定位及路径地图生成系统及其数据采集分析方法.pdf

本发明公开了一种定位及路径地图生成系统及其数据采集分析方法，定位及路径地图生成系统包括：用于感应物体位置信息的数据信号的第一磁传感器；用于测量物体运动状态的数据信号的第二磁传感器；还包括用于处理第一磁传感器和第二磁传感器产生的数据信号并计算物体前进方向的信号处理装置；用于产生图像数据信号的成像设备；用于根据图像数据信号来确定物体的行进距离及运动速度的图像处理装置。本发明的定位和路径地图生成系统体积小，便于携带、精度高。

1.  一种定位和路径地图生成系统，包括：
用于感应物体位置信息的数据信号的第一套传感器(12)；
用于测量物体运动状态的数据信号的第二套传感器(14)；
其特征在于：还包括
用于处理第一套传感器(12)和第二套传感器(14)产生的数据信号并计算物体前进方向的信号处理装置(18)；
用于产生图像数据信号的成像设备(16)；
用于根据图像数据信号来确定物体的行进距离及运动速度的图像处理装置(11)。

2.  根据权利要求1所述的定位和路径地图生成系统，其特征在于：
还包括至少一个主控制器(25)，主控制器(25)与信号处理装置和图像处理装置相连。

3.  根据权利要求1所述的定位和路径地图生成系统，其特征在于：所述第一套传感器(12)用于产生第一组数据信号，且与三个正交轴上的磁场强度相对应。

4.  根据权利要求1所述的定位和路径地图生成系统，其特征在于：所述第二套传感器(14)用于产生第二组数据信号，与两个或三个正交轴上的加速度相对应。

5.  根据权利要求1所述的定位和路径地图生成系统，其特征在于：所述第一套传感器(12)包括三轴电子罗盘。

6.  根据权利要求1所述的定位和路径地图生成系统，其特征在于：所述第二套传感器(14)包括惯性传感器。

7.  根据权利要求6所述的定位和路径地图生成系统，其特征在于：所述第二套传感器(14)包括二轴或三轴加速度传感器。

8.  根据权利要求6所述的定位和路径地图生成系统，其特征在于：所述二轴或三轴加速度传感器设置成一个或两个。

9.  根据权利要求1所述的定位和路径地图生成系统的数据采集分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)由第一套传感器(12)测量物体位置信息的第一组数据信号；
2)由第二套传感器(14)测量物体运动状态的第二组数据信号；
3)由信号处理装置(18)对第一组数据信号和第二组数据信号进行处理；
4)由信号处理装置(18)计算航向角α、Φ和θ；
5)将计算好的航向角转化成与定位和路径图生成应用程序相兼容的输入信号；
在进行步骤1)至5)的同时进行以下步骤
6)由成像设备(16)采集物体的多重图像数据信号；
7)由图像处理装置(11)对图像数据信号进行处理；
8)由图像处理装置(11)计算缩小倍数ΔMAG；
9)图像处理装置(11)利用缩小倍数ΔMAG计算采样时间T_n和T_m之间的行进距离D_n-＞m和行进速度R；
10)将行进距离D_n-＞m和行进速度R的数据转换成与定位和路径图生成应用程序相兼容的输入信号；
11)利用应用程序以适当的图形显示相关的前进方向和行进距离，所述应用程序在信号处理装置(18)、图像处理装置或主控制器(25)中执行，还可以由与该系统通信的本地或远程处理设备执行。

10.  根据权利要求9所述的定位和路径地图生成系统的数据采集分析方法，其特征在于：在所述步骤4)中，
利用等式(1)计算物体的俯仰角Φ，
φ＝sin^-1(-A_x/g)           (1)
式中，g为重力加速度；
利用等式(2)计算物体的横滚角θ，
θ＝sin^-1[A_y/(g·cosφ)]   (2)
利用等式α＝tan^-1(M_yh/M_xh)计算前进方向α，其中，
M_xh＝M_x·cosφ+M_y·sinθ·sinφ+M_z·cosθ·sinφ，M_yh＝M_y·cosθ-M_z·sinθ
A_x、A_y表示物体在X轴和Y轴方向的加速度测量值。

11.  根据权利要求9所述的定位和路径地图生成系统的数据采集分析方法，其特征在于：在所述步骤8)中，利用透镜成像原理和三角关系的智能算法得到缩小倍数ΔMAG。

定位及路径地图生成系统及其数据采集分析方法
技术领域
本发明涉及一种定位及路径图数据系统及其数据采集分析方法。
背景技术
传统的车辆定位地图和路径地图系统，包括第一套传感器和第二套惯性传感器或车辆状态跟踪传感器。第一套传感器用来记录车辆的性能数据，而第二套惯性传感器用来确定车辆的位置坐标、引擎的每分钟转速、节气门位置和转向角。第二套惯性传感器，包括运动传感器和加速度传感器，可以用来确定车辆的前进方向。值得注意的是，如果车辆的性能数据和实际位置误差大于2-5英尺，则该性能数据参考价值不大。
车辆的位置坐标通常由全球定位系统(GPS)或类似系统确定。GPS是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统，只有当GPS接收机锁定其中至少三颗卫星时，GPS才能正常工作，计算出二维位置，也就是确定经度和纬度，从而更进一步地确定运动轨迹。如果需要得到三维位置或是运行姿态，也就是经度、纬度和高度，则必须接收四颗以上的卫星信号。
GPS接收机的平均定位精度只有15米或50英尺。而且该精度常常还受到大气条件及其他因素的影响。例如，在市区有过多的高层建筑或屏蔽物会影响卫星信号的接收质量，山区地形也会影响卫星信号的接收质量。另外，当接收机处于房间内，或是隧道、峡谷、洞穴等地方，GPS信号也会受到干扰甚至消失。
随着运动传感器设备的发展，如运动传感加速度传感器，重力加速度传感器，陀螺仪和类似传感器的出现，，已经有人提出将这些产生输入信号的传感器集成到小型设备或便携式设备，使得无需依赖卫星获得位置信号的系统也应运而生，例如，在美国专利7138979中揭露了一种便携式二维定位的输入信号的产生方法及其便携式设备，该专利揭露了利用照相机、陀螺仪，和/或加速度传感器来检测该设备在空间定位上的变化，从而产生显示该变化的位置信号，该种系统无需依赖卫星获得位置信号，也消除了前述的使用限制，并且该系统的精确度可以达到约2-5英尺。
通常，定位和路径地图生成系统的应用范围包括：小型车载/非车载单元在各种地形和环境下对行进路线的监测；在各种地形和环境下对目标物的确定和指示；在运动过程中不断向底层平台用户传输实施的位置和图像数据；为无人机、导弹、无人车辆、机器人等无人系统提供精确的路径地图数据。
精确的定位和路径地图信息对于武装部队、海岸线警卫队人员、消防人员、警察、搜救小组和紧急医疗救护人员非常有用，同时在狩猎、登山、划船、帆伞运动、降落、登山等休闲娱乐中也非常有用。
但现有的定位和路径地图生成系统体积仍然较大，如将其用于便携式电子设备中时仍需更新型的定位和路径地图生成系统，同时现有的定位和路径地图生成系统进一步提高其精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小，便于携带、高精度的定位和路径地图生成系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种定位和路径地图生成系统及其数据采集分析方法。
在图1中，便携式电子设备或车辆的刚性物体50的三维空间姿态，可以根据参考点55描述成三个角度：航向角(未显示)、横滚角和俯仰角，一般情况下，这些角度以当地水平面52为参考平面，例如，垂直于地球重力54的平面或是地球的黄道平面。航向角α指在当地水平面52上从正北方向顺时针转到刚体10机头方向间的夹角。俯仰角Φ指在物体纵轴56和当地水平面52间的一个角度。在航天应用领域，正俯仰角通常指机头向上，负俯仰角指机头向下。横滚角θ指横轴与当地水平面之间的转动角度。习惯上，航天应用中的正横滚角指“右翼向下”，负横滚角指“右翼向上”。
本发明的定位和路径地图生成系统包括：
用于感应物体位置信息的数据信号的第一套传感器；
用于测量物体运动状态的数据信号的第二套传感器；
用于处理第一套传感器和第二套传感器产生的数据信号并计算物体前进方向的信号处理装置；
用于产生图像数据信号的成像设备；
用于根据图像数据信号来确定物体的行进距离及运动速度的图像处理装置。
本发明的定位和路径地图生成系统的数据采集分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)由第一套传感器测量物体位置信息的第一组数据信号；
2)由第二套传感器测量物体运动状态的第二组数据信号；
3)由信号处理装置对第一组数据信号和第二组数据信号进行处理；
4)由信号处理装置计算航向角α、Φ和θ；
5)将计算好的航向角转化成与定位和路径图生成应用程序相兼容的输入信号；
在进行步骤1)至5)的同时可进行以下步骤
6)由成像设备采集物体的多重图像数据信号；
7)由图像处理装置对图像数据信号进行处理；
8)由图像处理装置计算缩小倍数ΔMAG；
9)图像处理装置利用缩小倍数ΔMAG计算采样时间T_n和T_m之间的行进距离D_n->m和行进速度R；
10)将行进距离D_n->m和行进速度R的数据转换成与定位和路径图生成应用程序相兼容的输入信号；
11)利用应用程序以适当的图形显示相关的前进方向和行进距离，所述应用程序在信号处理装置、图像处理装置或主控制器中执行，还可以由与该系统通信的本地或远程处理设备执行。
本发明的定位和路径地图生成系统体积小，便于携带、精度高。
附图说明
图1为倾斜传感器和参考水平面示意图；
图2为定位及路径地图生成系统设备的框图；
图3为结合动作传感器和成像设备的手持式定位和路径图生成系统的实施例示意图；
图4A为利用三角成像关系确定两点之间的行进距离示意图；
图4B为描述成像缩小的图；
图5为生成计算行进距离数据和生成路径图数据的图形；
图6为生成和显示路径图数据的方法流程图。
具体实施方式
本发明的定位和路径图生成系统包括：
用于感应物体位置信息的数据信号的第一套传感器12；
用于测量物体运动状态的数据信号的第二套传感器14；
用于处理第一套传感器12和第二套传感器14所产生的数据信号并计算物体前进方向的信号处理装置18；
用于产生图像数据信号的成像设备16；
用于产生图像数据信号、确定物体的距离及运动速度的图像处理装置11。
如图2，本发明的定位和路径地图生成系统中所述磁传感器包括第一套传感器12和第二套传感器14，第一套传感器12可以是磁罗盘，第二套传感器14可以是惯性传感器或车辆跟踪传感器；本系统还包括成像设备16和图象处理装置11。
信号处理部分19用于产生关于前进方向的数据。利用第一套传感器12可以测得物体50的位置，即航向角速度，横滚角速度和俯仰角速度。
信号处理部分19的第一套传感器12和第二套传感器14用于产生数据信号，这些数据信号与加速度引起的倾斜和/或被测磁场强度相对应。这些数据信号传送给信号处理装置18后，信号处理装置18处理数据信号，从而确定物体50的瞬时位置：航向角、俯仰角和横滚角。航向角对应前进方向。
图像处理部分17用于产生图像数据信号，确定物体50的距离及运动速度。例如，成像设备16以预定的固定速率产生多重图像，如每秒300,000帧图像，相当于连续的图像帧之间的时间间隔为3.3毫秒。和图像相关的数据信号传送给图像处理装置11，图像处理装置11处理图像数据信号，根据投影缩小的原理确定距离和运动速度。
如图3所示，一套独立的系统包括了第一套传感器12、第二套传感器14和成像设备16，更进一步地，包括信号处理装置18和图像处理装置11，另外，还可以根据需要选择是否增加主控制器25。
磁传感设备和惯性传感设备：
常见的用于测量物体50的运动状态的运动感应设备或动作传感器包括加速度传感器、应变计、压电电气设备、压电电阻器、电容装置、机械式开关、陀螺仪、磁罗盘、磁设备、光学设备、红外设备等。要获得完全的六自由度运动状态，传统的运动感应往往将二轴或三轴加速度传感器与三轴陀螺仪相结合。加速度传感器通过感应其在X方向和Y方向的倾斜度来测量横滚角和俯仰角，陀螺仪提供加速度传感器不易获得的航向角速度，横滚角速度和俯仰角速度。因此，常规的运动感应中，为了获得六自由度的惯性感应，陀螺仪是必不可少的。
在自由空间，也就是说，在定义成没有重力和磁场的条件下，二轴/三轴加速度传感器加上三轴陀螺仪完全可以获得六自由度运动信息。然而，在实际中，由于地球的引力和磁场的影响，“自由空间”是无法实现的，这也是传统的路径图生成系统需要依赖额外的GPS的原因之一。
本定位与路径地图发生系统第二传感器可为二轴加速度传感器14，尽管本发明是联系二轴加速度传感器进行描述，但这些技术也适用于其他惯性传感设备的发明。加速度传感器14装在物体50上，使得它的两个传感轴位于同一平面内，即，同一水平参考平面52，两个传感轴互相正交。例如，二轴加速度传感器14可以为单片电路结构并固定连接到一块子印刷电路板(PCB)上，而该子印刷电路板又可以垂直安装在一个主印刷电路板上。
所述第一套传感器为磁传感器12，可包括电子罗盘，或者更特别地，可为捷联式电子罗盘。磁传感器12可感应位置信息：偏航角速度、俯仰角速度和横滚角速度，但主要还是利用X和Y方向的感应来测量航向角的变化。
三轴磁传感器14的测量值由参数M_x，M_y，M_z，表示，分别对应X轴，Y轴和Z轴的磁场强度。二轴加速度传感器12的测量值由参数A_x，A_y，表示，分别对应X轴和Y轴方向。
利用等式(1)计算物体50的俯仰角Φ，
φ＝sin^-1(-A_x/g)    (1)
式中，g为重力加速度，约为9.8m/s²
利用等式(2)计算物体50的横滚角θ，
θ＝sin^-1[A_y/(g·cosφ)]    (2)
利用等式(3)计算物体50的航向角α
α＝tan^-1(M_yh/M_xh)    (3)
其中，M_xh＝M_x·cosφ+M_y·sinθ·sinφ+M_z·cosθ·sinφ，
M_yh＝M_y·cosθ-M_z·sinθ，M_xh指水平面52内的X轴磁场强度，M_yh指水平面52内的Y轴磁场强度。
根据图1，当物体50的三维姿态发生变化时，即，物体的X轴、Y轴、Z轴的至少一个轴有所转动，第一套磁传感器12产生各个轴的磁场强度信号，即M_x，M_y，M_z。第二套传感器14产生X轴和Y轴方向的加速度信号，即A_x，A_y。上述信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号。
用于计算磁场强度M_x，M_y，M_z和加速度A_x，A_y的数据信号，由数据信号处理装置18提供。数据信号处理装置18可以装第一套传感器12和/或者第二套传感器14，或者就将传感器作为系统中的单一结构。
为了改善信噪比(SNR)，从第二套传感器14和/或第一套传感器12得到的数据信号通过低通滤波器21传递。此外，为了改善信噪比，第二套传感器除了使用一个二轴加速度传感器外，还可以使用一对二轴加速度传感器，将它们互相反方向地垂直安装在物体50上，也就是说，一个加速度传感器14安装在物体50的前向轴上，而另一个加速度传感器14安装在物体50的后向轴上。相对于只安装一个二轴加速度传感器，这样做的目的是为了能够产生两倍的信号，进一步降低噪声的影响。
如果参数信号是模拟信号，那么，信号处理装置18将包括一个模数(A/D)转换器13。一旦信号变成数字形式，它们就可以使用数据处理单元进行处理。
成像设备
本系统的图像处理部分17安装了成像设备16和图像处理装置11，产生图像数据信号，利用图像数据信号可以计算出行进距离D_1->n和行进速度R。成像设备16以固定的速度产生并传送预定的多重数字图像。该图像数据信号包括可检测到的“最显著特征”，该特征包括至少两个不同方面的尺寸，如可以测量的长度，宽度、和/或高度。举例来说，该显著特征可以是人造结构、电线杆、树木、岩石等等。
成像设备16可以是数码相机或类似的设备，尺寸小，重量轻的数码成像单元以预定的速度获取图像，例如，每秒300,000个图像帧，即连续的图像帧之间的时间间隔为3.3毫秒，实时地将数码图像数据信号传输给图象处理设备19。
信号处理装置、图像处理装置及主控制器
如前所述，信号处理装置18，图像处理装置11和主控制器25都可以各自为一个设备，也可以两两组合，或是三者结合成为一个单元。简单地说，系统的信号处理装置18、图像处理装置11和主控器25都可以假定为独立的设备。
每个信号处理装置18，图像处理装置11和主控器25均可以包括易失去性存储器(随机存储器)，非易失性存储器(只读存储器)，和处理器或微处理器。处理器或微处理器可以执行基于软、硬件的应用，驱动程序，算法等。这些软、硬件的应用，驱动，算法等都可以储存于非易失性存储器中，并在易失性存储器中执行。上述应用包括处理，传输，存储数字和/或模拟信号；包括利用数据信号计算经过的距离和/或前进方向；和/或将原始数据及计算过的数据信号翻译成机器语言或命令，并由处理设备执行后，产生路径地图。
更具体地说，利用等式(1)～(3)及第一套传感器12获得的磁场强度数据和第二套传感器14获得的加速度数据，数据处理部分19执行或运行至少一种数据处理的应用来计算航向角α，即前进方向。得到的航向角α随后被传递给图象处理设备和/或主控制器25。另外，利用等式(1)～(3)及第一套传感器12获得的磁场强度数据和第二套传感器14获得的加速度数据，数据处理部分19执行或运行至少一种数据处理的应用，仅用于生成传输到图像处理装置11的数据信号。
图像处理部分17中，成像设备16得到的图像数据信号传送给图像处理装置11，由图像处理装置11执行或运行至少一种应用，利用投影缩小的原理计算物体50的行进距离D_1->n和行进速度R。图像处理装置11进一步将计算好的行进距离D_1->n和行进速度R传送给信号处理装置18和/或主控制器25。
图像处理部分17的至少一种图像处理的应用可以识别物体的显著特征，例如，一个人造/天然物体，第一个图像为I₁，依次类推至后面的图像I_n(其中n为正整数)，都具有该共同特征。举例来说，该显著特征可以是人造结构、电线杆、树木、岩石等等。
图像处理部分17进一步确认两个图像，如图像I₁和图像I_n在长度、宽度和/高度中的至少一维上具有共同的显著特征。参考图4A和4B，两个图像的显著特征测量以后，图像处理部分17计算标量缩小倍数ΔMAG。例如，通过包括透镜成像原理和三角关系的智能算法可以得到标量缩小倍数ΔMAG。此外，图像处理部分17可以使用历史数据，并通过实验室或现场实验/标定对标量缩小倍数ΔMAG进行修改。
一旦图像处理部分17计算好标量缩小倍数ΔMAG，T₁时刻获取的图像I₁和T_n时刻获取的图像I_n之间的行进距离D_1->n及行进速度R都可以计算得到。将行进距离D_1->n和行进速度R传送给信号处理装置18和/或主控器25。另外，也可以通过图像处理部分17来执行或运行至少一种应用，从而产生原始信号数据，将信号数据传送给信号处理装置18和/或主控器25后，计算得到行进距离D_1->n及行进速度R。
当来自图像处理部分17和信号处理部分19的数据信号传送到单一主控制器25时，主控制器25将前进方向数据与各自的行进距离D_1->n和行进速度R结合后，结合在一起的行进距离D_1->n和前进方向数据转换成信号，用于生成、图形绘制和/或显示物体50行进和静止时的定位和路径图。
下面对本发明的定位和路径地图生成系统的数据采集分析方法进行描述：
图6为生成和显示路径地图数据的方法流程图，本发明的方法包括以下步骤：
1)由第一套传感器12测量物体位置信息的第一组数据信号；
2)由第二套传感器14测量物体运动状态的第二组数据信号；
3)由信号处理装置18对第一组数据信号和第二组数据信号进行处理；
4)由信号处理装置18计算航向角α、横滚角Φ和俯仰角θ；
5)将计算好的航向角、横滚角和俯仰角转化成与定位和路径图生成应用程序相兼容的输入信号；
在进行步骤1)至5)的同时可进行以下步骤
6)由成像设备16采集物体的多重图像数据信号；
7)由图像处理装置11对图像数据信号进行处理；
8)由图像处理装置11计算缩小倍数ΔMAG；
9)图像处理装置11利用缩小倍数ΔMAG计算采样时间T_n和T_m之间的行进距离D_n->m和行进速度R；
10)将行进距离D_n->m和行进速度R的数据转换成与定位和路径图生成应用程序相兼容的输入信号；
11)利用应用程序以适当的图形显示相关的前进方向和行进距离，所述应用程序在信号处理装置、图像处理装置或主控制器中执行，还可以由与该系统通信的本地或远程处理设备执行。
该方法将第二套传感器14(二轴或三轴加速度传感器)，第一套传感器12(三轴磁传感器)，以及一个成像设备集成在系统中。该系统安装在车辆或是其他交通设备上。二轴或三轴加速度传感器，以及三轴磁传感器，用于分别产生第二组信号和第一组信号(步骤1A)，而成像设备则用于产生第三组信号(步骤1B)。
由二轴或三轴加速度传感器产生第二组信号，该信号与加速度和/或加速度的变化相对应，和设备的惯性姿态成正比。尽管加速度和/或加速度的变化在这里的描述是针对X方向和Y方向的，但本发明也包括了在X方向，Y方向，Z方向的加速度和/或加速度的变化。由第一套传感器产生的第一组信号和X轴，Y轴，Z轴的磁场强度和/或磁场强度变化相对应。由成像设备产生的第三组信号和预定速率(如300,000帧/秒)获取的多元实时图像相对应。
产生的第一组和第二组信号传送给信号处理装置进行处理(步骤2A)。信号处理包括但不仅限于信号模数转换和/或信号过滤，降低信噪比。
处理完第一组和第二组生成信号所对应的数字信号(步骤2A)，信号处理装置，或者还可以是一个主控制器利用该信号来计算偏航角(步骤3A)和/或偏航角的变化。当系统转动其至少一个惯性轴时，部分或全部的加速度和磁场将会产生变化，转变成相关的航向角变化。
在步骤1A～3A后，第一组和第二组连续信号的变化ΔM或ΔA决定了(步骤4A)变化是否可以读取，也就是说，该变化要足够大，从而满足航向角的计算。步骤4A过程中，还包括最小化第一组和第二组信号的传输数量，最小化传输数据的过滤总量，最小化计算量。
计算好的航向角转化成输入信号(步骤5A)，该输入信号和应用程序兼容，应用程序将在该设备上或者可以在该设备上执行，应用程序还可以由与该系统通信的本地或远程处理设备执行。翻译好的信号可以运用在一种或一种以上的信号处理装置、图像处理装置和主控制器，从而航向角α和行进距离D_1->n在T_n时刻结合并提供路径地图的一条分支或分支的一部分。更具体地说，计算好的航向角α翻译成计算机语言的输入信号(步骤5A)，从而改变应用程序的一项执行。
连续执行步骤1A～5A过程中，由图像设备同时产生诸如数字图像信号的第三组信号(步骤1B)。为了减少用于传输、过滤、计算缩小倍数ΔMAG、计算行进速度R、计算行进距离D_1->n的图像数据的总量，该设备和系统可以传送、过滤和/或利用采样周期n进行计算，其中n是代表采样图像之间帧的数量，为正整数。
为便于说明，在图6中，n＝100，当采样时钟设置(或重设)为n＝1后，和第三组信号相对应的图像信号数据将等到下个1/100的图像出现时才开始传送，过滤和/或计算缩小倍数ΔMAG等。图6进一步表明，当加速度ΔA和/或磁场强度ΔM在前进方向发生明显变化时，采样时钟将设置(重设)成n＝1。也就是说，采样时钟既可以通过人为设定，也可以在发生变化时自动设定。
图像信号数据随后传送给图像处理装置(步骤2B)，图像处理装置对该数据进行处理，包括但不限于过滤，从而使得信噪比减小，灰度减少等。
一旦第三组的图像信号数据处理完(步骤2B)，图像处理装置，或者也可以是与图象处理设备相连的主控制器，首先确定一组连续图像数据中共同拥有的最显著特征。图像中的最显著特征可能是一个自然物体，也可能是人造物体。确定好最显著的共同特征后，图像处理装置根据至少一维上的共同特征和采样时间计算缩小倍数ΔMAG(步骤3B)。其中，缩小倍数ΔMAG是一个反映成像设备接近最显著特征的标量。随后，图像处理装置使用缩小倍数ΔMAG重新计算采样时间T₁和T_n之间的行进距离D_1->n和行进速度R(步骤4B)。
图4B和图5详细描述了缩小技术。图5中的图表显示手动传送系统。在新的时钟周期的采样时间T₁时刻，成像设备记录了第一个图像H₁，该图像与第一个前进方向85相对应。只要当系统行进在第一个前进方向85和/或前进方向85的小角度范围内，如±5度，图像处理装置或主控制器确定人造物体80为最显著特征。在采样时间T₁时刻，该人造物体80就成为第一个图像H₁。
当图像设备和系统靠近人造设备80时，在T_n时刻，对比第一个图像H₁，代表图像H_n至少一维将变大。两个图像之间的变化可以测量出来。尺寸的增长与前面提到的缩小倍数ΔMAG相对应，在图4B中表现为长度和高度的变化。
正如前面提到的，当设备或系统前进方向与第一个前进方向85产生明显变化时，航向角、磁场变化、加速度的变化可以自动设定或重新设置采样时钟，使得n＝1。对每一个新的采样时钟，图像处理装置或者还可以是主控制器将继续找出连续图像中共同的显著特征，如一棵树90。图像处理装置或主控制器利用瞬时图像数据信号重新计算显著特征的缩小倍数ΔMAG(步骤3B)。进一步地，图像处理装置利用缩小倍数ΔMAG计算采样时间T_n和T_m之间的行进距离D_n->m，其中m为正整数(步骤4B)。
计算好的行进距离D_1->n、D_n->m和行进速度R转换成与定位和路径地图生成应用程序相兼容的输入信号(步骤5B)，应用程序将在该设备上或者可以在该设备上执行，应用程序还可以由与该系统通信的本地或远程处理设备执行(步骤5B)。结合定位和路径地图生成应用程序，采样时间内的行进距离D_n->m和行进速度R翻译成对应的前进方向输入信号。因此，应用程序将以适当的图形显示相关的前进方向和行进距离(步骤6)。当前进方向或该方向上的前进距离翻译并输入给应用程序，二维/三维显示图像随之进行调整。
本发明的应用并不仅限于便携式设备，且适用任何具有人机交互(即用户界面)的电子设备。
尽管本发明是联系机动车辆或手动交通工具来进行描述的，但本发明不仅限于此。举例来说，“车辆”还可能是海上船只或远洋船只、飞机、飞船、火箭、导弹、卫星、数码相机等。所述方法略加改动也适用与上述设备、系统。