用于基于超聲反射信號的對象位置估計的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于基于超聲反射信號的對象位置估計的系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請為發(fā)明名稱為"用于基于超聲反射信號的對象位置估計的系統(tǒng)和方法"的 原中國發(fā)明專利申請的分案申請。原申請的中國申請?zhí)枮?01180054916.X;原申請的申請 日為2011年11月16日，其國際申請?zhí)枮镻CT/IL2011/000884。 發(fā)明領域
[0002] 本發(fā)明在其一些實施例中涉及定位系統(tǒng)和方法，尤其但不排他地涉及小空間定位 系統(tǒng)和方法。
[0003] 發(fā)曰月背景
[0004] 小空間定位、數(shù)米或更小的空間內(nèi)的定位的領域是已知的。利用小空間定位系統(tǒng) 的已知應用包括具有定點設備用于計算機交互、機器人和機器控制系統(tǒng)、以及用于玩具和 庫存控制的計算機交互系統(tǒng)的應用。某些應用可能需要2D解決方案，其他應用可能需要3D 解決方案。某些應用（諸如定點設備）可能只需要單向通信，而其他應用（例如，機器人應 用）可能需要雙向通信。
[0005] 通過使用利用定向發(fā)射機/接收機的距離發(fā)現(xiàn)的對象定位也是公知的，在稱為 SONAR(聲音導航和測距）的方法中使用超聲反射。該方法與RADAR(無線電檢測和測距） 類似地工作：在特定方向上生成超聲脈沖。如果在該脈沖的路徑中存在對象，則該脈沖的部 分或全部將被反射回發(fā)射機作為回聲并且可通過接收機路徑被檢測。通過測量脈沖被發(fā)射 與回聲被接收之間的時間差，就能夠確定該對象有多遠。
[0006]轉讓給Epos技術有限公司的題為"AcousticRobustSynchronization SignalingForAcousticPositioningSystem(用于聲學定位系統(tǒng)的聲學穩(wěn)健同步信 令）"的國際專利申請公開No.W02005111653(AirmanNathan，其內(nèi)容由此通過援引納入于 此）描述了定位元件和定位設備，其中定位元件發(fā)射連續(xù)調(diào)制的聲學波形和同步信號，該 同步信號是至少兩個同步分組的序列，每個分組承載用于該連續(xù)調(diào)制的聲學波形的定時數(shù) 據(jù)。另外，該同步信號使用時間跳躍來支持多個定位元件的并發(fā)定位。
[0007]轉讓給Epos技術有限公司的題為"MethodAndSystemForObtaining PositioningData(用于獲得定位數(shù)據(jù)的方法和系統(tǒng)）"的國際專利申請公開 No.W003088136(AirmanNathan和EliashivOded，其內(nèi)容由此通過援引納入于此）描述了 定位元件和檢測器裝置，該定位元件用于獲得位置并包括用于發(fā)射可解碼以鎖定位置的基 本連續(xù)超聲波形的第一發(fā)射器；該檢測器裝置用于以準許鎖定位置并輸出該波形以用于計 算的方式、以能保持位置鎖定能力的方式檢測該波形。
[0008] 轉讓給Epos技術有限公司的題為"SystemAndMethodForPositioning(用于 定位的系統(tǒng)和方法）"的國際專利申請公開No.W02008117292(AirmanNathan和Agassy Meir，其內(nèi)容由此通過援引納入于此）描述了使用基帶和載波信息來提供勝于已知系統(tǒng)的 改善的準確性和/或降低的模糊性。
[0009]"UltrasonicImaginginAirwithaBroadbandInverseSyntheticAperture Sonar(用寬帶逆合成孔徑聲納在空中的超聲成像）"(MichaelP.Hayes，1997)討論了對來 自數(shù)字調(diào)制超聲信號的收到超聲反射的分析。其缺少基帶和載波分析、信道建模、泄漏估計 和正交信號的技術。
[0010] US2007/0121097討論了使用定形超聲脈沖的姿勢分析。然而，所描述的技術僅使 用真實信號，其并未公開正交基帶信號和泄漏估計。
[0011] 美國專利申請20080005703公開了使用超聲的手勢識別。然而，其并未公開調(diào)制 技術。
[0012] 美國專利申請20100296368公開了用于姿勢檢測的回聲分析。然而，其并未公開 調(diào)制技術，也未公開對BB和載波信息的使用。
[0013]"ContinuousSonarSensingforMobileMiniRobots(用于移動迷你機器人的 連續(xù)聲納感測）"（Jurgenalhold等人，2002)公開了使用連續(xù)調(diào)制發(fā)射。然而，其并未公 開對BB和載波信息的使用。對正交編碼的討論是用于車輛區(qū)分和用于同時從若干發(fā)射機 估計相同的目標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的一方面，提供了一種用于小空間定位的系統(tǒng)和方法， 其相比于已知系統(tǒng)可改善準確度和/或降低模糊性?？蓮囊ㄎ坏臒o源對象獲得具有載波 信號和調(diào)制的連續(xù)經(jīng)調(diào)制聲波的回聲。
[0015] 本發(fā)明的一些實施例的一方面提供了一種用于小空間定位的系統(tǒng)，包括：發(fā)射設 備，其發(fā)射經(jīng)調(diào)制連續(xù)波，其中該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波包括載波信號和基帶信號，該發(fā)射設備朝其 中可能出現(xiàn)希望跟蹤的對象的區(qū)域或空間或范圍發(fā)射該信號。接收單元接收起源自該發(fā)射 設備的從該對象反射的信號。收到信號可包括自發(fā)射機設備的直接路徑的泄漏。該系統(tǒng)可 使用基于近似距離的分析來確定反射該發(fā)射的對象的位置，該分析使用通過向該對象發(fā)射 和從該對象反射的往返延遲所接收到的載波信號和基帶信號兩者。
[0016] 該系統(tǒng)可使用如設在給定計算設備中的語音組件，諸如內(nèi)置立體聲話筒和揚聲 器，以發(fā)射和接收超聲信號。
[0017] 對載波信號和基帶信號兩者的分析可包括對載波信號的相位分析。
[0018] 接收單元可包括檢測器，用于執(zhí)行由接收單元接收到的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與期望經(jīng)調(diào) 制連續(xù)波之間的相關。
[0019] 可任選地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波具有預定形式或結構，并且該期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是由 發(fā)射設備發(fā)射的經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的副本。
[0020] 可任選地，該期望連續(xù)波建模所發(fā)射波（包括例如經(jīng)調(diào)制數(shù)字信號）、發(fā)射機、空 氣、話筒和接收電路的總體響應。
[0021] 可任選地，該期望連續(xù)波是從反射的記錄導出的。
[0022] 可任選地，接收單元從收到經(jīng)調(diào)制連續(xù)波與期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波之間的相關來確定 基帶和載波信號相關曲線。
[0023] 可任選地，接收單元包括泄漏衰減機制，其中泄漏被定義為從直接路徑（發(fā)射機 到接收機）中的固定發(fā)射接收到的信號，而反射信號是用于Τ0Α測量所需的信號。泄漏也 可在較寬的視角中定義，其除了直接路徑信號以外還包括從靜態(tài)環(huán)境反射的信號：設備外 殼、位于設備附近的人造物、該設備放置于其上的表面等。良好的泄漏衰減機制可估計來自 環(huán)境的反射，其具有比目標相對更低的變化率。以此方式，目標的運動將更容易被檢測和跟 蹤。泄漏信號的示例是在從移動設備的揚聲器到話筒的最短路徑中到達的信號。
[0024] 可任選地，泄漏衰減方法包括如下方法：其中收到信號經(jīng)歷差分運算以移除恒定 泄漏、并隨后執(zhí)行與收到信號的期望波形的復相關。
[0025] 泄漏是在沒有反射體時收到的從發(fā)射機（揚聲器）發(fā)送的聲學信號。例如，當使 用表面時，比如手持機放置在桌子上時，泄漏可包括來自該表面的反射。
[0026] 措辭"揚聲器"在本文中涉及任何發(fā)聲設備。
[0027] 可任選地，泄漏衰減方法使用其中不存在對象（即，不存在反射）的狀況的知識， 以及隨后計算相關并且關于數(shù)個幀對相關值取平均。幀可被定義為序列的歷時，連續(xù)調(diào)制 是從該序列構建的。結果被存儲在存儲器中。一旦指示可能存在要定位的對象，就計算相 關并從該相關值中扣除來自不存在對象的狀況的相關的所保存值的矢量。這得到無泄漏的 相關信號。
[0028] 作為進一步替換，泄漏衰減方法使用無要定位的對象的知識（即，不存在反射）， 并且隨后從直接路徑接收到的時域信號被取平均和存儲。基于對象可能存在的知識，從先 前存儲的模式中扣除這些時域采樣，從而產(chǎn)生無泄漏的時域信號，其隨后可進一步與該連 續(xù)波相關以找出到達時間Τ0Α。
[0029] 由于泄漏通常是恒定的，因此可使用泄漏補償作為距離校準的手段。因此，有可能 測量泄漏的Τ0Α，從而使用從話筒到揚聲器的已知距離來計算音速。該音速可被用于計算環(huán) 境溫度。
[0030] 可任選地，接收元件確定絕對相關曲線中的一個或多個峰值以及實相關曲線中的 一個或多個峰值。實相關和絕對相關曲線的數(shù)學定義在下文提供。
[0031] 可任選地，接收單元包括一個或多個接收機，并且該接收單元配置成用于確定發(fā) 射設備與該接收機之間的視線距離或主反射距離。
[0032] 可任選地，與實相關曲線中的峰值基本對準的絕對相關曲線中的峰值對應于接收 機與發(fā)射設備之間最可能的視線距離或主反射距離。
[0033] 可任選地，該系統(tǒng)包括模糊解決器，用于從實相關曲線中的多個峰值選擇一個或 多個峰值。
[0034] 可任選地，這多個峰值是從包括若干經(jīng)延遲信號的收到信號獲得的，這些經(jīng)延遲 信號的相關曲線彼此重疊。
[0035] 可任選地，該系統(tǒng)包括模糊解決器，其標識數(shù)個峰值中與絕對相關曲線的峰值最 靠近的一個峰值或者決定沒有合適的峰值。
[0036] 可任選地，使用基于由模糊解決器計算出的一個或多個預定義參數(shù)的值的評分。
[0037] 可任選地，接收單元解譯發(fā)射機、（反射、）以及一個或多個接收機之間最可能的 視線距離（或最可能的反射距離），其中由接收機接收到的信號包括近范圍中的由于由發(fā) 射設備發(fā)射的信號的多徑而引起的彼此重疊的若干經(jīng)延遲信號。
[0038] 可任選地，接收單元以載波信號波長的十分之一的數(shù)量級上的準確度確定該位 置。
[0039] 可任選地，對不同系統(tǒng)使用不同的基帶信號。
[0040] 可任選地，接收單元存儲關于將由發(fā)射設備發(fā)射并由要定位的對象反射的基帶信 號的信息。
[0041] 可任選地，接收單元基于基帶信號來區(qū)分從要定位的對象反射的具有載波頻率的 經(jīng)調(diào)制信號（其中該反射針對該系統(tǒng)的發(fā)射設備）和其他發(fā)射設備。
[0042] 可任選地，接收單元存儲一個或多個校準參數(shù)以用于基于該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來調(diào) 整期望經(jīng)調(diào)制連續(xù)波。
[0043] 可任選地，該校準參數(shù)是相位響應、振幅響應、以及群延遲中的一者。
[0044] 可任選地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是聲波。
[0045] 可任選地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是超聲波。
[0046] 可任選地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是配置成用于穿透除空氣以外的媒介的1-18MHZ范圍 內(nèi)的超聲波。
[0047] 可任選地，該經(jīng)調(diào)制連續(xù)波是RF波。
[0048] 可任選地，載波信號的頻率與經(jīng)調(diào)制連續(xù)波的基帶信號的頻率在相同的量級上。
[0049] 可任選地，接收單元包括間隔開的至少兩個接收機，并且每個接收機定位在預定 義位置中。
[0050] 可任選地，該系統(tǒng)包括處理單元，其配置成基于發(fā)射設備（反射）與兩個接