專利名稱：用于生成建筑物地圖的便攜式外殼的制作方法
用于生成建筑物地圖的便攜式外殼本申請要求序列號為61/428，530、提交于2010年12月30日、名稱為“使用定位和跟蹤數(shù)據(jù)的實時地圖生成”的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，將其通過引用并入這里。
背景技術(shù)：
在火災或其他緊急事件中，緊急工作者可能在沒有對建筑物的內(nèi)部布局或者內(nèi)部條件完全了解的情況下到達現(xiàn)場。建筑物的藍圖在某些情況下也許可用，但是它們也許不能反映建筑物內(nèi)部的近期變化。此外，建 筑物內(nèi)部可能具有危險狀況，某些場所或走廊被封鎖或無法通行。由于利用全球定位系統(tǒng)(GPS)和先進的資產(chǎn)跟蹤技術(shù)，定位與跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)變得相對普遍。許多這些系統(tǒng)允許將人員或資產(chǎn)精確實時地定位在具有合理精度的坐標空間。通常，這個信息通過在地圖上示出感興趣的人員或資產(chǎn)而被呈現(xiàn)給使用者，該地圖已經(jīng)被精確構(gòu)造和校準，以便同定位系統(tǒng)一起使用。然而，在許多情況下，地圖是不容易得到的，或沒有被構(gòu)建，或者是不正確的。在這種情況下，呈現(xiàn)感興趣的人員或資產(chǎn)的位置信息以便位置信息可以被有意義地使用成為一個重大挑戰(zhàn)。因此，存在對建筑物模型的需求，該模型可以動態(tài)并入附加數(shù)據(jù)。這樣的建筑物模型會比現(xiàn)有的靜態(tài)模型更加精確和更新式。

發(fā)明內(nèi)容
描述了一種設備和方法，用于通過組合來自現(xiàn)有靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)、由在場的人員提供的數(shù)據(jù)和使用傳感器的實時傳感器數(shù)據(jù)的信息來合成建筑物地圖數(shù)據(jù)，該傳感器被特別設計成提供與它們所位于的環(huán)境有關(guān)的物理地形數(shù)據(jù)。在一些實例中，來自可用的所有來源的信息會被整合到單一語義的建筑物信息模型中。在某些情況下，建筑物地圖和可用的場所和位置信息可從建筑物信息模型得到并被顯示給使用者。在某些情況下，動態(tài)地積累和得到的新信息也可以被添加到模型中。


圖I是說明性的地圖生成系統(tǒng)的概觀圖；圖2是圖I的地圖生成系統(tǒng)中兩個示例使用者的示意圖；圖3是來自圖I的地圖生成系統(tǒng)的外殼的示例；圖4是用于圖I的地圖生成系統(tǒng)的在房間內(nèi)的使用者采取的路徑的示例；圖5是從來自圖4的地圖生成系統(tǒng)的外殼發(fā)出的和由其接收的示例信號的繪圖；圖6不出了用于圖4_5的地圖生成系統(tǒng)的幾何和坐標系統(tǒng)；和圖7是圖I的地圖生成系統(tǒng)的佩戴頭戴式設備的使用者的示意圖。
具體實施例方式在下面描述中，引用了附圖，附圖形成了描述的一部份，且附圖通過說明可實施的特定實施例方式被示出。這些實施例被充分詳細地描述，使得所屬領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍竟_，并且應該理解的是，其他實施例可被利用，以及可以在沒有脫離本公開范圍的情況下作出結(jié)構(gòu)的、邏輯的和電的改變。因此，下面示例性實施例的描述不被理解為限制意義，并且由所附的權(quán)利要求限定本公開的范圍。在此描述的功能或算法可以被實現(xiàn)在軟件、硬件、軟件和硬件的組合中，以及在某些情況下，借助了人類實現(xiàn)的程序。軟件可包括計算機可執(zhí)行的指令，存儲在計算機可讀的介質(zhì)上，例如存儲器或其 他類型的存儲設備。此外，這樣的功能可對應于模塊，其為軟件、硬件、固件或它們的任意組合。多種功能可以如所期望的在一個或多個模塊中執(zhí)行，并且描述的實施例只不過是示例。軟件可以在數(shù)字信號處理器、特定用途集成電路(ASIC)、微處理器、或例如個人電腦、服務器或其他計算機系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)上被執(zhí)行，但是這些只是示例。呈現(xiàn)了一種用于產(chǎn)生建筑物內(nèi)部的模型的系統(tǒng)和方法。在某些實例中，模型能接收和動態(tài)并入各種來源的輸入，來源包括現(xiàn)有的靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)，由在現(xiàn)場但是在建筑物外部的人員提供的例如注釋和更新的數(shù)據(jù)，和/或來自位于在建筑物內(nèi)部動態(tài)移動的可移動的人員或資產(chǎn)上的傳感器的實時數(shù)據(jù)。在某些情況下，在建筑物內(nèi)的移動人員或資產(chǎn)可以攜帶或者可以被附著發(fā)射聲音或電磁脈沖的單元，該脈沖從特定房間或的部分的建筑物內(nèi)的即時環(huán)境反射，并且該單元感測反射的脈沖。來自相對近的特征的反射比來自相對遠的特征的反射更快地到達傳感器，使得反射的脈沖的時間分析可以根據(jù)建筑物內(nèi)的特征距單元的距離來提供關(guān)于建筑物內(nèi)的特征的信息。。當使用者在建筑物到處移動時，脈沖在房間或部分的建筑物中的多個位置被發(fā)射和接收?？墒褂锰囟ǖ臅r間偏移來分析發(fā)射脈沖，該時間偏移對應于在相對于單元的移動方向的特定方向上的往返傳播時間，使得特征的實際位置可以被識別。通過在建筑物內(nèi)部房間到房間地到處行走并執(zhí)行這樣的分析，可將建筑物內(nèi)部的大部分或全部繪制成地圖并顯示。在某些情況下，建筑物模型可以被用來幫助消防隊員或其他緊急人員。例如，消防車可能在消防隊員不熟悉建筑物內(nèi)部的情況下抵達建筑物。在某些情況下，消防車可能包括基于車輛的單元，該單元可包括顯示器、錄入數(shù)據(jù)的手段，例如鍵盤，鼠標和/或觸摸敏感屏，和同一個或多個便攜單元無線通信的手段，該便攜單元可以在消防隊員繞建筑物內(nèi)部行走時，附著到各個消防隊員或被各個消防隊員所攜帶。在某些情況下，基于車輛的單元能夠接受靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)，能夠接受來自現(xiàn)場人員的輸入，例如建筑物管理員、目擊者、或可以錄入從建筑物外貌推測的信息的緊急人員，并且能當各個消防隊員在建筑物內(nèi)部到處移動時從便攜單元接受輸入。使用任何或所有這些輸入，建筑物的動態(tài)地圖可以被集合，以及可選擇地，顯示在消防隊員佩戴的頭戴式設備上和/或顯示在基于車輛的顯示器上。圖I是地圖生成系統(tǒng)10的概觀圖。這個系統(tǒng)10可以被采用來幫助消防隊員，消防隊員需要關(guān)于正在燃燒的建筑物內(nèi)部的盡可能多的當前信息。在建筑物被建造的時候可能已經(jīng)被繪制的現(xiàn)有的平面圖或藍圖可提供建筑物布局的粗略概念，但是可能由于建筑物隨著時間的更改而過時。另外，建筑物的內(nèi)部可能被火災損壞，并且可能包括被損壞或不能通行的部分。為了在建筑物內(nèi)部或外部的消防隊員的安全，這樣的一系列環(huán)境改變要求盡可能多的當前信息。在使用中，地圖生成系統(tǒng)10可能包括在建筑物內(nèi)部到處行走的一個或多個使用者。使用者可以是消防隊員，并且通過使用附著到消防隊員的信標可以幫助繪制建筑物內(nèi)部的地圖。信標可以發(fā)射信號和接收從房間內(nèi)部特征反射的信號，如下進一步詳述。地圖生成系統(tǒng)10也可以包括一個或多個在建筑物外部的使用者。這些使用者可以監(jiān)控一個或多個內(nèi)部使用者的進展，可以采取行動來協(xié)調(diào)他們在建筑物內(nèi)部的位置。該外部使用者可以在一般保持固定的計算機屏幕上查看最當前的地圖，例如在附著到消防車或在消防車內(nèi)所包含的單元上。呈現(xiàn)在屏幕上的視圖可以是可控的，使得使用者可以按需要看到建筑物內(nèi)部的部分，并且可以適當?shù)刂笓]建筑物內(nèi)部的使用者們。一般來說，地圖生成系統(tǒng)10可以隨最先的回應者到達現(xiàn)場， 通常在消防車上，并可以使用預先存在的地圖作為它的出發(fā)點，例如一套可以被電子讀取或可以被掃描到系統(tǒng)10中的藍圖。地圖生成系統(tǒng)10接下來可以在使用者建筑物內(nèi)部到處行走時動態(tài)接受來自使用者的輸入，并且也可以動態(tài)接受通過在消防車上一般固定的單元錄入的輸入。地圖生成系統(tǒng)10可以實時地或者盡可能實時地整合所有的輸入實時，使得建筑物內(nèi)部最當前的地圖可用于在固定單元的屏幕上查看和/或在建筑物內(nèi)部的使用者佩戴的頭戴式設備上查看。要注意的是，建筑物內(nèi)部的頭戴式設備可能是特別有用的，因為如果建筑物內(nèi)部有顯著的煙或如果建筑物的照明系統(tǒng)已經(jīng)被損壞，它們可以為使用者提供有用的導航。 在此描述的建筑物模型或信息模型可以接收來自至少五種來源中的一個或多個的輸入，來源包括但是不限于(I)靜態(tài)數(shù)據(jù)、(2)直觀推斷、(3)學習、(4)傳感器、以及(5)使用者輸入。這五種來源的每個被簡要討論。關(guān)于靜態(tài)數(shù)據(jù)，建筑物模型可以并入任何或所有預先存在的地圖、地位級圖、足跡尺寸、樓層數(shù)量、建筑物檢驗文件、稅收文件、設施布局文件、和/或有害化學物或區(qū)域。在所有這些情況中，靜態(tài)數(shù)據(jù)是已經(jīng)存在的，與即時(on the fly)生成的相反，并且通?？赏ㄟ^有線的或無線通信訪問，例如互聯(lián)網(wǎng)。關(guān)于直觀推斷，被使用者攜帶或被附著到使用者的傳感器也許能夠從該傳感器所識別的運動模式中識別特定的特性或任務。例如，傳感器可以識別爬樓梯、上坡或下坡、或跨越殘骸，其中的每一種具有可以被傳感器識別的特有的運動模式。這種直觀推斷可以通過加速計、陀螺儀、三角測量經(jīng)由無線電信號、gps信號等等來檢測。關(guān)于學習，使用建筑物模型形成建筑物地圖的建筑物模型或系統(tǒng)可以適應使用以前發(fā)現(xiàn)的信息。關(guān)于傳感器，一個或多個傳感器可以被附著到各個使用者或被各個使用者所攜帶。在某些情況下，傳感器將被附著到使用者，并且該使用者可以在建筑物到處行走或奔跑，以試圖創(chuàng)建建筑物中的內(nèi)部特征的當前地圖。每個傳感器也許能夠檢測它自身在建筑物內(nèi)部的方向和/或位置，以及路徑和角落、來自關(guān)閉房間的入口和出口點、以及不會在任何靜態(tài)地圖上呈現(xiàn)的障礙物的發(fā)現(xiàn)。下面有關(guān)于傳感器和用于確定接近傳感器的建筑物特征的算法的更多細節(jié)。關(guān)于使用者輸入，在某些情況下，使用者也許有可能直接錄入條目到建筑物模型中。使用者可以在建筑物內(nèi)部，例如在建筑物中行走或奔跑，或可以在建筑物外部，例如在消防車中或附近。模型可以接受來自視覺檢驗的數(shù)據(jù)的修正，可以接受未感知信息的注釋，例如資源或有害區(qū)域的布署，和/或可接受不可得的基礎(chǔ)信息的附加，例如線框架模型，建筑物樓層的數(shù)量，和/或建筑物的估計長度和寬度。
在此描述的建筑物地圖模型能并入來自以上列出的五種來源或其他來源的任何或全部的地形信息，但是特別關(guān)注下面的來自位于在建筑物中移動的可移動人員或資產(chǎn)上的傳感器的實時數(shù)據(jù)。這種信息，來自所有可用的來源，可以被整合到單獨的建筑物信息模型，該模型提供足夠豐富的語義以有助于確保該單獨的表示盡可能的完整和一致。建筑物信息模型中的每個對象，例如門、樓梯、或窗戶可以包含關(guān)于它的尺寸、它在建筑物內(nèi)的放置和它與什么連接的信息。一旦模型已經(jīng)被構(gòu)建，例如顯示建筑物地圖、確定鄰接物、以及縮放對象到它們適當?shù)某叽绲牟僮魇强赡艿?。隨著新的信息的動態(tài)積累和獲得，信息可以被加入到模型，進一步加強建筑物地圖的完整性。
建筑物信息模型(BIM)已經(jīng)存在一段時間，并在文獻中被描述。在此描述的模型使用BIM來將從多種數(shù)據(jù)來源獲得的信息組合成建筑物的一致表示。當可用時，在某些說明性的實施例中，建筑物數(shù)據(jù)的初始來源是已經(jīng)由原始建筑師所創(chuàng)建的、重建或修復所使用的、或被諸如電氣或管道的各種行業(yè)所使用的地圖或其它靜態(tài)數(shù)據(jù)。這些地圖也可以來自例如衛(wèi)星圖像(谷歌地球)、國土建筑物記錄和房地產(chǎn)稅收記錄的許多來源，并提供來自樓層平面圖、建筑物樓面面積、房間數(shù)量等的基礎(chǔ)信息。這些地圖和數(shù)據(jù)通常以印刷形式，該印刷形式具有關(guān)于定位和排列的最小語義信息。已經(jīng)在文獻中描述的工具能夠處理印刷地圖信息并得到對應的BM數(shù)據(jù)。處理圖形的樓層平面圖像能被很好地理解并且包括識別線和邊以及其它特定的建筑概念，例如樓梯、電梯、門、窗等。在地圖中識別這些構(gòu)造允許它們相對自動地被加入到BIM，由此加強了建筑物模型的豐富性。要承認的是，在許多情況下，這種建筑物地圖不存在或者不可獲得。當?shù)貓D可獲得時，它們可能過時和不包含已經(jīng)作出的建筑物改變，例如墻、樓梯和其他關(guān)鍵建筑物結(jié)構(gòu)。為了解決這些或其它不足，可使用建筑物信息的第二來源。在某些情況下，繪制工具被提供給在現(xiàn)場的人員，允許人員來改正和擴展存在的信息。工具也可以幫助定義粗略的建筑物屬性，例如樓層的數(shù)量、建筑物的長度和寬度、門和窗戶的放置。這種繪制工具可以包括從建筑物構(gòu)造的顎部(palate)中選擇對象，并放置它們到顯示器上(例如拖放)。附加的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以使用在現(xiàn)場的攝像圖像來自動提供，攝像圖像也許能夠從外部視野自動估計樓層的數(shù)量和建筑物的粗略尺寸。在不存在初始建筑物地圖的情況下，現(xiàn)場的人員提供的建筑物結(jié)構(gòu)也許是主要方式，通過這種方式建筑物被初步呈現(xiàn)。當建筑物地圖已經(jīng)被整合到BIM中時，使用者通常能夠增加和加強現(xiàn)有的特征并刪除不正確的特征。信息的第三來源可來自由人員或在建筑物內(nèi)操作的可移動設備佩戴的傳感器。當人們移動通過建筑物內(nèi)部的各種區(qū)段執(zhí)行他們正常的職責時，地形元素可能被發(fā)現(xiàn)。這些傳感器包可能包括可以測量旋轉(zhuǎn)和加速的慣性測量單元(IMU)，和可以檢測鄰近對象和障礙物的雷達。MU能識別指示地形地圖特征的基本動作，例如爬樓梯、直線走下門廳，或轉(zhuǎn)彎。雷達可使用包括聲學和超寬帶(UWB)的多種技術(shù)，通過發(fā)出被區(qū)域內(nèi)的障礙物(例如建筑物特征)反射的短脈沖來檢測建筑物特征。通過測量信號傳播到障礙物和被反射回來所花費的時間，可計算到障礙物的精確距離。這種脈沖可能是聲音的，正如超聲波，在該情況下聲音的速度被使用，或電磁的，正如UWB，在該情況下光的速度被使用。在某些實例中，從傳感器收集的地形信息依賴于維護位置信息。該位置信息可以允許感測的地形對象被正確地放入BIM中。這種高性能導航儀可依賴于IMU和UWB雷達的相同傳感器來確定它的位置，其可以允許這些傳感器提供位置確定和建筑物發(fā)現(xiàn)兩者。
用于動態(tài)產(chǎn)生建筑物模型的示例性方法如下。模型可以從一個或多個預定的靜態(tài)地圖檢索不完整的建筑物數(shù)據(jù)，并且可以將不完整的建筑物數(shù)據(jù)并入到模型中。在某些情況下，模型可以接受通過建筑物外部的預定繪制工具錄入的建筑物數(shù)據(jù)，例如建筑物樓面面積、房間數(shù)量、墻的位置、樓梯的位置、電梯的位置、門的位置、窗戶的位置和房間之間的連接。在某些情況下，附加的輸入數(shù)據(jù)可以取代來自靜態(tài)地圖的一個或多個的不正確條目。模型也可以從一個或更多附著到各個走查建筑物的使用者的外殼接收實時生成的附加建筑物數(shù)據(jù)，并且可以實時地將附加建筑物數(shù)據(jù)并入到模型中。在某些情況下，每個外殼可以發(fā)射聲音或電磁信號，該信號從相應外殼附近的建筑物中的特征反射，并且外殼可接收該反射的信號。模型可以實時形成來自模型的建筑物的動態(tài)視覺表示，并且可以實時顯示建筑物的視覺表示，可選地每個顯示器動態(tài)模擬每個相應使用者的視點。用于協(xié)助動態(tài)產(chǎn)生建筑物模型的示例性設備可以包括一個或多個便攜單元，該便攜單元在各個使用者在建筑物的內(nèi)部到處行走時被使用者攜帶或附著到使用者，以及包括一個或多個遠程單元，該遠程單元保持在建筑物外部，并能夠與便攜單元無線通信。在某些 情況下，遠程單元可以是基于車輛的單元(例如位于消防車上)。遠程單元可具有不完整的內(nèi)部地圖數(shù)據(jù)，其可由來自便攜單元的數(shù)據(jù)動態(tài)地補充。每個便攜單元可以發(fā)射信號，該信號從建筑物的內(nèi)部特征反射，并且便攜單元可以接收反射的信號。在某些情況下，遠程單元的顯示器可在從建筑物的外部觀察建筑物的遠程單元的視點和使用者在建筑物內(nèi)部到處行走時的使用者視點之間切換。在某些情況下，遠程單元可以同中央單元無線通信，有時候經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)。中央單元可以作為提供地圖信息的數(shù)據(jù)庫，和/或可以為建筑物模型執(zhí)行計笪
o圖2是在圖I的地圖生成系統(tǒng)10中的兩個示例使用者12的示意圖。在某些情況下，使用者12可以是消防隊員，其可走查同一個建筑物的不同部分，致力于救火和/或在地圖上標出建筑物的完整內(nèi)部。每個使用者12可具有附著到使用者12的相應的外殼11。每個外殼11可通過一系列發(fā)射和接收的脈沖能夠辨明在它附近的一些或所有建筑物的特征。外殼11可以同可接收從各種外殼11發(fā)送的信號的中央接收器20無線通信。發(fā)送到中央接收器20的這些信號可以是單向信號，使得它們從外殼11發(fā)送，并由中央接收器20接收；中央接收器20通常不發(fā)送信號到外殼11。在其他情況下，中央接收器20可以附加地發(fā)送信號給外殼11。圖2中示出的傳送可以包括特定外殼的目前或近來位置，使得中央接收器可以監(jiān)控它們在建筑物內(nèi)的位置。在某些情況下，這些傳送也可以包括未處理的反射的脈沖(在后面詳述)，該脈沖可以被中央接收器20解釋并轉(zhuǎn)換為能夠動態(tài)并入到建筑物地圖中的建筑物特征。在其他情況下，單獨的外殼11可以內(nèi)部執(zhí)行反射的脈沖解釋，并可以傳輸建筑物特征到中央接收器20，建筑物特征接下來可以被動態(tài)并入到建筑物地圖中。中央接收器20可以是計算機，例如膝上型電腦或平板電腦，并且可以由包括由使用者觀看的屏幕，該屏幕與中央接收器20 —起通常位于在卡車之上或附近。在某些情況下，按照所期望的，中央接收器20可以內(nèi)部執(zhí)行一些或所有計算，或可以允許遠程計算機去執(zhí)行一些或所有計算。圖3是來自圖I的地圖生成系統(tǒng)10的外殼11的示例。每個外殼11可以有信標13，其可以遠離外殼11朝接近外殼11的建筑物特征三維地發(fā)射脈沖。在圖3中，信標13被繪制為揚聲器，其可以發(fā)射聲學或聲音脈沖。聲音脈沖可以相對容易地穿過煙，并且可以從建筑物內(nèi)的墻或其它固體特征反射或散射。每個外殼11也可以具有傳感器14，傳感器14可以接收從信標13發(fā)射的脈沖和從特定房間或部分的建筑物中的各種特征反射的脈沖。在圖3中，傳感器14被繪制為麥克風，其可以接收聲音脈沖。
作為替代，信標13可以發(fā)射具有一個或多個波長的電磁脈沖，該脈沖很大程度上穿透煙霧但很大程度上從建筑物內(nèi)的墻或其它固體特征反射。同樣，傳感器14可以接收被反射的電磁脈沖。行程時間(time-of-flight)效應實質(zhì)上對于聲音脈沖來說是相同的,但光的速度遠大于聲音的速度。每個外殼11可以有定位器15,或定位設備15,其在每個脈沖被信標13發(fā)射的時刻或在該時刻附近提供外殼11的二維或三維位置坐標。外殼11可以在發(fā)送的脈沖和反射的脈沖之間使用行程時間延遲來確定建筑物特征的位置，并且隱含地假設了，聲音的速度顯著大于使用者走查建筑物的速度。只要涉及到定位器15，假設脈沖在同一個位置，圖3中表示為(x，y)，被發(fā)送和接收，則幾乎沒有誤差或沒有誤差。還隱含地假設了，當測量進行時，建筑物和房間特征保持大體上靜止。在某些情況下，定位器15可以使用來自基于地面的和/或基于衛(wèi)星的信號的三角測量來確定它的位置。例如，定位器15可以使用全球定位系統(tǒng)(GPS)。然而，這些基于三角測量的定位器的使用也有缺點，因為三角測量信號不能透過各種混凝土、磚或金屬的層到達建筑物內(nèi)部。例如，在樓梯井內(nèi)部，可能沒有足夠的GPS信號來產(chǎn)生可靠的位置。作為替代，或除此之外，定位器15可以使用一個基于加速計的定位算法來補充或替代基于三角測量的算法。定位器15可以包括一個或多個加速計，該加速計可以在x，y，z方向上提供實時的加速度的值。要注意的是，加速度是位置關(guān)于時間的二階導數(shù)。如果定位器15在已知的位置開始，則知道作為時間的函數(shù)的加速度以及時間，在處于已知位置之后，可以提供作為時間的函數(shù)的隨后的速度和位置的值。要注意的是，速度是位置關(guān)于時間的一階導數(shù)。每個外殼11也可以具有發(fā)射器16,用于傳送位置和反射的脈沖信息到例如中央單元20。一般來說，整個外殼11可以足夠小以便捆扎到或其它方式固定到消防隊員，而沒有過度的負擔。外殼11可以包括足夠的電池能量以為預定時間長度提供不間斷使用，例如一個或兩個小時。一旦外殼11被附著到使用者(或被攜帶)，外殼11可以開始從信標13發(fā)射一系列聲波的或電磁的脈沖。如果期望，這種脈沖可以是以有規(guī)律間隔而被周期性定時的。圖4示出了使用在建筑物內(nèi)的示例房間內(nèi)部所采取的路徑。使用者可以進入房間，在房間內(nèi)少量行走，和離開房間，優(yōu)選地盡可能快，因為建筑物可能起火。一般來說，為了能夠在地圖上標出房間內(nèi)的所有二維特征(墻)，外殼11應當在房間內(nèi)發(fā)射和接收至少三個脈沖，這里，在這些脈沖的時刻外殼的位置不能落在單條直線上。一般來說，在X和y兩方向上距離發(fā)射/接收位置越遠，在測量中的信噪比將會越高。雖然三組脈沖可以用作最小值，多于三組脈沖可以產(chǎn)生具有更好分辨率的和/或更高的信噪比的結(jié)果。關(guān)于脈沖之間的的時間間隔，實踐中有兩個約束。一般來說，如果脈沖之間的計時太短，則一個反射的脈沖的往返時間延遲可能同下一個發(fā)射脈沖相重疊，這可能是不期望的。如果脈沖之間的計時太長，使用者可能要在房間內(nèi)等待太久來獲得三組脈沖。在這種脈沖計時的范圍內(nèi)，第二約束將會開始起作用，例如分辨率(促使使用盡可能多的脈沖)相對計算能力(外殼11或中央接收器20不得不處理反射的脈沖來形成地圖特征，因此促使使用盡可能少的脈沖)。圖5是從外殼11發(fā)送并由外殼11接收的示例信號的繪圖。說明性的脈沖可以由信標13在t2，t3等時刻產(chǎn)生。在某些情況下，脈沖是有規(guī)律間隔的，使得h和t2之間的時間間隔等于&和t3之間的時間間隔，以此類推，但是這不是必須的。從信標13發(fā)送的脈沖信號可以用元素17表示，其將發(fā)送的脈沖信號示出為時間的函數(shù)。在脈沖被信標13產(chǎn)生之后，它們經(jīng)過空氣(或煙)傳播到接近外殼11的區(qū)域內(nèi)的各種元素和特征，包房間、通道、樓梯井或括建筑物內(nèi)部的任何其它特征。在特定行程的往返時間之后，脈沖從例如墻、窗、地面等等各種特征反射并最終返回到外殼11。被外殼11接收的脈沖在線18上表示。要注意的是，接收的脈沖18逐脈沖地具有不同的外觀。這些不同由于使用者在房間到處移動而引起，以及脈沖源自房間內(nèi)不同(x，y)位置。要注意的是，如果使用者保持靜止，那么接收的脈沖將會都看起來一樣；這種靜止行為將不會產(chǎn)生任何用于地圖的附加信息。一般來說，接收的脈沖中的逐脈沖區(qū)別，提供了關(guān)于建筑物內(nèi)部的特征和它們的位置的信息。脈沖被發(fā)射和接收的(x,y)坐標,在圖5中表示為(X^y1) (x2,y2) (x3,y3)等等,用元素19表示。圖6不出了用于圖4-5的地圖生成系統(tǒng)的幾何和坐標系統(tǒng)。一般來說,行程的往返時間將等于脈沖傳播的往返距離，除以脈沖的速度(對電磁波來說)。距特征越遠，從該特征反射的脈沖返回到外殼所花費的時間越長。當使用者走查建筑物的時候，與特定特征的距離會改變，對應于這些特征的相應的往返時間也可能逐脈沖地改變。這種逐脈沖的往返時間變化，與每個脈沖被發(fā)射的位置變化相結(jié)合，幫助了提供用于生成建筑物內(nèi)部地圖的信息。在圖6中，使用者從位置(x，y)發(fā)送和接收樣本脈沖。一部分發(fā)送脈沖在正y方向上或如圖6所示中的坐標系統(tǒng)中“向上”行進。脈沖從在圖6的頂部的墻反射。一部分反射的脈沖接著在負y方向上或圖6中“向下”上反射回來，并在(x，y)返回到外殼11，在此被傳感器14接收。接收的脈沖，在與脈沖從信標13行進到墻，并從墻返回到傳感器14的往返時間相對應的時刻,將看到尖峰。發(fā)送脈沖的不同的一部分在正X方向上或在圖6的坐標系統(tǒng)中“向右”行進。脈沖從在圖6右邊的墻反射。一部分反射的脈沖接著在負X方向上或圖6中“向左”反射回來，并在(x，y)返回到外殼11，在此被傳感器14接收。同樣，接收的脈沖，在與脈沖從信標13行進到墻，并從墻返回到傳感器14的往返時間相對應的時刻，將會看到尖峰。要注意的是，如果“頂”和“右”墻離外殼11的發(fā)送/接收位置(x，y)的距離是不同的，那么接收的脈沖將會示出兩個在時間上不同的尖峰。 相似地，對于在圖6右上方的墻的成角度的部分，該部分以角度0出現(xiàn)(即，如果一個人打算繪制從反送/接收位置到墻的直線，該直線將會相對于水平方向或X軸方向行成角度e)，一個人將會看 到尖峰，該尖峰與沿著在發(fā)送/接收位置與成角度的墻之間的直線的往返時間相對應。要注意的是，對于沿著從發(fā)送/接收位置到墻上的成角度的特征的直線的往返時間，墻本身的實際角度是次要的。對于圖6的三個特征，每個特征可以在接收的脈沖中產(chǎn)生它自己的尖峰，每個尖峰發(fā)生的時間與特征離外殼11的反送/接收位置的距離相關(guān)。在實踐中，房間中可能有其他特征，像家具和柜子，這些可能在反射的脈沖中產(chǎn)生遠多于三個的離散的尖峰。系統(tǒng)10能夠從反射的脈沖反向工作來確定特征在房間和在建筑物的什么位置。作為簡單(即使完全不切實際)示例，如果使用者站在完全球形的房間的中央，脈沖在同一時間從墻上所有的點反射，并且傳感器記錄非常類似發(fā)射的脈沖的信號，但被延遲了短時間。在這個簡單化的情況下的延遲是脈沖從信標到墻，再到傳感器的往返時間。根據(jù)該延遲時間，一個人可以計算到墻的距離。對于往返延遲時間t和聲音的速度V，到墻的距離是tXv/2。在任何現(xiàn)實房間中，房間中的各種特征離使用者的距離是不同的。因此，在傳感器檢測到的聲音不是原始的、未反射的形式的脈沖，而是該脈沖在時間上的“被涂抹的(smeared-out) ”版本。該“涂抹(smearing) ”的發(fā)生是由于從相對近的對象反射回傳感器的反射比從相對遠的對象的反射回傳感器的反射要早。數(shù)學上，感測的信號可以被表達為原始脈沖，與相對復雜的沖擊響應進行卷積，該沖擊響應取決于在其中發(fā)射了脈沖的房間的空間特性。在我們上面過于簡單化的示例中該沖激響應是一個S (delta)函數(shù)(無限大的幅度，無限小的寬度)，該函數(shù)從起點被位移了我們球形房間的往返時間。在現(xiàn)實房間中，脈沖響應通常比S函數(shù)復雜得多。在使用期間，信標可以發(fā)射脈沖，該脈沖從房間中的各種特征反射，并且傳感器可以檢測在時間上“被涂抹的”反射的脈沖，具有與房間中的特征離使用者的相對距離相對應的“涂抹”。如果使用者在房間中保持靜止，則沒有足夠的信息來確定房間的特征的繪圖；反射的脈沖可以指示離使用者的相對距離，但是不能給出方向指示。例如，任何特定特征可以是在使用者前面、在使用者后面、或側(cè)面。為了得到方向信息，該方向信息可以提供除了離使用者的距離以外在方向上的指示，使用者通常通過帶著信標/傳感器單元在房間四周走動來在房間內(nèi)的不同位置發(fā)出和接收脈沖。通過監(jiān)控信標/傳感單元的位置，例如用全球定位系統(tǒng)(GPS)或其它適宜的位置監(jiān)控器，連同來自傳感器的檢測的“被涂抹的”脈沖，一個人可以把房間中的特征繪制成地圖。作為一個簡單化的示例，考慮只有兩個平行的墻的房間，兩個平行的墻被表示為墻A和墻B。一般而言，對這個簡單化的示例來說，傳感器信號將顯示兩個尖峰，一個對于墻A，且一個對于墻B，并且發(fā)射的脈沖和每個反射的尖峰之間的時間延遲對應于來往于相應的墻的往返時間。如果使用者要走向墻A并遠離墻B，與墻A對應的尖峰將較早到達，而與墻B對應的尖峰將較晚到達。那么，使用者將會知道他或她正在走向墻A并遠離B。要注意的是，如果使用者要平行于兩個墻行走，則墻A和墻B兩者的尖峰到達時間將不會改變，這樣的行走將不會提供關(guān)于墻A和墻B位于何處的新信息。一般來說，通過在房間的至少三個不同的位置處發(fā)送/接收脈沖，優(yōu)選地這三個位置沒有沿著一條線，并且通過知道脈沖被發(fā)送和被接收的位置，一個人可以使用接收的脈沖信號來確定在房間內(nèi)的例如墻的對象位置，并由此可以繪制出房間的地圖。
作為一個更具體的示例，返回到圖4中示出的三個(x，y)位置。對于在正y方向上(“向上”)行進，接著從最頂部的墻反射，并在負y方向上(“向下”)返回的脈沖，這樣的脈沖將具有相對短的來回于位置“2”的往返時間，將具有相對相對中間的來回于位置“3”往返時間，將具有相對長的來回返于位置“I”的往返時間。這樣墻將相對早地在對于位置“2”的反射的脈沖中產(chǎn)生尖峰，而相對遲地在對于位置“I”的反射的脈沖中產(chǎn)生尖峰。雖然一個人可以開始在特定時間來尋找尖峰，處理反射的脈沖的更容易和更靈活的方法可以引入脈沖間的時間偏移，其中在每個位置上每一個時間偏移具有它自己特定的時間偏移。在一個人要對特定方向上的時間偏移的脈沖進行比較時，在沿著那個方向的特征的所有脈沖中在相同時刻，一個人將看到尖峰。這樣的尖峰，是所有或若干脈沖共有的，在那個特定方向上指示該特征的位置。通 過使用多種技術(shù)，尖峰可以從噪聲中被提取，最簡單的技術(shù)是對脈沖簡單求和，其中總和中的每個脈沖具有它自身的時間偏移。換言之,如果一個人要從外殼沿著特定方向遠看，則一個人最后將看到建筑物里的某個特征，會是墻、門、入口等等。從發(fā)送/接收位置到那個特征的行程的往返時間將顯露為在發(fā)射的脈沖和在接收的脈沖中對應的尖峰之間的延遲。一個人接著沿著相同的方向，從房間內(nèi)各種(x，y)位置看到特征。行程的往返時間在不同的位置上是不同的，并且對應的尖峰的延遲也是不同的。為“解碼”這些在不同的(x，y)位置上接收的反射脈沖，一個人可以計算出在這些位置自身之間在行程的往返時間上的差別，并使用這些差別為接收的脈沖(每個特定方向具有它自己的時間偏移集合)來生成適當?shù)臅r間偏移，使得如果一個人(為特定的方向)應用時間偏移，則從特征(沿著特定方向)的所有反射將在同時顯露在時間偏移的反射脈沖中。數(shù)學上，使用圖6的坐標系統(tǒng)，和圖4的三個發(fā)射/接收位置，我們可得到時間偏移(或相位偏移)的表達，作為方向的函數(shù)。在這個幾何圖形中的方向被給予角度9 (見圖6)，其是與X軸(水平)形成的角度。當將測量“2”(在位置(x2，y2))與測量“I”(在位置(Xl，yi))相比較的時候，為了檢測沿著角度0的特征，一個人應用了以下的時間偏移2sin 0 [ (X2-X1)2+ (Y2-Y1)2]1/2/v其中V是該脈沖的速度,通常對聲脈沖是聲音的速度,或?qū)﹄姶琶}沖是光的速度。要注意的是，因數(shù)2是由于使用了行程的往返時間而不是行程的單向時間而產(chǎn)生。一般來說，每個位置(Xi，yi)依據(jù)上面的公式會被分配它自己的時間偏移。每個時間偏移集合也隨方向而變化。在實踐中，一個人可以使用上面的數(shù)學方法(或其它數(shù)學方法)從單獨的所接收脈沖來形成完整的地圖。一個人可以查看一組發(fā)送/接收的脈沖，通常在建筑物的相同的房間或區(qū)域。一個人指定特定數(shù)目的角度，通過它們來分析這組脈沖。對于每個角度，一個人可以使用上面的(或其它的)公式來為每個脈沖生成時間偏移。為了在每個角度比較若干個脈沖，接收的脈沖可以被加和、被平均、或以別的方法被處理以確定每個特定角度的最接近的特征。當每個角度的最接近的特征遵照其它角度的那些特征時，這些特征一起能夠產(chǎn)生建筑物的房間或區(qū)域的內(nèi)部的地圖。要注意的是，如果使用者在執(zhí)行測量的同時正在行走，則使用者的運動可能對感測的脈沖有幾乎沒有影響，因為使用者行走速度大概遠遠慢于聲音的速度。一般來說，具有以x，y，z的空間坐標的每個脈沖被發(fā)送和接收的位置，通常被錄入到方程中，而一般不是速度?？蛇x地，當使用者關(guān)心他或她前面的對象時，速度可以被用于計算。具體來說，當使用者在特定的方向上前進時，直接在使用者前面的對象產(chǎn)生反射，該反射具有逐漸變短的返回到使用者的往返時間。使用者可能注意到這些對象，例如墻，而較少關(guān)注在使用者側(cè)面的對象。這些對象位于何處的計算可以可選擇地使用速度信息，包括使用者/設備的大小、方向和/或加速度和/或旋轉(zhuǎn)。以這種方式，使用者在結(jié)構(gòu)中從房間到房間行走，在每個房間的各種的位置發(fā)送和接收脈沖，并形成結(jié)構(gòu)的內(nèi)部地圖，包括房間墻、門開口等等。在某些情況下，反射的信號的大小可以提供附加的信息，例如產(chǎn)生反射的對象的大小和材料類型。在某些情況下，內(nèi)部地圖可以被實時或接近實時地顯示在使用者佩戴的顯示器上。這樣的顯示器對于消防隊員會是有幫助的，由于煙或其它的相關(guān)問題，消防隊員可能在房間或結(jié)構(gòu)中具有在視覺上看到所有東西的困難。在某些情況下，會有多個使用者，每個使用者發(fā)送和接收脈沖，其同時繪制出結(jié)構(gòu)的房間的地圖。隨著地圖被形成，建筑物地圖的有 關(guān)部分可被顯示在使用者的顯示器上，即使顯示的地圖的某些或全部已經(jīng)被特定使用者之外的某人繪制出地圖。在某些情況下，定位設備可以使用全球定位系統(tǒng)。在其它情況下，定位設備可以使用內(nèi)部測量單元，該內(nèi)部測量單元動態(tài)地測量外殼的加速度和動態(tài)旋轉(zhuǎn)，并基于測量的加速度和旋轉(zhuǎn)計算位置。在又一個實例中，可使用沖擊UWB和多載波UWB無線電來提供測距信息。使用來自兩個或更多具有固定已知分離的天線的測距信息，可以允許通過簡單的三角法(三角測量)來創(chuàng)建角度測量。這個角度測量和距離可以被用來跟蹤結(jié)構(gòu)內(nèi)的外殼的位置，有時候是三維的。圖7是圖I的地圖生成系統(tǒng)10的佩戴頭戴式設備22的使用者12的示意圖。在說明性實施例中，頭戴式設備22可以通過有線或無線連接來連接到外殼11。在某些情況下，頭戴式設備22可產(chǎn)生來自使用者12的視點的使用者周圍環(huán)境的視圖；如果使用者位置充滿了煙，這種視圖可證明對使用者12是有用的。在頭戴式設備22中提供給使用者12的視圖可以既反映由系統(tǒng)10確定的建筑物內(nèi)部最當前的視圖，以及也可選地可包括房間或部分的建筑物內(nèi)部沒有繪制成圖的地形指示。這種頭戴式設備22可以有助于引導使用者12脫離潛在危險的環(huán)境，并且可以有助于引導使用者12為了繪制地圖而朝向建筑物沒有繪制成地圖的部分。這種在頭戴式設備22中被使用者12看到的視圖可以是通過外殼11、通過中央接收器20和/或通過附加的處理器來產(chǎn)生的。
權(quán)利要求
1.一種用于動態(tài)產(chǎn)生建筑物內(nèi)部地圖的設備，包括 外殼(11)，當使用者(12)走查建筑物時能夠被附著到所述使用者(12)； 在所述外殼(11)中的信標(13)，用于發(fā)射接近所述外殼(11)的一系列脈沖(18)，所發(fā)射的脈沖(18)從接近所述外殼(11)的建筑物內(nèi)的特征反射以產(chǎn)生一系列反射的脈沖(18)； 在所述外殼(11)的中定位設備(15)，用于確定在發(fā)射所述一系列脈沖的時刻或接近該時刻的所述外殼(11)的動態(tài)位置； 在所述外殼(11)中的傳感器(14)，用于接收所述一系列反射的脈沖(18)，并用于產(chǎn)生接收的脈沖信號，該接收的脈沖信號對應于至少所選擇的發(fā)射和接收的脈沖(18);以及 處理器，用于將接收的脈沖信號和對應的外殼(11)的位置相關(guān)聯(lián)，并為建筑物中的至少選擇的特征提取位置信息。
2.權(quán)利要求I的設備，其中所述建筑物內(nèi)的所述特征相對于所述建筑物是大致靜止的。
3.權(quán)利要求I的設備，其中在發(fā)射的脈沖和從特定特征接收的脈沖信號中出現(xiàn)對應的反射之間的延遲取決于在所述外殼(11)和所述特定特征之間該脈沖的往返時間。
4.權(quán)利要求I的設備，其中接收的脈沖信號隨著與動態(tài)沖激響應卷積的發(fā)射的脈沖而變化，所述動態(tài)沖激響應取決于所述建筑物內(nèi)的特征和所述外殼(11)的動態(tài)位置之間的相對距離。
5.權(quán)利要求I的設備，其中當所述使用者(12)沿非線性路徑行走，使得至少三個動態(tài)位置不落在一條直線(18)上時，所述處理器為所述建筑物內(nèi)的特征提取二維位置信息。
6.權(quán)利要求I的設備，其中所述信標(13)以有規(guī)律的周期發(fā)射所述一系列脈沖(18)。
7.權(quán)利要求I的設備，其中所述定位設備(15)使用電磁信號來生成所述外殼(11)的動態(tài)位置，所述電磁信號包括全球定位系統(tǒng)(10) (GPS)、蜂窩通信信號、電視信號或無線電信號中的至少一種。
8.權(quán)利要求I的設備， 其中，所述定位設備(15)使用慣性測量(I)單元，該慣性測量(I)單元測量所述外殼(11)的動態(tài)加速度和所述外殼(11)的動態(tài)旋轉(zhuǎn)；以及 其中，所述慣性測量(I)單元至少部分地基于測量的動態(tài)加速度和測量的動態(tài)旋轉(zhuǎn)來計算所述外殼(11)的動態(tài)位置。
9.權(quán)利要求I的設備，進一步包括顯示器，所述顯示器從處理器接收動態(tài)信號并從所述使用者(12)的視點產(chǎn)生所述建筑物內(nèi)的特征的看得見的表示。
10.權(quán)利要求I的設備，其中所述發(fā)射脈沖(18)是電磁的，并且包括從墻反射但穿透煙霧的電磁頻譜的一部分。
11.權(quán)利要求I的設備，其中所述脈沖(18)是音波脈沖(18)。
12.一種包括多個權(quán)利要求I的設備的系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)包括中央處理器，用于將在多個外殼(11)中的每一個外殼處的接收的脈沖信號與所述多個外殼(11)中的每一個外殼(11)的對應外殼(11)位置相關(guān)聯(lián)，并用于為建筑物內(nèi)的特征從中提取位置信息。
13.權(quán)利要求12的設備，進一步包括可由各個使用者(12)佩戴的多個顯示器，每個顯示器從所述中央處理器接收動態(tài)信號，并且從所述各個使用者(12)的視點產(chǎn)生建筑物內(nèi)的特征的看得見的表示。
14.一種用于動態(tài)產(chǎn)生建筑物內(nèi)部地圖的方法，包括 從可移動外殼(11)發(fā)射一系列脈沖(18),每個脈沖具有發(fā)射脈沖的對應的外殼(11)位置，每個脈沖從外殼(11)向外擴展并從所述建筑物內(nèi)的特征反射； 移動外殼(11)使得所述一系列脈沖(18)中的至少三個脈沖(18)從不沿著一條直線(18)的外殼(11)位置發(fā)射； 在所述外殼(11)處感測一系列反射的脈沖(18)； 將感測的所述一系列反射的脈沖(18)和所述對應的外殼(11)位置相關(guān)聯(lián)；以及分析所述感測的一系列反射的脈沖(18)和它們對應的外殼(11)位置以提取所述建筑物內(nèi)的每個特征的位置。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述分析步驟包括 形成多個加權(quán)，每個加權(quán)對應于與所述外殼(11)移動方向有關(guān)的不同方向； 對每個方向，計算對應于一系列加權(quán)的多個往返時間延遲，所述往返時間延遲為一系列外殼(11)位置而計算； 對每個方向，對感測的所述一系列反射的脈沖(18)應用所述多個時間延遲以獲取距離信息；以及 從每個方向的所述距離信息中提取所述建筑物內(nèi)的特征的位置。
全文摘要
呈現(xiàn)了一種用于產(chǎn)生建筑物內(nèi)部的模型的系統(tǒng)(10)和方法。該模型能夠接收和動態(tài)并入來自各種來源的輸入，例如，包括現(xiàn)有的靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)、由建筑物外部在現(xiàn)場的人員提供的例如注釋和更新的數(shù)據(jù)、以及來自位于建筑物內(nèi)部動態(tài)移動的可移動人員或資產(chǎn)上的傳感器的實時數(shù)據(jù)。在某些情況下，建筑物內(nèi)部移動的人員或資產(chǎn)會攜帶發(fā)射聲音或電磁脈沖(18)的單元，該脈沖從特定房間或部分的建筑物中即時環(huán)境反射，并且該單元感知反射的脈沖(18)。來自相對近的特征的反射可比來自相對遠的特征的反射更快地到達傳感器(14)，使得反射的脈沖的時間分析可以根據(jù)建筑物內(nèi)的特征距單元的距離來提供關(guān)于建筑物內(nèi)的特征的信息。脈沖(18)可以在房間或部分的建筑物中的多個位置被發(fā)射和接收。可使用在特定方向上與往返傳播時間相對應的特定的時間偏移來分析反射的脈沖(18)，使得特征的實際位置可以被識別。通過在建筑物內(nèi)部房間到房間地到處行走并執(zhí)行這種分析，可將建筑物內(nèi)部的大部分或全部繪制成地圖。
文檔編號G01C21/26GK102620737SQ20111046325
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者A·帕馬納布罕, S·休塞思 申請人:霍尼韋爾國際公司