CN104768222B - 使用无线电信号参数对移动装置的定位 - Google Patents

使用无线电信号参数对移动装置的定位 Download PDF

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Abstract

一种用于移动装置定位的系统具备主要装置。所述主要装置经配置以将第一信号在第一发射功率电平下发射到次要装置，且接收指示如所述次要装置接收的所述第一信号的信号强度指示符的响应信号。所述主要装置进一步经配置以基于所述信号强度指示符确定第二发射功率电平；将第二信号在所述第二发射功率电平下发射到所述次要装置；且基于经滤波发射功率电平值确定所述主要装置与所述次要装置之间的距离。

Description

使用无线电信号参数对移动装置的定位
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年1月6日提交的美国临时申请序列No.61/923,936的权益，该临时申请的公开内容全文在此以引用的方式并入本文中。
技术领域
一个或多个实施方案涉及一种用于基于无线电信号参数确定两个无线装置之间的距离的系统和方法。
背景技术
移动装置经常经配置以用无线方式与其它附近的媒体装置交换数据。举例来说，手机可以无线方式连接到耳机，且膝上型计算机可以无线方式连接到打印机。另外，手机或平板计算机可以无线方式连接到扬声器用于串流音乐。举例来说，由JBL制造的OnBeatXtremeTM扬声器对接站是可以无线方式连接到移动装置的此扬声器的实施例。室内网络内的无线装置之间的通信可经协调，尤其当网络包含相同类型的装置(例如，两个或两个以上无线扬声器)中的一者以上时。此协调将由移动装置相对于媒体装置的位置的准确确定来辅助。
存在用于使用无线信号确定移动装置的位置的若干不同现有方法。举例来说，许多移动装置(例如，手机、平板计算机)经配置以使用全球定位技术(GPS)来确定其位置。然而，GPS技术在无额外基础架构(例如，地面中继站)的情况下不能在室内很好地工作。
基于三角测量或三边测量的概念的其它定位方法也是已知的。然而，此类方法通常需要两个以上装置之间的通信，和/或装置之间的固定间隔。
无线装置通常经配置以使用蓝牙或WiFi技术与其它附近的无线装置交换数据。蓝牙(其标准化为IEEE 802.15.1)是用于在短距离上(使用从2400–2480MHz的ISM频带中的短波长无线电发发射)从固定和移动装置交换数据从而产生具有高安全等级的个域网(PAN)的无线技术标准。蓝牙包含与信号强度有关的若干信号参数，包含：所接收信号强度指示符、链接质量、所接收功率电平和发射功率电平。Hossain等人公开了使用此类信号来确定无线装置的位置的研究，“A Comprehensive Study of Bluetooth Signal Parametersfor Localization”，IEEE，2007。
发明内容
在一个实施方案中，一种用于移动装置定位的系统具备主要装置。所述主要装置经配置以将第一信号在第一发射功率电平下发射到次要装置，且接收指示如所述次要装置接收的所述第一信号的信号强度指示符的响应信号。所述主要装置进一步经配置以基于所述信号强度指示符确定第二发射功率电平；将第二信号在所述第二发射功率电平下发射到所述次要装置；且基于经滤波发射功率电平值确定所述主要装置与所述次要装置之间的距离。
在另一实施方案中，提供一种确定移动装置的位置的方法。在第一发射功率电平下将第一信号从主要装置发射到次要装置。确定如次要装置接收的第一信号的信号强度指示符。将指示信号强度指示符的响应信号从次要装置发射到主要装置。基于信号强度指示符确定第二发射功率电平。在第二发射功率电平下将第二信号从主要装置发射到次要装置。基于经滤波发射功率电平值确定主要装置与次要装置之间的距离。
在又一实施方案中，一种用于移动装置定位的系统具备移动装置和至少一个扬声器。所述移动装置经配置以在第一发射功率电平下发射第一信号。所述至少一个扬声器经配置以接收第一信号且确定第一信号的信号强度指示符。移动装置进一步经配置以基于信号强度指示符确定第二发射功率电平；将第二信号在第二发射功率电平下发射到所述至少一个扬声器；以及基于经滤波发射功率电平值确定移动装置与所述至少一个扬声器之间的距离。
附图说明
本公开的实施方案以独特性指出，且将通过结合附图参考以下详细描述而更好地理解，附图中：
图1是根据一个或多个实施方案具有各自经配置以检测移动装置的位置的多个媒体装置的建筑物的示意图；
图2是根据一个实施方案图1的移动装置和媒体装置中的一者的详细示意图；
图3是说明根据一个或多个实施方案用于确定移动装置的位置的方法的流程图；以及
图4是说明预定所接收信号强度指示符区的曲线图；以及
图5是说明通过图3的方法确定的无线电信号参数的曲线图。
具体实施方式
如所要求，本文公开了本发明的详细实施方案；然而，应理解，所公开的实施方案仅示例可以各种且替代形式体现的本发明。图式不一定按比例绘制；一些特征可夸示或最小化以展示特定组件的细节。因此，本文公开的特定结构和功能细节不应解释为具有限制性，而是仅作为用于教示本领域的技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
本公开的实施方案通常针对多个电路或其它电装置。对电路和其它电装置以及每一者提供的功能性的所有参考不希望限于仅涵盖本文说明和描述的内容。虽然可向所公开的各个电路或其它电装置指派特定标签，但此类标签不希望限制针对所述电路和所述其它电装置的操作的范围。此类电路和其它电装置可基于所需要的电实现方式的特定类型彼此组合且/或以任何方式分离。应认识到，本文公开的任何电路或其它电装置可包含任何数目的微处理器、集成电路、存储器装置(例如，快闪、RAM、ROM、EPROM、EEPROM或其其它适宜的变型)，以及彼此共同作用以执行如本文公开的任何数目的操作的软件。另外，电装置的任一者或多者可经配置以执行在非暂时性计算机可读媒体中体现的计算机程序，其经编程以执行如公开的任何数目的功能。
参看图1，说明根据一个或多个实施方案的用于检测移动装置的位置的系统，且所述系统大体由数字8参考。系统8包含至少一个媒体装置10，根据所说明的实施方案所述至少一个媒体装置10是扬声器。扬声器10与用户携带的移动装置12通信。移动装置12可为存储媒体的任何便携式装置，例如膝上型计算机、手机、平板计算机等。在一个或多个实施方案中，所述媒体可远程存储(例如，在“云”中)且由移动装置12存取。另外，扬声器10可包含电池且可作为移动装置操作。然而，为清楚起见，扬声器10在本文中不称为“移动”装置。尽管参考扬声器10描述，但本公开的实施方案可适用于其它媒体装置，例如电视机、家庭影院系统和视频终端。
图1说明位于建筑物14的房间A中的用户。用户正携带移动装置12且扬声器10也位于房间A中。用户先前已建立与扬声器10的通信，或将移动装置12与扬声器10“配对”。
扬声器10和移动装置12以无线方式彼此通信，如所说明的实施方案中的间隔开的信号线描绘。扬声器10从移动装置12接收媒体内容，且发射对应于媒体内容的音频信号16。移动装置12确定扬声器10与其自身之间的距离(d)，且将距离信息提供到扬声器10。扬声器10可经配置以基于所述距离自动激活/解除激活。
举例来说，箭头18表示由用户行进的从房间A到房间B的路径。房间B包含第二扬声器20。移动装置12可确定每一扬声器10、20与其自身之间的距离。第一扬声器10可经配置以基于距离确定当移动装置12离开房间A时解除激活，或停止播放音频信号16。另外，第二扬声器20可经配置以基于距离确定当移动装置12进入房间B时自动开始播放音频。所说明的实施方案将建筑物14描绘为具有多个房间(A、B、C、D、E)，其中每一房间包含扬声器(10、20、30、40、50)。扬声器10、20、30、40、50可经配置用于基于移动装置12与对应扬声器之间的相对距离的各种操作性(例如，激活/解除激活)。
图2描绘根据一个或多个实施方案的扬声器10和移动装置12的详细示意图。移动装置12包含微控制器210、发射器212和接收器214。发射器212和接收器214的每一者分别包含至少一个天线216、218。在其它实施方案中，发射器212和接收器214可组合为具有共同天线(未图示)的发射器/接收器(“收发器”)。微控制器210可操作地耦合到发射器212和接收器214以将信号发射到扬声器10/从扬声器10接收信号。
根据一个或多个实施方案，移动装置12包含加速计220和罗盘222。加速计220经配置以在三个轴(x、y、z)中提供指示移动装置12的加速度的数据(Ax、Ay和Az)。罗盘222经配置以提供指示移动装置12相对于北极的当前定向或方向的数据(DIR)。在其它实施方案中，移动装置12包含用于提供额外定向信息的陀螺仪(未图示)。微控制器210还包含用于处理无线电信号参数的控制模块224、滤波器226和距离模块228，其在下文详细公开。
扬声器10还包含微控制器230、发射器232和接收器234。发射器232和接收器234的每一者分别包含至少一个天线236、238。在其它实施方案中，发射器232和接收器234可组合为具有共同天线(未图示)的发射器/接收器(“收发器”)。微控制器230可操作地耦合到发射器232和接收器234以将信号发射到移动装置12/从移动装置12接收信号。微控制器230包含用于处理无线电信号参数的模块240，其在下文更详细描述。
参看图3，说明根据一个或多个实施方案的用于确定移动装置12相对于扬声器10的位置的方法，其大体由数字310参考。根据一个或多个实施方案，方法310使用微控制器210、230中包含的软件代码实施。虽然流程图以若干循序步骤说明，但一个或多个步骤可省略和/或以另一方式执行而不偏离本公开的范围和意图。
在框312处，主要装置(例如，移动装置12)将无线信号发射到次要装置(例如，扬声器10)。移动装置12可经配置以连续地或响应于唤醒信号而进行发射。如图2中说明，移动装置12的微控制器210可控制发射器212和天线216以将例如询问消息(QUERY)等无线信号发射到扬声器10。所述询问消息可根据蓝牙协议格式化，且包含非数据部分和数据部分。数据部分包含数字数据，例如加密数据、信息请求、命令和信号参数信息。扬声器10的天线238接收询问消息。接收器234解码询问消息且将对应的所接收信号(RxSig)提供到微控制器230。
根据一个或多个实施方案，微控制器230包含模块240，其配置为用于分析RxSig的所接收信号强度指示符(RSSI)模块240。RSSI模块240可分析RxSig的位错误率(BER)。在数字发射中，位错误的数目是通信信道上的数据流的所接收位的数目，所述所接收位已归因于噪声、干扰、失真或位同步错误而更改。BER是在所计划时间间隔期间位错误的数目除以所传递位的总数。
在框314处，RSSI模块240持续更新RxSig的BER，且基于BER产生所接收信号强度指示符(RSSI)。RSSI是8位有符号整数，其中符号(+、0、-)指示无线信号的所接收功率电平高于预定范围、在预定范围内还是低于预定范围。参看图4，预定RSSI范围根据一个或多个实施方案说明且大体由数字316参考。预定RSSI范围316表示RxSig的优选功率范围，且由上部阈值(HIGH)与下部阈值(LOW)限定。RSSI模块240基于RxSig与阈值的比较确定RSSI的值。举例来说，如果RxSig高于上部阈值(HIGH)，那么RSSI模块240将正(+)值指派到RSSI。如果RxSig低于下部阈值(LOW)，那么RSSI模块240将负(-)值指派到RSSI。如果RxSig在HIGH与LOW之间，那么RSSI模块240将零(0)值指派到RSSI。所述阈值是装置特定的相对值。然而，根据一个或多个实施方案，阈值之间的差近似为20dB。举例来说，在一个实施方案中，HIGH等于30dB，且LOW等于10dB；且在另一实施方案中，HIGH等于45dB，且LOW等于25dB。
在框318处，扬声器10的微控制器230控制发射器232和天线236以将包含数据部分的响应消息(RESPONSE)发射到移动装置12。数据部分包含数字数据，例如加密数据、对信息请求的响应、命令和信号参数信息(例如，RSSI)。接收器214接收并解码响应消息，且接着将例如RSSI等信息提供到微控制器210。
微控制器210包含用于控制发射功率电平(TPL)的控制模块224。TPL是经控制用于促进能量节省且用以补偿干扰的蓝牙信号参数。控制模块224基于RSSI调整TPL。一般来说，如果TPL保持恒定，那么随着扬声器10与移动装置12之间的距离增加，RSSI将减小，因为RxSig强度归因于自由空间损失或其它损失而降级。然而，单单RSSI不与距离直接相关，因为RSSI还受其它损失以及RSSI的确定影响。
在操作320处，移动装置12的控制模块224评估RSSI以确定RSSI是否大于与预定范围(0区)相关联的功率电平。如果操作320处的确定为是(例如，RSSI>0)，那么控制模块224进行到框322且减小TPL。然而，如果操作320处的确定为否，其指示RSSI在预定范围内(例如，RSSI＝0)或RSSI低于预定范围(例如，RSSI<0)，那么控制模块224进行到框324且增加TPL。实际上，控制模块224控制RSSI使得其围绕阈值中的一者(例如，HIGH或LOW)振荡。
图5描绘如框322和324产生的距离上的TPL和RSSI的曲线图。曲线图包含实际TPL曲线(TPL_act)，其反映TPL相对于距离的实际性能。如图5中描绘，TPL_act曲线的总体趋势在TPL范围(例如，+/-20dbM)内随距离增加。通过使用RSSI作为反馈，随着距离改变将RSSI维持在大体恒定值。
在一个实施方案中，控制模块224将RSSI维持在对应于HIGH阈值(其由曲线(RSSI_high)描绘)的大体恒定值。如RSSI_high和TPL_act说明，控制模块224在RSSI_high高于HIGH阈值时减小TPL，且在RSSI_high等于或低于HIGH阈值时增加TPL。在另一实施方案中，控制模块224将RSSI维持在对应于LOW阈值(其由曲线(RSSI_low)描绘)的大体恒定值。如RSSI_low和TPL_act说明，控制模块224在RSSI_low高于LOW阈值时减小TPL，且在RSSI_low等于或低于LOW阈值时增加TPL。
微控制器210还包含滤波器226和距离模块228。根据一个或多个实施方案，滤波器226是扩展卡尔曼滤波器(EKF)。EKF是以递归方式操作以恒定地更新预测状态模型的预测滤波器。
在框326处，滤波器226确定经滤波TPL(TPL_filt)。滤波器226接收包含TPL、DIR数据以及Ax、Ay、Az数据的输入；且基于所述输入估计TPL_filt。一般来说，较强TPL读数将与距离和定向相关。因此，如果随着时间的过去TPL读数与DIR和Ax、Ay、Az两者相关，那么可确定更准确的TPL_filt信号。EKF的目标是以递归方式拟合曲线TPL_act以与随距离线性增加的理论TPL模型(未图示)更紧密匹配。因此，随着时间的过去，TPL_filt数据将与理论TPL模型更紧密匹配且提供TPL与距离的更线性、单调表示。
在框328处，距离模块228接收TPL_filt，且确定移动装置12与扬声器10之间的距离。距离模块228包含预定数据且将TPL_filt映射到距离值。
尽管所说明实施方案描绘移动装置12为用于确定无线装置10、12之间的距离的主要装置；但其它实施方案预想扬声器10为主要装置且移动装置12为次要装置。因此，在一个或多个实施方案中，扬声器10和移动装置12一起提供确定移动装置12的位置的系统和方法。包含数据的询问消息从主要装置发射到次要装置。接收询问消息，且确定数据的所接收信号强度指示符。将指示信号强度指示符的响应消息发射到主要装置。基于信号强度指示符控制主要装置的发射器的功率电平。基于信号强度指示符以及加速计数据和罗盘数据中的至少一者产生经滤波功率电平值。接着，基于经滤波功率电平值确定主要装置与次要装置之间的距离。或者，在其它实施方案中，扬声器10与移动装置12两者经配置以使用对称过程确定距离，且接着使两个距离确定相关以实现更大准确性。
虽然上文描述示范性实施方案，但不希望这些实施方案描述本发明的所有可能形式。而是，本说明书中使用的词语是用于描述而非限制的词语，且应理解，可作出各种改变而不脱离本发明的精神和范围。另外，各种所实施的实施方案的特征可组合以形成本发明的进一步实施方案。

Claims (20)

1.一种用于移动装置定位的系统，其包括：
主要装置，其经配置以：
将第一信号在第一发射功率电平下发射到次要装置；
接收指示如所述次要装置接收的所述第一信号的信号强度指示符的响应信号；
基于所述信号强度指示符确定第二发射功率电平；
将第二信号在所述第二发射功率电平下发射到所述次要装置；以及
基于经滤波发射功率电平值确定所述主要装置与所述次要装置之间的距离，其中所述经滤波发射功率电平值基于所述第二发送功率电平值。
2.如权利要求1所述的系统，其中响应于所述信号强度指示符小于或等于预定阈值，所述第二发射功率电平大于所述第一发射功率电平。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述主要装置进一步包括加速计和罗盘中的至少一者。
4.权利要求3所述的系统，其中所述主要装置进一步经配置以基于所述信号强度指示符以及加速计数据和罗盘数据的至少一者产生所述经滤波发射功率电平值。
5.权利要求1所述的系统，其中所述主要装置进一步包括用于对所述第一发射功率电平进行滤波的扩展卡尔曼滤波器。
6.权利要求1所述的系统，其中所述主要装置包括手机和计算机中的一者，且所述次要装置包括扬声器。
7.权利要求1所述的系统，其中所述主要装置包括扬声器，且所述次要装置包括手机和计算机中的一者。
8.一种确定移动装置的位置的方法，所述方法包括：
在第一发射功率电平下将第一信号从主要装置发射到次要装置；
确定如所述次要装置接收的所述第一信号的信号强度指示符；
将指示所述信号强度指示符的响应信号从所述次要装置发射到所述主要装置；
基于所述信号强度指示符确定第二发射功率电平；
在所述第二发射功率电平下将第二信号从所述主要装置发射到次要装置；以及
基于经滤波发射功率电平值确定所述主要装置与所述次要装置之间的距离，其中所述经滤波发射功率电平值基于所述第二发送功率电平值。
9.权利要求8所述的方法，其中响应于所述信号强度指示符小于或等于预定阈值，所述第二发射功率电平大于所述第一发射功率电平。
10.权利要求8所述的方法，其进一步包括基于所述信号强度指示符以及加速计数据和罗盘数据中的至少一者产生所述经滤波发射功率电平值。
11.权利要求8所述的方法，其进一步包括使用扩展卡尔曼滤波器对所述第一发射功率电平进行滤波。
12.一种用于移动装置定位的系统，其包括：
移动装置，其经配置以在第一发射功率电平下发射第一信号；以及
至少一个扬声器，其经配置以接收所述第一信号且确定所述第一信号的信号强度指示符；
其中所述移动装置进一步经配置以：
基于所述信号强度指示符确定第二发射功率电平；
将第二信号在所述第二发射功率电平下发射到所述至少一个扬声器；以及
基于经滤波发射功率电平值确定所述移动装置与所述至少一个扬声器之间的距离，其中所述经滤波发射功率电平值基于所述第二发送功率电平值。
13.权利要求12所述的系统，其中响应于所述信号强度指示符小于或等于预定阈值，所述第二发射功率电平大于所述第一发射功率电平。
14.权利要求12所述的系统，其中所述移动装置进一步包括加速计和罗盘中的至少一者。
15.权利要求14所述的系统，其中所述移动装置进一步经配置以基于所述信号强度指示符以及加速计数据和罗盘数据中的至少一者产生所述经滤波发射功率电平值。
16.权利要求12所述的系统，其中所述移动装置进一步包括用于对所述第一发射功率电平进行滤波的扩展卡尔曼滤波器。
17.权利要求12所述的系统，其中所述移动装置进一步包括手机和计算机中的至少一者。
18.权利要求12所述的系统，其中所述至少一个扬声器进一步包括第一扬声器和第二扬声器。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述移动装置进一步经配置以将媒体内容发射到所述第一扬声器和所述第二扬声器。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述第一扬声器进一步经配置以在所述移动装置与所述第一扬声器之间的距离小于所述移动装置与所述第二扬声器之间的距离的情况下重放所述媒体内容。
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