CN103201646A - 通过rfid标签确定位置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定对象(1)的空间位置和/或方向的方法，该对象是通过至少一个转发器(2，2’)标记的，其中，该转发器(2，2’)接收由发射设备(3)所发射的查询信号并且由此被激活以发射定位信号，其中，通过至少一个接收设备(5)接收该定位信号并且通过评估设备(7)分析该定位信号以确定位置。本发明的目的是提供一种在实用性方面并且尤其是在确定位置的精度方面被改进的方法。为此，发射设备(3)创造性地间歇地发射查询信号，其中接收设备(5)接收由转发器(2，2’)至少在发射设备(3)的发射暂停期间所发射的定位信号，并且评估设备(7)由此确定位置。本发明还涉及一种用于执行该方法的系统。

Description

通过RFID标签确定位置

技术领域

本发明涉及一种用于确定对象的空间位置和/或方向的方法，该对象是通过至少一个转发器来标记的，其中，该转发器接收由发射设备所发射的查询信号并且由此被激活以发射定位信号。其中，通过至少一个接收设备接收该定位信号并且利用评估设备分析该定位信号以确定位置。本发明还涉及用于确定位置的系统，所述系统包括至少一个可附接到对象的转发器，并且包括用于发射可被该转发器接收的查询信号的发射单元、位于不同地点的用于接收由该转发器所发射的定位信号的多个接收设备、以及用于分析所接收的定位信号的评估设备。

背景技术

在医学中，例如，在各种诊断和治疗方法中对所应用的医疗仪器的位置的精确确定是极其重要的。例如，这种仪器可以是血管内导管、引导线、活检针、微创手术仪器、内窥镜等等。尤其令人感兴趣的那些系统是用于确定介入放射学、神经外科、整形外科或放射治疗领域中的医疗仪器的空间位置和地点的系统。然而，针对精确的位置确定系统的多种潜在应用也存在于医疗领域之外。

WO 2007/147614 A2公开了一种用于确定医疗仪器的空间位置和/或方向的系统，该系统包括以电磁辐射的形式发射查询信号的发射单元和安置在医疗仪器上的RFID标签形式的至少一个转发器。该RFID标签由天线和连接至天线的电路组成以用于接收和发射电磁辐射，其中该电路可以由经由天线接收的查询信号激活，即以这样的方式：其经由天线将定位信号作为电磁辐射进行发射。规定了多个接收单元，其接收转发器发出的定位信号。根据在相关接收单元的位置处的定位信号的场强和相位，可以得出关于转发器的准确位置的结论。链接至接收单元的评估单元根据转发器发出的定位信号来确定转发器的空间位置和/或方向并由此确定医疗仪器的空间位置和/或方向。

对于现有的系统，实际上是存在问题的，这是由于在对RFID标签的同等微弱的定位信号的评估是困难的，特别是对于在接收设备的相关地点处的定位信号的相位关系的评估是困难的。原因是与定位信号并行的接收设备还接收发射设备的查询信号。后者比定位信号强了多达100dB。由于从转发器的定位信号中分离出发射设备的查询信号是不可能或至少不足够可能的，因此在确定位置方面不能达到足够的精度。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的是提供一种在实用性方面并且尤其是在确定位置的精度方面被改进的方法和系统。

本发明基于上文所表明的类型的方法以发送设备间歇性地发射查询信号这样的方式解决了此任务，其中接收设备接收至少在发射设备的发射暂停期间由转发器所发射的定位信号，并且其中，评估设备由此确定位置，即，精确至几厘米、几毫米或者甚至小于1毫米。

用本发明的方法所实现的作为用于确定位置的标记是转发器，如上文所概述，优选地，以常规的RFID标签(例如，根据所谓的“EPC全球标准”)的形式。众所周知，RFID是用于非接触式识别和跟踪的技术。RFID系统由转发器和用于读出转发器标识的阅读器设备组成。在本发明的意义上说，阅读器设备形成了发射设备。通常，RFID标签包括天线和具有模拟和数字部分的集成电子电路。模拟部分(收发器)用于接收和发射电磁辐射。数字电路包括数据存储器，在该数据存储器中可存储转发器的标识数据。对于更复杂的RFID转发器，电路的数字部分具有诺伊曼架构。在本发明的意义上说，由阅读器设备生成的高频电磁场形成查询信号。经由RFID转发器的天线将其接收。一旦天线位于阅读器设备的电磁场中，就在天线中产生激活转发器的感应电流。因此，激活的转发器经由电磁场接收来自阅读器设备的命令。转发器生成响应信号，该响应信号包括阅读器设备所查询的数据。根据本发明，响应信号是定位信号，基于该定位信号获得标记的空间位置。

无源RFID标签和有源RFID标签(例如，用于扩大范围)都适用于本发明的方法。

本发明利用了可以在短时间间隔期间(约100-500μs)中断发射设备的查询信号而不会对发射设备和转发器之间的通信产生不利影响的知识。具体地说，显而易见地，在被查询信号激活之后，转发器已经存储了足够的能量并在发射设备的发射暂停期间继续发射定位信号。根据本发明，在发射设备的发射暂停期间接收定位信号并利用评估设备进行分析以确定位置。因此，定位信号在没有被查询信号干扰叠加的情况下被接收。这使得大大增加了确定位置的灵敏度和精度。因此，对于常规的RFID标签，可以以毫米精度执行位置确定。

根据本发明方法的优选的实施例，通过评估设备进行的位置确定是基于定位信号的电磁辐射在接收设备的位置处的相位关系来完成的。其背景是定位信号的场强会受波动的影响，例如由于来自环境的信号反射。由于这个原因，基于场强(即基于转发器发射的定位信号的电磁辐射的幅度)的位置确定可能并不是总具有足够的精度。与定位信号的电磁辐射的幅度相比，相位关系响应出对干扰的周围环境影响的更小的灵敏度。还可以设想的是，最初基于幅度进行粗略的位置确定，通过确定相位关系来完善精度。基于相位关系确定位置还允许与基于信号幅度确定位置相比更高的精度。然而，考虑到电磁辐射的周期性，基于相位的位置确定可能是不明确的。需要保持一个受限制的测量空间(measuring volume)，在该测量空间之中可以根据与位置的相位关系得出明确的结论，或者需要采取额外的措施。这里，测量信号幅度和测量相位关系的结合可以纠正这种情况。作为另一种选择或者另外，为了得出关于正确位置的明确结论，在对象移动期间对相关接收设备的位置处的定位信号的零交叉进行计数是可能的。

一种创造性地应用的接收设备通常包括连接至相应的接收机电子设备(HF网络、放大器、解调器，等)的天线。在本发明的意义上说，术语“接收设备的位置”等价于天线的位置。对于确定位置的影响因素是在天线的位置处的定位信号的电磁辐射的相位和/或幅度。天线可以与相关的接收机电子设备在空间上分离，例如天线经由电缆连接至接收机电子设备。一种变形也是可想而知的，其中多个天线连接至由多个信道组成的接收机电子设备。在这种情况下，在本发明的意义上说，“接收设备的位置”意味着相关的天线的位置也是正确的。

在本发明方法的优选实施例中，通过评估设备对由唯一转发器所标记的对象的方向的确定是基于定位信号的电磁辐射在接收设备的位置处的相位关系来完成的。该方法利用了转发器具有特有的各向异性的发射特征的事实。空间中的对象的方向(通过角度来确定，相对于坐标轴假设对象的至少一个特定轴)以预定的方式在相位关系上生效。这可以用于确定方向，即使对象仅用唯一的转发器所标记。

根据本发明的适当发展，可以规定：通过位于不同地点的两个或更多个接收设备接收定位信号的电磁辐射，其中，生成从所接收的定位信号所获得的相位差值并将其馈送到评估设备以用于确定位置。根据从两个不同位置中的每一个接收到的定位信号，可以例如形成相位差。将相位检测器分配给每一个接收设备也是可行的，向所述相位检测器提供参考信号用来产生相位差，该参考信号与查询信号之间具有恒定的相位关系。测量相位差而不是绝对相位关系是有利的，这是因为最初从相关转发器发出的定位信号的电磁辐射没有确定的绝对相位关系。有利地，像那些例如在PLL组件中所使用的常规和低价的相位检测器可以用于测量相位差。通常，用于放大所接收的信号的信号放大器已经被集成在这种PLL组件中。

在基于相位差确定位置中所恰当地应用的过程是使得根据所接收的定位信号得到的相位差值与参考相位差值(例如，存储在评估设备中的那些)进行比较。可以使用被适当地分配给x、y、z坐标的所存储的参考相位差值进行简单的比较(可能结合插值)。作为另一种选择，确定位置可以通过神经网络来完成，向该神经网络提供相位差值作为输入值，所述相位差值是根据所接收的定位信号生成的。然后，位于神经网络输出处的是空间坐标，相关标记的瞬时位置是由该空间坐标产生的。

提前执行校准测量是恰当的，在该校准测量中获得了多个预定位置的参考相位差值。这些可以与预定的位置的空间坐标一起简单地存储在合适的数据矩阵中。同样地，之前提到的神经网络可以根据校准测量进行训练。进一步的目的是规律地查找预定的参考点，对象和/或标记独立于校准。这可以用于以规律的间隔执行相对于坐标原点的校准。在确定位置时，如果需要的话，可以很容易补偿坐标原点的移动，通过简单的向量加法即可，不需要更新的完整校准。

为了校准的目的，根据本发明的优选的实施例，可以提供位于预定位置的多个参考转发器以用于记录参考相位差值。这允许执行连续的校准，例如为了使用于位置确定的参考相位差值不断地适应变化的周围环境状况。为此，可以以规律周期重复校准测量。

进一步优选的是本发明方法的实施例，在该实施例中，从转发器发出的定位信号是脉冲成形的。首先对相位检测器的输出信号恰当地数字化，即，以比定位信号的脉冲频率更高的扫描频率进行数字化。然后，可以基于相位检测器的输出信号通过合适的数字信号处理根据接收的定位信号获得相位差值。通过用于信号处理的合适的算法，可以有效地抑制信号噪声和其它信号干扰。从创造性地使用的RFID标签发出的信号是脉冲成形的。在RFID标签和阅读设备之间的数字数据传送通常通过信号脉冲来完成。根据本发明，这可以被用于以可靠和低噪声的方式如上文所述地获取确定位置所需要的相位差值。

本发明还涉及一种用于位置确定的系统，所述系统是由以下各项组成：附接到对象的至少一个转发器、用于发射可被转发器接收的查询信号的发射设备、位于不同地点以用于接收由转发器发出的定位信号的多个接收设备、和用于分析接收到的定位信号的评估设备(7)。通过配置发射设备以间歇地发射查询信号来解决上述提到的任务，其中转发器至少在发射设备的发射暂停期间发射定位信号。

在系统的优选的实施例中，配置评估设备以便通过分析在发射设备的发射暂停期间所接收的定位信号来确定转发器的空间位置。

本发明的系统的进一步优选是为每个接收设备分配一个相位检测器，至少在发射设备的发射暂停期间为所述相位检测器提供参考信号，所述参考信号与查询信号具有恒定的相位关系。

本发明的系统可应用于各种领域。

在医学中(例如在介入放射学、神经外科、整形外科或者放射治疗领域)，该系统可以用于确定由一个或多个RFID标签标记的医疗仪器的位置，精确到毫米。出于导航的目的，所记录的位置可以以合适的方式被可视化，例如通过在对外科医生可见的屏幕上显示该仪器，其中仪器的呈现与医疗图像数据(例如，X射线、CT、超声波或MR图像)相叠加。

进一步可设想的是本发明的系统在仪器分析上的应用，即，用于确定由至少一个转发器所标记的样本的位置和/或方向或者样本容器的位置和/或方向。一方面，转发器允许确定样本在相应的分析测量布置中的位置。另一方面，可以基于转发器自动地识别样本。

此外，本发明的系统使其自身适合于自动制造技术中(例如，在汽车工业或在航空航天技术中)的应用，以用于确定由至少一个转发器标记的组件、工件或者制造自动装置的位置和/或方向。以这种方式，可以在任何时刻确定不同的(通过转发器可识别的)待加工的工件或待安装的组件的位置以便相应地控制所应用的制造自动装置。可以获取和监测甚至制造自动装置本身的位置，即，例如链接至制造自动装置的工具或抓取设备的瞬时地点、位置和方向。此外，为了保证已完成的加工或者安装的质量，可以分别检查工件和组件的合适位置。

本发明的应用的其它领域在动态捕捉领域。这一术语涉及下述过程，该过程实现记录对象以及也例如人类的运动，并且将所记录的数据数字化使得能够例如通过计算机分析和存储该数字动态数据。通常，所记录的数字动态数据用于将其转换成相关对象的计算机生成的模型。这样的技术在当今的电影和电脑游戏的制作中是常用的做法。数字记录的动态数据被用来例如以计算机辅助的方式计算三维动画图形。可以通过计算机动态捕捉的方法分析复杂的动态序列从而以相对低的支出生成动画计算机图形，或者从而控制消费娱乐电子设备(例如计算机游戏控制台)。通过动态捕捉，可以记录研究对象的最不同类型的运动，即旋转，平移以及变形。记录具有多个关节的天生可移动的对象(例如，与人的情况一样)的运动也是可行的，人可以执行相互独立的运动。动态获取的通用术语也涵盖所谓的“性能获取”技术。对于该技术，被记录并被计算机分析以及进一步处理的不仅是身体运动，而且还有面部表情，即对人的模拟。根据本发明，一个或多个RFID标签附接到相关对象以用于动态捕捉，并且记录和数字化它们的空间位置。

附图说明

下面通过附图的方式概述了本发明的实际示例，其中：

图1：以框图的形式示出了发明的系统的示意图；

图2：示出了根据本发明间歇发射的查询信号的时序；

图3：示出了根据图1的系统中的相位检测器中的一个的输出信号。

具体实施方式

在附图1中示意性地示出的系统用于确定医疗仪器1(例如活检针)的空间位置和方向。在医疗仪器1处放置具有常规无源RFID标签形式的转发器2和2’作为用于位置确定的标记。该系统包括发射设备3，其也是RFID标签2、2’的常规读取设备。发射设备3经由天线4发射查询信号。转发器2和2’接收查询信号的电磁辐射。为此，转发器2和2’装备有天线(未示出)，一旦天线位于发射设备3的电磁场中，在天线中就会产生感应电流，所述感应电流激活转发器2和2’。由此激活的转发器2和2’响应于查询信号生成定位信号，这里再次以电磁辐射的形式。该定位信号是脉冲成形调制的。从而，转发器2和2’发射从发射设备3所查询的数据，例如，转发器2和2’的相关标识号。根据本发明，使用从转发器2和2’查询的定位信号来确定转发器2和2’的空间位置并从而确定医疗仪器1的位置和方向。对于本文所概述的实际示例，确定方向是通过分析两个转发器2和2’的相对位置来完成的。

来自转发器2和2’的定位信号通过位于空间中的不同地点的接收设备5接收。为此，接收设备5装备有合适的接收机天线6。提供评估设备7以用于分析接收的定位信号以确定转发器2和2’的位置。

根据本发明，接收设备3间歇地发射查询信号。为实现此目的，提供由评估设备7驱动的开关元件8，并且根据开关的位置将接收设备3与天线4相连接，或者据此断开连接。因此开关元件8允许以评估设备7控制的方式扫描查询信号。

接收设备5中的每一个是由生成根据所接收的定位信号获得的相位差值的相位检测器构成。为了进行相位差分控制，经由连接至发射设备3的参考信号线9向每一个相位检测器馈送参考信号，所述参考信号与来自发射设备3的查询信号具有恒定的相位关系。确定转发器2和2’的空间位置是利用评估设备7基于定位信号的电磁辐射在相关的接收设备5的位置处的相位关系来完成的。将接收设备5的相位检测器的输出连接至数字模块10。这些中的每一个包括对相位差值进行数字化的模/数转换器。经由与数字模块10相连接的数字总线11将数字相位差值发送至评估设备7。用于位置确定的进一步数据分析在这里完成。如图1所示，示出的系统的架构允许经由数据总线11链接至评估设备7的几乎任意数量的接收设备。接收设备5可以按提出的需求在空间中进行灵活分布以确保可靠的位置确定。

评估设备7创造性地使用这些在发射设备3的发射暂停期间接收的相位差值用来进行位置确定，即这样的时间间隔期间，在该时间间隔期间，在发射设备3与天线4之间经由开关元件8的连接被中断。以这种方式，确保来自发射设备3的查询信号不会对基于来自转发器2和2’的定位信号的位置确定产生不利影响。

附图2示出了经由天线4从发射设备3发出的查询信号。可以看出，查询信号是间歇发出的。在长达5ms的时段期间，开关元件8是关闭的，即在此期间，查询信号没有障碍地经由天线4从发射设备3发出。然后，开关元件8打开使得发射设备3和天线4之间的连接被中断，这意味着在100μs时段期间。在该时段期间，来自转发器2和2’的定位信号经由接收设备5接收并通过评估设备7被分析以用于位置确定。如上文所述，本发明利用了下述知识：来自具有常规RFID系统的发射设备3(阅读设备)的查询信号可以在短时间内(即大约100至500μs)被中断，而不会对发射设备3和转发器2和2’之间的剩余通信产生不利影响。特别利用了下述事实：转发器2和2’在由来自发射设备3的查询信号激发时已存储了足够能量以保持发射定位信号，即使在发射设备3的发射暂停期间也是如此。因此，可以创造性地接收定位信号，而不会受到查询信号的叠加干扰。

在基于数字化的相位差值确定位置时，使用的过程是利用评估设备7将相位差值与在评估设备7中所存储的参考相位差值进行比较。通过与所存储的参考相位差值的比较，确定相关转发器2和/或2’的x、y和z坐标。

医疗仪器1位于由参考转发器12所定义的区域内。参考转发器12(也是常规RFID标签)位于预定位置处。通过所示的系统，根据参考转发器12的定位信号连续地获得对应的参考相位差值。这允许在位置确定中进行连续的后校准。

图3示出了接收设备5(见图1)的相位检测器中的一个的输出信号。可以看出，相关的输出信号受到强信号噪声的影响。此外，可以看出，转发器2和2’发射脉冲输出信号。在相位检测器的输出的信号脉冲中反映出定位信号的信号脉冲。从转发器2和2’以脉冲的形式发出定位信号用于转发器2和2’与读取设备3之间的数据传输。例如，发送的是传输转发器2和2’的标识数据。因此，可以识别相应的转发器2和2’以及参考转发器12。因此，可以通过评估设备7来分别完成对每一个转发器2，2’和/或12的位置确定。根据本发明，通过数字信号处理以可靠和低噪声的方式记录相位差值。为此，每一个相位检测器的如图3所示的输出信号首先通过数字模块10的方式进行数字化，即采用比定位信号的脉冲频率更高的扫描频率。该方法具有下述优点：在相位差值形成期间，可以分析和消除来自发射设备3的查询信号的剩余的微弱的残留信号(该查询信号也是在开关元件8打开时经由天线4发射的)，并且残留信号不会对位置确定造成不利影响或者失真。

Claims (21)

1.一种用于确定对象(1)的空间位置和/或方向的方法，所述对象是通过至少一个转发器(2，2’)标记的，其中，所述转发器(2，2’)接收由发射设备(3)所发射的查询信号并且由此被激活以发射定位信号，其中，通过至少一个接收设备(5)接收所述定位信号并且通过评估设备(7)分析所述定位信号以确定所述位置，其特征在于，

所述发射设备(3)间歇地发射所述查询信号，其中，所述接收设备(5)接收由所述转发器(2，2’)至少在所述发射设备(3)的发射暂停期间所发射的所述定位信号，并且所述评估设备(7)由此确定所述位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转发器(2，2’)是由天线构成的RFID标签，经由所述天线以电磁辐射的形式接收所述查询信号，并且经由所述天线以电磁辐射的形式发射所述定位信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述发射暂停的持续时间总计多达500μs，优选地多达200μs，特别优选地多达100μs。

4.根据前述权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述通过所述评估设备(7)确定所述位置是基于所述定位信号的所述电磁辐射在所述接收设备(5)的位置处的相位关系来完成的。

5.根据前述权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述确定所述方向是通过由唯一的转发器所标记的对象(1)通过所述评估设备(7)基于所述定位信号的所述电磁辐射在所述接收单元(5)的位置处的所述相位关系来完成的。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，对所述位置的粗略确定首先是基于所述定位信号的所述电磁辐射在所述接收单元(5)的位置处的幅度来完成的，其中，随后通过确定所述相位关系来增加位置确定的精度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过位于不同位置处的两个或者更多个接收设备(5)接收所述定位信号的所述电磁辐射，其中，根据所接收的定位信号所获得的至少一个或多个相位差值

是由至少一个相位检测器生成的并且被馈送至所述评估设备(7)以用于位置确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将相位检测器分配给每一个接收设备(5)，向所述相位检测器馈送与所述查询信号具有恒定的相位关系的参考信号以进行相位差生成。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，从所述转发器(2，2’)发射的所述定位信号是脉冲成形的，其中，以扫描频率对所述相位检测器的输出信号进行数字化，所述扫描频率大于所述定位信号的脉冲频率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述相位差值

是通过数字信号处理根据数字值确定的。

11.根据前述权利要求7至10中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述位置确定是通过将根据所接收的定位信号所获得的所述相位差值

与保存在所述评估设备中的所述参考相位的差值进行比较来完成的。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，执行校准测量，其中，获取位于预定的位置处的多个参考转发器(12)的参考相位差值。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述校准测量被重复地执行。

14.一种用于位置确定的系统，所述系统包括可附接到对象(1)的至少一个转发器(2，2’)，并且包括用于发射可被所述转发器(2，2’)接收的查询信号的发射设备(3)、位于不同位置处用于接收由所述转发器(2，2’)所发射的定位信号的多个接收设备(5)、以及用于分析所接收的定位信号的评估设备(7)，其特征在于，

所述发射设备(3)被配置用于间歇地发射所述查询信号，其中，所述转发器(2，2’)至少在所述发射设备(3)的发射暂停期间发射所述定位信号。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述评估设备(7)被配置用于通过分析在所述发射单元(3)的所述发射暂停期间接收的所述定位信号，来确定所述转发器(2，2’)的空间位置。

16.根据权利要求14或15所述的系统，其特征在于，将相位检测器分配给每一个接收设备(5)，至少在所述发射单元(3)的所述发射暂停期间向所述相位检测器馈送与所述查询信号具有恒定的相位关系的参考信号。

17.在医学中使用根据前述权利要求14至16中的任意一项所述的系统以用于确定通过至少一个转发器所标记的医疗仪器的位置和/或方向。

18.在仪器分析中使用根据前述权利要求14至16中的任意一项所述的系统以用于确定通过至少一个转发器所标记的样本的位置和/或方向。

19.在自动制造技术中使用根据前述权利要求14至16中的任意一项所述的系统以用于确定通过至少一个转发器所标记的组件、工件或者制造自动装置的位置和/或方向。

20.在消费娱乐电子设备中使用根据前述权利要求14至16中的任意一项所述的系统以用于获得通过转发器所标记的对象的位置和/或方向，其中，消费娱乐电子设备是基于获取的所述对象的位置和/或方向来控制的。

21.使用根据前述权利要求14至16中的任意一项所述的系统以用于对人进行跟踪，所述人的身体通过位于多个地点处的转发器来标记。

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