专利名称：跟踪方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于跟踪人或动物的方法和设备。
背景技术：
无线电定位系统例如GPS是熟知的，但是虽然该系统一般具有好的长期的精度，它们的短期精度可能是差的，特别是在杂乱的多路环境中。已经应用惯性传感器来改进无线电定位系统的性能，所述无线电定位系统用于飞机、船只、潜艇的导航，最近用于交通工具例如轿车和卡车的导航。加速度数据可以被积分以获得速度数据，并且再次积分产生位移。类似地，陀螺仪的速度数据的积分产生角度或航向数据。利用三轴的传感器，可以跟踪在三维中的运动。这种位置数据的一个重要特征是好的短期精度，虽然在传感器数据中的小的误差意味着长期精度是较差的。因而，通过组合无线电定位数据和传感器数据，它们具有互补的性能，可以改善总的精度。
本发明涉及人或动物的跟踪。这种跟踪系统具有许多应用，包括户内的和户外的。所提出的方法的优选的应用是户内应用，此时无线电定位的性能较差或者不存在；例如GPS在大楼内不起作用。可能的应用包括办公室环境、医院/疗养院，高度安全的环境，其中人的可跟踪性是重要的，以及大楼内的消防。可以有利地使用本发明的户外应用是这样一些情况，其中大面积的导航系统例如GPS是不能应用的。一种可能的应用区域是运动会。在运动会区域中的应用是不同的，包括在跑道上的赛马的跟踪或者在跑道上或运动场上运动员的跟踪。运动会应用的一种改型是在和这些运动相关的训练活动中，其中的主要目的是获得和适应性相关的生物医学数据。在这种情况下，位置数据可以和医学传感器数据结合以提供当前由现有技术不能得到的附加信息。在所有这些应用中，位置数据被用于根据所述数据产生动画显示。
不过，具有许多和跟踪人或动物相关的问题，这些问题是被设计用于跟踪飞机、船只或汽车的其它系统不存在的。首先，具有由于其中可能使用这种系统的户内环境的问题，其中由于由多信号通路引起的误差使得无线电定位成为不精确的。
此外，包括在移动单元中的任何惯性传感器，例如在移动电话中的，必须是非常小的，因为这些单元必须很小而且重量轻，以便容易由人或动物携带。小的传感器尺寸限制了它们的性能，因此和在传统的惯性导航系统中使用的传感器相比，它们的精度要差得多。因为传感器的较差的精度，积分时间被限制为相当短的时间间隔，例如对于几米的位置精度为最大10秒钟。
此外，该装置不能被牢固地连附在身体上，因而不能精确地知道传感器的方位。确实，所述方位可以按照系统的每次使用而改变，使得该系统必须在每次使用时被重新校准。该装置可以由不同的人以不同的方式携带，例如，男人一般把该装置佩带在皮带或衣兜内，而女人则一般携带于手袋中。使用的传感器一般在偏斜时具有差的稳定性，因此如果积分的传感器输出要被实际使用则需要某种形式的实时补偿。此外，人体的运动比刚性物体例如飞机的运动要复杂得多，因此传感器输出一般被和活动(例如散步)相关的加速度和转动、而不是和改变位置有关的加速度主导。
总之，因为传感器以及操作环境的不同，传统的用于积分惯性的传感器数据的方法用于跟踪人或动物是不合适的。
发明内容
按照本发明，一种用于跟踪人或动物的方法包括提供一种要由人或动物携带的移动单元，所述移动单元包括至少一个惯性传感器和用于从所述移动单元向基站发送数据的射频发送器；使用所述惯性传感器的输出数据来计数由人或动物行进的步数；以及根据人或动物行进的步数和步长预测人或动物的位置。
在这个方法中，人或动物行进的步数由惯性传感器(例如加速度计或速率陀螺仪)的数据确定。如果人或动物沿着已知的路径行进，例如在跑道上的运动员或赛马，则不一定需要方位数据来预测人或动物的位置。不过，移动单元最好包括用于检测运动的方向的传感器。可以使用两个磁力计沿两个垂直的方向测量地球的磁场，通过组合这些数据可以确定航向角的估计。此外，可以使用速率陀螺仪检测人或动物的转动。因为室内的地磁场可能受到磁异常的影响，这两类传感器可被有利地组合使用，以增加航向角确定的精度。具体地说，速率陀螺仪数据可以优选地用于滤除磁力计数据中的异常。
因为只使用惯性传感器的方法的长期精度可能较差，优选地本方法包括通过对照一个参考点(检查点)进行比较来周期地校正位置数据。这个功能可通过利用无线电定位系统例如GPS周期地对位置进行监视来实现。替换或额外地，可以使用地图匹配技术，其中把被预测的位置设置在一个地图上，例如大楼的地图，并相应地被校正。地图匹配需要识别在大楼的地图上的特定的检查点，这可以根据人或动物的不同的行为来进行。这种不同的行为可能是可以由惯性传感器检测的。不同的行为的例子可以包括90度的转弯(在大楼内非常普通)，以及上/下楼梯(其和散步具有不同的方式)。当检测到这种事件时，推算定位的位置和检查点的位置比较，如果误差足够小(例如5米)，则移动装置的位置相对于检查点的位置被校正。另一个可能性是借助于参考别的系统，例如在大楼中一个安全系统，周期地检查位置，从而需要钥匙或卡以通过门。
为了从计数的步数获得合理的精确的位移估计，必须知道平均的步幅。用户的步幅长度可被测量并作为一个参数被输入，不过最好是系统自动地确定这个参数。如果在两个已知位置之间的步数被测量，则可以确定平均的步幅长度。已知位置可以基于精确的无线电定位与/或借助于地图匹配技术获得。最好是，这个步幅长度参数被定期地更新。
在一个优选实施例中，该系统被用于运动训练，并且移动单元还包括至少一个生物传感器，用于获得和适应性相关的生物医学数据。例子包括心脏速率监视器或呼吸速率监视器。位置和惯性传感器数据可被组合而导出例如步幅长度和速率、速度、一次来回所需的时间等参数，并且这可以和生物传感器数据例如心率以及呼吸速率匹配。实际上，位置/惯性数据是“输入”，生物传感器测量是“输出”。组合这两组数据提供关于身体适应性的好的信息。系统允许在教练和运动员之间进行实时的交互作用，使得根据演练的实时观察使演练任务满足教练的要求。射频还可以用于向运动员进行生物反馈，并可以使用自动提示在给定的任务中引导运动员。
本方法可以包括产生指示人或动物在地图上的位置的动画显示。地图可以是大楼的或运动场跑道的或比赛场地的地图。
下面结合
本发明的优选实施例，其中图1表示对于一个散布的人在3个轴上测量的加速度计数据；图2表示测量的罗盘航向数据以及使用速率陀螺仪数据进行校正的结果；图3表示测量的路径；以及图4是表示图3的例子的从移动单元到基站的范围的曲线。
具体实施例方式
优选实施例涉及室内的位置确定，特别是在大楼内的位置确定。使用惯性数据进行的室内操作的基础是通过计数步数和利用罗盘测量行进的方向来估算足迹(由速率陀螺仪数据校正的)。可以由加速度计数据确定步数。图1表示对于一个散布的人在x轴1、y轴2和z轴3上的加速度计数据的例子，可以清楚地看出，可以在所有的三个轴上检测每个单一的步。此外，这些数据还可以用于检测人在何时是静止的，因此可以推断运动和静止两个状态。
如图2所示，使用的第二种类型的传感器数据是罗盘或航向角。使用两个磁力计沿两个垂直方向测量地球的磁场，并通过组合这些数据确定航向角的估计。图2示出了磁力计数据4，并且可以看出在磁力计数据4中具有异常。这个行为是因为户内的地磁场可能受到磁异常性的影响，当围绕大楼运动时这一般引起计算的航向角的局部改变。借助于应用互补滤波器，可以把这些短期的改变减到最小，其中利用速率陀螺仪的短期稳定性和罗盘的长期稳定性来获得航向数据的较好的精度。图2表示经过滤波的数据5，其中大大地消除了异常性。
通过组合由计数步数推断的位移和航向数据，可以确定作为时间的函数的位置的估计。注意，这些位置数据是相对于最初开始点，不过如果该点已知(使用无线电定位或某些其它技术)，则位置可被绝对地确定。这种技术被称为“推算定位”。
为了从脚步的计数获得合适精度的位移估计，必须直知道平均步幅长度。虽然个人(移动单元的用户)的步幅长度可被独立地测量并作为参数被输入，但是较好的方法是系统自动地确定这个参数。如果在两个已知位置之间的脚步的数量被测量，则可以确定平均步幅长度。所述已知位置可以基于精确的无线电定位或在下面被进一步说明的地图匹配技术。因而可以组合“真实”的位移和脚步数量以确定平均步幅长度。然后可以使用这个步幅长度估计进一步推算定位，直到达到另一个已知的点。位置定位的精度和步幅长度的改变以及航向精度有关。例如，如果平均步幅长度为1米的精度为5％，则典型的每秒1步的步速率在散步1分钟之后产生±3米的误差。如果推算定位每分钟被校正，则在所有时间的位置误差可以被封顶为±3米。这个户内精度有利地可以和例如GPS户外精度相当。图3表示由图1和图2的加速度计和罗盘数据中所示的原始数据积分6的例子和实际的路径7。圆圈表示各个脚步。
户内位置定位系统的一个重要要素是在“已知”位置或检查点的推算定位位置的定期更新。一种方法是使用无线电定位。例如当人接近于基站时，可以使用定时范围数据与/或信号强度数据确定位置在几米之内。所述范围可以通过测量从基站到移动单元再回到基站一个来回经过的延迟来确定。通过在设备中对所述延迟计数，可以使用无线电波的已知传播速度把来回的传播延迟转换成一个范围。
这由图4进行说明，该图表示对于上述的例子从基站到移动单元的范围。在大约8秒钟时足迹接近基站(2米)，因此此时所述位置被已知在2米之内。因而该位置可以使用基站位置作为检查点被更新。在测量的范围中的噪声把户内的精度限制在几米。如果测量到两个这种基站的范围，则可以确定位置。不过，精度取决于范围，并且随范围的增加而减小。在办公楼的内部的40米范围的一般的精度是10米的数量级。
不过，对于实际的实施，基站的数量将被限制。一种更精确的位置确定的方法是“地图匹配”。从大楼的地图提取用于地图匹配任务的检查点。检查点可以包括90到180度的转弯、楼梯、限制点例如门廊、要求卡或其它安全装置的安全点的大楼入口、以及公共休息位置(例如办公室内的桌子或椅子或在家庭中的床)。
一些检查点还可以和测量到基站的范围相关。如果结合推算定位法使用大楼的地图，则可以由地图和移动单元/人的运动推断位置。例如，如果位置在最初是已知的，则这个位置可以在大楼的地图上被定位。当人通过大楼散步时，可以把位置描绘在地图上。不过，所述位置不是任意的，因为路径一定不通过墙壁(例如)。在某些点，路径将通过限制点例如门廊。只要此时的推算定位精确到例如±3米，门廊便可以无误差地被设置在地图上，因而在此时在该点的位置被精确地已知。这种方法可用于定期地校正位置，因而防止误差无限制地随时间而增加。
这种定位系统还可以被增强作为系统测量活动和方向以及位置。例如，人的姿式可以由加速度计数据来确定，因此可以确定站立、散步、坐着和躺下之间的区别。这些活动还可以用于估计人的位置。例如，如果人在已知的房间内沿和操作计算机有关的方向坐着，则可以合理地假定此人实际上在计算机/桌子/椅子的位置。这种技术可用于对于一个特定的人来匹配活动/位置，因而提供人的活动轮廓，以及人的位置/足迹。这种类型的系统具有许多应用，包括监视处于危险位置的人，或者监视在其房间内的老人。任何不寻常的活动都可用于发出声音报警。关于活动的统计数据还是健康的有用的量度，因而可以设想用于医学技术。
提出的系统的优选实施例涉及户内位置定位应用，其中无线电定位的设备、传感器数据和其它的相关信息可被组合，以便获得位置数据。不过，本方法可以扩展到户外的应用，尤其是使用传统技术可以进行无线电定位和传感器数据的综合。例如，GPS单元可以提供外面的无线电定位数据(并使用传感器数据来校正)，同时另一个替换的无线电定位系统可用于户内。因而组合的系统可以提供户外和户内的无缝操作。
应当理解，这里对现有技术公开物的参考不构成使得该公开物形成澳大利亚或任何其它国家的公知技术的承认。
在下面的权利要求以及在前面的本发明的内容中，除去上下文的需要，否则由于表达的语言或者必须的含蓄，“包括”一词即“包含”的意思，即记载的特征可能和本发明的各个实施例中的其它特征相关联。
权利要求
1.一种用于跟踪人或动物的方法，包括提供一种要由人或动物携带的移动单元，所述移动单元包括至少一个惯性传感器和用于从所述移动单元向一个基站发送数据的一个射频发送器；使用所述惯性传感器的输出数据计数由人或动物行进的步数；以及根据人或动物行进的步数和步长数据预测人或动物的位置。
2.如权利要求1所述的用于跟踪人或动物的方法，其中所述移动单元包括用于检测运动方向的传感器。
3.如权利要求2所述的用于跟踪人或动物的方法，其中所述用于检测运动方向的传感器包括两个磁力计，它们沿两个正交方向测量地磁场。
4.如权利要求3所述的用于跟踪人或动物的方法，其中所述单元包括速率陀螺仪，其中所述方法包括以互补的方式使用所述速率陀螺仪以对磁力计数据滤波的步骤，以便滤除在磁力计数据中的异常。
5.如前面任何一个权利要求所述的用于跟踪人或动物的方法，包括周期地校正在已知位置的位置数据的步骤。
6.如权利要求5所述的用于跟踪人或动物的方法，其中校正所述位置数据的步骤包括利用无线电定位系统周期地监视所述位置。
7.如权利要求5或6所述的用于跟踪人或动物的方法，其中所述校正位置数据的步骤包括在地图上定位所述预测的位置，并相应地校正所述位置数据。
8.如前面任何一个权利要求所述的用于跟踪人或动物的方法，其中所述方法包括根据在两个已知位置之间行走的步数来确定步长的步骤。
9.一种用于跟踪人或动物的系统，包括由人或动物携带的移动单元，所述移动单元包括至少一个惯性传感器和用于从所述移动单元发送数据的一个射频发送器；用于从所述移动单元接收数据的基站；用于由所述惯性传感器的输出数据计算由人或动物行进的步数的装置；以及用于根据人或动物行进的步数和步长数据预测人或动物的位置的装置。
10.如权利要求9所述的用于跟踪人或动物的系统，其中所述移动单元包括用于检测运动方向的传感器。
11.如权利要求10所述的用于跟踪人或动物的系统，其中所述用于检测运动的方向的传感器包括两个磁力计，它们沿两个正交方向测量地磁场。
12.如权利要求11所述的用于跟踪人或动物的系统，其中所述单元包括速率陀螺仪，其中所述系统包括以互补的方式使用所述速率陀螺仪以对磁力计数据滤波的装置，以便滤除在磁力计数据中的异常。
13.一种要由人或动物携带的用于跟踪人或动物的移动单元，包括至少一个惯性传感器和用于从移动单元向基站发送数据的一个发送器。
14.如权利要求13所述的移动单元，包括用于检测人或动物的运动的方向的传感器。
15.如权利要求14所述的移动单元，其中用于检测运动方向的传感器包括两个磁力计，用于沿两个正交方向测量地磁场。
16.如权利要求15所述的移动单元，还包括速率陀螺仪。
17.如权利要求16所述的移动单元，还包括一装置，用于测量来自基站的信号的到达时间、并调节本地时钟以和基站的时钟同步，但由传播延迟和基站发送器以及移动接收器中的延迟的组合影响而延迟。
18.如权利要求16所述的移动单元，还包括和本地移动时钟同步的发送器。
19.一种用于跟踪人或动物的基站，包括用于接收来自由人或动物携带的移动单元的惯性传感器的输出数据的接收器；用于由所述惯性数据计数所述人或动物行走的步数的装置；以及用于根据人或动物行走的步数和步长数据预测人或动物的位置的装置。
20.如权利要求19所述的基站，其中所述接收器接收来自所述移动单元的磁力计和速率陀螺仪的输出数据，包括用于由速率陀螺仪数据导出一个滤波器的装置，以及用于对磁力计数据滤波以滤除磁力计数据中的异常的装置，以便得到人或动物的运动方向。
21.如权利要求20所述的基站，还包括用于确定来自移动单元的信号的到达时间的装置，以及用于在已知所测量的来回延迟和基站及移动设备中的延迟的情况下确定所述移动单元的距离的装置。
全文摘要
本发明披露了一种用于跟踪人或动物的方法。由人或动物携带一个移动单元，所述移动单元包括至少一个惯性传感器和射频发送器，用于从移动单元向基站发送数据。惯性传感器的输出数据用于计算由人或动物行进的步数，并根据人或动物行进的步数和步长数据预测人或动物的位置。
文档编号H04Q7/00GK1764933SQ200480007974
公开日2006年4月26日 申请日期2004年2月25日 优先权日2003年2月26日
发明者伊恩·夏普 申请人:联邦科学和工业研究组织