CN101730852B - 移动物体位置确定 - Google Patents

Abstract

一种超声波位置确定系统，包括：基本单元和至少一个移动单元，所述移动单元和基本单元中的每一个可操作地发射和接收超声波信号，所述移动单元适于依据所述基本单元的发射状态发射预定信号，所述基本单元适于确定所述信号从所述移动单元传递到所述基本单元所花的时间从而计算所述移动单元与所述基本单元之间的距离。

Description

移动物体位置确定

技术领域

本发明涉及静止基站和移动物体之间的通信和/或对移动物体的存在和/或位置的确定。虽然不必排除其它，但它尤其涉及超声波的使用。

背景技术

发明内容

从一方面来看，本发明提供了一种超声波位置确定系统，包括基本单元和至少一个移动单元，所述移动单元和基本单元中的每一个可操作地发射和接收超声波信号，所述移动单元适于依据所述基本单元的发射状态发射预定信号，所述基本单元适于确定所述信号从所述移动单元传递到所述基本单元所花的时间，从而计算所述移动单元和所述基本单元之间的距离。

从第二方面来看，本发明提供了一种超声波位置确定系统，包括基本单元和至少一个移动单元，所述移动单元适于响应于来自所述基本单元的信号而发射超声波信号，所述基本单元适于确定所述超声波信号从所述移动单元传递到所述基本单元所花的时间，从而计算出所述移动单元和所述基本单元之间的距离。

申请人已经确认了这样一种系统的有利条件，在该系统中，基本单元能够确定关于一个或更多移动单元的位置的信息，特别是在诸如建筑物中的室内之类的近范围之内。这样的应用有许多种可能。由申请人设想的一种潜在、非限制性的实例应用是用于确定放有电视机的房子中的室内的许多标签中的任何一个的存在，以便能够自动地记录电视观众数据。

优选地，该系统包括多个相互独立地可移动的移动单元。优选地，每个移动单元仅有一个超声波发射机。

在本发明的优选实施例中，所述超声波信号从所述移动单元传递所花的时间根据所述信号从所述基本单元发射到所述移动单元和从所述移动单元接收到响应所花的总时间来计算。如果已知在所述基本单元处收到所述信号和发射其应答之间的延迟，则总时间是信号和应答的传播时间的总和。在这些信号是相同的类型，即两者都是超声波信号的情况下，传播时间可以假设为相同，因此可以计算平均值。在另一个替代方案中，例如通过使用来自电磁频谱的信号，从基本单元到移动单元的请求信号可以比应答要快很多，因而它的传播时间是可以忽略的。然而，也有其它可能性。例如，在接收所述请求和发射所述响应之间考虑移动单元和基本单元之间的移动是可能的。

在本发明的一些实施例中，移动单元被配置为检测由所述基本单元进行的发射的中断并在其后进行发射。这能够以类似于避免发射机之间的冲突的方式来实施，由此，如果发射机检测到另一发射机已经在发射，则该发射机将不发射。然而，为了能够根据本发明测量所述基本单元和所述移动单元之间的距离，需要知道所述移动单元发射其信号的时间，例如在停止由所述基本单元进行的发射的预定时间之后进行测量。

如上所述，根据本发明的系统能够仅仅与一个移动单元或与多个移动单元一起工作。当系统具有多个移动单元时，在向所述基本单元发射其信号之前，每个移动单元被分配一个从停止由所述基本单元进行的发射起的唯一延迟。这是一种确保这些移动单元不在相同时间进行发射并且避免需要每个移动单元发射标识信息的方式。然而，这并不是必需的。

在一些实施例中，移动单元被配置为检测来自基本单元的特定信号，例如，特定的频率，频率的改变或发射的顺序。能够使用单个移动单元或多个移动单元。多个移动单元能够被配置为响应来自基本单元的相同特定信号或者能够被配置为响应不同的信号。如果它们响应相同的信号，那么它们优选地被配置在不同的时隙中这么做，但是这不是必需的。例如，它们能够改为以非预定的顺序进行响应，但是包括标识信息；或者这些响应的一个或多个能够包括展布频谱信号，使得不必要求冲突避免。

优选地，包括多个移动单元的系统中的移动单元能够区分来自基本单元的发射和来自其它移动单元的发射。例如发射的持续时间、发射模式、频率或编码中的一个或任意结合能够用于提供这种区分。

根据本发明的对位置的确定并非意在暗指任何与精度相关的限制。例如，该确定能够是一维、二维或三维的坐标，或者能够简单确定移动单元是否位于一个或更多区域中。在最简单的水平上，该对位置的确定能够简单确定移动单元是否位于基本单元的预定距离内。

从第三方面来看，本发明提供了一种超声波位置确定系统，包括基本单元和至少一个移动单元，所述移动单元适于响应于来自所述基本单元的信号而发射超声波信号，所述基本单元适于确定所述超声波信号从所述移动单元传递到所述基本单元所花的时间，从而确定所述移动单元是否在所述基本单元的预定距离内。

至于本发明的前些方面，优选的是，该系统包括多个相互独立地可移动的移动单元。优选地，每个移动单元仅具有一个超声波发射机。

从第四方面来看，本发明提供了一种配置为向移动单元发射信号的基本单元，该基本单元包括被配置为向一个或更多移动单元发射信号的发射机，以及被配置为从所述移动单元或所述移动单元中的一个接收超声波信号的超声波接收机，所述基本单元适于确定所述超声波信号从所述移动单元传递到所述基本单元所花的时间。

优选地，所述基本单元被配置为每次仅仅从一个移动单元接收和处理仅仅超声波信号。

从第五方面来看，该发明提供了一种移动单元，该移动单元包括被配置为从基本单元接收请求信号的接收机以及被配置为在从收到所述请求信号起的预定时间之后向所述基本单元发射超声波信号的超声波发射机。

来自所述移动单元的超声波信号能够只是用于确定所述移动单元距所述基本单元的距离。然而，这并不是必需的。例如，该信号能够包括诸如标识或状态信息之类的其它信息。该状态信息能够包括移动状态或历史信息或者电池状态。事实上，其它任何信息能够包括在该信号中。同样，其它这样的信息能够补充地或可替代地以其它次数进行发射。

该移动单元在此也被称为‘标签’。这种标签便利地且优选地采用独立式(self-contained)设备的形式，该独立式设备包括超声波发射机和接收机以及相关处理设备。优选地，该标签包括它自己的电源，例如电池。然而，这些特征并不是必需的。例如标签可以是更大的物体和设备的主要部分。因此，可以理解的是，‘标签’和‘移动单元’是可互换的。

超声波通常被理解为表示例如空气的任何介质中的具有高于正常人听力范围的频率的纵向压力波。这通常被认为是高于20kHz，虽然在本发明的优选实施例中，使用了30kHz和50kHz之间的频率。

附图说明

现在将参照附图，仅作为示例描述本发明的特定优选实施例，在这些附图中：

图1是利用本发明的物体位置检测系统的简化示意图；

图2是与本发明的实施例一起使用的移动单元的组件的示意图；

图3是描述移动单元的操作的一部分的简单流程图；

图4是图示说明利用本发明的系统的操作的时序图；

图5到图8是不同替代实施例的时序图；

图9是测试系统中基站标签电流与来自响应标签的声压的关系曲线标绘图；以及

图10是在实验中获得以确定标签的时延的发射机和接收机之间的距离与发射和接收之间的时间差的关系曲线图。

具体实施方式

图1示出了本发明的实施例的简化示意图。该实施例允许移动标签2与基站4的分离被确定。虽然为了简单起见，仅示出了一个标签，但根据本发明的系统通常将包括若干彼此完全独立地可移动的标签。

首先，基本单元发射机6发射预定的超声波图样。如稍后将要描述的，有许多可能的图样可以被使用，但是对于使用了仅仅一个标签的简单系统，例如可以使用连续发射中的简单中断。

当该标签的接收机8接收该信号时(或改为停止接收它)时，该标签2中的控制电子设备将经过该标签的发射机10产生应答信号。然后，该应答信号被该基本单元的接收机12接收。这样，该基本单元4能够测量它所发射的信号被标签2接收并处理所花的以及接收该应答所花的时间。

然后，该基本单元能够确定距离d如下：

由下列公式给出声音在空气中的速度v：

v≈(331.4+0.6T_c)m/s            公式1

其中T_C是以摄氏度为单位的温度。速度v还能够由下列公式表示：

$v=\frac{l}{t_1-t_0}$ 公式2

其中l是信号在时间t₁和t₀两点之间传播的以米为单位的距离(范围)。该距离l能够利用公式1和公式2得出：

l＝(t₁-t₀)v＝(t₁-t₀)(331.4+0.6T_c)        公式3

现在能够通过在检测器处测量基站与标签的响应的到达之间的飞行时间(TOF)，即通过测量上述公式3中的时间t₁来发现超声波标签2与基站4的分离。在最简单的情况下，由于信号必须传播到标签2并且响应必须传播回基站4，因此可以假设它们之间的距离d是所测距离的两倍。必须对标签2处的信号的检测和响应的发射之间的处理延迟进行补偿，例如，通过在该标签在距该基站的已知距离处时测量TOF来进行补偿。

该简单化的图解举例说明了本发明的其它实施例所基于的原理。在标签2和基站4中的每一个上，仅仅是为了图示说明的目的而将发射机和接收机示出为彼此分离——它们确实能够分离，但同样它们能够使用相同的换能器。

现在将参照图2概述标签2的示范性接收机电路。该电路包括超声波换能器14，该超声波换能器能够在发射和接收模式下操作。开关16用于在这两种模式之间对换能器进行切换。开关16由微控制器18进行控制。当在发射模式下，微控制器18发送信号给针对该换能器的驱动器20以使它驱动换能器14以生成信号。当该开关在接收模式下时，来自该换能器的输出被馈给放大器22，该放大器22然后将该信号馈给比较器24以将它转换成二进制1或0。然后将其反馈回微控制器18。

在一个简单的实施例中，该标签设置为当它检测到来自该基站的发射中的间隙时，即当它等到信道变得空闲时，发射响应信号。这类似于针对超声波标签提出的防止多个标签之间的冲突发射的功能，但是在这里用作不同的用途。

在这样的使用中，该标签一般将备用在接收模式下，以监测它接收到的发射。只要换能器14例如从该基站拾取到处于合适频率上的信号，该标签就保持在接收模式下。然而，只要检测到发射中的中断，微处理器18就发送信号给开关16以切换到发射模式并发送另一信号给驱动器20以产生将由换能器14发射的应答信号。该微控制器可以被编程为，一旦检测到发射中的中断(即使在所难免带有小的固有延迟)就发起响应信号或者在预定的事先考虑好的延迟之后发起响应信号。

另一种可能将是等待来自该基站的特定信号。这种例程的示范性流程图如图3所示并且将被描述如下。

该标签在24通过测量其电池电平开始其主环路，以便这能够在该标签的消息中报告给该基站。其后进入第二环路，由此该标签在26开始接听超声波。如果检测到了超声波，则在28执行比较以确定它是否在预定的频率间隔内。如果是，则在30对频率跳跃的数目进行计数。

当该标签检测到发射中的中断时(即不再检测到超声波)时，它在32确定是否已经检测到了用以表示基站请求信号的足够数目的频率跳跃。如果已经检测到了足够的数目，则将在34发送响应。该消息或它的发射的时序将标识该标签并且还包含步骤24中确定的关于电池状态的信息。

如果已经检测到了用以表示基站请求的不足数目的频率跳跃，则该标签返回步骤26以备用接听超声波。

即使没有检测到基站请求消息，如果自从发送最后一个消息之后已经过了阈值时间(框36)，则无论如何将发送消息34。

任何一类系统中的超声波消息可以包含关于电池状态的信息、是否已经检测到有效请求(即它是否为‘超时’消息)的信息以及该标签是否在运动的信息。

根据上面阐述的操作的第一模式，该基站发射在预定时段中不中断的超声波信号，强制该标签在备用中等待而不进行发射。该基站然后停止发射片刻以使该标签(这些标签)能发射由该基站接收的超声波消息。然后，在从该标签(这些标签)接收该消息之后，该基站能够再次开始进行发射。

在图4中示出了具有一个标签的该方案的简单图解。该基站发射超声波噪声(不中断的重复消息)直到时间t₀。此时，‘线路’变得空闲并且一旦这被该标签自动检测到，它将在时间t₁开始发射超声波消息响应。该消息在时间t₂在该基站处被接收。然后，该基站在短的延迟之后，在时间t_等待重新开始发射。因此，所描述的设置允许移动超声波发射机标签进行简单的周期性轮询。这允许该基站在由差值t₂-t₁计算飞行时间，并考虑了该标签的(先前确定的)发射延迟。由此可以计算出该标签距该基站的距离。这能够用于许多各种各样的应用。例如，它能够用作简单的接近检测器以当标签位于预定的范围内时发起诸如开灯或打开门之类的动作。

参照图4的上述方案的示范性扩展，通过对每个标签进行编程以在它响应之前等待不同的预定周期t_x，能够适于容纳多个标签。在图5中示出了这一点。这样，在该基站在时间t₀停止发射之后，第一标签在时间t₁发射消息。第二标签在时间t₁+t₂发射它的消息。如可以看到的，第一和第二标签之间的发射中的延迟t₂大于第一标签发射的时间以避免冲突。图5示出该基站在每个标签都已经响应过一次之后重新开始发射，但这并不是必要的。例如，在每个基站发射中断之后，该顺序可以被重复许多次或者甚至不断地重复。该基站可能能够在该顺序期间重新开始发射以中断它并且再次开始。

一种只是等待发射中的间隙的替代方法使得该标签标识特定的基站请求消息，例如，使用以上参照图3描述的标签接收机例程。例如，该基站请求消息能够是长消息(例如，不停发送的多个消息)。通过结合每当自动检测到有效频率时递增的计数器，(见图3中的步骤30)，该标签然后能够将基站请求与标准超声波消息相区分，与该基站请求相比，该标准超声波消息将对应于较低的计数。

可替代地，标签能够计算它所接收到的超声波信号的频率的估计量。换句话说，通过使用仅仅一个(或更多)频率发送消息来产生请求。该标签将仅仅响应具有给定频率(在给定频率的范围内)的消息。在图6中示出了使用单个标签的实例。

图7示出了一种容纳多个标签的方式。如所示出的，每个标签被编程为在响应基站请求之前等待给定时段t_x。因此，这类似于参照图5描述的方案。

容纳多个标签的另一方式包括将不同的频率分配给不同的标签。这样，该基站能够一次一个发送从单独的标签请求响应的不同消息。这在图8中进行了图示说明。使用这后一种方法的优点在于省去了周期性的等待。这种等待能使时序不精确，这是因为该标签的操作频率可以轻微地变化。

对于以上描述的优选实施例中的所有操作模式，该标签尽在提示它进行发射的条件已经满足之后尽快开始发射。这与已知标签的操作形成了对照，这是因为这些已知标签在发送之前通常等待随机的时间以避免串话。根据本发明的优选实施例，随机等待是不必要的，这是因为这些标签具有分离的、准许的发射时隙或者不同的请求信号。

为该基站提供超声波换能器的特别容易并且划算的方式是使用附接到该基站的能够被配置为与该基站(例如通过有线连接)进行通信的普通标签。该基站能够只是通过发送合适的信号给该标签的微控制器来提示超声波消息请求的发射。这样，该基站知道在什么时间已经发送了超声波消息请求。当响应到达时，直接由该请求和应答之间的时间差给出飞行时间。该基站优选地使用侧缘检测(flank detection)以便获得对该标签响应到达的精确时间测量。

另一方法包括让该基站接听到标签请求。这样，在该基站和它的标签之间不需要物理连接。这能够通过让基站标签在请求之前发送(带有已知ID的)标准超声波消息来实现。如果基站检测器和它的发射机标签之间的距离已知，则在该基站标签消息的到达和接收的响应之间花的时间给出了TOF。该后一种方法可能更不精确，这是因为必须进行两次超声波消息检测。

通过将该基站标签的换能器直接连接到基站通道之一，获得了一种具有更高精度的类似方法。

建议在声转发器系统中使用用于在该基站和这些标签之间通信的示范性协议是带有7位ID、2位状态(移动和电池)以及3位循环冗余码校验(CRC)的12位协议。该检测器优选使用侧缘检测以便得到到达的标签响应的精确时间戳。侧缘检测要求第一位设定为0，从而将ID范围限至为1-31。

12位协议并不是必需的。例如，在其它实施中使用了28位协议。这也纯粹是示范性的。可以改为使用合适的任何其它协议。

如先前提到的，当在给定时间内没有检测到基站请求时，可以为这些标签提供‘超时’模式。该标签然后即使没有检测到请求也可以发送消息。例如，当发送这种消息时，该标签可以使用不同的标识值。

实验

在包括根据本发明构造的标签的实验设置中，以不同的频率发送超声波来测试标签接收机电路灵敏度。通过直接从微控制器中读出所检测的频率来执行初始测试。LED还用于指示所检测的信号的频率范围，将该范围划分为三个间隔，每个间隔与三种可能的颜色之一相对应。观测到的是，接听电路能够区分超声波频率达到至少12米。

用图3中阐述的‘等待请求’例程对标签进行编程。这种例程(在受限的频率范围内)对有效频率跳跃的数目进行计数，并且只要检测到的有效频率跳跃的数目低于某个阈值就运行。这样，能够通过发送许多频率直到该标签已经记录了进行应答的足够跳跃，由该基站标签产生请求信号。在多标签系统中，每个标签能够在某个频带内接听跳跃。这样，能够产生不同的请求信号。这些测试使用具有两个不同长度的四个不同频率对。这样，能够产生八个不同的请求。

第二方法包括让该标签接听某个频率并且记录该频率上的信号的长度。使用八个频率，每个标签能够接听在八标签系统中唯一的频率。在该测试中发现该方法比频率跳跃检测方法更加灵敏，但是会受到回声效应的影响。

在测试期间，发现使用任何一种技术，标签都完全能将超声波频率彼此区分开。也可以使用这两种方法的结合。

还执行了检查时序并确定由即接听例程造成的在标签处的发射中的固有延迟的测试。使用了带有LabView的德州仪器(Texas Instruments)DaqPad工具。通过触发基站标签电流并利用靠近响应标签放置的麦克风测量声压来捕获信号。在图9中，示出了基站标签电流102与来自响应标签的声压104的关系曲线。

针对直接指向请求标签的响应标签的不同距离(0.5m-6m)来执行该测试，以便确定常数偏量。如图10所示，该偏量利用线性回归来计算。在公式3中使用该值(t₀＝18.2ms)，可以估计出该距离。

上述测试表明，使用TOF测量来估计距离是可能的。

Claims (9)

1.一种超声波位置确定系统，包括基本单元和至少一个移动单元，所述移动单元和基本单元中的每一个可操作地发射和接收超声波信号，

其中所述基本单元适于发射合适频率的超声波信号，并且适于确定预定信号从所述移动单元传递到所述基本单元所花的时间，从而计算所述移动单元和所述基本单元之间的距离，

其中所述移动单元具有换能器、用于所述换能器的驱动器、微控制器以及用于在接收模式和发射模式之间对所述换能器进行切换的开关，并且只要所述换能器拾取到处于所述合适频率上的信号，所述移动单元就适于保持在所述接收模式下以监测由所述移动单元接收的发射，并且适于检测所述基本单元所进行的发射中的中断，

其中当检测到发射中的中断时，所述微控制器被设置为发送信号给所述开关以将所述换能器切换到所述发射模式，并且发送信号给所述驱动器以产生将由所述换能器发射的响应信号，并且

其中所述微控制器被编程为，一旦检测到发射中的中断就发起所述响应信号，或者在预定的事先考虑好的延迟之后发起所述响应信号。

2.如权利要求1所述的超声波位置确定系统，其中所述系统具有多个移动单元，每个移动单元在向所述基本单元发射其信号之前，被分配从停止由所述基本单元进行的发射起的唯一延迟。

3.如权利要求1或2所述的超声波位置确定系统，其中所述移动单元被配置为在提示它进行发射的条件已经被满足之后尽块进行发射。

4.如先前的任何一项权利要求所述的超声波位置确定系统，包括多个移动单元，其中所述移动单元能够区分来自所述基本单元的发射和来自其它移动单元的发射。

5.如先前的任一项权利要求所述的超声波位置确定系统，包括多个相互独立地可移动的移动单元。

6.一种移动单元，可操作地发射和接收超声波信号，所述移动单元包括换能器、用于所述换能器的驱动器、微控制器以及用于在接收模式和发射模式之间对所述换能器进行切换的开关，

其中只要所述换能器拾取到处于合适频率上的信号，所述移动单元就适于保持在所述接收模式下以监测由所述移动单元接收的发射，并且适于检测由基本单元所进行的发射中的中断，

其中当检测到发射中的中断时，所述微控制器被设置为发送信号给所述开关以将所述换能器切换到所述发射模式，并且发送信号给所述驱动器以产生将由所述换能器发射的响应信号，并且

其中所述微控制器被编程为，一旦检测到发射中的中断就发起所述响应信号，或者在预定的事先考虑好的延迟之后发起所述响应信号。

7.如权利要求6所述的移动单元，其中所述移动单元为包含超声波发射机和接收机以及相关处理装置的独立式设备。

8.如权利要求6或7所述的移动单元，被配置为在停止由所述基本单元进行的发射的预定时间之后发射所述信号。

9.如权利要求6至8中任一项所述的移动单元，其中所述单元进一步包括它自己的电源。

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