位置跟蹤和行為分析系統(tǒng)及其使用
【專利說(shuō)明】位置跟蹤和行為分析系統(tǒng)及其使用
[0001] 本申請(qǐng)案主張2013年3月13日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第61/780,766號(hào)和2012 年9月6日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第61/697, 362號(hào)之權(quán)利。前述專利申請(qǐng)案的內(nèi)容的全 文以引用的方式并入本申請(qǐng)中。在本申請(qǐng)中，引用了不同的出版物。這些出版物全文所披 露內(nèi)容現(xiàn)以引用的方式并入本申請(qǐng)中，以更加詳實(shí)地描述與本發(fā)明相關(guān)的最新技術(shù)水平。 本發(fā)明所涉領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明是涉及局域定位，其使用該系統(tǒng)，精確地同時(shí)和/或個(gè)別跟蹤大量移動(dòng)目 標(biāo)的位置和行為活動(dòng)。 本發(fā)明的背景
[0003] 在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研宄領(lǐng)域，非常需要能夠跟蹤實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的準(zhǔn)確位置和行為，它是許多 有關(guān)生物研宄和藥物研發(fā)領(lǐng)域中必不可缺少的組成部分。在跟蹤小型動(dòng)物的過(guò)程中，通常 需要精確到厘米級(jí)甚至亞厘米級(jí)。因此，已被用于跟蹤狗群和馬群等大型動(dòng)物的基于GPS 的定位系統(tǒng)已不足以提供足夠的空間分辨率。
[0004] 傳統(tǒng)應(yīng)用中，實(shí)驗(yàn)室中小型動(dòng)物的跟蹤通過(guò)對(duì)紅外線進(jìn)行光遮斷來(lái)完成。但是，這 種方法的缺點(diǎn)是空間分辨率低、無(wú)法追蹤一只以上的動(dòng)物以及在許多情況下，只能探測(cè)到 二維運(yùn)動(dòng)。目前，對(duì)實(shí)驗(yàn)室小型動(dòng)物活動(dòng)的跟蹤基本上基于視頻捕獲或壓力傳感技術(shù)。盡 管這兩種方法提供了更好的空間分辨率，但是，它們?nèi)匀淮嬖谠S多嚴(yán)重影響其應(yīng)用的基本 局限。這些局限包括：（1)無(wú)法同時(shí)跟蹤大量動(dòng)物（幾十只到幾百只）；（2)在缺乏巨多人 力勞動(dòng)和時(shí)間以及大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程跟蹤；（3)必須將動(dòng)物運(yùn)輸?shù)桨惭b 有跟蹤系統(tǒng)的試驗(yàn)環(huán)境中，因此，運(yùn)輸過(guò)程和新環(huán)境會(huì)給動(dòng)物帶來(lái)壓力；(4)設(shè)置和執(zhí)行試 驗(yàn)涉及人類與動(dòng)物之間的大量互動(dòng)，因此，會(huì)給動(dòng)物增加壓力或帶來(lái)其他未知因素；（5)對(duì) 于視頻跟蹤來(lái)說(shuō)，適宜的跟蹤效果很大程度上取決于試驗(yàn)環(huán)境的照明條件和動(dòng)物的皮毛顏 色，因此需要頻繁進(jìn)行對(duì)比度調(diào)節(jié)。
[0005] 除了實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物之外，一些其他對(duì)象也迫切需要精確的定位和運(yùn)動(dòng)監(jiān)控。例如，在 植物研宄中，為了跟蹤不同部分在一段時(shí)間內(nèi)的細(xì)微移動(dòng)和生長(zhǎng)，經(jīng)常需要極高精度。視頻 跟蹤，盡管是目前所使用的唯一一種輔助方法，但是因?yàn)樯鲜鲆恍┤秉c(diǎn)，導(dǎo)致它的應(yīng)用有局 限。
[0006] 對(duì)于利用超聲波信號(hào)載體作為目標(biāo)定位，之前已經(jīng)公布了或目前在使用的有一些 原則如下。
[0007] 如第6, 317, 368號(hào)美國(guó)專利中所述，是一種超聲波系統(tǒng)使用一臺(tái)發(fā)射器與幾臺(tái)接 收器之間的傳送時(shí)間延遲來(lái)確定發(fā)射器位置，并利用時(shí)分多址法共享相同的頻道。使用這 種信道訪問(wèn)方法的缺點(diǎn)是：（i)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只能跟蹤一臺(tái)發(fā)射器，不適合跟蹤大量目標(biāo)； (ii)整個(gè)系統(tǒng)要求嚴(yán)格的同步；及（iii)頻率在直接連接的時(shí)隙內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生干擾。
[0008] 另一個(gè)超聲波系統(tǒng)，例如第7, 283, 423號(hào)美國(guó)專利中描述的超聲波系統(tǒng)，使用發(fā) 射器發(fā)射的超聲波抵達(dá)許多接收器之一的時(shí)間來(lái)定位，利用頻分多址法進(jìn)行信道訪問(wèn)。使 用這種信道訪問(wèn)方法的缺點(diǎn)是，在某個(gè)給定時(shí)間上被跟蹤的目標(biāo)的數(shù)量受限于頻段的劃 分，串?dāng)_可能會(huì)在不同的頻率之中造成干擾。
[0009] 更加重要的是，上述系統(tǒng)提供的空間分辨率受限于應(yīng)用技術(shù)的性質(zhì)，因此，這些系 統(tǒng)不適合進(jìn)行更加精確的定位（毫米范圍），例如跟蹤實(shí)驗(yàn)室鼠的運(yùn)動(dòng)或測(cè)量植物的每日 生長(zhǎng)速度等。
[0010] 上述系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，超聲波接收器與控制中心之間的信號(hào)傳輸是有線連 接。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求復(fù)雜的硬件與基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置，往往不可能在已經(jīng)建成的和受到嚴(yán)密 控制的環(huán)境例如動(dòng)物育嬰房或用于動(dòng)物試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室中實(shí)施。
[0011] 本發(fā)明使用無(wú)線通訊技術(shù)作為定位與行為跟蹤系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)可克服前述局限。 發(fā)明概述
[0012] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種用于跟蹤動(dòng)物等移動(dòng)目標(biāo)的位置和行為的系 統(tǒng)?？杀槐鞠到y(tǒng)跟蹤的動(dòng)物的實(shí)例包括但不限于實(shí)驗(yàn)室研宄中的鼠類、倭狐猴、貓、狗、獼猴 和其他非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物。在一個(gè)實(shí)施例中，本系統(tǒng)包括一臺(tái)或多臺(tái)捕捉器、一個(gè)或多個(gè)基 站點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心以及一臺(tái)或多臺(tái)帶顯示器的遠(yuǎn)程處理器。
[0013] 在一個(gè)實(shí)施例中，捕捉器被放置在一膠囊狀的外殼中，并包括一個(gè)聲波收發(fā)器。在 另一個(gè)實(shí)施例中，捕捉器還可能包括用于監(jiān)控身體機(jī)能的組件，例如，該捕捉器可能包括用 來(lái)監(jiān)測(cè)體溫、心率和血壓等的傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，捕捉器可以發(fā)射超出動(dòng)物聽覺(jué)范圍 的聲學(xué)超聲波信號(hào)，例如IOMHz范圍的超聲波信號(hào)。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)基站點(diǎn)包括一個(gè)聲波接收器、一個(gè)電磁（EM)收發(fā)器、一個(gè) 用于信號(hào)處理和同步的模塊以及針對(duì)溫度、濕度和氣壓等各種環(huán)境因素進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)的傳 感器。
[0015] 帶顯示器的遠(yuǎn)程處理器的代表性實(shí)例包括但不限于，工作站、筆記本電腦和移動(dòng) 電子設(shè)備，例如手機(jī)、平板電腦和個(gè)人數(shù)字助理（PDA)等。處理器能夠從收集的信號(hào)中提取 數(shù)據(jù)并加以處理，隨時(shí)并實(shí)時(shí)生成捕捉器的三維位置信息，因此也能收集動(dòng)物的三維位置 信息。
[0016] 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明還提供使用本文所披露的系統(tǒng)來(lái)同步跟蹤和監(jiān)控一個(gè) 到大量動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和行為的方法，例如最多20只動(dòng)物，或最多50、100、500、1000、5000個(gè)對(duì) 象或最多10, 000個(gè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)和行為。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，這種方法包括將一個(gè)或多個(gè)捕捉器系到或注射到一只或多只動(dòng) 物身上，以不同的數(shù)據(jù)采樣率或信號(hào)傳輸率從捕捉器發(fā)射聲波信號(hào)到一個(gè)或多個(gè)基站點(diǎn) 上，并從這些基站點(diǎn)發(fā)送信號(hào)到遠(yuǎn)程處理器上，遠(yuǎn)程處理器處理所收集的信號(hào)，隨時(shí)并實(shí)時(shí) 生成捕捉器也就是動(dòng)物的三維位置信息。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，捕捉器通過(guò)動(dòng)物佩戴的頸圈系到動(dòng)物身上。在另一個(gè)實(shí)施例中， 捕捉器被注射到動(dòng)物體內(nèi)，例如通過(guò)皮下注射。從每臺(tái)捕捉器發(fā)射的聲波信號(hào)載有唯一的 和特定的"特征序列"，作為每只動(dòng)物的標(biāo)識(shí)符。該系統(tǒng)使用擴(kuò)展頻譜技術(shù)，允許多臺(tái)捕捉 器同時(shí)在同一頻段上多路傳輸，最大程度降低被傳輸信號(hào)之間的潛在干擾。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中，基站點(diǎn)位于墻壁上、籠子上或動(dòng)物周圍的其他固定裝置上。信號(hào) 處理包括向基站點(diǎn)收到的每個(gè)進(jìn)入信號(hào)添加時(shí)刻戳、通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心將帶有時(shí)間戳的信 號(hào)以電磁波的形式發(fā)送到遠(yuǎn)程處理器。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施例中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心是一個(gè)物理模塊，它包括一臺(tái)電磁收發(fā)器和一個(gè) 計(jì)算機(jī)附件接口，例如USB連接器。在另一個(gè)實(shí)施例中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心是一個(gè)與遠(yuǎn)程處理器 整合到一起的功能模塊，這樣便不需要計(jì)算機(jī)附件接口。接收信號(hào)時(shí)，遠(yuǎn)程處理器通過(guò)精確 測(cè)量基站點(diǎn)處的信號(hào)抵達(dá)時(shí)間（TOA)或抵達(dá)時(shí)差（TDOA)，確定每臺(tái)捕捉器的精確位置，實(shí) 時(shí)生成捕捉器也就是動(dòng)物的三維位置信息。在一個(gè)實(shí)施例中，位置信息被進(jìn)一步處理，生成 每只個(gè)別動(dòng)物的活動(dòng)和行為輸出。行為輸出的例子包括但不限于，走動(dòng)/跑動(dòng)速度、飼養(yǎng)頻 率、活動(dòng)和靜止的時(shí)間比、轉(zhuǎn)彎方向和頻率、交配時(shí)長(zhǎng)和頻率、社會(huì)互動(dòng)、攻擊行為和母性行 為。
[0021 ] 本文所披露的系統(tǒng)能夠以厘米到亞厘米級(jí)的空間分辨率對(duì)一受控制的本地區(qū)域 的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤，例如以10厘米到5厘米、5厘米到1厘米、1厘米到0. 5厘米或0. 5厘米到 0. 1厘米的范圍進(jìn)行跟蹤，例如動(dòng)物設(shè)施里的育嬰房或用于動(dòng)物試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。通過(guò)聲學(xué) 與擴(kuò)展頻譜相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)這一空間分辨率。擴(kuò)展頻譜技術(shù)不僅可以同時(shí)跟蹤大量目標(biāo)，還 可以比芯片速度更高的分辨率識(shí)別個(gè)別抵達(dá)路徑?？紤]到現(xiàn)有的基于無(wú)線電波的GPS系統(tǒng) 能夠解決小至1米的位置差距，采用聲波/聲波收發(fā)器取代無(wú)線電波/無(wú)線電收發(fā)器而其 他部件保持不變時(shí)，可輕松實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的前述空間分辨率，由于無(wú)線電波的速度幾乎比聲 波速度快100萬(wàn)倍，因此，可實(shí)現(xiàn)的分辨率幾乎可達(dá)一百萬(wàn)分之一米。 附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0022] 圖1顯示了本文所描述的跟蹤系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
[0023] 圖2顯示了本文所描述的捕捉器的一個(gè)實(shí)施例。
[0024] 圖3顯示了通過(guò)皮下注射到頸部區(qū)域?qū)⑽⑿筒蹲?