JP3602095B2 - 地形を進む有脚動物のための地形ナビゲーション装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、車両運搬手段によることなく地形を進む有脚動物、好ましくは人の地形ナビゲーションを実行するための地形ナビゲーション装置に関するものである。
【０００２】
現在、野外または同様の環境で使用するナビゲーション支援ソースが多数ある。これらは、真の方位を推定するための磁気方位、推測ナビゲーションを実行するための磁気方位および歩数計、地標でランニングフィックス（running a fix）を行うための磁気方位を含み、それによって、位置の算出、位置誤差の補正を行うことができる二つの地標または地標の頭上位置の通過、位置誤差を補正するためのＧＰＳおよびＪＴＩＤＳによる位置決定、高度誤差を補正するための気圧高度の更新、位置および高度の更新のために、一定の地形特徴の知識を使用することができる場合には、位置および高度の補正のための特徴的な位置決定を行うことができる。たとえば、交差点が十分に明示されていない場合であっても、直線道路の既知の部分を進むことにより、道路に直交する方向における位置誤差の補正を行うことができ、既知の鞍点を進むことにより、高度の補正を行うことができる。
【０００３】
しかし、ＧＰＳを抑制する干渉または妨害、磁気コンパスを混乱させる磁場の影響、歩数計の誤差を引き起こす難所または変化の多い地形および地図解読または地標の認識に悪影響を及ぼす視界の悪さなどの影響のために、困難な環境の中で難題が生じている。このような難題はすべて、利用可能なセンサまたは支援している情報における不連続性によって特徴付けられる。これらの不連続性は、危険な場合に生じる可能性があり、特に望ましくない。
【０００４】
慣性航法ユニット（ＩＮＵ）における最近の進歩により、製作されるユニットがさらに小型化するようになった。光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）技術に基づいていてもよいが、依然として比較的高価である。ＩＮＵは、上記の付加的なナビゲーション支援ソースの一部またはすべてに組み込まれていてもよく、支援ソースに関連するデータにおける上記の格差を埋めることができる可能性がある。しかし、問題は、部分的にはＦＯＧ ＩＮＵのサイズにあり、部分的にはコストにある。例えばドイツ国特許出願公開明細書DE 198 30 150 Aは、単独のＦＯＧ ＩＮＵと、ブーツ装着式の接触手段を備えた、そのようなユニットを開示しており、ブーツ装着式の接触手段は、ブーツ装着式または手持ち式の慣性センサーに従って、座標更新停止またはゼロ更新停止のような補正を始動させようとする時、ユーザーによって動かされている。
【０００５】
シリコンジャイロ技術の最近の進歩により、ジャイロをシリコン生産ラインで生産することができるようになった。これは、サイズの小型化、大量生産および低コストという利点を持つ。しかし、ジャイロの性能は、ＩＮＵ動作の場合、結果が低調である。これらのジャイロおよび同様にシリコン加速度計は、低性能のＩＮＵを基にしており、きわめて短い期間の使用に限った自立型の浮動ナビゲーションを提供する。
【０００６】
したがって、野外における地形ナビゲーションを実行するために、通常の野外動作および状況に関して適切な性能を与えるシステム性能の強化と共に、小型サイズで低コストのジャイロスコープを利用することができる一般に改良されたシステムが必要である。
【０００７】
本発明の第一の形態によれば、車両運搬手段による補助無しで、地形を進む有脚動物（２）のための地形ナビゲーション装置は、前記有脚動物の第一の速度、第一の方位および第一の位置を表す信号を提供するために動作可能な６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込んだ前記有脚動物の位置、速度および方位を決定するための第一のシステム（５９）を備え、検知手段が、有脚動物の第一の速度、第一の方位、及び第一の位置を表す複数の出力信号を提供するために動作可能であり、第一システム（５９）が結う局動物の下肢領域または足に配置可能であり、また前記有脚動物（２）の足（１３ａ、１３ｂ）の運動を記述する速度分布では、速度がゼロであるべき期間の信号を、を確立するための接触手段（１１）を備え、期間が周囲の地形（３）とそれぞれの足との完全な接触または部分的な接触に対応する、地形ナビゲーション装置であり、
６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込んだ前記有脚動物（２）の位置、速度および方位を決定するための第二のシステム（４）を備え、その検知手段が、前記有脚動物の第二の速度、第二の方位および第二の位置を表す信号を提供するために動作可能で、前記第二のシステム（４）が、前記有脚動物（２）の下肢領域（５、５ａ）に配置可能であり、誤差推定手段（１５）を備え、その誤差推定手段が、複数の入力信号として期間中に速度分布を受信し、速度分布からゼロ速度の更新を利用し、且つ複数の有脚動物（２）の複数の第一位置推定値を生成するため、第一のシステムに関連する推定値または誤差を、複数の検知手段出力信号（６１、６３、６５）に与え、第一のシステム（５９）における速度誤差を修正するため、複数の誤差推定値が第一のシステム（５９）からの複数の出力信号と相互作用し、第一のシステム（５９）からのゼロ速度更新を利用して、第二のシステム（４）における速度誤差を最小にし、第二システム（４）からの有脚動物（２）の第二位置の推定値を生成し、更に少なくとも一つの加算ステーション（５１、７１）を備え、その加算ステーションが、誤差推定手段に入力すべき位置の差を与え、第一及び第二のシステム（５９、４）に対する修正を生成するため、誤差推定手段（１５）により推定された誤差によって、第一の位置と第二の位置が修正される時に、第一の位置と第二の位置とを組み合わせることを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、装置は人の形をした有脚動物に取り付けるのに適している。
【０００９】
好都合には、各検知手段は、三つの互いに直交する比力センサおよび三つの互いに直交する角速度センサを備える。
【００１０】
有利には、接触手段は、整合フィルタ装置に接続される。
【００１１】
好ましくは、接触手段は、圧力スイッチ装置である。
【００１２】
好都合には、速度分布は、第一のシステムからの第一の速度出力である。
【００１３】
有利には、誤差推定手段は、カルマンフィルタを含む。
【００１４】
好ましくは、装置は有脚動物の真の方位を決定するための方位手段が設けられ、方位手段は、第二のシステムに関連して作動する。
【００１５】
好都合には、方位手段は、磁気方位を出力するように動作可能な磁気コンパスである。
【００１６】
有利には、衛星無線ナビゲーションシステムが設けられ、衛星無線ナビゲーションシステムは、第一のシステムに関連して作動する。
【００１７】
好ましくは、衛星無線ナビゲーションシステムは、ＧＰＳ位置およびＧＰＳ速度を出力するように動作可能な全地球測位システム（ＧＰＳ）である。
【００１８】
好都合には、第一のシステムは、有脚動物の下肢領域に配置可能である。
【００１９】
有利には、第一のシステムは、有脚動物の足に配置可能である。
【００２０】
好ましくは、二つの第一のシステムがあり、それぞれが有脚動物の一方の脚の下肢領域に配置可能である。
【００２１】
好都合には、第一のシステムは、有脚動物の腰部領域に配置可能である。
【００２２】
有利には、有脚動物の第二の速度、第二の方位および第二の位置を表示する信号を提供するために動作可能である６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込んだ有脚動物の位置、速度および方位を決定するための第二のシステムを含むように形成される。
【００２３】
好ましくは、第二のシステムは、有脚動物の下肢領域に配置可能である。
【００２４】
好都合には、第二のシステムは、有脚動物の足に配置可能である。
【００２５】
有利には、二つの第二のシステムがあり、それぞれが有脚動物の一方の脚の下肢領域に配置可能である。
【００２６】
好都合にも、誤差推定手段によって推定される誤差を用いて、第一の位置および第二の位置が補正されている場合には、位置の差を生じ、それゆえ、位置の差が誤差推定手段への入力として受信されるようにするために、第一の位置および第二の位置を結合するための位置加算ステーションが設けられる。
【００２７】
本発明は、ヒトなどの足、ひづめ、スキーまたは脚における同類物によって地形に沿って移動する任意の有脚動物で使用するために適切であり、便宜上、以下の詳細において、有脚動物は人間として呼称する。
【００２８】
本発明をより理解するため、および同発明がいかにして実施されることができるかを示すために、ここで、一例として添付の図面を参照されたい。
【００２９】
図１〜６に示されているように、地形ナビゲーションを実行するための本発明の装置は、輸送運搬手段の支援によらず、有脚動物が足、スキーまたはひづめによって地形を進む状況において使用することを目的としている。システムは一般に、干渉、磁場の影響および悪い視界など外部の影響を受けやすい装備に頼るような作業を実行するために使用されることから、システムの性能における不連続性を生じ、重大な、潜在的に命を脅かす恐れのある結果となりうる。
【００３０】
したがって、添付図面の図１〜２に示されているように、本発明の第一の実施例による地形３を進む人間２のための地形ナビゲーション装置１は、人間２の第一の速度を表示する出力信号６１と、第一の方位を表示する出力信号６３と、人間２の第一の位置を表示する出力信号６５を、提供するために動作可能な、６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込んだ、位置、速度および方位を決定するための第一のシステム５９と、人間２の足１３ａ、１３ｂの運動を示す速度分布において、速度がゼロであるべき期間の信号１７を確立する接触手段１１と、を備え、その期間の信号は、周囲の地形３とそれぞれの足１３ａ、１３ｂとの完全な接触または部分的な接触に対応する。
【００３１】
また本発明は、位置、速度及びを測定する方位第二のシステム４を備えており、その第二のシステムは、人間２の第二の速度を表示する出力信号５と、第二の方位を表示する出力信号７と、第二の位置を表示する出力信号９を、提供するために動作可能な、６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込んでいる。第二のシステム４は、人間に臀部領域５５ａで取り付け可能である。
【００３２】
本装置はまた、入力信号としてゼロ速度期間の信号１７を受信し、出力信号として検知手段出力信号６１、６３、６５に関連する誤差１９の推定値を作成し、誤差１９が、出力信号６１、６３、６５と相互に作用し、人間２の地形ナビゲーションを実行する誤差推定手段１５を備える。図２および図５はいずれも、フィードバック構成を示しており、そこでは誤差が第一システムにフィードバックされる。フィードバック構成において、誤差推定値は第一のシステム４のそれぞれの出力を更新し、誤差推定値は各補正サイクルの後、ゼロにリセットされる。しかし、フィードフォワード構成において（図示していないが）、変数を更新する場合とは対称的に、誤差推定値は累算し、第一のシステム５９のそれぞれの変数と結合される。図２及び図５において、問題の特定の実施例に対応する誤差推定値は、上述のフィードバック構成では、位置、速度および方位を決定するためのそれぞれのシステムの後部への入力である。対応して、位置、速度および方位を決定するためのそれぞれのシステムからの出力は補正値であり、図２に示されるように、第一のシステム５９からの出力は、補正された第一の速度６１、補正された第一の方位６３および補正された第一の位置６５である。
【００３３】
位置、速度および方位を決定するための第一のシステム５９は、６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を具備することが可能な慣性計測ユニット（ＩＭＵ）を具備するストラップダウン式慣性航法システムであることが好ましい。これは、三つの互いに直交する比力センサおよび三つの互いに直交する角速度センサなどの６つの単軸運動または適切な二軸センサによって実行されてもよい。以下の本文において、これらの検知手段は、加速度計およびジャイロと呼称される。
【００３４】
システム５９からの出力６１、６３、６５は、誤差推定手段１５への直接入力として図２及び図５に示される。これらの出力は常に、たとえば第一の加算ステーション２９への入力６１として任意の付加操作に関係なく、直接に誤差推定手段１５へ入力を供給する。図２ではゼロ速度期間の信号１７の速度分布である誤差推定手段１５への入力測定値が当業界で既知である残りの監視手段によって提供される閾値条件を満足しないような状況であるならば、誤差推定手段１５は、補正された第一の位置、速度および方位５，７，９のみの入力を用いて、誤差１９を推定し続ける。誤差推定手段１５はカルマンフィルタであることが好ましいが、等価な種類のフィルタ装置のいずれであってもよい。次に、システムがフィードフォワード構成において動作している場合に上述のステーションを経て第一のシステム５９への更新が行われるのであれば、図２及び図５において２１に格納されるカルマンフィルタの出力１９は、誤差の最良推定量である。第一のシステム５９は、第一の位置、速度および方位６１、６３、６５の入力に加えて、誤差推定手段１５への姿勢（傾斜およびバンク）（図示せず）の入力を供給することができる。
【００３５】
人間２の足１３ａ，１３ｂの運動を記述する速度分布は、ゼロ速度期間の信号１７における速度分布から導出され、第一のシステム５９からの補正された第一の速度６１の出力であってもよい。速度分布は、人間２の水平方向または鉛直方向の速度のいずれであってもよいが、水平方向の速度が好ましい。水平方向の速度は、「水平チャネル」のために使用され、鉛直方向の速度は、「鉛直チャネル」のために使用され、高度および高度変化率にのみ影響を及ぼす。ゼロ速度期間の信号１７が補正された第一の速度６１から導出される場合には、補正２３のための不連続性を考慮するため、速度がゼロになるべき期間の信号を確立するための接触手段１１が、整合フィルタであり得るステーション２９に接続されている。補正された第一の速度６１から得られた場合の代表的な補正された第一の水平方向の速度分布３６が、図３に示されている。速度３６がゼロからずれて示されており、それは生じる可能性がある速度誤差の増大を示している。但し、速度６１が上述したように、その関連誤差推定値２３によって補正されているため、これは＜＜1m/sの最小量であることが望ましい。
【００３６】
その特性が前もって知られているような波形が発生する場合には、確立するために、整合フィルタが当業界で既知である。これを実行するための一つの方法が図３に示されており、相関関数４０を発生するために、速度分布３６と同様の基準波形３８が、速度分布と混合される。次に、ゼロ速度期間の信号１７が開始される位置を示す相関関数４０の最大値４２からゼロ速度期間の信号１７を導出することができる。基準波形３８は、ストライド期間４４を表し、０の期間は地面３の上の足１３ａ，１３ｂを表し、１は空中の足１３ａ，１３ｂを表している。図４に示されているように、この波形は、０および１の期間の配分が変化するような歩行および／またはランニングの用途に特に適しており、これは、必要な期間の長さを調整することによって簡単に説明されることができる。基準波形３８が接触手段１１によって開始されるため、一旦、相関関数の最大値４２が定義された後、接触手段１１に関連して作動するステーション２９が、ゼロ速度期間の信号１７中、誤差推定手段１５まで補正された第一の速度５をフィルタリングすることができる。
【００３７】
人間２が地形３を移動していない状況の場合には、速度分布３６が実質的に平坦であるため、整合フィルタはゼロ速度期間の信号１７を決定することができない。対応する自己相関も実質的に平坦であり、運動期間から静止期間を識別するために、この情報を使用することはできない。人間が移動している場合には期間にフラグを立てることから、速度分布３６の自己相関は、整合フィルタの計算と同時に行ってもよい。
【００３８】
整合フィルタの別法として、接触手段１１は、地面と人間の履物の接触を検知するために、人間のブーツに配置される圧力スイッチであってもよい。このような装置からの信号は、ステーション２９で補正された第一の速度６１と直接に組み合わせてもよいため、ブーツ／地面の接触の期間中、ゼロ速度期間の信号１７は誤差推定手段１５に送信される。
【００３９】
動作において、第一のシステム５９はまず、北を発見するためのジャイロコンパスに必要である。北の発見は、静止中に実行されることができ、参照としてゼロ速度更新を利用して実行されることができる。しかし、この緯度（50°）の地球の自転速度の水平成分は、約10°／時である。これは、1ラジアンの1／10（不十分であるが、これはシステムの初期設定を行うためには十分であるといえる）まで北を発見するために、わずかおよそ１°／時のドリフトを備えたジャイロが必要であることを暗示している。最新の光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、0.1°／時を実行しており、この種のジャイロは、北発見の実質的な手段となる。
【００４０】
接触手段１１が補正された第一の速度６１で動作する場合に、速度分布３６がゼロ速度期間の信号１７を含むようにするために、第一のシステム５９は、人間の下肢領域５５ｂにある必要があり、足（つま先またはかかと領域を示す）または足首のいずれかにあることが好ましい。したがって、第一のシステム５９は、人間２の履物、またはアンクルゲートルの上または中、または任意のレッグウエアの下部分の上または中に配置されることができる。冗長測定として、第一のシステム５９および付属装備は、両脚の下肢領域５５ｂに合うようにすることができる。
【００４１】
装置１は、第一のシステム５９に関連して補正された角速度、線形加速度および状態情報と共に、明確にするため図２にのみ示されている補正された第一の位置、第一の速度および第一の方位の最良推定量３４を制御および表示ユニット３２であってもよい外部インターフェースに伝達する。出力３４はさらに、誤差推定手段１５によって計算される不確かさを含み、位置誤差の共分散の観点からこのデータの品質の尺度を提供する。
【００４２】
添付図面の図２は、方位手段３７を備えた本発明の第一の実施例による人間２のための地形ナビゲーション装置１を、第二システム４に関連して動作する状態を示している。この実施例は、第一の実施例の装置に関連して動作する方位手段３７を設ける。方位手段３７は、人間３９の真の方位を決定するための結合ステーション３７ｃで補正された第一の位置９と結合される磁気コンパス３７ａを具備することができる。この方位手段３７は、地表における位置の関数として、３７ｃで磁気変動のために補正され、磁針北基準をオプションとして提供する。したがって、方位手段３７は、第一のシステム４の方位を初期化するために、上述のジャイロコンパシングの別の方法を提供する。真の方位基準３９は、ステーション４１で第一のシステム４からの補正された第一の方位７とは異なる。次に、第一のシステム４における方位誤差２５を観測し、上述したような相関関数を発生させるために、差４３は誤差推定手段１５へ入力される。方位手段３７は、共通の方位を確保するために、第一のシステム４に強固に取付けられる必要がある。
【００４３】
また添付図面の図２に示されているように、装置１は第二システム４に関連して動作する際の衛生無線ナビゲーションシステム４５を備えている。この実施例は、第一の実施例の装置に関連して動作する衛星無線ナビゲーションシステム４５を設ける。衛星無線ナビゲーションシステム４５は、人間の位置および／または速度を決定するために、全地球測位システム（ＧＰＳ）であることが好ましい。図２に示されているように、ＧＰＳ４５は、誤差推定手段１５への入力５３を供給するために、ステーション５１で第一のシステム４からの補正された第一の位置９とは異なるＧＰＳ位置４７を出力する。誤差推定手段１５へのさらなる入力を供給するために、ＧＰＳ４５はまた、補正された第一の速度５とは異なるＧＰＳ速度４９を出力する。これは誤差１９の複数の推定値を提供し、それによって、第二のシステム４における誤差を抑制するように作用する。第二のシステム４は、図２に符号４６で示されているように、方位、位置および速度データ５，７，９の形をとりうるＧＰＳ４５への支援情報を供給する。このような支援データは、ＧＰＳ４５と第一のシステム４との間の相乗作用を生み出し、そのフィルタ幅を狭くすることによって干渉を排除するＧＰＳ４５を実行することができる。
【００４４】
装置１は地形３で使用するためのものであり、第一のシステム５９は、人間２が歩いたり走ったりする場合に著しい加速度の影響を受けやすい人間２の足領域に配置されることができる。第一の実施例で必要とされる可能性があるような優れた仕様のジャイロは、グレードの劣るジャイロより重く、高価である傾向があるため、装備の性能、コストおよび重量との間で譲歩する場合がある。上述の断続性の問題があるが、測定が付加的な入力３７，４５によって支援されるため、本発明は、グレードの劣るセンサを使用することができるので、したがって、第一のシステム５９で使用される足領域に装着される装置の重量を軽減する。
【００４５】
この構成では、第一のシステム４は、図１に示されているように、人間の腰部または臀部領域５５ａの上または周囲に配置されることができ、第一のシステム４および第二のシステム５９がおよそ１ｍだけ離れるようにするために、第二のシステム５９は、下肢領域５５ｂに配置される必要がある。図２に示されるように、誤差推定手段１５への入力７３によって、二つのシステム間の位置の差の増大を観測するために、補正された第一の位置９および補正された第二の位置６５は、ステーション７１で識別される。真の位置の差は常に１ｍ程度であることが既知であるため、この制限を超える発散は二つのシステム４，５９における位置の差の増大によるものである。測定された対応物７３が観測され、上述の方法で二つのシステム４，５９に対する相関関数を発生させるために、誤差推定手段１５によって使用される。したがって、外部の支援ソース３７，４５は、人間の足領域１３ａ、１３ｂにおける重量を軽減し、今度は第一のシステム５９のみを保持するように、人間の腰部または臀部領域の上または周囲に配置されることができる。この配置、すなわち腰部領域５５ａは、合理的で優れた環境を提供し、物理的な損傷を最小限にとどめる。人体の中央は比較的動的ではないため、ここに保持する質量は、ユーザに最小限の慣性負荷を負わせる。
【００４６】
動作において、第一のシステム４は、ジャイロコンパシング（上述）および水準測量、すなわち装置１の重力のために局所的な加速度の方向を検出のための処理および第一のシステム４のプラットホームフレームをこの方向へ調整することなどの作業を行うために、すべての利用可能な入力３７，４５を利用して調整されるような大雑把なものであってもよい。後者は、ＧＰＳ４５を用いるか、動作のない期間を用いて実行することができる。したがって、第一のシステム５９は、第二のシステム４からのデータを用いて調整される大雑把なものであってもよい。したがって、これは微調整の期間に行われ、そこで両方のシステム４、５９からのデータが誤差推定手段１５の一部を形成しているカルマンフィルタなどのフィルタに、統合されることができる。測定および特徴機構との間に結合されるモデルと共に、測定および測定を行う装備機構の特徴が時間を通じて以下に変化するかのモデルによって、二つのシステム４、５９の間の相互作用およびその精度は、誤差推定手段１５において主に制御される。
【００４７】
第一のシステム５９はさらに精度の高いナビゲーションの解を推定することができる付加的な支援ソース３７、４５からの入力を備えているため、第一のシステム５９は第二のシステム４に対して送れる。第二のシステム４はまた、ジャイロコンパシングを設ける必要もあり得、それに関してセンサが、この機能を必要としないもの（第一のシステム５９）よりも、更にグレードの高いものと考えられる。第一のシステム５９の機能は、誤差推定手段１５へゼロ速度期間の信号１７を供給し、位置誤差２７を抑制することであり、従ってこの作業を実行するためには、グレードの低いセンサで充分である。したがって、第二のシステム４は、支援ソース３７，４５からの入力と共に、第一のシステム５９のゼロ速度期間の信号１７およびシステム４、５９間の位置が既知であり、一般に１ｍ程度という事実を利用する。したがって、二つのシステム４、５９の統合は、それぞれの弱点を相殺し、その強度を結合するため、歩く、走る、止まる、這うまたは登るの拘束条件下で作動する地形ナビゲーション装置１を生じる。明らかに、天候、信号の外乱などの環境条件が生じる状況において、支援ソース３７，４５からの外部データを得ることはできない。この環境において、ゼロ速度周期１７の入力は、更新する唯一の情報源であるといえる。
【００４８】
添付図面の図５は、人間２のための地形ナビゲーション装置１を示している。この第二の実施例は、図２の装置を表し、第三のシステム７５を含む。第三のシステム７５は、位置、速度、方位を決定するためであり、誤差推定値８３，８４，８５に基づいて補正された第三の速度、位置および方位７７，７９，８１として図５に示される第三の速度、第三の方位および第三の位置を表す信号を提供するために動作可能である６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込む。この構成では、第二のシステム４は、図１に示されているように、人間の腰部または臀部領域５５ａの上または周囲に配置されることができ、第一のシステム４、第二のシステム５９および第三のシステム７５がそれぞれおよそ1mだけ離れるようにするために、第二のシステム５９は下肢領域５５ｂに配置され、第三のシステム７５は人間の頭部領域５５ｃに配置される必要がある。用意されていて利用可能であるならば、ステーション８７で補正された第三の速度および位置７７，７９は、ＧＰＳの位置および速度４７，４９とは区別され、差８９，８９ａは、第三のシステム７５との相関関数の発生を支援するために、誤差推定手段１５へ入力される。利用可能であるならば、ＧＰＳ４５もまた、第三のシステム７５を初期化するために使用してもよい。
【００４９】
補正された第二の位置９および補正された第三の位置７９は、誤差推定手段１５への入力９３によって、これら二つのシステム間の位置誤差の増大を観測するために、９１で区別されることもできる。上述したように、真の位置の差は常に1m程度であることが既知であるため、この制限を超える発散は第一のシステム４および第三のシステム７５における位置の誤差の増大による。システム４，７５に対する相関関数を発生するために、これは観測され、誤差推定手段１５によって使用される。
【００５０】
第三のシステム７５は、第三の速度、位置および方位７７，７９，８１の入力に加えて、誤差推定手段１５への姿勢（傾斜およびバンク）（図示せず）の入力を付加的に供給することができる。ＧＰＳ４５が第三のシステム７５の出力７７，７９に結合される場合には、それがＧＰＳへの支援情報を提供する第三のシステム７５である。これは、ＧＰＳ４５が第二のシステム４と協働する図２の実施例と対比されることができる。それぞれの補正された位置出力９，６５による第一および第二のシステムとそれぞれの補正された位置出力９，７９による第二のシステムと第三のシステムとの間の位置情報の共有によって、システム全体を第二のシステム４および第三のシステム７５へのオプションの支援ソース（ＧＰＳ４５および方位手段３７）と第一のシステム５９への接触手段１１（ゼロ速度期間の信号１７）との両方の性能に基づくようにすることができる。これによって、この実施例の装置に低品質の慣性装置（ジャイロおよび加速度計）に関する性能を向上させることができる。
【００５１】
これは、第一のシステム４を装備した人体と明らかに異なるため、照準手段９５の方位測定を行うための付加的な構成要素、図６に概略的に示されるたとえば、照準または測距手段９５を装置１に付加することができる。これにより、照準データに他の人物およびシステムに情報を提供するために、照準手段９５の方位および位置のタグをつけることができる。さらに、地標などの既知の対象物が照準手段９５を用いて観測され、距離を測ることを行うことができ、このデータが第二のシステム４の位置を更新するための使用されることができる。照準手段９５は、さらなる位置、さらなる速度およびさらなる方位を決定するためのさらなるシステム９５ａおよび照準レーザ測距装置９５ｂを含むことが好ましく、さらなるシステム位置は、補正された第三の位置７９に関して図５記載されているのと同様の方法で、補正された第一の位置９に組み合わせてもよい。また、さらなるシステム９５ａからの他の出力、さらなる速度、方位およびオプションの姿勢およびバンクを誤差推定手段１５に入力してもよい。
【００５２】
図６に示された概略的な機能分割図は、また人体の中心は比較的動的でないため、ここに保持する質量はユーザに最小限の慣性負荷を負わせることから、人体の腰部領域に配置されるのに最も適したバッテリパックまたはたとえば、燃料電池などの電気エネルギーの他の供給源９７も設けられる。また、装置１を支持するために使用し、使用前の装置１の不正確または急な準備による電力損失の危険を避けるために、バッテリ９７を充電するために、オプションの手動クランクチャージャ９９を備えていてもよい。第二および第三のシステム５９，７５のそれぞれが、電力／データケーブル１００によって第二のシステム４に接続され、それによって、二方向の通信および電源の分散を形成する。ゼロ速度期間の信号１７に配置するために、圧力スイッチが接触手段１１にも受けられる場合には、ゼロ速度期間の信号１７から導出される補正速度出力を形成しているいずれのシステムにも直接接続される。圧力スイッチはまた、それぞれのシステムによって電源供給される。制御および表示ユニット３２は、上記の第一の実施例に関して記載したように、装置１によって生成されるデータを表示することによって、ユーザインターフェースを提供し、ユーザから入力されるコマンドおよびデータを受け入れるための一つの方法である。
【００５３】
制御および表示ユニット３２を人体に搭載する別の方法を設けるために、第三のシステム７５は第二のシステム４に直接接続されてもよく、また、バイザディスプレイなどのヘッドギア搭載型ディスプレイ１０１に連結されてもよい。また、ヘッドギアの方位測定情報を、他の人物またはシステムに情報を送信する任意のヘッドギア搭載型監視システムに備えてもよい。さらに、ヘッドギアディスプレイに関して所望の配置の方向を算出するために、第三の方位測定データを用いて、所望の配置の位置などの入ってくる情報をヘッドギアバイザディスプレイの上に表示することができる。ＧＰＳ４５および方位手段３７などの支援ソースへのインターフェースは、たとえば、１５５３またはＲＳ４２２インターフェースバスなどによって形成されてもよい。これらの支援ソースからのデータは常に利用可能というわけではないが、正確な総体的なナビゲーションの解を維持するために作用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置を身につけて、徒歩で地形を進む人間の概略側面図。
【図２】図１に示される人間の地形ナビゲーションを実行する場合に関して、本発明の第一の実施例による装置を示したブロック図。
【図３】図２の装置の一部分を形成する接触手段のグラフ図。
【図４】図２の装置の接触手段に適用可能な種々のストライド期間のグラフ図。
【図５】図１に示される人間の地形ナビゲーションを実行するための本発明の第二の実施例による装置を示したブロック図。
【図６】図２及び図５の装置用のハードウエアを機能的に分離して示したブロック図。

Claims (16)

1. 車両運搬手段による補助無しで、地形を進む有脚動物（２）のための地形ナビゲーション装置であって、
   前記有脚動物の第一の速度、第一の方位および第一の位置を表す信号を提供するために動作可能な６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込んだ前記有脚動物の位置、速度および方位を決定するための第一のシステム（５９）を備え、検知手段が、有脚動物の第一の速度、第一の方位、及び第一の位置を表す複数の出力信号を提供するために動作可能であり、第一システム（５９）が有脚動物の下肢領域または足に配置可能であり、また前記有脚動物（２）の足（１３ａ、１３ｂ）の運動を記述する速度分布では、速度がゼロであるべき期間の信号を確立するための接触手段（１１）を備え、期間の信号が周囲の地形（３）とそれぞれの足との完全な接触または部分的な接触に対応する、
   地形ナビゲーション装置において、
   ６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込んだ前記有脚動物（２）の位置、速度および方位を決定するための第二のシステム（４）を備え、その検知手段が、前記有脚動物の第二の速度、第二の方位および第二の位置を表す信号を提供するために動作可能で、前記第二のシステム（４）が、前記有脚動物（２）の下肢領域（５、５ａ）に配置可能であり、
   誤差推定手段（１５）を備え、その誤差推定手段が、複数の入力信号として期間中に速度分布を受信し、速度分布からゼロ速度の更新を利用し、且つ複数の有脚動物（２）の複数の第一位置推定値を生成するため、第一のシステムに関連する推定値または誤差を、複数の検知手段出力信号（６１、６３、６５）に与え、第一のシステム（５９）における速度誤差を修正するため、複数の誤差推定値が第一のシステム（５９）からの複数の出力信号と相互作用し、第一のシステム（５９）からのゼロ速度の更新を利用して、第二のシステム（４）における速度誤差を最小にし、第二システム（４）からの有脚動物（２）の第二位置の推定値を生成し、
   更に少なくとも一つの加算ステーション（５１、７１）を備え、その加算ステーションが、誤差推定手段に入力すべき位置の差を与え、第一及び第二のシステム（５９、４）に対する修正を生成するため、誤差推定手段（１５）により推定された誤差によって、第一の位置と第二の位置が修正される時に、第一の位置と第二の位置とを組み合わせること、
   を特徴とする地形ナビゲーション装置。
2. 前記有脚動物が、ヒト（２）であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記検知手段が、三つの互いに直交する比力センサおよび三つの互いに直交する角速度センサを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記接触手段（１１）が、整合フィルタ装置（２９）に接続されるでことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記接触手段（１１）が、圧力スイッチ装置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記速度分布が、前記第一のシステム（５９）からの前記第一の速度出力であることを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
7. 前記誤差推定手段（１５）が、カルマンフィルタを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記有脚動物（２）の真の方位を決定するための方位手段（３７）を含み、前記方位手段（３７）が前記第二のシステム（４）に関連して作動することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記方位手段（３７）が、磁気方位を出力するために動作可能である磁気コンパス（３７ａ）であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 衛星無線ナビゲーションシステム（４５）を備え、前記無線ナビゲーションシステムが前記第二のシステム（４）に関連して動作することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記衛星無線ナビゲーションシステム（４５）が、ＧＰＳ位置およびＧＰＳ速度を出力するために動作可能な、全地球測位システム（ＧＰＳ）であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 請求項１１に従属し、前記有脚動物（２）の位置、速度および方位を決定するため、６自由度における慣性運動を検知するための検知手段を組み込んだ、第三のシステム（７５）を備え、その検知手段が、前記有脚動物の第三の速度、第三の方位および第三の位置を表す複数の出力信号（７７、７９、８１）を提供するために動作可能なであること、を特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 別の加算ステーション（８７）を備え、その加算ステーションが、ＧＰＳ速度（４７）と位置（４９）から、補正された第三の速度（７７）と補正された第三の位置（７９）との差を区別するために動作可能で、誤差推定手段（１５）に入力すべき差（８９、８９ａ）を提供して、第三のシステム（７５）に関する補正を生成する際に補助することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 別の位置と別の速度と別の方位を測定する別のシステム（９５ａ）と、照準装置（９５ｂ）とを組み込んだ、照準または測距手段（９５）を備えることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 第二システムに連結され、有脚動物（２）に関する情報を表示し、それから制御指令を受け入れるための、制御及びディスプレイユニット（３２）を備えることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. ディスプレイ（１０１）を取り付け可能なヘッドギアを備えることを特徴とする請求項１４に記載の装置。

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