JP7332728B2 - ３ｄジオロケーションシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年１月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／２８６，８９６号の利益を主張する。

本開示は、３Ｄジオロケーションシステムに関し、より具体的には、本開示は、ＧＰＳ信号が存在しない場合に動作する３Ｄジオロケーションシステムに関する。

いくつかの活動では、常に人の位置を知ることが必要になる。例えば、消防士の場合、行動不能になると、部隊の指揮官は行動不能となった消防士のいる場所に救援を送ることができなければならない。レスキューチームの視界は非常に限られており、探索領域は通常制限されており、探索が速くなればなるほど、行動不能な消防隊員を救う機会が増える。同じ状況は、全地球測位システム（ＧＰＳ）信号にアクセスできない建物内または地下を移動する兵士にも当てはまる。

通常、ＧＰＳは利用可能である。しかし、建物によっては、ＧＰＳ信号を受信することが、もし信号が存在していても極端に制限される可能性がある。ＧＰＳがなければ、デッドレコニング以外には現在のところ明白な解決策は存在しない。このアルゴリズムは、慣性センサを使用し、本質的に、グローバル座標における加速度を計算する（センサの向きを把握することで、ローカル基準（すなわち、センサ）の測定加速度をグローバル座標系（すなわち、ワールド座標系）に変換することができる）。この数値積分は、誤差を累積する傾向があり、通常は移動距離の約３％である。ＧＰＳなしで１００ｍ移動すると、誤差は±３ｍとなり、したがって、救援を必要としているユーザがいるのがどのフロアなのかを正確に知るには大きすぎるため、１チームではなく３つの救援チームを送るか（すなわち、最上階、中間階、最下階）、または１つのチームの所要時間を３倍にする必要がある。さらに、慣性航法では、足が地面に接触しているときに「リセット」する必要がある。このリセットがなければ、誤差は指数関数的に増加する。言うまでもなく、誤った時刻にリセットが発生すると、誤差が増加する。

したがって、ＧＰＳ信号が存在しない場合に移動する人の３Ｄ座標を提供するための正確な３Ｄジオロケーションシステムが必要である。

本開示は、ユーザの変位を監視するためのジオロケーションシステムを提供し、本ジオロケーションシステムは、
ユーザの生体力学情報を提供する、ユーザの左右の足－足首構造に配置されるように構成された一対の慣性センサと、
ユーザの左右の大腿部および胴体の空間方向を示す情報を提供する少なくとも１対の空間方向センサと、
ユーザの左右の脛の空間方向を示す情報を提供する少なくとも１対の空間方向センサと、
慣性センサおよび空間方向センサと通信リンクを介して通信するプロセッサであって、命令を備える関連メモリを有するプロセッサであって、命令は、プロセッサ上で実行されると、以下のステップ、すなわち、
生体力学情報と、ユーザの左右の大腿部、胴体、および左右の脛の空間方向を示す情報とを受信するステップと、
生体力学情報と、左右の大腿部、胴体、および左右の脛の空間方向を示す情報とを使用してユーザの３Ｄ座標を計算するステップと、
ユーザの計算された３Ｄ座標を提供するステップと、を実行するプロセッサとを備え、
生体力学情報と、左右の大腿部、胴体、および左右の脛の空間方向を示す情報とは、ユーザの３Ｄ座標を連続的に計算するプロセッサに連続的に提供され、したがって、ユーザの変位を監視することを可能にする。

本開示はまた、上記で開示した３Ｄジオロケーションシステムを提供し、
ユーザの左右の大腿部および胴体の空間方向を示す情報を提供する少なくとも一対の空間方向センサが、ユーザの左右の脚－膝または大腿部－臀部に位置するように構成された一対の慣性センサであり、慣性センサが、ユーザの生体力学情報を提供し、
ユーザの左右の脛の空間方向を示す情報を提供する少なくとも一対の空間方向センサが、左右の膝および臀部に配置されるように構成された一対の角度位置センサである。

本開示はさらに、上記で開示した３Ｄジオロケーションシステムを提供し、ユーザの生体力学情報は、ユーザの左右の足－足首構造に配置されるように構成される慣性センサのそれぞれでの加速度を含み、ユーザの３Ｄ座標を計算するステップは、以下のサブステップ、すなわち、
グローバル参照系回転行列を適用することによって、ユーザの足に対してユーザの左右の足－足首構造に位置するよう構成される慣性センサのそれぞれの加速度を回転するサブステップと、
ユーザの左右の足－足首構造に配置されるように構成された慣性センサのそれぞれの位置を得るために回転加速度を二重積分するサブステップと、
ユーザの左右の大腿部、胴体、および左右の脛の空間方向の空間方向を示す情報を使用してユーザの姿勢を生成するサブステップと、
センサ融合アルゴリズムを使用して各慣性センサの位置をユーザの姿勢とマージして３Ｄ座標を得るサブステップと、を含む。

本開示はまたさらに、上述のような３Ｄジオロケーションシステムを提供し、慣性センサおよび空間方向センサが、ユーザが装着する外骨格および一対の装具装置のうちの１つによって提供される。

本開示はまた、上述のような３Ｄジオロケーションシステムを提供し、さらに、通信リンクを介してプロセッサと通信する遠隔監視システムを備え、通信リンクは、有線通信リンク、無線通信リンク、またはその両方の組み合わせである。

本開示は、上述のような３Ｄジオロケーションシステムをさらに提供し、さらに、ユーザの変位が監視されている構造の周りに配置される少なくとも３つの無線周波数センサビーコンを備え、メモリに格納される命令が、プロセッサ上で実行されると、さらに、ユーザの位置を三角測量するステップと、無線周波数センサビーコンの少なくとも３つから信号を受信した場合にユーザの位置をリセットするステップとを実行する。

本開示はまたさらに、上述のような３Ｄジオロケーションシステムを提供し、さらに、ユーザの変位が監視されている構造の壁の位置を提供する少なくとも１つのライダ型センサを備え、メモリに格納される命令が、プロセッサ上で実行されると、ドリフト誤差を制限するために、壁の位置がユーザが静止していることを示す場合に、回転加速度を二重積分するサブステップを停止するさらなるステップを実行する。ライダ型センサは、ユーザが着用する外骨格および一対の装具装置とのうちの一方によって提供することができる。

本開示の実施形態は、添付の図面を参照して、例示のみのために記載される。

ＧＰＳ信号がない場合の移動体の３Ｄジオロケーションに対する３Ｄジオロケーションシステムの概略図である。 図１の３Ｄジオロケーションシステムの代替実施形態の概略図である。 本開示の例示的な実施形態による３Ｄジオロケーション計算処理のフロー図である。 図１の３Ｄジオロケーションシステムのさらなる代替実施形態の概略図である。

異なる図で使用される同様の参照符号は、同様の構成要素を示す。

一般に、本開示の非限定的な例示的実施形態は、全地球測位システム（ＧＰＳ）信号が存在しない場合に、移動する人の３Ｄ座標を提供するための３次元（３Ｄ）ジオロケーションシステムを提供する。３Ｄジオロケーションシステムは、左右の足－足首構造に配置されるように構成された２つの慣性センサと、一連のセンサとを使用して、ユーザの下肢（脛、大腿部、胴体）の各区分の空間方向を測定する。例示的な実施形態では、３Ｄジオロケーションシステムは、左右の脚－膝構造または大腿部－臀部構造における２つの追加の慣性センサならびに左右の膝および大腿部の角度位置を示す情報を提供するセンサを使用し、例えば、米国特許第９，３７０，４３９号“ＬＯＡＤ ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＨＵＭＡＮ ＪＯＩＮＴＳ”に記載されているような、ユーザが着用する外骨格または装具装置によって提供することができる。ユーザの３Ｄ座標をこのように判定することは、膝および臀部角度と組み合わせられた慣性センサからのユーザに関する生体力学情報を使用して実行される。

既知の位置および方向（例えば、最後に把握したＧＰＳ位置および方向）から開始して、３Ｄジオロケーションシステムは、慣性センサによって計算された方向を使用して、加速度をグローバル座標系に回転させる。適切なフィルタリングおよび誤差補正による二重積分により、各慣性センサの位置が与えられる。同時に、各セグメント（脛、大腿部、胴体）の向きは、他の慣性センサに関する各慣性センサの相対位置の判定を可能にし、各ステップにおける最大誤差を最小にするのに役立つ。すべての慣性センサデータならびにセグメントの向き（例えば、膝角度および臀部角度）を使用するデータ融合アルゴリズムは、ユーザの位置を計算する際の精度を高めることを可能にする。

図１を参照すると、３Ｄジオロケーションシステム１０は、命令を備える関連メモリ１４を伴うプロセッサ１２を含み、その命令がプロセッサ１２で実行されると、以下でさらに説明する３Ｄジオロケーション計算処理１００のステップを実行する。３Ｄジオロケーションシステム１０はさらに、右２０ａおよび左２０ｂの足－足首構造に配置された慣性センサと通信するための入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１６と、右３０ａおよび左３０ｂの大腿部および胴体の空間方向を観測するセンサと、右４０ａおよび左４０ｂ脛空間方向を観測するセンサと、有線、無線、またはその両方の組み合わせとすることができる通信リンク１８を介したオプションの遠隔監視システム５０とを含む。

図２に示す３Ｄジオロケーションシステム１０の例示的な実施形態では、右３０ａおよび左３０ｂの大腿部および胴体の空間方向を観測するセンサは、それぞれ、右３０’ａおよび左３０’ｂの脚－膝または大腿部－臀部構造に位置する慣性センサの形態をとり、右４０ａおよび左４０ｂの脛の空間方向を観測するセンサは、それぞれ、右４０’ａおよび左４０’ｂの膝および臀部の角度位置センサの形態をとる。

角度位置センサ４０’ａ、４０’ｂは、角度位置を示す情報を提供する任意のセンサの形態をとることができ、または膝角度および臀部角度が直接測定によって判定され得るように角度位置を生成すること、または様々なタイプのセンサによって提供される生体力学情報から導き出すことができることが理解されるべきである。

３Ｄジオロケーションシステム１０は、慣性センサ２０ａ、２０ｂ、３０’ａ、３０’ｂならびに膝および臀部の角度位置センサ４０’ａ、４０’ｂのそれぞれから生体力学情報、例えば、向き、測定回転、および測定加速度を取得し、ユーザの３Ｄ座標を計算する。任意選択的に、この情報は、ユーザの変位の監視を可能にするために、通信リンク１８を介して遠隔監視システム５０に提供される。

ここで図３を参照すると、プロセッサ１２（図１および図２参照）によって実行される３Ｄジオロケーション計算処理１００の用例のフロー図が示される。ユーザの各ステップで実行される処理１００のステップは、ブロック１０２から１１０によって示される。

処理１００はブロック１０２で開始し、慣性センサ２０ａ、２０ｂ、３０’ａ、３０’ｂのそれぞれからの生体力学情報ならびに膝および臀部センサ４０’ａ、４０’ｂの角度位置がプロセッサ１２に供給される（すなわち、慣性センサ２０ａ、２０ｂ、右３０ａおよび左３０ｂ大腿部および胴体空間方向を観測するセンサ、ならびに右４０ａおよび左４０ｂ脛空間方向を観測するセンサ）。

次に、ブロック１０４において、各足の慣性センサ２０ａ、２０ｂに対する加速度が、回転行列を用いてグローバル基準系に対して相対的に回転される。例えば、慣性センサ２０ａ、２０ｂが、グローバル基準系に関して、それぞれ１０度、－２０度および３０度のロール、ピッチ、およびヨーを有すると仮定すると、その場合、各慣性センサ２０ａ、２０ｂの加速度ベクトルには、－１０度、２０度、３０度のロール、ピッチ、およびヨーに相当する回転行列が適用され、その結果、加速度は、鉛直加速度が慣性センサ２０ａ、２０ｂのトップ／ボトムではなく重力の反対に対応するグローバル基準系に関して表される。

ブロック１０６において、加速度は、二重積分され（すなわち、加速度は、時間ｔ＝０での速度に関する速度を得るために積分され、ついで、その速度が、時間ｔ＝０での位置に関する位置を得るために積分される）、誤差訂正されて、各慣性センサ２０ａ、２０ｂの初期位置が得られる。

ブロック１０８において、各慣性センサ２０ａ、２０ｂの位置は、慣性センサ３０’ａ、３０’ｂおよび角度位置センサ４０’ａ、４０’ｂによって提供される膝角度および臀部角度を使用して生成されるユーザの姿勢とのセンサ融合アルゴリズムとマージされ、３Ｄ座標の単一訂正ボディセットが得られる。

最後に、ブロック１１０において、ユーザの３Ｄ座標が提供される。

図４を参照すると、３Ｄジオロケーションシステム１０のさらに別の実施形態が示されており、これは、ユーザが移動している建物または他の構造の周りに配置される３つ以上の無線周波数（ＲＦ）センサビーコン６０をさらに含む。これらのＲＦセンサビーコン６０は、ユーザの位置を三角測量するために使用することができ、その結果、プロセッサ１２がＲＦセンサビーコン６０の少なくとも３つから信号を受信するときはいつでも、３Ｄジオロケーション計算処理１００は、ユーザの位置を正確に三角測量し、ユーザの位置をリセットすることができる。読み取りの間に、３Ｄジオロケーション計算処理１００は、様々なセンサ２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂ、３０’ａ、３０’ｂ、４０ａ、４０ｂ、４０’ａ、４０’ｂによって提供される信号により、ユーザの位置を判定する。

この代替実施形態では、３Ｄジオロケーションシステム１０は、ユーザが装着する外骨格または装具装置によって提供される少なくとも１つのライダ型センサ７０（または、他のマッピングセンサ）も含むことができる。少なくとも１つのライダ型センサ７０は、壁の位置を読み取り、３Ｄジオロケーション計算処理１００がドリフト誤差を制限するのを助ける。少なくとも１つのライダ型センサ７０からの信号が、ユーザがその周囲に関して比較的静止していることを示す場合、３Ｄジオロケーション計算処理１００は、現在の速度誤差を排除するためにブロック１０６での加速度の二重積分を停止する。

上述の代替実施形態では、少なくとも３つのＲＦセンサビーコン６０および少なくとも１つのライダ型センサ７０を別々にまたは組み合わせて使用することができることを理解されたい。さらに、少なくとも３つのＲＦセンサビーコン６０および／または少なくとも１つのライダ型センサ７０は、図２に示す３Ｄジオロケーションシステム１０の代替実施形態と共に使用することができることを理解されたい。

本開示は、特定の非限定的な例示的実施形態およびその例によって説明してきたが、特許請求の範囲で請求される本開示の範囲から逸脱することなく変更を本特定の実施形態に適用することができることが当業者には明らかであろうことに留意されたい。

Claims (8)

1. ユーザの変位を監視する３Ｄジオロケーションシステムであって、
   前記ユーザの左右の足－足首構造に配置されるよう構成される一対の慣性センサであって、前記慣性センサが前記ユーザの生体力学情報を提供する、一対の慣性センサと、
   前記ユーザの左右の大腿部および胴体の空間方向を示す情報を提供する少なくとも一対の空間方向センサと、
   前記ユーザの左右の脛の空間方向を示す情報を提供する少なくとも一対の空間方向センサと、
   通信リンクを介して前記慣性センサおよび前記空間方向センサと通信するプロセッサであって、前記プロセッサが、命令を備える関連メモリを有し、前記命令が、前記プロセッサで実行されると、以下のステップ、すなわち、
   前記生体力学情報と、前記ユーザの前記左右の大腿部、前記胴体、および前記左右の脛の前記空間方向を示す前記情報とを受信するステップと、
   前記生体力学情報と、前記左右の大腿部、前記胴体、および前記左右の脛の前記空間方向を示す前記情報とを使用して前記ユーザの３Ｄ座標を計算するステップと、
   前記ユーザの前記計算された３Ｄ座標を提供するステップと、
   を実行する、プロセッサと、
   を備え、
   前記生体力学情報と、前記左右の大腿部、前記胴体、ならびに前記左右の脛の前記空間方向を示す前記情報とが、前記ユーザの前記３Ｄ座標を連続的に計算する前記プロセッサに連続的に提供され、したがって、前記ユーザの変位の監視を可能にし、
   前記ユーザの前記生体力学情報が、前記ユーザの前記左右の足－足首構造に配置されるよう構成される前記慣性センサのそれぞれでの加速度を含み、前記ユーザの前記３Ｄ座標を計算する前記ステップが、以下のサブステップ、すなわち、
   グローバル基準系回転マトリクスを適用することにより前記ユーザの前記足に関して前記左右の足－足首構造に配置されるよう構成される前記慣性センサのそれぞれの加速度を回転するサブステップと、
   前記ユーザの前記左右の足－足首構造に配置されるよう構成される前記慣性センサのそれぞれに対する位置を得るために前記加速度を二重積分するサブステップと、
   前記ユーザの前記左右の大腿部、前記胴体、および前記左右の脛の前記空間方向を示す情報を使用して前記ユーザの姿勢を生成するサブステップと、
   前記３Ｄ座標を得るためにセンサ融合アルゴリズムを使用して各慣性センサの前記位置と前記ユーザの前記姿勢とをマージするサブステップと、
   を含む、
   ３Ｄジオロケーションシステム。
2. 前記ユーザの左右の大腿部および胴体の前記空間方向を示す情報を提供する前記少なくとも一対の空間方向センサが、前記ユーザの左右の脚－膝または大腿部－臀部構造に配置されるよう構成されて、前記ユーザの生体力学情報を提供する、一対の慣性センサであり、
   前記ユーザの左右の脛の前記空間方向を示す情報を提供する前記少なくとも一対の空間方向センサが、左右の膝および臀部に配置されるよう構成される一対の角度位置センサである、
   請求項１に記載の３Ｄジオロケーションシステム。
3. 前記慣性センサおよび前記空間方向センサが、ユーザが装着する一対の装具装置によって提供されるか、又は外骨格に配置される、請求項１から２のいずれか一項に記載の３Ｄジオロケーションシステム。
4. 通信リンクを介して前記プロセッサと通信する遠隔監視システムをさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の３Ｄジオロケーションシステム。
5. 前記通信リンクが、有線通信リンク、無線通信リンク、ならびに有線および無線通信リンクの組み合わせからなる群から選択される、請求項４に記載の３Ｄジオロケーションシステム。
6. 前記ユーザの前記変位が監視されている構造の周りに配置される少なくとも３つの無線周波数センサビーコンをさらに備え、前記メモリに格納される前記命令が、前記プロセッサ上で実行されると、前記ユーザの位置を三角測量するステップと、前記無線周波数センサビーコンの少なくとも３つから信号を受信する際に前記ユーザの前記位置をリセットするステップとを実行する、請求項１から５のいずれか一項に記載の３Ｄジオロケーションシステム。
7. 前記ユーザの前記変位が監視されている構造の壁の位置を提供する少なくとも１つのライダ型センサをさらに備え、前記メモリに格納される前記命令が、前記プロセッサ上で実行されると、ドリフト誤差を制限するために、壁の前記位置が前記ユーザが静止していることを示す場合に、前記加速度を二重積分する前記サブステップを停止するさらなるステップを実行する、請求項４から６のいずれか一項に記載の３Ｄジオロケーションシステム。
8. 前記ライダ型センサが、前記ユーザが着用する一対の装具装置のうちの一方によって提供されるか、又は外骨格に配置される、請求項７に記載の３Ｄジオロケーションシステム。