使用超聲的定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及使用超聲來(lái)確定移動(dòng)單元的位置的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有許多場(chǎng)合希望能確定區(qū)域內(nèi)可移動(dòng)對(duì)象（如人或一臺(tái)儀器）的位置，如醫(yī)院病 房。
[0003] 已知提供具有靜態(tài)基站（例如附接至天花板或墻壁）的網(wǎng)絡(luò)，并且將標(biāo)簽或類似 裝置附接至可移動(dòng)對(duì)象，其中這些標(biāo)簽通過(guò)超聲信號(hào)與這些基站中的一個(gè)或多個(gè)基站通 信，以便允許確定帶標(biāo)簽的對(duì)象的位置。例如，這種系統(tǒng)可以用于確定該對(duì)象位于哪個(gè)房間 內(nèi)。超聲非常適合于此用途，因?yàn)槿藷o(wú)法察覺(jué)。其還比無(wú)線電波慢得多地穿過(guò)空氣，并且衰 減得更快，尤其在諸如墻壁、天花板和地板之類的結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件存在時(shí)。這可以便于使用飛 行時(shí)間信息或接收的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行鄰近度檢測(cè)。
[0004] US 7864633描述一種用于確定移動(dòng)聲音發(fā)射器單元的位置的系統(tǒng)?？梢愿浇又链?監(jiān)視的對(duì)象的該發(fā)射器單元，發(fā)射經(jīng)頻移鍵控（FSK)編碼的聲音信號(hào)。在建筑物的房間內(nèi) 可以安裝檢測(cè)器單元?？梢酝ㄟ^(guò)比較在兩個(gè)這樣的檢測(cè)器單元處接收的信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度， 以確定這兩個(gè)檢測(cè)器單元中哪個(gè)檢測(cè)器單元離該發(fā)射器單元更近，來(lái)確定該發(fā)射器單元的 位置。在噪聲環(huán)境中，可以使用啁啾（chirp)FSK來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的FSK。
[0005] 然而，這種方法具有一些局限。具體地，隨著系統(tǒng)中移動(dòng)發(fā)射器單元的數(shù)量增加， 每個(gè)發(fā)射器單元的平均位置更新速率（即，每分鐘的位置估計(jì)次數(shù)）通常將下降，這是因?yàn)?在每個(gè)單元能夠開(kāi)始發(fā)射之前，其必須等待沉寂更長(zhǎng)時(shí)間。此外，單元之間的干擾仍是可能 的，例如如果兩個(gè)單元基本上同時(shí)開(kāi)始發(fā)射。為了應(yīng)對(duì)噪聲，利用數(shù)字信號(hào)處理（DSP)電路 來(lái)處理所接收的啁啾FSK信號(hào)，這樣的電路一般是昂貴的且耗電的。
[0006] 本發(fā)明嘗試提供一種替代方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種用于確定移動(dòng)設(shè)備的位置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 發(fā)射器設(shè)備，被布置為發(fā)射編碼二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的超聲信號(hào)，其中該編碼使得該標(biāo)識(shí)符中的 每個(gè)比特位置與該信號(hào)中相應(yīng)的頻率對(duì)以及相應(yīng)的第一時(shí)間位置和第二時(shí)間位置關(guān)聯(lián)，該 標(biāo)識(shí)符中的比特位置的值確定所述頻率對(duì)中的哪個(gè)頻率在該信號(hào)中相應(yīng)的第一時(shí)間位置 處發(fā)射，并且所述頻率對(duì)中的另一個(gè)頻率在該信號(hào)中相應(yīng)的第二時(shí)間位置處發(fā)射；接收器 設(shè)備，被布置為接收所述超聲信號(hào)，其中所述發(fā)射器設(shè)備和所述接收器設(shè)備中的一個(gè)是移 動(dòng)設(shè)備；解碼裝置，被配置為以（a)所接收的信號(hào)中的、與所述比特位置關(guān)聯(lián)的第一頻率 和第一時(shí)間位置，（b)關(guān)聯(lián)的第一頻率和第二時(shí)間位置，（c)關(guān)聯(lián)的第二頻率和第一時(shí)間 位置，以及（d)關(guān)聯(lián)的第二頻率第二時(shí)間位置，通過(guò)利用與所接收的信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)的信 息，確定該標(biāo)識(shí)符中的每個(gè)比特位置的值，來(lái)從所接收的信號(hào)中解碼所述二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符；以 及處理裝置，被配置為利用所解碼的二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符來(lái)確定與所述移動(dòng)設(shè)備的位置有關(guān)的信 息。
[0008] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種利用超聲信號(hào)來(lái)確定移動(dòng)設(shè)備的位置的方法，所 述方法包括：從發(fā)射器設(shè)備發(fā)射編碼二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的超聲信號(hào)，其中該編碼使得該標(biāo)識(shí)符 中的每個(gè)比特位置與該信號(hào)中相應(yīng)的頻率對(duì)以及相應(yīng)的第一時(shí)間位置和第二時(shí)間位置關(guān) 聯(lián)，該標(biāo)識(shí)符中的比特位置的值確定所述頻率對(duì)中的哪個(gè)頻率在該信號(hào)中相應(yīng)的第一時(shí)間 位置處發(fā)射，并且所述頻率對(duì)中的另一個(gè)頻率在該信號(hào)中相應(yīng)的第二時(shí)間位置處發(fā)射；在 接收器設(shè)備處接收所述超聲信號(hào)，其中所述發(fā)射器設(shè)備和所述接收器設(shè)備中的一個(gè)是移動(dòng) 設(shè)備；以及以（a)所接收的信號(hào)中的、與所述比特位置關(guān)聯(lián)的第一頻率和第一時(shí)間位置， (b)關(guān)聯(lián)的第一頻率和第二時(shí)間位置，（c)關(guān)聯(lián)的第二頻率和第一時(shí)間位置，以及（d)關(guān)聯(lián) 的第二頻率和第二時(shí)間位置，通過(guò)利用與所接收的信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)的信息，確定該標(biāo)識(shí)符 中的每個(gè)比特位置的值，來(lái)從所接收的信號(hào)中解碼所述二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符；以及利用所解碼的 二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符來(lái)確定與所述移動(dòng)設(shè)備的位置有關(guān)的信息。
[0009] 根據(jù)又一方面，本發(fā)明提供一種發(fā)射器設(shè)備，所述發(fā)射器設(shè)備被布置為發(fā)射編碼 二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的超聲信號(hào)，其中該編碼使得該標(biāo)識(shí)符中的每個(gè)比特位置與該信號(hào)中相應(yīng)的 頻率對(duì)以及相應(yīng)的第一時(shí)間位置和第二時(shí)間位置關(guān)聯(lián)，該標(biāo)識(shí)符中的比特位置的值確定所 述頻率對(duì)中的哪個(gè)頻率在該信號(hào)中相應(yīng)的第一時(shí)間位置處發(fā)射，并且所述頻率對(duì)的另一個(gè) 頻率在該信號(hào)中相應(yīng)的第二時(shí)間位置處發(fā)射。
[0010] 根據(jù)更進(jìn)一步的方面，本發(fā)明提供一種接收器設(shè)備，所述接收器設(shè)備被布置為：接 收編碼二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的超聲信號(hào)，其中該編碼使得該標(biāo)識(shí)符中的每個(gè)比特位置與該信號(hào)中 相應(yīng)的頻率對(duì)以及相應(yīng)的第一時(shí)間位置和第二時(shí)間位置關(guān)聯(lián)，該標(biāo)識(shí)符中的比特位置的值 確定所述頻率對(duì)中的哪個(gè)頻率在該信號(hào)中相應(yīng)的第一時(shí)間位置處發(fā)射，并且所述頻率對(duì)中 的另一個(gè)頻率在該信號(hào)中相應(yīng)的第二時(shí)間位置處發(fā)射；以及以（a)所接收的信號(hào)中的、與 所述比特位置關(guān)聯(lián)的第一頻率和第一時(shí)間位置，（b)關(guān)聯(lián)的第一頻率和第二時(shí)間位置，（C) 關(guān)聯(lián)的第二頻率和第一時(shí)間位置，以及（d)關(guān)聯(lián)的第二頻率和第二時(shí)間位置，通過(guò)利用與 所接收的信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)的信息，確定該標(biāo)識(shí)符中的每個(gè)比特位置的值，來(lái)從所接收的信 號(hào)中解碼所述二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符。
[0011]因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將看到，根據(jù)本發(fā)明，該發(fā)射器設(shè)備在超聲信號(hào)中發(fā)射兩次 二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符，在兩個(gè)不同的發(fā)射時(shí)間以及以兩個(gè)不同的頻率發(fā)射標(biāo)識(shí)符的每個(gè)比特。如 果與特定比特位置關(guān)聯(lián)的頻率對(duì)中的一個(gè)與任何具體頻率干擾相干擾，那么該接收器設(shè)備 仍然可能解碼正確的值，因?yàn)樵撝凳且赃@兩個(gè)頻率中的另一頻率單獨(dú)地（冗余地）傳遞的， 另一頻率可能未經(jīng)歷相同的干擾。短期存在的寬頻干擾的損害效應(yīng)也可能消失，因?yàn)楸忍?值是在兩個(gè)不同的時(shí)間分離地發(fā)射的，因此如果短期存在的干擾在兩個(gè)時(shí)間位置之一干擾 該信號(hào)，那么仍然可能在另一時(shí)間位置從該信號(hào)中正確地解碼該比特。
[0012] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該時(shí)間冗余和頻率冗余提供有助于接收器設(shè)備可靠地解碼二進(jìn)制標(biāo)識(shí) 符的特別健壯的系統(tǒng)，甚至在存在來(lái)自其它超聲發(fā)射器的顯著干擾或者來(lái)自由環(huán)境中反射 性表面引起的該信號(hào)本身的相消干擾的情況下。該系統(tǒng)還可以在接收器設(shè)備中的麥克風(fēng)具 有非均勻的頻率響應(yīng)時(shí)提供健壯性。
[0013] 在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述發(fā)射器設(shè)備是靜態(tài)發(fā)射器站，并且移動(dòng)設(shè)備是移動(dòng)接收 器單元。申請(qǐng)人還認(rèn)識(shí)到，在許多情境中，如在醫(yī)院，場(chǎng)所中可移動(dòng)對(duì)象（人、儀器等）的數(shù) 量可能經(jīng)常大于為提供該場(chǎng)所的覆蓋所需的靜態(tài)站的數(shù)量。通過(guò)從一個(gè)或多個(gè)靜態(tài)站而不 是從移動(dòng)單元進(jìn)行發(fā)射，移動(dòng)單元的數(shù)量可以無(wú)限地增加，而不需要更多復(fù)雜的發(fā)射信號(hào) 且不影響系統(tǒng)的精度。
[0014] 該二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符可以與發(fā)射器設(shè)備關(guān)聯(lián)（但不一定是唯一地）。發(fā)射器設(shè)備優(yōu)選 地每隔一段時(shí)間（例如，周期性地）發(fā)射超聲信號(hào)，每個(gè)超聲信號(hào)編碼所述二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符。 這允許系統(tǒng)每隔一段時(shí)間確定移動(dòng)單元的一系列位置估計(jì)。該信號(hào)可以包括其它成分，如 編碼附加信息的信號(hào)部分，并且這些其它成分可以對(duì)每個(gè)信號(hào)來(lái)說(shuō)是變化的。
[0015] 與二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符中的每個(gè)比特位置關(guān)聯(lián)的這些頻率對(duì)可以對(duì)這些比特位置中的 一些或全部來(lái)說(shuō)是相同的（即，二進(jìn)制頻移鍵控），但是優(yōu)選地，每個(gè)頻率對(duì)對(duì)于該標(biāo)識(shí)符 中的特定比特位置是唯一的。此外，所有頻率對(duì)中的每個(gè)單獨(dú)的頻率優(yōu)選地對(duì)于特定比特 位置是唯一的。以此方式，不需要在二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的編碼內(nèi)多次發(fā)射頻率。這減少了來(lái)自 發(fā)射器的信號(hào)的回聲或者另一發(fā)射器的信號(hào)或其回聲通過(guò)增加頻率再用之間的間隔影響 所接收的信號(hào)的機(jī)會(huì)。
[0016] 該編碼優(yōu)選地使得包含所有所述頻率的有序集中的相鄰頻率從不在該信號(hào)中的 相鄰時(shí)間位置發(fā)射。這可以通過(guò)減少來(lái)自在一個(gè)時(shí)間位置發(fā)射的頻率的回聲對(duì)該信號(hào)中的 下一時(shí)間位置處的類似頻率的接收形成干擾的機(jī)會(huì)，幫助準(zhǔn)確地進(jìn)行解碼。
[0017] 每一對(duì)中的兩個(gè)頻率優(yōu)選地相隔至少大約3MHz，以便允許接收器單元準(zhǔn)確地區(qū)分 它們。
[0018] 發(fā)射器設(shè)備優(yōu)選地通過(guò)在包含這些時(shí)間位置之一的時(shí)間窗（例如以該時(shí)間位置 為中心）內(nèi)發(fā)射頻率（即，使所述發(fā)射器站中的超聲換能器以該頻率振動(dòng)），來(lái)在該時(shí)間位 置處發(fā)射頻率。在二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的編碼中使用的每個(gè)時(shí)間位置可以具有用于對(duì)頻率被發(fā)射 的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行限定的關(guān)聯(lián)時(shí)間窗；這些窗可以全部具有基本相同的長(zhǎng)度，例如大約10毫 秒長(zhǎng)。該關(guān)聯(lián)的時(shí)間窗可以在該信號(hào)中首尾相接地布置，而沒(méi)有任何顯著的中間間隔，從而 提供在時(shí)間上緊湊的編碼。
[0019] 每一對(duì)中的第一時(shí)間位置和第二時(shí)間位置優(yōu)選地相隔大于與每個(gè)位置關(guān)聯(lián)的相 應(yīng)時(shí)間窗的長(zhǎng)度，使得關(guān)于每個(gè)比特位置的兩個(gè)頻率的發(fā)射在時(shí)間上不重疊。該相隔優(yōu)選 地具有最小長(zhǎng)度，如至少大約10毫秒，例如大約40毫秒，使得在第一時(shí)間窗內(nèi)發(fā)射的能量 可以在第二時(shí)間窗內(nèi)的發(fā)射開(kāi)始之前在環(huán)境中衰減。以此方式，可以減少或消除來(lái)自第一 時(shí)間位置的回聲在第二時(shí)間位置處產(chǎn)生干擾的可能性。
[0020] 在優(yōu)選的一組實(shí)施例中，該編碼使得在所發(fā)射的信號(hào)中，所有第一時(shí)間位置領(lǐng)先 于所有第二時(shí)間位置。對(duì)于至少一些實(shí)施例來(lái)說(shuō)，這可以被視為等價(jià)于：對(duì)于整個(gè)二進(jìn)制標(biāo) 識(shí)符的每個(gè)比特，利用不同的二進(jìn)制頻移鍵控（BFSK)編碼，來(lái)發(fā)射整個(gè)二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符，然 后對(duì)于每個(gè)比特使用相同的相應(yīng)BFSK編碼來(lái)發(fā)射該標(biāo)識(shí)符的比特式（bit-wise)互補(bǔ)（1 的互補(bǔ)）。
[0021] 每一時(shí)間位置對(duì)優(yōu)選地對(duì)于該二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符內(nèi)的特定比特位置是唯一的。此外， 來(lái)自全部時(shí)間位置對(duì)的每個(gè)單獨(dú)的時(shí)間位置優(yōu)選地對(duì)于特定比特位置是唯一的。以此方 式，在發(fā)射該二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符時(shí)，該發(fā)射器設(shè)備僅需要發(fā)射一個(gè)頻率，從而簡(jiǎn)化該發(fā)射器設(shè)備 的設(shè)計(jì)。
[0022] 所述發(fā)射器設(shè)備可以包括編碼器或編碼裝置以及超聲發(fā)射裝置或單元，其中所述 編碼器或編碼裝置被布置為接收二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符作為輸入，以及控制所述超聲發(fā)射裝置或單 元發(fā)射根據(jù)上述編碼編碼所述二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的超聲信號(hào)?？商娲兀摼幋a可以在所述發(fā) 射器設(shè)備外部執(zhí)行，并且所述發(fā)射器設(shè)備可以存儲(chǔ)或接收控制信號(hào)，該控制信號(hào)用于控制 超聲發(fā)射裝置或單元發(fā)射根據(jù)上述編碼編碼二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的超聲信號(hào)。
[0023] 在所述發(fā)射器設(shè)備是靜態(tài)發(fā)射器站并且所述接收器設(shè)備是移動(dòng)接收器單元的實(shí) 施例中，所述接收器單元對(duì)所述二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符的接收可以用于確定所述發(fā)射器站與所述接 收器單元之間的鄰近度。這可以接著被用于，利用對(duì)所述靜態(tài)發(fā)射器站的位置的了解，估計(jì) 所述移動(dòng)接收器單元的位置。例如，如果建筑物的結(jié)構(gòu)使得超聲信號(hào)會(huì)在房間外面顯著地 衰減，則可以確定接收器單元與靜態(tài)發(fā)射器站位于相