室內(nèi)定位系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請基于并要求2014年3月3日提交的序列號為No. 61/946,987的美國臨時 專利申請的權(quán)益，該申請的公開通過全文引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本實用新型涉及定位系統(tǒng)。更具體地，本實用新型涉及一種用于在給定區(qū)域內(nèi)識 別物體位置或追蹤物體的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS)是一種用于在建筑物內(nèi)或在密集工業(yè)區(qū)中對物體或人進(jìn)行 無線定位的設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。由于全球定位系統(tǒng)（GPS)需要到四個或更多個GPS衛(wèi)星的無遮擋 視線導(dǎo)致全球定位系統(tǒng)通常不適用于確立室內(nèi)位置，所以需要專門的設(shè)計。通過屋頂、墻壁 和其他物體衰減并散射微波，表面上的多次反射導(dǎo)致多徑傳播受到不可控的誤差。
[0005] 渡越時間（ToF)(Timeofflight)是信號從發(fā)送機(jī)傳播到接收機(jī)的時間量。由于 信號傳播速率是常數(shù)并且是已知的，信號渡越時間可以直接用于計算距離?？梢詫⑾鄬Χ?個銷站點（anchorstations)的多個測量（在GPS中，至少四個衛(wèi)星）與三邊測量法相結(jié) 合，以便查找位置。
[0006] 由于光速是3xl08m/sec，在基于射頻（RF)的系統(tǒng)中，時鐘同步的不準(zhǔn)確性是定位 誤差的關(guān)鍵因素。在GPS中，ToF通常需要復(fù)雜的同步機(jī)制來針對傳感器保持可靠的時間 源。
[0007] 此外，基于ToF準(zhǔn)確性的方法通常在室內(nèi)定位中受到較大的多徑條件，所述多徑 條件是由于物體對RF信號進(jìn)行反射和衍射而導(dǎo)致的。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 由于構(gòu)造材料導(dǎo)致的衰減和反射，需要至少確保在由系統(tǒng)覆蓋的任意位置的三個 錨點的視線是無遮擋的。因此，需要大量錨站點。為此，本實用新型提出了一種室內(nèi)定位系 統(tǒng)，包括多個錨站點，每個錨站點被配置為發(fā)送射頻信號和聲學(xué)信號。移動站包括射頻接收 機(jī)，配置為從多個錨站點中的至少一個錨站點接收射頻信號；以及聲學(xué)接收機(jī)，配置為從多 個錨站點中的至少一個錨站點接收聲學(xué)信號。處理單元被配置為基于接收到的射頻信號和 聲學(xué)信號，確定移動站的位置信息。
[0009] 在各個方面，本公開的實施例通過使用混合RF/聲學(xué)方法，解決了室內(nèi)定位系統(tǒng) (IPS)的問題，在一個實施例中，所述聲學(xué)方法是超聲波。該方法包括解決時間同步和多徑 問題。
[0010] 【實用新型內(nèi)容】和摘要是為了以簡化形式介紹選擇構(gòu)思，下文將進(jìn)一步詳細(xì)描述所 述構(gòu)思?！緦嵱眯滦蛢?nèi)容】和摘要不是為了指明所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或基本特征，也 不是為了將它們用于幫助確定所要求保護(hù)的主題的范圍。
【附圖說明】
[0011] 圖1是示出了在定位系統(tǒng)中使用RF脈沖來進(jìn)行時間同步的圖。
[0012] 圖2是示出了直接回聲和多徑反射的幅值對射程（range)的圖。
[0013] 圖3示出了根據(jù)本公開的一個實施例的定位系統(tǒng)的框圖。
[0014] 圖4是根據(jù)本公開的一個實施例的錨站點的框圖。
[0015] 圖5是根據(jù)本公開的一個實施例的移動站的框圖。
[0016] 圖6是根據(jù)本公開的一個實施例的方法流程圖。
[0017] 圖7是根據(jù)本公開的另一實施例的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0018]更具體地，電磁波比聲音快106倍。由于RF脈沖的ToF相對超聲波脈沖的ToF是 可忽略的，RF脈沖可以被用作同步脈沖。在接收機(jī)側(cè)，多徑是若干個時移（或等同地，射 程移位）脈沖（脈沖串）的卷積。假定視線，接收機(jī)將鎖定第一脈沖（最快的）。
[0019]脈沖的射程分辨率確定接收機(jī)解析兩個連續(xù)脈沖的能力。物理結(jié)構(gòu)的典型尺寸確 定了所需要的射程分辨率。對于工業(yè)區(qū)內(nèi)的走廊，所需的射程分辨率應(yīng)小于1米。
[0020] 用聲學(xué)脈沖實現(xiàn)所需要的射程分辨率比用電磁波脈沖要簡單得多?？蓪?現(xiàn)的射程分辨率受到脈沖的帶寬和群速度的限制。對于具有工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)（例如， Wire丨essHART?)的典型帶寬的RF信號，射程分辨率大約8米。使用聲學(xué)技術(shù)，帶寬為 1kHz的超聲波脈沖的射程分辨率小于50cm。此外，在聲學(xué)技術(shù)中，可以用傳統(tǒng)、低成本電器 來產(chǎn)生并采樣高級脈沖。
[0021] 圖1是示出了在定位系統(tǒng)中使用RF脈沖和聲學(xué)脈沖的時間同步的圖。一個實施 例中的聲學(xué)脈沖是超聲波脈沖。發(fā)送機(jī)或多個發(fā)送機(jī)（如下文所述）同時發(fā)送RF脈沖和 超聲波脈沖。針對RF和超聲波脈沖并置排列的接收機(jī)針對RF脈沖在3xl0_8秒時接收到RF 脈沖，針對超聲波脈沖在3xl0_2秒時接收到超聲波脈沖。在一個實施例中，將接收時間的差 值用于確定發(fā)送機(jī)與并置排列的接收機(jī)之間的距離，并將在下文進(jìn)行詳述。
[0022] 圖2是示出了針對接收到的聲學(xué)脈沖的直接回聲和多徑反射的幅值對射程的圖。 例如，可以反射、散射或完全阻擋聲學(xué)脈沖。在發(fā)送機(jī)的直接視線內(nèi)的接收機(jī)將首先接收最 直接的脈沖。在稍后時刻接收被反射的脈沖。參考圖2,相對以下文所述方式確定的距離， 繪制超聲波麥克風(fēng)接收到的超聲波信號的信號幅值的圖。在200處示出了第一峰，在202 和204處分別示出了第二和第三峰。根據(jù)視線，峰200示出了從發(fā)送機(jī)到麥克風(fēng)的直接路 徑距離。第二和第三峰是多徑峰（也就是說，在從一個或多個物體進(jìn)行反射之后接收到的 信號），表示為增大的渡越時間，因此，增大的距離。根據(jù)在發(fā)送機(jī)和麥克風(fēng)之間的掃描線， 最短的渡越時間是發(fā)送機(jī)和麥克風(fēng)之間的直線距離。
[0023] 在一個具體配置中，所述系統(tǒng)基于商業(yè)驗證的工業(yè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（例如， WirelessHART?網(wǎng)絡(luò)），示出為圖3的框圖形式。
[0024] 圖3示出了系統(tǒng)300,所述系統(tǒng)具有布置在已知位置處的多個錨站點302(圖3所 示的三個錨站點302A、302B和302C，并將在下文詳述）以及需要確定其位置310的移動站 304(下文詳述）。在一個實施例中，錨站點302是無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)306(例如，WirelessHART?網(wǎng)絡(luò)）的一部分。操作中，多個錨站點302位于要監(jiān)控區(qū)域周圍的已知位置308A、308B和 308CA處。移動站304被布置在想要得知其位置310的物體上，或靠近想要得知其位置310 的物體周圍。例如而非限制性地，所述物體可以是一件物品（inventory)或一個人。
[0025] 為了確定從錨站點302到移動站304的距離，錨站點302實質(zhì)上同時發(fā)送RF消息 320(S卩，WirelessHART?消息）和聲學(xué)脈沖330。由于WirelessHART?信號包含同 步信息，WirelessHART?信號允許進(jìn)行同步，并且如現(xiàn)有技術(shù)所公知允許傳輸數(shù)據(jù)。使 用這種同步和數(shù)據(jù)傳輸能力允許RF脈沖被用作獨(dú)有的同步脈沖，使得移動站304知道哪個 錨站點302正在進(jìn)行傳輸以及何時進(jìn)行傳輸。在移動站304接收RF脈沖和接收聲學(xué)脈沖 之間的時間差允許確定移動站和發(fā)送錨站點302之間的距離?？梢允褂脕碜匀齻€單獨(dú)錨站 點的距離計算（例如，使用三邊測量法），來確定移動站的位置。
[0026] TDMA是用于通過將信號分為多個時隙以在網(wǎng)絡(luò)上共享頻率信道的已知標(biāo)準(zhǔn)。每個 站點（例如，本文所述的錨站點302)可以通過向其分配用于傳輸?shù)奶囟〞r隙，來共享脈沖 使用的頻率。在一個實施例中，中心站312從一個或更多個移動站304接收