专利名称：：个人导航系统与相关方法
技术领域：
：本发明一般地涉及导航和/或定位跟踪的
技术领域：
。具体而言，本公开针对使用安装在脚上的惯性传感器的个人导航系统以及相关方法。
背景技术：
：如今已经开发出个人导航和跟踪系统以用于多种应用当中。在一个实例中，个人导航和跟踪系统对军事应用可以是有用的，用于在军事实践对抗演习期间和/或军事战场环境中跟踪和引导军事人员的移动。在另一个示例中，个人导航和跟踪系统对于野外勤务应用可以是有用的，用于跟踪已经被派遣到野外的野外勤务人员和/或车队。在又一个示例中，个人导航和跟踪系统对于第一响应者应用可以是有用的，用于跟踪和引导例如执法人员在犯罪现场或事故现场的位置、消防队员在事故现场或火灾现场的位置、以及/或者紧急医疗服务(EMS)人员在事故现场的位置。关于第一响应者应用，由于缺少有效的室内导航和跟踪系统而使得消防队员失去他们的生命。因此，对于开发用于室内使用的有效的导航和跟踪系统特别有兴趣。虽然用于室外的导航和跟踪系统已经使用例如全球定位系统(GPS)技术之类的基于卫星的导航系统得到了有效的实现，然而传统的用于在室内(诸如在建筑物之内)导航的系统通常是昂贵的或无效的。例如，与在建筑物内安装的射频标记的基站相关联的安装和运行成本是实质上难以克服的障碍。另外，在建筑物内射频导航信号(就像被基于卫星的导航系统所使用的那样)的不良接收阻碍其被广泛接受。更具体而言，室内环境为实现导航和跟踪系统造成了特别的挑战。例如，室内环境中的信号发送的特征在于存在反射、衰减、低信噪比以及信号多路效应；所有这些都会降低跟踪精度并且会妨碍信号获取。此外，多层建筑物为跟踪造成了另外的障碍，这是因为它们需要三维定位。另外类型的导航系统是惯性导航系统(INS)，这是一种使用计算机和运动传感器以在不需要额外参考的情况下经由航位推算(deadreckoning)移动物体的位置、指向和速度来连续进行计算的导航设备(navigationaid)。INS包括至少计算机和包含加速度计、陀螺仪或其他运动感测设备的平台或模块。典型的INS被初始地从其他源(操作人员、GPS卫星接收器等)提供其自身的位置和速度，并且随后通过累计从运动传感器接收的信息来计算其自身的更新的位置和速度。INS的优点在于一旦初始化之后，就不需要外部参考来确定其自身位置、指向或速度。惯性导航系统被用于许多不同的移动物体，包括车辆、飞行器、潜艇、空间飞行器和导弹。然而，它们的部件尺寸、成本和复杂性为INS实际应用的环境设置了限制。惯性导航系统的又一缺点在于它们要经受“累计漂移”。例如，将加速度和角速度测量中的小误差不断累计成速度中的较大误差，其又被复合为位置中更大的误差。这是每个开环控制系统中固有的问题。由于只是从之前的位置来计算新的位置，因此这些误差被累计，从而以大致上与从输入初始位置开始的时间成比例的速率增加。因此，必须通过来自一些其他类型的导航系统的输入来周期地校正定位。优良品质的导航系统的不精确度会是在位置上为每小时0.6海里并且在指向上为每小时十分之一度的量级。考虑到上述导航和跟踪系统的缺点，存在对于个人导航和跟踪的新方案的需要。具体而言，存在对于实际的、成本有效的个人导航和跟踪系统的需要，其在任何环境下都是高精度并且可靠的，并且其适合用于任何应用，诸如但不限于军事应用和第一响应者应用。
发明内容因此并且一般地，本发明针对一种个人导航系统以及相关联的方法，其解决或者克服了现有系统和方法中已知存在的一些或者全部缺陷。在一个优选且非限定的实施例中，本发明提供一种个人导航系统，包括至少一个与用户相关联的惯性传感器模块，该惯性传感器模块包括至少一个被配置用于产生与用户相关联的位置数据的传感器。通信设备被配置用于对位置数据的至少一部分进行接收和/或发送，并且现场计算机被配置用于与通信设备进行通信并接收位置数据的至少一部分。惯性传感器模块和/或现场计算机中的至少一个被配置用于至少部分地基于位置数据来确定用户的至少一个动作，并且将现场计算机编程为至少部分地基于位置数据对包括用户表示的显示进行配置。此外，所述确定和/或配置是实质上以实时方式执行的。在另一个优选且非限定的实施例中，本发明提供一种确定用户的位置的方法，该用户至少在一只脚上佩戴惯性传感器模块。该方法包括通过惯性传感器模块产生原始位置数据；至少部分地基于原始位置数据来确定用户的至少一个动作；对原始位置数据应用动作专属(activity-specific)的误差校正以产生校正位置数据；将校正位置数据以实质上实时的方式发送至现场计算机；以及至少部分地基于校正位置数据来配置用户的实时图形表示。在又一个优选且非限定的实施例中，本发明提供一种个人导航系统，其包括至少一个具有计算机可读介质的现场计算机，该计算机可读介质在其上存储有指令，其中当通过该计算机的处理器执行所述指令时，使得该处理器接收通过定位在用户脚上至少一个惯性传感器模块的至少一个传感器产生的位置数据；处理位置数据以至少部分地基于位置数据确定用户的至少一个动作；以及至少部分地基于接收的位置数据在显示器上以实质上实时的方式呈现用户的图形表示。在考虑到以下参考附图的说明书和所附权利要求书之后，本发明的这些和其他特征和特点，以及结构的相关元件的操作方法与功能、和部件与制造经济型的结合，将变得越来越明显，所有附图形成为本说明书的一部分，其中相同的参考标号在各个图中指示相应的部件。然而应当清楚地理解，这些附图只是用于示例说明和描述的目的而不是旨在作为对于本发明限制的定义。如在说明书与权利要求书中所使用的那样，除非在上下文中明确地进行规定，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”包括多个所指的物体。图1是根据发明原理的个人导航系统的示例的功能框图；图2A是根据本发明原理的个人导航系统的惯性模块的示例的功能框图；图2B是根据本发明原理的个人导航系统的惯性模块的示例物理实现的透视图；图3A是根据本发明原理的个人导航系统的个人通信设备的示例的功能框图；图;3B是根据本发明原理的个人导航系统的个人通信设备的示例物理实现的透视图；图4A是根据本发明原理的个人导航系统的现场计算机的示例的功能框图；图4B是根据本发明原理的个人导航系统的现场计算机的示例物理实现的透视图；图5是根据本发明原理的个人导航系统的操作方法的示例的流程图；图6A和图6B是使用根据本发明原理的个人导航系统所执行的误差校正的示例结果的表示图；图7至图10示出了主菜单，其是根据本发明原理的个人导航系统的应用程序软件的示例菜单以及跟踪特定目标的序列；图11至图13示出了根据本发明原理的个人导航系统的应用程序软件的主菜单的另一种视图；以及图14示出了可以经由根据本发明原理的个人导航系统的应用程序软件的特定菜单被显示的其他视图的示例。具体实施例方式出于在下文中描述的目的，术语“端部”、“上面的”、“下面的”、“右侧”、“左侧”、“竖直的”、“水平的”、“顶部”、“底部”、“横向的”、“纵向的”及其派生词应当涉及本发明如在附图中所指向的那样。然而，应当理解，本发明可以假定各种可替换的变形和步骤顺序，除非相反地特别进行了指定。还应当理解，在附图中示出并在以下说明书中进行描述的特定设备和处理仅仅是本发明的示例性实施例。因此，与在此公开的实施例相关的特定尺度以及其他物理特性并不被看作是限制。此外，应当理解，本发明可以假定各种可替换的变形和步骤顺序，除非相反地特别进行了指定。本公开描述了一种个人导航系统，其使用安装在脚上的惯性传感器以及相关联的方法。安装在脚上的惯性传感器由要受到导航和/或跟踪处理的个人进行佩戴。具体而言，通过使用特定算法和改进的误差校正处理，可以使用短距离无线电技术从安装在脚上的惯性传感器将精确的位置数据连同动作类型(例如，行走、奔跑、爬行、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐升降机以及乘坐自动扶梯)一起无线地发送至人员佩戴的通信设备。随后，经由长距离无线电技术将该信息从人员佩戴的通信设备发送至现场计算机。现场计算机上的应用程序软件获取并处理一个或多个目标的位置数据和动作信息，并且对现场处正在发生的动作的物理表示进行呈现，所有这些都是实时的。本公开的个人导航系统以及相关联的方法的一个方面在于其能够以实时的方式精确且可靠地跟踪室内和/或室外的一个或多个目标。本公开的个人导航系统以及相关联的方法的另一个方面在于其能够以实时的方式识别一个或多个目标的动作类型(例如，行走、奔跑、爬行、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐升降机以及乘坐自动扶梯)。本公开的个人导航系统以及相关联的方法的另一个方面在于一旦识别了动作类型，则将动作专属的误差校正应用于惯性传感器的原始位置数据以便产生精确地表示佩戴该惯性传感器的目标的位置的校正位置数据。本公开的个人导航系统以及相关联的方法的又一个方面在于其能够以实时的方式精确且可靠地呈现一个或多个目标的动作的图形表示。以此方式，提供了在现场处正在发生的动作的全貌。本公开的个人导航系统以及相关联的方法的又一个方面在于在被导航和/或跟踪处理的目标所佩戴的设备处本地地进行数据处理。从而，不是发送大量的原始数据，而是只将数据处理的结果以实时的方式从这些设备发送至现场计算机。以此方式，优化了个人导航系统的数据带宽需求。本公开的个人导航系统以及相关联的方法的再一个方面在于其较低的复杂性和较低的成本。虽然在第一响应者应用(例如，用于跟踪在建筑物中或附近的消防队员)的背景中提供了本公开的个人导航系统的以下描述，然而这仅仅是示例。本公开的个人导航系统并不仅限于第一响应者应用。而是，本公开的个人导航系统可以被用于任何室内或室外环境中的任何导航和/或跟踪应用。此外，本公开的个人导航系统并不限于对人员进行跟踪；其还适合于跟踪物体。图1示出了根据本公开的个人导航系统100的示例的功能框图。个人导航系统100是惯性导航系统(1赂)的示例，其特征在于(1)其能够以实时的方式精确且可靠地跟踪室内和/或室外的一个或多个目标，(其能够以实时的方式识别一个或多个目标的动作类型，(3)其能够以实时的方式精确且可靠地呈现一个或多个目标的动作的图形表示，以及(4)其较低的复杂性和较低的成本。个人导航系统100包括惯性传感器设备和通信设备的组合，这两者都可被系统的导航和/或跟踪操作的对象所佩戴。例如，一个或多个目标110可以与个人导航系统100相关联，其中每个目标110可以是作为该系统的导航和/或跟踪操作的目标的任意个体。在一个示例中，在第一响应者应用的背景中，每个目标110可以是在事故现场处的建筑物中或附近正在被跟踪的消防队员。每个与个人导航系统100相关联的目标110都佩戴惯性传感器模块112。惯性传感器模块112是安装在脚上的设备，其容纳了一个或多个惯性传感器(例如，一个或多个加速度计和陀螺仪)连同控制电子设备和软件。优选地，惯性传感器模块112安装在每个目标110的靴子上并且在每个目标110的脚踝以下。例如，可以经由皮带或安全带或者通过集成到靴子自身当中来在每个目标110的靴子上安装惯性传感器模块112。惯性传感器模块112的控制电子设备和软件能够处理原始位置数据(即，原始CTZ坐标)以便(1)确定各个目标110的动作类型以及(2)对原始数据应用动作专属的误差校正以便产生精确地表示其位置的“校正的”位置数据(即，校正MZ坐标)。另外，惯性传感器模块112具有用于传输其任何数据的短距离无线电能力。参考图2A和图2B对惯性传感器模块112的示例进行更加详细的描述。与个人导航系统100相关联的每个目标110还佩戴个人通信设备114。优选地，个人通信设备114具有短距离无线电能力和长距离无线电能力两者。例如，个人通信设备114的短距离无线电能力能够接收来自也被每个目标110佩戴的惯性传感器模块112的数据。另外，个人通信系统114的长距离无线电能力能够与没有在其近距离附近中的任何其他计算设备进行通信。例如，每个个人通信设备114都能够将从其对应的惯性传感器模块112接收的数据连同任何其他数据一起发送至，例如，现场计算机116。以此方式，被每个目标110佩戴的惯性传感器模块112和个人通信设备114的组合提供了这样一种手段，其用于将目标的精确位置信息提供至事故现场处的任何关注方。参考图3A和图;3B对个人通信设备114的示例进行更加详细的描述。现场计算机116可以是能够处理并执行程序指令的任何计算设备。现场计算机116通常可以是包括(或连接至)处理器和用户接口的任何设备。优选地，现场计算机116是便携式计算设备，诸如手持计算机、膝上型计算机或平板(tablet)设备。现场计算机116可以被例如正在监视和/或指导与个人导航系统100相关联的动作的任何个人所使用。继续第一响应者应用的示例，现场计算机116可以被指挥员118所使用。在此示例中，指挥员118可以是例如在火灾现场处的并且监视和/或指导目标110(其可以是消防队员)的动作的事故指挥员。现场计算机116具有用于从/向一个或多个个人通信设备114接收/发送数据的无线电通信能力。此外，在现场计算机116上驻留有软件应用程序，其用于以实时的方式对从个人通信设备114接收的任何信息进行处理，并且还是以实时的方式呈现现场处的目标110的动作的图形表示。参考图4A和图4B对现场计算机116的示例进行更加详细的描述。图1还示出了基准点120，该基准点120是个人导航系统100的所有惯性模块112对其进行初始化的公共基准点。基准点120是本地三维(3D)坐标系122的“原点”或0，0，0点，在初始化处理期间相对于个人导航系统100的惯性模块112建立该本地三维坐标系122。图2A示出了根据本公开的个人导航系统100的惯性传感器模块112的示例的功能框图。在此示例中，惯性传感器模块112包括控制电子设备210，其可以进一步包括处理单元212和功率管理电路214。处理单元212可以是能够执行程序指令(诸如那些来自惯性传感器模块112的控制软件224的程序指令)的任何标准控制器或微处理器设备。处理单元212被用于管理惯性传感器模块112的整体操作。功率管理电路214可以是用于执行惯性传感器模块112的功率管理功能的任何电路。在一个示例中，功率管理电路214提供功率调节并且可以被用于对惯性传感器模块112的电池216进行重新充电。优选地，电池216是可重新充电的电池，但可替换地，也可以是不可重新充电的电池。通常，控制电子设备210可以被用于管理数据获取操作、数据发送操作、设备上电和断电序列、初始化处理以及0，0，0基准点(诸如图1的基准点120)的获取。惯性传感器模块112包括一组惯性传感器220。例如，惯性传感器220可以包括一个或多个电磁传感器、多轴加速度计、陀螺仪、磁力计等。惯性传感器220可以被实现为较小的、成本较低的，微型机电系统(MicroElectroMechanicalSystems,MEMS)设备，而不是较大的、昂贵的军用级别的传感器。即使具有与较小的、成本较低的MEMS设备相关联的显著的“漂移误差”量，但是通过惯性传感器模块112的控制软件224的特定误差校正处理使得能够对其进行使用，所述误差校正处理能够允许来自MEMS的读数中的任何错误被充分地进行误差校正。在现有的惯性导航中这是不可能的。原始数据222表示原始的、未经处理的惯性传感器220的读数。惯性传感器(诸如惯性传感器220)包括那些对力进行测量并从测量的力推导出加速度、速度和位移的传感器。惯性传感器的一种类型是加速度计。加速度计是提供与加速度、振动和冲击成比例的输出的感测变换器。加速度计是用于测量加速度和重力引发的反作用力的设备。多轴加速度计(例如，3轴加速度计)能够将加速度的幅度和方向检测为矢量。加速度可以用术语g-force(其为物体加速度的度量单位)来表达。惯性传感器的另一种类型是陀螺仪。陀螺仪是对指向的改变做出反应的惯性设备，并且可以被用于保持指向或者报告指向中的改变。控制软件2可以包括，例如，零速修正(ZUPT)算法226，其用于分析惯性传感器220的原始数据222，然后确定具体动作类型，再然后应用动作专属的误差校正值230以便产生校正位置数据232。例如，ZUPT算法2执行的处理可以是基于参考以下文献进行描述的用于测量移动的系统和方法的于1995年12月12日提交的标题为“Systemandmethodformeasuringmovementofobjects”的美国专利No.5，724，265；于1997年6月17日提交的标题为"Systemandmethodformeasuringmovementofobjects，，的美国专利No.5，899，963；于1998年12月16日提交的标题为“Systemandmethodformeasuringmovementofobjects”的美国专利No.6，122，960；于1999年6月14日提交的标题为"Rotationalsensorsystem”的美国专利No.6，305,221；以及其任意组合，从而这些专利的全部公开内容通过引用合并于此。以示例的方式，’221专利描述了一种对人在奔跑或行走时的行进距离、速度和跳跃高度进行测量的设备。加速度计和旋转传感器连同执行数学计算以确定每一步的距离和高度的电子电路一起被放置在单独一只鞋中。射频发送器将距离和高度信息发送至手表或其他中央接收单元。手表或其他单元中的射频接收器被耦接至微处理器，其基于步距和经过的时间计算输出速度，并且从所有之前的步距来计算跑步者的行进距离。微处理器的输出被耦接至显示器，其显示跑步者或行走者的行进距离、速度或跳跃高度。可以基于，洸5、，963、，960和/或，221专利由ZUPT算法2执行的处理可以包括(但不限于)下列步骤。步骤1-连续分析惯性传感器220的原始数据222以便检测同时发生的两个状况的存在性。第一个要检测的状况是3个轴中加速度范数的最小值，例如使用惯性传感器220的3轴加速度计进行测量。即，如果3个轴的合成矢量是范数，则可以检测加速度的最小值。第二个要检测的状况是最小角速度范数，例如使用惯性传感器220的陀螺仪进行测量。步骤2-针对上述两个量检测“静止点”。当加速度范数和角速度范数同时处于最小值时，在下文中将其称作时间上的“静止点”。该静止点是基于惯性传感器模块112在每个目标110的脚处的位置的，这是因为脚是身体针对任何动作(例如，行走、奔跑、爬行、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐升降机以及乘坐自动扶梯)都停止的唯一部分。因此，检测至IJ“静止点”表示脚停止了。步骤3-测量惯性传感器220在时间上的“静止点”处表现出的任何动作表示传感器的漂移误差。以此方式，确定传感器的漂移误差。随后可以从读数中减去漂移误差以获得准确的动态测量结果。因此，一旦检测到时间上的“静止点”，就可以触发被称作零速修正或ZUPT的处理。步骤4-在ZUPT处理中，惯性传感器220的原始数据222被进一步分析以便确定目标110的脚的指向。步骤5-—旦确定了目标110的脚的指向，就可以将脚的指向与特定的动作类型相关联。例如，ZUPT算法226的动作类型2可以包含脚的指向与动作类型的相关性。可以在动作类型2中被关联的动作的类型可以包括(但不限于)行走、奔跑、爬行、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐升降机、乘坐自动扶梯等。步骤6-—旦确定了动作类型，ZUPT算法2可以应用其他验证处理以便保证已经准确地确定了动作的类型。步骤7-因为误差校正对于每种动作类型可以是不同的，所以一旦确定了动作的类型，就可以应用预定的动作专属的误差校正。例如，动作专属的误差校正值230的内容可以包括针对行走的唯一误差校正值、针对奔跑的唯一误差校正值、针对爬行的唯一误差校正值、针对跳跃的唯一误差校正值等等。可以根据’265,'963,'960和/或’221专利事先对这些动作专属的误差校正值来根据经验进行确定和表征。再次参考ZUPT算法226的前述处理步骤，因为“静止点”伴随特定目标110的每个脚步发生，所以可以在每个脚步处应用ZUPT，并因此，在目标110的每个脚步处校正惯性传感器220的漂移误差。结果是针对每个惯性传感器模块112的校正位置数据232。校正位置数据232包括动作类型信息以及位置信息。此外，校正位置数据232可以包括由处理单元212提供的时间戳信息以及用于识别信息源的设备ID。惯性传感器模块112还包括通信接口234，其可以被用于将校正位置数据232发送至外部设备(包括现场计算机116)。通信接口234可以是任何有线通信接口和/或无线通信接口，通过该通信接口可以与其他设备交换信息。有线通信接口的示例可以包括(但不限于)USB端口、RS232连接器、RJ45连接器、以太网及其任意组合。无线通信接口的示例包括(但不限于)内联网连接、因特网、蓝牙技术、Wi-Fi、Wi-Max、IEEE802.11技术、射频(RF)、红外数据协会(IrDA)兼容协议、局域网(LAN)、广域网(WAN)、共享无线访问协议(SWAP)、其任意组合以及其他类型的无线网络协议。优选地，惯性传感器模块112的通信接口234包括短距离无线电能力，诸如基于例如蓝牙@或Zigbee技术的短距离无线电236，其使用基于IEEE802.15.4标准的短距离无线通信标准。对于每个目标110，短距离无线电236有助于他/她的惯性传感器模块112与他/她的个人通信设备114之间的无线个域网(PAN)。图2B示出了根据本公开的个人导航系统100的惯性模块112的示例物理实现的透视图。例如，惯性传感器模块112可以被封装在外壳250中，如图2B所示。外壳250可以具有在险恶环境中进行操作所需的任意属性。例如，外壳250可以是粗糙的、防水的、耐热的、防尘的等等。外壳250的形状适合于安装在脚上，并且具体而言，被适当地定位于在所有时刻相对于脚都实质上相同的位置中。图3A示出了根据本公开的个人导航系统100的个人通信设备114的示例的功能框图。在此示例中，个人通信设备114包括控制电子设备310，其可以进一步包括处理单元312和功率管理电路316。处理单元312可以是能够执行程序指令的任何标准控制器或微处理器设备。处理单元312被用于管理个人通信设备114的整体操作。功率管理电路316可以是用于执行个人通信设备114的功率管理功能的任何电路。在一个示例中，功率管理模块316提供功率调节并且可以被用于对个人通信设备114的电池318进行重新充电。优选地，电池318是可重新充电的电池，但可替换地，也可以是不可重新充电的电池。通常，控制电子设备310可以被用于管理数据获取操作、数据发送操作、设备上电和断电序列、初始化处理等。控制电子设备310还可以包括输入设备接口314，其用于(有线地或无线地)连接至任意数量和类型的输入设备315。输入设备315可以是由目标110佩戴的和/或集成在目标110的设备之中或与之相关联的任意设备。例如，输入设备315可以包括环境传感器，诸如但不限于温度传感器、光传感器、湿度传感器等。输入设备315可以包括装备传感器，诸如但不限于PASS警报器或消防队员的氧气筒的气压传感器。输入设备315可以包括用于监视目标110的健康状态的生物传感器，诸如但不限于血压传感器、排汗传感器、心率传感器等。输入设备315可以包括其他设备，诸如但不限于数字摄像机和数字录音机。个人通信设备114包括本地存储器320，其用于存储例如设备数据322，设备数据322包括从输入设备315返回的任何读数。此外，设备数据322可以包括由处理单元312提供的时间戳信息以及用于识别信息源的设备ID。还可以存储在存储器320中的是从惯性传感器模块112接收的校正位置数据232，如图2A中所描述的那样。因为校正位置数据232和设备数据322包括时间戳和设备ID信息，所以它们可以通过任何数据处理应用程序进行关联。个人通信设备114还包括通信接口323，其可以被用于与惯性传感器模块112和任何其他外部设备(诸如现场计算机116)进行信息交换。通信接口323可以是任何有线通信接口和/或无线通信接口，通过该通信接口可以与其他设备交换信息。有线通信接口的示例可以包括(但不限于)USB端口、RS232连接器、RJ45连接器、以太网及其任意组合。无线通信接口的示例包括(但不限于)内联网连接、因特网、蓝牙技术、Wi-Fi、Wi-Max、IEEE802.11技术、RF、IrDA兼容协议、LAN、WAN、SWAP、其任意组合以及其他类型的无线网络协议。优选地，个人通信设备114的通信接口323包括短距离无线电能力，诸如基于例如蓝牙@或Zigbee技术的短距离无线电324，其使用基于IEEE802.15.4标准的短距离无线通信标准。对于每个目标110，短距离无线电3M有助于他/她的惯性传感器模块112与他/她的个人通信设备114之间的无线PAN。优选地，个人通信设备114的通信接口323还包括长距离无线电能力，诸如基于例如Wi-Fi技术的长距离无线电326，其使用基于IEEE802.11标准的无线通信标准。对于每个目标110，长距离无线电3有助于他/她的个人通信设备114与例如现场计算机116之间的无线LAN。图;3B示出了根据本公开的个人导航系统100的个人通信设备114的示例物理实现的透视图。例如，个人通信设备114可以被封装在外壳350中，如图;3B所示。外壳350可以具有在险恶环境中进行操作所需的任意属性。例如，外壳350可以是凹凸不平的、防水的、耐热的、防尘的等等。附接至外壳350的可以是连接器或皮带，其使得个人通信设备114可以被佩戴，诸如可以被佩戴在目标110的肩膀周围，如图1所示的那样。个人通信设备114可以是独立单元或者可以被集成在目标佩戴的其他设备之中，诸如消防队员佩戴的自持呼吸器(SCBA)。图4A示出了根据本公开的个人导航系统100的现场计算机116的示例的功能框图。在此示例中，现场计算机116包括控制电子设备410，其可以进一步包括处理单元412和用户接口414。处理单元412可以是能够执行程序指令的任何标准控制器或微处理器设备。处理单元412被用于管理现场计算机116的整体操作。现场计算机116的用户接口414可以由任何机制或多种机制的组合形成，用户可以通过用户接口414操作设备，并且可以通过用户接口414将由设备处理的信息表现给用户。例如，用户接口414可以包括(但不限于)显示器、耐用触板、键盘、鼠标、一个或多个按钮控制器、小键盘、音频扬声器、或者其任意组合。在一个示例中，图4B示出了显示器430和一组按钮控制器432。现场计算机116包括本地存储器420，其用于存储例如从连接至一个或多个个人通信设备114的输入设备315接收的设备数据322。还可以存储在存储器420中的是从一个或多个惯性模块112接收的校正位置数据232。因为校正位置数据232和设备数据322包括时间戳和设备ID信息，所以它们可以通过任何数据处理应用程序进行关联，诸如驻留在现场计算机116上的应用程序软件426。因为与多个目标110相关联的校正位置数据232和设备数据322被存储在存储器420中，所以存储器420提供被应用程序软件似6管理的个人导航系统100的数据仓库功能。现场计算机116还包括通信接口422，其可以被用于与一个或多个个人通信设备114进行信息交换。通信接口422可以是任何有线通信接口和/或无线通信接口，通过该通信接口可以与其他设备交换信息。有线通信接口的示例可以包括(但不限于)USB端口、RS232连接器、RJ45连接器、以太网及其任意组合。无线通信接口的示例包括(但不限于)内联网连接、因特网、蓝牙技术、Wi-Fi、Wi-Max,IEEE802.11技术、RF、IrDA兼容协议、LAN、WAN、SWAP、其任意组合以及其他类型的无线网络协议。优选地，现场计算机116的通信接口422包括长距离无线电能力，诸如基于例如Wi-Fi技术的长距离无线电424。长距离无线电4有助于现场计算机116与例如个人导航系统100的任意数量的个人通信设备114之间的无线LAN。现场计算机116的应用程序软件似6是用于获取和处理源自任意数量的惯性模块112的校正位置数据232和源自任意数量的个人通信设备114的设备数据322的软件应用程序。校正位置数据232和设备数据322被应用程序软件似6分析，以用于向用户表现任何有用信息的目的，并且具体而言，用于呈现在事故现场处的目标110的位置和动作的图形表示，诸如用于呈现在事故现场处的建筑物中或附近的消防队员的位置和动作的图形表示。应用程序软件426的一组菜单4提供了图形用户界面(⑶I)，通过该图形用户界面向应用程序软件4的用户显示图形表示，诸如向使用现场计算机116的指挥员118显示。参考图7至图14示出了菜单428的示例。图4B示出了根据本公开的个人导航系统100的现场计算机116的示例物理实现的透视图。在此示例中，现场计算机116被实现为包括显示器430和一组按钮控制器432的手持平板设备。图4B还示出了可以经由显示器430向用户表现特定菜单428。参考图1至图4B，参照图5描述用于跟踪佩戴各个惯性模块112和个通信设备114的一个或多个目标110的个人导航系统100的操作和使用。图5示出了根据本公开的个人导航系统100的操作方法500的示例的流程图。方法500可以包括(但不限于)可以按照任意顺序实现的以下步骤。在步骤510，执行系统初始化处理。例如，个人导航系统100的初始化处理可以包括针对其适当操作所需的任何预调节处理。例如，初始化处理可以包括捕捉每个惯性传感器模块112的惯性传感器220的初始漂移和偏差；将多个惯性模块112初始化到公共坐标系；以及导向(heading)，这允许多个惯性模块112彼此关联，等等。此外，初始化处理可以包括形成被每个目标110佩戴的特定惯性传感器模块112与特定个人通信设备114之间的硬联系(hardassociation)。以此方式，来自一个目标110的设备的数据传输不会与来自另一个目标110的设备的数据传输混淆。在步骤512，所有惯性模块112获取公共基准点(诸如图1的基准点120)并且惯性模块112开始产生位置数据。在一个示例中，可以将事故现场处的特定位置指定为所有目标110的公共出发点(launchoffpoint)。例如，所指定的出发点可以是现场处的建筑物的前门入口。在此情况下，每个目标110物理地去到在建筑物的前门入口处的指定出发点并且启动他/她的惯性传感器模块112的基准捕捉事件。这可以例如通过按压每个个人通信设备114上的“基准捕捉”按钮来发生，个人通信设备114将基准捕捉事件传达至其对应的惯性传感器模块112。随后，惯性模块112通过从惯性传感器220接收的累计信息来计算其自身的更新位置和速度。这样，惯性模块112开始产生位置数据，诸如原始数据222。在步骤514，在每个惯性模块处本地地分析原始位置数据以便确定静止点。例如，在每个惯性传感器模块112处，ZUPT算法2根据’265,’963、’960和/或’221专利来分析原始数据222以便确定其惯性传感器220的“静止点”，如参考图2A所描述的那样。在步骤516，在每个惯性模块处本地地分析原始位置数据以便确定动作类型。例如，在每个惯性模块112处，已经确定了其惯性传感器220的时间上的“静止点”之后，ZUPT算法2进一步分析原始数据222，以便根据’265、’963、’960和/或’221专利来确定与时间上的“静止点”处的惯性传感器220的移动和/或指向相关联的动作类型，如参考图2A所描述的那样。例如，ZUPT算法226的动作类型2可以包含脚的指向与动作类型的相关性。动作的类型可以包括(但不限于)行走、奔跑、爬行、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐升降机、乘坐自动扶梯等。在步骤518，向原始位置数据应用动作专属的误差校正以便在每个惯性模块处产生校正位置数据。例如，在每个惯性传感器模块112处，已经确定了动作类型之后，ZUPT算法226向原始数据222应用动作专属的误差校正值230以便在每个惯性模块处产生校正位置数据232。例如，ZUPT算法226可以根据，265、，963、，960和/或，221专利应用针对行走的唯一误差校正值、针对奔跑的唯一误差校正值、针对爬行的唯一误差校正值、针对跳跃的唯一误差校正值等等。校正位置数据232的内容包括，例如，误差校正的CTZ坐标、动作类型信息、时间戳信息以及设备ID信息。继续步骤518，参考图6A和图6B来说明根据，265、，963、，960和/或’221专利的由ZUPT算法2执行的误差校正处理的结果的示例。具体而言，图6A和图6B分别示出了使用根据本公开的个人导航系统100执行的误差校正的示例结果的图形600和图形650。图6A的图形600是“发生频率”对“作为估计距离的百分比的水平误差”的图表。图形600示出了数据点612的样本的柱形图，其中每个柱表示一个精度等级。图形600还示出了曲线614，其为针对不同的动作(例如，行走、奔跑、爬行、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐升降机以及乘坐自动扶梯)、不同的建筑物、不同的路径等的所有数据点612的平均值的图表。沿着图形600的χ轴，曲线614示出了行进距离的精度，结果在大约0%的误差与大约4%的误差之间，最多发生在大约0%的误差至2%的误差之间。通常，曲线614示出了在大约95%的时间获得了大约3%或更小误差的精度。图6B的图形650示出了针对爬行特定动作的“发生频率”对“高度误差幅度”的图表。图形650示出了针对爬行特定动作的数据点652的样本的柱形图，其中每个柱表示一个精度等级。图形650还示出了曲线654，其为针对爬行动作的所有数据点652的平均值的图表。沿着图形650的χ轴，曲线6M示出了行进高度的精度，结果主要在士3%的误差范围内。在步骤520，以实时的方式将校正位置数据232从惯性模块112发送至其对应的个人通信设备114。例如，每个惯性传感器模块112经由其短距离无线电236发送其校正位置数据。然后，通过对应的个人通信设备114的短距离无线电3M接收校正位置数据232。可以将校正位置数据232临时地高速缓存在个人通信设备114的存储器320中。可替换地，可以将校正位置数据232直接发送至现场计算机116。在步骤522，将校正位置数据232和任何其他数据(诸如设备数据322)以实时的方式从个人通信设备114发送至现场计算机116。校正位置数据232和设备数据322两者都可以包括时间戳信息和设备ID信息。而且，校正位置数据232的内容包括例如误差校正的XYZ坐标以及动作类型信息。在步骤524，以实时的方式处理在现场计算机116处接收的所有数据，以便呈现并显示在现场处的任何动作的实时图形表示。例如，在现场计算机116处接收的与所有目标110相关联的所有校正位置数据232和/或设备数据322被应用程序软件426以实时的方式处理，以便呈现并显示在现场处的任何动作的实时图形表示，其可以经由应用程序软件4的菜单4表现给用户。参考图7至图14示出了菜单428的示例。在一个示例中，图7、图8、图9和图10描述了跟踪与个人导航系统100相关联的特定目标110的特定序列。在步骤526，可以在现场计算机116与个人通信设备114之间执行任何双向通信。例如，在个人导航系统100的整个操作的任何时间，可以出于任何理由在现场计算机116与目标110的个人通信设备114之间执行双向通信，诸如提供导航指令和/或通知警报和/或任何其他有用的信息。图7、图8、图9和图10示出了根据本公开的主菜单700和跟踪特定目标110的序列，主菜单700为在个人导航系统100的现场计算机116处的应用程序软件似6的菜单428的示例。主菜单700是使用特定的颜色编码的和/或特定形状的图符的示例，以便允许个人导航系统100的用户快速地评价被派遣到事故现场的目标110的动作和位置。以示例的方式，将在图7至图10的主菜单700中示出的目标110描述为“消防队员”图标。具体而言，图7至图10的主菜单700包括一组一个或多个功能标签710。例如，主菜单700可以包括“!"earnView”功能标签710、“LocationView”功能标签710、“Playback”功能标签710和“DataControls”功能标签710。主菜单700包括其他工具条、按钮和用于执行和/或描述个人导航系统100的任何有用功能的任何其他图符。图7至图10示出了当选择了“LocationView”功能标签710时的主菜单700。该视图包括浏览窗口712，通过使用校正位置数据232和/或设备数据322在浏览窗口712中以实时方式呈现现场处的任何动作的图形表示。例如，在浏览窗口712中呈现的是结构体720的图像，其可以表示第一响应者事件的目标的建筑物。当没有关于结构体720的可用的电子信息时，应用程序软件4可以向用户提供线框的通用图像。诸如指挥员118之类的用户可以输入建筑物的宽度和高度以及楼层的数量。以此方式，可以呈现结构体720的图像。可替换地，不显示结构体的图像。在此情况下，目标110的图像可以看起来在空间中徘徊。然而，即使没有结构体的背景，应用程序软件4也能够有效地传送目标110的彼此相对位置和目标110的动作。在图7至图10的主菜单700的示例中，将基准点120描述为在结构体720外部并且与之接近的靶标图标。示出目标110a，其中目标IlOa的路径72(其描述了目标IlOa的移动)从基准点120处开始并且前进至结构体720的第一层中然后进入第二层。随着目标IlOa移动进入结构体720的内部，该序列的图8示出了发生报警状况。这是通过主菜单700的红色报警图标7M被显示给用户而图形地显示的。另外，当存在报警状况时，处于危险中的目标110的图标的颜色可以从黑色变成红色。在此示例中，目标IlOa的“消防队员”图标从黑色变成红色。在此示例序列中，目标IlOb在图7中被初始地显示为围绕结构体720外部，如路径722b所描述的那样。然而，一旦发生报警状况，指挥员118就可以命令目标IlOb进入建筑物并且辅助目标110a。在图8至图10的主菜单700中对此进行示出，其中目标IlOb的路径722b被示出进入结构体720的第一层然后进入第二层并且接近目标110a。精确地示出了两个目标110的位置和动作的该序列的实时呈现是以实时的方式分析目标IlOa和目标IlOb的校正位置数据232和/或设备数据322的结果。另外，与每个目标110的“消防队员”图标相关联的可以是ID信息，诸如目标的姓氏。此外，可以提供多个“消防队员”图标用于图形地指示多种动作类型中的每一个。在图7至图10的主菜单700中示出的示例中，“消防队员”图标可以指示行走的动作。另外，从设备数据322提取的其他信息可以被表现为与特定目标110相关。例如，目标IlOa和/或IlOb的氧气筒的气体水平可以沿着路径72和/或722b的行进被分别显示。再次参考图7至图10的主菜单700，在浏览窗口712中的视标714允许用户来选择例如在浏览窗口712中呈现的动作的某种程度的前视图、后视图、和侧视图。此外，可以在浏览窗口712中提供垂直上移(panup)、垂直下移(pandown)、和/或变焦控制(未示出)。图11、图12和图13示出了根据本公开的个人导航系统100的应用程序软件426的主菜单700的另一种视图。具体而言，图11、图12和图13示出了当选择“TeamView"功能标签710时的主菜单700。该视图包括第一面板1110和第二面板1112。在第一面板1110中显示的可以是各个队员级别的信息，而在第二面板1112中显示的可以是团队级别的信息。例如，在第一面板1110中，图11示出关于“Team1”的成员“Rick”和“Marcus”的信息的概览。该信息可以包括例如“Rick”和“Marcus”的当前传感器信息和当前动作类型信息。在第二面板1112中，图11示出了团队列表(诸如“Team1”和“Team2”)以及队员名称的视图。图12和图13示出了关于所选团队的各个队员的信息的扩展视图。例如，在主菜单700的第一面板1110中示出了“Team1”的六个成员的校正位置数据232和设备数据322中包括的详细信息。这些详细信息可以包括例如每个队员的MZ坐标、生物信息、气体管理数据、无线电链接验证、以及/或者撤离选项。另外，颜色编码的图标可以提供对于特定状况的状态的快速指示。例如，绿色图标可以指示令人满意的状况、黄色可以指示适度地令人满意的状况、而红色可以指示不令人满意的状况。在一个示例中，图12的第一面板1110示出了特定队员的信息中的“绿色”氧气筒图标，其视觉化地表示令人满意的气体水平(基于当前的气体管理数据)。这些颜色编码的含义可以延续至图12的第二面板1112中的特定图标，但是表示在团队级别的信息中。在另一个示例中，图13的第一面板1110示出了特定队员的信息中的“黄色”氧气筒图标和“红色”氧气筒图标，其分别视觉化表示适度地令人满意的气体水平以及不令人满意的气体水平。同样，这些颜色编码的含义可以延续至图12的第二面板1112中的特定图标，但是表示在团队级别的信息中。再次参考图7至图13，“Playl3aCk”功能标签710有助于个人导航系统100的回放特征。例如，一旦针对任何一个或多个目标Iio的校正位置数据232和设备数据322的集合被存储在存储器420中，则回放特征允许以非实时的类似电影的方式观看一个或多个目标110的任何动作。图14示出了根据本公开可以经由个人导航系统100的应用程序软件426的特定菜单4显示的其他视图的示例。例如，第一(3D)视图1410显示事故的3D视图。第二(顶)视图1412、第三(前)视图1414和第四(侧)视图1416共同地示出三个轴线的平面2D视图(例如，在3D视图1410中示出的事故的2D视图)。具体而言，顶视图1412示出在3D视图1410中示出的事故的鸟瞰视图，前视图1414示出在3D视图1410中示出的事故的前视图，而侧视图1416示出在3D视图1410中示出的事故的侧视图。总结并再次参考图1至图14，本公开的个人导航系统100以及例如方法500提供了以实时的方式精确且可靠地跟踪室内和/或室外环境中的一个或多个目标110的能力。此外，本公开的个人导航系统100和方法500提供了以实时的方式识别一个或多个目标110的动作类型(例如，行走、奔跑、爬行、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐升降机以及乘坐自动扶梯)的能力。一旦识别了动作类型，本公开的个人导航系统100和方法500提供了用于向惯性模块112的惯性传感器220的原始位置数据应用动作专属的误差校正的机制，以便产生精确地指示佩戴了该惯性模块112的目标110的位置的校正位置数据232。另外，本公开的个人导航系统100和方法500提供了以实时的方式精确且可靠地呈现一个或多个目标110的动作的图形表示的能力。以此方式，提供了在现场处正在发生的动作的全面的可视化。另外，本公开的个人导航系统100和方法500提供了用于在由要受到导航和/或跟踪处理的目标Iio佩戴的惯性模块112处本地地执行数据处理的机制。结果，不是从惯性传感器220发送大量原始数据222，而是只将数据处理的结果(例如，校正位置数据232)从惯性模块112以实时的方式发送至现场计算机116。以此方式，优化了个人导航系统100所需的数据带宽。此外，可以利用较低复杂性和较低的成本来实现本公开的个人导航系统100。尽管已经基于当前被认为是最实用且最优选的实施例出于示例说明的目的详细地描述了本发明，但是应当理解，这些细节仅仅是出于示例说明的目的而且本发明并没有被限制于所公开的实施例，而且与之相反，本发明旨在涵盖在所附权利要求的精神和范围之内的修改和等效布置。例如，应当理解本发明在某种程度上考虑任何实施例的一个或多个特征可以与任何其他实施例的一个或多个特征结合。权利要求1.一种个人导航系统，包括(a)至少一个与用户相关联的惯性传感器模块，该惯性传感器模块包括至少一个被配置用于产生与用户相关联的位置数据的传感器；(b)通信设备，其被配置用于对所述位置数据的至少一部分进行接收和发送中的至少一种操作；以及(c)现场计算机，其被配置用于与所述通信设备进行通信并接收所述位置数据的至少一部分；(d)其中所述惯性传感器模块与所述现场计算机中的至少一个被配置用于至少部分地基于所述位置数据来确定用户的至少一个动作；(e)其中将所述现场计算机编程为至少部分地基于所述位置数据对包括用户表示的显示进行配置；(f)其中所述确定和所述配置中的至少一个是实质上以实时方式执行的。2.权利要求1的个人导航系统，其中所述位置数据包括通过对原始位置数据应用误差校正而产生的校正位置数据。3.权利要求1的个人导航系统，其中所述通信设备是下列设备中的至少一种(i)被定位在用户上并且被配置用于与所述惯性传感器模块和所述现场计算机中的至少一个进行通信的个人通信设备；以及(ii)与所述惯性传感器集成在一起并且被配置用于与被定位在用户上的个人通信设备和所述现场计算机中的至少一个进行通信的通信设备。4.权利要求1的个人导航系统，其中所述至少一个动作是从包括下列动作的组中选择的行走、奔跑、爬行、攀登、绕绳下降、跳跃、坠落、乘坐升降机以及乘坐自动扶梯。5.权利要求1的个人导航系统，其中所述惯性传感器模块还被配置用于使用动作专属的误差校正值来产生校正位置数据，并且通过所述通信设备将所述校正位置数据发送至所述现场计算机。6.权利要求1的个人导航系统，其中至少一个惯性传感器包括下列中的至少一种至少一个加速度计、至少一个陀螺仪、或者其任意组合。7.权利要求6的个人导航系统，其中至少一个惯性传感器包括多个加速度计和多个陀螺仪。8.权利要求1的个人导航系统，其中所述惯性传感器模块与所述现场计算机中的至少一个包括被配置用于执行下列至少一种操作的软件分析原始位置数据、至少部分地基于所述位置数据来确定用户的至少一个动作、应用动作专属的误差校正值以产生校正位置数据、至少部分地基于校正位置数据来配置用户的实时图形表示、或者其任意组合。9.权利要求1的个人导航系统，还包括(a)惯性传感器模块通信设备，其包括短距离无线电设备，该短距离无线电设备被配置用于发送位置数据；(b)个人通信设备，其包括长距离无线电设备，该长距离无线电设备被配置用于从所述惯性传感器模块通信设备接收位置数据、并发送位置数据；以及(c)现场计算机通信设备，其包括长距离无线电设备，该长距离无线电设备被配置用于从所述个人通信设备接收位置数据、并处理所述位置数据的至少一部分以便用于对显示进行配置。10.权利要求1的个人导航系统，其中所述通信设备被集成在自持呼吸器中并且用户是消防队员。11.一种确定用户的位置的方法，该用户至少在一只脚上佩戴惯性传感器模块，该方法包括步骤(a)通过所述惯性传感器模块产生原始位置数据；(b)至少部分地基于所述原始位置数据确定用户的至少一个动作；(c)对所述原始位置数据应用动作专属的误差校正以产生校正位置数据；(d)将所述校正位置数据以实质上实时的方式发送至现场计算机；以及(e)至少部分地基于所述校正位置数据来配置用户的实时图形表示。12.权利要求11的方法，还包括对用户的动作的实时图形显示进行配置。13.权利要求11的方法，还包括至少部分地基于所述原始位置数据来确定至少一个静止点。14.权利要求13的方法，还包括连续地对所述原始位置数据的一部分进行分析以确定三个轴线中的加速度范数的最小值和最小角速度范数中的至少一个。15.权利要求11的方法，其中在产生原始位置数据之前，该方法包括通过所述惯性传感器模块获取公共基准点。16.权利要求11的方法，其中将所述校正位置数据发送至现场计算机的步骤包括以实质上实时的方式将所述校正位置数据从所述惯性传感器模块发送至被定位在用户上的个人通信设备；并且以实质上实时的方式将所述校正位置数据从所述个人通信设备发送至所述现场计算机。17.权利要求11的方法，还包括使得能够在所述现场计算机与所述个人通信设备之间进行双向通信。18.权利要求11的方法，还包括在应用动作专属的误差校正之前对所述原始位置数据执行漂移误差校正。19.权利要求11的方法，其中确定用户的至少一个动作类型还包括(i)确定用户的脚的指向；以及(ii)利用特定的动作类型校正脚的指向。20.一种个人导航系统，其包括至少一个具有计算机可读介质的现场计算机，在该计算机可读介质上存储有指令，其中当通过该计算机的处理器执行所述指令时，所述指令使得该处理器(a)接收通过定位在用户脚上至少一个惯性传感器模块的至少一个传感器所产生的位置数据；(b)处理所述位置数据以至少部分地基于所述位置数据来确定用户的至少一个动作；以及(c)至少部分地基于接收的位置数据在显示器上以实质上实时的方式呈现用户的图形表示。全文摘要一种个人导航系统，包括至少一个与用户相关联的惯性传感器模块，该惯性传感器模块包括至少一个传感器以产生与用户相关联的位置数据；通信设备，以接收和/或发送位置数据的至少一部分；以及现场计算机，以与通信设备进行通信并接收位置数据的至少一部分；其中惯性传感器模块与现场计算机中的至少一个被配置用于至少部分地基于位置数据来确定用户的至少一个动作；其中将现场计算机编程为至少部分地基于位置数据对包括用户表示的显示进行配置；其中所述确定和所述配置中的至少一个是实质上以实时方式执行的。文档编号G01C21/16GK102483332SQ201080033881公开日2012年5月30日申请日期2010年7月27日优先权日2009年7月30日发明者保罗·A·米勒,克里斯托弗·埃文·沃森,戴维·科德里恩,斯科特·帕韦蒂,查德·克龙申请人:梅思安安全设备有限公司