CN101498781A - 独立定位器以及自治超声波定位系统和方法 - Google Patents

独立定位器以及自治超声波定位系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于跟踪和定位目标的定位器以及使用该定位器的自治超声波定位系统和方法。所述系统包括：安装在移动目标上的标签设备，该标签设备包含射频(RF)和超声波发射器，用于发射RF和超声波信号；以及定位器，用于接收所述标签设备发射的RF和超声波信号，以定位和跟踪目标的位置。其中所述定位器包括多个叶模块，各个叶模块包含用于接收来自所述标签设备的定位信号的定位信号接收器，其中所述多个叶模块之间具有已知的结构化拓扑关系。各个定位信号接收器的定位信号检测时间以及所述已知的结构化拓扑关系随后被用于计算目标的位置。本发明的定位器相对于现有技术具有高度精确、容易部署、无需校准、低成本以及容易协调等特点。

Description

独立定位器以及自治超声波定位系统和方法
技术领域
本发明涉及室内定位系统(Indoor Location System，ILS)和位置感测，更具体而言，涉及一种基于超声波的独立定位器以及使用其的自治超声波定位系统和方法，用于定位和跟踪目标的位置。
背景技术
在普适计算环境中，需要使用ILS来提供定位服务以增强现有应用以及实现新的应用。当前，在很多不同的应用领域(例如医疗、安全、煤矿、地铁、智能建筑、餐馆等等)中，对于高度精确地实时跟踪人和物的位置的市场需求越来越强烈。以下列出了一些可能的应用情形。
在办公室环境中，要求雇员在某一安全区域内访问机密信息数据库。在该区域之外，任何访问都将被禁止。例如，不同组的成员可以在他们的工作区内访问他们组的信息数据库，或者某些安全计算机仅仅在它们处于某一区域内时才能被使用。以上这些原则可以通过使用基于位置的服务(Location-based Service，LBS)来实现。而且，LBS在雇员没有固定办公桌的办公室环境中尤其有用，因为ILS可以提供显示交互式的实时地图的能力，所述实时地图能够示出谁在办公室内以及他们的位置。
另外，在医院里，可以通过使用ILS来实时跟踪医护人员和所用器械，从而可以大大简化记录的保存和工作流程。例如，当医生靠近病人时，在其携带的笔记本电脑上可以自动弹出相关的记录，并且显示已填充了当前数据的表格，从而医生只需要记录任意附加细节即可。
LBS可以在日常工作生活中带给用户新的人机交互体验。当用户在计算机前面时，计算机知道该用户是谁并在屏幕上自动显示他/她的桌面。想象一下，当用户正在观看一段视频时，如果用户出于某种原因而突然离开，计算机可以智能地暂停该视频。并且当用户回来时，计算机将继续播放该视频文件。这里还包括其他示例，例如，如果有找用户的电话打进来，该电话呼叫可以被自动路由到靠近用户的电话。
另外，在对于军事人员、消防员、运动员等专业人员的训练中，也可以使用ILS来大大增强和改进相关应用。
基本上，ILS是一种在很多应用领域和工业中被广泛采用的技术。上述应用情形仅仅是所有可能的应用中的一小部分示例。
如上所述，由于对于精确地实时跟踪与定位人和物的市场需求越来越大，已经开发出很多定位系统来提供基于位置的服务。但是，这些系统尚无法令用户满意，并且目前，它们中的大多数还停留在实验室或大学的研究阶段中。用户对这些系统不满意的一个主要原因在于这些系统的安装和校准很困难，而定位系统在使用前对其进行安装和校准是必不可少的。总体来看，现有定位系统主要面临以下几方面挑战：
(1)高安装成本
当前的定位系统总是需要用户在将被覆盖的房间里安装很多不同种类的传感器作为参考点，因此对于用户而言，安装过程很麻烦。例如，用户需要在墙上打孔、布线、提供电源等等。
(2)手工校准
定位系统安装好之后，参考点的实际位置需要首先被校准，然后才能投入使用。当前的这种校准过程主要是依赖于用户手工执行，因此非常麻烦并且不精确。另一方面，基于学习的定位系统基本上在离线训练阶段获得信号空间和物理空间之间的映射，该过程也是需要用户手工执行的。
(3)复杂的网络协议
很多当前的定位系统都需要维护复杂的信令和网络协议来协调传感器网络内的同步和数据处理等等。环境干扰所引起的传感器间协调的不精确将导致目标定位的不精确。
一般而言，现有技术中常用的室内定位系统主要有三种：红外、射频(RF)和超声波定位系统。例如，在R.Want的题为“Infrared BeaconPosition System”的美国专利No.6,216,087中公开了一种红外定位系统“Active badge”(下称“Active Badge”系统)，其建立在双向红外链路上，其中在每个房间中部署一个红外信标，移动单元是一个很小并很轻的红外收发器，该红外收发器每隔固定间隔广播一次特有的ID。由于红外信号难以穿透墙壁，因此ID广播被容易地包含在办公室内，从而提供房间粒度上的高度精确的定位。
另外，在Proc.IEEE INFOCOM，2000中提出了一种被称为“RADAR”的基于RF的用户定位和跟踪系统(下称“RADAR”系统)，其基于接收到的802.11无线网络的信号强度来进行定位。基本的RADAR定位方法通过两个阶段执行。首先，在离线阶段，系统被校准，并且对在围绕目标区域分布的有限多个位置上的接收信号强度建模。其次，在在线操作期间，在目标区域中，移动单元报告从每个基站接收的信号强度，并且系统确定在线观察和离线模型中任意点之间的最佳匹配。最佳匹配点的位置被报告为移动单元的估计位置。
下面将描述几种当前现有技术中的超声波室内定位系统。
首先，在Jones的题为“Detection system for determining positional andother information about objects”的美国专利No.6,493,649中描述了一种“Bat”系统，其中用户佩戴一种小徽章，该小徽章在被中央系统无线电触发时发射超声波脉冲。系统确定脉冲从小徽章到安装在天花板上的密集接收器阵列的到达时间(TOA)，并基于多边算法(multilaterationalgorithm)来计算小徽章的三维位置。
另外，在2000年8月美国波士顿的第六届国际移动计算和联网会议(Sixth International Conference on Mobile Computing and Networking)的会议记录中提出了另一种“Cricket”定位系统，其中在建筑物内分布多个独立的不相连的信标。信标同时发送RF信号和超声波脉冲。由用户携带的被称为监听器的小设备通过飞行时间(time-of-flight)方法来推断他们的位置。
另外，S.Holm的题为“A system and method for position determinationof objects”的专利No.WO 03/087871中也提供了一种基于超声波的室内定位系统，即“Sonitor”系统，用于实现房间粒度上的精确定位。在Sonitor系统中，标签设备(tag)发射20kHz到40kHz的超声波信号到位于监听区域中的接收器。通过调频，每个标签设备可以传输特有的信号到接收器，接收器使用某种算法读取信号，然后将不同标签设备的ID转发到中央服务器。
以下表1示出三种不同信号(红外、RF和超声波)被用于室内定位应用时，它们之间的详细比较。为了便于说明，这里分别针对三种信号选择当前三种代表性系统，即用于红外的“Active Badge”系统、用于RF的“RADAR”系统和用于超声波的“Bat”系统。
表1
 
红外(Active Badge) RF(Radar) 超声波(Bat)
精确度 房间粒度 3～6m 3～5cm
定位策略 近似(Proximity) RSSI模型 基于TOA的三角测量
范围 5m 100m 10m
传播速度 3*108m/s 3*108m/s 340m/s
工作频率 20M～45MHz 433M，915M，2.4GHz 40K Hz
需要外在动作 是 否 否
成本 低 昂贵 低
功耗 低 低 低
健康影响 一些 一些 若SPL<110dB，则无害
典型干扰 环境光、反射 多路径、扰动 环境噪声、反射
注释：RSSI表示接收信号强度；TOA表示到达时间；SPL表示声压级。
基于表1可以基本上总结出：基于红外的定位系统由于其精确度低并且易受自然光影响而很少使用，而是用信号强度来估计位置的RF系统由于RF在建筑物内的传播严重偏离经验算术模型而无法获得令人满意的结果。因此，基于超声波的定位系统由于其精确度高并且实现成本低而越来越多地被用户所采用。此外，与其他信号(例如RF)相比，由于超声波信号行进较慢而无需昂贵的高精度振荡器。
但是，当前现有技术中的超声波定位系统通常存在以下几方面缺陷。
1.这样的联网系统对于实际情形难以部署，需要很高的安装和维护成本；
2.需要手工标记所有超声波传感器的实际位置的工作很麻烦；
3.在发射器、接收器和基站之间需要复杂的信令和网络协议来实现同步和经由无线链路传输数据。并且由于软件/硬件和环境干扰所引入的时间抖动(jitter)将导致定位不精确；并且
4.由于需要至少三个距离样本才能估计目标的位置，因此需要在建筑物中部署非常密集的超声波传感器，因此系统成本很高。
具体而言，对于上面提到的现有技术中的超声波定位系统，存在以下缺陷。首先，对于“Bat”系统，其需要在天花板上部署密集的超声波接收器网络，并且其用于定位目标的多边算法需要至少4个距离样本才能估计目标的位置。对于“Cricket”系统，除了一般的问题之外，它是一种位置支持系统而非位置跟踪系统，因此客户端一侧需要足够的计算功率才能推断出它们自己的位置。如果实现跟踪，目标则需要将它们的位置报告服务器，这可能导致更多的RF信道拥塞。Cricket接收器一次只监听一个超声波信标，并且可能在不同的信标之间移动。这样一来，无法确保距离样本的同时性，从而导致不准确的位置估计。对于“Sonitor”系统，它易受环境噪声、反射和Doppler漂移等干扰的影响。并且该系统还需要采用宽带超声波传感器，这增加了系统成本。
发明内容
基于以上分析，如何设计一种高度精确、容易部署、无需校准、低成本并且容易协调的定位器以及定位系统是本发明的主要目标。本发明提供了一种自治超声波室内跟踪系统(AUITS)，用于定位和跟踪建筑物内的目标。该AUITS系统的关键点在于一种独立定位器，其在这里被称为POD(Positioning on One Device)。当不使用时，POD处于收缩状态(看起来像一个飞盘)，其可以根据用户需求被容易地安装在任何地方。当使用时，POD可以打开并伸出若干像伞的骨架一样的可伸缩杆，在每个杆的末端有一个超声波接收器。由于展开的POD的拓扑是固定的，因此这些接收器的空间坐标可以容易地计算出，因此不再需要对超声波接收器的坐标进行手工校准。除此之外，由于接收器都位于一个设备上，因此不再需要复杂的基于无线的信令和网络协议。当POD被部署时，将被定位的目标携带有具有超声波发射器的标签设备，该目标工作在活动发射模式中。这样一来，POD和所述标签设备构成了本发明所提出的AUITS系统。
根据本发明第一方面，提出了一种用于定位目标的定位器，包括：多个叶模块，各自包含用于接收来自所述目标的定位信号的定位信号接收器，其中所述多个叶模块之间具有已知的结构化拓扑关系；和计算模块，用于根据各个所述定位信号接收器的定位信号检测时间以及所述结构化拓扑关系来计算所述目标的位置。在一些实施例中，定位器还可以包括头模块，其包含用于接收同步信号的同步信号接收器；以及用于执行与所述目标同步的同步单元。
根据本发明第二方面，提出了一种利用定位器定位目标的方法，所述定位器包括多个叶模块，各自包含用于接收来自所述目标的定位信号的定位信号接收器，其中所述多个叶模块之间具有已知的结构化拓扑关系。所述方法包括：启动各个所述定位信号接收器并记录启动时间T0，i，其中i表示第i定位信号接收器的索引；各个所述定位信号接收器接收来自所述目标的所述定位信号，并记录定位信号检测时间Δt，i；并且基于各定位信号检测时间和所述结构化拓扑关系计算所述目标的位置。
根据本发明第三方面，提出了一种用于定位目标的自治超声波跟踪系统，包括：安装在所述目标上的标签设备，该标签设备包含定位信号发射器，用于发射定位信号；定位器，用于定位所述目标的位置，其中该定位器包括多个叶模块，各个叶模块包含用于接收来自所述目标的所述定位信号的定位信号接收器，并且所述多个叶模块之间具有已知的结构化拓扑关系；以及位置计算模块，用于根据所述定位器的各个定位信号接收器的定位信号检测时间以及所述结构化拓扑关系来计算所述目标的位置。
根据本发明第四方面，提出了一种超声波签名方法，包括：获取特定于目标的ID代码；将所述ID代码编码到将发射的超声波脉冲序列中；以及发射经编码的超声波脉冲序列。在一个示例中，在移动目标处生成唯一的ID代码并通过改变超声波脉冲之间的时间间隔将其调制到一系列超声波脉冲上。当然，本发明并不局限于该特定超声波签名方法。在其他示例中，还可以采用本领域公知的时间编码、调幅、调频、调相等手段来实现超声波签名。
根据本发明第五方面，提出了一种标签设备，包括：同步信号发射器，用于发射同步信号；以及定位信号发射器，用于发射定位信号，其中在发射所述同步信号之后等待一段预定时间，然后发射所述定位信号。
相对于现有技术，本发明所提出的AUITS系统具有以下优点：容易部署、无需校准、设备内协调、更高精确度以及灵活性。
本发明的AUITS系统采用自治定位设备(POD)来处理超声波信号的收集并进行位置推断，而没有像传统技术那样采用联网的超声波传感器，因此其安装和维护更容易。另外，POD的结构拓扑被设计成使得头模块和叶模块的空间坐标(即结构拓扑关系)可以通过公式自动获得，因此不再需要手工校准。
另外，如上所述，本发明针对POD的构造提出了基于角色区分策略的协作机制。由于头模块和叶模块处于一个设备上，因此虽然它们被分配了不同的职责，但是它们之间可以进行设备内协调以执行移动目标的定位与跟踪。除了设备内协调之外，本发明提出的后退同步(back-off)方法可以抑制头-叶模块同步中的时间抖动，从而进一步提高定位的精确性。
另外，本发明提出的超声波签名方法可以针对被定位的每个目标分配唯一的ID代码，并将该ID代码调制到一系列超声波脉冲中，从而使得本发明的AUITS系统可被灵活地应用于多个移动目标的准确跟踪。
附图说明
结合附图，从下面对本发明优选实施例的详细描述，将更好地理解本发明，附图中类似的参考标记指示类似的部分，其中：
图1是示出根据本发明的自治超声波室内跟踪系统(AUITS)100的整体构造的框图；
图2是示出根据本发明一个实施例的AUITS系统200的内部框图；
图2A和2B分别示出根据本发明的独立定位器(POD)和标签设备的硬件结构的PCB布局图；
图3是示出根据本发明的POD的典型结构示例的示意图，其中分别示出包含n＝3，4，6个叶模块的情形；
图4是示出根据本发明的POD的安装过程的示意图；
图5是示出根据本发明的AUITS系统基于角色区分策略的工作流程的示意图；
图6是示出根据本发明的AUITS系统的操作600的流程图；
图7是用于说明同步过程中的比特对齐误差的示意图；
图8是用于说明根据本发明的AUITS系统中标签设备和POD的交互工作过程的时序图；以及
图9示出根据本发明另一实施例的AUITS系统900的内部框图。
具体实施方式
图1是示出根据本发明的自治超声波室内跟踪系统(AUITS)100的整体构造的框图。如图所示，该系统100包括独立定位器(POD)101、目标所携带的标签设备102以及上下文信息服务器103。在系统100中，由目标携带的标签设备102可以发射RF信号(同步信号)和超声波脉冲(定位信号)。安装在天花板上的POD 101基于超声波脉冲到达时间(TOA)并利用自适应融合(adaptive fusion)策略来推断目标的位置。
图2是示出根据本发明一个实施例的AUITS系统200的内部框图。如图所示，标签设备201可以包含存储器203，其例如存储有特定于目标的ID代码。在随后的通信中，该ID代码可以被包括在将发射的同步信号或定位信号中，以被发送到接收端(例如POD 202)。接收端可以根据该ID代码来识别不同的目标。例如，在随后将描述的另一实施例中，ID代码被编码到超声波脉冲序列中(即，超声波签名方法)。从而，接收端可以通过解码超声波脉冲序列来获得不同目标的ID代码。关于超声波签名方法，随后将结合图9详细说明。另外，标签设备201还可以包括微控制器204、RF收发器205和超声波发射器206，其中超声波发射器206可以是工作在单个频率(例如40kHz)上的窄带超声波发射器。
在图2所示示例性AUITS系统200中，POD 202被示为包含头模块209和多个叶模块207-1、207-2...207-N，它们具有已知的特定结构化拓扑。参考图3，其示出根据本发明的POD的几种典型结构示例的示意图，其中分别示出包含n＝3，4，6个叶模块的情形。由图3可以看出，在POD中，头模块和叶模块被布置在同一设备上，并且在工作状态中，头模块位于POD的中心，而多个叶模块像伞的骨架一样围绕中心的头模块进行布置。通常，结合实际应用，POD可以被设计成可伸缩的结构。在不工作时(收缩状态)，POD的初始形状像一个收缩的飞盘，其中位于中心的头模块被多个叶模块紧密围绕。当工作时(伸展状态)，叶模块向外伸出，从而使得整个POD呈伞状外形。返回图2，POD 202的头模块209包含RF收发器213和超声波接收器214，而每个叶模块207只包含超声波接收器208。头模块和叶模块之间例如可以通过可伸缩或者可折叠的导线链接。在一个实施例中，由头模块209负责执行目标位置的计算。在此情况下，头模块209可以包含位置计算单元210、同步单元211以及存储器212。存储器212(例如闪存)可以用于存储POD的已知结构化拓扑。例如，在一个实施例中，可以存储头模块和各个叶模块的已知空间坐标。在另一实施例中，可能在相对坐标系下定位目标，即计算目标相对于POD的位置，这样在安装时无需记录每个叶模块的坐标，只要根据公式计算叶模块同头模块的相对位置关系即可。同步单元211根据接收到的同步信号(例如RF信号)执行后退同步来抑制头模块和叶模块之间的同步中发生的时间抖动(随后将详细描述)。位置计算单元210根据各个超声波接收器检测到的超声波脉冲到达时间(TOA)以及POD的已知结构化拓扑关系来计算目标的位置。
在本发明的实施例中，超声波脉冲作为示例被用作定位信号(测距信号)，所述位置计算单元210利用各个接收器的超声波脉冲检测时间TOA来计算目标的位置。但是，本发明并不局限于该具体示例。在其他实施例中，例如声波、次超声波以及其他比电磁波信号慢的机械波等等都可以被实现作为本发明的定位信号。
另外，在图2所示示例中，头模块209的位置计算单元210被用于计算目标的位置。但是，本发明并不局限于此。根据实际需要，可以由叶模块或独立于POD的外部服务器来根据定位信号检测结果计算目标的位置。
图2A和2B分别示出根据本发明的POD和标签设备的硬件结构的PCB布局图。如图2A所示，根据本发明，为了实现POD的伞状拓扑结构，在进行PCB电路设计时需要进行相应拓扑的电路设计，例如设计散射状的接口电路。另外，为保证叶模块可伸展，需要采用伸缩杆、折叠杆或类似结构连接头模块与各个叶模块。
在图2A所示硬件图上，POD的头模块209被示为包括头模块处理器，用于执行同步、TOA结果的记录以及计算目标位置等等功能。但是，本发明并不局限于该具体示例。在另一实施例中，POD的叶模块207也可以包括叶模块处理器，从而使得叶模块可以自行记录各自的TOA测量结果，并由叶模块之一根据头模块发送的同步时间、超声波接收器启动时间以及POD的已知结构化拓扑关系等来计算目标位置。另外，在叶模块包含处理器的情况下，根据实际应用的需求，头模块处理器和叶模块处理器可以被布置在同一PCB主板上，也可以分开布置。
如图2A所示，头模块209除了包含用于执行核心操作的处理器、用于接口叶模块的头-叶连接器以及前述RF收发器和超声波接收器之外，还可以包括编程接口、通信接口、电源、LED和存储器等等。由于这些组件均是本领域技术人员已知的常用组件，因此这里不再赘述。
另外，如前所述，在又一实施例中，叶模块以及头模块测量得到的TOA以及RSS结果可以被发送到外部的服务器，由外部服务器执行计算以定位目标的位置。
为了简化说明，在下文中以头模块执行位置计算的情况为例进行说明。当然，本领域技术人员容易理解，本发明可以被类似地应用到由叶模块或外部服务器计算目标位置的情况。
图2B示出标签设备的硬件结构的PCB布局图。如上参考图2所述，标签设备201可以包括处理器、RF收发器和超声波发射器。类似于图2A，对于本领域技术人员已知的常用组件，例如编程接口、通信接口、电源、LED和存储器等，这里不再赘述。存储器可以用于存储特定于该标签设备的ID代码。关于利用ID代码的超声波签名方法随后将被描述。
下面首先参考图3和4来说明根据本发明的独立定位器POD的结构拓扑和安装过程。图3是示出根据本发明的POD的典型结构示例的示意图，其中分别示出包含n＝3，4，6个叶模块的情形。图4是示出根据本发明的POD的安装过程的示意图。
如前所述，超声波传感器(接收器)的安装和校准是影响定位系统在实际应用中是否可行的重要因素。在诸如“Bat”或“Cricket”系统中，确定参考点(超声波接收器或信标)在系统中的初始位置是安装过程中必不可少的部分。在传统系统的校准阶段，参考点的空间坐标应该被精确地确定，以实现更高的定位精确度。但是，手工校准给用户带来极大的麻烦并且可能引起误差。
相反，根据本发明的POD的结构属性具有极大优势，其大大简化了校准过程并且提高了校准精确度，从而使得可以实现基于结构的自治自校准。本发明的POD被设计成单个设备，其集成了多个超声波接收器，并且具有已知的结构拓扑。在POD的体系结构中，各个叶模块之间的角度以及叶模块到头模块的距离是固定的，因此不再需要对角度和距离进行测量。在校准阶段，只需要对头模块的空间坐标进行手工测量，而各个叶模块的坐标可以根据公式自动得出。例如，在图3所示示例中，分别示出包含3、4、6个叶模块的情形。假设第一叶模块的方向被设置为X轴，各个叶模块到头模块的距离相等，均为l，则各个叶模块的空间坐标可以由以下公式确定：
x i = x 0 + l &CenterDot; cos ( 2 &pi; &CenterDot; ( i - 1 ) n ) y i = y 0 + l &CenterDot; sin ( 2 &pi; &CenterDot; ( i - 1 ) n ) - - - ( 1 )
其中，(x0，y0)表示头模块的空间坐标，(xi，yi)表示在逆时针方向上第i叶模块的空间坐标，l表示叶模块到头模块的距离，n表示叶模块的总数目。
由此可见，与现有技术的传统定位系统相对照，POD更易于实现校准。
图4示出POD的安装过程。POD可以被容易地安装到被测空间中的任何位置(例如天花板上)，并且在安装之后，各个叶模块的坐标可以通过以上公式(1)自动获得。
下面，将参考图5-8详细说明根据本发明的AUITS系统的工作流程。
在传统的超声波定位系统中，所有接收器模块具有相同的功能，并且还需要一个额外基站来收集信号和推断目标位置。在超声波接收器和基站之间需要复杂的信令和网络协议，从而导致系统成本很高。相反，在本发明中，对于POD的构造提出一种角色区分策略，其中头模块和叶模块被分配以不同的工作并协作完成移动目标的跟踪。在本发明中，头模块和叶模块的职责可以被划分如下：
●头模块执行的功能可以包括获得POD的已知结构化拓扑、接收来自目标的同步信号和定位信号、执行与目标的同步以及进行位置计算。
●叶模块的任务可以包括从目标接收定位信号并向头模块报告定位信号检测时间。
当然，头模块和叶模块的任务划分并不局限于这里所述示例，本领域技术人员可以根据实际应用来具体划分头模块和叶模块的不同职责。例如，叶模块可以自行存储定位信号检测时间并据此计算目标的位置。再例如，在POD与目标精确同步的情况下，POD可以不包括头模块，而完全由叶模块执行定位信号的检测、记录以及目标位置计算。
图5示出根据本发明的AUITS系统的工作流程的一个示例。其中包括以下步骤：
在步骤S101中，目标所携带的标签设备首先发送同步信号(例如RF信号)，并且在后退时间(随后将描述)之后，再发送定位信号(例如超声波脉冲)。
在步骤S102中，头模块接收到RF信号，从而使其自身以及所有连接的叶模块与标签设备同步，以启动其自身以及叶模块处的超声波接收器等待接收随后将到达的超声波脉冲。RF信号的接收信号强度(RSS)在头模块处被测量。另外，如前所述，标签设备可以在发射的RF信号中包含特定于目标的ID代码，从而标识不同的目标。因此，在步骤S102的同步过程中，头模块还可以从接收到的RF信号中获得用于标识目标的ID代码，以实现更可靠的跟踪。
这里需要指出，虽然在本实施例中，头模块利用RF信号来执行与目标的同步。但是，本发明并不局限于该具体示例。例如，POD也可以利用红外信号、微波信号或可见光来实现与目标的同步。此外，在叶模块本身具有适当处理器的情况下，同步过程也可以由叶模块来执行，只要该叶模块具有用于接收来自目标的同步信号(例如RF、红外、微波或可见光信号)的设备即可。
在步骤S103中，叶模块检测到由标签设备发射的超声波信号，并将检测时间报告给头模块。头模块基于TOA计算从相应叶模块到标签设备的距离，并利用自适应融合策略来进行位置推断。
在步骤S104中，定位结果通过有线或无线网络从POD发送到上下文信息服务器。
图6更详细地示出AUITS系统的操作示例600的流程图。过程600开始于步骤601，其中标签设备101发射RF信号。这里，RF信号被POD102的头模块所接收。头模块还可以记录RF信号的接收信号强度(RSS)以备后用。在步骤602，头模块执行与标签设备的同步，并记录同步时间S0。在同步之后，头模块在步骤603向所有叶模块发送“打开”命令，以使得在步骤604处头模块自身和叶模块同时启动它们的超声波接收器，从而等待接收来自标签设备的超声波脉冲。这里，头模块记录超声波接收器的启动时间T0。在标签设备101处，在发射RF信号之后，标签设备等待一段后退时间TBACKOFF(随后将描述)，然后发射超声波脉冲(步骤605)。在步骤606处，叶模块检测到标签设备发射的超声波脉冲，并将检测时间Δt，i报告给头模块(步骤607)。然后在步骤608中，头模块基于叶模块报告的超声波脉冲检测时间Δt，i并根据POD的已知结构化拓扑来计算各个叶模块到标签设备的距离，并进而推算出目标的位置。在步骤608中，为了进一步提高位置测量精度，由头模块检测到的RF信号的RSS也可以被利用以辅助目标位置计算。最后，在步骤609中，头模块将定位结果报告到上下文信息服务器103。
在AUITS系统中使用的TOA方法测量超声波的传播时间并将其乘以超声波速度以指示发射器和接收器之间的距离。为了精确地测量TOA，接收器在执行定位信号检测之前首先与发射器的时钟执行同步。因为超声波的速度大约为340米/秒，因此如果时间同步上存在1毫秒误差，距离测量上就将存在34厘米误差，由此可见时钟同步对于提高测量精度是非常重要的。在根据本发明的AUITS系统中，由于工作流程而引入了一些潜在的时间不确定性。基于POD的结构拓扑，提出以下同步方案来消除标签设备通信以及设备内协作中存在的时间不确定性。
首先，标签设备和头模块的时钟通过标签设备发送的同步信号(例如RF信号)被同步。在AUITS系统中，头模块可以准确地知道标签设备在何时发送某一字节。由于无线电波传播速度足够快，因此可以认为经由RF发送和接收一个字节是同时发生的。因此，发射和接收两方在字节级别上是“同步的”。但是，由于软件开销和/或硬件/软件干扰的影响，在字节级别上同步的发射器和接收器在同一比特可能不同步。图7是用于说明头模块-标签设备同步中的比特对齐误差的示意图。如图7中的(a)所示，理想情况是标签设备和头模块在同一比特上同步。在此情况下，发射器和接收器的时钟完全同步。但是，通常情况下，由于软件/硬件延迟而可能导致存在比特偏移，如图5中的(b)(c)所示，从而导致同步误差。
在本发明中，提出一种补偿方法来通过在接收器一端测量比特偏移来消除这种误差。实际上，在一个示例中，可以通过调用TinyOS的低层功能来获得同步字节的当前比特索引。该比特索引指示出接收器比发射器滞后多少。由于考虑比特偏移，因此该值在0和7之间。值0指示滞后最多，7指示没有滞后。这里将通过比特对齐测量补偿的时间记作Tcomp，将发射器和接收器的同步时间记作S0，则发射器(标签设备)发送同步字节的时间为S0-Tcomp。应该了解，消除标签设备和头模块之间同步误差的方法并不局限于这里所述的方法，本领域技术人员容易想到其他方法来消除该误差。
在头模块与标签设备同步之后，如图6所示，头模块向所有叶模块广播“打开”命令以启动它们的超声波接收器。该命令用于同时启动头模块和叶模块的所有超声波接收器。根据POD的对称结构拓扑，在所有叶模块处的超声波接收器几乎同时接收到“打开”命令。在实验中，它们接收到该命令的时间差小于30微秒(即距离误差小于1厘米)。因此，这里认为头模块和所有叶模块的超声波接收器同时伸展打开，并将打开时间记作：
Ti＝T0，i＝1，2...n     (2)
其中，T0表示头模块处超声波接收器的启动时间，Ti表示第i叶模块处的超声波接收器的启动时间。因此，根据本发明，不需要在所有叶模块处测量Ti，而只需在头模块处测量其超声波接收器的启动时间T0即可。通过以上分析，我们已知S0表示头模块-标签设备同步时间，T0表示POD的超声波接收器的启动时间。但是，由于软件/硬件中断和延迟，时间间隔T0-S0不是一个固定值。在各种情况下测量到的T0-S0的时间抖动可能大于1000微秒，因此必须在每次目标定位测量时对其进行测量。
S0和T0是一对时间戳，它们都在头模块处被测量，这比在所有叶模块处测量要简单容易得多。这种简化同样得益于POD的结构设计。在每次目标定位时，S0和T0被在线记录，因此从RF同步到超身波接收器启动之间的时间不确定性得到控制。
在传统的超声波定位系统中，RF和超声波信号是同时从移动标签发射的。因此，超声波检测器应该在接收到RF信号时同时伸展打开。但是，这不适合于本发明的AUITS系统。由于头-叶模块之间的延迟，如果标签设备广播的RF信号和超声波脉冲同时发射，超声波接收器则可能错过超声波的第一峰。
这里，本发明提出后退时间同步方案来解决这个问题。就是说，在标签设备一侧，在发射RF和超声波信号之间插入了恒定的后退时间TBACKOFF。其目的是确保头模块和叶模块都能够在打开它们的超声波接收器之后检测到超声波信号的第一峰。在接收器一侧，应该推断超声波脉冲的发射时间应该为S0-Tcomp+TBACKOFF。当叶模块检测到超声波时，其记录响应时间Δt，i并将该时间发送回头模块。该时间Δt，i是从超声波接收器启动(T0)到在第i叶模块处检测到超声波的时间。因此，由第i叶模块测量的超声波的传播时间可以被计算为：
TOAi＝(T0+Δt，i)-(S0-Tcomp+TBACKOFF)  (3)
其中S0，Tcomp和T0可以在头模块处测量得到，Δt，i由叶模块测量并被报告给头模块，TBACKOFF是一个恒定值。因此，等式(3)中的所有值对于头模块而言都是已知的，超声波在到达第i叶模块处的超声波接收器之前的传播时间TOAi可以被头模块计算出。
图8是用于说明AUITS系统中标签设备和POD之间的交互工作过程的时序图，其中可以更清楚地说明上述后退同步方案。基于后退同步方案，POD可以准确而有效地计算出移动目标携带的标签设备和每个接收器叶模块之间的距离。
如前所述，POD可以在通信过程中(例如在与标签设备的同步阶段)从接收的RF信号中获取特定于目标的ID代码。但是，在另一实施例中，所述ID代码也可以通过编码超声波脉冲序列而被传输到POD。下面，将参考图9来详细描述利用超声波传递ID代码的超声波签名方法。
图9示出根据本发明另一实施例的AUITS系统900的内部框图。与图2所述实施例相对照，在图2所示实施例中，标签设备只需要发送不包含信息的超声波脉冲，以便测量标签设备和POD之间的距离。与图2所示AUITS系统200相比，在图9所示实施例中，标签设备201还包括超声波签名编码器901，相应地，POD 202的头模块209还包括超声波签名解码器902。
在图9所示示例中，超声波签名解码器902被示为头模块209的一部分。但是，本领域技术人员将会意识到，本发明并不局限于该具体示例。根据实际应用，超声波签名解码器902也可以位于叶模块207中或者作为独立的模块被包括在POD 202中。
在本实施例中，在标签设备一侧，超声波签名编码器901可以利用特定于移动目标的ID代码(ID签名)对超声波脉冲进行编码，以生成经编码的超声波脉冲分段。当经编码的超声波被广播时，POD将其捕获，其中的超声波签名解码器902对该超声波信号进行解码，以得到其中的ID代码，从而能够更可靠地跟踪个体目标。
在AUITS系统的一个示例中，标签设备利用具有窄发射频率范围(例如40kHz)的低成本超声波发射器来发射超声波，因此无法像Soniter系统那样通过改变发射的超声波频率来编码超声波。相反，标签设备被配置为快速连续地发送一系列单频超声波脉冲。具体而言，移动目标的ID代码可以通过根据一组预定的时间间隔改变一系列脉冲中每个脉冲的传输时间而被编码到这些超声波脉冲中。例如，假设存在n比特ID代码{c1，c2，c3，...cn}，则一系列超声波脉冲的传输间隔可以被定义为：
Intvl = MinIntvl if c i = 0 2 * MinIntvl if c i = 1 - - - ( 4 )
其中，MinIntvl表示脉冲之间的最小间隔。
本领域技术人员将会意识到，针对ID代码的超声波编码方法并不局限于上述示例，在采用不同的超声波发射器的情况下，可以根据实际需求采用其他本领域公知的编码方法对超声波脉冲序列进行编码，例如时间编码、调幅、调频、调相等等。
以上分别参考附图详细描述了根据本发明的独立定位器(POD)的特有结构拓扑，以及采用该POD对目标进行跟踪和定位的AUITS系统的结构和工作流程，根据上述描述可以看出，本发明具有以下效果：
本发明的AUITS系统采用自治定位设备POD来处理定位信号(例如超声波信号)的收集并进行位置推断，而没有像传统技术那样采用联网的超声波传感器，因此其安装和维护更容易。另外，POD具有已知的结构化拓扑，从而使得各个定位信号接收器的空间坐标可以通过公式自动获得，因此不再需要手工校准。
另外，本发明提出的后退同步方法可以抑制头-叶模块同步中的时间抖动，从而进一步提高定位的精确性。
另外，本发明提出的超声波签名方法可以针对被定位的每个目标分配唯一的ID代码，并将该ID代码调制到一系列超声波脉冲中，从而使得本发明的AUITS系统可被灵活地应用于多个移动目标的准确跟踪。
上面已经参考附图描述了根据本发明的具体实施例。但是，本发明并不限于图中示出的特定配置和处理。并且，为了简明起见，这里省略了对已知方法技术的详细描述。
在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (40)

1.一种用于定位目标的定位器，包括：
多个叶模块，各自包含用于接收来自所述目标的定位信号的定位信号接收器，其中所述多个叶模块之间具有已知的结构化拓扑关系；和
计算模块，用于根据各个所述定位信号接收器的定位信号检测时间以及所述结构化拓扑关系来计算所述目标的位置。
2.如权利要求1所述的定位器，还包括头模块，其包含：
用于接收同步信号的同步信号接收器；以及
用于执行与所述目标同步的同步单元。
3.如权利要求2所述的定位器，其中所述头模块还包括用于接收所述定位信号的定位信号接收器。
4.如权利要求1所述的定位器，其中所述定位信号是超声波脉冲。
5.如权利要求2所述的定位器，其中所述同步信号是射频信号、红外信号、微波信号或可见光。
6.如权利要求2所述的定位器，其中所述多个叶模块围绕所述头模块布置，当所述定位器工作时，所述多个叶模块处于伸展状态，当所述定位器不工作时，所述多个叶模块处于收缩状态。
7.如权利要求6所述的定位器，其中所述头模块和所述叶模块之间通过伸缩或折叠导线连接。
8.如权利要求6所述的定位器，其中当所述多个叶模块处于伸展状态时，各个叶模块到所述头模块的距离相等，各个叶模块之间的角度相等，第i叶模块的空间坐标为：
x i = x 0 + l &CenterDot; cos ( 2 &pi; &CenterDot; ( i - 1 ) n ) y i = y 0 + l &CenterDot; sin ( 2 &pi; &CenterDot; ( i - 1 ) n )
其中l表示各个叶模块到所述头模块的距离，n表示所述多个叶模块的数目，(x0，y0)表示所述头模块的空间坐标。
9.如权利要求2所述的定位器，其中所述同步信号中包含特定于所述目标的ID代码，并且所述定位器通过接收所述同步信号来获得所述ID代码。
10.如权利要求1所述的定位器，其中所述定位信号包含特定于所述目标的ID代码，并且所述定位器通过接收所述定位信号来获得所述ID代码。
11.如权利要求1所述的定位器，其中所述计算模块被集成到所述叶模块之一中。
12.如权利要求2所述的定位器，其中所述计算模块被集成到所述头模块中。
13.一种利用定位器定位目标的方法，所述定位器包括多个叶模块，各自包含用于接收来自所述目标的定位信号的定位信号接收器，其中所述多个叶模块之间具有已知的结构化拓扑关系，所述方法包括：
启动各个所述定位信号接收器并记录启动时间T0，i，其中i表示第i定位信号接收器的索引；
各个所述定位信号接收器接收来自所述目标的所述定位信号，并记录定位信号检测时间Δti；并且
基于各定位信号检测时间和所述结构化拓扑关系计算所述目标的位置。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
接收来自所述目标的同步信号；以及
根据所述同步信号使得所述定位器与所述目标同步。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述定位信号是超声波脉冲。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述同步信号是射频信号、红外信号、微波信号或可见光。
17.如权利要求14所述的方法，其中在所述目标处，所述同步信号和所述定位信号的发射之间插入一段预定后退时间。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述同步信号包含特定于所述目标的ID代码，所述方法还包括：
从所述同步信号中获得所述ID代码。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述定位信号包含特定于所述目标的ID代码，所述方法还包括：
从所述定位信号中获得所述ID代码。
20.一种用于定位目标的自治超声波跟踪系统，包括：
安装在所述目标上的标签设备，该标签设备包含定位信号发射器，用于发射定位信号；
定位器，用于定位所述目标的位置，其中所述定位器包括：
多个叶模块，各个叶模块包含用于接收来自所述目标的所述定位
信号的定位信号接收器，并且所述多个叶模块之间具有已知的结构化
拓扑关系；以及
位置计算模块，用于根据所述定位器的各个定位信号接收器的定位信号检测时间以及所述结构化拓扑关系来计算所述目标的位置。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述标签设备还包括同步信号发射器，用于发射同步信号。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述定位器还包括：
头模块，其包含用于接收所述同步信号的同步信号接收器，以及用于执行与所述目标同步的同步单元。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述定位器的头模块还包括用于接收所述定位信号的定位信号接收器。
24.如权利要求20所述的系统，其中所述定位信号是超声波脉冲。
25.如权利要求21所述的系统，其中所述同步信号是射频信号、红外信号、微波信号或可见光。
26.如权利要求20所述的系统，其中所述标签设备在发射的所述定位信号中包含特定于所述目标的ID代码，并且所述定位器通过接收所述定位信号来获得所述ID代码。
27.如权利要求21所述的系统，其中所述标签设备在发射的所述同步信号中包含特定于所述目标的ID代码，并且所述定位器通过接收所述同步信号来获得所述ID代码。
28.如权利要求20所述的系统，其中所述定位器被配置用于：
启动各个所述定位信号接收器并记录启动时间T0，i，其中i表示第i定位信号接收器的索引；
各个所述定位信号接收器接收来自所述标签设备的所述定位信号，并记录定位信号检测时间Δt，i；并且
将各定位信号检测时间报告给所述位置计算模块。
29.如权利要求20所述的系统，其中所述位置计算模块被集成到所述定位器的所述叶模块之一中。
30.如权利要求22所述的系统，其中所述位置计算模块被集成到所述定位器的所述头模块中。
31.如权利要求20所述的系统，还包括服务器，所述位置计算模块被集成到所述服务器中。
32.一种超声波签名方法，包括：
获取特定于目标的ID代码；
将所述ID代码编码到将发射的超声波脉冲序列中；以及
发射经编码的超声波脉冲序列。
33.如权利要求32所述的超声波签名方法，其中所述编码步骤包括：
根据所述ID代码改变所述超声波脉冲序列中各个超声波脉冲的传输时间。
34.如权利要求32所述的超声波签名方法，其中所述编码步骤包括：
根据所述ID代码对所述超声波脉冲序列进行调幅、调频或调相。
35.如权利要求32所述的超声波签名方法，还包括：
在接收端对所述经编码的超声波脉冲序列进行解码，以获得所述ID代码。
36.一种标签设备，包括：
同步信号发射器，用于发射同步信号；以及
定位信号发射器，用于发射定位信号，
其中在发射所述同步信号之后等待一段预定时间，然后发射所述定位信号。
37.如权利要求36所述的标签设备，其中所述定位信号是超声波脉冲。
38.如权利要求36所述的标签设备，其中所述同步信号是射频信号、红外信号、微波信号或可见光。
39.如权利要求36所述的标签设备，其中所述同步信号包括特定于目标的ID代码。
40.如权利要求36所述的标签设备，其中所述定位信号包括特定于目标的ID代码。
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