自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法

文檔序號：5838764閱讀：205來源：國知局

專利名稱：自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及室內(nèi)定位和位置傳感，更具體地涉及在客戶端側執(zhí)行位置計算并使得對象可以獲悉自身的物理位置的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法。
背景技術：
毫無疑問，定位信息是用于提取用戶和環(huán)境之間的地理位置關系以進一步了解用戶行為的基本內(nèi)容。定位獲悉應用的重要性和發(fā)展前景已經(jīng)促使對提供定位信息的系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，尤其是在室內(nèi)和城市環(huán)境中。當前，在許多不同的應用場合中，包括辦公、醫(yī)療、煤礦、地鐵、智能樓宇、餐館等，對于實時高精度地跟蹤人和財物有著越來越大的市場需求。例如，在辦公環(huán)境中，要求職員在特定的安全區(qū)域中訪問機密信息數(shù)據(jù)庫。在該區(qū)域之外，任何訪問都將被禁止。安全區(qū)域的示例可以是一個房間、工作區(qū)域的一部分、甚至可以是一張桌子。
眾所周知的全球定位系統(tǒng)(GPS)在室外環(huán)境可以提供幾十米精度的對
象位置信息，但是，在室內(nèi)環(huán)境中GPS無法很好地工作，原因在于GPS的定位結果因多徑效應和信號遮斷(signal obstruction)而急劇惡化。
從概念上，室內(nèi)定位系統(tǒng)可以被歸類成跟蹤系統(tǒng)和導航系統(tǒng)。在跟蹤系統(tǒng)中，定位計算在服務器側運行以定位對象的位置從而進行跟蹤。在這種情況下，數(shù)據(jù)庫持續(xù)跟蹤包括用戶在內(nèi)的所有實體的位置，因而用戶的隱私無法得以保證。此外，在跟蹤系統(tǒng)中，所有的控制和管理功能都集中在服務器側，因此無法以可擴展的方式來部署和管理系統(tǒng)。
例如，在授予R. Want的題為"Infrared Beacon Position System"的美國專利No. 6,216,087中公開了一種在雙向紅外光鏈路上建立的基于接近度 (proximity)的定位系統(tǒng)"Activebadge",其中，在每個房間中部署一個紅外光信標，并且小型輕量的移動紅外收發(fā)機每隔固定間隔就廣播唯一 ID。
因為紅外光信號很難穿透墻壁，所以ID廣播可以很容易地被包含在房間內(nèi)，從而提供房間級(roomgranularity)的定位精度。
在授予Jones的題為"Detection system for determining positional and other information about objects"的美國專利No. 6,493,649中公開了一種 "Bat"系統(tǒng)，其中，用戶佩戴小型識別徽章(badge),該識別徽章在受中央系統(tǒng)的無線電觸發(fā)時發(fā)射超聲波脈沖。系統(tǒng)確定從識別徽章到安裝在天花板上的密集接收機陣列的脈沖TOA (到達時間)，并基于多邊定位 (multilateration)算法來計算識別徽章的3D位置。
S.Holm等人的題為"A system and method for position determination of objects"的國際專利No. WO 03/087871 Al公開了一種"Sonitor"系統(tǒng)，其中，僅利用超聲波的定位系統(tǒng)實現(xiàn)了室粒度的定位精度。Sonitor標簽(tag) 向位于監(jiān)聽區(qū)域內(nèi)的接收器發(fā)射20kHz到40kHz的超聲波信號。通過頻率調制，每個標簽向接收器傳送唯一 ID，接收器使用某種算法來讀取這些ID, 然后將它們轉發(fā)到中央服務器。
另一方面，導航系統(tǒng)在客戶端側執(zhí)行定位計算并使對象知曉他們自身的物理位置。用戶應用不廣播他們自身的位置，除非他們想要被其他人發(fā) 現(xiàn)。這樣，用戶的隱私可以得到充分地保證。
例如，非專利文獻"RADAR: An In-Building RF-based User Location and Tracking System" ， P. Bahl etc., Proc. IEEE INFOCOM, 2000公開了一種基于 802.11無線網(wǎng)絡的接收信號強度的定位系統(tǒng)。其中，首先在離線(off-line) 階段，對系統(tǒng)進行校準，并根據(jù)分布在目標區(qū)域中的有限量的位置處的接收信號強度來構建模型。然后在在線(on-line)階段，移動單元報告從各個基站接收的信號強度，并且系統(tǒng)確定在線觀測數(shù)據(jù)與在線模型中的任意點之間的最佳匹配。最佳匹配點的位置被報告作為位置估計。但是，因為在建筑物內(nèi)的RF傳播將從經(jīng)驗數(shù)學模型嚴重偏離，所以使用信號強度來估計位置無法產(chǎn)生令人滿意的結果。
另夕卜，非專利文獻"The Cricket Location-Support System" , B. Nissanka， etc., Proceedings of the Sixth International Conference on Mobile Computingand Networking, Boston, Massachusetts, USA， August 2000公開了一禾中 "Cricket"系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括安裝在樓宇中的一組獨立不相連接的超聲波定位信標發(fā)射機，每個超聲波定位信標發(fā)射機都既包含RF(射頻)發(fā)射器又包含超聲波發(fā)射器。在工作期間，各個RF發(fā)射器如果偵聽到清楚的RF頻道就發(fā)射RF信號，與此同時相應的超聲波發(fā)射器將發(fā)射超聲波信號。對象身上攜帶的接收機首先將接收RF信號以用于與各個超聲波定位信標發(fā)射機建立同步，然后接收超聲波信號，從而使用TOA來測量其自身和發(fā)射機之間的距離，然后當接收到多于3個TOA樣本時接收機就可以推斷其自身的位置以用于導航。但是，在這種系統(tǒng)中，1)采用了多個RF 發(fā)射和多個US (超聲波信號)發(fā)射，從而使得RF與US之間的諧調相當復雜并增加了系統(tǒng)成本；2)隨機選擇RF發(fā)射器以使得每次僅有一個超聲波定位信標發(fā)射機可以發(fā)射RF信號和US，因此從各個超聲波定位信標發(fā) 射機的RF發(fā)射是無序的；以及3)對象一次僅偵聽一個超聲波信標，并且可能在來自不同信標的信號之間發(fā)生位置移動。結果，將無法保證距離樣本的同步性，而這會導致不精確的位置估計。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的主要目的旨在提供一種針對實際應用場合的可以保護用戶隱私、非集中控制管理、高精度且低成本的室內(nèi)定位系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括定位信標發(fā)射裝置和定位信標接收裝置。其中，定位信標發(fā)射裝置被配置為在發(fā)射包括同步信息的信號之后按預定順序以預定時間間隔地輪發(fā)多個超聲波信號；并且定位信標接收裝置被配置為在檢測到同步信息之后執(zhí)行與定位信標發(fā)射裝置的同步，基于所獲得的同步定時來確定接收到的各個超聲波信號的發(fā)射順序，根據(jù)發(fā)射順序來推斷所接收的各個超聲波信號的發(fā)射定時，使用所接收的各個超聲波信號的發(fā)射定時和接收定時來計算與各個所接收超聲波信號相對應的TOA信息，并基于定位信標發(fā)射裝置中的各個超聲波發(fā)射器的位置和所計算得到的TOA信息序列來確定攜帶定位信標接收裝置的對象的位置。
10根據(jù)本發(fā)明一個方面，提供了一種定位信標發(fā)射裝置，包括第一信
號發(fā)射器，用于發(fā)射包含同步信息的第一信號；多個第二信號發(fā)射器；以及第二信號發(fā)射控制裝置，用于控制所述多個第二信號發(fā)射器在第一信號被發(fā)射之后以預定時間間隔按預定順序來輪發(fā)第二信號。第一信號發(fā)射器可以例如周期性地發(fā)射第一信號，從而使得所述多個第二信號發(fā)射器循環(huán) 地輪發(fā)第二信號。第一信號可以是射頻信號、微波信號或紅外信號。第二信號可以是超聲波信號。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面，提供了一種定位信標接收裝置，用于從發(fā)射裝置接收定位信標，所述接收裝置包括第一信號接收器，用于接收包含同步信息的第一信號；第二信號接收器，用于順序地接收第二信號；同步單元，用于利用第一信號中包含的同步信息來執(zhí)行與發(fā)射裝置的同步，并獲取同步定時；順序確定單元，用于根據(jù)所述同步定時來確定由第二信號接收器接收的各個第二信號的發(fā)射順序；TOA獲取單元，用于基于由順序確定單元確定的所述各個第二信號的發(fā)射順序來獲取與各個第二信號相對應的TOA信息序列；以及位置計算單元，用于根據(jù)由第二信號接收器接收的各個第二信號的發(fā)射源的位置和由T0A獲取單元獲得的T0A信息序列來計算接收裝置的位置。
順序確定單元可以包括發(fā)射序號判斷部分，將從第一個第二信號發(fā) 射源的發(fā)射定時開始的時間段分成間隔所述發(fā)射時間間隔的n個區(qū)間，如果所接收的第二信號的接收定時處于第i區(qū)間，則判定該第二信號的發(fā)射序號為i，其中，n為所述第二信號發(fā)射源的數(shù)目，并且i二l， 2， ...n;和第二信號發(fā)射定時推斷部分，用于基于由發(fā)射序號判斷部分判定的所述發(fā)射序號來推斷所接收的各個第二信號的發(fā)射定時。
從第一信號接收器接收到第一個第一信號到其接收到第二個第一信號之間的時間段為一個發(fā)射周期，其中，位置計算單元可以包括連續(xù)三角位置計算部分，用于沿著由TOA獲取單元獲得的TOA信息序列來應用長度為三的滑動窗并利用三角定位法、基于各個第二信號發(fā)射源的位置和一個發(fā)射周期內(nèi)的時間上相鄰的三個TOA信息樣本來實時地計算接收裝置的
位置，從而在該發(fā)射周期內(nèi)獲得接收裝置的一系列位置信息；和連續(xù)中值濾波部分，用于從所述一系列位置信息中去除異常值，從而得到接收裝置在所述發(fā)射周期內(nèi)的多個實時位置。
根據(jù)本發(fā)明又一個實施例，提供了一種發(fā)射定位信標的方法，包括以下步驟發(fā)射包含同步信息的第一信號；和在所述第一信號被發(fā)射之后以預定時間間隔按預定順序輪發(fā)第二信號。
根據(jù)本發(fā)明又一個實施例，提供了一種用于在接收裝置中從發(fā)射裝置接收定位信標的方法，所述方法包括以下步驟接收包含同步信息的第一信號，利用該同步信息來執(zhí)行與所述發(fā)射裝置的同步，并獲取同步定時；順序地接收第二信號；根據(jù)所述同步定時來確定所接收的各個第二信號的發(fā)射順序；基于所確定的發(fā)射順序來獲取與所述各個第二信號相對應的 TOA信息序列；以及根據(jù)所述各個第二信號的發(fā)射源的位置和所獲得的 TOA信息序列來計算接收裝置的位置。
相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明所提出的自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)具有下述優(yōu)點低系統(tǒng)復雜度、可以保護用戶隱私、分布式計算、高定位精度且可
以實現(xiàn)實時定位。
本發(fā)明的室內(nèi)定位系統(tǒng)具有簡單的定位信標發(fā)射機制，可以很容易地諧調同步信息的發(fā)射和用于位置計算的超聲波信號的發(fā)射。
本發(fā)明的室內(nèi)定位系統(tǒng)在接收裝置側進行定位計算，因此不需要中央服務器進行控制和維護，并且在實際應用場合中可以很容易地進行擴展。

圖1是示出現(xiàn)有技術超聲波定位系統(tǒng)的示意圖；圖2是描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位系統(tǒng)的示意圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置的詳細配置的框圖4是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置的結構化US輪發(fā)(順序發(fā)射)機制的示意圖，其中圖4 (a)是以六邊星型拓撲為例示出根據(jù)本實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置200的結構的示意圖，而圖4 (b)是示出根據(jù)本實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置200的結構化US輪發(fā)機制的框圖5是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的在發(fā)射時間間隔選擇錯誤的情況下的三種接收情形的示意圖6是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的在發(fā)射時間間隔選擇正確的情況下的一種接收情形的示意圖7是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標接收裝置的配置的框圖8是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標接收裝置中的順序確定單元的詳細配置的框圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標接收裝置在考慮到超聲波定位信標發(fā)射裝置的退避時間和超聲波定位信標接收裝置的比特同步誤差的情況下的US脈沖發(fā)射順序確定的示意性時間圖IO是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標接收裝置中的連續(xù)三角位置計算單元的詳細配置的框圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)三角定位部分的工作原理的示意圖12是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標輪發(fā)處理的流程
圖13是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標接收處理的流程
圖14是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的US脈沖發(fā)射順序確定處理的流程圖；以及
圖15是示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的超聲波定位信標接收處理的流程圖。
具體實施例方式
以下將參考附圖來描述本發(fā)明的實施例。在這里的描述中，提供了許多具體細節(jié)，例如組件和/或方法的示例，以幫助全面理解本發(fā)明的實施例。但是，本領域的技術人員將會意識到，沒有這些具體細節(jié)中的一個或多個，或者利用其他裝置、系統(tǒng)、組合件、方法、組件、素材、部件等等也能實現(xiàn)本發(fā)明的實施例。在其他情況下，沒有具體地示出或詳細描述公知的結構、素材或操作，以避免模糊本發(fā)明實施例的各個方面。在本說明書和附圖中，相似的標號表示具有基本相同功能的結構元素，并且將省略對這些結構元素的重復說明。 <系統(tǒng)概況>
首先將描述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于超聲波的定位系統(tǒng)的概況。圖2是描述了根據(jù)該實施例的超聲波定位系統(tǒng)的示意圖。
如圖2所示，根據(jù)本實施例的超聲波定位系統(tǒng)10包括安裝在天花板上的用于發(fā)射定位信標的超聲波定位發(fā)射裝置20和在對象身上攜帶的用于接收定位信標并根據(jù)所接收的定位信標來計算自身位置的超聲波定位接收裝置30。其中，超聲波定位發(fā)射裝置20又包括單個RF發(fā)射器和包括多個 US發(fā)射器的結構化US發(fā)射機。RF發(fā)射器根據(jù)預定的發(fā)射定時信號來發(fā)射包括同步信息的RF信號(例如，數(shù)據(jù)分組)，并且所述多個US發(fā)射器在 RF發(fā)射器發(fā)射該包括同步信息的RF信號之后以預定時間間隔來輪發(fā)超聲波。這里，術語"定位信標"指的是由RF發(fā)射器發(fā)射的包括同步信息的信號和由結構化US發(fā)射機發(fā)射的超聲波信號序列。
結構化US發(fā)射機中包括的多個US發(fā)射器相互之間的位置確定，也就是說結構化US發(fā)射機中包括的US發(fā)射器的數(shù)目一定，相互之間的距離確定，并且根據(jù)預定順序來輪發(fā)超聲波信號。注意，這里所使用的US發(fā)射器例如可以是低成本的在單一頻率(例如，40KHz)上操作的窄帶US發(fā)射器，該窄帶US發(fā)射器在受到觸發(fā)時僅發(fā)射不包含任何信息的超聲波脈沖。
超聲波定位接收裝置30在啟動之后開始檢測從超聲波定位發(fā)射裝置 20發(fā)射的同步信息，使用所檢測到的同步信息來與超聲波定位發(fā)射裝置20 進行同步，然后順序地檢測從超聲波定位信標發(fā)射裝置20發(fā)射的US序列，并使用所檢測到的US序列來計算自身的位置。
在本實施例中，RF發(fā)射器作為示例被用作發(fā)射同步信息的設備。但是本發(fā)明并不限于該具體示例。在其它實施例中，諸如微波發(fā)射器和紅外光發(fā)射器之類的設備可以被用來發(fā)射所述包括同步信息的信號。
此外，在本實施例中，定位信標包括超聲波信號序列。但是，可替代
14的是，定位信標也可以包括聲波序列、次超聲波序列或者其他比電磁波信號慢的機械波序列，用以取代在本實施例中使用的超聲波信號序列。
圖2所示的根據(jù)本實施例的結構化US發(fā)射機作為示例被示出為包括7
個us發(fā)射器且具有正六邊形結構，但是，本發(fā)明并不限于此示例，而可以
按需增加或減少US發(fā)射器的數(shù)目，并且取決于應用場合可以采取任何結構。此外，在圖2中，接收裝置30被示出為攜帶在人身上。但是本發(fā)明并不限于此，而可以將接收裝置30安裝在任何需要定位或者導航的對象上。 <定位信標發(fā)射裝置>
以下將描述根據(jù)本發(fā)明的定位信標發(fā)射裝置的詳細配置。本發(fā)明的定位信標發(fā)射裝置包括一個第一信號發(fā)射器和多個第二信號發(fā)射器。第一信號例如是RF信號、微波信號或者紅外光信號等；并且第二信號例如是聲波信號、次聲波信號或者比電磁波信號慢的機械波信號等。
現(xiàn)在將以射頻(RF)發(fā)射器和超聲波信號(US)發(fā)射器為例來說明根據(jù)本發(fā)明的定位信標發(fā)射裝置。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置IOO的詳細配置的框圖。
如圖3所示，根據(jù)本實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置100包括RF 發(fā)射器101，用于發(fā)射包括同步信息的RF信號(例如，RF分組)；結構化US發(fā)射機102，包括多個US發(fā)射器102—1 102—n (n為自然數(shù))，該結構化US發(fā)射機102以預定時間間隔按預定順序輪發(fā)超聲波信號；以及發(fā) 射定時控制器103，用于控制RF發(fā)射器101和結構化US發(fā)射機102的發(fā) 射定時。
在一個示例中，RF發(fā)射器101還可以發(fā)送以下附加信息結構化US 發(fā)射機102的發(fā)射器位置確定信息、各個US發(fā)射器102—l 102_n的發(fā)射時間間隔信息、和/或退避時間等?；诓煌膽脠龊?，發(fā)射器位置確定信息可以是各個US發(fā)射器的結構信息或者通過坐標等直接指示出各個US 發(fā)射器的位置的位置信息，其中，各個US發(fā)射器的結構信息是諸如US發(fā) 射器的數(shù)目、各個US發(fā)射器的相互之間的距離、結構化US發(fā)射機的拓撲之類的信息，在接收機側通過使用這些結構信息可以計算出各個US發(fā)射器的位置。退避時間指的是用于諧調RF發(fā)射器101和結構化US發(fā)射機之間發(fā)射定時的時間延遲。附加信息和同步信息可以例如被封裝成RF分組來同
時發(fā)射，或者可以分開來發(fā)射。
圖3所示的發(fā)射定時控制器103包括定時生成裝置1031和US發(fā)射控制裝置1032。定時生成裝置1031按預定周期來生成RF發(fā)射定時信號，并將所生成的RF發(fā)射定時信號輸出到US發(fā)射控制裝置1032和RF發(fā)射器 101。 RF發(fā)射器101根據(jù)從定時生成裝置1031接收的RF發(fā)射定時信號來發(fā)射RF信號。US發(fā)射控制裝置1032根據(jù)從定時生成裝置1031接收的RF
發(fā)射定時信號來生成以預定時間間隔的US發(fā)射定時信號序列Tp。uing，i
Tp。lling, n，并通過有線或無線方式將該US發(fā)射定時信號序列發(fā)送到結構化 US發(fā)射機102。具體而言，US發(fā)射控制裝置1032在接收到由定時生成裝置1031生成的RF發(fā)射定時信號之后立即生成第一個US發(fā)射定時信號 Tp。lling,!并將其發(fā)送到US發(fā)射器102—1，然后，在間隔預定時間間隔Twi 之后US發(fā)射控制裝置1032生成US發(fā)射定時信號Tp。lling, 2并將其發(fā)送到 US發(fā)射器102_2，依此類推直到US發(fā)射控制裝置1032生成最后一個US 發(fā)射定時信號Tp。^g,n并將其發(fā)送到US發(fā)射器102—n。相應地，多個US發(fā) 射器102—1 102—n在接收到發(fā)送給其的US發(fā)射定時信號之后順序地發(fā)射超聲波信號，通過這種方式，多個US發(fā)射器就實現(xiàn)了以預定時間間隔按預定順序來輪發(fā)超聲波信號。至此，發(fā)射定時控制器103完成了一個輪發(fā)控制周期，而結構化US發(fā)射機102完成了一個輪發(fā)周期。 <結構化US輪發(fā)機制〉
接下來，將參考圖4來描述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置200的結構化US輪發(fā)機制。圖4是示出根據(jù)本實施例的結構化 US輪發(fā)機制的示意圖，其中圖4 (a)是以六邊星型拓撲為例示出根據(jù)本實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置200的結構的示意圖，而圖4 (b)是示出根據(jù)本實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置200的結構化US輪發(fā)機制的框圖。
如圖4 (a)所示，根據(jù)本實施例的超聲波定位信標發(fā)射裝置200包括一個RF發(fā)射器和7個US發(fā)射器，其中，我們將與RF發(fā)射器同處中央的 US發(fā)射器編號為1，而周圍的US發(fā)射器按預定方式(這里為按逆時針順序)分別編號為2到7。這里，各個US發(fā)射器的編號用于示意性地表示各個US發(fā)射器的發(fā)射順序。
如圖4 (b)所示，一旦RP發(fā)射器發(fā)射包括同步信息的RF信號，所有的US發(fā)射器就順序地發(fā)射超聲波信號。發(fā)射順序為發(fā)射器1—發(fā)射器2—… —發(fā)射器7。當最后一個US發(fā)射器完成US發(fā)射之后，過程將返回到RF 發(fā)射器以等待RF發(fā)射觸發(fā)，從而開始下一個US輪發(fā)周期。兩個相鄰的 US發(fā)射器之間的時間間隔固定為Tinterval，因此各個US發(fā)射器的發(fā)射定時是精確確定的。這里，將RF發(fā)射器的RF發(fā)射周期定義為輪發(fā)周期。在不考慮退避時間(即，第一個US發(fā)射器的發(fā)射定時相對于RF發(fā)射器的發(fā)射定時的時間延遲)的情況下，編號為1的US發(fā)生器被配置為在RF發(fā)射器發(fā)射RF信號的同時發(fā)射第一個US信號，所以輪發(fā)周期可以表示為下式
<結構化us發(fā)射機的發(fā)射時間間隔的選擇>
以下將參考圖5和圖6來描述根據(jù)本發(fā)明的結構化US發(fā)射機的發(fā)射時
間間隔Tinter^的選擇。圖5是示出在發(fā)射時間間隔Tinterval選擇錯誤的情況下的三種接收情形的示意圖，而圖6是示出在發(fā)射時間間隔Tinte^選擇正確的情況下的一種接收情形的示意圖。
如圖5所示，US發(fā)射器1和US發(fā)射器2以固定時間間隔發(fā)送US信號。因為超聲波定位信標接收裝置接近US發(fā)射器2而相對遠離US發(fā)射器 1,所以US信號從US發(fā)生器1到超聲波定位信標接收裝置的傳播時間將比從US發(fā)射器2到該接收機的傳播時間長，因此US脈沖到達接收機側存在三種可能情況(a)在US發(fā)射器2發(fā)送出US脈沖之后，超聲波定位信標接收裝置接收到兩個US脈沖；(b)超聲波定位信標接收裝置接收到混合脈沖；和(c)超聲波定位信標接收裝置接收到US脈沖的順序與這些US 脈沖被發(fā)送的順序不一致，即，US脈沖的到達順序是無序的。在這三種情況中，超聲波定位信標接收裝置無法判斷所接收的US脈沖是從哪個US發(fā) 射器發(fā)射的，因而超聲波定位信標接收裝置無法使用其來計算與US發(fā)射器的距離，這將導致無法計算超聲波定位信標接收裝置自身的位置。
但是，通過適當?shù)剡x擇發(fā)射時間間隔Tinte^，可以避免上述錯誤情況?？紤]到超聲波信號在空氣中傳播的衰減很大，傳播時間很短，所以發(fā)射時間間隔Tinter^可以選擇為大于超聲波信號在空氣中的消逝時間(S卩，從超聲波信號被發(fā)射到該超聲波信號完全消逝所需的時間)?？紤]到超聲波信號
大約在30ms之后消逝，所以發(fā)射時間間隔Tinte^可以在30ms到40ms的范圍內(nèi)選擇。換而言之，應當保證在從前一個US發(fā)射器發(fā)射的US信號消逝之后，下一個US發(fā)射器才開始發(fā)射其US信號。如圖6所示，在US發(fā) 射器1發(fā)射的US信號被超聲波定位信標接收裝置接收且該US信號完全消逝之后，US發(fā)射器2才發(fā)射其US信號。
本領域技術人員應當了解，取決于US發(fā)射器的發(fā)射功率，可以改變結構化US發(fā)射機的發(fā)射時間間隔。 <定位信標接收裝置的詳細配置>
以下將詳細描述根據(jù)本發(fā)明的用于接收包括第一信號和第二信號的定位信標以計算對象的位置的接收裝置的配置。如上所述，第一信號例如是 RF信號、微波信號或者紅外光信號等；并且第二信號例如是聲波信號、次聲波信號或者比電磁波信號慢的機械波信號等。
現(xiàn)在將以包括RF信號和US信號的定位信標為例來描述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標接收裝置300的詳細配置。如圖7所示，根據(jù) 本實施例的超聲波定位信標接收裝置300包括RF接收單元301、 US接收單元302、同步單元303、順序確定單元304、 TOA獲取單元305、位置計算單元306、存儲單元307、以及顯示器308。
在超聲波定位信標接收裝置300啟動之后，RF接收單元301接收從超聲波定位信標發(fā)射裝置發(fā)射的包括同步信息的RF信號，并將其發(fā)送到同步單元303。根據(jù)本實施例的RF接收單元301可以包括US接收觸發(fā)單元 3011，用于在檢測到所述同步信息之后生成US接收觸發(fā)信號并將其發(fā)送到 US接收單元302。
US接收單元302在接收到從US接收觸發(fā)單元3011發(fā)送的US接收觸發(fā)信號之后開始檢測US信號，并將所檢測到的US信號發(fā)送到順序確定單元304。
同步單元303根據(jù)RF接收單元301所接收的RF信號中包括的同步信息來與超聲波定位信標發(fā)射裝置進行同步，并獲得同步定時TQ。同步單元
303可以將所獲得的同步定時To存儲在存儲單元307中。所述同步可以采用任何現(xiàn)有的同步技術(例如，在RF分組中設定同步字節(jié))。在從超聲波定位信標發(fā)射裝置發(fā)射的RF信號包括上述附加信息的情況下，根據(jù)本實施例的同步單元303可以包括附加信息提取單元3031，用于從所接收的RF 信號中提取除同步信息之外的附加信息。附加信息提取單元3031可以將所提取的附加信息存儲在存儲單元307中。在替代實施例中，這些附加信息也可以預先存儲在存儲單元307中，而無需從超聲波定位信標發(fā)射裝置接收。
順序確定單元304依次接收從US接收單元302發(fā)送而來的US信號，獲取所接收的各個US信號的接收定時，并根據(jù)這些接收定時和由同步單元 303獲得的同步定時來確定所接收的各個US信號的發(fā)射順序。這里，所接收的各個US信號的發(fā)射順序相當于各個US信號的發(fā)射源(例如，上述超聲波定位信標發(fā)射裝置中包括的各個US發(fā)射器)的發(fā)射序號。
TOA獲取單元305基于由順序確定單元304確定的各個US信號的發(fā) 射序號來獲取TOA信息序列，并將所獲得的TOA信息序列發(fā)送到位置計算單元306，其中，所述TOA信息序列包括與各個US信號相對應的TOA 信息樣本(即，各個US信號的發(fā)射源到超聲波定位信標接收裝置300的到達時間)。具體而言，TOA獲取單元305根據(jù)各個US信號的接收定時TD,j (j二l， 2，…，N，其中N為超聲波定位信標發(fā)射裝置中包括的US發(fā)射器的數(shù)目)和相應各個US信號的發(fā)射定時Tus,i (i二l， ...， N)來計算各個TOA信息樣本。TOA獲取單元305可以將所獲得的TOA信息序列存儲在存儲單元307中。
在接收到第N個TOA信息TOAN時，這標志著超聲波定位信標發(fā)射裝置已經(jīng)完成一個輪發(fā)周期，則位置計算單元306根據(jù)由TOA獲取單元305 獲得的一個輪發(fā)周期內(nèi)的所有TOA信息樣本和與各個TOA信息樣本相對應的各個US發(fā)射器的位置來計算超聲波定位信標接收裝置300的位置。具體而言，位置計算單元306將TOA信息序列中的各個TOA信息樣本乘以超聲波速度，以得到各個US發(fā)射器到超聲波定位信標接收裝置300的距離，然后基于這些距離值和各個US發(fā)射器的位置、使用三角定位法
(triangulation)或多邊定位法來計算超聲波定位信標接收裝置300的位置。位置計算單元306可以將計算得到的接收機位置信息提供給存儲單元307 以進行存儲。
在一個示例中，位置計算單元306使用從超聲波定位信標發(fā)射裝置接收的或者預先在本地存儲的直接指示出各個US發(fā)射器的位置的位置信息來進行位置計算。在替代實現(xiàn)方式中，位置計算單元306使用從超聲波定位信標發(fā)射裝置接收的或者預先在本地存儲的各個US發(fā)射器的結構信息來計算各個US發(fā)射器的位置。在后一種情形中，在包括所述各個US發(fā)射器的結構化US發(fā)射機具有中心對稱的拓撲結構的情況下，位置計算單元 306自動地將中心US發(fā)射器的坐標設置為(x尸0，y產(chǎn)0,z產(chǎn)0)，則第i (i = 1， 2， ...， N，其中，N為US發(fā)射器的數(shù)目)個US發(fā)射器的坐標用下式
表不
x'=/'cos ~^rr^
(2)
、n J
顯示器308向用戶顯示由位置計算單元306計算得到的接收機的位置，從而實現(xiàn)對用戶的導航。這里所使用的顯示器308可以是諸如陰極射線管 (CRT)、液晶顯示屏、等離子顯示屏、電致發(fā)光屏之類的可以實現(xiàn)顯示功能的任何顯示設備。
在替代實現(xiàn)方式中，超聲波定位信標接收裝置300還可以包括揚聲器，用于以語音方式向用戶輸出其自身的位置。 <順序確定單元>
以下將參考圖8來描述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的順序確定單元304的詳細配置。如圖8所示，順序確定單元304包括US接收定時獲取部分3041、 US信號發(fā)射順序判斷部分3042、和US發(fā)射定時推斷部分3043。
US接收定時獲取部分3041接收從US接收單元302發(fā)送而來的US信號，并獲取接收到各個US信號時的接收定時TD,j (j = l， 2， ...， N，其中， N為超聲波定位信標發(fā)射裝置中的US發(fā)射器的數(shù)目，而j表示接收序號)。
20US接收定時獲取部分3041可以將所獲取的接收定時TDJ與接收序號j相關聯(lián)地存儲在存儲單元306中。
US信號發(fā)射順序判斷部分3042根據(jù)上述附加信息中包括的US發(fā)射時間間隔信息Tinte^,來判斷所接收的各個US信號的相應US發(fā)射器的發(fā)射序號(在這里稱為各個US信號的發(fā)射序號)，如果所接收的第j個US信號
的接收定時TD,j滿足下式
T0+ (i—1) XTintervai《TD,j<To+iXTintervai (3) 其中，To是同步單元303 (參見圖7)所獲得的同步定時，則判定該US信號的發(fā)射序號為i (i=l，...，N)。通過這種方式，使得每一個所接收US信號的接收定時與發(fā)射該US信號的US發(fā)射器的發(fā)射序號相關聯(lián)。US信號發(fā) 射順序判斷部分3042可以將各個所接收US信號的接收定時TD, i (i=l， 2， ...， N，其中，N為超聲波定位信標發(fā)射裝置中的US發(fā)射器的數(shù)目，而i表示發(fā)射序號)與發(fā)射序號i相關聯(lián)地存儲在存儲單元306中。
US發(fā)射定時推斷部分3043根據(jù)US信號發(fā)射順序判斷部分3042所判定的各個所接收US信號的發(fā)射序號(也就是相應超聲波發(fā)射器的發(fā)射序號)來推斷各個所接收US信號的發(fā)射定時。在不考慮退避時間的情況下，接收定時為TD,i的US信號的發(fā)射定時為
Tus,i=T0+ (i—1) XTinterval (4) 基于此，TOA獲取部分305 (參見圖7)可以根據(jù)由US接收定時獲取部分3041獲取的各個所接收US信號的接收定時和由US發(fā)射定時推斷部分3043推斷得到的相應的各個所接收US信號的發(fā)射定時來計算與各個所接收US信號相對應的TOA信息樣本，具體而言，將發(fā)射序號為i的US 信號被超聲波定位信標接收裝置300接收的接收定時TD,;減去該US信號的發(fā)射定時Tus, i就可以得到發(fā)射序號為i的US發(fā)射器到超聲波定位信標接收裝置300的TOAi:
TOAi=TD,i—Tus,i (5) 實踐中，超聲波定位信標接收裝置300可能無法檢測到所有US信號。例如，如果發(fā)射序號為i的US發(fā)射器到接收機的距離太大，使得由該US 發(fā)射器發(fā)射的US信號到達超聲波定位信標接收裝置300時的信號強度低于系統(tǒng)所允許的SNR (信噪比)，則超聲波定位信標接收裝置300將無法檢測到該US信號。由此可見，超聲波定位信標接收裝置所接收到的第j (j = 1，2,...，N)個US信號有可能不是由第j個US發(fā)射器發(fā)射的，因此，如果簡單地將US信號接收序號視為US發(fā)射器的發(fā)射序號，則可能會導致位置計算錯誤。但是，根據(jù)本發(fā)明的超聲波定位信標接收裝置300中的順序確定單元304很好地防止了這個問題。
此外，在超聲波定位信標接收裝置300中，由于軟件開銷和諸如硬件中斷和軟件中斷之類的干擾，所以雖然超聲波定位信標接收裝置300和超聲波定位信標發(fā)射裝置很容易獲得字節(jié)同步，但是它們之間可能存在比特偏移，也就是說超聲波定位信標接收裝置所獲得的同步定時T?？赡苎舆t于超聲波定位信標發(fā)射裝置的RF發(fā)射定時，這里用Td^y來表示這個同步延遲量(比特同步誤差)。為了消除這個同步延遲，可以在超聲波定位信標接收裝置側測量該比特偏移量并使用測量得到的比特偏移量來補償同步延遲 Tdelay。補償之后，超聲波定位信標接收裝置就可以獲得精確的超聲波定位信標發(fā)射裝置的RF發(fā)射定時T。_Tdday (校正后的同步定時)。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標接收裝置在考慮到超聲波定位信標發(fā)射裝置的退避時間Tbaek。ff和超聲波定位信標接收裝置的同步延遲Tdehy的情況下的US信號發(fā)射順序檢測的示意性時間圖。如圖 9所示，超聲波定位信標接收裝置在時間T。獲得與超聲波定位信標發(fā)射裝置的同步，經(jīng)過比特補償，超聲波定位信標接收裝置可以得到校正后的RF 發(fā)射定時T。一Tdelay，隨后將該校正后的RF發(fā)射定時加上退避時間可以得到第一個US信號(在此示例中，由US發(fā)射器1發(fā)射的US信號)的發(fā)射定時Tq—Tdelay+Tbaek。ff，隨之就可以推斷US發(fā)射器2、 US發(fā)射器3、…US 發(fā)身寸器n的發(fā)身寸定時分另'J為To—Tdelay+Tback0ff+Tinterval， T。一Tdelay+Tback0ff
+ 2Tintervai， ...T。一Td勿+ Tback0ff + (n — 1 ) T
interval0 在如圖所示的情況下，超聲波定位信標接收裝置在TD,,接收到第一個US信號，經(jīng)判斷TD，，處于[To
—Tdday + Tbackoff ， To — Tdelay + Tbackoff + T interval )的區(qū)間中，所以可以判定該
US信號是由第一個US發(fā)射器(US發(fā)射器1)發(fā)射的，因而記錄To,i。隨后，超聲波定位信標接收裝置在TD, 2接收到第二個US信號，如圖所示，鄉(xiāng)圣,lj斷TD,2處于[T。 —Tdelay + Tbackoff+2Tintervai， T0_Tdelay+Tbackoff+3Tintervai)
的區(qū)間中，所以可以判定該US信號是由第三個US發(fā)射器(US發(fā)射器3) 發(fā)射的，因而記錄TD,3。通過這種方式，就可以判斷超聲波定位信標接收裝置所接收的各個US信號是由哪個US發(fā)射器發(fā)射的了。然后，將所獲取的各個US發(fā)射器的發(fā)射定時和所接收的各個US信號的接收定時代入式 (5)中就可以得到TOA信息序列。如上所述，結構化US發(fā)射機的發(fā)射時
間間隔Ti^r^應當足夠長，以確保在該時間間隔內(nèi)US信號能夠消逝。
<連續(xù)三角位置計算單元>
在根據(jù)上述實施例的超聲波定位信標接收裝置300中的位置計算單元 306根據(jù)一個輪發(fā)周期內(nèi)獲得的所有TOA信息樣本、使用三角定位法或多邊定位法來計算超聲波定位信標接收裝置300的位置。在這種情況下，超聲波定位信標接收裝置300的位置每隔一個輪發(fā)周期更新一次。但是，當攜帶超聲波定位信標接收裝置300的對象移動時，超聲波定位信標接收裝置300所獲得的TOA樣本無疑將不是來自同一個位置。因此，如果使用這些來自不同位置的TOA樣本來計算超聲波定位信標接收裝置300的位置，則將得到錯誤的定位結果。
鑒于上述原因，根據(jù)本發(fā)明一個實施例，可以采用連續(xù)三角位置計算單元來取代上述的位置計算單元306。以下將參考圖10來描述連續(xù)三角位置計算單元的配置。圖10是示出根據(jù)本實施例的連續(xù)三角位置計算單元406 的詳細配置的框圖。
如圖IO所示，根據(jù)本實施例的連續(xù)三角位置計算單元406包括連續(xù)三角定位部分4061、連續(xù)中值濾波部分4062和軌跡獲取部分4063。
連續(xù)三角定位部分4061沿著由TOA獲取單元305 (參見圖7)獲得的 TOA信息序列來應用長度為三的滑動窗。具體而言，如圖ll所示，連續(xù)三角定位部分4061使用時間上相鄰的三個TOA信息樣本來進行三角定位，而不是像上述位置計算單元305那樣使用一個輪發(fā)周期內(nèi)的所有TOA樣本來進行三角定位。連續(xù)三角定位部分4061可以得到一系列的初始位置樣本 Location'! 、 Location'2、 …、Location'N—2。
連續(xù)中值濾波部分4062對連續(xù)三角定位部分4061所獲得的初始位置樣本序列進行中值濾波以從該初始位置樣本序列中去除異常值，從而得到在本輪發(fā)周期內(nèi)的超聲波定位信標接收裝置的實時位置
Locatioiii = Median(Location'j) (6) 其中，1=1， 2，…，N-2，而i二l， 2， ...n,其中，n^N-2。
軌跡獲取部分4063根據(jù)來自連續(xù)中值濾波部分4062的實時位置樣本就可以得到超聲波定位信標接收裝置的實時移動軌跡。因而可以在顯示器上向用戶顯示其自身的實時移動軌跡。 <定位信標的輪發(fā)>
以下將以包括RF信號和US信號的定位信標為例來描述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標輪發(fā)處理。圖12是以圖3所示的超聲波定位信標發(fā)射裝置100為例來示出根據(jù)本實施例的超聲波定位信標輪發(fā)處理的流程圖。
如圖12所示，首先定時生成裝置1031例如按預定周期生成RF發(fā)射定時信號，并將所生成的RF發(fā)射定時信號發(fā)送給RF發(fā)射器101和US發(fā)射控制裝置1032 (步驟S1)。所述RF發(fā)射定時信號決定了RF發(fā)射器101的 RF發(fā)射周期(也稱為輪發(fā)周期)。
在接收到該RF發(fā)射定時信號之后，RF發(fā)射器101發(fā)射包括同步信息的RF信號(步驟S2)。在一個示例中，RF發(fā)射器101按需還可以發(fā)射以下附加信息結構化US發(fā)射機102的發(fā)射器位置確定信息、各個US發(fā)射機器的發(fā)射時間間隔信息、和/或退避時間等?；诓煌膽脠龊?，發(fā)射器位置確定信息可以是各個US發(fā)射器的結構信息或者通過坐標等直接指示出各個US發(fā)射器的位置的位置信息，其中，各個US發(fā)射器的結構信息是諸如US發(fā)射器的數(shù)目、各個US發(fā)射器的相互之間的距離、結構化US 發(fā)射機的拓撲之類的信息。
與此同時，US發(fā)射控制裝置1032生成用于控制結構化US發(fā)射機102 中的各個US發(fā)射器以預定時間間隔按預定順序來輪發(fā)US信號的US發(fā)射定時信號序列，并將其發(fā)送給結構化US發(fā)射機102 (步驟S3)。取決于US 發(fā)射器的發(fā)射功率，所述預定時間間隔(S卩，US發(fā)射時間間隔Tinte^)應當被選擇為大于超聲波信號在空氣中的消逝時間，也就是說，在該時間間隔內(nèi)由US發(fā)射器發(fā)射的US信號將完全消逝。此外，在考慮到超聲波定位信標發(fā)射裝置的退避時間的情況下，肝發(fā)射周期=(超聲波定位信標發(fā)射裝置100中包括的US發(fā)射器的數(shù)目一1)XUS發(fā)射時間間隔Tinter^+退避
時間Tback。ff。
隨后，結構化US發(fā)射機102中包括的各個US發(fā)射器102—1 102—n 根據(jù)從US發(fā)射控制裝置1032發(fā)送而來的US發(fā)射定時信號序列以預定時間間隔來輪發(fā)US信號(步驟S4)。在完成一個輪發(fā)周期的US信號發(fā)射之后，處理返回到步驟S1，然后重復步驟S1及其后步驟的處理。這樣，超聲波定位信標發(fā)射裝置100就有序地輪發(fā)包括同步信息的RF信號和US信號序列。在替代實現(xiàn)方式中，定位信標發(fā)射處理在完成一個輪發(fā)周期的發(fā)射之后就結束，而沒有循環(huán)地輪發(fā)定位信標。 <定位信標的接收>
以下將以包括RF信號和US信號的定位信標為例，參考圖13來描述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波定位信標接收處理。圖13是以圖7所示的超聲波定位信標接收裝置300為例來示出根據(jù)本實施例的超聲波定位信標接收處理的流程圖。
如圖13所示，在超聲波定位信標接收裝置300啟動之后，RF接收單元301接收從超聲波定位信標發(fā)射裝置發(fā)射的包括同步信息的RF信號(步驟Sll)。如果檢測到同步信息，則RF接收單元301生成US接收觸發(fā)信號，并將其發(fā)送給US接收單元302，然后處理前進到步驟S12，否則處理繼續(xù) 在步驟Sll中進行檢測。
在一個示例中，在步驟S11中，RF接收單元還接收包括上述附加信息的RF信號，并將其發(fā)送給同步單元303。
在步驟S12中，US接收單元302在接收到來自RF接收單元301的US 觸發(fā)信號之后開始接收US信號，并將接收到的US信號發(fā)送給順序確定單元304。隨后，處理前進到步驟S13。
在步驟S13中，同步單元303根據(jù)RF接收單元301所接收的RF信號中包括的同步信息來與超聲波定位信標發(fā)射裝置建立同步，并獲取同步定時T。。同步定時To表示超聲波定位信標發(fā)射裝置的RF發(fā)射定時，在不考慮退避時間T^k。ff的情況下還表示超聲波定位信標發(fā)射裝置發(fā)射第一個US
信號的定時。在RF接收單元301還接收包括上述附加信息的RF信號的情況下，在步驟S13中，同步單元303還可以從該RF信號中提取該附加信息。隨后，處理前進到步驟S14。
在步驟S14中，順序確定單元304順序地接收從US接收單元302發(fā)送而來的US信號，獲取所接收的各個US信號的接收定時，并根據(jù)這些接收定時和由同步單元303獲得的同步定時來確定所接收的各個US信號的發(fā)射順序，也就是各個US信號的發(fā)射器的發(fā)射序號。隨后處理前進到步驟S15。
在步驟S15中，TOA獲取單元305基于由順序確定單元304確定的各個US信號的發(fā)射序號來獲取TOA信息序列，并將所獲得的TOA信息序列發(fā)送到位置計算單元306。具體而言，TOA獲取單元305根據(jù)各個US信號的接收定時和相應各個US信號的發(fā)射定時來計算各個TOA信息樣本。隨后，處理前進到步驟S16。
在步驟S16中，位置計算單元306判斷是否接收到與最后一個US發(fā)射器(在超聲波定位信標發(fā)射裝置存在n個US發(fā)射器的情況下，即發(fā)射序號為n的US發(fā)射器)相對應的TOA信息樣本，如果判定結果是否定的，則處理返回到步驟S15以繼續(xù)進行TOA信息獲取。相反，如果判定結果是肯定的，這指示出超聲波定位信標發(fā)射裝置已經(jīng)完成一個輪發(fā)周期的發(fā)射，則處理前進到步驟S17。
在步驟S17中，位置計算單元306根據(jù)這一輪發(fā)周期內(nèi)的TOA信息序列和與該TOA信息序列中包括的各個TOA樣本相對應的US發(fā)射器的位置來計算超聲波定位信標接收裝置300的位置。這里，位置計算單元306可以使用三角定位法或多邊定位法來進行位置計算。在一個示例中，位置計算單元306使用從超聲波定位信標發(fā)射裝置接收的或者預先在本地存儲的直接指示出各個US發(fā)射器的位置的位置信息來進行位置計算。在替代實現(xiàn) 方式中，位置計算單元306使用從超聲波定位信標發(fā)射裝置接收的或者預先在本地存儲的各個US發(fā)射器的結構信息來計算各個US發(fā)射器的位置。
以下將參考圖14來詳細描述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的US信號發(fā)射順序確定處理。圖14是以圖8所示的順序確定單元304為例來示出根據(jù)本實施例的獲取TOA信息的處理的流程圖。如圖所示，在步驟S21中，US接收定時獲取部分3041順序地接收從US接收單元302發(fā)送而來的US信號，并獲取各個US信號的接收定時To,j (j = l， ...， N) (N為超聲波定位信標發(fā)射裝置中包括的US發(fā)射器的數(shù)目)。
然后，在步驟S22中，US信號發(fā)射順序判斷部分3042根據(jù)上述附加
信息中包括的US發(fā)射時間間隔信息Tint^^來判斷所接收的各個US信號是
從哪個US發(fā)射器發(fā)射的，也就是判斷各個US信號的發(fā)射序號。具體而言，可以將從第一個US發(fā)射器的發(fā)射定時開始的時間劃分為若干區(qū)間，例如，在不考慮退避時間和比特同步誤差的情況下，區(qū)間i (i=l， 2...N)可以表示為[To十(i —1) XTinterval， TQ+iXTinterval)，如果所接收的第j個US信號的接收定時TD，j落在區(qū)間i中(也就是滿足上式(3))，則表示該US信號的發(fā)射序號為i。通過這種方式，使得每一個所接收US信號的接收定時與發(fā)射該US信號的US發(fā)射器的發(fā)射序號相關聯(lián)。隨后，處理前進到步驟S23 。
在步驟S23中，US發(fā)射定時推斷部分3043根據(jù)在步驟S22中判定的各個所接收US信號的發(fā)射序號來推斷各個所接收US信號的發(fā)射定時。在上述示例中，接收定時為TD,i (表示發(fā)射序號為i的所接收US信號的接收定時)的1^信號的發(fā)射定時為1^,1二丁()+ (i—1) XTinterval。隨后，處理前進到步驟S24。至此，就完成了US信號發(fā)射序號確定處理。
如果考慮到超聲波定位信標發(fā)射裝置的退避時間Tbaek。ff和超聲波定位信標接收裝置的比特同步誤差(比特偏移量)Tdelay，則無法使用在步驟S13 中獲取的同步定時To來表示RF發(fā)射定時和第一個US信號的發(fā)射定時。此時，可以推斷RF發(fā)射定時為TQ—Tdelay，而第一個US信號的發(fā)射定時為 T0—Tdelay+Tbaek。ff。在這種情況下，在上述發(fā)射順序確定處理中，判斷US 信號的發(fā)射序號的區(qū)間應當表示為[1。一1^^+丁^1 ^+ (i_l) XTinterval， T0—Tdelay+Tback。ff+iXTinterval)。并且，接收定時為To,i的US信號的發(fā)射定
日寸變?yōu)門us, i = To 一 Tdelay + Tbackoff + ( i — 1 ) X Tintervai 。
如上所述，如果攜帶超聲波定位信標接收裝置的對象移動，則使用簡單的三角定位法或多邊定位法來計算接收機位置將導致錯誤的定位結果。
但是，使用根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)三角位置計算方法可以克服這個問題。圖15是示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的超聲波定位信標接收處理的流程圖。在
圖15中，步驟S31-S35的處理與圖13中的步驟S11-S15的處理相同，因此將省略對它們的重復描述。
在步驟S36中，連續(xù)三角定位部分4061 (參見圖10)順序地接收從 TOA獲取單元305發(fā)送而來的TOA信息序列，對所接收的TOA序列應用窗長為3的滑動窗口以使用時間上相鄰的三個TOA信息樣本來進行三角定位，從而得到一系列的初始位置樣本。
然后，在步驟S37中，連續(xù)中值濾波部分4062對在步驟S36中獲得的初始位置序列執(zhí)行連續(xù)中值濾波，從該初始位置序列中去除異常值以獲得超聲波定位信標接收裝置的多個實時位置。
根據(jù)本實施例的超聲波定位信標接收處理可以在一個輪發(fā)周期內(nèi)獲得對象的多個實時位置，從而獲得更優(yōu)的定位精度。在一個實施例中，還可以基于所獲得的對象的實時位置來獲取對象的實時移動軌跡。因而可以在顯示器上向用戶顯示其自身的實時移動軌跡。
根據(jù)本實施例的超聲波定位信標接收處理還可以包括顯示操作，用于在顯示器上顯示對象的位置或實時移動軌跡?；蛘撸鶕?jù)本實施例的超聲波定位信標接收處理可以包括語音輸出操作，用于以語音方式來輸出對象的位置。
通過上述處理，超聲波定位信標接收裝置只要沒有被關斷，就可以持續(xù)獲取其自身實時位置，從而實現(xiàn)導航功能。 <擴展例和變形例>
以上已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明的實施例來對本發(fā)明進行了描述，但是本領域技術人員應當了解，這些實施例僅僅是示意性的而非限制性的。雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的特定實施例描述了本發(fā)明，但以上公開中意欲包括一定范圍的修改、各種變化和替換，并且將會明白，在一些情況下，將會使用本發(fā)明實施例的一些特征，但相應地不使用其他特征，這不脫離所記載的本發(fā)明的精神和范圍。因此，在本發(fā)明的實質范圍和精神內(nèi)，可對特定情形或要素進行許多修改。本發(fā)明將包括落在所附權利要求的精神內(nèi)的任何及所有實施例和等同物。在上述實施例中，超聲波定位信標發(fā)射裝置包含分立的發(fā)射定時控制
器，用于控制RF發(fā)射器和結構化US發(fā)射機的發(fā)射定時，但是該發(fā)射定時控制器也可以全部或部分地并入到RF發(fā)射器中。
另外，在上述實施例中，發(fā)射定時控制器生成US發(fā)射定時序列并順序地將各個US發(fā)射定時信號發(fā)送到各個US發(fā)射器。但是，發(fā)射定時控制器也可以向各個US發(fā)射器發(fā)送RF發(fā)射定時信號，然后各個US發(fā)射器根據(jù) 該RF發(fā)射定時信號各自在預定的時間段之后發(fā)射US信號。事實上，可以采用任何方式，只要使得結構化US發(fā)射機中的多個US發(fā)射器能夠以預定時間間隔按預定順序輪發(fā)US信號即可。
另外，在上述實施例中，為了方便說明，RF發(fā)射器與第一個US發(fā)射器是分立設置的。但是，這兩個裝置也可以合成為單個設備。
另外，在上述實施例中，RF接收單元包括US接收觸發(fā)單元，用于觸發(fā)US接收單元的接收。但是，也可以不提供該US接收觸發(fā)單元。順序確定單元可以只使用在獲得同步定時之后的所接收US信號，而將獲得RF同步之前接收的US信號丟棄。
另外，在上述實施例中，結構化US發(fā)射機的發(fā)射時間間隔是均一的，但是根據(jù)不同的應用場合，也可以按需設置不同的發(fā)射時間間隔。
此外，為了方便說明，根據(jù)上述實施例的超聲波定位信標接收裝置具有與其它組件分立設置的存儲單元，但是，也可以按需在各個組件中設置存儲單元。這里使用的存儲單元例如可以是但不限于是電的、磁的、光的、電磁的、紅外的或半導體的存儲器件、裝置、系統(tǒng)、傳播介質或計算機存儲器。
根據(jù)需要可以用硬件或軟件來執(zhí)行步驟。注意，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，可向本說明書中給出的流程圖添加步驟、從中去除步驟或修改其中的步驟。并且，包含在本說明書中的各種處理并不限于根據(jù)描述過程按時間順序來進行的那些處理，其還可以按需或者根據(jù)適于實現(xiàn)該處理的裝置的處理能力來并行地或單獨地執(zhí)行上述各種處理。一般來說，流程圖只是用來指示用于實現(xiàn)功能的基本操作的一種可能的序列。
還將意識到，根據(jù)特定應用的需要，附圖中示出的要素中的一個或多個可以按更分離或更集成的方式來實現(xiàn)，或者甚至在某些情況下被去除或被停用。
此外，附圖中的任何信號箭頭應當被認為僅是示例性的，而不是限制性的，除非另有具體指示。另外，除非另有指明，這里使用的術語"或" 一般是要指"和/或"。
權利要求
1.一種定位信標發(fā)射裝置，包括第一信號發(fā)射器，用于發(fā)射包含同步信息的第一信號；多個第二信號發(fā)射器；以及第二信號發(fā)射控制裝置，用于控制所述多個第二信號發(fā)射器在所述第一信號被發(fā)射之后以預定時間間隔按預定順序來輪發(fā)第二信號。
2. 如權利要求1所述的發(fā)射裝置，其中，所述第一信號發(fā)射器還發(fā)射以下附加信息中的部分或全部所述多個第二信號發(fā)射器的發(fā)射器位置確定信息、指示出所述預定時間間隔的信息以及作為所發(fā)射的第一個第二信號的發(fā)射定時和所述第一信號的發(fā)射定時之間的時間延遲的退避時間。
3. 如權利要求2所述的發(fā)射裝置，其中，所述附加信息被包括在所述包含同步信息的第一信號中。
4. 如權利要求2所述的發(fā)射裝置，其中，所述發(fā)射器位置確定信息是所述多個第二信號發(fā)射器的結構信息或者所述多個第二信號發(fā)射器的位置"(曰息。
5. 如權利要求1所述的發(fā)射裝置，其中，所述第一信號是射頻信號、微波信號或紅外信號。
6. 如權利要求1所述的發(fā)射裝置，其中，所述多個第二信號發(fā)射器具有預定的拓撲結構。
7. 如權利要求1所述的發(fā)射裝置，其中，所述第一信號發(fā)射器周期性地發(fā)射所述包含同步信息的第一信號。
8. 如權利要求1所述的發(fā)射裝置，其中，所述第二信號是超聲波信號。
9. 一種定位信標接收裝置，用于從發(fā)射裝置接收定位信標，所述接收裝置包括第一信號接收器，用于接收包含同步信息的第一信號；第二信號接收器，用于順序地接收第二信號；同步單元，用于利用所述第一信號中包含的同步信息來執(zhí)行與所述發(fā) 射裝置的同步，并獲取同步定時；順序確定單元，用于根據(jù)所述同步定時來確定由所述第二信號接收器接收的各個第二信號的發(fā)射順序；TOA獲取單元，用于基于由所述順序確定單元確定的所述各個第二信號的發(fā)射順序來獲取與所述各個第二信號相對應的TOA信息序列；以及位置計算單元，用于根據(jù)由所述第二信號接收器接收的各個第二信號的發(fā)射源的位置和由所述T0A獲取單元獲得的T0A信息序列來計算所述接收裝置的位置。
10. 如權利要求9所述的接收裝置，其中，所述第一信號是射頻信號、微波信號或紅外信號。
11. 如權利要求9所述的接收裝置，其中，所述第二信號是超聲波信號。
12. 如權利要求9所述的接收裝置，其中，所述第一信號接收器還接收所述各個第二信號的發(fā)射源的發(fā)射源位置確定信息、這些第二信號發(fā)射源的發(fā)射時間間隔信息以及作為第一個所述發(fā)射源的發(fā)射定時和所述包含同步信息的第一信號的發(fā)射定時之間的時間延遲的退避時間中的部分或全部。
13. 如權利要求9所述的接收裝置，還包括存儲器，該存儲器預先存儲所述各個第二信號的發(fā)射源的發(fā)射源位置確定信息、這些第二信號發(fā)射源的發(fā)射時間間隔信息以及作為第一個所述發(fā)射源的發(fā)射定時和所述包含同步信息的第一信號的發(fā)射定時之間的時間延遲的退避時間中的部分或全部。
14. 如權利要求12或13所述的接收裝置，其中，所述發(fā)射源位置確定信息是所述各個第二信號的發(fā)射源的結構信息或者所述各個第二信號的發(fā)射源的位置信息，并且所述位置計算單元根據(jù)所述結構信息或者所述位置信息來確定所述各個第二信號的發(fā)射源的位置。
15. 如權利要求14所述的接收裝置，其中，所述順序確定單元包括發(fā)射序號判斷部分，將從第一個第二信號發(fā)射源的發(fā)射定時開始的時間段分成間隔所述發(fā)射時間間隔的n個區(qū)間，如果所接收的第二信號的接收定時處于第i區(qū)間，則判定該第二信號的發(fā)射序號為i，其中，n為所述第二信號發(fā)射源的數(shù)目，并且i二l， 2， ...n;禾口第二信號發(fā)射定時推斷部分，用于基于由所述發(fā)射序號判斷部分判定的所述發(fā)射序號來推斷所接收的各個第二信號的發(fā)射定時。
16. 如權利要求15所述的接收裝置，其中，所述TOA獲取單元通過將所述各個第二信號的接收定時減去相應所述各個第二信號的發(fā)射定時來計算與所述各個第二信號相對應的TOA信息序列。
17. 如權利要求15所述的接收裝置，其中，所述第一個第二信號發(fā)射源的發(fā)射定時為所述同步定時或者將所述同步定時和所述退避時間相加而得到的定時。
18. 如權利要求17所述的接收裝置，其中，所述同步單元包括比特同步部分，用于利用比特同步技術來補償比特同步誤差，并且通過將所述同步定時減去所述比特同步誤差來得到校正后的同步定時。
19. 如權利要求9所述的接收裝置，從所述第一信號接收器接收到第一個所述第一信號到其接收到第二個所述第一信號之間的時間段為一個發(fā) 射周期，其中，所述位置計算單元還包括連續(xù)三角位置計算部分，用于沿著由所述TOA獲取單元獲得的所述 TOA信息序列來應用長度為三的滑動窗并利用三角定位法、基于所述各個第二信號發(fā)射源的位置和一個發(fā)射周期內(nèi)的時間上相鄰的三個TOA信息樣本來實時地計算所述接收裝置的位置，從而在所述發(fā)射周期內(nèi)獲得所述接收裝置的一系列位置信息；和連續(xù)中值濾波部分，用于從所述一系列位置信息中去除異常值，從而得到所述接收裝置在所述發(fā)射周期內(nèi)的多個實時位置。
20. 如權利要求9所述的接收裝置，還包括顯示器，用于顯示由所述位置計算單元計算得到的所述接收裝置的位置或位置軌跡。
21. 如權利要求9所述的接收裝置，還包括揚聲器，用于以語音形式來輸出由所述位置計算單元計算得到的所述接收裝置的位置。
22. —種發(fā)射定位信標的方法，包括以下步驟發(fā)射包含同步信息的第一信號；和在所述第一信號被發(fā)射之后以預定時間間隔按預定順序輪發(fā)第二信號。
23. 如權利要求22所述的方法，還包括發(fā)射以下附加信息中的部分或全部輪發(fā)所述第二信號的多個第二發(fā)射器的發(fā)射器位置確定信息、指示出所述預定時間間隔的信息和作為所發(fā)射的第一個第二信號的發(fā)射定時和所述包含同步信息的第一信號的發(fā)射定時之間的時間延遲的退避時間。
24. 如權利要求23所述的方法，其中，所述附加信息被包括在所述包含同步信息的第一信號中。
25. 如權利要求23所述的方法，其中，所述發(fā)射器位置確定信息是所述多個第二信號發(fā)射器的結構信息或者所述多個第二信號發(fā)射器的位置信'H、 o
26. 如權利要求22所述的方法，其中，所述第一信號是射頻信號、微波信號或紅外信號。
27. 如權利要求22所述的方法，其中，所述包含同步信息的第一信號被周期性地發(fā)射。
28. 如權利要求22所述的方法，其中，所述第二信號是超聲波信號。
29. —種用于在接收裝置中從發(fā)射裝置接收定位信標的方法，所述方法包括以下步驟接收包含同步信息的第一信號，利用所述同步信息來執(zhí)行與所述發(fā)射裝置的同步，并獲取同步定時；順序地接收第二信號；根據(jù)所述同步定時來確定所接收的各個第二信號的發(fā)射順序；基于所確定的發(fā)射順序來獲取與所述各個第二信號相對應的TOA信息序列；以及根據(jù)所述各個第二信號的發(fā)射源的位置和所獲得的TOA信息序列來計算所述接收裝置的位置。
30. 如權利要求29所述的方法，其中所述第一信號是射頻信號、微波信號或紅外信號。
31. 如權利要求29所述的方法，其中所述第二信號是超聲波信號。
32. 如權利要求29所述的方法，還包括以下步驟接收或者在本地預先存儲所述各個第二信號的發(fā)射源的發(fā)射源位置確定信息、這些第二信號發(fā)射源的發(fā)射時間間隔信息以及作為第一個所述發(fā) 射源的發(fā)射定時和所述第一信號的發(fā)射定時之間的時間延遲的退避時間中的部分或全部。
33. 如權利要求32所述的方法，其中，所述發(fā)射源位置確定信息是所述各個第二信號的發(fā)射源的結構信息或者所述各個第二信號的發(fā)射源的位置信息，并且在計算所述接收裝置的位置的步驟中，根據(jù)所述結構信息或者所述位置信息來確定所述各個第二信號的發(fā)射源的位置。
34. 如權利要求33所述的方法，其中，所述確定所接收的各個第二信號的發(fā)射順序的步驟包括將從第一個第二信號發(fā)射源的發(fā)射定時開始的時間段分成間隔所述發(fā) 射時間間隔的n個區(qū)間，如果所接收的第二信號的接收定時處于第i區(qū)間，則判定該第二信號的發(fā)射序號為i，其中，n為所述第二信號發(fā)射源的數(shù)目，并且〖=1， 2，…n;和基于在所述第二信號發(fā)射序號判斷步驟中判定的所述發(fā)射序號來推斷所接收的各個第二信號的發(fā)射定時。
35. 如權利要求34所述的方法，其中，在所述獲取TOA信息序列的步驟中，通過將所述各個第二信號的接收定時減去相應各個所述第二信號的發(fā)射定時來計算與所述各個第二信號相對應的TOA信息序列。
36. 如權利要求34所述的方法，其中，所述第一個第二信號發(fā)射源的發(fā)射定時為所述同步定時或者將所述同步定時和所述退避時間相加而得到的定時。
37. 如權利要求36所述的方法，其中，所述獲取同步定時的步驟包括利用比特同步技術來補償比特同步誤差，并且通過將所述同步定時減去所述比特同步誤差來得到校正后的同步定時。
38. 如權利要求29所述的方法，從接收到第一個所述第一信號到接收到第二個所述第一信號之間的時間段為一個發(fā)射周期，其中，計算所述接收裝置的位置的步驟包括連續(xù)三角位置計算步驟，其中，沿在所述獲取TOA信息序列的步驟中獲得的所述TOA信息序列來應用長度為三的滑動窗，并利用三角定位法、基于所述各個第二信號發(fā)射源的位置和一個發(fā)射周期內(nèi)的時間上相鄰的三個TOA信息樣本來實時地計算所述接收裝置的位置，從而在所述發(fā)射周期內(nèi)獲得所述接收裝置的一系列位置信息；和連續(xù)中值濾波步驟，其中，從所述一系列位置信息中去除異常值，從而得到所述接收裝置在所述發(fā)射周期內(nèi)的多個實時位置。
39. 如權利要求29所述的方法還包括顯示在計算所述接收裝置的位置的步驟中計算得到的所述接收裝置的位置或位置軌跡的步驟。
40. 如權利要求29所述的方法，還包括以語音形式來輸出在計算所述接收裝置的位置的步驟中計算得到的所述接收裝置的位置的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法。自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)包括定位信標發(fā)射裝置和定位信標接收裝置。其中，定位信標發(fā)射裝置被配置為在發(fā)射包括同步信息的信號之后按預定順序以預定時間間隔地輪發(fā)多個超聲波信號；并且定位信標接收裝置被配置為在檢測到同步信息之后執(zhí)行與定位信標發(fā)射裝置的同步，基于所獲得的同步定時來確定接收到的各個超聲波信號的發(fā)射順序，根據(jù)該發(fā)射順序來推斷所接收的各個超聲波信號的發(fā)射定時，使用所接收的各個超聲波信號的發(fā)射定時和接收定時來計算與各個所接收超聲波信號相對應的TOA信息，并基于發(fā)射裝置中的各個超聲波發(fā)射器的位置和所計算得到的TOA信息序列來確定定位信標接收裝置的位置。
文檔編號G01S11/16GK101592727SQ200810111009
公開日2009年12月2日申請日期2008年5月29日優(yōu)先權日2008年5月29日
發(fā)明者王永才, 趙軍輝申請人:日電(中國)有限公司

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