專利名稱：傳感環(huán)境屬性與實體的自主相關(guān)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動記錄針對用標(biāo)志(諸如RFID或Wi-Fi標(biāo)志)標(biāo)識的實體的環(huán)境屬性值，其中所述屬性值時常改變，但不需要持續(xù)跟蹤其值。
背景技術(shù)：
考慮典型的公共圖書館。每本書在某個架子上有其自己的位置。讀者可(從不同架子)取得若干本書，并瀏覽這些書直到他們找到合適的書。盡管某些讀者設(shè)法把不想要的書返回正確的位置，但是許多讀者要么根本不會把書歸位，要么把書放回錯誤的位置。后者難于被檢測到；為了解決此問題，圖書館雇傭人手來定期“讀架子”，以找到被錯誤歸檔的書。類似情況在許多零售商店也存在，其中消費者可以在決定買哪件物品之前嘗試若干物品。在許多情況下，消費者不會把測試過的物品返回其正確的架子，并且再一次地，商店職員必須花時間把物品放回其正確的位置。某種自動化跟蹤機制將是非常有用的。資產(chǎn)(asset)跟蹤的問題不限于圖書館或零售商店。許多公司正在認(rèn)識到增加其供應(yīng)鏈中的可見性的重要性。資產(chǎn)跟蹤(了解你有什么以及它在哪里)對于大型制造公司的順利運轉(zhuǎn)是必須的。它還幫助大型零售商查出其供應(yīng)鏈中的瓶頸、減少庫存過多、或定位損壞的貨物。類似地，政府和軍隊組織對用于跟蹤其資產(chǎn)和裝備的更廉價(且更高效)的方式感興趣。
自動位置傳感是使能這種跟蹤應(yīng)用的關(guān)鍵。最佳的基于位置的系統(tǒng)之一是GPS，其依靠衛(wèi)星來跟蹤位置。不過，由于對低功率衛(wèi)星信號的依賴，GPS難于或不可能在建筑內(nèi)用于確定位置。于是，為了實現(xiàn)建筑內(nèi)的位置跟蹤，研究者和企業(yè)已經(jīng)提出了若干系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在所用技術(shù)、準(zhǔn)確度、覆蓋范圍、更新頻率以及安裝和維護成本方面不同。三角剖分、傳感分析和鄰近是用于自動位置傳感的一些主要技術(shù)。當(dāng)前的許多位置傳感系統(tǒng)是基于無線電的(Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、UWB)。通過使用基站可見性和信號強度或飛行時間，能夠在若干米的精確度來定位Wi-Fi設(shè)備。不過，在許多情況下，持續(xù)跟蹤一件物品是極其昂貴的。持續(xù)跟蹤可在下述方案中使用，其中感興趣物品具有很高價值或者非常重要(例如軍隊裝備、珠寶箱等等)，從而所述成本是正當(dāng)?shù)?。不過，對于許多應(yīng)用(例如跟蹤庫存)，對位置進行定期(例如每晚)記錄就足夠了。
近年來，RFID技術(shù)已經(jīng)吸引了相當(dāng)多的注意。RFID正在成為改造供應(yīng)鏈管理的機能的重要技術(shù)。RFID不僅代替了老舊的條形碼技術(shù)，而且在范圍和訪問機制方面提供了更高度的靈活性。例如，即使出于審美或安全原因把標(biāo)志隱藏起來，RFID掃描儀也可以讀取經(jīng)編碼的信息。各種公司和政府代理正在計劃使用RFID來標(biāo)識貨架或貨箱級別的大量貨物。通常無源的標(biāo)志(即，本身沒有電源的標(biāo)志)被優(yōu)選用來標(biāo)志貨物，因為它們廉價得多、使用期限長、輕量級，且具有更小的覆蓋區(qū)域。不過，由于無源標(biāo)志的運行不需要電池，它們也具有非常小的檢測范圍，并因此通常不在純粹基于RFID的位置傳感系統(tǒng)中使用。本身具有電池的有源標(biāo)志具有大得多的檢測范圍，并可被用作定位系統(tǒng)的一部分，但是這些標(biāo)志目前對于廣泛部署來說太昂貴。所缺少的是一種檢測無源標(biāo)志的位置的高效和經(jīng)濟的方式。我們的發(fā)明解決了這一需要。

發(fā)明內(nèi)容
下文中描述的本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例結(jié)合了(無源)RFID技術(shù)和基于Wi-Fi(無線保真)的持續(xù)位置定位系統(tǒng)，以提供定期的資產(chǎn)位置掃尋(sweep)。盡管此實施例使用基于Wi-Fi的位置定位，但是本發(fā)明的系統(tǒng)的其它實施例可通過任何持續(xù)定位技術(shù)進行工作。此處所述的實施例不僅標(biāo)識而且提供了在掃尋空間中的每個RFID所標(biāo)志的物品的位置信息。運行Wi-Fi客戶端并連接于RF讀取器的便攜式系統(tǒng)(例如膝上型計算機或PDA)被安裝于在空間中自主移動的機器人上。當(dāng)機器人移動時，RF讀取器定期對哪些標(biāo)志是可檢測的進行取樣。在每次取樣時，從定位系統(tǒng)獲得機器人的位置。接著應(yīng)用算法，以把所檢測的標(biāo)志的讀取與其之前的樣本相結(jié)合，從而計算每個標(biāo)志的當(dāng)前估計位置。
Wi-Fi是Wi-Fi聯(lián)盟的注冊商標(biāo)。
更具體地，本發(fā)明的一方面結(jié)合了(例如RFID標(biāo)志的)標(biāo)志讀取器、某種環(huán)境屬性(例如位置或溫度)的傳感器、以及計算設(shè)備，其與能夠自主地在指定區(qū)域內(nèi)行進的機器人設(shè)備結(jié)合在一起。所述計算設(shè)備裝備有無線通信設(shè)備和本地存儲設(shè)備中的至少一個?？臻g中的實體(例如貨架或貨箱)具有安裝于其上的標(biāo)志。標(biāo)志可被標(biāo)志讀取器檢測到的距離受限于物理限制(例如，無源RFID標(biāo)志讀取器的有效范圍取決于天線設(shè)計、讀取器功率級以及其它物理因素)。
當(dāng)機器人在指定區(qū)域中行進時，其標(biāo)志讀取器檢測附近的標(biāo)志。同一時間，傳感器設(shè)備獲取環(huán)境屬性(例如位置或溫度)的讀取。這些信息項被結(jié)合，并被無線通信設(shè)備發(fā)送到主計算設(shè)備，或被本地存儲用于之后的處理(或二者同時)。
此信息由此處指定的若干算法中的至少一種所處理。其結(jié)果是把環(huán)境屬性值自動和自主地分配給指定區(qū)域中所標(biāo)志的實體的每一個(例如，每個貨箱的溫度或者每個貨架的位置)。


通過以下詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的特征將變得更明顯，在附圖中圖1在圖形上示出本發(fā)明的系統(tǒng)的邏輯安置。
圖2在圖形上示出本發(fā)明實施例的物理安置。
圖3示出RFID標(biāo)志讀取器的RF特性。
圖4在圖形上示出機器人所前進的隨機路徑的示例，其中RFID標(biāo)志在沿著此路徑的若干點檢測到。
圖5在圖形上示出質(zhì)心算法的示例。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的操作的流程圖。
具體實施例方式
描述了本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例，其中所傳感的環(huán)境屬性為位置?；诖嗣枋?，本發(fā)明的系統(tǒng)的其它實施例易于被想象到，其中所測量的環(huán)境屬性是與位置不同的某種屬性。示例包括溫度、噪聲級、亮度、濕度和速度。
圖1給出本發(fā)明的系統(tǒng)100的邏輯流程圖。機器人130在指定區(qū)域內(nèi)自主地行進。它裝備有RF標(biāo)志讀取器140，通過RF標(biāo)志讀取器140，RF讀取器客戶端軟件110能夠檢測附近的標(biāo)志145。同一時間，位置確定傳感器150使得位置傳感軟件120能夠確定機器人130的當(dāng)前位置155。來自標(biāo)志145的信息和當(dāng)前位置155被結(jié)合到關(guān)聯(lián)此信息的檢測記錄160中。接著算法170使用針對單個標(biāo)志的一個或多個檢測記錄160來計算針對該標(biāo)志的估計位置。
圖2給出本發(fā)明的系統(tǒng)200的一實施例的物理描述。此實施例中的機器人130是Roomba Robotic Floorvac，其是在掃尋空間中自主移動的清掃設(shè)備，其使用智能導(dǎo)航技術(shù)自動地在一個場所或另外指定的區(qū)域的各處移動而無需人的指令。概率性算法保證大部分空間將被覆蓋。在此實施例中，計算設(shè)備230、RF標(biāo)志讀取器240和無線通信設(shè)備260都附加在機器人上，并一起包括客戶端系統(tǒng)210。
在此實施例中，通過Ekahau定位引擎(EPE)來測量位置，其使用在無線卡260處測量的無線接入點270、271和272的信號強度來估計客戶端系統(tǒng)210的位置。它還提供統(tǒng)計錯誤估計。當(dāng)RF標(biāo)志被RF讀取器240檢測到時，把此時的客戶端系統(tǒng)210的估計位置與標(biāo)志信息相結(jié)合，以產(chǎn)生檢測記錄160(圖1)。此檢測記錄由無線卡260在無線通信鏈路261上發(fā)送到主服務(wù)器機器220，其用算法170(圖1)來處理檢測記錄，以計算該標(biāo)志的估計位置。在當(dāng)前實施例中，服務(wù)器機器220被用于運行Ekahau定位引擎(EPE)以及用于處理檢測記錄，而在其它實施例中，這兩種功能可以處于單獨計算設(shè)備上；可替換地，所有的計算功能可被結(jié)合到單個的機器人安裝的計算設(shè)備230中。
在通過本發(fā)明的系統(tǒng)的當(dāng)前實施例所進行的實驗中，RF標(biāo)志如圖3所示放置在RF讀取器240的水平之上大約1.2m，RF讀取器240安裝于地上的機器人上。RF讀取器上的天線朝向上，從而它能夠檢測圓錐體310內(nèi)的信號，如俯視圖320所示，圓錐體310在高度1.2m處的直徑大致為0.5m。因此，在通過當(dāng)前實施例的這些實驗中，當(dāng)RF標(biāo)志被機器人安裝的RF讀取器檢測到時，已知其位置在讀取器位置的左右0.25m之內(nèi)(并且位于高度1.2m，該高度在此實驗中是固定的)。此信息被用于后面描述的算法中。
圖4示出了系統(tǒng)400的操作的示意圖。RF標(biāo)志450可以在圓圈420所描述的有限區(qū)域內(nèi)檢測到。當(dāng)機器人在指定區(qū)域內(nèi)沿著隨機路徑410前進時，不論何時當(dāng)讀取器處于圓圈420內(nèi)并嘗試進行讀取時，標(biāo)志450將被檢測到。標(biāo)志在許多點411、412、413、414、415、416被檢測到，每個點都處于圓圈420內(nèi)并在機器人的路徑410上。在這些點的每一個，將進行對于機器人的當(dāng)前估計位置的測量440，并且其與RF標(biāo)志450的標(biāo)識相結(jié)合，以產(chǎn)生針對每個所述點的檢測記錄。
質(zhì)心算法當(dāng)前實施例中使用的位置傳感技術(shù)提供(X，Y)坐標(biāo)連同錯誤估計ee。如前所解釋的，RF讀取器的檢測圓圈的直徑為大約0.5m(對于此實施例中使用的RF標(biāo)志，其被放置在RF讀取器之上大致1.2m的高度)。以(X，Y)為中心、ee+r(其中r是標(biāo)志的覆蓋圓圈的半徑)為半徑(R)畫出的圓圈將包括所跟蹤的標(biāo)志。我們將此圓圈稱為信任圓圈。若干這種信任圓圈的相交提供了標(biāo)志位置的更精確估計。我們將標(biāo)志位置表示為此相交區(qū)域的質(zhì)心。
圖5示出了此計算的示例500。當(dāng)機器人沿著隨機路徑510行進時，它在多個點521、522、523等處傳感到標(biāo)志T1。在每個所述點，計算信任圓圈，得到圓圈531、532和533，以及從其它樣本得到的任何其它圓圈。由于標(biāo)志T1必須位于每個所述圓圈的內(nèi)部，因此它遵循以下情況它必須在這些圓圈的相交540之內(nèi)。一般而言可以觀察到，此估計將比由任何一個信任圓圈所提供的估計更加精確，并且隨著樣本數(shù)目的增加，相交區(qū)域一般將會減小，從而提供所計算的標(biāo)志位置的準(zhǔn)確度。
Rn＝een+rnTag(Xt，Yt)＝centroid{C[(X1，Y1)R1]∩C[(X2，Y2)R2]∩....∩C[(Xn，Yn)Rn]}(X1，Y1)到(Xn，Yn)表示在檢測到標(biāo)志時讀取器的位置，而(Xt，Yt)表示標(biāo)志的估計位置，其被估計處于圓圈C[(X1，Y1)R1]到C[(Xn，Yn)Rn]的相交之內(nèi)。
加權(quán)平均一種把所標(biāo)志的實體的位置坐標(biāo)計算為當(dāng)讀取器檢測到該實體時的讀取器位置的加權(quán)平均的算法。每個位置估計的權(quán)重與錯誤半徑的平方成反比。
Tag(Xt，Yt)＝[Σ{1/e12*(Xi，Yi)}]/(Σ1/e12)簡單(plain)平均一種把所標(biāo)志的實體的位置坐標(biāo)計算為當(dāng)讀取器檢測到該實體時的讀取器位置的統(tǒng)計平均的算法。
Tag(Xt，Yt)＝[Σ(Xi，Yi)]/{樣本數(shù)}圖6示出本發(fā)明的系統(tǒng)的流程圖600。當(dāng)所述系統(tǒng)開始其對指定區(qū)域的定期掃尋時，所述系統(tǒng)從開始狀態(tài)610移動到狀態(tài)620，在此機器人自主地移動到新位置。接著做出630標(biāo)志讀取器是否能夠檢測到一個或多個標(biāo)志的決定。如果否，則所述系統(tǒng)進入下述的狀態(tài)680。
當(dāng)標(biāo)志讀取器檢測到標(biāo)志時，遵循640中描述的過程，并且從所檢測標(biāo)志中讀取標(biāo)志ID。如果檢測到多個標(biāo)志，則從每一個標(biāo)志中讀取ID。接著所述系統(tǒng)繼續(xù)進行來執(zhí)行650中描述的過程，以讀取感興趣的一個或多個環(huán)境屬性(例如，位置、溫度、噪聲級等)。
接著把環(huán)境屬性的值與在步驟640中讀取的標(biāo)志ID相結(jié)合，并在步驟660中存儲所結(jié)合的記錄。如果檢測到多個標(biāo)志，則每個標(biāo)志單獨與所測量的一個或多個環(huán)境屬性相結(jié)合，并且單獨存儲每個記錄。在本發(fā)明的系統(tǒng)的當(dāng)前實施例中，所述記錄在無線通信鏈路上被發(fā)送給單獨的服務(wù)器計算設(shè)備并被存儲于此，但在其它實施例中，所述記錄可被本地存儲。
在步驟670，上述算法之一被應(yīng)用于每個標(biāo)志的記錄，以便計算針對標(biāo)志的環(huán)境屬性的新的估計值(例如，標(biāo)志的估計位置、溫度、在標(biāo)志處的估計噪聲級等)。
最后，步驟680測試停止標(biāo)準(zhǔn)是否已經(jīng)滿足。如果是，則機器人進入停止?fàn)顟B(tài)690，并且對空間的掃尋完成。但是如果否，則機器人重新進入狀態(tài)620，并移動到新的位置，在此整個過程再次開始?？墒褂枚喾N停止標(biāo)準(zhǔn)。在本發(fā)明的系統(tǒng)的當(dāng)前實施例中，機器人吸塵器的制造商使用了它已經(jīng)運行的時間長度作為停止標(biāo)準(zhǔn)。用戶在開啟機器人時選擇小、中或大場所。機器人對于小空間運行時間短，而對于大空間運行時間長，其中所述運行時間被計算以產(chǎn)生覆蓋90％及以上的空間的很高概率。一種額外能力允許機器人運行到它的電池可持續(xù)的那么久。但是在其它實施例中其它停止標(biāo)準(zhǔn)是可能的，諸如繼續(xù)運行直到平均錯誤估計低于某個閾值，或者繼續(xù)運行直到檢測到已知數(shù)目的標(biāo)志，或者使用更智能的導(dǎo)航技術(shù)來指引機器人的移動直到空間的所有區(qū)域被覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種用于確定物理空間內(nèi)的多個實體中的每個的相應(yīng)屬性的方法，所述方法包括通過使用自動在整個所述空間內(nèi)移動的讀取器來檢測關(guān)聯(lián)于實體的信標(biāo)設(shè)備的存在，而檢測所述物理空間中的所述實體的存在；響應(yīng)于當(dāng)所述讀取器在所述空間中移動時檢測到在所述物理空間中的所述實體的任一個的存在，進行對變量的測量；以及處理對所述變量的所述測量，其中所述被處理的測量的每個相應(yīng)集合表示所述實體的相應(yīng)一個的相應(yīng)屬性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述變量是用于檢測所述實體的存在的讀取器的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述相應(yīng)屬性是所述實體的相應(yīng)一個的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述處理包括使用一種算法，使用計算機處理器將所述算法自動應(yīng)用于所述測量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，對于每個所述實體，所述算法自動處理對所述變量的所述測量，以生成相應(yīng)圓圈，每個圓圈表示高概率包含所述每個實體的區(qū)域，并且所述算法把所述每個實體的位置估計為所述圓圈的相交區(qū)域的中心。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述讀取器通過將其附加在機器人上而自動在所述空間中移動，所述機器人被編程自動在所述空間中移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)在所述空間中檢測到所述信標(biāo)設(shè)備的任一個時，所述信標(biāo)設(shè)備的所述任一個的身份和所述變量的相應(yīng)值被記錄在針對所述實體的相應(yīng)一個的檢測記錄中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述算法包括沿著兩個空間維度單獨地對所述讀取器的位置估計的統(tǒng)計平均。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述實體是以下至少其一博物館展品、停車場里的車、倉庫里的庫存物品、港口設(shè)施中的集裝箱、集會空間內(nèi)的人、圍欄內(nèi)的動物、以及圖書館里的書。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述算法包括當(dāng)讀取器在所述物理空間中移動時對讀取器的位置進行加權(quán)平均，其中每個位置的權(quán)重與讀取器位置估計的錯誤半徑的二次方成反比。
11.一種用于確定物理空間內(nèi)的多個實體中的每個的相應(yīng)屬性的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括關(guān)聯(lián)于所述多個實體中的每個的信標(biāo)設(shè)備；自動在整個所述空間內(nèi)移動的讀取器，所述讀取器用于檢測關(guān)聯(lián)于所述實體的相應(yīng)一個的所述信標(biāo)設(shè)備的任一個的存在；測量設(shè)備，用于響應(yīng)于當(dāng)所述讀取器在所述空間中移動時檢測到在所述物理空間中的所述實體的任一個的存在，進行對變量的測量；以及用于處理對所述變量的所述測量的處理器，其中所述被處理的測量的每個相應(yīng)集合表示所述實體的相應(yīng)一個的相應(yīng)屬性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述信標(biāo)設(shè)備是RFID標(biāo)志。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述測量設(shè)備是RFID標(biāo)志讀取器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述讀取器被附加在機器人上，所述機器人被編程自動在所述物理空間中移動。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述測量設(shè)備是條形碼讀取器。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述實體的相應(yīng)一個的所述屬性是所述實體的位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述變量是所述測量設(shè)備的位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述測量設(shè)備是以下至少其一三角剖分裝置、以及脈沖延遲三角剖分裝置。
19.一種用于確定物理空間內(nèi)的多個實體中的每個的相應(yīng)位置的方法，所述方法包括通過使用自動在整個所述空間內(nèi)移動的讀取器來檢測關(guān)聯(lián)于所述實體的信標(biāo)設(shè)備的存在，而檢測所述物理空間中的實體的存在；響應(yīng)于當(dāng)所述讀取器在所述空間中移動時檢測到在所述物理空間中的所述實體的任一個的存在，進行對應(yīng)于所述讀取器的位置的測量；以及處理所述測量，其中所述被處理的測量的每個相應(yīng)集合表示所述實體的相應(yīng)一個的相應(yīng)位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述進行測量的步驟包括測量在所述空間中來自無線接入點的信號強度，并且其中所述信號強度測量被處理，以確定所述讀取器的相應(yīng)位置，并接著確定所述空間中的相應(yīng)實體的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述進行測量的步驟針對當(dāng)所述讀取器在所述空間中移動時所述讀取器的多個不同位置進行重復(fù)，其中針對所述不同位置的所述測量被進一步處理，以更準(zhǔn)確地確定所述空間中的所述實體的所述相應(yīng)位置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述進一步處理所述測量的步驟包括取得關(guān)于所述讀取器的所述所確定位置的圓圈的相交，其中所述圓圈的所述相交對應(yīng)于所述空間中的相應(yīng)實體的位置。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中處理所述測量包括計算當(dāng)在所述空間中檢測到相應(yīng)實體時所述讀取器的位置的統(tǒng)計平均。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中處理所述測量包括計算當(dāng)在所述空間中檢測到相應(yīng)實體時所述讀取器的位置的加權(quán)平均。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中通過使用針對每個位置的每個權(quán)重因子的所述圓圈的相應(yīng)一些圓圈的錯誤半徑的相應(yīng)平方反比，計算所述加權(quán)平均。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中處理所述測量包括計算當(dāng)在所述空間中檢測到相應(yīng)實體時所述讀取器的位置的每個坐標(biāo)的均值。
全文摘要
一種用于確定物理空間內(nèi)的實體的屬性的方法。更具體地，使用本發(fā)明來確定物理空間中的實體的位置。讀取器自動在整個所述空間內(nèi)移動，并當(dāng)它檢測到物理空間中的這些實體的存在時進行對相應(yīng)實體的屬性的測量。實體的這些屬性可以是位置、溫度等。讀取器可以是用于從附加在實體上的標(biāo)志中讀取信號的RF檢測設(shè)備。
文檔編號G08G1/127GK101023373SQ200580031616
公開日2007年8月22日 申請日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者A·帕提爾, A·G·科爾, P·A·莫斯科維茨, J·P·芒森, D·伍德, 陳涵 申請人:國際商業(yè)機器公司