ES2225159T3 - Aparato de navegacion terrestre para animal con patas o piernas que recorre un terreno. - Google Patents
Aparato de navegacion terrestre para animal con patas o piernas que recorre un terreno.Info
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Abstract
Aparato de navegación terrestre para un animal (2) con patas o piernas que atraviesa un terreno sin ayuda de un medio de transporte vehicular, que incluye un primer sistema (59) para determinar la posición, velocidad y rumbo del animal (2) con patas o piernas que incorpora unos medios sensores para detectar el movimiento inercial en seis grados de libertad, cuyos medios sensores pueden funcionar de forma que proporcionen señales de salida indicativas de una primera velocidad, un primer rumbo y una primera posición del animal con patas o piernas, y el cual primer sistema (59) se puede situar en la región inferior de la pata o pierna o en el pie del animal (2) con patas o piernas, y medios de contacto (11) para establecer, en un perfil de velocidad que describe el movimiento de un pie (13a, 13b) del animal (2) con patas o piernas, un periodo en el cual la velocidad debería ser cero, el cual periodo corresponde a un contacto completo o parcial del pie respectivo con el terreno circundante.
Description
Aparato de navegación terrestre para animal con
patas o piernas que recorre un terreno.
Esta invención se refiere a un aparato de
navegación terrestre para efectuar dicha navegación por parte de un
animal con patas o piernas, preferiblemente un ser humano, que
atraviesa un terreno sin ayuda de un medio de transporte
vehicular.
Actualmente existe un cierto número de fuentes de
ayuda a la navegación que se utilizan en campo abierto o ambientes
similares. Éstas incluyen rumbo magnético, para deducir el rumbo
verdadero; rumbo magnético y podómetro para realizar navegación a
estima; rumbo magnético para realizar una marcación sobre una marca
del terreno, con lo cual se puede calcular la posición; tránsito
sobre dos marcas del terreno o fijación por marcaciones, lo cual
permite la corrección de errores de posición; fijación por GPS y
JTIDS, para corregir errores de posición; actualización de la altura
barométrica, para corregir errores de altura; y fijación por
características para la corrección de la posición y de la altura, en
la que el conocimiento de determinadas características del terreno
se puede utilizar para efectuar actualizaciones de la posición y de
la altura, por ejemplo, el atravesar una sección conocida de una
carretera recta permite corregir errores de posición en una
dirección ortogonal a la carretera aunque el punto de cruce no esté
totalmente definido, y cruzar una loma conocida permite una
corrección de altura.
Sin embargo, han surgido problemas en ambientes
difíciles debido a efectos tales como las interferencias o
perturbaciones que suprimen el GPS, influencias magnéticas que
perturban las brújulas magnéticas, terrenos difíciles o abruptos que
dan lugar a errores en los podómetros, y pobre visibilidad que
afecta a la lectura de mapas o a la visión de marcas del terreno.
Todos estos problemas se caracterizan por discontinuidades en la
información disponible de los sensores o de las ayudas. Estas
discontinuidades pueden presentarse en momentos críticos y por tanto
son extremadamente indeseables.
Los recientes avances en las Unidades de
Navegación Inercial (INU) han dado lugar a la producción de unidades
cada vez más pequeñas. Éstas pueden basarse en la tecnología del
Giroscopio de Fibra Óptica (FOG), pero son todavía comparativamente
caras. Una INU puede ser integrada con alguna de las fuentes de
ayuda adicionales descritas anteriormente o con todas ellas,
permitiendo potencialmente superar todos los vacíos de datos
asociados con las fuentes de ayuda. Sin embargo, la desventaja es en
parte el tamaño de la FOG INU y en parte su costo. Por ejemplo, el
documento DE 198 30 150 A describe una unidad de este tipo, que
incluye una única FOG INU y unos medios de contacto montados en una
bota, que son accionados por el usuario cuando desea realizar una
corrección, como una puesta a cero en una parada o una actualización
de coordenadas para su entrega al sensor inercial que se encuentra
bien montado en la bota o bien sostenido en la mano.
Los recientes avances en la tecnología de los
giroscopios de silicio han dado lugar a giroscopios que se pueden
producir en las líneas de fabricación de silicio. Esto tiene las
ventajas de tamaño pequeño, producción en serie y bajo costo. Sin
embargo, las prestaciones del giroscopio están en el extremo
inferior para el funcionamiento de la INU. Estos giroscopios, y en
forma similar los acelerómetros de silicio, proporcionan la base
para una INU con bajas prestaciones, que permite la navegación libre
autónoma, la cual es útil sólo en muy cortos periodos de tiempo.
Por tanto, existe una necesidad de un aparato
generalmente mejorado para efectuar la navegación terrestre en campo
abierto que pueda hacer uso de giroscopios de pequeño tamaño y bajo
costo, en conjunción con una mejora del sistema que permita dar
prestaciones adecuadas en las operaciones y condiciones típicas de
campo.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención, se proporciona un aparato de navegación terrestre para un
animal (2) con patas o piernas que atraviesa un terreno sin ayuda de
un medio de transporte vehicular, que incluye un primer sistema (59)
para determinar la posición, velocidad y rumbo del animal (2) con
patas o piernas que incorpora unos medios sensores para detectar el
movimiento inercial en seis grados de libertad, cuyos medios
sensores pueden funcionar de forma que proporcionen señales de
salida indicativas de una primera velocidad, un primer rumbo y una
primera posición del animal con patas o piernas, y cuyo primer
sistema (59) se puede situar en la región inferior de la pata o
pierna o en el pie del animal (2) con patas o piernas, y medios de
contacto (11) para establecer, en un perfil de velocidad que
describe el movimiento de un pie (13a, 13b) del animal (2) con patas
o piernas un periodo en el cual la velocidad debería ser cero, cuyo
periodo corresponde a un contacto completo o parcial del pie
respectivo con el terreno circundante (3), caracterizado porque
incluye además un segundo sistema (4) para determinar la posición,
velocidad y rumbo del animal (2) con patas o piernas que incorpora
unos medios sensores para detectar el movimiento inercial en seis
grados de libertad, cuyos medios sensores pueden funcionar de forma
que proporcionen señales de salida indicativas de una segunda
velocidad, un segundo rumbo y una segunda posición del animal con
patas o piernas, y cuyo segundo sistema (4) se puede situar en la
región inferior de la espalda (5, 5a) del animal (2) con patas o
piernas, y medios de estimación de error (15) para recibir como
señales de salida el perfil de velocidad durante el periodo usando
actualizaciones de velocidad cero desde el perfil de velocidad para
corregir el error de velocidad en el primer sistema (59) y
proporcionando estimaciones o errores (19) asociados con las señales
de salida (61, 63, 65) del medio sensor del primer sistema, cuyas
estimaciones de error interactúan con las señales de salida del
primer sistema (59) para generar primeras estimaciones de posición
del animal (2) con patas o piernas, utilizando las actualizaciones
de velocidad cero del primer sistema (59) para minimizar los errores
de velocidad del segundo sistema (4), y generar segundas
estimaciones de posición del animal (2) con patas o piernas a partir
del segundo sistema (4) y al menos una estación sumadora (51, 71)
para combinar la primera posición y la segunda posición cuando las
mismas han sido corregidas por los errores estimados por los medios
de estimación de error (15), para proporcionar una diferencia de
posición como entrada de los medios de estimación de error a fin de
generar correcciones a los primero y segundo sistemas (59, 4).
Preferiblemente el aparato está adaptado para su
fijación a un animal con piernas o patas en la forma de un ser
humano.
Convenientemente, cada medio sensor incluye tres
sensores de fuerza ortogonales entre sí y tres sensores de velocidad
angular ortogonales entre sí.
Ventajosamente, los medios de contacto forman un
conjunto de filtro adaptado.
Preferiblemente, los medios de contacto
constituyen un conjunto de interruptor de presión.
Convenientemente, el perfil de velocidad es la
primera salida de velocidad del primer sistema.
Ventajosamente, los medios de estimación de error
incluyen un filtro Katman.
Preferiblemente, el aparato incluye medios de
rumbo para determinar el rumbo verdadero del animal con patas o
piernas, cuyos medios de rumbo están en asociación operativa con el
segundo sistema.
Convenientemente, los medios de rumbo están
constituidos por una brújula magnética que en su funcionamiento da
como salida un rumbo magnético.
Ventajosamente, el aparato incluye un sistema de
radionavegación por satélite, cuyo sistema de radionavegación por
satélite está en asociación operativa con el segundo sistema.
Preferiblemente el sistema de radionavegación por
satélite es un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) que funciona
para dar una posición GPS y una velocidad GPS.
La presente invención es adecuada para su uso con
cualquier animal con patas o piernas que se mueva a través del
terreno haciendo contacto en el suelo con sus pies, pezuñas o con
esquís o similares que hubiera en sus patas o piernas, tal como
ocurre con un ser humano, y por conveniencia en la descripción
siguiente se hará referencia al animal con patas o piernas como un
hombre.
Para un mejor entendimiento de la presente
invención, y para mostrar como se puede llevar a efecto la misma, se
hará referencia a continuación, a título de ejemplo, a los dibujos
que se adjuntan, en los cuales:
la Figura 1 es una vista lateral esquemática de
un hombre atravesando un terreno a pie, llevando un aparato de
acuerdo con la presente invención,
la Figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra
un aparato de acuerdo con una primera realización de la presente
invención para efectuar navegación terrestre del hombre representado
en la Figura 1,
la Figura 3 es una representación gráfica de los
medios de contacto que forman parte del aparato de la Figura 2,
la Figura 4 es una representación gráfica de
diversos periodos de paso aplicables a los medios de contacto del
aparato de la Figura 2,
la Figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra
un aparato de acuerdo con una segunda realización de la presente
invención para efectuar navegación terrestre del hombre representado
en la Figura 1, y
la Figura 6 es una representación despiezada de
diagrama de bloques correspondiente al hardware del aparato de las
Figuras 2 y 5.
El aparato de la invención para efectuar
navegación terrestre tal como se muestra en las Figuras 1 a 6 está
destinado a su uso en situaciones en las que un animal con patas o
piernas, sin la ayuda de medios de transporte vehicular, está
atravesando un terreno a pie, con esquís o a pezuña. Los sistemas
que se usan actualmente para desarrollar estas tareas se apoyan en
instrumentos que son sensibles a efectos externos tales como
interferencias, influencias magnéticas y pobre visibilidad, que dan
lugar a discontinuidades en las prestaciones del sistema que pueden
tener consecuencias severas y potencialmente amenazadoras para la
vida.
Tal como se muestra en las Figuras 1 y 2 de los
dibujos adjuntos, el aparato para la navegación terrestre 1 para un
hombre 2 que atraviesa un terreno 3, según una primera realización
de la presente invención, incluye un primer sistema 59 para
determinar la posición, la velocidad, y el rumbo, que incorpora unos
medios sensores para detectar el movimiento inercial en seis grados
de libertad, que puede funcionar de forma que proporcione una
señales de salida 61 indicativa de una primera velocidad, una señal
de salida 63 indicativa de un primer rumbo y una señal de salida 65
indicativa de una primera posición del hombre 2, y medios de
contacto 11 para establecer, en un perfil de velocidad que describe
el movimiento de cada pie 13a, 13b del hombre 2, un periodo en el
cual la velocidad debería ser cero 17, cuyo periodo corresponde a un
contacto completo o parcial del pie respectivo 13a, 13b con el
terreno circundante 3.
El aparato incluye también un segundo sistema 4
para determinar la posición, la velocidad y el rumbo, que incorpora
unos medios sensores para detectar el movimiento inercial en seis
grados de libertad, que puede funcionar de forma que proporcione una
señal de salida 5 indicativa de una segunda velocidad, una señal de
salida 7 indicativa de un segundo rumbo y una señal de salida 9
indicativa de una segunda posición del hombre 2. El segundo sistema
4 se puede fijar al hombre en la zona de la espalda 55a.
El aparato incluye también medios de estimación
de error 15 para recibir como señales de entrada el periodo de
velocidad cero 17 y para proporcionar como señales de salida
estimaciones de errores 19 asociados con las señales de salida 61,
63, 65 del medio sensor, cuyos errores 19 interactúan con las
señales de salida 61, 63, 65 para efectuar la navegación terrena del
hombre 2. Las Figuras 2 y 5 muestran una configuración de
retroalimentación, en la cual los errores se realimentan al primer
sistema 59. En una configuración de retroalimentación, las
estimaciones de error actualizan las respectivas salidas del primer
sistema (59), y las estimaciones de error se reinician desde cero
después de cada ciclo de corrección. En una configuración de
alimentación anticipada (que sin embargo no se representa), pero
utilizable, las estimaciones de error se acumulan y se combinan con
los parámetros respectivos del primer sistema 59, en forma opuesta
a la actualización de los parámetros. En las Figuras 2 y 5 las
estimaciones de error correspondientes a la realización particular
en cuestión se alimentan en su lugar detrás del sistema respectivo
para determinar la posición, la velocidad y el rumbo, en una
configuración de retroalimentación como la antes descrita. En forma
correspondiente, las salidas del sistema respectivo para la
determinación de la posición, la velocidad y el rumbo son los
valores corregidos, así que, tal como se muestra en la Figura 2, la
salida del primer sistema 59 es la primera velocidad corregida 61,
el primer rumbo corregido 63 y la primera posición corregida 65.
El primer sistema 59 para determinar la posición,
la velocidad y el rumbo es preferiblemente un sistema de navegación
inercial sujeto que comprende una unidad de medición inercial (IMU)
que puede contener medios sensores para detectar el movimiento en
seis grados de libertad. Esto podría obtenerse por seis medios
sensores monoaxiales, tales como tres sensores de fuerza ortogonales
entre sí y tres sensores de velocidad angular ortogonales entre sí,
o mediante sensores de doble eje adecuados. En el siguiente texto se
hace referencia a estos medios sensores como acelerómetros y
giroscopios.
Las salidas 61, 63, 65 del sistema 59 se muestran
en las Figuras 2 y 5 como entradas directas a los medios de
estimación de error 15. Estas salidas proporcionan siempre entradas
a los medios de estimación de error 15 directamente, con
independencia de cualesquiera manipulaciones adicionales, por
ejemplo como la entrada 61 a una primera estación sumadora 29, en
situaciones en las que las mediciones de entrada, que en la Figura 2
es el perfil de velocidad en el periodo de velocidad cero 17, a los
medios de estimación de error 15, no llegan a satisfacer las
condiciones de umbral proporcionadas por un medio de supervisión
residual conocido en la técnica, con lo cual los medios de
estimación de error 15 continúan estimando los errores 19 usando las
entradas corregidas de posición, velocidad y rumbo 61, 63, 65 solas.
Los medios de estimación de error son preferiblemente un filtro
Kalman, pero podrían ser cualquier tipo o disposición de filtro
equivalente. Las salidas 19 del filtro Kalman, guardadas en 21 en
las Figuras 2 y 5 son entonces las mejores estimaciones de los
errores, proporcionando actualizaciones al primer sistema 59 a
través de las estaciones descritas anteriormente cuando el sistema
está funcionando en una configuración de alimentación anticipada. El
primer sistema 59 puede proporcionar entradas de actitud
(inclinación y talud) (no representadas) a los medios de estimación
de error 15 además de las entradas de la primera posición, velocidad
y rumbo 61, 63, 65.
El perfil de velocidad que describe el movimiento
de cada pie 13a, 13b del hombre 2, del que se extrae el perfil de
velocidad en el periodo de velocidad cero 17, puede ser la salida de
primera velocidad corregida 61 del primer sistema 59. El perfil de
velocidad puede ser bien de velocidad horizontal o de velocidad
vertical del hombre 2, pero preferiblemente de velocidad horizontal.
La velocidad horizontal se podría usar para los "canales
horizontales" y la velocidad vertical para el "canal
vertical", que afecta sólo a la altura y a la velocidad en
altura. Cuando se extrae el periodo de velocidad cero de la primera
velocidad corregida 61, dejando la tolerancia debida para las
discontinuidades motivadas por la corrección 23, los medios de
contacto 11 para establecer el periodo en el que la velocidad
debería ser cero pueden ser una disposición de filtro adaptado. En
la Figura 3 se muestra un perfil de primera velocidad horizontal
corregida 36, cuando se toma desde la primera velocidad corregida
61. La velocidad 36 se muestra compensada desde cero para
representar cualquier crecimiento en error de velocidad que pudiera
haberse producido, aunque se espera que éste sea mínimo << 1
m/s, puesto que la velocidad 61 ha sido corregida por su estimación
de error asociado 23, tal como se describió anteriormente.
El filtro adaptado es conocido en la técnica por
establecer cuando se presenta una forma de onda de características
previamente conocidas, o si ésta se presenta. Una forma de lograr
esto se ilustra en la Figura 3, donde una forma de onda 38, similar
al perfil de velocidad 36, se mezcla con ella para generar una
función de correlación 40. El periodo de velocidad cero 17 se puede
obtener entonces de los máximos 42 de la función de correlación 40,
que indica donde comienza el periodo de velocidad cero 17. La forma
de onda de referencia 38 es representación de un periodo de paso 44,
en el cual el periodo cero representa el pie 13a, 13b en el suelo 3
y el 1 representa el pie 13a, 13b en el aire. Esta forma de onda es
particularmente adecuada a la aplicación de andar y/o correr, en las
que la distribución de los periodos 0 y 1 variará tal como se
muestra en la Figura 4, y esto se puede tener en cuenta fácilmente
ajustando la longitud de los periodos en la forma requerida. Como la
forma de onda de referencia 38 se inicia por los medios de contacto
11, una vez se han definido los máximos 42 de la función de
correlación, la estación 29 que está en asociación operativa con los
medios de contacto 11, puede filtrar la primera velocidad corregida
61 a los medios de estimación de error 15 durante los periodos de
velocidad cero 17.
Para las situaciones en las que el hombre 2 no se
está moviendo en el terreno 3, el filtro adaptado no será capaz de
resolver el periodo de velocidad cero 17, ya que el perfil de
velocidad 36 es básicamente plano. La autocorrelación
correspondiente será también básicamente plana, y esta información
se puede usar para distinguir los periodos estacionarios de los
periodos de movimiento: se puede realizar simultáneamente una
autocorrelación del perfil de velocidad 36 con los cálculos del
filtro adaptado, de forma que se señalen los periodos en los que el
hombre se mueve.
Como una alternativa al filtro adaptado, los
medios de contacto 11 pueden ser un interruptor de presión situado
en la bota del hombre para sentir el contacto del calzado del hombre
con el terreno. Una señal de este dispositivo podría estar
directamente acoplada con la primera velocidad corregida 61 en la
estación 29, de forma que se enviara el periodo de velocidad cero 17
a los medios de estimación de error 15 durante los periodos de
contacto de la bota con el suelo.
En el funcionamiento, el primer sistema 59
requeriría en primer lugar que la brújula giroscópica encontrara el
norte. Esto es posible en la situación estacionaria, y puede ser
posible con las actualizaciones de velocidad cero como referencia.
Sin embargo, la componente horizontal de la velocidad de la Tierra
en esta latitud (50 grados) es de aproximadamente 10 grados/hora.
Esto implica la necesidad de un giroscopio con una deriva de
aproximadamente 1 grado/hora para encontrar el norte con una
precisión de 1/10 de radian (crudo, pero puede ser suficiente para
iniciar el sistema). Los actuales Giroscopios de Fibra Óptica (FOG)
alcanzan 0,1 grados/hora, lo cual hace que este tipo de giroscopio
constituya un medio realista para encontrar el norte.
Cuando los medios de contacto 11 actúan sobre la
primera velocidad corregida 61, el primer sistema 59 debería estar
en la región inferior de la pierna del hombre 55b, y preferiblemente
en el pie (por ejemplo en la zona de los dedos o del talón) o en la
región del tobillo de forma que el perfil de velocidad 36 incluya
los periodos de velocidad cero 17. De esta forma el primer sistema
59 podría estar colocado en el calzado del hombre 2, sobre una
tobillera o dentro de ésta, o en la parte inferior de cualquier
media o calcetín. Como medida de redundancia, se puede equipar un
primer sistema 59 y un equipo auxiliar en la parte inferior de la
región de la pierna 55b de ambas piernas.
El aparato 1 comunica las mejores estimaciones
34, mostradas en la Figura 2 sólo como aclaración, de la primera
posición, primera velocidad y primer rumbo corregidos, junto con
las velocidades angulares, aceleraciones lineales e información de
estado asociada con el primer sistema 59 corregidas a una interfaz
externa, que puede ser una unidad de control y de presentación 32
(no representada). La salida 34 incluye además las incertidumbres
calculadas por los medios de estimación de error 15, que
proporcionan una medida de la calidad de estos datos en términos de
covarianzas de error de posición.
La Figura 2 de los dibujos anexos muestra un
aparato de navegación terrestre 1 para un hombre 2 de acuerdo con la
primera realización de la presente invención dotado también de unos
medios de rumbo 37, en asociación operativa con el segundo sistema
4. Los medios de rumbo 37 pueden comprender una brújula magnética
37a combinada con la segunda posición corregida 9 en una estación de
combinación 37c, para determinar el rumbo verdadero 39 del hombre.
Los medios de rumbo 37 proporcionan opcionalmente una referencia del
norte magnético, que es corregida en cuanto a la variación magnética
en 37c, en función de la posición sobre la superficie de la Tierra.
Los medios de rumbo 37 pueden proporcionar por tanto un método
alternativo a la brújula giroscópica anteriormente descrita para
iniciar el rumbo en el segundo sistema 4. Se halla la diferencia
entre la referencia verdadera de rumbo 39 y el segundo rumbo
corregido 7 procedente del segundo sistema 4 en la estación 41. La
diferencia 43 es entonces la entrada de los medios de estimación de
error 15 para observar los errores de rumbo 25 en el segundo sistema
4, y generar correcciones tal como se describió anteriormente. Los
medios de rumbo 37 necesitan estar montados rígidamente en el
segundo sistema 4, a fin de asegurar un rumbo común.
Como también se muestra en la Figura 2 de los
dibujos anexos, el aparato 1 incluye un sistema de radionavegación
por satélite 45 en asociación operativa con el segundo sistema 4. El
sistema de radionavegación por satélite 45 es preferiblemente un
Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para determinar la posición
y/o la velocidad del hombre. Como se muestra en la Figura 2, el GPS
45 da como salida una posición de GPS 47, que se resta de la segunda
posición corregida 9 del segundo sistema 4 en la estación 51 para
proporcionar la entrada 53 a los medios de estimación de error 15.
El GPS 45 puede también dar como salida una velocidad de GPS 49 que
se debe restar de la segunda velocidad corregida 5 para proporcionar
una entrada adicional a los medios de estimación de error 15. Esto
proporciona más estimaciones de errores 19 y por tanto contribuye a
limitar los errores en el segundo sistema 4. El segundo sistema 4
proporciona información de ayuda al GPS 45, que puede tomar la forma
de datos de rumbo, posición y velocidad 5, 7, 9, tal como se indica
en 46 en la Figura 2. Estos datos de ayuda dan lugar a una sinergia
entre el GPS 45 y el segundo sistema 4, permitiendo al GPS 45
rechazar las interferencias estrechando los anchos de banda de su
filtro.
El aparato 1 es para uso sobre el terreno 3 y el
primer sistema 59 puede estar posicionado en la región del pie del
hombre 2, donde estará sometido a una aceleración significativa si
el hombre 2 camina o corre. Los giroscopios de gama elevada tienden
a ser más pesados y más caros que los de calidad inferior, y de esta
forma se puede alcanzar un compromiso entre las prestaciones, el
costo y el peso del instrumento. Esta invención permite el uso de
sensores de inferior calidad, reduciendo así el peso del aparato
portado en la región del pie, a utilizar en el primer sistema 59,
porque las mediciones son ayudadas por las entradas adicionales 37,
45, a pesar de los problemas de intermitencia antes descritos.
Con esta configuración, el segundo sistema 4 se
puede colocar en la región inferior de la espalda o alrededor de la
misma o en la zona de la cadera del hombre 55a, tal como se muestra
en la Figura 1, y el primer sistema 59 se debería colocar en la
parte inferior de la pierna 55b, de forma tal que el segundo y el
primer sistema 4, 59 están separados aproximadamente 1 m. Tal como
se muestra en la Figura 2, la segunda posición corregida 9 y la
primera posición corregida 65 se restan en la estación 71, para
observar el crecimiento de la diferencia de posición entre estos dos
sistemas a través de la entrada 73 a los medios de estimación de
error 15. La diferencia de posición verdadera se conoce que es
siempre del orden de 1 m, por lo que cualquier diferencia que exceda
de este límite se debe al crecimiento en los errores de posición en
los dos sistemas 4, 59. La contrapartida medida 73 se observa y usa
por los medios de estimación de error 15 para generar correcciones a
los dos sistemas 4, 59 en la forma anteriormente descrita. Las
fuentes de ayuda exterior 37, 45 pueden por tanto colocarse
similarmente en la parte inferior de la espalda o alrededor de la
misma o en la zona de la cadera 55a del hombre, lo cual reduce el
peso en la región del pie del hombre 13a, 13b al llevar sólo el
primer sistema 59. Este emplazamiento, la zona inferior de la
espalda 55a, proporciona un entorno razonablemente benigno, y
minimiza la exposición a daños físicos. Debido a una dinámica
relativamente baja en la parte central del cuerpo, la masa portada
en ella impone al usuario una carga de inercia mínima.
En funcionamiento, el primer sistema se puede
alinear en forma gruesa usando todas las entradas disponibles 37, 45
para realizar tareas tales como las de brújula giroscópica
(anteriormente descrita) y nivelado, el proceso de detectar la
dirección de la aceleración local debida a la gravedad y alinear el
bastidor de la plataforma del segundo sistema 4 en esta dirección
del aparato 1. Esto último se puede realizar usando el GPS 45, o
usando un periodo sin movimiento. El primer sistema 59 puede
alinearse entonces en forma aproximada usando los datos del segundo
sistema 4. Esto debería ser seguido entonces de un periodo de
alineación fina en el cual se pueden integrar los datos de los dos
sistemas en un filtro tal como un filtro de Kalman, que forma parte
de los medios de estimación de error 15. La interacción entre los
dos sistemas 4, 59 y la precisión de la misma está controlada en
gran medida en los medios de estimación de error 15 por modelos de
cómo varían a lo largo del tiempo las mediciones y las
características de los instrumentos que proporcionan las mediciones,
junto con modelos del acoplamiento entre las mediciones y las
características.
El primer sistema 59 difiere del segundo sistema
4 en que el último tiene entradas de fuentes adicionales de ayuda
37, 45 a partir de las cuales se puede estimar una solución de
navegación más precisa. Se puede requerir también al segundo sistema
4 que proporcione la brújula giroscópica, para lo cual los sensores
deben ser de una calidad superior a la de aquellos a los que no se
exige esta función (el primer sistema 59). La función del primer
sistema 59 es proporcionar la entrada del periodo de velocidad cero
17 a los medios de estimación de error 15 y limitar los errores de
posición 27, con lo cual los sensores de baja calidad son adecuados
para esta tarea. El segundo sistema 4 por tanto se aprovecha del
periodo de baja velocidad 17 del primer sistema 59 junto con las
entradas de las fuentes de ayuda 37, 45 y el hecho de que la
posición entre los sistemas 4, 59 es conocida, típicamente del orden
de 1 m. La integración de los dos sistemas 4, 59 elimina sus
respectivas debilidades y combina sus nuevas fortalezas, dando lugar
a un aparato 1 para la navegación terrestre que funciona bajo las
limitaciones de caminar, hacer pausas, arrastrarse o escalar.
Claramente, en las situaciones en las que ocurren condiciones
medioambientales, tales como perturbaciones meteorológicas o de
señales, los datos exteriores de las fuentes de ayuda 37, 45 pueden
no estar disponibles. En estas circunstancias la entrada
correspondiente al periodo de velocidad cero 17 sería la única
fuente para las actualizaciones de información.
La Figura 5 de los dibujos que se adjuntan
muestra el aparato 1 de navegación terrestre para un hombre 2. Esta
segunda realización toma el aparato de la Figura 2 e incluye un
tercer sistema 75. El tercer sistema 75 es para determinar la
posición, la velocidad y el rumbo e incorpora medios sensores para
captar el movimiento inercial con seis grados de libertad que pueden
funcionar para proporcionar señales indicativas de una tercera
velocidad, un tercer rumbo y una tercera posición, mostradas en la
Figura 5 como tercera velocidad, posición y rumbo corregidos, 77,
79, 81 en virtud de las estimaciones de error 83, 84, 84. Con esta
configuración, el segundo sistema 4 se puede colocar en la parte
inferior de la espalda o alrededor de la misma o en la región de la
cadera 55a del hombre, tal como muestra la Figura 1, el primer
sistema 59 se colocaría en la zona inferior de la pierna 55b, y el
tercer sistema 75 se puede colocar en la región de la cabeza del
hombre 55c, de forma que los sistemas primero, segundo y tercero 59,
4, 75 estén separados entre sí aproximadamente 1 m. A las tercera
velocidad y tercera posición corregidas 77, 79 se les resta la
posición y la velocidad del GPS 47, 49 si fueran provistas y
estuvieran disponibles, en la estación 87 y las diferencias 89, 89a
se introducen en los medios de estimación de error 15 para ayudar a
generar correcciones en el tercer sistema 75. El GPS 45, si
estuviera disponible, puede ser utilizado también para iniciar el
tercer sistema 75.
Se puede restar también la segunda posición
corregida 9 y la tercera posición corregida 79 en 91, para observar
el crecimiento en diferencia de posición entre estos dos sistemas a
través de la entrada 93 a los medios de estimación de error 15. Como
se describió anteriormente, se sabe que la diferencia de posición es
en toda ocasión del orden de 1 m, por lo cual la divergencia más
allá de dicho límite se debe al crecimiento de los errores de
posición en los sistemas segundo y tercero 4, 75. Esto es observado
y utilizado por los medios de estimación de error 15 para ayudar a
generar las correcciones a los sistemas 4, 75.
El tercer sistema 75 puede adicionalmente
proporcionar entradas de altitud (inclinación y talud) (no
representadas) del tercer sistema a los medios de estimación de
error 15 además de las entradas de tercera velocidad, posición y
rumbo 77, 79, 81. Cuando el GPS 45 es combinado con las salidas 77,
79 del tercer sistema 75, es el tercer sistema 75 el que proporciona
la información de ayuda al GPS. Esto puede ser contrastado con la
realización de la Figura 2, en la cual el GPS 45 coopera con el
segundo sistema 4. El compartir la información de posición entre los
sistemas primero y segundo a través de las salidas de posición
corregidas 65 y 9 y con el tercer sistema a través de las salidas de
posición corregidas 9 y 79 permite que el sistema en su conjunto
base sus prestaciones en ambas fuentes de ayuda opcionales a los
segundo 4 y tercer 75 sistemas (GPS 45 y medios de rumbo 37) y en
los medios de contacto 11 del primer sistema (periodo de velocidad
cero 17). Esto permite al aparato según la presente realización
alcanzar mejores prestaciones con instrumentos inerciales de
inferior calidad (giroscopios y acelerómetros).
Se pueden añadir al aparato 1 componentes
adicionales, por ejemplo unos medios de alineación o vista 95, que
se muestran esquemáticamente en la Figura 6, para medir la
orientación de los medios de alineación 95, puesto que ésta puede
diferir obviamente en forma marcada de la del segundo sistema 4
montado en el cuerpo. Esto permite etiquetar los datos visuales con
la orientación y posición de los medios visuales 95, para
proporcionar inteligencia al resto del personal y de los sistemas.
Además, objetos conocidos como marcas del terreno se pueden observar
y alinear con los medios visuales 95, y estos datos pueden ser
utilizados para proporcionar actualizaciones de posición en el
segundo sistema 4. Los medios visuales 95 pueden incluir
preferiblemente un sistema adicional 95a para determinar una
posición adicional, una velocidad adicional y un rumbo adicional, y
se puede combinar un aparato visual 95b, tal como un visor y un
alineador de mira láser, y una posición adicional con la segunda
posición corregida 9, en forma similar a la descrita en la Figura 5
para la tercera posición corregida 79. También se pueden introducir
otras salidas desde el sistema adicional 95a, velocidad adicional,
rumbo adicional y opcionalmente inclinación y talud, en los medios
de estimación de error 15.
El despiece funcional esquemático mostrado en la
Figura 6 indica también un paquete de baterías u otra fuente de
energía eléctrica, por ejemplo una célula de combustible, 97, que se
encuentra localizada de la mejor manera en la región inferior de la
espalda del cuerpo, puesto que, debido a la relativamente baja
dinámica de la parte central del cuerpo, la masa portada en ella
impone una carga inercial mínima al usuario. También puede haber un
cargador de manivela manual opcional 99 para recargar la batería 97
en caso de uso sostenido del aparato 1 y para reducir un riesgo de
pérdida de potencia debido a una preparación incorrecta o apresurada
del aparato 1 antes de su utilización. Cada uno de los sistemas
primero y tercero 59, 75 está conectado al tercer sistema 4 por un
cable de potencia/datos 100, con lo cual se establece una
comunicación en los dos sentidos y una distribución de potencia.
Cuando un interruptor hace que los medios de contacto 11 localicen
el periodo de velocidad cero 17, está conectado a cualquiera de los
sistemas que esté proporcionando la salida de velocidad corregida a
partir de la que se obtiene el periodo de velocidad cero 17. El
interruptor de presión también está alimentado por el sistema
respectivo. La unidad de control y de presentación 32 es un medio de
proporcionar una interfaz de usuario representando datos generados
por el aparato 1 en la forma descrita con referencia a la primera
realización anterior, aceptando órdenes y entradas de datos del
usuario.
El tercer sistema 75 puede estar directamente
conectado al segundo sistema 4 y puede tener también una interfaz
con cualquier dispositivo de presentación montado en un gorro o
casco 101, tal como una presentación por visor, para proporcionar
una alternativa a la Unidad de Presentación y Control 32 montada en
el cuerpo. También puede proporcionar información en cuanto a la
orientación del gorro o casco a cualquier sistema de supervisión
montado en un gorro o casco que transmita datos de inteligencia al
resto del personal o sistemas. Además, la información que llega, tal
como la posición de un emplazamiento deseado, se puede presentar en
la presentación de visor de gorro o casco, usando los datos de
orientación del tercer sistema 75 para calcular la dirección del
emplazamiento deseado con respecto a la presentación del gorro o
casco. Se pueden proveer interfaces a las fuentes de ayuda como el
GPS 45 y medios de rumbo 37, tales como por ejemplo un bus de
interfaz 1553 o RS422. Aunque no se disponga de datos de estas
fuentes de ayuda en todo momento, ayudan a mantener una solución de
navegación general precisa.
Claims (16)
1. Aparato de navegación terrestre para un animal
(2) con patas o piernas que atraviesa un terreno sin ayuda de un
medio de transporte vehicular, que incluye un primer sistema (59)
para determinar la posición, velocidad y rumbo del animal (2) con
patas o piernas que incorpora unos medios sensores para detectar el
movimiento inercial en seis grados de libertad, cuyos medios
sensores pueden funcionar de forma que proporcionen señales de
salida indicativas de una primera velocidad, un primer rumbo y una
primera posición del animal con patas o piernas, y el cual primer
sistema (59) se puede situar en la región inferior de la pata o
pierna o en el pie del animal (2) con patas o piernas, y medios de
contacto (11) para establecer, en un perfil de velocidad que
describe el movimiento de un pie (13a, 13b) del animal (2) con patas
o piernas, un periodo en el cual la velocidad debería ser cero, el
cual periodo corresponde a un contacto completo o parcial del pie
respectivo con el terreno circundante (3), caracterizado
porque incluye además un segundo sistema (4) para determinar la
posición, velocidad y rumbo del animal (2) con patas o piernas que
incorpora unos medios sensores para detectar el movimiento inercial
en seis grados de libertad, cuyos medios sensores pueden funcionar
de forma que proporcionen señales de salida indicativas de una
segunda velocidad, un segundo rumbo y una segunda posición del
animal con patas o piernas, y el cual segundo sistema (4) se puede
situar en una región inferior de la espalda (5, 5a) del animal (2)
con patas o piernas, y medios de estimación de error (15) para
recibir como señales de entrada el perfil de velocidad durante el
periodo, usando actualizaciones de velocidad cero desde el perfil de
velocidad para corregir el error de velocidad en el primer sistema
(59) y proporcionando estimaciones o errores (19) asociados con las
señales de salida (61, 63, 65) del medio sensor del primer sistema,
cuyas estimaciones de error interactúan con las señales de salida
del primer sistema (59) para generar primeras estimaciones de
posición del animal (2) con patas o piernas, utilizando las
actualizaciones de velocidad cero del primer sistema (59) para
minimizar los errores de velocidad del segundo sistema (4), y
generar segundas estimaciones de posición del animal (2) con patas o
piernas a partir del segundo sistema (4) y al menos una estación
sumadora (51, 71) para combinar la primera posición y la segunda
posición cuando las mismas han sido corregidas según los errores
estimados por los medios de estimación de error (15), para
proporcionar una diferencia de posición como entrada de los medios
de estimación de error a fin de generar correcciones a los primero y
segundo sistemas (59, 4).
2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
adaptado para ser colocado en un animal con piernas en forma de ser
humano (2).
3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1 ó
2, en el que cada medio sensor incluye tres sensores de fuerza
ortogonales entre sí y tres sensores de velocidad angular
ortogonales entre sí.
4. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios de contacto (11) forman
una disposición de filtro adaptado.
5. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios de contacto (11)
constituyen una disposición de interruptor de presión.
6. Aparato de acuerdo con las reivindicaciones 4
ó 5, en el que el perfil de velocidad es la primera salida de
velocidad del primer sistema (59).
7. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que los medios de estimación de error
(15) incluyen un filtro Katman.
8. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, que incluye medios de rumbo (37) para
determinar el rumbo verdadero del animal (2) con patas o piernas,
cuyos medios de rumbo (37) están en asociación operativa con el
segundo sistema (4).
9. Aparato de acuerdo con la reivindicación 8, en
el que los medios de rumbo (37) son una brújula magnética (37a) que
en su funcionamiento da como salida un rumbo magnético.
10. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, que incluye un sistema de radionavegación
(45) por satélite, el cual sistema de radionavegación por satélite
está en asociación operativa con el segundo sistema (4).
11. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10,
en el que el sistema de radionavegación (45) por satélite es un
Sistema de Posicionamiento Global (GPS) que funciona para dar una
posición GPS y una velocidad GPS.
12. Aparato de acuerdo con la reivindicación 11,
que incluye un tercer sistema (75) para determinar la posición, la
velocidad y el rumbo del animal (2) con patas o piernas que
incorpora medios sensores para captar el movimiento inercial en seis
grados de libertad, los cuales medios sensores pueden funcionar para
proporcionar señales de salida (77, 79, 81) indicativas de una
tercera velocidad, un tercer rumbo y una tercera posición del animal
(2) con patas o piernas.
13. Aparato de acuerdo con la reivindicación 12,
que incluye una estación adicional de suma (87) que puede funcionar
para efectuar la resta entre la tercera velocidad corregida (77) y
la tercera posición corregida (79) de la velocidad (47) y la
posición (49) del GPS para obtener las diferencias (89, 89a) a fin
de introducirlas a los medios de estimación de error (15) a fin de
asistir en la generación de las correcciones al tercer sistema
(75).
14. Aparato de acuerdo con la reivindicación 13,
que incluye medios visuales o de alineación (95) que incorporan un
sistema adicional (95a) para determinar una posición adicional, una
velocidad adicional y un rumbo adicional y un aparato de visión
(95b).
15. Aparato de acuerdo con la reivindicación 14,
que incluye una unidad de control y presentación (32) unida al
segundo sistema para presentar la información al animal (2) con
patas o piernas y aceptar las órdenes del mismo.
16. Aparato de acuerdo con la reivindicación 14,
que incluye un dispositivo de presentación visual (101) que se puede
montar en un gorro o casco.
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