[发明专利]3D地理位置定位系统

说明书

一种用于在缺少全球定位系统(GPS)信号的情况下提供移动的人的三维(3D)坐标的3D地理位置定位系统。3D地理位置定位系统使用：被配置成定位在左侧和右侧的脚部‑踝关节结构处的两个惯性传感器，以及测量用户的下肢(小腿、大腿、躯干)的每个部位的空间定向的一系列传感器。在一个实施例中，3D地理位置定位系统使用可以通过由用户穿戴的外骨骼装置或矫正装置提供的下述传感器：在左侧和右侧的腿部‑膝盖或大腿‑臀部结构处的两个附加的惯性传感器，以及提供指示左侧和右侧的膝盖和大腿的角度位置的信息的传感器。使用来自惯性传感器的关于用户的生物力学信息结合膝盖和臀部角度来实施对用户的3D坐标的该确定。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月25日提交的美国临时专利申请No.62/286,896的权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容涉及一种3D地理位置定位系统，更具体地，本公开内容涉及一种在缺少GPS信号的情况下运作的3D地理位置定位系统。

背景技术

有些活动需要随时知晓人的位置。例如，在消防员的情形中，如果他或她变得不能行动，那么班长必须能够向不能行动的消防员的位置派遣帮助。救援队的能见度非常有限并且搜索区域经常受到限制；搜索越快，解救不能行动的消防员的机会越大。同样的情景适用于在不能访问全球定位系统(GPS)信号的建筑物内部或地下移动的士兵。

通常，GPS将是够用的。然而，在一些建筑物中，如果GPS信号确实存在的话，其接收可能极其受限。在没有GPS的情况下，除了航位推算法之外，目前还没有平常的解决方案。该算法使用惯性传感器，并且本质上计算全球坐标中的加速度(已知传感器的定向，其可以将所测量的本地参考(即传感器)的加速度转换到全球坐标系统(即世界))。该数值积分倾向于累积误差，通常为行进距离的约3％。在没有GPS的情况下行进100米之后，误差为±3米，因此该误差太大而不能精确地知道需要帮助的用户位于哪一层上，由此需要派遣三个救援队而不是单一救援队(即顶层、中层和底层)或者耗费单个队高达三倍的通常时间。此外，当脚部与地面接触时，惯性导航需要“重置”。在没有该重置的情况下，误差以指数方式增加。更不用说，如果重置在错误的时间发生，那么误差增加。

因此，需要一种精确的3D地理位置定位系统，以用于在缺少GPS信号的情况下提供移动的人的3D坐标。

发明内容

本公开内容提供了一种用于监测用户的位移的地理位置定位系统，包括：

一对惯性传感器，被配置成定位在用户的左侧和右侧的脚部-踝关节结构处，该惯性传感器提供用户的生物力学信息；

提供指示用户的右侧和左侧的大腿和躯干的空间定向的信息的至少一对空间定向传感器；

提供指示所述用户的右侧和左侧的小腿的空间定向的信息的至少一对空间定向传感器；

处理器，该处理器经由通信链路与惯性传感器和空间定向传感器通信，该处理器具有相关联的存储器，该存储器包括储存在其上的指令，当在该处理器上执行该指令时，该指令实施下述步骤：

接收生物力学信息和指示用户的右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息；

使用生物力学信息和指示右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息来计算用户的3D坐标；以及

提供计算出的用户的3D坐标；

其中，生物力学信息和指示右侧和左侧的大腿、躯干以及右侧和左侧的小腿的空间定向的信息被持续地提供给处理器，该处理器持续地计算用户的3D坐标，由此允许监测用户的位移。

本公开内容还提供了如以上所公开的3D地理位置定位系统，其中：