ES2225159T3 - Aparato de navegacion terrestre para animal con patas o piernas que recorre un terreno. - Google Patents

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.