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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Ortskoordinaten des Aufenthaltsortes eines Lebewesens, insbesondere
eines Menschen oder eines Tieres. Die Erfindung betrifft zudem ein
System zur Umsetzung des Verfahrens.
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Heutzutage
sind mobile insbesondere Satelliten gestützte Navigationsgeräte nicht
nur im Automobilbereich bekannt. Diese sind mittlerweile so handlich,
dass sie von Personen mitgeführt
werden und jederzeit den momentanen Aufenthaltsort auf einer der
implementierten Karten anzeigen. Selbst Mobiltelefone werden schon
mit einem Navigationsmodul ausgestattet und ermöglichen die Anzeige des Aufenthaltsortes,
wobei die Kartendaten aktuell aus dem Netz geladen werden.
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Problematisch
an den bekannten personengebundenen Navigationsgeräten ist
jedoch, dass sie die Position nur bestimmen können, wenn sie ein entsprechendes
Signal empfangen. Befinden sich die Geräte in einer Abdeckung, beispielsweise
in einem Gebäude,
setzt die Navigation zumindest kurzzeitig aus. In Kraftfahrzeugen
eingebaute Navigationsgeräte
kompensieren dieses Problem mittels verschiedener Korrekturfunktionen.
Sie koppeln insbesondere den zurückgelegten
Weg mit, indem sie ihre fortlaufende Position anhand gemessener
Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berechnen. Zudem bedienen
sie sich der Korrektur durch sogenanntes „Mapmatching”, bei dem
der errechnete Ort, der möglicherweise
gerade in einem Fluss zu liegen scheint, anhand von Plausibilitätserwägungen auf
eine in der Karte vorhandene Straße neben dem Fluss projiziert wird.
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Ohne
eine solche Korrektur könnte
ein Navigationsgerät
ohne Empfang von Signalen den aktuellen Standort nur durch Extrapolation
der letzten Bewegungsdaten vor dem Verlassen der zuletzt bekannten
Position bestimmen. Eine solche Ortsbestimmung ist aber schon nach
der nächsten
Abbiegung wertlos.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr zunächst darin,
ein mit einfachen Mitteln kostengünstig umzusetzendes Verfahren
vorzuschlagen, das eine genaue Positionsbestimmung eines mit Muskeln
und Nerven ausgestatteten Lebewesens ermöglicht, wobei dieses ein Gerät zur Erfassung
von Signalen mitführt,
die für
die Positionsbestimmung herangezogen werden. Zudem ist es die Aufgabe
der Erfindung, ein System zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
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Der
wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt darin, im Zusammenhang
mit einer Bewegung des Lebewesens von dessen Körper erzeugte Körpersignale
zu registrieren und damit eine Koppelnavigation in Bezug auf einen
definierten Bezugspunkt durchzuführen.
Erfindungsgemäß werden dazu
zunächst
die Ortskoordinaten des Bezugspunktes vorgegeben, von denen dann
im nachfolgenden Verfahren ausgegangen wird. Die im Zusammenhang
mit der Bewegung und/oder Beschleunigung vom Körper erzeugten Körpersignale
werden mit mindestens einem Sensor aufgenommen, mit dem das Lebewesen
ausgestattet ist. Solche Sensoren werden vorteilhafterweise auf
die Haut, die den entsprechenden Muskel bedeckt, aufgebracht und
können
dort die unter der Haut durch Muskeln oder Nerven erzeugten Strompulse
beispielsweise durch eine induktive Ableitung messen. Auch die unmittelbare Ankopplung
der Sensoren an die Muskeln oder Nennen ist möglich. Es kann auch vorteilhaft
sein, Nervensignale zu detektieren, die Muskeln zur Fortbewegung
ansteuern. Zudem können
taktile und andere Nervensignale registriert werden, anhand derer sich
Beschleunigungen und Richtungen ableiten lassen. Taktile Nervensignale
können
bei Druck auf die Fingerkuppen oder die Fusssohlen ausgelöst werden.
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Aus
den so registrierten Körpersignalen
wird dann ein Bewegungspfad errechnet, wobei mittels des Bewegungspfades
der Aufenthaltsort in Bezug auf die Ortskoordinaten des definierten
Bezugspunktes bestimmt und auf einem Endgerät ausgegeben wird. Erfindungsgemäß wird somit
der Bewegungsablauf des Lebewesens anhand repräsentativer Körpersignale
bestimmt. So wird, ähnlich
wie bei einem Kraftfahrzeug und den darin vorgesehenen Geschwindigkeits-
und Beschleunigungssensoren, eine Koppelnavigation bei einem Lebewesen
ermöglicht. Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann somit eine Positionsbestimmung auch dann durchgeführt werden,
auch wenn die Signale der Navigationssysteme nicht oder nicht mehr
verfügbar
sind. Dabei funktioniert das Verfahren in allen drei Dimensionen des
Raumes, isnbesondere auch bei einer Höhenänderung, wo die meisten Navigationssysteme
Schwierigkeiten haben.
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Erfindungsgemäß kann bei
der Positionsbestimmung der anhand der Körpersignale berechnete Bewegungspfad
als Korrekturfunktion für
ein von dem Lebewesen, insbesondere der Person, unmittelbar mitgeführtes mobiles
Navigationsgerät
eingesetzt werden. Ähnlich
wie beim Kraftfahrzeug wird in diesem Fall eine ermittelte Position,
die als „variabler” Bezugspunkt
dient, anhand des Bewegungspfades korrigiert oder ergänzt. Die
Ortskoordinaten des zugrunde zu legenden variablen Bezugspunktes
werden dann vom letzten vom Navigationssystem errechneten Ort entnommen.
Dieser kann, insbesondere anhand von Sattelitensignalen oder Funksignalen ermittelt
werden. Der aus den Körpersignalen
ermittelte Bewegungspfad des Lebewesens kann dann als Koppelstrecke
im Rahmen einer Koppelnavigation ausgehend von dem zuletzt bestimmten
Bezugspunkt dienen. Zudem können
die ermittelten variablen Bezugspunkte mit den sich aus dem Bewegungspfad
ergebenden Positionen im Hinblick auf eine Korrektur abgeglichen
werden.
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Dabei
sei an dieser Stelle angemerkt, dass Navigationsgeräte, die
sich solcher externen Satteliten- oder Funksignale bedienen, nachfolgend
verallgemeinernd einfach als GPS Navigationsgeräte bezeichnet werden.
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Es
ist auch denkbar, von einem festen Bezugspunkt auszugehen, bezüglich dem
sich das Lebewesen bewegt. Dazu wird das Lebewesen mit mehreren
Sensoren ausgestattet, wobei die Körpersignale zur Weiterverarbeitung
an eine zentrale Einrichtung gesendet werden. Mit dieser Ausführungsform
lässt sich
ein „Tracking” bezüglich des
festen Bezugspunktes realisieren, das sich insbesondere für die Verfolgung
des Aufenthaltsortes eines Tieres im Verhältnis zum festen Bezugspunkt
von zentraler Stelle aus eignet.
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Ein
Beispiel für
eine solche Ausführungsform könnte so
aussehen, dass die Hauskatze mit Sensoren zur Detektion von Körpersignalen
ausgestattet wird und die aufgenommenen Signale an eine zentrale
Station im Hause gesendet werden. Von dieser Station, die auch als
Bezugspunkt herhalten kann, wird dann der aktuelle Aufenthaltsort
der Hauskatze ermittelt und an den Katzenbesitzer ausgegeben.
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Von
jedem Sensor werden die registrierten Signale und/oder der ausgewerteten
Daten an ein Endgerät übermittelt.
Dieses kann im Falle der Ausführungsform
mit variablem Bezugspunkt das GPS Navigationsgerät sein. Im Falle der Ausführungsform mit
festem Bezugspunkt können
die Signale oder Daten per Funk an eine zentrale Recheneinheit übermittelt
werden, wo dann die Berechnung des Bewegungspfades geschieht. In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Körpersignale
vor der Übertragung
an das Endgerät
in einer dem Sensor zugeordneten Recheneinheit zu aussagekräftigen Daten
vorverarbeitet. Durch die Vorverarbeitung müssen weniger Daten an das Endgerät übertragen werden,
wodurch an die Übertragungsmittel
und/oder das Endgerät
geringe Anforderung zu stellen sind.
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Auch
kann die Zwischenspeicherung der zu übertragenden Daten vorgesehen
werden. Ist nämlich
die Übertragung
unterbrochen oder gestört,
können
nach Wiederherstellung der Verbindung mit dem Endgerät die ansonsten
verlorenen Daten erneut gesendet werden, wodurch die Funktion des
Navigationsgeräts
auch in für
die Übertragungsmittel
störanfälliger Umgebung
gewährleistet
werden kann.
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Die
Variante mit festem Bezugspunkt kann auch insofern durch ein GPS
Navigationssystem unterstützt
werden, als an dem Lebewesen zusätzlich zu
den Sensoren ein mobiles Navigationsgerät angebracht wird, dessen Positionsbestimmung
um den aus den Körpersignalen
ermittelte Bewegungspfad ergänzt
wird. Im Beispiel der Hauskatze würde diese zusätzlich mit
einem GPS Empfänger
ausgestattet, der, wenn die Katze das Haus verlässt, Satellitensignale empfängt. Anhand
dieser Bestimmung der „wahren” Position
würde dann
die bis dahin erfolgte Koppelnavigation korrigiert. Eine solche
Kombination ist sicherlich von Vorteil, da die Kopplung anhand der Körpersignale über längere Zeit
zu Fehlern führen wird.
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In
jedem Fall spielen die im Zusammenhang mit den Bewegungen oder Empfindungen
der Lebewesen erzeugten Signale, die mittels Sensoren aufgenommen
werden, eine zentrale Rolle bei der Erfindung. Diese zu registrierenden
Signale können
von Muskeln oder Nerven im Körper
des Lebewesens erzeugt werden. Somit sind entsprechende Sensoren vorzusehen,
die für
derartige Signale empfindlich sind. Mittels der erfindungsgemäßen Sensoren
werden dabei Impulse detektiert, die während einer Bewegung des Körpers die
Nerven und/oder die Muskeln durchlaufen. So kann eine vom Körper ausgeführte Bewegung
durch Nervenimpulse ausgelöst werden,
die eine entsprechende ebenfalls messbare Muskelkontraktion zur
Folge haben kann. Ein Abklingen der Nervenimpulse kann entsprechend
zu einer ebenfalls messbaren Muskelrelaxation führen. Aus der Detektion solcher
für eine
Bewegung des Körpers erforderlichen
oder durch die Bewegung erzeugten körpereigenen Signale lassen
sich somit Rückschlüsse auf
seine Fortbewegung ziehen, die erfindungsgemäß für die Berechnung des Bewegungspfades
eingesetzt werden.
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Wenn
durch Sensoren beispielsweise die Bewegung eines Beins detektiert
wird, kann anhand der Anzahl und Größe der gemachten Schritte die Länge des
zurückgelegten
Weges berechnet werden. Auch eine vertikale Bewegung des Körpers, beispielsweise
in einem Aufzug, wäre
anhand der den vertikalen Beschleunigungskräften entgegenwirkenden Muskelanspannungen
oder Muskelentlastungen detektierbar. Vorzugsweise werden zur Erfassung der
Bewegung die Signale mehrerer Nerven und/oder mehrerer Muskeln gleichzeitig
aufgenommen. Durch die Erfassung mehrerer unterschiedlicher Parameter
der Körperbewegung
kann die Positionsänderung
im Raum noch besser aufgelöst werden.
Ist beispielsweise der Anstellwinkel des Kniegelenks während eines
Schrittes bestimmbar, lassen sich hieraus Rückschlüsse auf das Benutzen einer Treppe
ziehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind auch Sensoren vorgesehen, die insbesondere im tierischen Körper implantiert
sind. Auf diese Weise bleibt seine Position innerhalb des Körpers immer gleich,
so dass ein vom Sensor detektiertes Signal besser dem zugeordneten
Nerv oder Muskel zugeordnet werden kann. Ein Messfehler durch eine
falsche Positionierung des mindestens einen Sensors am Körper ist
somit ausgeschlossen. Zudem ist insbesondere bei Tieren durch einen
implantierten Sensor gewährleistet,
dass dieser nicht verloren geht.
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Um
die nicht durch den Körper
selbst hervorgerufenen Bewegungen, wie sie beispielsweise durch
Rollbänder
oder Rolltreppen bewirkt werden, besser detektieren zu können, ist
es vorteilhaft, wenn der Körper
mit Geschwindigkeits- und/oder
Beschleunigungssensoren versehen wird, wie sie aus den Kraftfahrzeugen
bekannt sind. Diese Sensoren werden vorteilhafterweise zusätzlich zu
den Sensoren zur Messung der Körpersignale
vorgesehen.
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Da
die von den Sensoren registrierten Signale bezüglich des jeweiligen Lebewesens
individuell sind, ist es von großem Vorteil, zunächst in
einer Kalibrierungsphase die von den Sensoren registrierten Signale
entsprechenden Bewegungen zuzuordnen. So kann die Position des Körpers im
Raum mit einer noch höheren
Genauigkeit bestimmt werden. Ist beispielsweise die Schrittlänge einer
Person bekannt, ist ihre Position nach einer bestimmten Anzahl von Schritten
weitaus exakter bestimmbar, als wenn für die Schrittlänge ein
Durchschnittswert angesetzt werden müsste.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert:
Die Figur zeigt
Teile einer unteren Extremität 1 eines Menschen
in Form eines über
ein Kniegelenk 2 mit einem Unterschenkel 3 verbundenen
Oberschenkels 4. Auf den Oberschenkel 4 ist ein
Sensor 5a aufgebracht, der Impulse innerhalb der Oberschenkel-Muskulatur
detektiert. Am Unterschenkel 3 ist ein weiterer Sensor 5b zur
Detektion von Impulsen der Unterschenkel-Muskulatur vorgesehen.
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In
beide Sensoren 5a, 5b ist ein Funkchip integriert,
der mittels drahtloser Kommunikation mit einem Navigationsgerät 6 in
Verbindung steht. Eine solche Kommunikation kann auch mittels „Body Area Network” (BAN),
einer speziellen Übertragungstechnologie
in der Telemedizin, geschehen. Bei dieser Technologie wird das kapazitive
Nahfeld der Haut verwendet. Das in der Figur gezeigte Navigationsgerät 6 besteht
aus einem handelsüblichen
Mobiltelefon mit GPS-Empfänger, der
eine Schnittstelle zum Empfang der Daten der Sensoren 5a, 5b umfasst.
Auf dem Display 7 des Mobiltelefons 6 wird der
ausgewertete Standort ausgegeben. Vorzugsweise weist das Endgerät auch eine
Speichereinheit auf, mittels welcher der zurückgelegte Weg aufgezeichnet
werden kann.