CN102620737A - 用于生成建筑物地图的便携式外壳 - Google Patents

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Abstract

呈现了一种用于产生建筑物内部的模型的系统(10)和方法。该模型能够接收和动态并入来自各种来源的输入，例如，包括现有的静态地图数据、由建筑物外部在现场的人员提供的例如注释和更新的数据、以及来自位于建筑物内部动态移动的可移动人员或资产上的传感器的实时数据。在某些情况下，建筑物内部移动的人员或资产会携带发射声音或电磁脉冲(18)的单元，该脉冲从特定房间或部分的建筑物中即时环境反射，并且该单元感知反射的脉冲(18)。来自相对近的特征的反射可比来自相对远的特征的反射更快地到达传感器(14)，使得反射的脉冲的时间分析可以根据建筑物内的特征距单元的距离来提供关于建筑物内的特征的信息。脉冲(18)可以在房间或部分的建筑物中的多个位置被发射和接收。可使用在特定方向上与往返传播时间相对应的特定的时间偏移来分析反射的脉冲(18)，使得特征的实际位置可以被识别。通过在建筑物内部房间到房间地到处行走并执行这种分析，可将建筑物内部的大部分或全部绘制成地图。

Description

用于生成建筑物地图的便携式外壳
本申请要求序列号为61/428,530、提交于2010年12月30日、名称为“使用定位和跟踪数据的实时地图生成”的美国临时申请的优先权，将其通过引用并入这里。
背景技术
在火灾或其他紧急事件中，紧急工作者可能在没有对建筑物的内部布局或者内部条件完全了解的情况下到达现场。建筑物的蓝图在某些情况下也许可用，但是它们也许不能反映建筑物内部的近期变化。此外，建筑物内部可能具有危险状况，某些场所或走廊被封锁或无法通行。
由于利用全球定位系统(GPS)和先进的资产跟踪技术，定位与跟踪系统已经变得相对普遍。许多这些系统允许将人员或资产精确实时地定位在具有合理精度的坐标空间。通常，这个信息通过在地图上示出感兴趣的人员或资产而被呈现给使用者，该地图已经被精确构造和校准，以便同定位系统一起使用。然而，在许多情况下，地图是不容易得到的，或没有被构建，或者是不正确的。在这种情况下，呈现感兴趣的人员或资产的位置信息以便位置信息可以被有意义地使用成为一个重大挑战。
因此，存在对建筑物模型的需求，该模型可以动态并入附加数据。这样的建筑物模型会比现有的静态模型更加精确和更新式。
发明内容
描述了一种设备和方法，用于通过组合来自现有静态地图数据、由在场的人员提供的数据和使用传感器的实时传感器数据的信息来合成建筑物地图数据，该传感器被特别设计成提供与它们所位于的环境有关的物理地形数据。在一些实例中，来自可用的所有来源的信息会被整合到单一语义的建筑物信息模型中。在某些情况下，建筑物地图和可用的场所和位置信息可从建筑物信息模型得到并被显示给使用者。在某些情况下，动态地积累和得到的新信息也可以被添加到模型中。
附图说明
图1是说明性的地图生成系统的概观图；
图2是图1的地图生成系统中两个示例使用者的示意图；
图3是来自图1的地图生成系统的外壳的示例；
图4是用于图1的地图生成系统的在房间内的使用者采取的路径的示例；
图5是从来自图4的地图生成系统的外壳发出的和由其接收的示例信号的绘图；
图6示出了用于图4-5的地图生成系统的几何和坐标系统；和
图7是图1的地图生成系统的佩戴头戴式设备的使用者的示意图。
具体实施方式
在下面描述中，引用了附图，附图形成了描述的一部份，且附图通过说明可实施的特定实施例方式被示出。这些实施例被充分详细地描述，使得所属领域技术人员能够实施本公开，并且应该理解的是，其他实施例可被利用，以及可以在没有脱离本公开范围的情况下作出结构的、逻辑的和电的改变。因此，下面示例性实施例的描述不被理解为限制意义，并且由所附的权利要求限定本公开的范围。
在此描述的功能或算法可以被实现在软件、硬件、软件和硬件的组合中，以及在某些情况下，借助了人类实现的程序。软件可包括计算机可执行的指令，存储在计算机可读的介质上，例如存储器或其他类型的存储设备。此外，这样的功能可对应于模块，其为软件、硬件、固件或它们的任意组合。多种功能可以如所期望的在一个或多个模块中执行，并且描述的实施例只不过是示例。软件可以在数字信号处理器、特定用途集成电路(ASIC)、微处理器、或例如个人电脑、服务器或其他计算机系统的计算机系统上被执行，但是这些只是示例。
呈现了一种用于产生建筑物内部的模型的系统和方法。在某些实例中，模型能接收和动态并入各种来源的输入，来源包括现有的静态地图数据，由在现场但是在建筑物外部的人员提供的例如注释和更新的数据，和/或来自位于在建筑物内部动态移动的可移动的人员或资产上的传感器的实时数据。在某些情况下，在建筑物内的移动人员或资产可以携带或者可以被附着发射声音或电磁脉冲的单元，该脉冲从特定房间或的部分的建筑物内的即时环境反射，并且该单元感测反射的脉冲。来自相对近的特征的反射比来自相对远的特征的反射更快地到达传感器，使得反射的脉冲的时间分析可以根据建筑物内的特征距单元的距离来提供关于建筑物内的特征的信息。。当使用者在建筑物到处移动时，脉冲在房间或部分的建筑物中的多个位置被发射和接收。可使用特定的时间偏移来分析发射脉冲，该时间偏移对应于在相对于单元的移动方向的特定方向上的往返传播时间，使得特征的实际位置可以被识别。通过在建筑物内部房间到房间地到处行走并执行这样的分析，可将建筑物内部的大部分或全部绘制成地图并显示。
在某些情况下，建筑物模型可以被用来帮助消防队员或其他紧急人员。例如，消防车可能在消防队员不熟悉建筑物内部的情况下抵达建筑物。在某些情况下，消防车可能包括基于车辆的单元，该单元可包括显示器、录入数据的手段，例如键盘，鼠标和/或触摸敏感屏，和同一个或多个便携单元无线通信的手段，该便携单元可以在消防队员绕建筑物内部行走时，附着到各个消防队员或被各个消防队员所携带。在某些情况下，基于车辆的单元能够接受静态地图数据，能够接受来自现场人员的输入，例如建筑物管理员、目击者、或可以录入从建筑物外貌推测的信息的紧急人员，并且能当各个消防队员在建筑物内部到处移动时从便携单元接受输入。使用任何或所有这些输入，建筑物的动态地图可以被集合，以及可选择地，显示在消防队员佩戴的头戴式设备上和/或显示在基于车辆的显示器上。
图1是地图生成系统10的概观图。这个系统10可以被采用来帮助消防队员，消防队员需要关于正在燃烧的建筑物内部的尽可能多的当前信息。在建筑物被建造的时候可能已经被绘制的现有的平面图或蓝图可提供建筑物布局的粗略概念，但是可能由于建筑物随着时间的更改而过时。另外，建筑物的内部可能被火灾损坏，并且可能包括被损坏或不能通行的部分。为了在建筑物内部或外部的消防队员的安全，这样的一系列环境改变要求尽可能多的当前信息。
在使用中，地图生成系统10可能包括在建筑物内部到处行走的一个或多个使用者。使用者可以是消防队员，并且通过使用附着到消防队员的信标可以帮助绘制建筑物内部的地图。信标可以发射信号和接收从房间内部特征反射的信号，如下进一步详述。
地图生成系统10也可以包括一个或多个在建筑物外部的使用者。这些使用者可以监控一个或多个内部使用者的进展，可以采取行动来协调他们在建筑物内部的位置。该外部使用者可以在一般保持固定的计算机屏幕上查看最当前的地图，例如在附着到消防车或在消防车内所包含的单元上。呈现在屏幕上的视图可以是可控的，使得使用者可以按需要看到建筑物内部的部分，并且可以适当地指挥建筑物内部的使用者们。
一般来说，地图生成系统10可以随最先的回应者到达现场，通常在消防车上，并可以使用预先存在的地图作为它的出发点，例如一套可以被电子读取或可以被扫描到系统10中的蓝图。地图生成系统10接下来可以在使用者建筑物内部到处行走时动态接受来自使用者的输入，并且也可以动态接受通过在消防车上一般固定的单元录入的输入。地图生成系统10可以实时地或者尽可能实时地整合所有的输入实时，使得建筑物内部最当前的地图可用于在固定单元的屏幕上查看和/或在建筑物内部的使用者佩戴的头戴式设备上查看。要注意的是，建筑物内部的头戴式设备可能是特别有用的，因为如果建筑物内部有显著的烟或如果建筑物的照明系统已经被损坏，它们可以为使用者提供有用的导航。
在此描述的建筑物模型或信息模型可以接收来自至少五种来源中的一个或多个的输入，来源包括但是不限于：(1)静态数据、(2)直观推断、(3)学习、(4)传感器、以及(5)使用者输入。这五种来源的每个被简要讨论。
关于静态数据，建筑物模型可以并入任何或所有预先存在的地图、地位级图、足迹尺寸、楼层数量、建筑物检验文件、税收文件、设施布局文件、和/或有害化学物或区域。在所有这些情况中，静态数据是已经存在的，与即时(on the fly)生成的相反，并且通常可通过有线的或无线通信访问，例如互联网。
关于直观推断，被使用者携带或被附着到使用者的传感器也许能够从该传感器所识别的运动模式中识别特定的特性或任务。例如，传感器可以识别爬楼梯、上坡或下坡、或跨越残骸，其中的每一种具有可以被传感器识别的特有的运动模式。这种直观推断可以通过加速计、陀螺仪、三角测量经由无线电信号、gps信号等等来检测。
关于学习，使用建筑物模型形成建筑物地图的建筑物模型或系统可以适应使用以前发现的信息。
关于传感器，一个或多个传感器可以被附着到各个使用者或被各个使用者所携带。在某些情况下，传感器将被附着到使用者，并且该使用者可以在建筑物到处行走或奔跑，以试图创建建筑物中的内部特征的当前地图。每个传感器也许能够检测它自身在建筑物内部的方向和/或位置，以及路径和角落、来自关闭房间的入口和出口点、以及不会在任何静态地图上呈现的障碍物的发现。下面有关于传感器和用于确定接近传感器的建筑物特征的算法的更多细节。
关于使用者输入，在某些情况下，使用者也许有可能直接录入条目到建筑物模型中。使用者可以在建筑物内部，例如在建筑物中行走或奔跑，或可以在建筑物外部，例如在消防车中或附近。模型可以接受来自视觉检验的数据的修正，可以接受未感知信息的注释，例如资源或有害区域的布署，和/或可接受不可得的基础信息的附加，例如线框架模型，建筑物楼层的数量，和/或建筑物的估计长度和宽度。
在此描述的建筑物地图模型能并入来自以上列出的五种来源或其他来源的任何或全部的地形信息，但是特别关注下面的来自位于在建筑物中移动的可移动人员或资产上的传感器的实时数据。这种信息，来自所有可用的来源，可以被整合到单独的建筑物信息模型，该模型提供足够丰富的语义以有助于确保该单独的表示尽可能的完整和一致。建筑物信息模型中的每个对象，例如门、楼梯、或窗户可以包含关于它的尺寸、它在建筑物内的放置和它与什么连接的信息。一旦模型已经被构建，例如显示建筑物地图、确定邻接物、以及缩放对象到它们适当的尺寸的操作是可能的。随着新的信息的动态积累和获得，信息可以被加入到模型，进一步加强建筑物地图的完整性。
建筑物信息模型(BIM)已经存在一段时间，并在文献中被描述。在此描述的模型使用BIM来将从多种数据来源获得的信息组合成建筑物的一致表示。当可用时，在某些说明性的实施例中，建筑物数据的初始来源是已经由原始建筑师所创建的、重建或修复所使用的、或被诸如电气或管道的各种行业所使用的地图或其它静态数据。这些地图也可以来自例如卫星图像(谷歌地球)、国土建筑物记录和房地产税收记录的许多来源，并提供来自楼层平面图、建筑物楼面面积、房间数量等的基础信息。这些地图和数据通常以印刷形式，该印刷形式具有关于定位和排列的最小语义信息。已经在文献中描述的工具能够处理印刷地图信息并得到对应的BIM数据。处理图形的楼层平面图像能被很好地理解并且包括识别线和边以及其它特定的建筑概念，例如楼梯、电梯、门、窗等。在地图中识别这些构造允许它们相对自动地被加入到BIM，由此加强了建筑物模型的丰富性。要承认的是，在许多情况下，这种建筑物地图不存在或者不可获得。当地图可获得时，它们可能过时和不包含已经作出的建筑物改变，例如墙、楼梯和其他关键建筑物结构。
为了解决这些或其它不足，可使用建筑物信息的第二来源。在某些情况下，绘制工具被提供给在现场的人员，允许人员来改正和扩展存在的信息。工具也可以帮助定义粗略的建筑物属性，例如楼层的数量、建筑物的长度和宽度、门和窗户的放置。这种绘制工具可以包括从建筑物构造的颚部(palate)中选择对象，并放置它们到显示器上(例如拖放)。附加的现场数据可以使用在现场的摄像图像来自动提供，摄像图像也许能够从外部视野自动估计楼层的数量和建筑物的粗略尺寸。在不存在初始建筑物地图的情况下，现场的人员提供的建筑物结构也许是主要方式，通过这种方式建筑物被初步呈现。当建筑物地图已经被整合到BIM中时，使用者通常能够增加和加强现有的特征并删除不正确的特征。
信息的第三来源可来自由人员或在建筑物内操作的可移动设备佩戴的传感器。当人们移动通过建筑物内部的各种区段执行他们正常的职责时，地形元素可能被发现。这些传感器包可能包括可以测量旋转和加速的惯性测量单元(IMU)，和可以检测邻近对象和障碍物的雷达。IMU能识别指示地形地图特征的基本动作，例如爬楼梯、直线走下门厅，或转弯。雷达可使用包括声学和超宽带(UWB)的多种技术，通过发出被区域内的障碍物(例如建筑物特征)反射的短脉冲来检测建筑物特征。通过测量信号传播到障碍物和被反射回来所花费的时间，可计算到障碍物的精确距离。这种脉冲可能是声音的，正如超声波，在该情况下声音的速度被使用，或电磁的，正如UWB，在该情况下光的速度被使用。
在某些实例中，从传感器收集的地形信息依赖于维护位置信息。该位置信息可以允许感测的地形对象被正确地放入BIM中。这种高性能导航仪可依赖于IMU和UWB雷达的相同传感器来确定它的位置，其可以允许这些传感器提供位置确定和建筑物发现两者。
用于动态产生建筑物模型的示例性方法如下。模型可以从一个或多个预定的静态地图检索不完整的建筑物数据，并且可以将不完整的建筑物数据并入到模型中。在某些情况下，模型可以接受通过建筑物外部的预定绘制工具录入的建筑物数据，例如建筑物楼面面积、房间数量、墙的位置、楼梯的位置、电梯的位置、门的位置、窗户的位置和房间之间的连接。在某些情况下，附加的输入数据可以取代来自静态地图的一个或多个的不正确条目。
模型也可以从一个或更多附着到各个走查建筑物的使用者的外壳接收实时生成的附加建筑物数据，并且可以实时地将附加建筑物数据并入到模型中。在某些情况下，每个外壳可以发射声音或电磁信号，该信号从相应外壳附近的建筑物中的特征反射，并且外壳可接收该反射的信号。模型可以实时形成来自模型的建筑物的动态视觉表示，并且可以实时显示建筑物的视觉表示，可选地每个显示器动态模拟每个相应使用者的视点。
用于协助动态产生建筑物模型的示例性设备可以包括一个或多个便携单元，该便携单元在各个使用者在建筑物的内部到处行走时被使用者携带或附着到使用者，以及包括一个或多个远程单元，该远程单元保持在建筑物外部，并能够与便携单元无线通信。在某些情况下，远程单元可以是基于车辆的单元(例如位于消防车上)。远程单元可具有不完整的内部地图数据，其可由来自便携单元的数据动态地补充。每个便携单元可以发射信号，该信号从建筑物的内部特征反射，并且便携单元可以接收反射的信号。在某些情况下，远程单元的显示器可在从建筑物的外部观察建筑物的远程单元的视点和使用者在建筑物内部到处行走时的使用者视点之间切换。在某些情况下，远程单元可以同中央单元无线通信，有时候经由互联网。中央单元可以作为提供地图信息的数据库，和/或可以为建筑物模型执行计算。
图2是在图1的地图生成系统10中的两个示例使用者12的示意图。在某些情况下，使用者12可以是消防队员，其可走查同一个建筑物的不同部分，致力于救火和/或在地图上标出建筑物的完整内部。每个使用者12可具有附着到使用者12的相应的外壳11。每个外壳11可通过一系列发射和接收的脉冲能够辨明在它附近的一些或所有建筑物的特征。
外壳11可以同可接收从各种外壳11发送的信号的中央接收器20无线通信。发送到中央接收器20的这些信号可以是单向信号，使得它们从外壳11发送，并由中央接收器20接收；中央接收器20通常不发送信号到外壳11。在其他情况下，中央接收器20可以附加地发送信号给外壳11。
图2中示出的传送可以包括特定外壳的目前或近來位置，使得中央接收器可以监控它们在建筑物内的位置。在某些情况下，这些传送也可以包括未处理的反射的脉冲(在后面详述)，该脉冲可以被中央接收器20解释并转换为能够动态并入到建筑物地图中的建筑物特征。在其他情况下，单独的外壳11可以内部执行反射的脉冲解释，并可以传输建筑物特征到中央接收器20，建筑物特征接下来可以被动态并入到建筑物地图中。
中央接收器20可以是计算机，例如膝上型电脑或平板电脑，并且可以由包括由使用者观看的屏幕，该屏幕与中央接收器20一起通常位于在卡车之上或附近。在某些情况下，按照所期望的，中央接收器20可以内部执行一些或所有计算，或可以允许远程计算机去执行一些或所有计算。
图3是来自图1的地图生成系统10的外壳11的示例。每个外壳11可以有信标13，其可以远离外壳11朝接近外壳11的建筑物特征三维地发射脉冲。在图3中，信标13被绘制为扬声器，其可以发射声学或声音脉冲。声音脉冲可以相对容易地穿过烟，并且可以从建筑物内的墙或其它固体特征反射或散射。
每个外壳11也可以具有传感器14，传感器14可以接收从信标13发射的脉冲和从特定房间或部分的建筑物中的各种特征反射的脉冲。在图3中，传感器14被绘制为麦克风，其可以接收声音脉冲。
作为替代，信标13可以发射具有一个或多个波长的电磁脉冲，该脉冲很大程度上穿透烟雾但很大程度上从建筑物内的墙或其它固体特征反射。同样，传感器14可以接收被反射的电磁脉冲。行程时间(time-of-flight)效应实质上对于声音脉冲来说是相同的，但光的速度远大于声音的速度。
每个外壳11可以有定位器15，或定位设备15，其在每个脉冲被信标13发射的时刻或在该时刻附近提供外壳11的二维或三维位置坐标。外壳11可以在发送的脉冲和反射的脉冲之间使用行程时间延迟来确定建筑物特征的位置，并且隐含地假设了，声音的速度显著大于使用者走查建筑物的速度。只要涉及到定位器15，假设脉冲在同一个位置，图3中表示为(x，y)，被发送和接收，则几乎没有误差或没有误差。还隐含地假设了，当测量进行时，建筑物和房间特征保持大体上静止。
在某些情况下，定位器15可以使用来自基于地面的和/或基于卫星的信号的三角测量来确定它的位置。例如，定位器15可以使用全球定位系统(GPS)。然而，这些基于三角测量的定位器的使用也有缺点，因为三角测量信号不能透过各种混凝土、砖或金属的层到达建筑物内部。例如，在楼梯井内部，可能没有足够的GPS信号来产生可靠的位置。
作为替代，或除此之外，定位器15可以使用一个基于加速计的定位算法来补充或替代基于三角测量的算法。定位器15可以包括一个或多个加速计，该加速计可以在x，y，z方向上提供实时的加速度的值。要注意的是，加速度是位置关于时间的二阶导数。如果定位器15在已知的位置开始，则知道作为时间的函数的加速度以及时间，在处于已知位置之后，可以提供作为时间的函数的随后的速度和位置的值。要注意的是，速度是位置关于时间的一阶导数。
每个外壳11也可以具有发射器16，用于传送位置和反射的脉冲信息到例如中央单元20。一般来说，整个外壳11可以足够小以便捆扎到或其它方式固定到消防队员，而没有过度的负担。外壳11可以包括足够的电池能量以为预定时间长度提供不间断使用，例如一个或两个小时。一旦外壳11被附着到使用者(或被携带)，外壳11可以开始从信标13发射一系列声波的或电磁的脉冲。如果期望，这种脉冲可以是以有规律间隔而被周期性定时的。
图4示出了使用在建筑物内的示例房间内部所采取的路径。使用者可以进入房间，在房间内少量行走，和离开房间，优选地尽可能快，因为建筑物可能起火。一般来说，为了能够在地图上标出房间内的所有二维特征(墙)，外壳11应当在房间内发射和接收至少三个脉冲，这里，在这些脉冲的时刻外壳的位置不能落在单条直线上。一般来说，在x和y两方向上距离发射/接收位置越远，在测量中的信噪比将会越高。虽然三组脉冲可以用作最小值，多于三组脉冲可以产生具有更好分辨率的和/或更高的信噪比的结果。
关于脉冲之间的的时间间隔，实践中有两个约束。一般来说，如果脉冲之间的计时太短，则一个反射的脉冲的往返时间延迟可能同下一个发射脉冲相重叠，这可能是不期望的。如果脉冲之间的计时太长，使用者可能要在房间内等待太久来获得三组脉冲。在这种脉冲计时的范围内，第二约束将会开始起作用，例如分辨率(促使使用尽可能多的脉冲)相对计算能力(外壳11或中央接收器20不得不处理反射的脉冲来形成地图特征，因此促使使用尽可能少的脉冲)。
图5是从外壳11发送并由外壳11接收的示例信号的绘图。说明性的脉冲可以由信标13在t1，t2，t3等时刻产生。在某些情况下，脉冲是有规律间隔的，使得t1和t2之间的时间间隔等于t2和t3之间的时间间隔，以此类推，但是这不是必须的。从信标13发送的脉冲信号可以用元素17表示，其将发送的脉冲信号示出为时间的函数。
在脉冲被信标13产生之后，它们经过空气(或烟)传播到接近外壳11的区域内的各种元素和特征，包房间、通道、楼梯井或括建筑物内部的任何其它特征。在特定行程的往返时间之后，脉冲从例如墙、窗、地面等等各种特征反射并最终返回到外壳11。被外壳11接收的脉冲在线18上表示。
要注意的是，接收的脉冲18逐脉冲地具有不同的外观。这些不同由于使用者在房间到处移动而引起，以及脉冲源自房间内不同(x，y)位置。要注意的是，如果使用者保持静止，那么接收的脉冲将会都看起来一样；这种静止行为将不会产生任何用于地图的附加信息。一般来说，接收的脉冲中的逐脉冲区别，提供了关于建筑物内部的特征和它们的位置的信息。
脉冲被发射和接收的(x，y)坐标，在图5中表示为(x1，y1)(x2，y2)(x3，y3)等等，用元素19表示。
图6示出了用于图4-5的地图生成系统的几何和坐标系统。一般来说，行程的往返时间将等于脉冲传播的往返距离，除以脉冲的速度(对电磁波来说)。距特征越远，从该特征反射的脉冲返回到外壳所花费的时间越长。当使用者走查建筑物的时候，与特定特征的距离会改变，对应于这些特征的相应的往返时间也可能逐脉冲地改变。这种逐脉冲的往返时间变化，与每个脉冲被发射的位置变化相结合，帮助了提供用于生成建筑物内部地图的信息。
在图6中，使用者从位置(x，y)发送和接收样本脉冲。一部分发送脉冲在正y方向上或如图6所示中的坐标系统中“向上”行进。脉冲从在图6的顶部的墙反射。一部分反射的脉冲接着在负y方向上或图6中“向下”上反射回来，并在(x，y)返回到外壳11，在此被传感器14接收。接收的脉冲，在与脉冲从信标13行进到墙，并从墙返回到传感器14的往返时间相对应的时刻，将看到尖峰。
发送脉冲的不同的一部分在正x方向上或在图6的坐标系统中“向右”行进。脉冲从在图6右边的墙反射。一部分反射的脉冲接着在负x方向上或图6中“向左”反射回来，并在(x，y)返回到外壳11，在此被传感器14接收。同样，接收的脉冲，在与脉冲从信标13行进到墙，并从墙返回到传感器14的往返时间相对应的时刻，将会看到尖峰。要注意的是，如果“顶”和“右”墙离外壳11的发送/接收位置(x，y)的距离是不同的，那么接收的脉冲将会示出两个在时间上不同的尖峰。
相似地，对于在图6右上方的墙的成角度的部分，该部分以角度θ出现(即，如果一个人打算绘制从反送/接收位置到墙的直线，该直线将会相对于水平方向或x轴方向行成角度θ)，一个人将会看到尖峰，该尖峰与沿着在发送/接收位置与成角度的墙之间的直线的往返时间相对应。要注意的是，对于沿着从发送/接收位置到墙上的成角度的特征的直线的往返时间，墙本身的实际角度是次要的。
对于图6的三个特征，每个特征可以在接收的脉冲中产生它自己的尖峰，每个尖峰发生的时间与特征离外壳11的反送/接收位置的距离相关。在实践中，房间中可能有其他特征，像家具和柜子，这些可能在反射的脉冲中产生远多于三个的离散的尖峰。系统10能够从反射的脉冲反向工作来确定特征在房间和在建筑物的什么位置。
作为简单(即使完全不切实际)示例，如果使用者站在完全球形的房间的中央，脉冲在同一时间从墙上所有的点反射，并且传感器记录非常类似发射的脉冲的信号，但被延迟了短时间。在这个简单化的情况下的延迟是脉冲从信标到墙，再到传感器的往返时间。根据该延迟时间，一个人可以计算到墙的距离。对于往返延迟时间t和声音的速度v，到墙的距离是t×v/2。
在任何现实房间中，房间中的各种特征离使用者的距离是不同的。因此，在传感器检测到的声音不是原始的、未反射的形式的脉冲，而是该脉冲在时间上的“被涂抹的(smeared-out)”版本。该“涂抹(smearing)”的发生是由于从相对近的对象反射回传感器的反射比从相对远的对象的反射回传感器的反射要早。
数学上，感测的信号可以被表达为原始脉冲，与相对复杂的冲击响应进行卷积，该冲击响应取决于在其中发射了脉冲的房间的空间特性。在我们上面过于简单化的示例中该冲激响应是一个δ(delta)函数(无限大的幅度，无限小的宽度)，该函数从起点被位移了我们球形房间的往返时间。在现实房间中，脉冲响应通常比δ函数复杂得多。
在使用期间，信标可以发射脉冲，该脉冲从房间中的各种特征反射，并且传感器可以检测在时间上“被涂抹的”反射的脉冲，具有与房间中的特征离使用者的相对距离相对应的“涂抹”。如果使用者在房间中保持静止，则没有足够的信息来确定房间的特征的绘图；反射的脉冲可以指示离使用者的相对距离，但是不能给出方向指示。例如，任何特定特征可以是在使用者前面、在使用者后面、或侧面。为了得到方向信息，该方向信息可以提供除了离使用者的距离以外在方向上的指示，使用者通常通过带着信标/传感器单元在房间四周走动来在房间内的不同位置发出和接收脉冲。通过监控信标/传感单元的位置，例如用全球定位系统(GPS)或其它适宜的位置监控器，连同来自传感器的检测的“被涂抹的”脉冲，一个人可以把房间中的特征绘制成地图。
作为一个简单化的示例，考虑只有两个平行的墙的房间，两个平行的墙被表示为墙A和墙B。一般而言，对这个简单化的示例来说，传感器信号将显示两个尖峰，一个对于墙A，且一个对于墙B，并且发射的脉冲和每个反射的尖峰之间的时间延迟对应于来往于相应的墙的往返时间。如果使用者要走向墙A并远离墙B，与墙A对应的尖峰将较早到达，而与墙B对应的尖峰将较晚到达。那么，使用者将会知道他或她正在走向墙A并远离B。要注意的是，如果使用者要平行于两个墙行走，则墙A和墙B两者的尖峰到达时间将不会改变，这样的行走将不会提供关于墙A和墙B位于何处的新信息。
一般来说，通过在房间的至少三个不同的位置处发送/接收脉冲，优选地这三个位置没有沿着一条线，并且通过知道脉冲被发送和被接收的位置，一个人可以使用接收的脉冲信号来确定在房间内的例如墙的对象位置，并由此可以绘制出房间的地图。
作为一个更具体的示例，返回到图4中示出的三个(x，y)位置。对于在正y方向上(“向上”)行进，接着从最顶部的墙反射，并在负y方向上(“向下”)返回的脉冲，这样的脉冲将具有相对短的来回于位置“2”的往返时间，将具有相对相对中间的来回于位置“3”往返时间，将具有相对长的来回返于位置“1”的往返时间。这样墙将相对早地在对于位置“2”的反射的脉冲中产生尖峰，而相对迟地在对于位置“1”的反射的脉冲中产生尖峰。
虽然一个人可以开始在特定时间来寻找尖峰，处理反射的脉冲的更容易和更灵活的方法可以引入脉冲间的时间偏移，其中在每个位置上每一个时间偏移具有它自己特定的时间偏移。在一个人要对特定方向上的时间偏移的脉冲进行比较时，在沿着那个方向的特征的所有脉冲中在相同时刻，一个人将看到尖峰。这样的尖峰，是所有或若干脉冲共有的，在那个特定方向上指示该特征的位置。通过使用多种技术，尖峰可以从噪声中被提取，最简单的技术是对脉冲简单求和，其中总和中的每个脉冲具有它自身的时间偏移。
换言之，如果一个人要从外壳沿着特定方向远看，则一个人最后将看到建筑物里的某个特征，会是墙、门、入口等等。从发送/接收位置到那个特征的行程的往返时间将显露为在发射的脉冲和在接收的脉冲中对应的尖峰之间的延迟。一个人接着沿着相同的方向，从房间内各种(x，y)位置看到特征。行程的往返时间在不同的位置上是不同的，并且对应的尖峰的延迟也是不同的。为“解码”这些在不同的(x，y)位置上接收的反射脉冲，一个人可以计算出在这些位置自身之间在行程的往返时间上的差别，并使用这些差别为接收的脉冲(每个特定方向具有它自己的时间偏移集合)来生成适当的时间偏移，使得如果一个人(为特定的方向)应用时间偏移，则从特征(沿着特定方向)的所有反射将在同时显露在时间偏移的反射脉冲中。
数学上，使用图6的坐标系统，和图4的三个发射/接收位置，我们可得到时间偏移(或相位偏移)的表达，作为方向的函数。在这个几何图形中的方向被给予角度θ(见图6)，其是与x轴(水平)形成的角度。当将测量“2”(在位置(x2，y2))与测量“1”(在位置(x1，y1))相比较的时候，为了检测沿着角度θ的特征，一个人应用了以下的时间偏移：
2sinθ[(x2-x1)2+(y2-y1)2]1/2/v
其中v是该脉冲的速度，通常对声脉冲是声音的速度，或对电磁脉冲是光的速度。要注意的是，因数2是由于使用了行程的往返时间而不是行程的单向时间而产生。一般来说，每个位置(xi，yi)依据上面的公式会被分配它自己的时间偏移。每个时间偏移集合也随方向而变化。
在实践中，一个人可以使用上面的数学方法(或其它数学方法)从单独的所接收脉冲来形成完整的地图。一个人可以查看一组发送/接收的脉冲，通常在建筑物的相同的房间或区域。一个人指定特定数目的角度，通过它们来分析这组脉冲。对于每个角度，一个人可以使用上面的(或其它的)公式来为每个脉冲生成时间偏移。为了在每个角度比较若干个脉冲，接收的脉冲可以被加和、被平均、或以别的方法被处理以确定每个特定角度的最接近的特征。当每个角度的最接近的特征遵照其它角度的那些特征时，这些特征一起能够产生建筑物的房间或区域的内部的地图。
要注意的是，如果使用者在执行测量的同时正在行走，则使用者的运动可能对感测的脉冲有几乎没有影响，因为使用者行走速度大概远远慢于声音的速度。一般来说，具有以x，y，z的空间坐标的每个脉冲被发送和接收的位置，通常被录入到方程中，而一般不是速度。
可选地，当使用者关心他或她前面的对象时，速度可以被用于计算。具体来说，当使用者在特定的方向上前进时，直接在使用者前面的对象产生反射，该反射具有逐渐变短的返回到使用者的往返时间。使用者可能注意到这些对象，例如墙，而较少关注在使用者侧面的对象。这些对象位于何处的计算可以可选择地使用速度信息，包括使用者/设备的大小、方向和/或加速度和/或旋转。
以这种方式，使用者在结构中从房间到房间行走，在每个房间的各种的位置发送和接收脉冲，并形成结构的内部地图，包括房间墙、门开口等等。在某些情况下，反射的信号的大小可以提供附加的信息，例如产生反射的对象的大小和材料类型。
在某些情况下，内部地图可以被实时或接近实时地显示在使用者佩戴的显示器上。这样的显示器对于消防队员会是有帮助的，由于烟或其它的相关问题，消防队员可能在房间或结构中具有在视觉上看到所有东西的困难。在某些情况下，会有多个使用者，每个使用者发送和接收脉冲，其同时绘制出结构的房间的地图。随着地图被形成，建筑物地图的有关部分可被显示在使用者的显示器上，即使显示的地图的某些或全部已经被特定使用者之外的某人绘制出地图。
在某些情况下，定位设备可以使用全球定位系统。在其它情况下，定位设备可以使用内部测量单元，该内部测量单元动态地测量外壳的加速度和动态旋转，并基于测量的加速度和旋转计算位置。在又一个实例中，可使用冲击UWB和多载波UWB无线电来提供测距信息。使用来自两个或更多具有固定已知分离的天线的测距信息，可以允许通过简单的三角法(三角测量)来创建角度测量。这个角度测量和距离可以被用来跟踪结构内的外壳的位置，有时候是三维的。
图7是图1的地图生成系统10的佩戴头戴式设备22的使用者12的示意图。在说明性实施例中，头戴式设备22可以通过有线或无线连接来连接到外壳11。在某些情况下，头戴式设备22可产生来自使用者12的视点的使用者周围环境的视图；如果使用者位置充满了烟，这种视图可证明对使用者12是有用的。在头戴式设备22中提供给使用者12的视图可以既反映由系统10确定的建筑物内部最当前的视图，以及也可选地可包括房间或部分的建筑物内部没有绘制成图的地形指示。这种头戴式设备22可以有助于引导使用者12脱离潜在危险的环境，并且可以有助于引导使用者12为了绘制地图而朝向建筑物没有绘制成地图的部分。这种在头戴式设备22中被使用者12看到的视图可以是通过外壳11、通过中央接收器20和/或通过附加的处理器来产生的。

Claims (15)

1.一种用于动态产生建筑物内部地图的设备，包括：
外壳(11)，当使用者(12)走查建筑物时能够被附着到所述使用者(12)；
在所述外壳(11)中的信标(13)，用于发射接近所述外壳(11)的一系列脉冲(18)，所发射的脉冲(18)从接近所述外壳(11)的建筑物内的特征反射以产生一系列反射的脉冲(18)；
在所述外壳(11)的中定位设备(15)，用于确定在发射所述一系列脉冲的时刻或接近该时刻的所述外壳(11)的动态位置；
在所述外壳(11)中的传感器(14)，用于接收所述一系列反射的脉冲(18)，并用于产生接收的脉冲信号，该接收的脉冲信号对应于至少所选择的发射和接收的脉冲(18)；以及
处理器，用于将接收的脉冲信号和对应的外壳(11)的位置相关联，并为建筑物中的至少选择的特征提取位置信息。
2.权利要求1的设备，其中所述建筑物内的所述特征相对于所述建筑物是大致静止的。
3.权利要求1的设备，其中在发射的脉冲和从特定特征接收的脉冲信号中出现对应的反射之间的延迟取决于在所述外壳(11)和所述特定特征之间该脉冲的往返时间。
4.权利要求1的设备，其中接收的脉冲信号随着与动态冲激响应卷积的发射的脉冲而变化，所述动态冲激响应取决于所述建筑物内的特征和所述外壳(11)的动态位置之间的相对距离。
5.权利要求1的设备，其中当所述使用者(12)沿非线性路径行走，使得至少三个动态位置不落在一条直线(18)上时，所述处理器为所述建筑物内的特征提取二维位置信息。
6.权利要求1的设备，其中所述信标(13)以有规律的周期发射所述一系列脉冲(18)。
7.权利要求1的设备，其中所述定位设备(15)使用电磁信号来生成所述外壳(11)的动态位置，所述电磁信号包括全球定位系统(10)(GPS)、蜂窝通信信号、电视信号或无线电信号中的至少一种。
8.权利要求1的设备，
其中，所述定位设备(15)使用惯性测量(1)单元，该惯性测量(1)单元测量所述外壳(11)的动态加速度和所述外壳(11)的动态旋转；以及
其中，所述惯性测量(1)单元至少部分地基于测量的动态加速度和测量的动态旋转来计算所述外壳(11)的动态位置。
9.权利要求1的设备，进一步包括显示器，所述显示器从处理器接收动态信号并从所述使用者(12)的视点产生所述建筑物内的特征的看得见的表示。
10.权利要求1的设备，其中所述发射脉冲(18)是电磁的，并且包括从墙反射但穿透烟雾的电磁频谱的一部分。
11.权利要求1的设备，其中所述脉冲(18)是音波脉冲(18)。
12.一种包括多个权利要求1的设备的系统(10)，所述系统包括中央处理器，用于将在多个外壳(11)中的每一个外壳处的接收的脉冲信号与所述多个外壳(11)中的每一个外壳(11)的对应外壳(11)位置相关联，并用于为建筑物内的特征从中提取位置信息。
13.权利要求12的设备，进一步包括可由各个使用者(12)佩戴的多个显示器，每个显示器从所述中央处理器接收动态信号，并且从所述各个使用者(12)的视点产生建筑物内的特征的看得见的表示。
14.一种用于动态产生建筑物内部地图的方法，包括：
从可移动外壳(11)发射一系列脉冲(18)，每个脉冲具有发射脉冲的对应的外壳(11)位置，每个脉冲从外壳(11)向外扩展并从所述建筑物内的特征反射；
移动外壳(11)使得所述一系列脉冲(18)中的至少三个脉冲(18)从不沿着一条直线(18)的外壳(11)位置发射；
在所述外壳(11)处感测一系列反射的脉冲(18)；
将感测的所述一系列反射的脉冲(18)和所述对应的外壳(11)位置相关联；以及
分析所述感测的一系列反射的脉冲(18)和它们对应的外壳(11)位置以提取所述建筑物内的每个特征的位置。
15.权利要求14的方法，其中所述分析步骤包括：
形成多个加权，每个加权对应于与所述外壳(11)移动方向有关的不同方向；
对每个方向，计算对应于一系列加权的多个往返时间延迟，所述往返时间延迟为一系列外壳(11)位置而计算；
对每个方向，对感测的所述一系列反射的脉冲(18)应用所述多个时间延迟以获取距离信息；以及
从每个方向的所述距离信息中提取所述建筑物内的特征的位置。
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