JP2004518201A - Human and resource tracking method and system for enclosed spaces - Google Patents
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Abstract
人(25)又は物を追跡するシステム。一以上の追跡ユニット(100)が追跡対象者又は物に関連付けられる。各追跡ユニットは、距離及び方角又は方向情報を与えるための一以上の加速度計と一以上のジャイロスコープを含む。主制御局(MCS,200)は距離及び方角情報又はそれに基づく位置情報を受信する。また、MCS(200)は、追跡ユニットの少なくとも一の位置を表示するディスプレイを含む。MCSは、前記少なくとも一の追跡ユニットに対する基準点と方角の決定、距離と方向情報を与える前記加速度計とジャイロスコープからのデータ、前記距離及び方向情報の集合に基づいて前記位置を決定するようにプログラムされている。A system for tracking people (25) or things. One or more tracking units (100) are associated with a tracked person or object. Each tracking unit includes one or more accelerometers and one or more gyroscopes to provide distance and heading or direction information. The main control station (MCS, 200) receives distance and direction information or position information based thereon. The MCS (200) also includes a display for displaying at least one location of the tracking unit. An MCS for determining a reference point and heading for the at least one tracking unit, determining the position based on the set of distance and direction information, data from the accelerometer and gyroscope providing distance and direction information. Be programmed.
Description
【0001】
関連米国特許出願
本出願は、2000年11月22日に提出された米国仮特許出願通し番号第60/252,599の利益を請求し、ここでその全体を参照して結合する。
【0002】
発明の背景
1. 発明の分野
本発明は、一般には、建築物の内部や地下などの密閉空間において使用可能な人の慣性追跡システムに関する。
【0003】
2. 関連技術の説明
人と物の位置を突き止め、かつ、追跡するための様々なシステムが存在する。かかるシステムは、無線信号を各々送信する24個の衛星からなる、今や偏在する汎地球測位システム(GPS)に典型的に依存する。一般には、GPS受信機の位置は、三辺測量、より一般には、三角測量を通じて決定される。GPS受信機は、衛星からGPS受信機への無線信号の伝達時間に基づいて、それと3つ(以上)の衛星の各々との距離を測定する。各衛星と対応する距離は、可能な位置の球、2点における3つの衛星によって定義される3つの球の交差を定義する。2点の一つは、GPS受信機の不可能な位置として通常は拒絶可能であり、2番目の位置がGPS受信機の位置として残る。
【0004】
しかし、かかるGPSシステムは欠点を有する。注目すべきは、GPSシステムは、GPS受信機がGPS無線信号を衛星から受信することを必要とする。従って、GPSシステムはGPS受信機がGPS信号を受信できない場合には機能しない。この欠点は、GPSシステムが建築物、トンネル、高層大都市環境その他の密閉空間内で使用されることを妨げる。そこで、改良された位置測定及び追跡システム、特に、密閉空間内で人や物の位置を突き止め追跡可能なものの需要が存在する。
【0005】
3. 発明の要約
本発明のある実施形態による方法及びシステムは上述及びその他の需要を満足する。一以上の追跡ユニットは、追跡対象者又は物に関連付けられる。各追跡ユニットは、距離及び方角又は方向情報を与えるために、一以上の加速度計と一以上のジャイロスコープを含む。主制御局(MCS)は距離と方角情報又はそれに基づく位置情報を受信する。また、MCSは、追跡ユニットの少なくとも一の位置を表示するための表示装置を含んでもよい。MCSは、前記少なくとも一の追跡ユニットに対する基準点と方角の決定、距離と方向情報を与える、前記加速度計とジャイロスコープからのデータ、前記距離及び方向情報の集合に基づいて前記位置を決定するようにプログラムされている。
【0006】
好ましい実施形態の詳細な説明
はじめに
密閉空間内で正確で信頼性のある三次元の人の位置と追跡情報を取得する際にGPSと三角測量技術の制限を実現しながら、推測航法としても知られる慣性追跡の方法とシステムを提供する。本発明の実施形態は、高層建築物の間、建築物内、地下領域内などの閉鎖領域に特に適用可能である。理解されるように、システムは、時折短い無線周波数(RF)のドロップアウト又は干渉エピソードに対して機能を継続するのに十分ロバストである。困難な送信領域においては、強力な携帯中継局を途中で省略可能で、RF信号を増幅してPTUとMCSとの間の二方向通信を維持するために、追跡対象物が装身又は運搬する個人追跡ユニット(PTU)とPTUからデータを記録及び/又は表示する主制御局(MCS)を介在する。
【0007】
一般に、実施形態は、同じ場所に配置したジャイロスコープと加速度計を、プロセッサが経路を本質的にリアルタイムで蓄積及び計算するのに使用するデータを与えるのに利用する。本発明の実施形態は、「チェックイン」、即ち、MCS又はその付近における位置と方向などの既知の基準に対する開始点と初期方角の設定を提供する、信頼性のある方法を提供する。3つの異なる別個の例示的なチェックインの方法をここで開示する。
【0008】
三軸加速度計は、一実施形態の慣性追跡システムのPTUの一部であるが、本発明は、ここで参照して結合されるレプコフカーに発行された米国特許第5,652,570号にあるようなニューラルネットワークに振動性符号を与えることによって個別的な動作条件分析を引き出すのに同一(又は異なる)三軸加速度計を使用することを想定している。歩行、エレベータに乗ること、階段昇降、及び、走行などの動作事象は、詳細な経路分析なしに区別可能である。同一(又は異なる)加速度計も、落下(高い初期加速度)、衝撃(鋭いパルス)、停止期間中の不動(マンダウン)などを検出するのにある実施形態で使用され、密閉空間における装身者の位置を直ちに突き止めることを補助するため、あるいは、特定条件の装身者に警報を出すために、MCSに警報を出し、ストロボライト、大可聴「音声」、振動性呼び出し装置、電子ビーコン信号その他の検出可能なビーコン信号などの取り付けられたPTUビーコン装置をオンにするために、バイオセンサからの他の警報キューと結合される。
【0009】
建築物内のMCSにおける被追跡者の表示は、入手可能であれば、建築物の特徴と同様に三次元経路を表示する目的で、ディジタル化された建築設計によって容易化され得る。建築設計が入手できなければ、位置データは、例えば、建築構造を「推測」すること、人が構造上を移動する際の人の経路情報と共にそれを表示するなど、多くの方法でMCSで表示可能となる。例えば、水平移動は床の存在を推測し、階段昇降は特定位置に階段を配置するだろう。これは、MCSにある表示ソフトウェアによって処理される。代替的な実施形態においては、PTUは、構造的特徴を伝えるために、その人用のそのプロセッサに結合されたプッシュボタンなどのインターフェース装置を含んでもよい。
【0010】
本実施形態は消防士などの人の位置測定及び追跡に関するが、本発明は、電車、トラック、地下鉄、出荷コンテナなど動物や物の位置測定及び追跡にも適用可能であることを理解すべきである。
【0011】
外観
本発明のある実施形態を、図面を参照して以下に詳細に説明する。同様の参照符号は同様の構成要素を示す。図1の概略図は本発明の一実施形態の外観と構成要素の相互関係を与えている。一般に本実施形態のシステムは、GPS無線信号が入手できない建築物や地下などのいかなる密閉空間においても消防士などの人25の位置を計算するのにジャイロスコープと加速度計データを使用する。図1に示す本実施形態は例示的な目的のためのものであり、制限的な趣旨ではないことを理解すべきである。
【0012】
以下により詳細に説明するように、人25は、人25の位置を計算するのに使用されるデータを収集する個人追跡装置(PTU)100を身につけている。本実施形態においては、PTU100は、個人及び環境センサデータの両方を収集する。PTU100は、当業界で既知の任意の無線通信システムを介して、以下に詳細に説明された、主制御局(MCS)200にデータを送信する。システムは、幾つかの異なるサービスプロバイダから入手可能な、多くの商業的に入手可能な無線データ通信方法を潜在的に利用することができる。使用可能な無線データ通信インターフェースの種類の幾つかの例は、セルラー・ディジタル・パケット・データ(CDPD)、グローバル・システム・フォー・モービル・コミュニケーションズ(GSM)ディジタル、コード・ディビジョン・マルチプル・アクセス(CDMA)、及び、任意の「G」携帯電話標準に関連付けられたディジタルデータ送信プロトコル(例えば、2.5G又は3G)を含む。本実施形態においては、システムは、送信制御プロトコル(TCP)など他のプロトコルが使用可能であるが、CDPDを通信技術として、インターネットプロトコル(IP)と共にユーザデータグラムプロトコル(UDP)を送信プロトコルとして使用する。代替的な実施形態においては、RFは2方向ページャー又は無線ローカルエリアネットワーク通信が使用される。
【0013】
本システムは、選択的に、PTU100とMCS200との間で送信を受信、増幅、再送信するためのリレー又はリピータとして機能する一以上の信号中継局40を含んでもよい。かかる中継局40は、例えば、消防士による使用時にプリインストール又は配置されてもよい。
【0014】
以下、経路計算方法の2つの異なる実施形態を説明する。両者は、日本のシリコン・センシング・システムズ社から得られるシリコン振動構造ジャイロスコープモデルCRS−03などの三軸速度ジャイロスコープの使用を含む。また、両者は、アリゾナ州フェニックスのモトローラ・セミコンダクターズから得られるモデルMMA1220Dなどの同じ場所に配置される三軸加速度計の使用も含む。これらの装置は、好ましくは、監視対象者又は物が運搬するPTU100に一体化される。代替的に、例えば、ナノトロン社が提供するようなリキッドフィルド型小型傾斜センサの加速度計と速度ジャイロスコープの両方として使用可能である。別の実施形態においては、三軸加速度計の代わりに3つの単軸直交加速度計が使用可能である。MCSから建築物ファサードへのオフセットは、レーザ又は超音波距離計の使用によって決定される。
【0015】
例示的なPTUとMCS
図2Aは本発明の実施形態のPTU1000とMSC1001の概略図であり、PTU1000が生の加速度計及びジャイロスコープデータを収集し、MCS1001にそのデータを送信する。次いで、MCS1001は、人25の位置を計算するのにそのデータを使用する。特に、三軸加速度計1005と三軸ジャイロスコープ1006からの読み取りは、マイクロプロセッサと関連メモリ1009に送られ、それは読み取りをタイムスタンプし、ランダムアクセスメモリ(RAM)などのメモリのギャップデータファイル1007にそれらを同時に格納する。PTU1000は、好ましくは、水晶発信器その他の図示しないクロックなどのローカルクロックを有する。PTUは、上述したように、検出可能な警報及び/又はビーコン信号を生成するためのビーコン信号生成器を好ましくは含む。ビーコン1013は、MCS1001のユーザによって、PTU100によって自動的に、又は、PTU1000を身につける人25によって手動で、起動可能となる。マイクロプロセッサ1009は、送信機1008を介して、アンテナ1010から送信1011を介して、MCS1001の受信アンテナ1020にデータを送信する。
【0016】
MCS1001のマイクロプロセッサ1022は、MCS1001に関連付けられた全PTU1000の経路アルゴリズム(PA)ソフトウェアルーチンを実行する。より特定的には、MCS1001は、方角(又は方向)(受信機1021からの)速度ジャイロスコープ1006データの単一統合と距離と究極的にはPTUの位置及び/又は経路を決定するための(受信機1021からの)三軸加速度計1005データの二重統合を実行するソフトウェアルーチンを起動する。
【0017】
MCS1001は、ビデオディスプレイ端末(VDT)1023上に表示を作成するようにプログラムされている。PTU1000は、ファイル1007が一秒以上など所定の間隔で収集されたデータのコピーを含むように、最新のデータで最古のデータを好ましくは継続的に上塗りする。かかるデータは短い通信障害から回復する際に価値がある。帯域幅1011は、短い停電からの回復中に「ギャップデータ」の送信と同様に、現在のデータを確保するのに十分でなければならない。格納されたデータの深さを超える、より長い停電は、PTUの更なる経路追跡を与える際に回復できない過失をもたらす。
【0018】
MCS1001は、システムのユーザがデータと命令を入力することを可能にするキーボード、キーワード等のインターフェース装置も含む。
【0019】
PTU1000は、生物学的又は環境状態を監視するマイクロプロセッサ1009に結合された、好ましくは一以上のセンサ1012を含む。センサは、心拍、体温、脳活性、血圧、血流速度、筋肉活性、呼吸速度、血液酸素などの人25の生理学的パラメータを監視するためのもの、及び/又は、温度、湿度、動作、速度、一酸化炭素濃度、特定の化学物質の存在などの環境パラメータを監視するセンサを含む。アナログ・デバイスによってADXL202の商品名で提供される慣性装置ベースの落下検出器(例えば、一以上の加速度計を利用するもの)など特別のセンサも使用可能である。別の例示的なセンサは、センサ・ネット社からのモデルALS−230としての脈拍数センサを含み、センサ・サイエンティフィック社からのモデルWM303又はSP43Aとしての温度センサ(型NTC)を含む。脈拍数センサは、センサ・ネット社からモデルALS−230としての入手可能である。赤外線光センサもプローブ社から入手可能である。
【0020】
センサデータは、センサデータがローカルメモリに格納された予め設定された閾値を越えているかどうかを判断するために、マイクロプロセッサ1009によって好ましくは解析される。閾値を超えていれば、ユーザにその状態を警報するために、メッセージが生成されて送信される。好ましくは、センサデータは、制御部/ユーザに警報を出すために、MCS1001にも送信される。ある実施形態においては、過度の環境熱又は一酸化炭素などの警報条件はビーコン1013を起動させる。
【0021】
以下、本発明の代替的実施形態を、図2Bを参照して説明する。本実施形態は、PTU1050とMCS1051を含み、PTU1050はマイクロプロセッサ1055を使用して経路アルゴリズム(PA)ソフトウェアルーチンを実行し、経路計算を局所的に実行する。ある実施形態においては、マイクロプロセッサ1055は、図2のマイクロプロセッサ1009以上の電力を使用し得るが、位置と、適用可能であれば、ディスプレイ1023更新をサポートするために分析された位置情報のみが所定間隔で送信されるから、送信アンテナ1057からアンテナ1062への送信1063は図2Aのそれと比較するとより狭い帯域リンクであるので送信機1056において幾つかの潜在的な省電力が実現可能である。逆に、MCS1051の受信機1061とプロセッサ1060は、図2Aの実施形態のマイクロプロセッサ1022と受信機1021よりも好ましくは単純である。本実施形態は、いかなる長さの通信中断後にも全経路に関して回復可能であることを留意する必要がある。PTU1050の小さなローカルファイルは、(他の状況ではディスプレイにギャップとして現れるであろう)中断後にディスプレイを可視的に「充填」するために追加可能である。
【0022】
動作において、PTUは、(例えば、PTUマイクロプロセッサの速度が与えられたとすればできるだけ速く)加速度計及びジャイロスコープに基づいて移動した距離と方向を反復的に決定する。一般に、位置情報はGDF1007に書き出され、MCSに送信され、処理が繰り返される。位置情報の集合は本質的にPTUを身につけた人の経路である。かかる位置情報の集合は、好ましくはMCSで起こる。ある実施形態においては、PTUは位置データを集め、所定の間隔で又はMCSからの要求を受信すると又は装身者からの手動信号があると、例えば、装身者が特に危険な領域いると信じる場合は、それをMCSに送信する。
【0023】
PTUとMCSはプログラムされた汎用コンピュータを含んでもよい。
【0024】
チェックイン手順
上述の実施形態の典型的な動作はチェックイン手順を含んでいる。チェックイン処理の目的は、MCSに対して既知の開始又は基準点及び方角を提供することである。PTUを身につけている人25の経路は、リアルタイム追跡を与えるために、この基準点に対して「蓄積」されている。追跡対象者又は物のリアルタイム位置は、その後、開始点からの経路情報を蓄積することによって計算される。開始位置が既知でなければならないだけでなく、ジャイロスコープと加速度計要素を含むユニットの方角も既知でなければならない。開始位置と向かう方向を追跡対象物にこのように関連付けることは、チェックインとして知られている。例えば、消防士の用途であれば、完全自動化技術が望ましい。
【0025】
以下、3つの例示的なチェックイン手順を図3A、3B及び4A−Cを参照して説明する。図3Aは、MCS1100の構造体に剛性的に好ましくは物理的に取り付けられたチェックイン局1100まで歩く追跡対象者に関連する手動の実施形態を示す。MCS1100は、複数の者25に対してそれに取り付けられた一以上のチェックイン局1101を有する。チェックイン局1101は、ケーブル1103が取り付けられる杖部1104を受ける受け台又は窪み1102を有する。取り付けられたPTU1105を有する人1106は、受け台1102から杖部1104を単に拾い上げ、PTU1105の筐体を窪み1107にしばらく挿入する。窪み1107と筐体1105との関係は、それが一方向に適合し、適当に設置された場合には二方向転送に電圧が加えられる。チェックイン局1101はMCS1100に対して既知の位置と姿勢にあるので、杖部1104が(PTU内のそれと同様に)埋め込まれた慣性追跡サブシステムを有すれば、その位置は常にMCS1100に既知である。データはPTU1105に取り付けられると転送され、それは、必要があれば、MCS1100及び/又はPTU1105に中継される同一の位置及び姿勢を占める。人の識別もこの時にMCS1100に転送される。各チェックイン手順後に杖部1104を受け台1102に戻すことによって、そのホーム位置はリセットされ、開始位置で蓄積した誤差を回避する。多数のチェックイン局1101は、人の同時チェックインを容易にするために、MCS1100に取り付け可能である。本システムは、警察スワットチームや救助使命などの明瞭な使命を有する少人数の班に対してより適合する。消防士は、火事場での通常活動に抵触するいかなる手順に対しても許容性がすくない。
【0026】
代替的なチェックイン実施形態を図3Bに示す。本実施形態は、(追跡サブシステム1153を含む)PTU1150と一体化されている電子コンパス1152とGPS受信機1151とを利用する。性能は、人25が建築物に入る前の、(例えば、屋外での)MCSにおける適当なGPS信号の利用可能性に依存する。GPSは方角情報を与えないので、コンパス1152その他の装置が使用される。後者は、磁気センサを使用するプレシジョン・ナビゲーションのパーム・ナビゲーション1.0に類似の技術であってもよい。これは自動チェックインを達成して人25は何ら公然と動作を行う必要はないが、コンパス1152が提供するように、それは局所的な磁場変動のために限定された方角精度を有する。
【0027】
別の代替的なチェックイン実施形態は三角測量法であり、それを図4A−Cを参照して説明する。かかる実施形態は複数の(例えば、2、3の)トランシーバと、(緊急運搬手段などの)可動プラットフォーム1070に搭載されたMCS1071における「飛行時間」計算を使用する。図4Aに示すように、MCS1071の主「原点」1075と主「方角」1076にMCSが関連又は調整する、2つの別個の屋外位置測定A及びBが2つの異なる瞬間(例えば、1秒離れて)で各PTUから取り出される。本実施形態においては、MCS1071は、救急トラックと一体になっている。トラックは、図示の通り、2点固定A及びBを三角測量するために3つ以上のトランシーバ1072、1073、1074を含む。代替的に、トランシーバ1072、1073、1074はA及びBを識別可能なレーザ距離計その他の装置で置換可能であろう。位置測定A及びBが一旦取得されると、MCS1071は人25とPTUの距離と方向の調整を続行する。
【0028】
図4Bは、MCS1071で好ましくは実行されるソフトウェアルーチンによる当初の方角を取得するための「更新」手順の上面図を示している。第1及び第2の位置測定の時間の蓄積経路1081は、あたかも主方角1076から得られたかのように記録される。換言すれば、ベクトル1082は、主方角の方向に、点Aから点Cにおけるその終点まで理論的には描かれる。このベクトル1082は、点AとBとの間の現実のベクトルであるベクトル1080と同一長でなければならないが、三次元空間においては誤った方向を示し、現実に移動された方向である代わりに参照主方角1076の初期方角にあるように位置決めされる。ベクトル1082と1080との間の変化角1083は単一の角度として示されているが、変化は三次元の各々に存在してもよい。従って、アルゴリズムは、以前は未知であった、結合されると初期方角を与える3つのそれらの角度を計算する。注目すべきは、このチェックインはGPSの使用又はコンパスなしに実行され、処理はユーザに完全に透明である。
【0029】
以下、三角測量チェックイン処理を図4Cのフローチャートを参照して要約する。ここに示すように、処理はMCSへのPTU(電子)IDの入力と共に開始する。代替的な実施形態においては、識別情報はPTUに格納され、PTUが起動するとデータはMCSに自動的に送信される。かかるデータが入力されると、ユーザに対する個人識別情報は各PTUに関連付けられる。ステップ1102。例えば、緊急電話を受信すると、消防署は火事場に到着する。ステップ1104。
【0030】
MCSは、第1の位置測定Aを取得することによって第1のPTUに対してチェックイン処理を介するように命令される。ステップ1106。PTU IDは、MCSに関連付けられたn番目のPTUを表示するために一般にPTU−nと呼ばれる。チェックイン処理が開始する毎に、nカウンタがリセットされる。処理は同一のPTU−nに対して第2の位置測定Bを取得して継続する。上述したように、PTU−nを身につけている者の経路更新を実行することによってMCSにあるソフトウェアが継続し、それによってPTU−nの方角を決定する。ステップ1110。
【0031】
選択的に、チェックイン処理は、PTU−nに対して調整された方角を確認して継続する。より特定的には、MCSは第3の位置測定Cを三角測量によって取得する。ステップ1112。MCSは、三角測量を使用して決定された第3の位置測定Cを、推測航法を利用して決定されるPTU−nの位置と比較する。ステップ1114。MCSソフトウェアは、その後、位置Cに対する2つの位置読み取りにおける相違が許容交差内であるかどうかを判断する。ステップ1116。
【0032】
読取の差が受け入れられなければ、MCSは失敗を、例えば、MCS及び/又はPTU−nのLEDを表示し(ステップ1118)、チェックイン処理はPTU−nだけ繰り返される(ステップ1106以下参照)。2つの読取の差が許容交差内であれば、MCSは成功チェックイン表示装置、例えば、MCS及び/又はPTU−nのLEDを起動することによって継続し(ステップ1120)、MCSは全PTUがチェックインされたかどうかを決定する(ステップ1122)。そうでなければ、MCSはカウンタ−nをインクレメントし(ステップ1124)、次のPTUのためのチェックイン処理を繰り返す(ステップ1106以下参照)。
【0033】
全PTUがチェックインされた場合、チェックインプロセスは完了とみなされ(ステップ1126)、システムは各TPUの位置の監視を続行する。しかし、各PTUがチェックインされた後でシステムは直ちにPTUの位置を追跡し、PTUがチェックインされることを待たないことを留意すべきである。
【0034】
メッセージプロトコル
代替的な実施形態においては、各PTUを識別するのに電子IDは使用されない。代わりに、各PTUは位置とセンサデータを離散的な周波数で送信する。次いで、MCSは、受信データの当該周波数及び関連PTUを識別するのに使用される様々なフィルタを有する広帯域受信機又は多チャンネル受信機を含む。
【0035】
本発明は、単一人25をチェックインして追跡することを参照して説明されてきたが、本発明と実施形態は複数の者をチェックインして追跡することに好適となり得ることを理解すべきである。かかる実施形態においては、各PTUは、電子識別子(ID)で符号化される。MCSは、各電子IDを人25及び好ましくは当該者の個人識別情報、例えば、氏名、緊急連絡情報、既存の健康状態、PTUから受信したセンサデータなどに関連付けるデータベース又はテーブルを含むRAMなどのメモリを好ましくは含んでいる。また、データベースは各PTUを位置履歴にも関連付けるであろう。
【0036】
より特定的には、各PTUは位置及び、適用可能な場合には、センサデータを既定のフォーマットで送信する。かかるフォーマットはPTUの電子IDに対するフィールドを含んでいる。そこで、MCSがデータのパケットを受信すると、MCS(及びより特定的にはそれに存するソフトウェア)は電子IDを抽出してデータベースを更新し、適用可能な場合には、VDTを適当に更新する。
【0037】
以下、ある例示的なメッセージパケットプロトコルを、図5を参照してより詳細に説明する。図示の通り、PTUとMCSとの間で送信される各メッセージパケットは、それぞれ所定値とメッセージパケットの開始と終わりを表示するヘッダフィールドとエンドフィールドを含む幾つかのフィールドを含む。メッセージパケットは、事情に応じてPTU又はMCSのいずれかによって送信されるメッセージの種類を表示する制御1フィールドも含んでいる。例えば、制御1フィールドの値は、メッセージがPTUからのデータを含むことを示してもよい。PTUは内部エラーを検出したか、データが不良である。PTUは特定のセンサに対する警報条件又は条件(例えば、電池少)などを検出した。MCSによって送信されるメッセージの場合、メッセージがコマンド又はデータの要求である。また、制御1フィールドは、メッセージを他から受信したPTU又はMCSの単なる受領書であることを表示してもよい。
【0038】
データ長1フィールドはデータ1フィールドの長さを表示する。CRCはメッセージにおけるエラーの検出に使用され、チェックサムなど既知のいかなる技術をも適用する。
【0039】
PTU IDは、パケットを送信するPTUのID、又はパケットがMCSによって送信される場合にはパケットが送信されるPTUのIDを表示する。各PTUは、それ独自のIDでプログラムされているので、MCSからメッセージを受信すると、PTUが所期の受領者であるかどうかを判断するためのPTU IDフィールドを復号することができる。上述したように、ある実施形態はPTU IDを使用しないが、変わりに異なる周波数又は異なる他の信号若しくは変調特性メッセージで送信する。かかる実施形態においては、PTU IDフィールドは必要である。PTUがRF送信を介して通信する場合には各PTUは好ましくは異なる周波数で送信し、これにより送信間の干渉を最小にし、これにより異なるPTU送信間で区別されることを理解すべきである。
【0040】
図示の通り、データ1フィールドは、PTUによって提供されるデータの特定の種類(例えば、温度、位置/距離、一酸化炭素、エラーなど)、MCSによって提供されるデータの種類(例えば、特定のコマンド又は要求など)を表示するための制御2フィールドを含むサブレベルのフィールドを含むことができる。データ長2フィールドは、制御1及び制御2フィールドに関する現実のデータ、例えば、現実のセンサデータ、警報表示とセンサデータ、現実のコマンド(例えば、ビーコンのオンオフ)などを含むデータ2フィールドの長さを表示する。第2のレベルのプロトコルは、多数の制御及びデータフィールド、例えば、距離/位置に対して一つ、及び、センサデータに対する一以上を含むことができる。
【0041】
MCSディスプレイ
上述したように、MCSは、各人(例えば、消防士)25の位置及び/又は経路を表示するVDTを好ましくは含む。かかるディスプレイは、特定企業の全消防士など特定のグループの全ての人25を同時に表示してもよいし、一度に一人25を表示してもよい。更に、ディスプレイは、各人25の現在の位置のみを示してもよいし、所与の時に各人25の経路を表示してもよい。多数の人25が同時にディスプレイに表示されると、各グラフィック表示は、PTU ID番号などの可視キュー、人の名前又は他の識別情報(例えば、MCSで格納されるように)によって他人から区別される。
【0042】
好ましくは、MCSは消防士が入る建物の三次元ディジタル床配置図をメモリに格納し、個々の消防士の情報生成画像を図示的に重ね合わせるために床配置図は利用可能である。グラフィック画像は、タッチスクリーンが提供するようにインタラクティブに画質を高めることができる。
【0043】
既存の三次元床配置図がなければ、MCSは、火事場で光学的に建物のファサード画像を取得し、それからソフトウェアによって屋内構造特徴の三次元ビューを推測し、機能的価値のある助言的レベルの細部/精度で、火事場で(及び/又はインターネットを介して)他の消防が必要とするリアルタイムの消防士の位置マッピングの道具としてグラフィック表示してもよい。推測された構造特徴は、床又は廊下の位置、屋内階段位置(例えば、窓の配置)、更には屋上貯水塔による潜在的な配管を含んでもよい。他の必要な情報、例えば、建物の奥行き(即ち、第3の寸法)は、グラフィック表示用のキーパッドによって入力可能である。代替的に、全ての三次元、高さ(例えば、階数)、幅(例えば、長さの単位、窓数等)、及び、奥行き(例えば、長さの単位、窓数等)である。渓谷、トンネルなどの他の密閉空間の表示は、ユーザ入力、位置データ及び/又は経路データに基づいて同様に構成され得る。
【0044】
更に、消防士が運搬するセンサからのデータは、位置データに結合され、同一方法で建物内でリアルタイム状態をマップするのに使用されることができる。かかる状態に基づいて、MCSのユーザは(例えば、消防署長)は、かかる状態を表示したり、消防士にMCSに帰還を要求したり、他の措置を取ったりするために、ビーコンに消防士への合図その他の通信をもたらすコマンドを出すことができるだろう。
【0045】
ある実施形態においては、ディスプレイはタッチスクリーンであり、制御ユーザが特定のPTU/人25の表示に単に触れてデータベースから情報を取得し、人25にコマンドを送信し、PTU/人25などへのデータ送信要求をもたらすことを可能にする。ある実施形態では、PTUの経路又は位置に触れることは、そのPTUの経路を強調してそれを参照することを容易にする。二度目に触れると強調を除去する。
【0046】
MCSで包含及び/又は表示される情報は分析及び/又は表示用に他の遠隔地に更に送信可能であることを理解すべきである。かかる実施形態においては、情報は、MCSによって中継可能であるか、いかなる利用可能な通信ネットワーク、例えば、携帯電話網、インターネット、無線ローカルエリアネットワーク、有線ネットワークなどネットワークを介してもPTUから直接に送信可能である。データのかかる遠隔利用可能性は、管理の見落とし、訓練、監督、若しくは、それにより可能となるいかなる目的にも使用可能であろう。
【0047】
本発明の方法とシステムは多くの用途を有し、多くの方法で実現可能であり、同様に、上述の例示的な実施形態と実施例によって制限されないことを当業者は認識するであろう。更に、本発明の範囲は、当業者によって理解されるであろうように、ここで記載されたシステム構成要素に対する従来知られ、将来開発される変形と変更をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態によるシステムの一般的な概略外観図である。
【図2A】本発明の一実施形態による主制御局と個人追跡ユニットの概略図である。
【図2B】本発明の一実施形態による主制御局と個人追跡ユニットの概略図である。
【図3A】本発明の代替的実施形態のチェックイン構成要素の概略図である。
【図3B】本発明の代替的実施形態のチェックイン構成要素の概略図である。
【図4A】自動チェックイン処理を使用する本発明の実施形態の上面図である。
【図4B】本発明による一実施形態の更新論理処理を示す概略図である。
【図4C】チェックイン処理のフローチャートである。
【図5】本発明による一実施形態のメッセージプロトコルの概略図である。[0001]
Related U.S. Patent Applications
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application Serial No. 60 / 252,599, filed November 22, 2000, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[0002]
Background of the Invention
1. Field of the invention
The present invention generally relates to a human inertial tracking system that can be used in enclosed spaces such as inside buildings and underground.
[0003]
2. Description of related technology
Various systems exist for locating and tracking people and objects. Such systems typically rely on the now ubiquitous Global Positioning System (GPS), consisting of 24 satellites each transmitting a radio signal. In general, the position of the GPS receiver is determined through trilateration, or more generally, triangulation. The GPS receiver measures the distance between it and each of the three (or more) satellites based on the transmission time of the radio signal from the satellite to the GPS receiver. The distance corresponding to each satellite defines the sphere of possible locations, the intersection of the three spheres defined by the three satellites at two points. One of the two points is usually rejectable as an impossible location for the GPS receiver, and the second location remains as the location for the GPS receiver.
[0004]
However, such GPS systems have drawbacks. Notably, GPS systems require that a GPS receiver receive GPS radio signals from satellites. Therefore, the GPS system does not work if the GPS receiver cannot receive GPS signals. This drawback prevents GPS systems from being used in buildings, tunnels, high-rise urban environments, and other enclosed spaces. Thus, a need exists for an improved position measurement and tracking system, particularly one that can locate and track a person or object in an enclosed space.
[0005]
3. Summary of the Invention
Methods and systems according to certain embodiments of the present invention satisfy the above and other needs. One or more tracking units are associated with a tracked person or thing. Each tracking unit includes one or more accelerometers and one or more gyroscopes to provide distance and heading or direction information. The main control station (MCS) receives distance and direction information or position information based thereon. The MCS may also include a display for displaying at least one position of the tracking unit. An MCS determines the position based on the set of data from the accelerometer and the gyroscope, the set of distance and direction information, providing a reference point and direction determination, distance and direction information for the at least one tracking unit. Is programmed to
[0006]
Detailed Description of the Preferred Embodiment
INTRODUCTION
Provides methods and systems for inertial tracking, also known as dead reckoning, while limiting GPS and triangulation techniques when obtaining accurate and reliable 3D human location and tracking information in enclosed spaces I do. Embodiments of the present invention are particularly applicable to enclosed areas, such as between tall buildings, in buildings, underground areas, and the like. As will be appreciated, the system is robust enough to continue functioning against occasional short radio frequency (RF) dropouts or interference episodes. In difficult transmission areas, powerful portable relay stations can be omitted along the way, and the tracked object can be worn or carried to amplify the RF signal and maintain two-way communication between the PTU and the MCS. There is a personal tracking unit (PTU) and a main control station (MCS) that records and / or displays data from the PTU.
[0007]
In general, embodiments utilize co-located gyroscopes and accelerometers to provide data that the processor uses to store and calculate paths in essentially real time. Embodiments of the present invention provide a reliable method of providing "check-in", i.e., setting a starting point and an initial direction relative to a known reference, such as a position and orientation at or near the MCS. Three different separate exemplary check-in methods are now disclosed.
[0008]
Although the triaxial accelerometer is part of the PTU of one embodiment of the inertial tracking system, the present invention is in U.S. Pat. No. 5,652,570 issued to Lepkovka, which is incorporated herein by reference. It is envisaged to use the same (or different) three-axis accelerometer to derive an individual operating condition analysis by providing an oscillatory code to such a neural network. Operational events such as walking, getting on an elevator, going up and down stairs, and running can be distinguished without detailed route analysis. The same (or different) accelerometer is also used in some embodiments to detect falls (high initial acceleration), shocks (sharp pulses), immobility during a stop (man down), etc. To help locate the location immediately, or to alert the wearer of specific conditions, alert the MCS, strobe light, loud audible "voice", vibrating ringer, electronic beacon signal, etc. Combined with other alarm cues from biosensors to turn on the attached PTU beacon device, such as a detectable beacon signal.
[0009]
The display of the tracked person in the MCS within the building, if available, can be facilitated by digitized architectural design with the purpose of displaying a three-dimensional path as well as the features of the building. If an architectural design is not available, location data can be displayed in the MCS in a number of ways, such as "guessing" the architectural structure and displaying it along with human path information as people move through the structure. It becomes possible. For example, horizontal movement will infer the presence of a floor, and stair climbing will place the stairs at a particular location. This is handled by the display software in the MCS. In an alternative embodiment, the PTU may include an interface device, such as a push button, coupled to the processor for the person to communicate structural features.
[0010]
Although the present embodiment relates to position measurement and tracking of a person such as a firefighter, it should be understood that the present invention can be applied to position measurement and tracking of an animal or an object such as a train, a truck, a subway, or a shipping container. is there.
[0011]
appearance
An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Like reference numerals indicate like components. The schematic diagram of FIG. 1 gives the appearance of one embodiment of the invention and the interrelation of the components. Generally, the system of this embodiment uses gyroscope and accelerometer data to calculate the position of a
[0012]
As will be described in more detail below,
[0013]
The system may optionally include one or more
[0014]
Hereinafter, two different embodiments of the route calculation method will be described. Both involve the use of a three axis velocity gyroscope such as the Silicon Vibration Structure Gyroscope Model CRS-03 from Silicon Sensing Systems of Japan. Both also involve the use of a co-located triaxial accelerometer, such as a model MMA1220D from Motorola Semiconductors of Phoenix, Arizona. These devices are preferably integrated into the
[0015]
Exemplary PTU and MCS
FIG. 2A is a schematic diagram of the PTU 1000 and
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
The
[0019]
PTU 1000 includes preferably one or
[0020]
The sensor data is preferably analyzed by the
[0021]
Hereinafter, an alternative embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2B. This embodiment includes a
[0022]
In operation, the PTU iteratively determines the distance traveled and direction based on the accelerometer and gyroscope (eg, as fast as possible given the speed of the PTU microprocessor). Generally, location information is written out to the
[0023]
The PTU and MCS may include a programmed general purpose computer.
[0024]
Check-in procedure
A typical operation of the above-described embodiment includes a check-in procedure. The purpose of the check-in process is to provide the MCS with a known starting or reference point and direction. The path of the
[0025]
Hereinafter, three exemplary check-in procedures will be described with reference to FIGS. 3A, 3B and 4A-C. FIG. 3A illustrates a manual embodiment involving a tracked person walking to a check-
[0026]
An alternative check-in embodiment is shown in FIG. 3B. This embodiment utilizes an
[0027]
Another alternative check-in embodiment is triangulation, which is described with reference to FIGS. 4A-C. Such embodiments use multiple (eg, a few) transceivers and “time-of-flight” calculations in the
[0028]
FIG. 4B shows a top view of an "update" procedure for obtaining the initial bearing by a software routine preferably executed in
[0029]
Hereinafter, the triangulation check-in process will be summarized with reference to the flowchart of FIG. 4C. As shown, the process begins with the input of a PTU (electronic) ID to the MCS. In an alternative embodiment, the identification information is stored in the PTU, and the data is automatically sent to the MCS upon activation of the PTU. When such data is entered, personal identification information for the user is associated with each PTU.
[0030]
The MCS is instructed to go through the check-in process for the first PTU by obtaining the first position
[0031]
Optionally, the check-in process confirms the direction adjusted for PTU-n and continues. More specifically, the MCS obtains a third position measurement C by triangulation.
[0032]
If the reading difference is not acceptable, the MCS indicates a failure, for example, the MCS and / or PTU-n LED (step 1118), and the check-in process is repeated for PTU-n (see
[0033]
If all PTUs have been checked in, the check-in process is considered complete (step 1126) and the system continues to monitor the location of each TPU. However, it should be noted that the system tracks the location of the PTU immediately after each PTU is checked in and does not wait for the PTU to be checked in.
[0034]
Message protocol
In an alternative embodiment, no electronic ID is used to identify each PTU. Instead, each PTU transmits location and sensor data at discrete frequencies. The MCS then includes a broadband or multi-channel receiver with various filters used to identify the frequency of interest and the associated PTU.
[0035]
Although the present invention has been described with reference to checking in and tracking a
[0036]
More specifically, each PTU transmits location and, where applicable, sensor data in a predetermined format. Such a format includes a field for the PTU's electronic ID. Thus, when the MCS receives a packet of data, the MCS (and more specifically the software in it) extracts the electronic ID and updates the database, and if applicable, updates the VDT appropriately.
[0037]
Hereinafter, an exemplary message packet protocol will be described in more detail with reference to FIG. As shown, each message packet transmitted between the PTU and the MCS includes a number of fields, including a header field and an end field, each indicating a predetermined value and the start and end of the message packet. The message packet also includes a
[0038]
The
[0039]
The PTU ID indicates the ID of the PTU transmitting the packet or, if the packet is transmitted by the MCS, the ID of the PTU transmitting the packet. Each PTU is programmed with its own ID so that upon receiving a message from the MCS, the PTU ID field can be decoded to determine if the PTU is the intended recipient. As mentioned above, some embodiments do not use a PTU ID, but instead transmit on a different frequency or a different other signal or modulation characteristic message. In such an embodiment, a PTU ID field is required. It should be understood that if the PTUs communicate via RF transmissions, each PTU will preferably transmit on a different frequency, thereby minimizing interference between transmissions, and thereby distinguishing between different PTU transmissions. .
[0040]
As shown, the
[0041]
MCS display
As described above, the MCS preferably includes a VDT that indicates the location and / or route of each person (eg, a firefighter) 25. Such a display may simultaneously display all
[0042]
Preferably, the MCS stores in memory a three-dimensional digital floor plan of the building into which the firefighters enter, and the floor plan is available to graphically overlay the information-generating images of the individual firefighters. Graphic images can be interactively enhanced as touch screens provide.
[0043]
Without an existing 3D floor plan, the MCS would optically capture a building facade image in a fire and then use software to infer a 3D view of indoor structural features and provide a functionally valuable advisory level May be graphically displayed as a tool for real-time firefighter location mapping required by other firefighters in a fire place (and / or via the Internet) with the details / accuracy of a firefighter. Inferred structural features may include floor or corridor locations, indoor stair locations (eg, window locations), as well as potential plumbing through rooftop water towers. Other necessary information, for example, the depth of the building (ie, the third dimension) can be input by a graphic display keypad. Alternatively, all three dimensions, height (eg, floor), width (eg, unit of length, number of windows, etc.), and depth (eg, unit of length, number of windows, etc.). Indications of other enclosed spaces, such as valleys, tunnels, etc., may be similarly configured based on user input, location data and / or route data.
[0044]
Further, data from sensors carried by firefighters can be combined with location data and used to map real-time conditions within a building in the same manner. Based on such conditions, the user of the MCS (eg, a fire chief) may send a firefighter to the beacon to indicate such conditions, request a firefighter to return to the MCS, or take other action. A command could be issued to signal to other or other communications.
[0045]
In some embodiments, the display is a touch screen, where the controlling user simply touches the display of a particular PTU /
[0046]
It should be understood that the information contained and / or displayed in the MCS can be further transmitted to other remote locations for analysis and / or display. In such embodiments, the information can be relayed by the MCS or transmitted directly from the PTU via any available communication network, such as a cellular network, the Internet, a wireless local area network, a wired network, etc. It is possible. Such remote availability of data could be used for management oversight, training, supervision, or any purpose enabled thereby.
[0047]
Those skilled in the art will recognize that the methods and systems of the present invention have many uses, can be implemented in many ways, and are not limited by the exemplary embodiments and examples described above. Furthermore, the scope of the present invention covers conventionally known and later-developed variations and modifications to the system components described herein, as will be appreciated by those skilled in the art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a general schematic external view of a system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a schematic diagram of a master control station and a personal tracking unit according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2B is a schematic diagram of a master control station and a personal tracking unit according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a schematic diagram of a check-in component of an alternative embodiment of the present invention.
FIG. 3B is a schematic diagram of a check-in component of an alternative embodiment of the present invention.
FIG. 4A is a top view of an embodiment of the present invention that uses an automatic check-in process.
FIG. 4B is a schematic diagram illustrating an update logic process of one embodiment according to the present invention.
FIG. 4C is a flowchart of a check-in process.
FIG. 5 is a schematic diagram of a message protocol of one embodiment according to the present invention.
Claims (16)
それぞれ人又は物に関連付けられ、一以上の加速度計とジャイロスコープとを有する一以上の追跡ユニットと、
少なくとも一の前記追跡ユニットの位置を表示するディスプレイを含む主制御局(MCS)とを有し、当該MCSは、
前記少なくとも一の追跡ユニットに対する基準点と方角の決定、
距離と方向情報を与える、前記加速度計とジャイロスコープからのデータ、
前記距離及び方向情報の集合、
に基づいて前記位置を決定するようにプログラムされていることを特徴とするシステム。A system for tracking people or objects,
One or more tracking units, each associated with a person or object, having one or more accelerometers and gyroscopes;
A master control station (MCS) including a display for displaying the position of at least one said tracking unit, said MCS comprising:
Determining a reference point and a bearing for the at least one tracking unit;
Data from the accelerometer and gyroscope, giving distance and direction information,
A set of the distance and direction information,
The system is programmed to determine the location based on
追跡される人又は物に複数の追跡ユニットの各々を関連付け、
主基準位置と主基準方角に基づいて前記追跡ユニットに対して基準位置と基準方角を設定し、
各追跡ユニットが移動する距離を表すデータを繰り返し取得し、
各追跡ユニットが移動する方角を表すデータを繰り返し取得し、
距離を表す前記データと方角を表す前記データに基づいて前記追跡ユニットの位置を決定し、
各追跡ユニットの位置の表示を与えることを特徴とする方法。A system for tracking a person or an object in an enclosed space,
Associating each of the plurality of tracking units with the person or object being tracked;
Setting a reference position and a reference direction for the tracking unit based on the main reference position and the main reference direction;
It repeatedly obtains data representing the distance traveled by each tracking unit,
It repeatedly obtains data representing the direction in which each tracking unit moves,
Determining a position of the tracking unit based on the data representing a distance and the data representing a bearing;
Providing an indication of the location of each tracking unit.
第1の位置測定を決定し、
第2の位置測定を決定し、
前記第1及び第2の位置測定によって定義された距離を有する経路を前記主方角に沿って前記位置測定に更新することを含むことを特徴とする請求項10記載の方法。The MCS has a main direction, and the reference position and the direction are set as follows:
Determining a first position measurement;
Determining a second position measurement;
The method of claim 10, including updating a path having a distance defined by the first and second position measurements to the position measurement along the main direction.
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