專(zhuān)利名稱(chēng)：低成本聲頻應(yīng)答器定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于在房間中定位物體的定位系統(tǒng)，更加具體地說(shuō)，涉及一種在請(qǐng)求-應(yīng)答(request-response)方案中使用聲頻(包括超聲)無(wú)線信號(hào)的定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種方案來(lái)檢測(cè)物體的位置。例如，已經(jīng)在車(chē)輛和手持設(shè)備中提供全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器來(lái)檢測(cè)位置。定位技術(shù)還日益廣泛地應(yīng)用在類(lèi)似實(shí)時(shí)存貨控制、資產(chǎn)跟蹤、體育運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和運(yùn)動(dòng)拍攝以及安檢系統(tǒng)的應(yīng)用中。一個(gè)定位系統(tǒng)能夠以可從幾米到幾千米變化的精度測(cè)量人、裝置、動(dòng)物或物體的位置。一些定位系統(tǒng)還可測(cè)量物體的方位。另外，已經(jīng)將聲頻系統(tǒng)用于水下位置估計(jì)中(例如，軍用、聲納、水下導(dǎo)航和海洋生物應(yīng)用)。
對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用，GPS和水下方案是不適當(dāng)?shù)?。代替的，已?jīng)提出了各種室內(nèi)位置測(cè)量方案。例如，RF-ID發(fā)射機(jī)應(yīng)答器系統(tǒng)使用請(qǐng)求-應(yīng)答方案進(jìn)行操作。其它方法使用具有聲頻響應(yīng)的RF請(qǐng)求。然而，現(xiàn)有的處理方法還不能很好的適用于提供低成本定位系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)提供一種聲頻請(qǐng)求-應(yīng)答方案來(lái)解決上面的和其它的問(wèn)題，其中基站(base station)通過(guò)向應(yīng)答器標(biāo)簽(tag)發(fā)送聲頻信號(hào)而從所述標(biāo)簽請(qǐng)求響應(yīng)，并且所述標(biāo)簽通過(guò)傳送它自己的超聲信號(hào)而做出響應(yīng)?；竞蛻?yīng)答器標(biāo)簽都用在室內(nèi)位置(例如房間)中，使得應(yīng)答器標(biāo)簽發(fā)送的聲頻信號(hào)的反射能夠用于確定應(yīng)答器標(biāo)簽在房間中的位置。
尤其是，在本發(fā)明的一個(gè)方面中，一種定位系統(tǒng)包括一個(gè)布置在至少部分有界的3D空間中的基站，并且包括一個(gè)發(fā)射器、一個(gè)接收器和一個(gè)計(jì)時(shí)器。與將要在所述至少部分有界的3D空間中進(jìn)行定位的物體關(guān)聯(lián)的應(yīng)答器標(biāo)簽也包括一個(gè)發(fā)射器、一個(gè)接收器和一個(gè)計(jì)時(shí)器。所述基站的發(fā)射器發(fā)射第一聲頻無(wú)線信號(hào)用于指令所述應(yīng)答器標(biāo)簽做出響應(yīng)。所述應(yīng)答器標(biāo)簽的接收器接收所述第一無(wú)線信號(hào)，所述應(yīng)答器標(biāo)簽的計(jì)時(shí)器響應(yīng)于接收到第一無(wú)線信號(hào)以確定自從接收到第一無(wú)線信號(hào)已經(jīng)過(guò)去的預(yù)定時(shí)間周期，并且所述應(yīng)答器標(biāo)簽的發(fā)射器響應(yīng)于應(yīng)答器標(biāo)簽的計(jì)時(shí)器以在經(jīng)過(guò)了所述預(yù)定的時(shí)間周期之后發(fā)射第二聲頻無(wú)線信號(hào)。所述第二無(wú)線信號(hào)及其在所述至少部分有界的3D空間中的反射在不同的時(shí)間由基站的接收器接收；和使用基站的計(jì)時(shí)器并根據(jù)第二無(wú)線信號(hào)及其反射接收的時(shí)間來(lái)確定所述至少部分有界的3D空間中的應(yīng)答器標(biāo)簽的位置。
還可提供一種相應(yīng)的基站、應(yīng)答器標(biāo)簽和程序存儲(chǔ)裝置。


在附圖中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的在房間中的定位系統(tǒng)的示圖；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的基站和應(yīng)答器標(biāo)簽的方框圖；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的對(duì)于由圖2的基站和應(yīng)答器標(biāo)簽發(fā)射的聲頻信號(hào)的定時(shí)圖；圖4a表示根據(jù)本發(fā)明的通過(guò)基站接收器檢測(cè)的超聲信號(hào)；圖4b表示根據(jù)本發(fā)明的第一信號(hào)模板；圖4c表示根據(jù)本發(fā)明的第二信號(hào)模板。
具體實(shí)施例方式
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的在房間100中的定位系統(tǒng)的示圖。所述其中提供有定位系統(tǒng)的房間可被認(rèn)為是例如通過(guò)墻壁、天花板和地板而至少部分有界的3D空間。一個(gè)基站(BS)120被安裝在所述房間中的一個(gè)固定位置處，優(yōu)選的安裝在一個(gè)較高位置，使得在基站和應(yīng)答器標(biāo)簽或移動(dòng)裝置(MD)140的可能位置之間存在不受阻斷的視線。應(yīng)答器標(biāo)簽可被貼附至將要確定其位置的物體上或者是作為其一部分。另外，所述物體可具有傳感器和/或致動(dòng)器。可將所述定位系統(tǒng)用于許多不同的應(yīng)用，其例子如下。
1.保安系統(tǒng)。一個(gè)示例包括記錄運(yùn)動(dòng)和位置(門(mén)/窗開(kāi)啟)或震動(dòng)(玻璃粉碎)或正在移動(dòng)的物體(位置和運(yùn)動(dòng))的傳感器標(biāo)簽。標(biāo)簽位置是已知的事實(shí)使得這種保安系統(tǒng)更容易配置。對(duì)于物體移動(dòng)的情況，基站可評(píng)定在哪里獲得物體并且是否允許那樣做。如果不允許移動(dòng)，則基站可響起警告。
2.環(huán)境智能用戶接口。例子包括a.交互平臺(tái)表面“屏幕”，用戶在其中可以到處移動(dòng)具有標(biāo)簽的小物體，所述標(biāo)簽的位置用于控制交互應(yīng)用。可將其用于棋盤(pán)游戲等。
b.交互壁“白色書(shū)寫(xiě)板(whiteboard)”，用戶可以在其上到處移動(dòng)具有標(biāo)簽的小磁體。它們的位置被用于喚起(callup)白板屏幕上的信息。
c.環(huán)鏡對(duì)象用戶接口，其中房間中某些物體的位置控制著光和情緒(mood)設(shè)置。
d.光控。例如在平臺(tái)上相對(duì)彼此移動(dòng)三個(gè)標(biāo)簽來(lái)改變光的顏色和情緒。
3.博弈(gaming)a.交互棋盤(pán)游戲b.少兒游戲-房間中的具有標(biāo)簽(例如，動(dòng)作圖)的特定物體的位置確定在個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)或在房間中的大屏幕上運(yùn)行的交互式故事或游戲的故事情節(jié)。
c.少兒捉迷藏游戲4.找出丟失的物品-一種系統(tǒng)可告知用戶類(lèi)似鑰匙串、遙控裝置、錢(qián)包等的重要物品當(dāng)前位于什么地方，或者如果當(dāng)前例如由于從所述房間中被移開(kāi)而不能對(duì)它們定位，則告知最后在什么地方檢測(cè)到它們。
5.Alzheimer病人護(hù)理-一種系統(tǒng)可跟蹤迷路病人的位置，并能夠采取動(dòng)作，例如當(dāng)他們靠近時(shí)關(guān)閉窗戶。
6.老年人護(hù)理-可監(jiān)視物體上的標(biāo)簽以確保一個(gè)人已經(jīng)執(zhí)行了他或她的每日例行的活動(dòng)。
7.監(jiān)視房子里或其它位置中的孩子-以確保他們避免危險(xiǎn)或遠(yuǎn)離限制區(qū)域。
在一個(gè)處理方法中，根據(jù)本發(fā)明的定位系統(tǒng)是聲頻/超聲定位系統(tǒng)，包含每個(gè)房間一個(gè)單獨(dú)的基站單元120和一個(gè)或多個(gè)低成本聲頻應(yīng)答器標(biāo)簽，例如示例標(biāo)簽140。該系統(tǒng)通過(guò)引入雙向聲頻請(qǐng)求/響應(yīng)通信方案而在以前的位置估計(jì)系統(tǒng)上進(jìn)行了擴(kuò)展，其允許基站計(jì)算房間中的移動(dòng)標(biāo)簽的3D位置。簡(jiǎn)單且成本低的標(biāo)簽通過(guò)一個(gè)適當(dāng)編碼的響應(yīng)信號(hào)以一個(gè)在空氣介質(zhì)中傳播的聲頻對(duì)請(qǐng)求信號(hào)做出響應(yīng)。聲頻信號(hào)包括大約＞20kHz的超聲范圍、大約20kHz-1MHz的低超聲范圍和大約20-100kHz的一部分低超聲范圍，該范圍已經(jīng)在一些實(shí)驗(yàn)中使用并且期望在實(shí)踐中使用。人類(lèi)可聽(tīng)見(jiàn)的聲音范圍在大約0-20kHz。
雖然可使用多個(gè)(例如至少三個(gè))基站僅僅基于物體和基站之間的視線(line of sight)傳輸來(lái)確定物體的位置，但單個(gè)基站的實(shí)施例會(huì)提供較低的成本。對(duì)于單個(gè)基站，一種可能性是使用來(lái)自標(biāo)簽的視線信號(hào)以及通過(guò)從墻壁、天花板、地板和房間中的其它可能表面的反射引起的反射信號(hào)來(lái)確定標(biāo)簽的位置。另一種可能是對(duì)于基站使用檢測(cè)來(lái)自標(biāo)簽的視線信號(hào)的方向以及距離的傳感器陣列。使用反射的方案會(huì)導(dǎo)致較低成本的系統(tǒng)。在任一種情況下，基站都會(huì)向所述一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)聲頻信號(hào)，之后所述一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽以一個(gè)聲頻通過(guò)一個(gè)響應(yīng)信號(hào)做出響應(yīng)?；窘邮赵撔盘?hào)，以及反射，并基于接收所述信號(hào)和反射的時(shí)間、接收信號(hào)的幅度特征、所述信號(hào)的已知傳播速度和房間的已知幾何形狀計(jì)算標(biāo)簽的位置。對(duì)于圖1的示例房間100，“a”代表通過(guò)標(biāo)簽140傳送的視線信號(hào)的路徑，而“b”、“c”和“d”代表該信號(hào)的主要反射的路徑。
可在安裝階段獲知房間的幾何形狀，例如在被安置在房間的指定位置之后標(biāo)簽向基站傳送一個(gè)信號(hào)，或者例如可通過(guò)在PC上運(yùn)行的適當(dāng)應(yīng)用程序而將所述幾何形狀編程到基站中，并通過(guò)接口220與基站200通信。
此處所述的結(jié)構(gòu)由于多個(gè)原因而導(dǎo)致低成本的標(biāo)簽。例如，由于在標(biāo)簽和基站中并不需要RF模塊，并且標(biāo)簽和基站之間的時(shí)鐘同步也是不需要的，所以降低了成本。代替的，可使用低成本的壓電超聲傳感器。驅(qū)動(dòng)電子裝置包括相對(duì)簡(jiǎn)單的低頻控制和放大器電子裝置，其價(jià)格與一個(gè)集成電路相當(dāng)。此外，標(biāo)簽并不需要計(jì)算它自己的位置，所以處理要求被降低了。另外，聲頻信號(hào)提供了精確的位置估計(jì)，而對(duì)于RF信號(hào)，測(cè)量飛行時(shí)間(time-of-flight)是昂貴的和復(fù)雜的，并且使用RF信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度作為距離的量度已知是不可靠的。
另外，所述定位系統(tǒng)通過(guò)允許基站和/或標(biāo)簽使用編碼信號(hào)來(lái)傳送信息而能夠提供增加的功能性，例如對(duì)于基站來(lái)說(shuō)請(qǐng)求某一標(biāo)簽做出應(yīng)答，或者控制標(biāo)簽的行為，或相關(guān)的致動(dòng)器，或者對(duì)于標(biāo)簽來(lái)說(shuō)將編碼的信息傳送回基站以提供標(biāo)簽的狀態(tài)，或從相關(guān)的傳感器傳送數(shù)據(jù)。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的基站和應(yīng)答器標(biāo)簽的方框圖。方框205和255表示“計(jì)時(shí)器”。方框210和260表示“應(yīng)答器”。方框212和262表示“存儲(chǔ)器”。方框215和265表示“電源”。方框270表示“傳感器”。方框280表示“致動(dòng)器”?；?00包括處理器210、存儲(chǔ)器212、計(jì)時(shí)器205、電源215、發(fā)射器225、接收器230和用于對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大的放大器232。所述標(biāo)簽或移動(dòng)裝置250也可以包括處理器260、存儲(chǔ)器262、計(jì)時(shí)器255、電源265、發(fā)射器275、接收器280和用于對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大的放大器252。發(fā)射器225和275與接收器230和280在每種情況下都可在聲頻下操作。
存儲(chǔ)器212和262可存儲(chǔ)指令，例如軟件、微代碼或固件，可通過(guò)各自的處理器210和260執(zhí)行所述指令以獲得此處所述的功能性。因此可將存儲(chǔ)器212和262看作是切實(shí)收錄可執(zhí)行指令的程序存儲(chǔ)裝置。存儲(chǔ)器212還可根據(jù)需要存儲(chǔ)其它數(shù)據(jù)，例如接收信號(hào)400的樣本、一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽的視線信號(hào)和反射的到達(dá)時(shí)間、標(biāo)簽的先前/當(dāng)前3D位置、位置估計(jì)的可靠性、傳感器讀取的記錄，等等。用于基站的電源215可以是AC電源或電池，而用于標(biāo)簽250的電源265通常應(yīng)該是將允許標(biāo)簽在房間中移動(dòng)的電池，或是給無(wú)線裝置供電的其它部件，例如太陽(yáng)能、燃料電池等?；?00的計(jì)時(shí)器205用于確定發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)和從標(biāo)簽接收響應(yīng)信號(hào)(包括視線信號(hào)及其反射)之間過(guò)去的時(shí)間。標(biāo)簽250的計(jì)時(shí)器255用于在從基站接收請(qǐng)求信號(hào)(例如，視線請(qǐng)求信號(hào)，其是在任何反射之前接收的)和通過(guò)標(biāo)簽發(fā)送響應(yīng)信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)延遲。計(jì)時(shí)器205和255不必是單獨(dú)的部件，而可通過(guò)各自的處理器210和260來(lái)提供。計(jì)時(shí)器255可以是能夠提供通過(guò)解碼處理信號(hào)傳送施加的預(yù)先設(shè)計(jì)的固定延遲。發(fā)射器225和275與接收器230和280可被選擇性的結(jié)合成用于基站200和標(biāo)簽250的各自的傳感器。這種傳感器能夠在發(fā)射態(tài)和接收態(tài)之間切換。接口220允許基站與其它裝置(例如其它基站、或個(gè)人計(jì)算機(jī)或在其上正運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序和使用由基站200提供的位置數(shù)據(jù)的其他裝置)通信。例如，基站可向PC發(fā)送關(guān)于接收信號(hào)的數(shù)據(jù)，所述PC使用所述數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算用于確定標(biāo)簽的位置。另外，可使一個(gè)或多個(gè)傳感器270和致動(dòng)器280與標(biāo)簽250相關(guān)。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的對(duì)于由圖2的基站(BS)和應(yīng)答器標(biāo)簽或移動(dòng)裝置(MD)發(fā)射的聲頻信號(hào)的定時(shí)圖?，F(xiàn)在將通過(guò)進(jìn)行用于一個(gè)標(biāo)簽的一個(gè)位置估計(jì)的完整循環(huán)來(lái)逐步的說(shuō)明所述定位系統(tǒng)的一種可能的操作順序。
1.假定在房間中存在多個(gè)標(biāo)簽，基站(BS)判定需要定位哪個(gè)標(biāo)簽。這可例如基于利用位置信息的應(yīng)用程序的需要來(lái)判斷。另外，可在自先前的詢問(wèn)已經(jīng)過(guò)去了預(yù)定的時(shí)間周期時(shí)或基于自標(biāo)簽的最后詢問(wèn)之后與其它標(biāo)簽相比所述標(biāo)簽最可能已經(jīng)移過(guò)的最大距離的預(yù)測(cè)來(lái)詢問(wèn)一個(gè)標(biāo)簽。
2.基站在時(shí)間t0發(fā)出一個(gè)由箭頭310代表的聲頻請(qǐng)求信號(hào)。由箭頭320代表的請(qǐng)求信號(hào)的反射并未由標(biāo)簽使用。當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽時(shí)，還可例如使用任何現(xiàn)有的調(diào)制技術(shù)(例如，ASK、FSK、BPSK、CDMA等)通過(guò)將要詢問(wèn)信號(hào)的標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)符來(lái)編碼請(qǐng)求信號(hào)。在發(fā)射之后，基站立即切換至接收模式并等待來(lái)自詢問(wèn)標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)。基站還在時(shí)間t0啟動(dòng)計(jì)時(shí)器205以記錄直到來(lái)自標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)及其反射到達(dá)所過(guò)去的時(shí)間。如下面所進(jìn)一步討論的，可使用附加的信息對(duì)請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行調(diào)制或編碼。
3.一旦從基站接收到請(qǐng)求信號(hào)，所有“醒著的”，即未處于低功率“睡眠”模式的標(biāo)簽都開(kāi)始接收和解碼請(qǐng)求信號(hào)。在一個(gè)處理方案中，僅對(duì)于在時(shí)間t1接收信號(hào)的一個(gè)標(biāo)簽T，解碼的標(biāo)識(shí)符與標(biāo)簽自身的“標(biāo)識(shí)符”匹配。所有其它標(biāo)簽會(huì)忽略請(qǐng)求信號(hào)。標(biāo)簽T準(zhǔn)備以響應(yīng)信號(hào)對(duì)基站做出應(yīng)答。
4.在由計(jì)時(shí)器255實(shí)現(xiàn)的固定延遲tdel＝t2-t1之后，標(biāo)簽T在時(shí)間t2以由箭頭330代表的響應(yīng)信號(hào)做出響應(yīng)。響應(yīng)信號(hào)可以是簡(jiǎn)單、低能的聲頻脈沖。或者，如下面所進(jìn)一步討論的，可將信息調(diào)制或編碼成響應(yīng)信號(hào)。
5.響應(yīng)信號(hào)通過(guò)房間傳播，首先在時(shí)間t3到達(dá)基站。正等待響應(yīng)的基站在時(shí)間t3開(kāi)始記錄響應(yīng)信號(hào)y。信號(hào)y包括由箭頭340代表的標(biāo)簽響應(yīng)的隨后反射。在時(shí)間t3，即在響應(yīng)的第一(視線)信號(hào)分量到達(dá)的時(shí)刻停止基站的計(jì)時(shí)器205。
6.如果存在，則基站從y對(duì)由標(biāo)簽發(fā)送的編碼信息進(jìn)行解碼。
7.基站使用d＝c·(t3-t0-tdel)/2計(jì)算自身和標(biāo)簽之間的絕對(duì)距離，其中c是以m/s表示的聲速，t3和t1被如上所述的定義，而tdel＝t2-t1是例如由計(jì)時(shí)器255在標(biāo)簽接收請(qǐng)求信號(hào)的時(shí)間和通過(guò)發(fā)送其響應(yīng)信號(hào)的時(shí)間之間實(shí)現(xiàn)的固定的預(yù)定時(shí)間延遲。
使用距離d和記錄信號(hào)y內(nèi)的聲頻反射的圖案，基站計(jì)算標(biāo)簽的位置。例如，可以使用下述方法之一2004年11月4日公開(kāi)的PCT公開(kāi)文本W(wǎng)O2004/095056(備案號(hào)PHNL030395EPP)，或E.O.Dijk發(fā)表的Indoor Ultrasonic Position Estimation Using A Single BaseStation，Technische Universiteit Eindhoven(2004)，ISBN90-386-0912-4)，上述兩篇文獻(xiàn)在這里通過(guò)參考而被并入本文。例如，可使用簽名匹配方法，其中基站接收的信號(hào)及其反射的時(shí)間序列(time-series)簽名被與預(yù)先存儲(chǔ)的模型簽名或模板相匹配。例如，圖4a表示基站接收器檢測(cè)的超聲信號(hào)。標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)由墻壁、地板和/或天花板以及房間中的其它可能的物體反射，并以幅度A朝向基站的接收器傳播作為信號(hào)400。在基站處，可使用濾波連同解調(diào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)除去所關(guān)注的頻帶之外的噪音。所述信號(hào)在時(shí)間t1包括第一峰值412(其可以是視線部分)、在時(shí)間t2包括第二峰值414、在時(shí)間t3包括第三峰值416以及可能更小強(qiáng)度的進(jìn)一步的反射?？稍谂c不同標(biāo)簽位置相關(guān)的簽名模板數(shù)據(jù)庫(kù)中諸如通過(guò)模擬或從來(lái)自房間的不同已知位置的標(biāo)簽的記錄信號(hào)提供不同的簽名模板。使用一個(gè)比較算法將存儲(chǔ)的簽名模板(例如，模板420(圖4b)和模板430(圖4c))與接收的信號(hào)400進(jìn)行比較以確定哪個(gè)模板是最接近的匹配項(xiàng)。然后就將與最近匹配模板相關(guān)的位置看作標(biāo)簽的位置。注意可使用各種方法來(lái)縮減需要與接收的信號(hào)進(jìn)行比較的模板數(shù)量，例如通過(guò)根據(jù)其先前位置和移動(dòng)方向估計(jì)標(biāo)簽的當(dāng)前位置。
8.對(duì)于相同或不同的標(biāo)簽，所述基站重復(fù)上面的循環(huán)。
可將各種類(lèi)型的信息編碼成標(biāo)簽發(fā)送的響應(yīng)信號(hào)，例如
1.從相關(guān)的傳感器270讀取例如a.光強(qiáng)度b.聲音等級(jí)c.標(biāo)簽的移動(dòng)量d.接觸或壓力傳感器讀數(shù)2.標(biāo)簽狀態(tài)；標(biāo)簽電池狀態(tài)，例如剩余電量。
3.請(qǐng)求信號(hào)的接收質(zhì)量，例如信噪比、信號(hào)功率或請(qǐng)求信號(hào)相對(duì)于請(qǐng)求信號(hào)的某一反射的功率的相對(duì)功率。
類(lèi)似的，除了標(biāo)簽標(biāo)識(shí)符之外，還可將各種類(lèi)型的信息編碼成基站發(fā)送的請(qǐng)求信號(hào)，例如1.用于標(biāo)簽功率管理的指令。例如，基站可指令一個(gè)標(biāo)簽切換至較低功率模式，其中所述標(biāo)簽“睡眠”一個(gè)時(shí)間周期并醒來(lái)一個(gè)預(yù)定的時(shí)間間隔，在該時(shí)間間隔期間所述標(biāo)簽檢查是否正在該間隔期間發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)。或者，例如基于來(lái)自運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置的信號(hào)，如果移動(dòng)標(biāo)簽，則可喚醒標(biāo)簽。在任何情況下，這種功率管理方案都可降低功耗和所需的電池尺寸。參見(jiàn)下面關(guān)于“功率管理”的進(jìn)一步說(shuō)明。
2.用于標(biāo)簽傳感器的指令。例如，基站可指令一個(gè)標(biāo)簽控制傳感器270例如用于或多或少頻繁的執(zhí)行某些測(cè)量，或執(zhí)行不同的測(cè)量，或調(diào)節(jié)傳感器270的靈敏度或標(biāo)度。
3.用于標(biāo)簽致動(dòng)器280的指令。例如，基站可指令一個(gè)標(biāo)簽控制類(lèi)似發(fā)光體的致動(dòng)器以使它閃煉，或控制類(lèi)似音頻裝置的致動(dòng)器以產(chǎn)生人能夠聽(tīng)到的聲音，例如用于定位丟失的物體。
功率管理為了減小功耗，大多數(shù)時(shí)間都可將應(yīng)答器標(biāo)簽保持為低功率的睡眠狀態(tài)。在該方法中，標(biāo)簽周期性的醒來(lái)并使其內(nèi)嵌的接收器確定從基站是否存在任何發(fā)射。如果存在發(fā)射，則所述標(biāo)簽從低功率狀態(tài)切換至正常的操作狀態(tài)，并開(kāi)始記錄信號(hào)。或者，對(duì)于確定的時(shí)間周期標(biāo)簽可記錄任何信號(hào)，其可包括一個(gè)或多個(gè)編碼的超聲發(fā)射。因此應(yīng)答器標(biāo)簽不必所有時(shí)間都“在”聆聽(tīng)基站信號(hào)。例如，標(biāo)簽可每隔200ms醒來(lái)傾聽(tīng)1ms的周期。因此，所述標(biāo)簽對(duì)于995/1000的時(shí)間都處于睡眠狀態(tài)，這會(huì)相當(dāng)顯著的節(jié)省電力?；究赏ㄟ^(guò)對(duì)于至少200ms發(fā)送連續(xù)的超聲信號(hào)來(lái)喚醒標(biāo)簽，所述連續(xù)的超聲信號(hào)將由標(biāo)簽檢測(cè)。所述標(biāo)簽將醒來(lái)至少例如100ms。此時(shí)，基站將一個(gè)編碼的請(qǐng)求信號(hào)發(fā)送到房間中，所述信號(hào)在100ms的時(shí)間窗(time window)內(nèi)由標(biāo)簽接收并被解碼。此后，標(biāo)簽將如所述的向基站發(fā)送一個(gè)響應(yīng)并返回到低功率“睡眠”模式。在低功率狀態(tài)期間，標(biāo)簽只給具有計(jì)時(shí)器的低功率(例如微瓦)喚醒電路供電。在預(yù)定的時(shí)間間隔之后，例如在上面的例子中為200ms，該電路將所述標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)回到正常的操作模式。
用于功率管理的另一替代方法另一種替代的功率管理技術(shù)包括使用這樣一種標(biāo)簽，如果在房間中沒(méi)有聲頻信號(hào)傳輸，則它總是處于低功率狀態(tài)。所述標(biāo)簽在處理器(260)中具有低功率喚醒電路，其借助于與接收器(280)連接的低功率(例如，微瓦)放大器252連續(xù)監(jiān)視接收器(280)，所述放大器對(duì)來(lái)自超聲接收器傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大。如果檢測(cè)到足夠強(qiáng)的信號(hào)(具有閾值和/或電流積分電路)，則可將標(biāo)簽的微處理器從低功率睡眠模式切換至正常的操作模式。
編碼標(biāo)簽響應(yīng)在該方法中，基站可同時(shí)詢問(wèn)一個(gè)以上的標(biāo)簽。標(biāo)簽通過(guò)以適當(dāng)?shù)姆绞綄⑺鼈兊纳矸菥幋a成信號(hào)，使得基站能夠分離從各個(gè)標(biāo)簽同時(shí)接收的編碼信號(hào)。例如，可使用碼分多址(CDMA)編碼。在一個(gè)方案中，基站對(duì)所有標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)通用請(qǐng)求以求響應(yīng)。或者，可以使用兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)別來(lái)對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行編碼。在對(duì)于每個(gè)標(biāo)簽將信號(hào)y解碼成n個(gè)單獨(dú)的信號(hào)y1、y2等之后，對(duì)于每個(gè)標(biāo)簽i可使用其信號(hào)yi執(zhí)行位置估計(jì)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的整體更新速率得以改進(jìn)，因?yàn)榛究赏瑫r(shí)詢問(wèn)多個(gè)標(biāo)簽。另外，也可將該編碼響應(yīng)與上述的其它類(lèi)型的編碼信息進(jìn)行結(jié)合。
標(biāo)簽位置估計(jì)的詢問(wèn)速率對(duì)于標(biāo)簽的位置估計(jì)的更新速率取決于系統(tǒng)中的標(biāo)簽的數(shù)量。雖然在系統(tǒng)中可以有許多(例如，＞＞10)標(biāo)簽，但并不意味著每個(gè)標(biāo)簽的位置都應(yīng)該被監(jiān)視。例如基于基站所具有的關(guān)于標(biāo)簽移動(dòng)的先前信息，基站可跳過(guò)或不頻繁詢問(wèn)不活動(dòng)的或靜止的標(biāo)簽，而快速移動(dòng)的標(biāo)簽可被更頻繁的詢問(wèn)。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)已知，在戶內(nèi)環(huán)境中，在時(shí)間t0發(fā)送的40kHz的典型的短(＜＝1ms)超聲信號(hào)大約在時(shí)間t＝100ms或更早時(shí)在噪音中變成是不可檢測(cè)的?？紤]到一個(gè)請(qǐng)求-響應(yīng)包括兩次發(fā)送，一個(gè)是從基站，一個(gè)是從標(biāo)簽，所以對(duì)于一個(gè)標(biāo)簽的位置估計(jì)周期大約至多花費(fèi)200ms。因此，每秒能夠進(jìn)行至少五次位置更新。對(duì)于來(lái)回移動(dòng)的N個(gè)標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，每個(gè)標(biāo)簽的平均位置更新速率變?yōu)槊棵?/N次更新。這一性能可通過(guò)使用編碼標(biāo)簽響應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)，例如使用如上所述的CDMA。因?yàn)橐话悴⒉皇撬械臉?biāo)簽都將同時(shí)移動(dòng)，所以這將對(duì)單個(gè)房間中的定位系統(tǒng)提供可接受的性能。
用于增強(qiáng)位置估計(jì)的聲頻陣列基站可使用兩個(gè)或更多超聲傳感器的陣列檢測(cè)來(lái)自標(biāo)簽的聲頻響應(yīng)信號(hào)中的額外信息。這種更寬闊的思路的一個(gè)簡(jiǎn)單例子被描述在2004年3月9日提交的荷蘭專(zhuān)利申請(qǐng)No.04100950.7，其在這里通過(guò)參考而被并入本文。使用這種超聲傳感器的陣列(在接收模式下)，可估計(jì)引入的超聲徑直視線信號(hào)的方向和從標(biāo)簽引入的反射信號(hào)的方向。該信息可有助于確定標(biāo)簽的3D位置。聲頻陣列的使用通常在文獻(xiàn)中是已知的。例如參見(jiàn)L.J.Ziomek發(fā)表的“Fundamentals ofAcoustic Field Theory and Space-Time Signal Processing”，CRC pree(1995)。另外，反射與陣列的結(jié)合被簡(jiǎn)要地描述在上面參考的E.O.Dijk發(fā)表的題目為“Indoor Ultrasonic Position EstimationUsing A Single Base Station”的公開(kāi)物的第8.3.3節(jié)。
將聲頻反射與位置跟蹤進(jìn)行結(jié)合該思想被描述在上面參考的E.O.Dijk發(fā)表的公開(kāi)物的第173頁(yè)?？筛鶕?jù)超聲反射極大的改進(jìn)3D位置估計(jì)的魯棒性/精度。
雖然已經(jīng)示出和說(shuō)明了被看作是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的內(nèi)容，當(dāng)然應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明精神的情況下可容易的做出各種形式或細(xì)節(jié)上的修改和變化。因此本發(fā)明并不趨于限制為所述和顯示的確切形式，而是應(yīng)該構(gòu)成為覆蓋可落在后附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有修改。
權(quán)利要求
1.一種定位系統(tǒng)，包括基站(120，200)，布置在至少部分有界的3D空間(100)中并且包括發(fā)射器(225)、接收器(230)和計(jì)時(shí)器(205)；應(yīng)答器標(biāo)簽(140，250)，與將要在所述至少部分有界的3D空間中進(jìn)行定位的物體相關(guān)聯(lián)，并且包括發(fā)射器(275)、接收器(251)和計(jì)時(shí)器(255)；其中所述基站的發(fā)射器發(fā)射第一無(wú)線信號(hào)(310)用于指令所述應(yīng)答器標(biāo)簽做出響應(yīng)；所述第一無(wú)線信號(hào)包括聲頻信號(hào)；所述應(yīng)答器標(biāo)簽的接收器接收所述第一無(wú)線信號(hào)，所述應(yīng)答器標(biāo)簽的計(jì)時(shí)器(255)響應(yīng)于接收到第一無(wú)線信號(hào)以確定自從接收到第一無(wú)線信號(hào)已經(jīng)過(guò)去的預(yù)定時(shí)間周期，并且所述應(yīng)答器標(biāo)簽的發(fā)射器(275)響應(yīng)于應(yīng)答器標(biāo)簽的計(jì)時(shí)器以在經(jīng)過(guò)了所述預(yù)定的時(shí)間周期之后發(fā)射第二無(wú)線信號(hào)(330)；所述第二無(wú)線信號(hào)包括聲頻信號(hào)；所述第二無(wú)線信號(hào)及其在所述至少部分有界的3D空間中的反射(340)在不同的時(shí)間由基站的接收器接收；和通過(guò)使用基站的計(jì)時(shí)器并根據(jù)第二無(wú)線信號(hào)及其反射接收的時(shí)間來(lái)確定所述至少部分有界的3D空間中的應(yīng)答器標(biāo)簽的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中所述基站的計(jì)時(shí)器記下所述第一無(wú)線信號(hào)發(fā)射的時(shí)間(t0)；和所述基站根據(jù)發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間(t3)之間過(guò)去的時(shí)間來(lái)確定應(yīng)答器標(biāo)簽的位置。
3.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中多個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答器標(biāo)簽被與將要在所述至少部分有界的3D空間中進(jìn)行定位的各個(gè)物體相關(guān)聯(lián)；所述多個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答器標(biāo)簽中的每一個(gè)都具有一個(gè)相關(guān)的標(biāo)識(shí)符；和使用所述應(yīng)答器標(biāo)簽中的特定一個(gè)的相關(guān)標(biāo)識(shí)符對(duì)第一無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼以指令所述特定的一個(gè)應(yīng)答器標(biāo)簽做出響應(yīng)。
4.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中使用指示應(yīng)答器標(biāo)簽狀態(tài)的數(shù)據(jù)對(duì)第二無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼。
5.如權(quán)利要求4所述的定位系統(tǒng)，其中使用指示所述應(yīng)答器標(biāo)簽的電池(265)的狀態(tài)的數(shù)據(jù)對(duì)第二無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼。
6.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中使用指示由所述應(yīng)答器標(biāo)簽的接收器接收的第一無(wú)線信號(hào)的質(zhì)量的數(shù)據(jù)對(duì)第二無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼。
7.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中使用用于控制應(yīng)答器標(biāo)簽中的功率管理設(shè)置的數(shù)據(jù)對(duì)第一無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼。
8.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中使用用于控制與所述應(yīng)答器標(biāo)簽相關(guān)聯(lián)的傳感器(270)的操作的數(shù)據(jù)對(duì)第一無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼。
9.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中使用用于控制與所述應(yīng)答器標(biāo)簽相關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器(280)的操作的數(shù)據(jù)對(duì)第一無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼。
10.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中多個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答器標(biāo)簽被與將要在所述至少部分有界的3D空間中進(jìn)行定位的各個(gè)物體相關(guān)聯(lián)；所述多個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答器標(biāo)簽中的每一個(gè)都具有一個(gè)相關(guān)的標(biāo)識(shí)符；和使用所述多個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答器標(biāo)簽中的至少兩個(gè)的相關(guān)標(biāo)識(shí)符對(duì)第一無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼以指令所述多個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答器標(biāo)簽中的所述至少兩個(gè)做出響應(yīng)。
11.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中多個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答器標(biāo)簽被與將要在所述至少部分有界的3D空間中進(jìn)行定位的各個(gè)物體相關(guān)聯(lián)；和所述多個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答器標(biāo)簽中的至少兩個(gè)通過(guò)使用CDMA編碼發(fā)射各自的無(wú)線信號(hào)而對(duì)第一無(wú)線信號(hào)做出響應(yīng)。
12.如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中使用來(lái)自與所述應(yīng)答器標(biāo)簽相關(guān)聯(lián)的傳感器(270)的數(shù)據(jù)對(duì)第二無(wú)線信號(hào)進(jìn)行編碼。
13.如權(quán)利要求12所述的定位系統(tǒng)，其中來(lái)自所述傳感器的數(shù)據(jù)指示光強(qiáng)度。
14.如權(quán)利要求12所述的定位系統(tǒng)，其中來(lái)自所述傳感器的數(shù)據(jù)指示聲音等級(jí)。
15.如權(quán)利要求12所述的定位系統(tǒng)，其中來(lái)自所述傳感器的數(shù)據(jù)指示應(yīng)答器標(biāo)簽的移動(dòng)量。
16.一種用在定位系統(tǒng)中的基站，其被布置在至少部分有界的3D空間中，包括發(fā)射器(225)；接收器(230)；和計(jì)時(shí)器(205)；其中所述發(fā)射器發(fā)射第一無(wú)線信號(hào)(310)用于指令在所述至少部分有界的3D空(100)間中的應(yīng)答器標(biāo)簽(140，250)做出響應(yīng)；所述第一無(wú)線信號(hào)包括聲頻信號(hào)；所述應(yīng)答器標(biāo)簽在接收所述第一無(wú)線信號(hào)之后的一預(yù)定時(shí)間周期發(fā)射第二無(wú)線信號(hào)(330)；所述第二無(wú)線信號(hào)包括聲頻信號(hào)；所述接收器在不同的時(shí)間接收第二無(wú)線信號(hào)及其在所述至少部分有界的3D空間中的反射(340)；和使用所述計(jì)時(shí)器并根據(jù)第二無(wú)線信號(hào)及其反射接收的時(shí)間來(lái)確定所述至少部分有界的3D空間中的應(yīng)答器標(biāo)簽的位置。
17.如權(quán)利要求16所述的基站，還包括處理器(210)，用于執(zhí)行一個(gè)算法，以使用所述計(jì)時(shí)器并根據(jù)第二無(wú)線信號(hào)及其反射接收的時(shí)間來(lái)確定所述至少部分有界的3D空間中的應(yīng)答器標(biāo)簽的位置。
18.如權(quán)利要求16所述的定位系統(tǒng)，其中所述基站的計(jì)時(shí)器(205)記下所述第一無(wú)線信號(hào)發(fā)射的時(shí)間(t0)；和所述基站根據(jù)發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間(t3)之間過(guò)去的時(shí)間來(lái)確定應(yīng)答器標(biāo)簽的位置。
19.一種用在定位系統(tǒng)中的應(yīng)答器標(biāo)簽，其與將要在至少部分有界的3D空間中進(jìn)行定位的物體相關(guān)聯(lián)，包括發(fā)射器(275)；接收器(251)；和計(jì)時(shí)器(255)；其中所述接收器從基站接收第一無(wú)線信號(hào)(310)，以指令所述應(yīng)答器標(biāo)簽做出響應(yīng)；所述第一無(wú)線信號(hào)包括聲頻信號(hào)；所述計(jì)時(shí)器響應(yīng)于接收到第一無(wú)線信號(hào)以確定自從接收到第一無(wú)線信號(hào)已經(jīng)過(guò)去的預(yù)定時(shí)間周期；所述發(fā)射器響應(yīng)于所述計(jì)時(shí)器以在經(jīng)過(guò)了所述預(yù)定的時(shí)間周期之后發(fā)射第二無(wú)線信號(hào)(330)；所述第二無(wú)線信號(hào)包括聲頻信號(hào)；所述基站在不同時(shí)間接收第二無(wú)線信號(hào)及其在所述至少部分有界的3D空間中的反射(340)；和根據(jù)在基站處接收第二無(wú)線信號(hào)及其反射的時(shí)間來(lái)確定所述至少部分有界的3D空間中的應(yīng)答器標(biāo)簽的位置。
全文摘要
一種定位系統(tǒng)包括基站(120，200)和應(yīng)答器標(biāo)簽(140，250)，它們使用聲頻信號(hào)進(jìn)行通信以確定所述標(biāo)簽在有界的3D空間(310)中的位置。所述基站發(fā)射一請(qǐng)求信號(hào)(310)，該請(qǐng)求信號(hào)使用一特定標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行編碼。所述特定的標(biāo)簽在一固定的延遲(t2－t1)之后使用一聲頻響應(yīng)信號(hào)(330)做出應(yīng)答。基站根據(jù)接收的視線信號(hào)(330)及其反射(340)來(lái)確定所述標(biāo)簽的位置?？墒褂弥甘緲?biāo)簽狀態(tài)的數(shù)據(jù)或來(lái)自相關(guān)的傳感器(270)或致動(dòng)器(280)的數(shù)據(jù)對(duì)所述響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行編碼。還可使用用于控制所述標(biāo)簽或相關(guān)傳感器和致動(dòng)器的數(shù)據(jù)對(duì)所述請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行編碼?？赏ㄟ^(guò)所述標(biāo)簽執(zhí)行功率管理方案。
文檔編號(hào)G01S15/74GK1989421SQ200580025167
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月26日
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