的存在，危险材料的存在或化学或生物武器的使用，也是无法定义的。

因此，需要一种动态构造一个给定区域的电子透视图的方法，该方法允许用户确定它们相对于目标或其他用户的位置，以及给定区域的特征/属性。

附图的简要描述

现在参照附图通过一个例子描述本发明的一个优选实施例。

图1是经过根据本发明的外部电子绘制的办公楼的示意性说明；

图2是一个办公楼的示意性说明，配备有无线通信装置的消防员正在楼上来回走动，这些装置可以编译信息以根据本发明产生走过的所有通道的透视图。

图3是一个办公楼的内部楼层平面图，其中设置有许多无线通信装置，这些装置可以根据本发明确定建筑物的物理特征；

图4是一个办公楼的内部楼层平面图，其中设置有许多无线通信装置，这些装置可以根据本发明确定建筑物的环境特征；以及

图5根据本发明的无线通信系统的操作的流程图。

优选实施例的详细描述

本发明可以以多种不同形式实施，在图中示出并且将在此详细描述具体的实施例，应该理解，本公开应看作是本发明的原理的实例而并不意味着把本发明限定到所示并描述的具体实施例。另外，在此使用的术语和词语不应看作是限制性的，而只是说明性的。在下面的描述中，类似的参考数字用于表示附图的几个视图中相同、类似或相应的部分。

本发明可以在许多地方应用，火场操作的情况，尤其是在建筑物内的火场操作情况，目前发展得最好。同样，在此主要使用这些现场作为例子。这样做只是为了清楚和连贯，而并不意味着本发明在使用上的任何相应的限制，本发明同样可以应用到大量无关的应用中。

现在参照图1，描述了一种为一个特别定位系统提供有意义的地面参考的方法。在建筑物110周围使用参考位置150、152和154。参考位置150、152和154可以包括定位系统的基础设施的一部分，或者可以简单地用作参考物，例如用来初始化便携惯性导航系统装置的速度模型。虽然在该例子中示出了三个参考应置，但是可以根据定位系统技术和建筑来改变定位所需要的参考位置的数量。在现有技术中，参考位置150、152和154可以是以地面为参照物(例如，通过确定它们的地心纬度和经度)，例如通过使用全球定位系统定位装置，地面参照物可以对建筑物原先存在的以地面为参照物的地图提供一个参考物。但是，在许多情况中，建筑物的精确地面参照物位置或地面参照物地图或楼层平面图是无法获得的。

火场情况中，对于相关的指挥员(“IC”)100或其他个人来说，很典型地，在布置内部作业之前需要观察建筑物110的外部。在图1中，假定IC100携带一个能够提供相对于参考位置150、152和154的位置的定位装置。这可以使用本领域中的已知技术来实现，包括但是不限制于测距，到达的角度、到达的时间差、接收信号强度，惯性导航或它们的组合。该装置可以配备有一个允许IC100开始或记录位置估计的手动控制。通过在建筑物110的拐角111、112、113、114、115和116启动该控制以便一个集中系统能够记录这些位置，IC 100可以通过把相应于拐角111、112、113、114、115和116的位置估计171、171、173、174、175和176连接起来在显示器160上显示所得到的建筑物110的轮廓170图。因为IC的位置100相对于参考位置150、152和154已知，因此建筑物110的轮廓170相对于参考位置150、152和154也就已知并且可以用作其他位置相对于参考位置150、152和154的参考。需要说明的是，根据本发明，并不需要参考位置150、152和154的位置特征显示；它们仅对其他位置提供公共参考。

现在参照图2，描述了一种进一步改进的绘制方案。一个第一用户沿着通道240进入建筑物(在该图中代表区域270的楼层平面图)，通过门280发现并进入房间272，在对面发现门281，并且最后到达定位点241。一个第二用户沿着通道242进入建筑物，向上走并绕过房间274，并最终到达定位点243。一个第三用户沿着通道244进入建筑物并且立刻左转，到达定位点245。一个第四用户沿着通道246进入建筑物并打算折回通道240，但是发现过道不能通过了；沿着通道246行走的第四用户绕过房间272，发现了门282，并出了建筑物，最后到达定位点247。

由于可见度很低，这些用户经常就迷失方向，不知道他们的相对和绝对位置。当建筑危险、个人健康或缺少空气需要疏散时，疏散结果通常会失败。本发明的优选实施例假定每个用户配备有一个类似于IC100所使用的定位设备。同样，它们的位置可以在显示器160上追踪，如前所述显示器上可以画出建筑物的轮廓170。在当前的定位系统领域中，IC100要注意受影响的用户的定位点243在所有通道240、242、244和246开始的主入口附近；但是IC100或在定位点243的第二用户都不能保证从位置243到主入口283存在一条直接的出口通道。

根据本发明，显示器160不仅可以选择性地指出用户的定位点241、243、245和247，并且可以选择性地指出代表这些用户的通道240、242、244和246的位置历史。应该注意，通道244从主入口283直接通向非常接近第二用户定位点243的一个点，IC100可以推定在定位点243和主入口283之间有一条直接通道。在现实生活的情况中，通道可能经常交迭，为了清楚，图2尝试最小化通道间的交迭，从而给予IC100更大的确定性，那就是在点243和最短的出口通道244之间没有障碍。

在图2的右边更明确地说明了这种改进。在这种情况中，在定位点241的第一用户是一个需要疏散的用户。在当前的定位系统领域中，由于只显示了点241、243、245和247，IC 100可以典型地引导定位点241的第一用户经过门283进行疏散而不需要其他的帮助。这样直到用户通过出口通道；如果那个用户没有迷失方向并且记得他的入口通道，通过门280的出口并反向穿过入口通道看起来是最好的选择。但是，本发明所获取的通道246的历史数据指出第四用户(现在在定位点247)在后来打算使用该通路并发现它不能通过；就预先指出必须使用的候选出口通道。注意，通道246接近门280附近的通道240，IC现在不仅可以把定应点241的第一用户引到一个候选通道，而且可以清楚地推断出候选通道的存在，该通道是当前在定位点247的第四用户所使用的通过门282的通道，代表了一条甚至比受影响的用户的入口通路更短的出口通路。

尽管为了清楚，前面的例子都过于简化并且假定IC可以手动解释数据，但是对于本领域人员来说很清楚，现实情况可以提供更多的数据，并且通道的相互关系以及障碍的推断也可以以软件自动化到很大程度。

本发明进一步的增加是在定位之外结合一个附加的感应性能。图3描述了图像装置的使用，如在Callaway等人(代理人案卷号CM03372J)于2001年4月20日提交的美国申请号为09/845,467、名称为“内部皮可网定位确定和层析X射线摄影法”，该申请与本申请共同由Motorala公司拥有，该在先申请的公开有同样的效果并通过逐字逐句参考结合于此，如同在此全部完整的阐述一样。

在该优选实施例中，采用了大量装置(在图3中由黑点代表)。经下面技术的一个把多个装置布置到该环境中：用一个发射装置把这些装置发射到该环境中，用软管把这些装置洒到该环境中，在给定区域来回移动把这些装置卸到该环境中，以及在高空把这些装置扔到该环境中。在知道位置之外，这些装置还能够表征传播环境。本领域技术人员应该认识到，采用这些技术的这个列表并不是完全的。虽然一个单独的装置可以通过检测它自己信号的图像理论地表征本地传播环境，但是优选的实施例在一个发射装置和一个接收装置之间测量传播特性。上面参考的申请号为US09/845,467的专利申请描述了这两个装置如何估计它们之间的距离并基于它们的距离和测量的传播结果产生相对于这些装置的检测障碍物的模型；虽然，本发明进一步可以能使进行传播测量的两个或更多装置组根据它们相对于参考装置的位置传送它们的结果给该环境的一个集中或分布模型。例如，可以看出，装置组345可以表征黑暗的障碍物344，这些障碍物是房间274的墙的部分以及建筑物的外墙。类似地，装置组341可以表征黑暗的障碍物342，这些障碍物是房间272和276的墙的部分。当这些信息对那些组中的装置的用户有用时，本发明考虑更多改进，通过把这些装置的相对位置映射到公共参考上，从而把它们的值用到其他用户。对于本领域技术人员，应该认识到使用从装置345和341得到的层析结果，加上使这变得可能的所有小装置，可以相对于建立的建筑物轮廓170，构造房间272、274和276的图像372，374和376并同样把它们并入到如显示器160上所示的该环境的相关地图中。这用来防止碰撞到附近的障碍物。

对于本领域技术人员来说很明显，在目标区域的特点不会显著改变的时间间隔期间，只要这些装置在目标区域占据统计学上有效数量的位置，前面描述的多个传播检测装置就可以通过一个检测它自己信号的反射图像的单独装置，或者通过至少两个接收彼此信号图像的装置来实现。

现在参照图4，描述了该系统进一步的扩展，其中其他的环境参数结合到该系统数据库中。为了简单，使用温度作为相关环境参数的例子，因为它的简单和易于表示。图4描述了如上所述的同样突击情况，但是有周期性的温度读数，这些读数由490系列所标注的那些条代表。温度读数与进行读数时感测器所处的位置有关，可以表示来自不同感测器或同一检测器在不同时间的结果。越长的条代表越高的温度。

沿着房间274的东北墙，可以看到，相应于位置估计452、454和458的读数指示的温度读数492、494和498比来自区域270的其他装置的温度要高，这些温度指示热源的位置接近房间274的东北拐角，由显示器160上的透视图374表示。进一步对该估计的支持来自温度读数491，该读数来自位于房间374内的位置451的装置并且表示在区域270中的所有感测装置的最高温度。基于相关的位置数据和图像数据合理地推断出，热源在房间274的东北角附近。此外，在分别大致晚于温度读数482、495的时间得到的温度读数497、498和499，其中温度读数482、495大致在同样的位置但是在较早的时间的得到的。较早的温度读数482、495和较晚的温度读数497、498和499可以分别用于推断大火前进的速率和方向。

虽然为了清楚，该例子描述了本发明，以及以启发式手动处理形式的结果解释，但是对于本领域技术人员来说很清楚，可以应用本领域已知的任意数量的数值和算法技术来部分或全部自动化解释而不有损于本发明。进一步，由在此描述的位置相关技术所获得的测量并不限于前面描述的图像和温度数据，而可以包括如下数据：危险材料，爆炸，挥发，标记化工品，或其他化学数据的检测；湿度，气压，氧气、一氧化碳、二氧化碳、氡的水平，和其他大气数据的测量；空气中氧气、一氧化碳、二氧化碳、氡和其他气体的水平；特殊材料的检测(例如，铁，金属，或要等)；机械振动、地震扰动、主动开始的声响活动数据和其他动作的测量；指示牺牲者或敌人的外部重大迹象的检测；电磁或声信号的检测或解释；相关用户的重大迹象和设备状态的读数(例如，与出口通路相关的剩余存活时间或识别其他设备所没有检测到的应力引入环境结果的区域)；和其他在此太多而没有进一步提到的数据。

现在参照图5，流程图说明了在步骤500所建立的网络内本发明的操作，该网络包括诸如由IC100或其他走在通道240、242、244和246的用户携带的定位/感测装置和在该场面采用的任何其他装置，以及与显示器160相关的单元，一个集中数据库和与该数据库相关的中央处理单元。这些功能可以是分布式的或者组合在一个单独装置上。

在优选实施例中，一旦无线通信装置确定它们相对于参考位置150、152、154的位置，就可以确定一组环境特征，例如在环境中目标或障碍物的存在和/或位置。一旦相对于便携装置识别出目标，并且便携装置的位置已知，一个中心处理器产生在环境中目标的透视图(即，草图，地图等)；由于发射和接收装置已知，因此目标的反射信号的距离、位置就可以估计，其中在所述距离中目标正在反射信号。为了清楚，透视图在此描述为结果的图形显示；但是，实际的透视图包括在环境中目标或环境情况的综合以及估计的目标位置或环境情况。透视图可以以各种形式表示，只要它包括与位置估计相关的环境有关的信息。

类似地，无线装置确定环境的一组参数，在该环境中采用这些装置506。优选地，每个无线通信装置配置有至少一个感测器。所使用的感测器的类型取决于给定的应用。例如，在火场情况下，感测器可以测量温度，水分，毒素，湿度，动作等等。一旦感测器从环境中收集到它的数据(例如，热点或危险区域的位置等)，它就把数据直接或间接发射到集中数据库。

可以访问集中数据库的中心处理单元收集从多个装置接收的各种信息(例如，装置502的位置，环境504的特征，环境506的属性)508。中心处理单元利用现有技术中已知的相对位置/距离技术和映射算法，在显示器160上产生环境的透视图并且在透视图上绘制各种信息。一旦各种信息被组合，就可以在显示器160上绘制具有各种信息的环境透视图，该显示器可以包括一个监视器，翻盖显示器，个人数字助理，等等。

中心处理单元继续从其他装置收集各种信息并且由此更新环境的透视图512直到操作终止。

已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，对于本领域技术人员来说，另外的优点和修改也很容易想到。本发明，在它的更宽方面，并不限制于表示及描述的具体细节，代表性的设备，或说明性例子。根据前面的描述，各种替换、修改和变化对于本领域技术人员来说都是显而易见的。因此，应该理解，本发明并不受前面描述的限制，而包含根据附加的权利要求的所有替换、修改或改变。

Claims (9)

1.一种用于推断环境的电子透视图的系统，其包括：

多个设备，其位置可以估计，并且其中每个设备能够执行以下至少一种：确定所述环境的环境参数，和估计除了所述多个设备外的目标在所述环境中的位置；和

处理设备，其中所述处理设备收集由所述多个设备所确定的信息，其中所述收集的信息包括至少一个设备在所述环境中的估计位置，并基于所收集的信息推断所述环境的电子透视图。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述处理设备基于从所述多个设备收集的信息推断有关所述环境的一组特征。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述处理设备在下面至少一种显示器上显示所述电子透视图：仰视显示器，监视器，个人数字助理，和手持设备。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述环境的环境参数基于以下至少一个：温度，水分，气体，火，碳氢化合物，湿度，病毒，和运动。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述多个设备中的至少两个形成至少一个网络。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述多个设备的至少一个子集是经以下的技术之一部署到环境中的：用发射设备把这些设备射到所述环境中，用软管把这些设备洒到所述环境中，在横穿给定区域时把这些设备卸到所述环境中，以及从高空把这些设备扔到所述环境中。

7.如权利要求1所述的系统，其中至少一个设备周期性地确定它自己和至少一个邻近设备之间的距离，并且周期性地确定以下至少一个：所述环境的环境参数和目标在所述环境中的估计位置。

8.一种用于推断环境的电子透视图的方法，其包括

在环境中部署多个设备，其中所述设备中的至少一些能够确定到邻近设备的距离，并且每个设备能够执行以下功能中的至少一种：确定所述环境的环境参数，和估计除了所述多个设备之外的目标在所述环境中的位置；和

基于目标在所述环境中的至少一个估计位置来推断所述环境的电子透视图。

9.如权利要求8所述的方法，其进一步包括如下步骤：基于以下至少一个信息推断所述环境的一组特征：所述环境的至少一个环境参数，和目标在所述环境中的至少一个估计位置。

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