DE112009001766T5

DE112009001766T5 - Systeme zur Erfassung und Analyse von Orts- und Wegeplan-Erzeugungsdaten

Info

Publication number: DE112009001766T5
Application number: DE112009001766T
Authority: DE
Inventors: Yang Mass. Zhao; Jin Mass. Liang
Original assignee: Memsic Inc
Current assignee: Memsic Inc
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: US20100017124A1; DE112009001766B4; WO2010009104A1; JP5383801B2; WO2010009104A8; KR101320035B1; JP2011528438A; KR20110084870A; US8577595B2

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen von Orts- und Wegekartendaten zum Anzeigen einer Orts- und Wegekarte, wobei die Vorrichtung aufweist: einen ersten Satz von Sensoren zum Erzeugen mehrerer erster Datensignale bezüglich einer Lage eines Gegenstandes; einen zweiten Satz von Sensoren zum Erzeugen mehrerer zweiter Datensignale bezüglich der Lage des Gegenstandes; eine Bildgebungsvorrichtung zum Erzeugen mehrerer dritter Datensignale, die ein signifikantestes Merkmal enthalten, welches in wenigstens zwei Bildern der Bildgebungsvorrichtung vorhanden ist; wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um eine Zielrichtung (Peilung) der Vorrichtung unter Verwendung der mehreren ersten Datensignale und der mehreren zweiten Datensignale zu berechnen, eine zurückgelegte Strecke entlang der Zielrichtung unter Verwendung der mehreren dritten Datensignale zu berechnen und die berechnete Zielrichtung und die berechnete zurückgelegte Strecke in eine Etappe oder einen Teil einer Etappe einer Wegekarte zur visuellen Anzeige auf einem zwei- oder dreidimensionalen System umzuwandeln.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Nicht zutreffend

STELLUNGNAHME BEZÜGLICH
STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG

Nicht zutreffend

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Orts- und Verfolgungs/Wege-Kartierungssysteme, und insbesondere Systeme zur Erfassung und Analyse von Orts- und Wegeplan-Erzeugungsdaten, die genaue, sofortige Positionsinformationen und zurückgelegte Wegedaten bereitstellen, ohne sich auf Weltraumsatelliten mit direkter Sicht (Line-of-sight) zu stützen.
Herkömmliche Positionskartierungs- und Wegekartierungssysteme von Fahrzeugen enthalten einen ersten Satz von Messvorrichtungen („Sensoren”) und einen zweiten Satz von Trägheitssensoren oder Fahrzeugbahnverfolgungssensoren. Der erste Satz von Sensoren ist ausgebildet, um Fahrzeugleistungsdaten aufzuzeichnen, während der zweite Satz von Trägheitssensoren ausgebildet ist, um die Positionskoordinaten des Kraftfahrzeugs zu bestimmen. Die Fahrzeugleistungsparameter können eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs, eine Längsbeschleunigung des Fahrzeugs, eine Radgeschwindigkeit, eine Motordrehzahl (U/min), eine Drosselstellung und einen Lenkwinkel enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein. Der zweite Satz von Trägheitssensoren kann Bewegungssensoren und Beschleunigungsmesser enthalten, welche gemeinsam ausgebildet sind, um die Zielrichtung (Peilung) des Kraftfahrzeugs zu bestimmen. Die Fahrzeugleistungsdaten sind jedoch von wenig Nutzen, falls sie nicht zu einem genauen Ort, d. h. innerhalb etwa ±2–5 Fuß, des Kraftfahrzeugs in Beziehung gesetzt werden können.
Herkömmlicherweise werden Daten zur Bestimmung der Positionskoordinaten eines Kraftfahrzeugs durch das Global Positioning System („GPS”) oder ein entsprechendes System bereitgestellt. Um richtig zu arbeiten, muss der GPS-Empfänger jedoch in der Lage sein, Signale von wenigstens drei der 24 Satelliten einzufangen, um eine zweidimensionale Position, d. h. Längen- und Breitengrad, zu berechnen und weiter die Bewegung zu verfolgen. Falls eine dreidimensionale Position oder Lage erforderlich ist, d. h. Länge, Breite und Höhe, müssen Signale von wenigstens vier Satelliten empfangbar sein.
Eine mittlere Positionsgenauigkeit für GPS-Empfänger beträgt nur etwa 15 Meter oder etwa 50 Fuß. Diese Genauigkeit kann jedoch durch atmosphärische Bedingungen und andere Faktoren beeinflusst werden. Zum Beispiel können GPS-Signale an manchen städtischen Plätzen wegen der Größe oder Dichte von nahen Bauten und in manchen ländlichen Gegenden wegen stark bedeckten Himmels und bergiger Gegend abgelehnt oder gestört werden. GPS-Signale können auch abgelehnt oder gestört werden, wenn der Empfänger in einer Wohnung, einem Tunnel, einer Schlucht, einer Höhle, usw. positioniert ist. Als Ergebnis sind GPS-basierte Orts- und Wegekartierungssysteme in ihrem Nutzen und ihrer Genauigkeit begrenzt.
Die Entwicklung von Bewegungsmessvorrichtungen, z. B. die Bewegung messenden Beschleunigungsmessern, Gravitationsbeschleunigungsmessern, Gyroskopen und dergleichen und ihre Integration in kleine, tragbare Geräte wurden von anderen vorgeschlagen, um Eingangssignaldaten zu erzeugen. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 7,138,979 von Robin et al. Verfahren und Systeme zum Erzeugen von Eingangssignalen basierend auf der zweidimensionalen Ausrichtung des tragbaren Geräts. Robin offenbart die Verwendung von Kameras, Gyroskopen und/oder Beschleunigungsmessern, um Veränderungen in der räumlichen Ausrichtung des Geräts zu erfassen und weiter Positionssignale zu erzeugen, die diese Veränderung anzeigen.
Es wäre deshalb wünschenswert, ein terrestrisches Orts- und Wegekarten-Erzeugungssystem vorzusehen, das nicht auf der Erfassung von Signalen von mehreren Satelliten beruht, um die vorgenannten Nutzungseinschränkungen zu vermeiden. Es wäre weiter wünschenswert, ein Orts- und Wegekarten-Erzeugungssystem vorzusehen, das einen Genauigkeitsgrad von etwa ±2–5 Fuß besitzt.
Wünschenswerte Anwendungen des Orts- und Wegekarten-Erzeugungssystems enthalten die Möglichkeit, die Marschrichtung von kleinen montierten oder ausgebauten Einheiten in allen Geländen und Umgebungen (Tag oder Nacht) zu überwachen; Ziele für kleine Einheiten in allen Geländen und Umgebungen zu identifizieren und zu bestimmen; Echtzeit-Orts- und Bilddaten an Nutzer der rangniedrigsten Plattform während der Bewegung zu übertragen oder rückzuübertragen; und genaue Wegekartendaten von unbemannten Systemen wie beispielsweise Drohnen, Flugkörpern, unbemannten Fahrzeugen, Robotern, usw. zu erzeugen.
Genaue Positions- und Wegekarteninformationen wären für Militär und Küstenwache, Feuerwehr, Polizei, Such- und Rettungsteams sowie Rettungsdienstpersonal hilfreich. Eine Freizeitnutzung, z. B. beim Jagen, Wandern, Bootfahren, Segeln, Paragliden, Fallschirmspringen, Abseilen, Klettern und dergleichen, würde ebenfalls von genauen Positionsinformationen und zurückgelegten Wegedaten profitieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Erzeugen von Orts- und Wegekartendaten zum Anzeigen einer Orts- und Wegekarte sind offenbart. Die Vorrichtung enthält einen ersten Satz von Sensoren zum Erzeugen mehrerer erster Datensignale bezüglich einer Lage eines Gegenstandes; einen zweiten Satz von Sensoren zum Erzeugen mehrerer zweiter Datensignale bezüglich der Lage des Gegenstandes; eine Bildgebungsvorrichtung zum Erzeugen mehrerer dritter Datensignale, welche ein signifikantestes Merkmal enthalten, welches in wenigstens zwei Bildern der Bildgebungsvorrichtung vorhanden ist; und wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um eine Zielrichtung (Peilung) der Vorrichtung unter Verwendung der mehreren ersten Datensignale und der mehreren zweiten Datensignale zu berechnen, eine entlang der Zielrichtung zurückgelegte Strecke unter Verwendung der mehreren dritten Datensignale zu berechnen und die berechnete Zielrichtung und die berechnete zurückgelegte Strecke in eine Etappe oder einen Teil einer Etappe einer Wegekarte zur visuellen Anzeige auf einen zwei- oder dreidimensionalen System umzuwandeln.
KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
Die Erfindung wird unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit den Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine Darstellung eines Neigungssensors und einer Referenz-Horizontalen;
2 ein Blockschaltbild einer Orts- und Wegekarten-Erzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Ausführungsbeispiel einer tragbaren Orts- und Wegekarten-Erzeugungsvorrichtung mit Bewegungssensoren und einer Bildgebungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4A trigonometrische Bildgebungsbeziehungen zum Bestimmen der zurückgelegten Strecke zwischen zwei Punkten gemäß der vorliegenden Erfindung;
4B eine Darstellung einer Bildverkleinerung;
5 eine Darstellung zum Erzeugen von Daten zum Berechnen einer zurückgelegten Strecke und zum Erzeugen einer Wegekarte gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen und Anzeigen von Wegekartendaten gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Vorrichtung und ein System zur Erfassung und Analyse von Orts- und Wegekarten-Erzeugungsdaten zum Bereitstellen von sofortigen Trägheitspositionsinformationen und zum Erzeugen von zurückgelegten Weg werden beschrieben. Die Vorrichtung und das System sind zur Verwendung in tragbaren Geräten und Kraftfahrzeugen konstruiert und angeordnet. Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich eine Anwendung zur Verwendung in Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen beschreibt, wird der Fachmann die Anwendbarkeit der Erfindung auf tragbare Geräte wie insbesondere, aber nicht ausschließlich tragbare drahtlose Geräte wie beispielsweise Mobiltelefone, Zellulartelefone, Schnurlostelefone, Textmitteilungsgeräte, Pager, Funksprechgeräte, tragbare Navigationssysteme, tragbare Musikgeräte, tragbare Videogeräte, tragbare Multimediageräte, Personal Digital Assistants (PDAs), tragbare Spielsysteme und dergleichen erkennen.
Bezug nehmend auf 1 kann die dreidimensionale Lage eines starren Gegenstandes 50, wie beispielsweise eines tragbaren Geräts oder eines Kraftfahrzeugs, durch drei Winkel beschrieben oder definiert werden: Gierung (nicht dargestellt), Steigung und Kippung, jeweils an einem Referenzpunkt 55. Jeder der drei Winkel ist auf eine lokale Horizontale 52, d. h. eine Ebene senkrecht zum Gravitationsvektor der Erde 54 bezogen. Die Gierung (α) weist eine Bewegung in der Referenz-Horizontalen 52 aus und ist als der Winkel in der lokalen Horizontalen 52, gemessen ausgehend von der echten Nordrichtung, d. h. der Erdpolarachse im Uhrzeigersinn zur Vorwärtsrichtung, definiert. Die Steigung (φ) weist eine Drehung um eine Querachse aus und ist definiert als der Winkel zwischen der Längsachse 56 des Gegenstandes und der lokalen Horizontalen 52. Nach der Konvention entspricht eine positive Steigung einem Zustand „Nase hoch” und entspricht eine negative Steigung einem Zustand „Nase runter”. Die Kippung (θ) weist eine Drehung um eine Längsachse aus und ist definiert als der Drehwinkel um die Längsachse zwischen der lokalen Referenz-Horizontalen und der tatsächlichen Ebene 58. Nach der Konvention entspricht eine positive Kippung einem Zustand „rechter Flügel nach unten” und entspricht eine negative Kippung einem Zustand „linker Flügel nach unten”.
Die Vorrichtung und das System enthalten einen Beschleunigungsmesser, einen Magnetsensor und eine Signalverarbeitungsvorrichtung, um ein System mit sechs Freiheitsgraden zu erzeugen, das Datensignale für die Berechnung einer Zielrichtung (Peilung) erzeugen kann, in Kombination mit einer Bildgebungsvorrichtung und einer Bildverarbeitungsvorrichtung zum Erzeugen von Datensignalen für die Berechnung einer Geschwindigkeit und einer Strecke einer Bewegung. Bezug nehmend auf 2 enthalten die Vorrichtung 10 und das System 20 magnetische Messvorrichtungen oder Magnetsensoren 12, z. B. einen Magnetkompass, Trägheitssensoren oder Fahrzeugbahnverfolgungssensoren 14, eine Bildgebungsvorrichtung 16, eine Signalverarbeitungsvorrichtung 18 und eine Bildverarbeitungsvorrichtung 11. Obwohl der Signalverarbeitungsabschnitt 19 und der Bildverarbeitungsabschnitt 17 einzeln beschrieben sind, erkennt der Fachmann, das die Verarbeitungsvorrichtungen 11 und 18 auch in eine einzelne Verarbeitungsvorrichtung kombiniert werden können, welche beide Funktionen durchführen kann.
Der Signalverarbeitungsabschnitt 19 ist konstruiert und angeordnet, um in einem relevanten Teil Zielrichtungs-(Peilungs-)Daten zu erzeugen. Kurz gesagt können die Kippungs- und Steigungsdrehungen des Gegenstandes 50 unter Verwendung des Neigungsgrades der Trägheitssensoren 14 in den x- und y-Richtungen und/oder unter Verwendung der Magnetfeldstärke um die x-, y- und z-Achsen der Magnetsensoren 12 erfasst werden. Die Position des Gegenstandes 50 sowie seine Gierungs-, Steigungs- und Kippwinkelraten können unter Verwendung der Magnetsensoren 12 erfasst werden.
Die mehreren Sensoren 12 und 14 in dem Signalverarbeitungsabschnitt sind ausgebildet, um Datensignale proportional zu ihren beschleunigungsinduzierten Neigungen und/oder erfassten Magnetfeldstärken zu erzeugen. Die Datensignale werden an die Signalverarbeitungsvorrichtung 18 übertragen. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 18 verarbeitet die Datensignale, um die momentane Position, Steigung, Kippung und Gierung des Gegenstandes 50 zu bestimmen. Die Gierung entspricht der Zielrichtung (Peilung).
Der Bildverarbeitungsabschnitt 17 ist aufgebaut und angeordnet, um Bilddatensignale zum Bestimmen der Strecke und der Geschwindigkeit einer Bewegung des Gegenstandes 50 zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Bildgebungsvorrichtung 16 ausgebildet sein, um eine Vielzahl von Bildern mit einer vorbestimmten, festen Rate von z. B. 300.000 Vollbildern je Sekunde, was einem Zeitabstand von etwa 3,3 ms zwischen aufeinander folgenden Vollbildern entspricht, zu erzeugen. Die zu dem Bild gehörenden Datensignale werden an die Bildverarbeitungsvorrichtung 11 übertragen. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 11 ist ausgebildet, um die Bilddatensignale zu verarbeiten, um die Strecke und die Geschwindigkeit einer Bewegung oder Verlagerung mittels Verkleinerungstechniken zu bestimmen.
Magnet- und Trägheitsmessvorrichtungen
Bewegung erfassende Vorrichtungen oder Bewegungssensoren, z. B. Beschleunigungsmesser, Dehnungsmesser, piezoelektrische Vorrichtungen, piezoresistive Vorrichtungen, kapazitive Vorrichtungen, mechanische Schalter, Gyroskope, Magnetkompasse, magnetische Vorrichtungen, optische Vorrichtungen, Infrarot-Vorrichtungen und dergleichen sind in der Technik als Einrichtungen zum Erfassen einer Bewegung in einem Gegenstand 50, in welchem sie integriert sind und/oder an welchem sie fest angebracht sind, bekannt. Für einen Zustand mit allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden kombiniert eine herkömmliche Bewegungsmessung eine Zwei- oder Drei-Achsen-Beschleunigungsmessermessung mit einer Drei-Achsen-Gyroskopmessung. Die Beschleunigungsmesser erfassen eine Kipp- und Steigungsdrehung als eine Funktion der Neigung des/der Beschieunigungsmesser(s) in den x- und y-Richtungen. Gyroskope sehen Gierungs-, Steigungs- und Kipp-Winkeldrehraten vor, die man nicht einfach durch den Beschleunigungsmesser erhält. Daher sind bei einer herkömmlichen Bewegungsmessung Gyroskope zur Trägheitsmessung von sechs Freiheitsgraden notwendig.
Im freien Raum, d. h. in Zuständen, die dadurch charakterisiert sind, dass sie keine Schwerkraft und kein Magnetfeld haben, können ein Zwei- oder Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser und ein Drei-Achsen-Gyroskop zufriedenstellend benutzt werden, um Informationen über eine Bewegung mit sechs Freiheitsgraden zu erhalten. Aufgrund der Gravitations- und Magnetfelder der Erde ist jedoch ein „freier Raum” im Einflussbereich der Gravitations- und Magnetfelder der Erde terrestrisch nicht verfügbar. Dies ist einer der Gründe, warum herkömmliche Wegekarten-Erzeugungssysteme auf dem extraterrestrischen GPS beruhen.
Die Vorrichtung 10 enthält einen Zwei-Achsen-Beschleunigungsmesser 14 wie beispielsweise jene von MEMSIC, Inc. aus Andover, Massachusetts. Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit einem Zwei-Achsen-Beschleunigungsmesser beschrieben wird, kann der Fachmann die Lehre der Erfindung einfach auf andere Trägheitsmessvorrichtungen überragen. Der Beschleunigungsmesser 14 kann an dem Gegenstand 50 so befestigt werden, dass jede der zwei Messachsen in einer gemeinsamen Ebene, d. h. einer Referenz-Horizontalen 52 liegt und dass außerdem die Messachsen senkrecht zueinander sind. Zum Beispiel kann der Zwei-Achsen-Beschleunigungsmesser 14 von integrierter Bauweise sein, die an einer Neben-Leiterplatte (PCB) fest angebracht ist, welche ihrerseits senkrecht an einer Haupt-PCB befestigt ist.
Die Vorrichtung 10 enthält ferner einen Magnetsensor 12 wie beispielsweise einen elektronischen Kompass oder insbesondere einen bordfesten elektronischen Kompass. Obwohl der Magnetsensor 12 (elektronischer Kompass) zum Messen von Position sowie Gierungs-, Steigungs- und Kippwinkelraten geeignet ist, wird der Magnetsensor 12 hauptsächlich benutzt, um eine Gierungsdrehung mittels x- und y-Achsenmessung zu erfassen.
Die US-Patentanmeldung Nr. 60/906,100 (Motion and Attitude Sensing for Portable Electronic Devices) von MEMSIC, Inc. aus Andover, Massachusetts, welche hierdurch vollständig eingebunden wird, offenbart eine neuartige Drei-Achsen-Magnetmessvorrichtung 12. Der magneto-resistive Sensor 12 enthält allgemein mehrere, zum Beispiel vier, dünne Streifen aus Permalloy, z. B. magnetischem NiFe-Material, die in eine Wheatstone-Brücke konfiguriert sind. Während des Betriebs gehen Veränderungen im angelegten Magnetfeld mit einer entsprechenden Veränderung des Widerstandes der Permalloy-Streifen einher. Folglich ist die Amplitude des Ausgangssignals für jede Sensorachse eine direkte Messung der Stärke des Magnetfeldes entlang der jeweiligen Messachse.
Die von einem Drei-Achsen-Magnetsensor 14 aufgenommenen Messwerte werden durch Parameter M_x, M_y, M_z dargestellt, welche der Magnetfeldstärke um die x-, y- bzw. z-Achse entsprechen. Die von einem Zwei-Achsen-Beschleunigungsmesser 12 aufgenommenen Messwerte werden durch Parameter A_x und A_y dargestellt, welche einer Beschleunigung in der Richtung der x- bzw. y-Achse entsprechen.
Der Steigungswinkel (φ) des Gegenstandes 50 kann mittels der folgenden Gleichung berechnet werden: φ = sin^–1(–A_x/g) (1) wobei g die Schwerkraftbeschleunigung von 32,2 Fuß/s² (oder 9,8 m/s²) ist.
Der Kippwinkel (θ) des Gegenstandes 50 kann mittels der folgenden Gleichung berechnet werden: θ = sin^–1[A_y/(g·cosφ)] (2)
Der Gierungswinkel (α), welcher der Zielrichtung (Peilung) bezüglich der Erdpolarachse des Gegenstandes entspricht, kann mittels der folgenden Gleichung berechnet werden: α = tan^–1(M_yh/M_xh) (3) mit M_xh = M_x·cosφ + M_y·sinθ·sinφ + M_z·cosθ·sinφ und M_yh = M_y·cosθ – M_z·sinθ, wobei sich M_xh auf die Magnetfeldstärke um die x-Achse in der Horizontalen 52 bezieht und sich M_yh auf die Magnetfeldstärke um die y-Achse in der Horizontalen bezieht.
Bezug nehmend auf 1 erzeugt der Magnetsensor 12, wenn sich die dreidimensionale Lage eines Gegenstandes 50 ändert, d. h. wenn der Gegenstand 50 eine Drehung um eine oder mehrere der x-, y- und z-Achsen erfährt, Magnetfeldstärkensignale M_x, M_y, M_z für jede Achse, und erzeugt der Trägheitsfaktor 14 Beschleunigungssignale A_x und A_y für die x- und y-Achsen. Diese Signale können analoge oder digitale Signale sein.
Die Datensignale zum Berechnen der Feldstärke- und Beschleunigungsparameter M_x, M_y, M_z, A_x und A_y werden der Signalverarbeitungsvorrichtung 18 bereitgestellt. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 18 kann in einen oder beide der Sensoren 12 und/oder 14 integriert sein oder kann alternativ eine separate Konstruktion in der Vorrichtung 10 sein.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern, können die Datensignale von der Trägheitsmessvorrichtung 14 und/oder der Magnetmessvorrichtung 12 durch ein Tiefpassfilter 21 geleitet werden. Zusätzlich oder alternativ kann zur Verbesserung des SNR anstelle der Verwendung eines einzelnen Zwei-Achsen-Beschleunigungsmessers 14 ein Paar Zwei-Achsen-Beschleunigungsmesser 14 vertikal an dem Gegenstand 50 so befestigt werden, dass sie in entgegengesetzten Richtungen orientiert sind, d. h. dass ein Beschleunigungsmesser 14 an der Vorderachse des Gegenstandes 50 befestigt ist und der andere Beschleunigungsmesser 14 an der Hinterachse des Gegenstandes 50 befestigt ist. Mit dieser Anordnung erzeugt ein Ausgang von dem Paar der Beschleunigungsmesser ein Signal mit der doppelten Amplitude, was den Rauscheffekt weiter vermindert.
Falls die Parametersignale analoge Signale sind, kann die Signalverarbeitungsvorrichtung 18 weiter einen Analog/Digital(A/D)-Umsetzer 13 enthalten. Wenn die Signale einmal in digitaler Form vorliegen, können sie wie gewünscht unter Verwendung einer Datenverarbeitungseinheit verarbeitet werden.
Bildgebungsvorrichtung
Eine Bildgebungsvorrichtung 16 und eine Bildverarbeitungsvorrichtung 11 sind in den Bildverarbeitungsabschnitt 17 der Vorrichtung 10 und des Systems 20 integriert, um Bilddatensignale zur Verwendung bei der Berechnung einer zurückgelegten Strecke (D_1→n) und einer Bewegungsgeschwindigkeit (R) zu erzeugen. Die Bildgebungsvorrichtung ist konstruiert und angeordnet, um eine Vielzahl von digitalen Bildsignalen mit einer vorbestimmten festen Geschwindigkeit zu erzeugen und zu übertragen. Die Bilddatensignale sollten ein erfassbares, „signifikantestes Merkmal” enthalten, das wenigstens zwei unterscheidbare Abmessungen; z. B. Länge, Breite und/oder Höhe, besitzt, die skaliert werden können. Zum Beispiel kann das signifikanteste Merkmal ein künstliches Bauwerk, ein Strommast, ein Baum, ein einzelner Felsen, usw. sein.
Die Bildgebungsvorrichtung 16 kann eine Digitalkamera oder irgendeine ähnliche, kleine, leichte digitale Bildgebungseinheit sein, die Bilder mit einer vorbestimmten Rate von z. B. etwa 300.000 Bildern je Sekunde oder mit etwa 0,33 ms zwischen den Bildern aufnehmen kann und ein digitales Bilddatensignal zur Übertragung an die Bildverarbeitungsvorrichtung 19 augenblicklich vorbereiten kann.
Wie in 3 dargestellt, können die Bewegungssensoren 12 und 14 und die Bildgebungsvorrichtung 16 in einem einzelnen System 20 verkörpert sein, das weiter konstruiert und angeordnet ist, um die Signalverarbeitungsvorrichtung 18, die Bildverarbeitungsvorrichtung 11 und optional die Hauptsteuerung 25 aufzunehmen.
Signal- und Bildverarbeitungsvorrichtungen sowie Hauptsteuerung
Wie oben erwähnt, können alle der Signalverarbeitungsvorrichtung 18, der Bildverarbeitungsvorrichtung 11 und der (optionalen) Hauptsteuerung 25 separate Vorrichtungen sein oder es können zwei oder mehr Vorrichtungen in eine einzelne Einheit integriert sein. Zur Vereinfachung der Beschreibung der Erfindung wird angenommen, dass die Signalverarbeitungsvorrichtung 18, die Bildverarbeitungsvorrichtung 11 und die Hauptsteuerung 25 des Bildgebungssystems 20 separate Vorrichtungen sind.
Jede der Signalverarbeitungsvorrichtung 18, der Bildverarbeitungsvorrichtung 11 und der (optionalen) Hauptsteuerung 25 kann einen flüchtigen Speicher (Direktzugriffsspeicher), einen nicht-flüchtigen Speicher (Festwertspeicher) und einen Prozessor oder Mikroprozessor, der ausgebildet ist, um hardware- oder software-basierte Anwendungen, Treiberprogramme, Algorithmen und dergleichen auszuführen, enthalten. Die Anwendungen, Treiberprogramme, Algorithmen und dergleichen (nachfolgend gemeinsam „Anwendungen”) können in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert werden und auf einem flüchtigen Speicher ausgeführt werden. Beispiele solcher Anwendungen können Anwendungen enthalten, die analoge und/oder digitale Datensignale verarbeiten, übertragen und speichern; eine zurückgelegte Strecke und/oder eine Zielrichtung (Peilung) unter Verwendung dieser Datensignale berechnen; und/oder diese Rohdatensignale oder berechneten Datensignale in eine Maschinensprache oder einen Befehl übersetzen, der auf oder durch eine Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden kann, um eine Wegekartenanzeige zu erzeugen.
Insbesondere ist der Datenverarbeitungsabschnitt 19 ausgearbeitet, um wenigstens eine Datenverarbeitungsanwendung auszuführen, um die Gierung (α), d. h. die Zielrichtung (Peilung) unter Verwendung der Gleichungen 1 bis 3 und der Feldstärke- und Beschleunigungsparameterdaten von den Magnetsensoren 12 bzw. den Trägheitssensoren 14 zu berechnen. Der/die berechnete(n) Gierungswert(e) wird/werden nacheinander an die Bildverarbeitungsvorrichtung 11 und/oder (optional) an eine Hauptsteuerung 25 übertragen. Alternativ ist der Datenverarbeitungsabschnitt 19 ausgebildet, um wenigstens eine Anwendung auszuführen, die nur Datensignale für eine Übertragung an die Bildverarbeitungsvorrichtung 11 und/oder die Hauptsteuerung 25 erzeugen kann, wo die Gierung unter Verwendung der Gleichungen 1 bis 3 und der Magnetfeldstärke-Signaldaten von den Magnetsensoren und der Beschleunigungssignaldaten von den Trägheitssensoren 14 berechnet wird.
Bezüglich des Bildverarbeitungsabschnitts 17 werden die durch die Bildgebungsvorrichtung 16 aufgenommenen Bilddatensignale an die Bildverarbeitungsvorrichtung 11 übertragen, welche ausgebildet ist, um wenigstens eine Anwendung auszuführen, um die Bewegungsgeschwindigkeit (R) und eine zurückgelegte Strecke (D_1→n) des Gegenstandes 50 unter Verwendung von nachfolgend in mehr Einzelheiten erläuterten Verkleinerungstechniken zu berechnen. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 11 überträgt Datensignale der berechneten Bewegungsgeschwindigkeit (R) und Bewegungsstrecke (D_1→n) weiter an die Signalverarbeitungsvorrichtung 18 und/oder (optional) an die Hauptsteuerung 25.
Wenigstens eine Bildverarbeitungsanwendung des Bildverarbeitungsabschnitts 17 kann ausgebildet sein, um ein signifikantestes Merkmal wie zum Beispiel einen natürlichen oder künstlichen Gegenstand in einem ersten Bild I₁, der auch in nachfolgenden Bildern I_n, wobei n eine positive ganze Zahl ist, vorhanden ist, zu identifizieren. Zum Beispiel kann das signifikanteste Merkmal ein künstliches Bauwerk, ein Strommast, ein Baum, ein einzelner Felsen, usw. sein.
Der Bildverarbeitungsabschnitt 17 ist weiter ausgebildet, um für beliebige zwei Bilder, z. B. Bild I₁ und Bild I_n wenigstens eine Abmessung, d. h. Länge, Breite und/oder Höhe, des signifikantesten Merkmals, das beiden Bildern gemeinsam ist, zu bestimmen. Bezug nehmend auf 4A und 4B ist der Bildverarbeitungsabschnitt 17 unter Verwendung der Abmessungen des gemeinsamen signifikantesten Merkmals in den zwei Bildern ausgebildet, um eine dimensionslose Verkleinerungsgröße (ΔMAG) zu berechnen. Zum Beispiel kann man die Verkleinerungszahl (ΔMAG) mittels eines intelligenten Algorithmus erhalten, der Linsenabbildungsprinzipien und trigonometrische Beziehungen enthält, die dem Fachmann bekannt sind. Außerdem kann der Bildverarbeitungsabschnitt 17 ausgebildet sein, um die Verkleinerungszahl (ΔMAG) unter Verwendung historischer Daten und durch Labor- oder Feldexperimente und Kalibrierungen zu modifizieren.
Wenn der Bildverarbeitungsabschnitt 17 einmal die Verkleinerungszahl (ΔMAG) berechnet hat, können die Strecke (D_1→n) zwischen Bild I₁ zur Zeit T₁ und Bild I_n zur Zeit T_n und die Geschwindigkeit der Bewegung (R) berechnet werden. Die berechnete zurückgelegte Strecke (D_1→n) und die Geschwindigkeit der Bewegung (R) können dann an die Signalverarbeitungsvorrichtung 18 und/oder (optional) an die Hauptsteuerung 25 übertragen werden. Alternativ ist der Bildverarbeitungsabschnitt 17 ausgebildet, um wenigstens eine Anwendung auszuführen, um Datensignale für eine Übertragung der Rohsignaldaten an die Signalverarbeitungsvorrichtung 18 und/oder (optional) an die Hauptsteuerung 25 zu erzeugen, wo die Bewegungsgeschwindigkeit (R) und die zurückgelegte Strecke (D_1→n) anschließend berechnet werden.
Wenn die Datensignale von dem Bildverarbeitungsabschnitt 17 und dem Signalverarbeitungsabschnitt 19 an eine separate und entfernte Hauptsteuerung 25 übertragen werden, ist die Hauptsteuerung 25 ausgebildet, um die Zielrichtungs-(Peilungs-)Daten mit den Daten der jeweiligen Bewegungsgeschwindigkeit (R) und der jeweiligen zurückgelegten Strecke (D_1→n) zu integrieren. Die integrierte zurückgelegte Strecke (D_1→n) zwischen Bild I₁ zur Zeit T₁ und Bild I_n zur Zeit T_n und die Zielrichtungs-(Peilungs-)Daten können dann in Signale zur Verwendung beim Erzeugen oder graphischen Plotten und/oder Anzeigen der Orts- und Wegekarte des Gegenstandes 50 während einer Bewegung oder im Stillstand umgesetzt oder umgewandelt werden.
Verfahren
Nach der Beschreibung von Vorrichtungen und Systemen zum Messen und Berechnen von Zielrichtungen (Peilung) und einer zurückgelegten Strecke und zum Erfassen, Berechnen und Anzeigen von Orts- und Wegekartendaten werden nun Verfahren zum Berechnen einer Zielrichtung (Peilung) und Veränderungen der Zielrichtung (Peilung); zum Bestimmen einer zurückgelegten Strecke und einer Bewegungsgeschwindigkeit, wenn der Zielrichtung (Peilung) gefolgt wird; und zum Erzeugen von Eingangssignalen an ein Anwendungsprogramm, das auf einem Gerät wie beispielsweise auf einem tragbaren elektronischen Gerät, das ausgebildet ist, um eine graphische Orts- und Wegekarte zu erzeugen und anzuzeigen, ausführbar ist, beschrieben. Ein Flussdiagramm der beispielhaften Verfahren ist in 6 gezeigt.
Das Verfahren verwendet einen Zwei- oder Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser, einen Drei-Achsen-Magnetfeldsensor und eine Bildgebungsvorrichtung, die in ein System integriert sind, das an einem Kraftfahrzeug montierbar ist oder das tragbar ist. Der Zwei- oder Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser und der Drei-Achsen-Magnetfeldsensor, z. B. ein elektronischer Kompass, sind ausgebildet, um einen ersten Satz von Signalen bzw. einen zweiten Satz von Signalen zu erzeugen (Schritt 1A), während die Bildgebungsvorrichtung ausgebildet ist, um einen dritten Satz von Signalen zu erzeugen (Schritt 1B).
Der erste Satz von Signalen, der durch den Zwei- oder Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser erzeugt wird, entspricht Beschleunigungen oder Änderungen der Beschleunigung in wenigstens den x- und y-Richtungen, A_x, A_y, die proportional zu Änderungen in der Trägheitslage der Vorrichtung sind. Obwohl die Beschleunigungen und/oder Änderungen der Beschleunigung für die x- und y-Richtungen beschrieben sind, funktioniert die Erfindung gleichermaßen mit Beschleunigungen und/oder Änderungen der Beschleunigung in den x-, y- und z-Richtungen. Der zweite Satz von Signalen, der durch den Drei-Achsen-Magnetfeldsensor erzeugt wird, entspricht der Magnetfeldstärke und/oder Änderungen der Magnetfeldstärken um die x-, y- und z-Achsen, M_x, M_y, M_z. Der dritte Satz von Signalen, der durch die Bildgebungsvorrichtung erzeugt wird, entspricht einer Vielzahl von Echtzeit-Bildern, die mit einer vorbestimmten Rate von beispielsweise etwa 300.000 Vollbildern pro Sekunde aufgenommen werden.
Der erste und der zweite Satz von erzeugten Signalen werden dann an eine Signalverarbeitungsvorrichtung übertragen, wo sie verarbeitet werden (Schritt 2A). Die Signalverarbeitung kann ein Umsetzen analoger Signale in digitale Signale und/oder ein Filtern der Signale zum Reduzieren des SNR enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein.
Wenn die digitalen Signale für den ersten und den zweiten Satz der erzeugten Signale einmal verarbeitet sind (Schritt 2A), benutzt die Signalverarbeitungsvorrichtung oder alternativ eine Hauptsteuerung die Signale, um eine Gierung, die ein Maß für die Zielrichtung (Peilung) des Systems ist, und/oder Änderungen davon zu berechnen (Schritt 3A). Wenn das System um eine oder mehrere seiner Trägheitsachsen gedreht wird, ändern sich einige oder alle der Beschleunigungen und der Magnetfeldstärken, was sich entsprechend in Änderungen der Gierung überträgt.
Nach einem oder mehreren der Schritte 1A bis 3A können Änderungen in aufeinander folgenden ersten und zweiten Sätzen von Signaldaten (ΔM und/oder ΔA) bestimmt werden (Schritt 4A), um zu ermitteln, ob die Änderungen nennenswert genug sind oder nicht, d. h. ob die Änderungen die Gierungsberechnung ausreichend verändern, um eine Änderung der Zielrichtung (Peilung) als nur ein bloßes Abweichen zu bedeuten. Dieser Schritt (Schritt 4A) erfolgt u. a., um die Anzahl der übertragenen ersten und zweiten Sätze von Signalen, die Menge der an den übertragenen Daten durchgeführten Filterung und die Anzahl der durchgeführten Berechnungen zu minimieren.
Die berechnete Gierung wird dann in Eingangssignale umgewandelt (Schritt 5A), die zu einem Anwendungsprogramm kompatibel sind, das ausgeführt wird auf oder das ausführbar ist durch das System oder alternativ durch eine lokale oder entfernte Verarbeitungsvorrichtung in Kommunikation mit dem System. Diese umgewandelten Signale können durch eine oder mehrere der Signalverarbeitungsvorrichtung, der Bildverarbeitungsvorrichtung und einer Hauptsteuerung benutzt werden, wobei der Gierungswinkel (α) und die zurückgelegte Strecke (D_1→n) zur Zeit T_n zusammengeführt werden, um eine Etappe oder einen Abschnitt einer Etappe einer Wegekarte vorzusehen. Insbesondere wird die berechnete Gierung (α) in Maschinensprache-Eingangssignale umgewandelt (Schritt 5A), um einen Prozess am Anwendungsprogramm zu ändern.
Während die Schritte 1A bis 5A fortlaufend durchgeführt werden, wird der dritte Satz von Signalen, z. B. digitale Bildsignale, gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig damit durch eine Bildgebungsvorrichtung erzeugt (Schritt 1B). Um die Menge der übertragenen, gefilterten und zum Berechnen der Verkleinerungszahl (ΔMAG), der Bewegungsgeschwindigkeit (R) und der zurückgelegten Strecke (D_1→n) benutzten Bilddaten zu reduzieren, können die Vorrichtung und das System ausgebildet sein, um unter Verwendung einer Abtastperiode n, wobei n eine positive ganze Zahl (z. B. 100, 1000, usw.) ist, die für die Anzahl Vollbilder zwischen abgetasteten Bildern steht, zu übertragen, zu filtern und/oder Berechnungen anzustellen.
Nur zu Veranschaulichungszwecken ist n in 6 gleich 100 gezeigt, sodass nach dem Setzen (oder Rücksetzen) des Abtasttaktes auf n = 1 Bildsignaldaten entsprechend dem dritten Satz von Signalen bis zum nächsten einhundersten Bild nicht übertragen, gefiltert und/oder beim Berechnen der Verkleinerungszahl (ΔMAG), etc. benutzt werden. 6 zeigt weiter, dass der Abtasttakt beim Auftreten einer nennenswerten Veränderung der Zielrichtung (Peilung), wie sie durch nennenswerte Veränderungen der Magnetfeldstärke (ΔM) und/oder der Beschleunigung (ΔA) aufgezeigt werden, gesetzt (oder rückgesetzt) werden kann. Somit wird der Abtasttakt künstlich oder beim Auftreten bestimmter Ereignisse gesetzt oder rückgesetzt.
Die Bildsignaldaten werden dann an eine Bildverarbeitungsvorrichtung übertragen, wo die Signaldaten verarbeitet werden können (Schritt 2B). Die Bildverarbeitung der digitalen Bilddatensignale kann ein Filtern der Signale zum Reduzieren des SNR, der Grauschattierung und dergleichen enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein.
Wenn einmal die Bildsignaldaten für den dritten Satz der erzeugten Signale verarbeitet sind (Schritt 2B), identifiziert die Bildverarbeitungsvorrichtung oder alternativ eine Hauptsteuerung, die mit der Bildverarbeitungsvorrichtung gekoppelt ist, zuerst in aufeinander folgenden Bildern ein signifikantestes Merkmal, das jedem der Bildsignale gemeinsam ist. Das signifikanteste Merkmal in dem Bild kann zum Beispiel ein natürlicher Gegenstand, z. B. ein Bauwerk oder ein Strommast, oder eine künstliche Struktur, z. B. ein alleinstehender Felsen oder ein Baum sein. Nach Identifizierung eines aufeinander folgenden Bildern gemeinsamen signifikantesten Merkmals benutzt die Bildverarbeitungsvorrichtung wenigstens eine der Abmessungen des signifikantesten Gegenstandes und die verstrichene Zeit zwischen Abtastzeiten, um eine Verkleinerungszahl (ΔMAG) zu berechnen (Schritt 3B). Die Verkleinerungszahl (ΔMAG) ist ein dimensionsloser Wert, der daraus resultiert, dass die Bildgebungsvorrichtung näher zu dem signifikantesten Merkmal bewegt wird. Anschließend verwendet die Bildverarbeitungsvorrichtung die Verkleinerungszahl (ΔMAG), um die zurückgelegte Strecke (D_1→n) zwischen der Abtastzeit T₁ und der Abtastzeit T_n sowie die Bewegungsgeschwindigkeit (R) rückzurechnen (Schritt 4B).
Die Verkleinerung ist konzeptuell und beispielhaft in 4B und 5 dargestellt. Die in 5 gezeigte Darstellung zeigt das manuell transportierte System. Zur Abtaste Zeit T₁, welche dem ersten Zeitintervall eines neuen Taktes entspricht, zeichnet die Bildgebungsvorrichtung ein erstes Bild H₁ auf, das zu einer ersten Zielrichtung (Peilung) 85 korreliert werden kann. Solange und während sich das System in der ersten Zielrichtung (Peilung) 85 und/oder innerhalb weniger Grade der ersten Zielrichtung (Peilung), z. B. ±5 Grad, bewegt, ist die Bildverarbeitungsvorrichtung oder die Hauptsteuerung ausgebildet, um die künstliche Struktur 80 als das signifikanteste Merkmal zu identifizieren. Zur Abtastzeit T₁ erzeugt die künstliche Struktur 80 ein erstes Bild H₁.
Wenn die Bildgebungsvorrichtung und das System näher zur künstlichen Struktur 80 bewegt werden, wird zur Zeit T_n wenigstens eine der Abmessungen des jeweiligen Bildes H_n im Vergleich zum ersten Bild H₁ größer. Die Änderungen) in der/den Abmessungen) zwischen den zwei Bildern H₁ und H_n kann skaliert oder anders gemessen werden. Diese Vergrößerung der Abmessung entspricht der Verkleinerung (ΔMAG), welche in 4B graphisch als eine Veränderung sowohl von Länge als auch Höhe dargestellt ist.
Wie oben erwähnt, kann, wenn sich die Zielrichtung (Peilung) der Vorrichtung oder des Systems gegenüber der ersten Zielrichtung (Peilung) 85 ausreichend ändert, die Veränderung der berechneten Gierung und/oder die nennenswerten Änderungen in der Magnetfeldstärke und/oder der Beschleunigung automatisch den Abtasttakt auf n = 1 setzen oder rücksetzen. Mit jedem neuen Abtasttakt setzt die Bildverarbeitungsvorrichtung oder alternativ eine Hauptsteuerung die Identifizierung eines signifikantesten Merkmals fort, das aufeinander folgenden Bildern gemeinsam ist, wie beispielsweise ein Baum 90. Die Bildverarbeitungsvorrichtung oder Hauptsteuerung benutzt wieder zeitlich beabstandete Bilddatensignale, um die Verkleinerungszahl (ΔMAG) des signifikantesten Merkmals in dem Bild zu berechnen (Schritt 3B). Die Bildverarbeitungsvorrichtung benutzt die Verkleinerungszahl (ΔMAG) weiter, um die zurückgelegte Strecke (D_1→n) zwischen der Abtastzeit T_n und der Abtastzeit T_m, wobei m eine positive ganze Zahl ist, zu berechnen (Schritt 4B).
Die berechnete zurückgelegte Strecke (D_1→n) oder (D_n→m) und Bewegungsgeschwindigkeit (R) werden dann in Eingangssignale umgewandelt (Schritt 5B), welche zu dem Orts- und Wegekarten-Erzeugungs-Anwendungsprogramm kompatibel sind, welches ausgeführt wird auf oder welches ausführbar ist durch das System und/oder alternativ durch eine lokale oder entfernte Vorrichtung in Kommunikation mit dem System (Schritt 5B). Insbesondere werden in Zusammenhang mit einer Orts- und Wegekarten-Erzeugungsanwendung die zurückgelegte Strecke zwischen Abtastzeiten (D_1→n) und Bewegungsgeschwindigkeit (R) in Eingangssignale umgewandelt, und diese Eingangssignale werden an geeignete Zielrichtungs-(Peilungs-)Signale angepasst. Anschließend zeigt das Anwendungsprogramm die zugehörige Zielrichtung (Peilung) und zurückgelegte Strecke in einer geeigneten graphischen Art und Weise an (Schritt 6), die durch jede Etappe der Bewegung, kumulativ, usw. dargestellt werden kann. Wenn Veränderungen der Zielrichtung (Peilung) und der zurückgelegten Strecken entlang der Zielrichtung (Peilung) umgewandelt und in das Anwendungsprogramm eingegeben sind, wird ein zwei- oder dreidimensionales Anzeigebild proportional zu den Eingangssignalen eingestellt.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf tragbare Vorrichtung beschränkt. Tatsächlich ist die vorliegende Erfindung bei beliebigen elektronischen Vorrichtungen, ob tragbar oder nicht, mit einer Mensch-Maschine-(d. h. Nutzer-)Schnittstelle, anwendbar.
Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit einem Kraftfahrzeug oder einem manuellen Transport beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht konzipiert, um darauf beschränkt zu sein. Zum Beispiel kann das „Fahrzeug” ein See- oder Wasserfahrzeug, ein Flugzeug, ein Raumfahrzeug, eine Rakete, ein Flugkörper, ein Satellit, eine Digitalkamera und dergleichen sein. Der Fachmann wird erkennen, dass Abwandlungen und Modifikationen der oben beschriebenen Vorrichtung, System und Verfahren möglich sind. Demgemäß sollte die Erfindung nicht einschränkend betrachtet werden, außer durch den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche.
ZUSAMMENFASSUNG
Es sind eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Erzeugen von Orts- und Wegekartendaten zum Anzeigen einer Orts- und Wegekarte offenbart. Die Vorrichtung (20) enthält einen ersten Satz von Sensoren (14) zum Erzeugen mehrerer erster Datensignale bezüglich einer Lage eines Gegenstandes; einen zweiten Satz von Sensoren (16) zum Erzeugen mehrerer zweiter Datensignale bezüglich der Lage des Gegenstandes; eine Bildgebungsvorrichtung (17) zum Erzeugen mehrerer dritten Datensignale, die ein signifikantestes Merkmal enthalten, welches in wenigstens zwei Bildern der Bildgebungsvorrichtung vorhanden ist; und wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung (11), die ausgebildet ist, um eine Zielrichtung (Peilung) der Vorrichtung unter Verwendung der mehreren ersten Datensignale und der mehreren zweiten Datensignale zu berechnen, eine entlang der Zielrichtung zurückgelegte Strecke (85) unter Verwendung der mehreren dritten Datensignale zu berechnen und die berechnete Zielrichtung und die berechnete zurückgelegte Strecke in eine Etappe oder einen Abschnitt einer Etappe einer Wegekarte zur visuellen Anzeige auf einem zwei- oder dreidimensionalen System umzuwandeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7138979 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von Orts- und Wegekartendaten zum Anzeigen einer Orts- und Wegekarte, wobei die Vorrichtung aufweist: einen ersten Satz von Sensoren zum Erzeugen mehrerer erster Datensignale bezüglich einer Lage eines Gegenstandes; einen zweiten Satz von Sensoren zum Erzeugen mehrerer zweiter Datensignale bezüglich der Lage des Gegenstandes; eine Bildgebungsvorrichtung zum Erzeugen mehrerer dritter Datensignale, die ein signifikantestes Merkmal enthalten, welches in wenigstens zwei Bildern der Bildgebungsvorrichtung vorhanden ist; wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um eine Zielrichtung (Peilung) der Vorrichtung unter Verwendung der mehreren ersten Datensignale und der mehreren zweiten Datensignale zu berechnen, eine zurückgelegte Strecke entlang der Zielrichtung unter Verwendung der mehreren dritten Datensignale zu berechnen und die berechnete Zielrichtung und die berechnete zurückgelegte Strecke in eine Etappe oder einen Teil einer Etappe einer Wegekarte zur visuellen Anzeige auf einem zwei- oder dreidimensionalen System umzuwandeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem der erste Satz von Sensoren einen Satz Magnetsensoren enthält, die konstruiert und angeordnet sind, um erste Datensignale entsprechend einer Magnetfeldstärke um drei orthogonale Achsen zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Satz von Sensoren einen Satz Trägheitssensoren enthält, die konstruiert und angeordnet sind, um zweite Datensignale entsprechend Beschleunigungen entlang von zwei oder drei orthogonalen Achsen zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem die Bildgebungsvorrichtung konstruiert und angeordnet ist, um dritte Bilddatensignale mit einer vorbestimmten, festen Frequenz zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem die wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung enthält: eine Signalverarbeitungsvorrichtung, die mit dem ersten und dem zweiten Satz von Sensoren elektrisch verbunden ist; und eine Bildverarbeitungsvorrichtung, die mit der Bildgebungsvorrichtung und der Signalverarbeitungsvorrichtung elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welchem die wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung weiter eine Hauptsteuerung enthält, die mit jeder der Signalverarbeitungsvorrichtung und der Bildverarbeitungsvorrichtung elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem der erste Satz von Sensoren einen elektronischen Drei-Achsen-Kompass enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Satz von Sensoren einen Zwei- oder Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem die wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung eine Zielrichtung (α) berechnet unter Verwendung der Gleichung: α = tan^–1(M_yh/M_xh) mit M_xh = M_x·cosφ + M_y·sinθ·sinφ + M_z·cosθ·sinφ und M_yh = M_y·cosθ – M_z·sinθ, wobei M_xh sich auf die Magnetfeldstärke um die x-Achse in einer Horizontalen bezieht; M_yh sich auf die Magnetfeldstärke um die y-Achse in der Horizontalen bezieht; θ die Kippung des Gegenstandes ist und φ die Steigung des Gegenstandes ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem die wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung die zurückgelegte Strecke durch zunächst Berechnen einer Verkleinerungszahl mittels einer Beziehung zwischen wenigstens einer Abmessung eines ersten Bildes des signifikantesten Merkmals und eines zweiten größeren Bildes des signifikantesten Merkmals berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem die wenigstens eine Verarbeitungsvorrichtung die berechnete Zielrichtung und die berechnete zurückgelegte Strecke in einen Etappenvektor oder einen Abschnitt eines Etappenvektors umwandelt.
Verfahren zum Bereitstellen von Daten zum Erzeugen und Anzeigen einer Orts- oder Wegekarte auf einer Vorrichtung oder einem System, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen mehrerer erster Datensignale bezüglich einer Lage eines Gegenstandes; Erzeugen mehrerer zweiter Datensignale bezüglich der Lage des Gegenstandes; Erzeugen mehrerer dritter Datensignale, die ein signifikantestes Merkmal enthalten, das in wenigstens zwei Bildern der Bildgebungsvorrichtung erscheint; Berechnen einer Zielrichtung (Peilung) unter Verwendung der mehreren ersten Datensignale und der mehreren zweiten Datensignale; Berechnen einer zurückgelegten Strecke entlang der Zielrichtung unter Verwendung der mehreren dritten Datensignale; und Umwandeln der berechneten Zielrichtung und der berechneten zurückgelegten Strecke in eine Etappe oder einen Abschnitt einer Etappe einer Wegekarte zur visuellen Anzeige auf der Vorrichtung oder dem System.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Erzeugen der ersten Datensignale ein Erzeugen von Datensignalen entsprechend einer Magnetfeldstärke um drei orthogonale Achsen mittels Magnetsensoren enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Erzeugen der zweiten Datensignale ein Erzeugen von Signalen entsprechend Beschleunigungen entlang von zwei oder drei orthogonalen Achsen mittels Trägheitssensoren enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Erzeugen der dritten Bilddatensignale mit einer vorbestimmten, festen Frequenz stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Zielrichtung (α) berechnet wird unter Verwendung der Gleichung: α = tan^–1(M_yh/M_xh) mit M_xh = M_x·cosφ + M_y·sinθ·sinφ + M_z·cosθ·sinφ und M_yh = M_y·cosθ – M_z·sinθ, wobei M_xh sich auf die Magnetfeldstärke um die x-Achse in einer Horizontalen bezieht; M_yh sich auf die Magnetfeldstärke um die y-Achse in der Horizontalen bezieht; θ die Kippung des Gegenstandes ist und φ die Steigung des Gegenstandes ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Berechnen der zurückgelegten enthält: Identifizieren eines signifikantesten Bildes, das aufeinander folgenden Bildern gemeinsam ist; und Berechnen einer Verkleinerungszahl unter Verwendung einer Beziehung zwischen wenigstens einer Abmessung eines ersten Bildes des signifikantesten Merkmals und eines zweiten, größeren Bildes des signifikantesten Merkmals.
Verfahren nach Anspruch 17, weiter mit: Bestimmen, wann eine nennenswerte Veränderung in wenigstens einer Größe der Zielrichtung (Peilung), der Magnetfeldstärke und der Beschleunigung auftritt; und Identifizieren eines zweiten signifikantesten Bildes, das aufeinander folgenden Bildern gemeinsam ist; und Berechnen einer späteren Verkleinerungszahl unter Verwendung einer Beziehung zwischen wenigstens einer Abmessung eines ersten Bildes des zweiten signifikantesten Merkmals und eines zweiten, größeren Bildes des zweiten signifikantesten Merkmals.
System zum Anzeigen von Orts- und Wegekartendaten, wobei das System aufweist: einen ersten Satz von Sensoren zum Erzeugen mehrerer erster Datensignale bezüglich einer Lage eines Gegenstandes; einen zweiten Satz von Sensoren zum Erzeugen mehrerer zweiter Datensignale bezüglich der Lage des Gegenstandes; eine Bildgebungsvorrichtung zum Erzeugen mehrerer dritter Datensignale, die ein signifikantestes Merkmal enthalten, welches in wenigstens zwei Bildern der Bildgebungsvorrichtung vorhanden ist; eine erst Verarbeitungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um eine Zielrichtung (Peilung) der Vorrichtung unter Verwendung der mehreren ersten Datensignale und der mehreren zweiten Datensignale zu berechnen; eine zweite Verarbeitungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um eine zurückgelegte Strecke entlang der Zielrichtung unter Verwendung der mehreren dritten Datensignale zu berechnen; eine dritte Verarbeitungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um die berechnete Zielrichtung und die berechnete zurückgelegte Strecke in eine Etappe oder einen Abschnitt einer Etappe einer Wegekarte umzuwandeln; und einen zwei- oder dreidimensionalen Anzeigeschirm zum Anzeigen der Etappe oder des Etappenabschnitts.