CN103002729A - 定制形状的无线狗围栏系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了定制形状的无线围栏系统，该无线围栏系统将一只或多只狗限制在用户限定的限制区域中，而不需要物理围栏或地下的线。该易于建立和使用的系统包括至少三个基地单元和至少一个项圈，以及优选地，包括远程控制器。在系统建立期间，当用户环绕所期望的边界步行时，通过基地单元与可跟踪设备之间的通信来环绕限制区域(以及环绕限制区域内可选的禁区)限定了虚拟的围栏。可视化软件使得用户可以使用具有显示屏的计算设备来检验围栏的位置是否如所期望的，以及系统是否正常操作。

Description

定制形状的无线狗围栏系统和方法
本申请要求2010年5月18日递交的序列号为No.61/344,074的共同未决临时申请的优先权，以及2010年12月21日递交的序列号为No.61/457,075的共同未决临时申请的优先权。
技术领域
本发明涉及动物限制领域，以及更具体地，涉及用于对围绕用户定义的区域的无线狗围栏进行定义并用于使用该围栏将一只或多只狗限制在用户定义的区域内的系统和方法。
背景技术
已经通过多种不同的方式实现了将一只或多只狗限制在规定区域内，更传统地，通过构建围栏型的封闭区域来进行，该围栏型的封闭区域高到足以防止狗通过跳过围栏而从封闭区域中逃脱。由于一些人认为高出地面的围栏没有吸引力或者在其他方面不受欢迎，已经开发了依靠埋在地下的线路的“无形的”围栏产品，该线路限定了所期望的用于一只或多只狗的“围栏”边界。当狗来到边界的特定临近区域内时，线路发送激活狗所佩戴的特别设计的项圈的信号。一旦被激活，项圈可以向狗发出听得到的警告和/或电子震动，以确保狗不离开“围栏内”区域。埋线系统的安装劳动强大。此外，因为线路可被无意间切断或者(例如由草坪维护等期间的挖掘或耕种)以其他方式损坏，当尝试发现破损线路的位置时，这种埋线围栏系统也是劳动强度大的，或其有其他困难。
近来已经开发了辐射低频信号以充满球形体积的无线围栏产品，该球形体积在地平面上转化为通常圆圈形的区域。圆圈的半径是用户可定义的，并且根据PetSafe制造的一个这样的产品，通常从5英尺到大约90英尺地放射状扩展。当狗在佩戴特别设计的项圈时的充满信号的区域“内部”时，项圈接收信号，并且不采取动作。然而，当狗移动到信号区域外时，项圈释放出纠正信号。
另一无线系统是由Perimeter Technologies，Inc.投放市场的系统，不同于产生充满信号的区域，该系统使用项圈和基地单元之间的距离测量技术来确定狗离开基地单元的范围。然而，通常在家庭环境内遇到的物体所产生的干扰可以使得项圈与基地丢失彼此间的通信，导致向狗释放出不期望的纠正，即，当动物在所限定的限制半径内时的纠正。此外，Perimeter Technologies系统还受限于通常放射状或圆圈形的区域，该放射状或圆圈形的区域不允许用户针对特定的地理或者在其中限制了狗的区域的其他个性化方面进行修正。
考虑到对定制形状的围栏的期望，美国专利No.7,259,718(“’718专利”)公开了允许用户建立具有用户定义的形状的所期望边界的电子宠物围栏。使用按三角形配置来布置的主收发信机和两个从收发信机，主收发信机与从收发信机通信，并记录项圈与每个收发信机之间的无线信号的往返行程传播时间。使用三角测量法或三边测量法，主收发信机处的逻辑设备使用这些往返行程时间来确定项圈的位置。然而，在家庭设置中，通常出现信号衰减和信号丢失的间题，使得在任何给定的时间，收发信机之一与项圈失去通信。这导致不可能定位项圈，并通常导致向狗发出不适当的纠正。此外，’718专利没有提供手段来防止在建立期间由信号衰减造成的围栏边界不规则，并且还缺乏在系统处于使用中时识别和忽略所收集的错误项圈位置数据的能力。如果没有检测到其真伪，这种错误数据还可导致向狗发出不希望的纠正。
因此，存在着对改进的无线围栏系统的需要，该改进的无线围栏系统易于由客户建立和使用并且克服了现有技术系统遇到的问题。
发明内容
鉴于之前所述，本发明的一个目标是克服将狗限制在无线围栏边界内而不对动物执行不希望的纠正的困难。
本发明的另一目标是提供具有双天线项圈和多个双天线基地单元以提高成功接收到的信号传输与丢失信号的比率的无线围栏系统。
本发明的另一目标是提供具有多个基地单元的无线围栏系统，该无线围栏系统使得用户可以限定定制的边界或围栏，以建立唯一成形的限制区域并使用户能够在任何给定时间内跟踪狗在限制区域内的特定位置。
本发明的另一目标是提供根据前述目标的无线围栏系统，该系统包括可视化软件，该可视化软件允许用户在具有显示屏的个人计算机上视觉验证围栏的周界，围栏周界上破口的出现，以及当项圈到处移动时(不管在狗上还是在用户手中)，该项圈相对于围栏周界的实际位置。可以在系统建立期间和在之后系统操作期间的任何时间处使用视觉化软件来检查围栏位置，并查看由软件记录的项圈的移动的“面包屑”历史。
本发明的另一目标是提供根据前述目标的无线围栏系统，在该系统中，可视化软件记录数字日志文件，数字日志文件包含在布局建立阶段期间确定的基地单元之间的范围对距离值、围栏和禁区位置以及项圈随时间的跟踪位置值(可以在需要时用来对系统进行故障检测)的历史记录。
本发明的另一目标是提供根据前述目标的无线围栏系统，在该系统中，多个基地单元允许用户在限制区域内限定不允许狗进入的特定区域来作为禁区。
本发明的另一目标是提供根据前述目标的无线围栏系统，在该系统中，重复获得基地单元与项圈单元之间的距离值，并在然后进行加权和滤波以扣除很可能错误的那些距离值，并更精确地跟踪狗在限制区域内的何处。
本发明的另一目标是提供根据前述目标的无线围栏系统，在该系统中，将NANOLOCTM芯片组与功率放大电路相结合使用来提供更大的信号强度，以在跟踪狗在限制区域内的位置中获得提高的可靠性。
本发明的另一目标是提供根据前述目标的无线围栏系统，在该系统中，项圈包括正常操作模式和睡眠模式，当在阈值时间段内检测到缺少运动时，进入睡眠模式。
本发明的另一目标是提供用户友好并且操作鲁棒的无线宠物限制产品，该产品有效地跟踪狗的位置，以降低对狗执行的不适当纠正的数目。
根据这些以及其他的目标，本发明涉及定制形状的无线围栏系统，该系统用于将一只或多只狗限制在用户限定的限制区域中，而无需物理的围栏或埋在地下的线。该系统包括多个基地单元、用户接口设备或远程控制器、以及用于狗的至少一个项圈，对于另外的狗也支持多个项圈。基地单元包括主基地单元、以及优选地包括至少三个从基地单元或锚点。通过包括四个基地单元而不是仅包括三个，降低了丢弃信号或丢失通信的发生率，提高了系统性能。主基地单元、锚点和项圈中的每一个各自具有两个天线，提供了分集，并进一步提高了成功接收到的信号传输与丢失信号的比率。基地单元和项圈单元中的每一个还包括NANOLOCTM收发信机。
根据本发明，为了创建适于用户的具体院子或其他区域的定制形状，边界或边界线可以遵循用户限定的任何路径。本文中使用的“定制形状”指代可以具有用户在初始安装期间设置的实际任何形状的用户限定的边界。边界表示项圈将在其外开始发起对狗的纠正的大致区域。边界标记了触发区的开始，触发区从边界沿任何方向向外扩展到项圈不再能够接收到来自主基地单元的输入的距离。该距离以及因此的触发区的“尺寸”将根据狗和主基地单元之间的地形和物体而改变，然而在开放的平坦乡村总可以距离主基地单元高达大约1英里半。
由用户设置的边界限定了漫步区域。只要狗逗留在漫步区域中，便在基地单元和项圈之间有效地发送和接收信号传输，以实时监视狗在限制区域中的位置，并且不向狗发出纠正。此外，本文中使用的“围栏”是紧接触发区的与边界或边界线一致地扩展的已连接线段组。
主基地单元和三个锚点被安装在用户房屋内部或者其他希望的室内位置，并且优选地位于房屋的大致四个角落。为了使用远程控制器的显示屏上的建立菜单来建立系统，用户首先“发现”主基地单元。发现主基地单元是下面的过程：通过该过程，响应于用户对远程控制器的输入，主基地单元发起与远程控制器的通信，并得知和存储远程控制器的唯一的媒体访问控制(MAC)地址。然后，用户使用建立菜单“发现”第一锚点来继续下面的处理：通过该过程，响应于用户对远程控制器的输入，主基地单元开始用于搜索除了远程控制器之外的兼容设备的通信序列。一旦发现第一锚点，主基地单元存储第一锚点的唯一的MAC地址，并检查主基地单元至第一锚点的距离，以检验第一锚点是“有效的”基地单元，即，是作为用户系统的一部分的基地单元，而不是例如属于相邻系统的基地单元。通过由NANOLOCTM收发信机执行的测距过程来获得该距离。针对第二和第三锚点中的每一个重复“发现”第一锚点的前述过程。
一旦已经发现所有的锚点，主基地单元发起布局过程，通过该布局过程，主基地单元记录各个基地单元/锚点和锚点/锚点对之间的相对距离，总共有6个距离，即，主基地单元至第一锚点、主基地单元至第二锚点、主基地单元至第三锚点、第一锚点至第二锚点、第二锚点至第三锚点以及第一锚点至第三锚点。主基地单元使用这些距离来配置平面坐标系，在该平面坐标系中，向锚点和主基地单元中的每一个的位置分配对锚点和主基地单元中的每一个之间的相对距离和空间关系进行标识的坐标，以限定整体布局。
一旦布局完成，用户通过以大致6英尺的间隔沿着所期望的边界或边界线放置多个旗标来限定所期望的限制区域。然后，在按下远程控制器上的“开始”之后，用户沿着旗标标记的边界线步行，远程控制器在手中。主基地单元和锚点跟踪远程控制器，并且主基地单元在用户环绕边界或边界线步行时记录远程控制器的连续位置。将该连续位置记录为对将要表示围栏边界的线段的端点进行表示的多个跟踪位置值。
为了使用户能够检验在系统建立期间实际创建的无线围栏与用户想要创建的围栏相一致，系统优选地包括可与具有显示屏的个人计算机(PC)或其他计算设备操作的可视化软件。通过在PC显示屏上显示围栏以及基地单元及其相对位置，可视化软件提供了对用户实际构建的围栏的视觉验证。从而，用户可以对围栏位置进行被认为必要的任何调整，以作为计算机显示的围栏的结果。
系统还允许用户在限制区域内限定禁区。禁区是特定的区域或孤岛，在禁区被围栏边界围住时，禁区不构成漫步区域的一部分，即，禁区是用户不希望狗进入的区域。按照与建立围栏边界时所遵循的类似方式来完成禁区的建立。具体地，用户通过以大致6英尺的间隔沿着所期望的禁区边界放置多个旗标来限定一个或多个禁区。然后，在进入禁区模式并按下远程控制器上的“开始”之后，用户沿着旗标标记的禁区边界线步行，远程控制器在手中。主基地单元和锚点跟踪远程控制器，并且主基地单元记录用户步行的连续位置，作为表示禁区边界的多个跟踪位置值。与围栏相似，当使用可视化软件时，也记录并显示禁区边界。
在设置了边界的情况下，使用远程控制器来经由用户输入添加一个或多个项圈14。对项圈加电，并且主基地单元搜索之前未曾添加到系统的已启用的设备。在发现项圈时，基地识别与项圈相关联的唯一的MAC地址，并且以与存储锚点标识相同的方式存储项圈标识。用户可以使用远程控制器来不仅添加，而且命名、删除或改变多个项圈中每个项圈的设置。
一旦设置了围栏并且激活了一个或多个项圈，可以使用标识围栏和禁区的旗标来作为其相应位置的视觉提示。然后，用户可以针对漫步区域的范围来训练狗，以使得狗可以有效地限制在围栏内，并且不到禁区中。当之后将佩戴项圈的已训练的狗放在漫步区域内时，在锚点测量与项圈的距离并向主基地单元持续传送其相应范围或距离值时，连续计算并更新项圈相对于坐标系的位置。本文中使用的“测距”或“测量距离”指的是距离确定，以使得当项圈测量与基地单元的距离时，项圈与基地单元之间的距离被确定。
一旦获得，主基地单元便对距离值进行加权和滤波，以扣除很可能错误的那些距离值，该错误是由于其与之前测量的值的差异以及之前对狗的位置的计算而造成的。更具体地，通过对基地单元和项圈之间取得的多个连续获得的距离测量值进行加权和滤波，在其对狗的位置的当前计算的贡献方面，将反常的测量值扣除。此外，通过基于改进的卡尔曼滤波和滞后效应的时间和运动算法来执行对位置数据的平滑，以对围栏建立期间的边界以及系统使用中狗的运动跟踪进行平滑。该平滑考虑到了在NANOLOCTM芯片组的相对精确度限制中所固有的位置容限。这些滤波技术与基地单元和项圈之间的通信中改进的信号强度和天线分集的结合提高了跟踪狗的位置的精确度，以使得可以不向狗执行不希望的纠正。
这些目标和优点与后续将变得显而易见的其他目标和优点一起存在于之后更全面地描述并提出要求的构建和操作的细节中，参考构成其一部分的附图，其中，相似的数字在全部附图中指代相似的部件。
附图说明
图1示出了根据本发明的定制形状无线围栏系统的组件。
图2是示意安装在房屋的四个角落内的图1中示出的主基地单元和三个锚点的顶部平面视图。
图3是示出针对图1中示出的系统，在建立限制区域的用户定义布局时采取的步骤的流程图。
图4是示出图3中示出的布局算法执行的步骤的流程图。
图5A是在图1中示出的系统的围栏建立模式期间采取的步骤的流程图。
图5B示意了使用视觉化软件在用户的PC屏幕上显示的围栏。
图5C示意了图5B的围栏的屏幕截图，其与在一定时间段上项圈的跟踪定位值的历史相结合。
图6是对用户的院子的示意，该院子具有如图5A所描述地建立的围栏。
图7是在图1中示出的系统的禁区建立模式期间采取的步骤的流程图。
图8是图6中示出的用户的院子的示意，其中，如图7所描述地建立了禁区。
图9A是图1中示出的所装配的项圈的孤立视图。
图9B是图9A中示出的项圈的组件的分解视图。
图9C是图9A和9B中示出的项圈带子的第一带子部分的相片，以及要将天线插入到该带子部分的内端中的孔内。
图9D是在已将天线插入到带子中的孔内之后，图9C中示出的组件的照片。
图9E是图9B中示出的印制电路板的照片，该印制电路板被安装在下部外壳中，并且项圈带子连接其上。
图9F是在没有电池的情况下，当将上部外壳与下部外壳对齐时，图9B中示出的项圈组件的照片。
图9G是当将上部外壳与下部外壳相啮合以密封纠正单元隔间时，图9F中示出的项圈组件的照片。
图9H是图9F和9G中示出的项圈组件的照片，其中，定位纠正单元隔间以在超声波焊接机中进行密封。
图10是示出图1中所示的系统的项圈建立模式期间采取的步骤的流程图。
图11是示出图1中所示的系统的测距过程期间采取的步骤的流程图。
图12是示出图1中所示的系统的三边测量过程期间采取的步骤的流程图。
图13A-13C示意了根据本发明的通过其来进行以下操作的过程：对主基地单元和锚点之间的距离值进行比较，以及使用该距离值来定义精确定位狗在限制区域内的位置的相交圆圈。
图14是示出图1中所示的系统的系统监视模式期间采取的步骤的流程图。
图15是示出图1中所示的系统的跟踪过程期间采取的步骤的流程图。
图16是示出图1中所示的系统的纠正过程期间采取的步骤的流程图。
具体实施方式
在描述图中示意的本发明的优选实施例中，为了清楚，将回到具体的术语。然而，本发明不旨在被这样选择的具体术语所限制，并且要理解，各个具体术语包括以类似方式操作来完成类似目的的所有技术等同替代。
根据由附图标记10所一般性地指定的本发明，提供了定制形状的无线围栏系统，如图1所示，包括主基地单元12、至少两个其他从基地单元或锚点13、项圈14和远程控制器15。优选地，提供了三个从基地单元，并且之后描述的系统除了主基地单元之外还包括三个从基地单元；然而系统仅需要总共三个基地单元。此外，可以将系统配置为没有远程控制器，远程控制器作为单独的单元。当被配置为没有远程控制器时，使用项圈或其他可跟踪设备来限定围栏和禁区，并且可以将远程控制器的其他功能并入主基地单元和/或与视觉化软件一起使用的PC。因此，当在本文中一般性地指远程控制器时，要理解可以根据系统配置使用另一适当配置的可跟踪设备来替代远程控制器。
为了训狗并为狗和用户提供通常与围栏边界相对应的视觉标记，优选地，还向系统提供旗标组16。旗标的数目可以是可变的，然而根据要限定的限制或漫步区域32的大小(参见图6)，优选地是从大约25到大约100个旗标。
基地单元各自具有插入110伏特家用插座的电源41。优选地，使用USB线缆43对远程控制器15充电。项圈使用易处理或可充电的电池42。
图2中示出的基地单元12和13期望位于用户的住宅18、车库或者其他环境受控的室内区域中，并且优选地被配置为安装在墙上。虽然可能用电池为基地单元供电，优选地，将其插入适当接地的100V AC插座中。各个基地单元优选具有两个天线20、21用于与项圈14和与远程控制器15通信时的分集；然而，可以将基地单元配置为各自仅具有单个天线。优选由电池供电的远程控制器15也优选地具有两个天线22、23以及具有触摸屏24的图形用户界面，该图形用户界面用于输入信息以建立和控制系统。将远程控制器15配置为使得用户在任意方向上从主基地单元和锚点建立高达1000英尺或更长的定制尺寸的围栏。围栏围住内部漫步区域32并建立边界，在边界处，开始触发区34。
基地单元12、13使用各个基地单元内包含的集成电路(IC)芯片测量与项圈14的距离。项圈也包含类似的IC芯片组。根据优选实施例，基地单元和项圈中每一个的芯片组是Nanotron Technologies of Berlin，Germany出售的NANOLOCTM TRX 2.4GHz收发信机芯片组。NANOLOCTM TRX 2.4GHz收发信机芯片组使用chirp扩频(CSS)无线通信技术。
如优选配置的，主基地单元12存储要向项圈和/或远程控制器发送的位置数据和坐标消息。主基地单元12与全部其他5个设备(三个锚点、项圈和远程控制器)通信。锚点13可以是较不复杂的距离测量设备，其测量彼此间的距离以及与主基地单元12、项圈14和远程控制器15的距离。远程控制器15还测量与锚点的距离，并在此外具有与主基地单元的双向通信。项圈测量与全部4个基地单元的距离，并且如同远程控制器一样向主基地单元发送并从主基地单元接收信号通信。
如图2中所示，通过将基地单元12、13安装在用户的住宅18的内部(优选地，四个角落)来开始根据本发明的建立系统的过程。然后，用户遵循使用控制机制(优选地，远程控制器15)的一系列步骤，该步骤使得主基地单元12确定其他三个基地单元或锚点13在作为整个系统的一部分的预定平面坐标系内的位置。从而限定了布局，通过该布局，向锚点和主基地单元各自的位置分配对锚点和主基地单元各自在预定平面坐标系内的相对距离和空间关系进行标识的坐标。
图3中总结了建立布局时的采用的步骤。在图3中，主基地单元被称为“基地A”，以及锚点被称为“锚点B、C和D”。当指定哪个锚点是B、哪个锚点是C和哪个锚点是D时，将系统配置为假设在图2中从上面看的基地单元的顺时针定向。因此，如图2中所指定的，锚点B在基地A的右方或相对于基地A的顺时针方向，锚点C在锚点B的右方或相对于锚点B的顺时针方向，锚点D在锚点C的右方或相对于锚点C的顺时针方向。
在开始处，用户插入远程控制器15以对其中的电池充电(步骤100)，并在然后插入基地A(主基地单元12)(步骤102)。用户使用远程控制器上的触摸屏24指示远程控制器“发现”主基地单元(步骤102)。这开始了远程控制器15与主基地单元12之间的通信序列，在该通信序列期间，主基地单元读取并存储远程控制器的唯一的MAC地址(步骤104)。然后，远程控制器提示用户进行到下一步骤(步骤106)。
如已经提到的，第一锚点(锚点B)是当相对于所有的基地单元顺时针移动时，邻接主基地单元并在主基地单元右方的从基地单元。在对锚点B加电后，用户进行到使用远程控制器的触摸屏通过适当的输入来“发现”锚点B(步骤108)。当被指示“发现”锚点B时，主基地单元开始寻找下一兼容设备(除了远程控制器之外)的通信序列。主基地单元读取远程控制器和锚点B的唯一的MAC地址，并将未曾被发现的地址识别为锚点B(步骤110)。如果成功发现锚点B，通过NANOLOCTM收发信机执行的测距过程来检查其至主基地单元的距离(这将在之后进行进一步讨论)，以检验锚点B是“有效”的基地单元。如果距离指示基地单元是用户的系统的一部分，即，如果距离在最大允许距离之内，则该基地单元是“有效的”。该对有效性的检查确保了不“发现”可能在该区域中的任何其他单元(例如作为相邻围栏系统的一部分的基地单元)并将其错误地作为用户的系统的一部分。如果锚点B是有效的，主基地单元存储锚点B的MAC地址。然后，远程控制器提示用户进行到下一步骤(步骤112)。如果没有发现锚点B，远程控制器将提示用户进行重试(步骤114)。然后针对锚点C和D中的每一个重复使用来“发现”锚点B的前述步骤(步骤116)。
一旦所有的锚点已被发现，主基地单元使用布局算法在局部化(localized)的平面坐标系内发起布局过程(步骤118)。布局过程基于如下假设：建立了4个基地单元以形成具有四条边的多边形，即，不将基地单元布置在直线上。
图4中总结了布局算法执行的步骤。首先，主基地单元12记录各个基地单元/锚点对和各个锚点/锚点对之间的相对距离(总共6个距离)(步骤120)，即，主基地单元12至第一锚点(锚点B)，主基地单元12至第二锚点(锚点C)，主基地单元12至第三锚点(锚点D)，第一锚点(锚点B)至第二锚点(锚点C)，第二锚点(锚点C)至第三锚点(锚点D)，第一锚点(锚点B)至第三锚点(锚点D)。针对基地单元的每个对获得大致40个距离值的集合，然后分别对集合进行滤波并求平均，以针对每个基地单元对产生单个距离值。布局算法使用这些距离值来确定4个基地单元中的每一个在局部的平面坐标系或基准网格内的空间关系(步骤122)。
在确定4个基地单元12、13之间的以上空间关系时，在给定住宅环境内看到的衰减可能会扭曲所计算的基地/锚点空间关系。为了解决这种情况，优选地将系统配置为使用户能够以用户输入的距离来覆盖针对6个距离中每个距离的“发现”的距离。在该情况下，布局算法可以使用用户输入或“用户定义”的距离(或多个距离)，而不是“发现”的距离。
为了在平面坐标系中定向基地单元，将主基地单元的位置定义为(0，0)(步骤124)。将锚点B的位置定义为(Bx，0)，其中，Bx是在主基地单元和锚点B之间返回的距离值(步骤126)。将锚点C的位置定义为(Cx，Cy)，并将锚点D的位置定义为(Dx，Dy)。
为了确定锚点的实际坐标值，将主基地单元和锚点C之间的距离与锚点B和锚点D之间的距离进行比较。不管这两个距离中的哪一个较短，都确定了锚点C或D中的哪一个将被首先限定(步骤128)。
假设锚点B和锚点D之间的距离比主基地单元(基地单元A)和锚点C之间的距离小，则首先限定锚点D的位置；然后，锚点C的计算出的位置取决于锚点D的位置。可以使用数学式，利用主基地单元和锚点B的已知位置来计算锚点D的位置。一旦计算出锚点D的位置，通过锚点C与锚点B和与锚点D的距离来限定锚点C的位置。
关于锚点D的位置(Dx，Dy)，(0，0)和(Dx，Dy)之间的距离是在主基地单元和锚点D之间确定的距离值，(0，By)和(Dx，Dy)之间的距离是在锚点B和锚点D之间确定的距离值。这些距离值被使用来确定锚点D的距离。
关于锚点C的位置(Cx，Cy)，(Bx，0)和(Cx，Cy)之间的距离是在锚点B和锚点C之间确定的距离值，(Dx，Dy)和(Cx，Cy)之间的距离是在锚点D和锚点C之间确定的距离值(步骤132)。
作为上述建立坐标网格的方法的备选，可以将主基地单元设置在(0，0)处以作为原点，将三个剩余基地单元或锚点中最远的一个放置为对角位置。然后将剩余的两个锚点放置在主基地单元和对角基地单元或锚点之间画出的线的相对侧。该方法还创建了形成基准的网格，该基准用于建立围栏和禁区点。
一旦坐标网格已经完成并且已相对于该网格计算主基地单元和三个锚点的位置，布局完成。然后，用户准备建立围栏边界。图5A中总结了本发明的围栏设置模式。
在开始处，用户通过以大致6英尺的间隔沿着所期望的边界或边界线放置多个旗标来限定所期望的限制区域(步骤140)。优选地，用户用与剩余旗标具有不同颜色的单个旗标来开始旗标放置序列。例如，第一旗标可以是蓝色的，而其他旗标是白色的。从而蓝色旗标是“开始”旗标80。图6中示出了这种旗标标记的边界。
为了记录围栏的位置，用户使用可跟踪设备，优选地，可跟踪设备是远程控制器或项圈。在本文公开的包括远程控制器的优选实施例中，当在开始旗标80处并在然后手持远程控制器沿着旗标标记的边界线步行或者以其他方式移动时，用户通过按下远程控制器15的触摸屏24上的“开始”或者其他类似的输入字段来发起主基地单元对围栏位置的记录(步骤142)。主基地单元和锚点跟踪远程控制器的移动，并且主基地单元在用户步行时记录远程控制器的连续位置，作为表示围栏边界的多个围栏位置值(FLV)。
根据优选实施例，当在存储器中规划围栏时，本发明的系统通过直线段来接合两个连续的围栏位置值，使得围栏31实际上是在数学上定义的一系列的已连接的线段，并被存储在主基地单元处的存储器中(步骤144)。如果用户因为某种原因必须中断围栏设置过程，系统包括暂停和恢复特征(步骤146)。一旦用户已经完成环绕边界步行并且已到达结束旗标82处，对远程控制器的指示围栏完成的适当输入使得系统“闭合”围栏，即，将由开始旗标80和结束旗标82分别表示的第一点和最后一点的围栏位置值相接合(步骤148)。
为了更好地配给存储器空间，优选地将系统配置为使用每三个围栏位置值作为已接合线段的端点(步骤150)。由于以大约每秒一个的速率(根据用户的步行速度)来记录围栏位置值，如果在记录围栏位置时采用慢到正常的步行步幅，在围栏线31的平滑度上没有可感知到的退化。类似地，可以将系统配置为每四个围栏位置值，每五个围栏位置值等进行接合。
为了使用户能够检验在围栏建立期间实际创建的无线围栏与用户期望创建的围栏相符，本发明优选包括提供对用户构建的围栏的视觉确认的视觉化软件。该视觉确认不仅使用户能够“看到”在围栏建立过程期间创建的围栏周界，而且能够标识用户在记录对围栏周界进行限定的围栏位置值时可能没有认识到的问题区域或者不规则。例如，干扰物体(如电冰箱)或其他信号阻碍物体的存在可能在围栏周界中产生用户不期望的不规则。视觉化软件向用户示出了该不规则，使得用户可以在围栏的建立中进行调整，以避免或补偿干扰物体或其他不规则。
因此，在初始的围栏建立期间激活并使用视觉化软件。具体地，将软件从网站或者从CD或类似的数据存储单元下载到具有显示器的用户PC或其他计算设备上。可以通过将主基地单元通过USB线缆直接地连接，或者通过经由USB线缆附着到PC的远程控制器15无线地连接到PC来完成下载。然后在创建无线围栏的同时运行视觉化软件。还可以在之后的各个时间使用视觉化软件，本文中将在后面更全面地进行讨论。
当正在限定围栏时，软件创建围栏的视觉表示，如图5B中示出的，该视觉表示显示在用户PC的屏幕上。优选地，视觉化软件包括自动缩放特征，自动缩放特征将所创建的围栏的视觉表示放大为PC上的“全屏”视图。软件还显示基地单元及其相对位置，并包括允许用户进行屏幕上示出的各个点之间的距离测量估计的屏上网格系统。
在已经完成围栏周界之后，用户可以通过亲身步行或者以其他方式沿着围栏移动并手持项圈来检验围栏位置。在步行时，项圈的实时位置以及用户相对于围栏周界的步行路径的历史作为“面包屑”轨迹显示在用户的PC屏幕上。根据一个示例，用户可以选择沿围栏或旗标线内大致10英尺的线带着项圈步行，并在然后将与视觉化软件所显示的用户的路径相对应的“面包屑”轨迹与以视觉化软件示出的围栏进行比较。在该情况下，好的结果(即，指示围栏在用户希望其所在之处的结果)将是与围栏“同心”但偏移10英尺的“面包屑”轨迹。
一旦视觉化软件的跟踪部分开始记录，系统开始写日志文件，并继续其写入，直到软件关闭并保存日志文件为止。在被保存之前，日志文件可以继续并累积多天。一旦保存并在然后再次开始，记录新的日志文件并在应用关闭时进行保存。如图5C中示出的，在回放时，日志文件提供了项圈在记录日志文件的时间段内的位置和移动的视觉指示。该记录允许用户确认围栏系统被正确地建立并且对于跟踪项圈的位置是起作用的。
此外，在设置围栏周界之后，用户可以选择通过带项圈步行穿过围栏周界来进行“破口”测试。除了在带项圈步行穿过围栏时注意到项圈的反应(其应该包括可听到的音调和项圈上的LED的发光)之外，视觉软件可以使用户能够查看该破口，因为显示在PC屏幕上的围栏将在视觉上发生改变。根据优选实施例，围栏在显示屏上正常显示为绿色，并且在检测到破口时将颜色改变为红色。可以备选地使用其他视觉上可辨别的屏幕外观改变来指示围栏。与项圈跟踪视觉功能相似，屏幕外观上指示已出现破口的视觉改变允许用户确认围栏系统被正确地建立并且对于跟踪项圈相对于围栏周界的位置是起作用的。
除了在用户的PC或其他具有显示器的计算设备上提供前述用于展示的视觉图像之外，视觉化软件创建的数字日志文件还记录了可以由无线围栏设计工程师(例如，在Woodstream Corporation(“Woodstream”)(本申请的受让人))用来分析和解决任何围栏建立问题或用户所经历的其他问题的有价值的信息。根据一个优选实施例，数字日志文件被设计为：只要需要进一步的分析和/或问题解决以协助用户，其便易于被电子邮件或其他文件交换技术从用户发送到Woodstream。数字日志文件包括指示基地单元的相对位置的基地和锚点范围值、围栏位置值、以及指示所记录的项圈的移动的位置值。数字日志文件还包含滤波器信息，例如超过最大阈值的距离值以及由报告太少的距离值或没有报告距离值而导致的“跳过”判决(参见图12)。
更具体地，日志文件在对围栏系统进行故障诊断时是有用的，因为对所记录的信息的回放允许故障诊断者看到在院子的特定位置中，基地或多个基地在与项圈的测距或通信上是否有困难。在注意到这种困难在其不被期望之处的情况下，因为当两个基地单元都在房屋的相同侧时，故障诊断者可以由日志文件猜测在靠近基地单元处(通常在房屋的外面)有衰减物体，并且可以指示用户将该基地单元移动到不同的位置。如果围栏错误地在住宅的内部开始，或者如果存在其他与跟踪判决有关的问题(其中有范围值丢失、被跳过、被滤波等)，日志文件还允许故障检测者看到基地单元之一是否根本未被上电或者没有进行通信。为了一致，还可以将日志文件数据与从公共卫星服务可获得的信息进行比较，在出现差别的情况下，这可以使用户通过手动输入基地单元位置和范围信息来进行纠正。
随着围栏完成并记录在存储器中，可以将旗标此后用作围栏位置的视觉提示，并且当项圈在狗上时，用户从而可以训练狗围栏边界在哪里，以使得狗可被有效地限制在围栏中。
如图7中总结并在图8中示出的，系统还允许用户在限制区域内限定禁区35。禁区35是特定的区域或孤岛，在禁区35被围栏边界31围住时，禁区35不构成漫步区域32的一部分，即，禁区是用户不希望狗进入的区域。按照与建立围栏边界时所遵循的类似方式来完成禁区35的建立。视觉化软件允许用户在PC显示器上看到禁区，并允许用户按类似的方式执行以上结合围栏的建立描述的所有其他操作。
具体地，并参考图7，用户通过以大致6英尺的间隔沿着所期望的禁区的边界放置多个旗标来限定一个或多个禁区(步骤160)。如同围栏限定的情况一样，使用可跟踪设备(其通常是远程控制器或项圈)来限定禁区。如果系统包括远程控制器，当靠近开始旗标80并在然后手持远程控制器沿着旗标标记的禁区边界线步行或者以其他方式移动时，用户进入禁区模式并按下远程控制器的触摸屏上的“开始”或者类似的输入(步骤142)。主基地单元和锚点跟踪远程控制器，并且主基地单元记录用户步行的远程控制器的连续位置，作为表示禁区边界的多个围栏位置值(步骤162)。在到达结束旗标182时，对远程控制器的指示禁区边界完成的适当输入使得系统“闭合”边界，即，将由开始旗标180和结束旗标182分别表示的第一点和最后一点的围栏位置值相接合。
通过与在限定外边界线或围栏时所使用的类似方式，本发明的系统通过直线段将两个连续围栏位置值或者每三个或更多的围栏位置值相接合，以使得禁区边界131实际上是在数学上定义的一系列的已连接的线段，并被存储在主基地单元处的存储器中(步骤164)。
与围栏旗标一样，之后可以使用禁区旗标来作为禁区位置的视觉提示，并且项圈在狗上时，用户从而可以训练狗禁区在哪里，以使得可以有效地教导狗不要进入该区域。
根据设置围栏的备选过程，当用户在围栏边界步行时，用户可以使用远程控制器来手动输入各个旗标位置。与之前的实施例一样，用户通过以大致6英尺的间隔沿着所期望的边界或边界线放置多个旗标来限定所期望的限制区域。为了激活围栏，用户持着远程控制器顺序到每个旗标上并按下激活按钮，例如，“旗标在这里”按钮。当已成功进入各个旗标时，系统将向用户确认，允许用户移动到下一个旗标，在该下一个旗标处重复该过程。一旦已经进入所有的旗标位置，用户按下控制器上适当的按钮，例如“完成”按钮。使用相同的连续过程，通过沿着所期望的禁区的边界以适当的间隔放置多个旗标并在然后以与激活在围栏边界中使用的旗标相同的方式来激活各个旗标，用户可以手动限定环绕一个或多个禁区的旗标点。在限定围栏边界和任何的禁区时，系统都被配置为允许用户移除单个的旗标位置(例如，通过按下控制器上的“撤销最后的旗标”按钮)，以及还使用控制器上显示的“移除围栏”或“移除禁区”输入来移除整个边界。无论何时用户需要，还可以去激活并在然后重新激活单个禁区，而不是移除禁区。
图9A和9B中示出的项圈14包括由附图标记50一般性地指定的带子，该带子环绕狗的颈部安装，并且将纠正单元52安装到带子50。带子50包括其中耦合到纠正单元52的一侧的具有孔的第一部分49，以及连接到纠正单元52的另一侧的具有带扣组件53的第二部分51，带扣组件53可以与孔啮合以将项圈环绕狗的颈部固定。
纠正单元52包括具有下部外壳66和上部外壳54的容器29，上部外壳54具有盖子55，可以通过盖子55将例如CR123A电池56插入到容器29中，以向单元52提供功率。优选地，纠正单元还包括从纠正单元的外部可看见的指示灯58(优选地，用防水粘合剂接合到上部外壳54的LED灯柱59)，以及和基地单元一样，项圈具有在与基地单元通信时提供分集的两个天线60、61。
如图9C和9D中示出的，优选地，在项圈的最终装配之前将天线61穿过开口46插入，并螺旋插入到项圈带子部分49的盲通道47中，以及用硅树脂或者类似的材料将天线61固定在带子天线插入点处。通过类似的方式完成将天线60插入到带子部分51中对应的孔和通道中。
在项圈纠正单元52的隔间29内容纳了图9B和9E-9G中示出的印制电路板(PCB)组件65。在RF护罩39下(参见图9E)将和基地单元中的芯片组相似的NANOLOCTM TRX 2.4GHz收发信机芯片组与PCB组件65进行集成。项圈和基地单元NANOLOCTM芯片组如同双向无线电一样彼此发送和接收无线电传输。优选地，在工作中用功率放大器电路来增强NANOLOCTM芯片组，以提供更大的信号强度。当从基地单元或项圈之一的天线向通信组成的另一个发送无线电信号时，这些信号以全向或球形的方式传播。使用这些信号，增强的NANOLOCTM芯片组用其相关联的天线对来执行测距过程，该相关联的天线对连续捕获、滤波和提炼数据，以产生相应的基地单元和项圈在任何给定的时间处的距离，下面将对其进行进一步描述。
两个探头64从容器29的下部外壳66侧向延伸，该两个探头64与狗的颈部相背，并且通过电极垫圈63与外壳66绝缘。可以将较短的探头67可交换地安装到下部外壳66，以更好地适于短毛狗。根据项圈的设置，探头64、67在到达触发区时向狗提供物理纠正信号。备选地，可以将项圈设置为仅向狗提供可听到的纠正信号。优选地，物理纠正信号在多个电平之间是可调整的，以适于狗的大小、年龄和性格。在优选实施例中，项圈缺省提供仅有音调的纠正信号。
为了装配项圈14，天线60、61从通道47延伸出来的端耦合到PCB组件65上的连接器，优选地，用搭锁(snap-on)或推紧(push-on)配合装置。PCB组件容纳在下部外壳66内，其中，如图9E中所示，项圈带子部分49、51在下部外壳的两侧。然后，如图9F所示，将上部外壳54与下部外壳对齐，并在然后如图9G中所示，使上部外壳54靠近并与下部外壳啮合。一旦上部外壳和下部外壳彼此啮合以最终闭合隔间29，密封纠正单元52，优选地，使用图9H中示出的超声波焊接机81来密封。一旦如图9A中示出的进行了完全的装配和焊接，带子50和纠正单元52是充分防水的，以在任何天气条件下提供鲁棒的项圈性能。
如图10中所总结的，使用远程控制器15来设置项圈14以与本发明的围栏系统一起使用。客户可以使用远程控制器添加、命名、删除或改变项圈的设置(步骤170)。为了添加另一条狗的另一项圈(步骤172)，用户按下远程控制器的触摸屏上的输入字段，该输入字段使主基地单元进入探索模式。项圈被编程为在对项圈加电时进行发送，以使得被启用的设备检测到。主基地单元识别与项圈相关联的唯一的MAC地址，并存储其标识。可以使用远程控制器对项圈命名(步骤174)。此外，也可以使用远程控制器改变项圈纠正等级和项圈的开/关状态(步骤176)。此外，可以使用远程控制器删除项圈(步骤178)。
一旦已经设置和激活项圈，NANOLOCTM芯片组执行其测距功能，以确定各个基地单元与项圈在任意给定时间的距离。在NANOLOCTM网站上结合NANOLOCTM芯片组描述了测距过程，并且在图11中对其进行了总结。测距持续发生，除非项圈在睡眠中。项圈在没有运动时睡眠，并在与项圈集成在一起的运动传感器检测到运动时苏醒。
根据一个实施例，主基地单元处的第一天线确定其自身与项圈上的第一天线之间的第一距离值，并在然后确定其自身与项圈上的第二天线之间的第二距离值。然后，主基地单元处的第二天线确定其自身与项圈上的第一天线之间的第三距离值，并在然后确定其自身与项圈上的第二天线之间的第四距离值。如果成功确定全部四个距离值，在获得狗与主基地单元的距离的当前计算方面使用的实际距离是四个测量值中的最短距离。由三个锚点中的每一个来执行相同的过程。
在序列号为No 12/539,404，于2010年2月11日以美国公开号No.US 2010/0033339公开的共同未决申请(“’339申请”)中更完整地描述了前述的测距过程。由此通过引用将’339申请并入，并如同其整体在本文中阐述一样，将其视为本即时公开的一部分。
根据更优选的测距实施例，为了得到各个项圈/基地单元对之间的可用距离值，仅需要来自一个项圈/基地单元天线对的一个有效距离值。更具体地，主基地单元处的第一天线确定其自身与项圈上的第一天线之间的第一距离值。如果从第一项圈天线向主基地单元返回值，则使用该值来作为主基地单元与项圈之间的距离，并且不再进行测量。考虑到使用从多个基地单元到项圈的多个距离值，这节省了时间，而没有损失所需的精确度。
然而，如果没有返回值，则主基地单元处的第一天线确定其自身与项圈上的第二天线之间的第二距离值。如果从第二项圈天线向主基地单元返回值，则使用该值来作为主基地单元与项圈之间的距离。然而，如果没有返回值，根据需要以主基地单元上的第二天线和项圈的一个或两个天线来继续该处理。
类似地，剩余基地单元各自确定其自身与项圈之间的距离。因为在每个情况下，在任一项圈天线和任一基地单元天线之间仅需要一个良好的距离值，因此加速了测距过程，同时仍然非常精确地确定了狗的位置。
与单天线系统相比，基地单元处和项圈处各自具有两个天线提高了成功接收信号传输与丢失信号之比。该提高的比率在家庭环境中特别有帮助(在家庭环境中，建筑、灌木、车辆和其他物体可干扰和/或阻碍信号传输)，因为阻碍信号可导致不期望的发生对狗的纠正，即，狗即使仍在规定边界内也被纠正。如之前提到的，也可以将系统配置为在各个基地单元处仅具有一个天线。
还提供双天线系统用于死区检测和调节。死区被定义为信号传输在其中可丢失或受到损害的区域。如果不检测或考虑这种死区，该忽视可导致向狗发出不期望的纠正，因为系统可以从缺少信号传输推断出狗在边界之外。在’339申请中阐述了对死区特征的更完整的讨论。
因为根据本发明的系统使用四个基地单元，可以实时地可靠确定狗在限制区域内的实际位置。虽然系统可以仅使用三个基地单元来工作，第四个单元的添加使得即使狗进入到来自锚点之一的信号传输或与锚点之一的通信可受到阻碍或以其他方式衰减的区域中，跟踪也可以继续而不中断。
为了从所确定的项圈与各个基地单元之间的距离值来确定狗的实际位置，系统使用图12中总结的三边测量过程。根据该过程，主基地单元接收对各个锚点与项圈之间的相应距离进行指示的距离值(步骤200)。为了识别并忽略反常的距离值，将当前距离值之间的差与各个锚点提供的之前的距离值相比较，以看差或增量是否大于阈值“X”(步骤204)。如果差大于阈值“X”，例如，如果在连续值之间，增量大于8米，则忽略当前距离值，因为其很可能是错的(步骤206)。
如果距离值不大于阈值“X”(步骤204)，则系统将步骤200中获得的四个距离值进行比较。图13A中示意了该比较，其中，DV1是项圈与主基地单元之间的距离值，DV2是项圈与第三锚点之间的距离值，DV3是项圈与第一锚点之间的距离值，以及DV4是项圈与第二锚点之间的距离值。然后，环绕各个锚定并环绕主基地单元限定理论上的圆圈，各个圆圈的半径等于相应基地单元返回的距离值(步骤202)。在任何时间处，基地单元中的两个将最接近项圈。根据狗相对于基地单元的位置，可以首先使用该两个最短距离值(步骤212)。在图13A的情况下，最短距离值是DV1和DV2，以及系统检查其两个相应圆圈(在图13B中由环绕主基地单元和第三锚点的圆圈来示意)之间的交叉点。如果没有发现交叉点，系统指向或步进到具有次低距离值的锚点，以寻找围绕该锚点的圆圈与其他两个圆圈中的一个之间的交叉点(步骤214)。针对每个锚点采取这些通过锚点来指向并检查交叉点的步骤，直到发现交叉点或者确定不存在足够“好”的当前位置值来进行有效的跟踪判决。如果不能进行有效的跟踪判决，则忽略或跳过当前位置值(步骤216)，并且系统等待正在进行的跟踪处理中的下一个当前位置值数据。
当两个圆圈如图13B中所示地交叉时，将存在两个交叉点17A和17B，每个交叉点都是狗可能的当前位置。为了确定哪个点是正确的点，将围绕提供下一最短距离值的锚点(图13C中的锚点1)的圆圈用作第三圆圈，并检查与前两个圆圈的交叉所标识的两个点之一的在容限值内的交叉。容限值考虑到因为衰减和/或NANOLOCTM芯片组的性能容限，所有三个圆圈的精确交叉可能不会发生。具体地，由于NANOLOCTM芯片组具有+/-2米的容限，如果第三圆圈与两个可能的狗的位置点之一的距离在该容限范围内，则认为已经发生了交叉。首先使用最低容限值，然而在其后可以使用逐步升高到最大距离限制的容限(步骤220)。例如，如果最低容限值是3米，如果第三圆圈在其中一个点的3米范围内，系统将识别到交叉。如果没有发现交叉，可以将系统设置为逐步升高容限，以使得可以查找5米范围内或7米范围内等的交叉，直到最大距离值。如果到达了最大距离值，例如，如果在15米范围内没有发生交叉，则系统忽略该基地单元。然后，系统指向并检查与剩余一个或多个基地单元的三边测量，直到发现相应的第三基地单元与两个点中的一个之间的交叉。
如果在最大距离限制之下发现交叉，则狗的当前位置值是考虑到容限值的三个圆圈“交叉”的位置或点(步骤222)。在图13C中以点17B来表示该点。如果在最大距离限制之下没有发现交叉，使用最近的跟踪距离值来确定两个交叉值中哪一个是正确的值(步骤224)。
为了“平滑”当前位置值以避免对狗的因疏忽所致的纠正并更精确地跟踪狗的位置，可以采用本领域普通技术人员将会知道的各种类型的滤波和/或加权算法来对值进行滤波。在题为“An Introduction to the KalmanFilter”的论文中描述了一种这样的使用卡尔曼滤波算法的滤波技术，该论文由位于Chapel Hill的North Carolina大学的计算机科学系的GregWelch和Gary Bishop所著。卡尔曼滤波算法根据测量采样的明显的可靠性或置信度来向各个测量距离值分配权重。测量采样的置信度是基于在当前测量的距离值与之前确定的跟踪位置值之间进行的比较来确定的，由卡尔曼滤波算法确定。如果差太大，则认为当前测量的距离值可疑，并在计算下一跟踪位置值时给予其小的权重。
根据“平滑”当前位置值的优选方法，系统使用当前位置值执行一系列的加权平均计算。由各个当前位置值(CLV)的三边测量等级(TL)来确定加权。
更具体地，TL值是对第三个基地单元的圆圈与前两个基地单元的圆圈的交叉点的接近度的相对测量。在针对交叉点对来检查了所有基地单元的可能性之后，使用最接近的第三圆圈的值来确定哪个交叉点是狗的实际位置。如果第三圆圈在交叉点之一的特定距离内，例如假设在1米内，则这表示非常好的(可信的)TL值。随着第三圆圈与交叉点中的一个之间的距离值增加，TL值变得较不可信赖。
根据可能的精确度来对TL值排序，以考虑该距离上的差异。例如，根据一个可能的实现，向小于1米的距离分配TL值“1”；向3米到1米之间的距离值分配TL值“2”；向5米到3米之间的距离值分配TL值“3”；等等。很清楚，在不背离本文中正在描述的加权方案的意图的情况下，可以指定其他的范围。继续该示例，向TL值“1”加权100％；向TL值“2”加权80％；以及向TL值“3”加权60％；等等。可以通过逐步下降的方式继续加权，直到其距离被认为超过了可信点的点处，假设是15米。
一旦权重已被设置，优选使用所分配的权重对一系列的CLV取平均，以计算指示狗的位置的跟踪位置值。可以通过改变加入计算的历史点的数目(例如两个值、三个值等等)来改变该取平均。一般而言，优选使用5个点或更少的点，因为依靠较大数目的点并花费收集和处理这些点所需的时间减慢了系统对快速移动的反应。
针对本示例的目的，三个点将加入到确定跟踪位置值(TLV)中。这三个点是：1)(3，2)处的CLV1，TL值是1；(4，2)处的CLV2，TL值是1；以及(5，2)处的CLV3，TL值是1。给定这些点，可以如下计算TLV：
TLV＝[(3+4+5)/3]，[(2+2+2/3)]＝(4，2)
从该示例可能还不是直接显而易见的，CLV和TL值都被加权了。为了对比进行说明，将给出也使用三个点的另一示例。这三个点是：1)(3，2)处的CLV1，TL值是1；(4，2)处的CLV2，TL值是2；以及(5，2)处的CLV3，TL值是3。给定这些点，可以如下计算TLV：
TLV＝[(3+0.8*4+0.6*5)/(1+0.8+0.6)]，
[(2+0.8*2+0.6*2)/(1+0.8+0.6)]＝(3.83，2)
通过以这种方式对特定数目的CLV加权并取平均，实现了对跟踪进行平滑的好处，这在围栏设置模式期间以及(更有利地)在跟踪项圈的位置时都可以使用。
如图14中总结的，一旦建立，无线围栏系统10维持监视模式，在监视模式期间，远程控制器15显示与项圈14以及远程控制器15的电池充电电平的状态、围栏状态(开或关)以及是否检测到破口有关的信息(步骤230)。使用改进的点在多边形内方法(point-in-polygon methodology)来检测破口(步骤232)。更具体地，使用跟踪位置值/当前位置值作为开始位置，在数学上产生从该点到无限远的矢量。计算与所产生的矢量交叉的围栏或禁区线段的数目。如果该数目是奇数，则跟踪位置值/当前位置值在允许的区域中。然而，如果该数目是偶数或零，则跟踪位置值/当前位置值或者在禁区中，或者在围栏边界之外，即，已出现了破口。当检测到破口时，系统进入下面将进一步描述的纠正模式。
为了降低对狗执行的不希望的纠正的可能性，根据本发明的系统包括图15中总结的跟踪处理。当执行跟踪处理时，将有效的当前位置值存储在存储器(例如，主基地单元处的闪存)中(步骤240)。然而，基地单元和项圈不断地发送和接收信号，以继续计算更新的当前位置值来实时跟踪狗。在该进行中的过程期间，在任何给定时间确定的具体当前位置值相对于狗的实际位置可能会有轻微的不精确，在狗实际仍在漫步区域内时指示狗在漫步区域外。这些错误值如果担当表面值(face value)，将导致向狗执行不希望的纠正。因此，根据本发明的跟踪过程通过对多个值取平均以使得由容限和衰减导致的错误值将会被补偿或忽略，使用例如上述的加权和取平均子程序来“平滑”连续的当前位置值(步骤242)。
此外，当获得各个当前位置值时，检查这种值，以确定是否已经超过与前一当前位置值的最大距离增量(步骤252)。如果已经超过最大增量值，将相关联的当前位置值当做出错而忽略。通过提供对与各个当前位置值相关联的出错程度进行调节(accommodate)的该手段，从而获得了更精确的跟踪位置值(步骤244)，该出错程度是由于系统的性能容限(来自于环境衰减和特定NANOLOCTM芯片组的+/-2米的容限)造成的，下面将对其进行更全面的描述。
如已经描述的，跟踪过程通过使用取平均子程序不断将项圈的当前位置值与边界和禁区状态进行比较(步骤246)。如果认为当前位置值是有效值并且在围栏内并在禁区外，不采取动作(步骤248)。然而，如果认为当前位置值有效并且连同之前5个当前位置值中的至少一个一起在围栏边界外或在禁区内，则开始纠正序列(步骤248)。此外，为了进一步针对快速移动进行调节，系统可被配置为例如只要单个当前位置值在边界之外便发起纠正，或者当一行中的两个当前位置值在外部时发起纠正。通过这种方式，当时间非常重要时，可以降低或消除与常用的取平均过程相关联的时滞。
如图16中总结的，当主基地单元向项圈发送用于纠正的命令时，纠正过程开始(步骤410)。在接收到该命令时，项圈被激活，并以音调和/或物理纠正的形式发出纠正(步骤412)。纠正继续，直到已经到达所设置的超时时间段(步骤414)，或者直到狗返回到漫步区域(步骤416)。如果已经到达超时时间段(步骤414)，纠正停止(步骤418)。如果还未到达超时时间段(步骤414)并且狗已经返回到漫步区域内，纠正也停止(步骤418)。然而，如果还未到达超时时间段并且狗还没有返回(步骤416)，纠正继续(步骤412)。纠正周期的长度可以改变，然而根据一个优选实施例，纠正周期大约是30秒。可以根据系统设计和设置来可变地设置狗在纠正停止之前必须返回到漫步区域内的范围。
通过在项圈和基地单元之间交换的信号的强度增强，本发明还实现了不利的情况下的增强的鲁棒性。当在建筑物、灌木、车辆等可干扰信号接收和发送的家庭环境中操作时，与仅使用常规地配置的NANOLOCTM芯片组的可能情况相比，该强度增强或信号放大允许基地单元和项圈更精确地进行测距和跟踪过程。根据优选实施例，将功率放大电路集成为与NANOLOCTM芯片组一起工作来提供更大的信号强度。
应该将前述的描述和图视为仅是对本发明的原理的说明。可以通过各种方式来配置本发明，并且本发明不为优选实施例的各方面所限。对于本领域技术人员来说，本发明的众多应用将很容易发生。因此，不希望将本发明限制为所公开的特定示例或所示出和描述的确切构造和操作。相反，可以采取落入本发明范围内的所有适合的修改和等同替代。

Claims (43)

1.一种用于将一只或多只狗限制在用户限定的漫步区域内的无线围栏系统，包括：
包括收发信机单元的主基地单元以及至少两个各自具有收发信机单元的从基地单元，所述主基地单元和所述从基地单元以彼此相隔的关系位于通常中心的位置内；
主基地单元激活装置，用于在系统布局建立阶段期间激活主基地单元，以在主基地单元和从基地单元之间发起通信序列，在所述通信序列期间，主基地单元和从基地单元之间的相应距离和空间关系被确定并放置于预定的平面坐标系上，其中，所述距离和空间关系由所述平面坐标系内的相应坐标来标识，以限定整体的基地单元布局；
由狗佩戴的至少一个项圈，所述项圈包括与所述主基地单元和所述从基地单元的收发信机单元进行信号通信的收发信机单元，所述基地单元中的每一个被配置为使用所述收发信机单元来实时地连续获得其自身与项圈之间的距离值，并向所述主基地单元传送所述距离值，以用于使用三边测量过程来计算对狗在所述平面坐标系内的位置进行指示的跟踪位置值；
可跟踪设备，被配置为在围栏建立阶段期间与所述主基地单元和所述从基地单元通信，在所述围栏建立阶段期间，当所述可跟踪设备环绕围绕所述通常中心的位置的用户定义周界移动时，所述基地单元跟踪所述可跟踪设备的连续位置，所述用户定义周界限定了定制形状的围栏，所述围栏内的区域构成所述用户定义的漫步区域，并且所述漫步区域外的区域构成触发区；
所述项圈包括纠正单元，当由所述系统计算的所述跟踪位置值指示狗在所述触发区中时，所述纠正单元发起执行对狗的校正；以及
所述系统还被配置为：在计算所述跟踪位置值时对多个所述连续获得的距离值进行加权和滤波，并且向被认为可疑的距离值分配较小的权重，所述可疑的距离值是由于其与之前测量的距离值之间的差异和之前计算的跟踪位置值而被认为是可疑的，所述之前计算的跟踪位置值指示了狗在所述平面坐标系内的位置。
2.根据权利要求1所述的无线围栏系统，其中，所述基地单元中的每一个包括第一基地天线和第二基地天线，以及所述项圈包括第一项圈天线和第二项圈天线。
3.根据权利要求1所述的无线围栏系统，其中，所述通常中心的位置是房屋，以及所述基地单元布局包括分别位于所述房屋的四个角落的所述主基地单元和三个从基地单元。
4.根据权利要求3所述的无线围栏系统，其中，所述三边测量过程包括：在所述主基地单元处接收与所述三个从基地单元的当前距离值，所述距离值包括所述主基地单元与所述远程单元之间的第一距离值DV1、第一从基地单元与所述远程单元之间的第二距离值DV2、第二从基地单元与所述远程单元之间的第三距离值DV3、以及第三从基地单元与所述远程单元之间的第四距离值DV4；限定环绕所述主基地单元的半径等于DV1的圆圈；限定环绕所述第一从基地单元的半径等于DV2的圆圈；限定环绕所述第二从基地单元的半径等于DV3的圆圈；限定环绕所述第三从基地单元的半径等于DV4的圆圈；检查半径对应于两个最小距离值的两个圆圈之间的交叉，所述交叉在发现时包括两个点，所述两个点中的每一个表示所述远程单元的可能位置；以及使用具有下一最小距离值的圆圈作为第三圆圈，以发现所述第三圆圈与所述两个点之一之间在容限值内的交叉点，所述交叉点表示所述远程单元的当前位置值。
5.根据权利要求4所述的无线围栏系统，所述系统被配置为通过确定所述当前位置值的三边测量等级来平滑所述当前位置值，所述三边测量等级是对所述第三圆圈的与前两个圆圈交叉处的两个点之一的交叉点的接近度的相对测量，根据可能的精确度对三边测量等级值进行排序，并使用排序后的三边测量值来对所述当前位置值加权。
6.根据权利要求1所述的无线围栏系统，还包括：在系统建立期间由用户沿着所述围栏或靠近所述围栏放置的多个旗标，所述旗标在视觉上指示接近所述触发区。
7.根据权利要求1所述的无线围栏系统，其中，所述漫步区域包括至少一个禁区，通过在所述基地单元跟踪所述可跟踪设备的连续位置时由用户带着所述可跟踪设备环绕所述禁区边界步行，用户在所述围栏建立阶段之后的禁区建立阶段期间限定所述禁区的边界。
8.根据权利要求7所述的无线围栏系统，其中，所述围栏和所述禁区边界由多个已连接的线段组成，所述线段的端点由所述基地单元在所述围栏建立阶段和所述禁区建立阶段期间跟踪的所述可跟踪设备的所选位置限定。
9.根据权利要求8所述的无线围栏系统，其中，所述系统被配置为使用点在多边形内方法来检测所述围栏的破口，所述点在多边形内方法包括：使用所述跟踪位置值或所述当前位置值作为开始点，在数学上产生从所述开始点到无限远的矢量，计算由所述矢量交叉的围栏和禁区线段的数目，以及如果所述数目是奇数，确定所述当前位置值或跟踪位置值在漫步区域内，以及如果所述数目是偶数，确定所述当前位置值或跟踪位置值或者在禁区中或者在所述围栏外。
10.根据权利要求2所述的无线围栏系统，其中，所述项圈纠正单元包括包含印制电路板PCB组件的隔间，所述项圈收发信机集成在所述PCB组件内。
11.根据权利要求10所述的无线围栏系统，其中，所述项圈还包括连接到所述隔间的一侧的第一带子部分和连接到所述隔间的相对侧的第二带子部分，所述带子部分被配置为将所述项圈环绕狗的颈部固定，所述第一项圈天线被插入到所述第一带子部分中的盲通道中，以及所述第二项圈天线被插入到所述第二带子部分中的盲通道中，所述第一项圈天线和所述第二项圈天线的自由端从收纳到所述隔间内的所述带子部分伸出，并耦合到所述PCB组件上的连接器。
12.根据权利要求11所述的无线围栏系统，其中，所述隔间包括上部外壳和下部外壳，所述PCB组件和所述带子部分的自由端收纳在所述下部外壳内，以及所述上部外壳与所述下部外壳密封，以使得所述项圈防水。
13.根据权利要求1所述的无线围栏系统，还包括与具有显示屏的个人计算机设备兼容的可视化软件，所述软件被配置为在所述围栏建立阶段期间运行，并创建在所述显示屏上显示的所述围栏的视觉表示。
14.根据权利要求13所述的无线围栏系统，其中，所述可视化软件包括将所创建的围栏的视觉表示自动放大为显示器上的“全屏”视图的自动缩放特征。
15.根据权利要求13所述的无线围栏系统，其中，所述可视化软件显示所述基地单元的位置，并包括允许用户进行屏幕上示出的各个点之间的距离测量估计的屏上网格系统。
16.根据权利要求13所述的无线围栏系统，其中，所述可视化软件被配置为：当用户带着所述项圈沿所述围栏步行时在显示器上创建所述围栏的视觉描述，并且在所述项圈移动到所述触发区时呈现指示所述围栏的破口的至少一个屏幕外观改变。
17.根据权利要求16所述的无线围栏系统，其中，所述屏幕外观改变包括当破口出现时所述围栏的颜色的改变。
18.根据权利要求13所述的无线围栏系统，其中，所述可视化软件创建在围栏建立期间记录的所述可跟踪设备的连续位置的数字日志文件，所述数字日志文件提供用于创建在所述显示屏上显示的所述围栏的视觉表示的数据。
19.根据权利要求1所述的无线围栏系统，其中，所述可跟踪设备是所述项圈。
20.根据权利要求1所述的无线围栏系统，还包括远程控制器。
21.根据权利要求20所述的无线围栏系统，其中，所述远程控制器被配置为所述可跟踪设备。
22.一种使用无线围栏系统来限定定制漫步区域并定位所述漫步区域内的对象的方法，所述系统包括多个基地单元，所述多个基地单元包括各自具有收发信机单元的主基地单元和至少两个从基地单元，以及构成要被定位的对象并具有收发信机单元的至少一个可移动远程单元，所述方法包括以下步骤：
将所述基地单元以彼此相隔的关系相对于通常中心的位置放置；
激活所述主基地单元，以使所述主基地单元和所述从基地单元进入彼此的双向通信中，所述主基地单元确定并记录其自身与所述从基地单元之间在预定的平面坐标系上的相应距离和空间关系，其中，由所述平面坐标系内的相应坐标来标识所述距离和空间关系，以限定整体的基地单元布局；
通过用户沿着对围绕所述漫步区域的围栏进行限定的路径移动可跟踪设备，创建所述定制的漫步区域，所述基地单元在所述可跟踪设备沿着所述路径移动时跟踪所述可跟踪设备的连续位置，所述围栏外的区域构成触发区；
将所述可移动远程单元放置在所述漫步区域中，并实时地连续获得各个基地单元与所述远程单元之间的距离值；
所述主基地单元使用所述距离值和三边测量过程持续计算所述远程单元在所述平面坐标系内的当前位置值；以及
在计算所述当前位置值时对多个所述连续获得的距离值进行加权和滤波，并且向被认为可疑的距离值分配较小的权重，所述可疑的距离值是由于其与之前测量的距离值之间的差异和之前计算的当前位置值而被认为是可疑的，所述之前计算的当前位置值指示所述远程单元在所述平面坐标系内的位置。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤：用户在创建定制的漫步区域之后检验围栏位置，所述检验围栏位置的步骤包括在创建定制的漫游区域的步骤期间运行可视化软件，所述可视化软件与具有显示屏的个人计算机设备兼容，所述软件创建在所述显示屏上显示的所述围栏的视觉表示。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：在限定所述围栏后，沿着与所述围栏相邻和在所述围栏内的线移动所述可跟踪设备，以检验围栏位置和形状。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述可视化软件显示所述基地单元的位置，并包括允许用户进行屏幕上示出的各个点之间的距离测量估计的屏上网格系统。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述检验步骤还包括以下步骤：用户带着所述可移动远程单元或其他可跟踪设备沿所述围栏步行，所述可视化软件被配置为：当用户沿所述围栏步行时在显示器上创建所述围栏的视觉描述，并且在所述可移动远程单元或其他可跟踪设备移动到所述触发区时呈现指示所述围栏的破口的至少一个屏幕外观改变。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述屏幕外观改变包括当破口出现时所述围栏的颜色的改变。
28.根据权利要求23所述的方法，还包括：所述可视化软件创建在创建所述定制的漫步区域的步骤期间记录的所述可跟踪设备的连续位置的数字日志文件，所述数字日志文件提供用于创建在所述显示屏上显示的所述围栏的视觉表示的数据。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括以下步骤：使用所述数字日志文件作为识别任何基地单元通信困难区域的故障检测机制，以。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：查看所述数字日志文件，并将从其中获得的图像数据与来自卫星服务的图像进行比较，以识别超过阈值的任何差别，并且如果存在超过阈值的差别，手动输入更接近对应于所述卫星服务图像的布局值。
31.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤：通过用户沿着将对围绕禁区的边界进行限定的路径来移动所述可跟踪设备，在所述漫步区域内创建至少一个禁区，所述基地单元在所述可跟踪设备沿着所述边界移动时跟踪所述可跟踪设备的连续位置。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述围栏和边界线由多个已连接的线段组成，所述线段的端点由所述基地单元跟踪和记录的所述可跟踪设备的所选位置来限定。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括：由所述远程单元使用点在多边形内方法来检测所述围栏的破口，所述点在多边形内方法包括以下步骤：
使用当前位置值作为开始点；
在数学上产生从所述开始点到无限远的矢量；
计算由所述矢量交叉的围栏和禁区线段的数目；
如果所述数目是奇数，确定所述当前位置值在所述漫步区域内，以及如果所述数目是偶数，确定所述当前位置值或者在禁区中或者在所述围栏外。
34.根据权利要求22所述的方法，还包括使用卡尔曼滤波技术来平滑连续的距离值，所述卡尔曼滤波技术包括以下步骤：
使用算法，基于在当前测量的距离值与之前估计的距离值之间进行的比较，向各个已测量的距离值分配权重，如果当前测量的距离值与之前估计的距离值之间的差大于预定阈值，所述算法向当前测量的距离值给予较小的权重，以及如果当前测量的距离值与之前估计的距离值之间的差小于所述预定阈值，所述算法向当前测量的距离值给予较大的权重；以及
使用所述加权的距离值来计算对所述远程单元在所述平面坐标系内的位置进行指示的已更新的当前位置值。
35.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤：当所述系统计算的所述当前位置值指示所述远程单元在所述触发区中时，在所述主基地单元处发出警告音。
36.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤：在系统建立期间由用户沿着所述围栏或靠近所述围栏放置多个旗标，所述旗标在视觉上指示接近所述触发区。
37.根据权利要求22所述的方法，其中，所述系统是用于将一只或多只狗限制在用户限定的漫步区域中的无线围栏产品，所述远程单元包括狗佩戴的项圈，所述项圈包括项圈纠正单元，所述方法还包括以下步骤：当由所述系统计算的所述当前位置值指示狗在所述触发区中时，所述项圈纠单元发起执行对狗的校正。
38.根据权利要求22所述的方法，其中，包括三个从基地单元，以及在计算对所述远程单元的位置进行指示的当前位置值的所述步骤中使用的所述三边测量过程包括以下步骤：
在所述主基地单元处接收与三个所述从基地单元的当前距离值，所述距离值包括所述主基地单元与所述远程单元之间的第一距离值DV1、第一从基地单元与所述远程单元之间的第二距离值DV2、第二从基地单元与所述远程单元之间的第三距离值DV3、以及第三从基地单元与所述远程单元之间的第四距离值DV4；
限定环绕所述主基地单元的半径等于DV1的圆圈；
限定环绕所述第一从基地单元的半径等于DV2的圆圈；
限定环绕所述第二从基地单元的半径等于DV3的圆圈；
限定环绕所述第三从基地单元的半径等于DV4的圆圈；
检查半径对应于两个最小距离值的两个圆圈之间的交叉，所述交叉在发现时包括两个点，所述两个点中的每一个表示所述远程单元的可能位置；
使用具有下一最小距离值的圆圈作为第三圆圈，以发现所述第三圆圈与所述两个可能的位置点之一之间在容限值内的交叉点，所述交叉点表示所述远程单元的当前位置值。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，如果在半径对应于所述两个最小距离值的两个圆圈之间没有发现交叉，检查具有下一最小距离值的圆圈与半径对应于所述两个最小距离值的两个圆圈之间的交叉；
如果没有发现交叉，检查具有最大距离值的圆圈与半径对应于所述两个最小距离值的两个圆圈之间的交叉；以及
如果没有发现交叉，因为所述当前距离值不可靠而将其忽略。
40.根据权利要求38所述的方法，还包括以下步骤：如果没有发现所述第三圆圈与所述两个可能的位置点中之一之间在所述容限值内的交叉点，忽略所述当前距离值。
41.根据权利要求38所述的方法，其中，所述容限值被定义为距离范围，所述系统在所述距离范围上检查所述交叉点，未能在所述距离范围内发现所述交叉点指示所述第三圆圈的距离值是可疑的，从而所述方法还包括以下步骤：使用剩余圆圈来发现所述剩余圆圈与所述两个可能的位置点中之一之间在容限值内的交叉点。
42.根据权利要求38所述的方法，还包括以下步骤：通过确定所述当前位置值的三边测量等级来平滑所述当前位置值，所述三边测量等级是对所述第三圆圈的与前两个圆圈交叉处的所述两个可能的位置点中之一的交叉点的接近度的相对测量。
43.根据权利要求42所述的方法，还包括以下步骤：根据可能的精确度对三边测量等级值进行排序，并使用排序后的三边测量值来对所述当前位置值加权。
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