CN104777454A

CN104777454A - 调整定位系统的方法、用于定位物体的方法和定位系统

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Publication number: CN104777454A
Application number: CN201510013050.8A
Authority: CN
Inventors: J.朔伊英; S.施泰因莱希纳; J.普莱廷克克斯
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2015-07-15
Also published as: DE102014200434A1

Abstract

本发明涉及用于调整定位系统的方法、用于定位物体的方法和定位系统。本发明提出一种用于调整具有多个布置在区域（200）之内的传感器节点（101，102，103，104）的定位系统的方法。该方法包括：控制发送接口以便从区域（200）之内的不同的位置（221，222，223，224，225）发送可以由多个传感器节点（101，102，103，104）接收的调整信号（110）的步骤；接收多个描绘不同的位置（221，222，223，224，225）和多个传感器节点（101，102，103，104）之间的距离的时间信号的步骤；和利用多个时间信号确定区域（200）之内多个传感器节点（101，102，103，104）的位置的步骤。

Description

调整定位系统的方法、用于定位物体的方法和定位系统

技术领域

本发明涉及一种用于调整具有多个布置在区域之内的传感器节点的定位系统的方法、一种用于利用声学定位系统来定位位于区域之内的物体的方法、一种相应的设备和一种定位系统。

背景技术

随着将事物因特网引入到建筑工程中，增多联网的、智能的传感器节点变得可用，所述传感器节点用于例如通知侵入、着火或玻璃破裂、定位人员或者提示开着的门和窗。这样的传感器节点利用不同的传感器技术、如红外（主动的或被动的）、声波、超声波或雷达。在此，单个传感器节点本身在此可以载有多个传感器。这样的传感器节点的联网可以经由线缆（例如以太网）、但是优选地通过无线电（例如WLAN）进行。

发明内容

在该背景下，借助在此介绍的方案介绍根据独立权利要求的一种用于调整具有多个布置在区域之内的传感器节点的定位系统的方法、一种用于利用声学定位系统来定位位于区域之内的物体的方法、一种相应的设备和一种定位系统。从相应的从属权利要求和下面的描述中得到有利的设计方案。

通过可以自动地确定定位系统的传感器节点的位置的方式可以简化定位系统的起动。

用于调整具有多个布置在区域之内的传感器节点的定位系统的方法包括下述步骤：

控制发送接口，以便从区域之内的不同的位置发送多个可以由多个传感器节点接收的调整信号；

接收多个描绘不同的位置和多个传感器节点之间的距离的时间信号；

利用多个时间信号确定区域之内的多个传感器节点的位置。

定位系统可以用于定位区域之内的物体。物体可以是生物、例如人或物品。区域例如可以为空间。传感器节点可以布置在区域之内或布置在区域的边缘上。传感器节点可以包括用于检测由物体发送的信号的传感器。传感器可以是空气声传感器、例如麦克风。然而也可以使用其它的传感器、例如红外传感器或雷达传感器。传感器节点可以包括用于发送信号、例如时间信号的发送单元。例如可以通过调整信号的运行时间、发送时间点和接收时间点之间的时间差或通过接收时间点描绘距离。经由调整信号，时间信号可以被传感器节点中的每个接收。多个传感器节点的位置在方法开始时可以是未知的。位置的确定是有利的，因为当传感器节点的位置已知时，传感器节点可以被用于定位位于该区域之内的物体。

该方法可以包括发送调整信号的步骤。调整信号可以由相同的装置来发送，由所述装置接收时间信号。从装置在发送调整信号的时间点之间的移动中可以得到调整信号的发送的不同的位置。例如，调整信号可以作为声学信号发送。这样的信号可以通过简单的麦克风产生，如其标准地存在于大量移动设备上。

相应地，可以利用移动设备的接口实施发送和接收的步骤。在此，所述移动设备例如可以是笔记本电脑或智能电话。因此，可以利用常用的设备实施该方法。

在确定的步骤中可以将多个传感器节点之一的位置定义为坐标系的原点。多个传感器节点的位置被确定为坐标系的坐标。通过坐标系的原点的该选择可以降低所需要数量的调整信号。

也可以使用该方法以便在确定的步骤中附加地确定所述数量的调整信号的发送的不同的位置。

该方法可以包括同步多个传感器节点的时基的步骤。这样的步骤可以在第一次发送调整信号之前被实施。通过时基的同步可以极其精确地确定传感器节点的位置。

用于利用具有多个布置在区域之内的传感器节点的声学定位系统来定位位于区域之内的物体的方法包括下述步骤：

接收多个传感器节点中的至少一定数量的传感器节点的定位信号，其中定位信号描绘可以与物体相关联的且由多个传感器节点中的至少上述数量的传感器节点接收的噪声的至少一个参数；和

利用定位信号确定该区域之内的物体的位置。

噪声可以为可由传感器节点检测的声波。噪声例如可以通过物体的移动产生。以该方式，由物体实施的移动或通常由物体发出的噪声可以被用于确定物体的位置。

在此，用于定位物体的方法可以包括用于调整声学定位系统的所述方法的步骤。在此，在确定的步骤中可以利用多个传感器节点的位置确定物体的位置。用于调整声学定位系统的方法可以在确定物体位置的步骤之前被实施。用于调整声学定位系统的方法的步骤可以一次性地在定位系统起动时被实施。

用于调整声学定位系统和附加地或替选地用于定位位于区域之内的物体的设备具有被构造用于实施所述的方法的步骤的装置。

在此介绍的方案因此此外实现一种设备，所述设备被构造用于在相应的装置中执行或实现在此介绍的方法的变型形式的步骤。也通过本发明的设备形式的所述实施变型形式可以快速并且有效地解决本发明所基于的任务。

设备当前可以理解为电气设备，所述电气设备处理传感器信号并且根据其输出控制和/或数据信号。该设备可以具有接口，所述接口可以以硬件和/或软件被构造。在硬件的构造方案中，接口例如可以是所谓的系统ASIC的部分，所述部分包含设备的极不同的功能。然而也可以的是，接口是自身的集成电路或者至少部分地由分立器件构成。在软件的构造方案中，接口可以是软件模块，所述软件模块例如除了其它的软件模块之外存在于微控制器上。

相应的定位系统可以包括布置或者可以布置在区域之内的多个传感器节点和用于调整声学定位系统和附加地或替选地用于定位位于区域之内的物体的所述设备。

具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，所述程序代码可以存储在机器可读的载体上、如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且当程序产品在计算机或设备上被实施时，被用于执行根据上面描述的实施方式之一的方法。

附图说明

下面根据附图示例性地详细阐述在此介绍的方案。其中：

图1示出根据本发明的一个实施例的用于调整定位系统的设备的框图；

图2示出根据本发明的一个实施例的定位系统的示意图；

图3示出根据本发明的一个实施例的定位系统的框图；

图4示出根据本发明的一个实施例的用于调整定位系统的方法的流程图；和

图5示出根据本发明的一个实施例的用于定位物体的方法的流程图。

具体实施方式

在本发明的有利的实施例的下面的描述中，针对在不同的图中示出的且起类似作用的元件应用相同的或类似的附图标记，其中放弃重复描述所述元件。

图1示出根据本发明的一个实施例的用于调整定位系统的设备100的框图。定位系统在此包括多个、在此示例地为四个传感器节点101、102、103、104。传感器节点101、102、103、104分布地布置在区域中、例如布置在要监控的空间中。

设备100被构造用于发送调整信号110。传感器节点101、102、103、104各被构造，以便接收调整信号110并且根据调整信号110的接收发送时间信号111、112、113、114。每个时间信号111、112、113、114载有时间信息，由所述时间信息例如可以确定调整信号110的发送和该调整信号通过相应的传感器节点101、102、103、104的接收之间的运行时间或者设备110和相应的传感器节点101、102、103、104之间的间距。

为了发送调整信号110，设备100具有用于发送调整信号110的发送接口120和用于控制发送接口120的控制装置122。控制装置122例如可以被构造用于将调整信号110的要传递的信号信息提供给发送接口120并且确定调整信号的发送时间点。为了接收时间信号111、112、113、114，设备100具有接收接口124。此外，设备100具有用于确定传感器节点101、102、103、104中的每个的位置的确定装置126。确定装置126被构造用于利用时间信号111、112、113、114确定位置。

设备100被构造用于从不同的位置发送调整信号110。传感器节点101、102、103、104被构造用于根据每个调整信号110的接收发送时间信号111、112、113、114作为对相应的调整信号110的答复。因此，接收装置124被构造用于对每个调整信号110接收时间信号111、112、113、114作为对相应的调整信号110的答复。确定装置126被构造用于利用作为对调整信号110的答复而接收的时间信号111、112、113、114来确定传感器节点101、102、103、104的位置。

传感器节点101、102、103、104的位置可以被确定为坐标系的坐标。确定装置126可以被构造用于展开坐标系。在此，确定装置126例如可以被构造，以便将传感器节点101、102、103、104之一定义为坐标系的原点并且从该原点出发确定另外的传感器节点101、102、103、104的坐标。

根据一个实施例，设备100被构造用于执行或触发时基、即由传感器节点101、102、103、104应用的系统时间的同步。

传感器节点101、102、103、104可以各包括另外的发送装置，以便经由另外的通道、例如经由无线连接或彼此线路连接的通道与设备100和/或与另外的设备进行通信。

根据该实施例，调整信号110和时间信号111、112、113、114被实施为声学信号。因此，发送接口120可以为扬声器并且接收接口124可以为麦克风。相应地，传感器节点101、102、103、104可以各具有用于接收调整信号110的麦克风和用于发送时间信号111、112、113、114的扬声器。

设备100可以被实施为移动设备，例如可携带的计算机。

所描述的方案可以被用于调整声学的定位系统。

根据一个实施例，考虑具有至少各一个空气声麦克风并且例如经由WLAN联网的传感器节点101、102、103、104。

如果具有麦克风的多个传感器节点101、102、103、104分布在空间中，那么借助于所述麦克风原则上可以通过分析由人员产生的噪声来定位人员。但是对此需要：麦克风的位置在空间中是已知的。如果麦克风的位置在空间中是已知的，那么可以通过下述方式进行人员的粗略定位（地点确定）：即测量噪声在每个传感器节点101、102、103、104中的音量并且从中进行噪声地点的估算。在此，以接收的声波功率随距离的平方下降为基础。对此需要：传感器节点101、102、103、104能够相互通信或者与中央单元100通信。

当每个传感器节点101、102、103、104可以直接测量距噪声源的间距时，或者当例如可以测量噪声源和各两个传感器节点101、102、103、104之间的间距差（“差分定位”）时，实现定位的显著改进。对此也必需的是：每个传感器的位置尽可能精确地已知，并且传感器节点101、102、103、104彼此间的通信或者与中央单元100的通信是可以的。

当前的方案首先能够实现为具有麦克风的传感器节点101、102、103、104提供用于测量距声源的间距的方法。这尤其适用于传感器网络的构建阶段，在所述构建阶段中需要确定传感器节点101、102、103、104的精确位置。所描述的方案的另一方面是：从测量的间距值建立其中记录传感器位置的坐标的卡，或者将其以表格形式说明。

在所描述的方法中，完全不需要借助卷尺或类似的来测量空间中的精确传感器位置；足够的是：借助联网的运算单元100、例如笔记本电脑、智能电话或者平板PC来步测空间；全部其它的、尤其运算单元到传感器节点101、102、103、104的间距测量以及传感器节点101、102、103、104的位置的计算可以自动地进行。

图2示出根据本发明的一个实施例的定位系统的示意图。所示出的是L形空间形式的具有传感器节点101、102、103、104和发送位置221、222、222、223的区域200。示例地，示出四个布置在空间200的壁上的传感器节点101、102、103、104。

发送位置221、222、223、224、225对应以下位置，在所述位置上例如由如根据图1描述的设备各发送调整信号110。对此，设备可以在轨道230上移动穿过空间200。示例性地，示出从发送位置224发送调整信号110。

在图2中称作为调整信号110的箭头也可以理解为发送位置224和传感器节点101、102、103、104之间的间距。传感器节点Si 101、102、103、104和发送位置Tj 221、222、223、224、225之间的间距称作为测量值di,j。这样的间距可以由根据图1描述的确定装置来描述。

根据一个实施例，图2示出平面图中的典型的应用情况。在L形的空间200中装配有四个传感器节点101、102、103、104作为区域，其中每个传感器节点101、102、103、104包括至少一个麦克风和例如通过WLAN的联网。一组首先未知的坐标、例如传感器节点S3 103的（X₃，Y₃，Z₃）属于每个传感器节点101、102、103、104。为了确定传感器节点101、102、103、104的坐标，例如人员以几乎任意的路线230穿过空间200并且在此随身携带与传感器族联网的运算单元、例如笔记本电脑、智能电话或者平板PC。运算单元可以包括如根据图1描述的设备的装置。

通过联网负责，运算单元和传感器节点101、102、103、104保持其内部的、例如通过石英钟实现的系统时间同步，其中相互偏差被限制到例如最大1μs上。

在人员移动穿过空间200期间，运算单元经由装配的扬声器例如在确定的时间点、例如每秒发射声学信号110，所述声学信号由传感器节点101、102、103、104的麦克风来接收。每个传感器节点101、102、103、104经由WLAN分别向运算单元传输时间点以及其个体的节点号i，在该时间点信号110被接收。因为运算单元识别相应的发送时间点并且系统时间被同步，所以运算单元可以针对每个发送位置Tj 221、222、223、224、225根据如此测量的声波运行时间和声波速度计算当前的发送位置Tj、例如发送位置224和每个传感器节点 Si 101、102、103、104之间的间距di,j。例如短的声脉冲群、短的脉冲（“咔嗒声（Klicks）”）、频率斜坡或者还有噪声信号、例如所谓的伪噪声（PN）序列适合作为声学信号110。在调整时发送的声可以对于人类是可听见的。

除了传感器节点 Si 101、102、103、104的为了构建传感器族的所需的位置之外，根据一个实施例，所描述的方法也提供全部的发送位置Tj 221、222、223、224、225。

首先全部位置是未知的。为了由测量值di,j确定所寻找的坐标，根据一个实施例如下操作。

首先确定坐标系统的零点，例如通过选择第二传感器节点102的位置作为S₂=（S_2,X, S_2,Y，S_2,Z）= (0, 0, 0)。对于另外的传感器节点的位置、例如第一传感器节点101的位置可以选择两个另外的坐标，例如S₁=（S_1,X, S_1,Y，S_1,Z）= (S_1,X, 0, 0)。此外，例如对于第三传感器节点103的位置可能需要：S3应该同样如S1和S2那样位于平面z=0中：S₃=（S_3,X, S_3,Y, S_3,Z）= (S_3,X, S_3,Y, 0)。通过该选择或者类似的选择确定空间中的坐标系的位置。

根据一个实施例，以N_S个现有的传感器节点101、102、103、104和N_T个贯穿的发送位置为基础。在此，N_S·N_T形成测量值di,j。同时，N_S+N_T个位置总共具有3·（N_S+N_T）个坐标，因为在3-D坐标系中应该确定每个位置。因为总是可以自由选择六个坐标（例如到零，如上面描述），所以总共应该计算3·（N_S+N_T）-6个坐标。在此，提供N_S·N_T个测量值di,j。

为了可以可靠地计算坐标，测量的数量应当超过所寻找的坐标的数量。根据一个实施例，以下述为基础：使用至少四个传感器节点（Ns≥4）和至少7个发送位置（N_T≥7）。

在计算有误差的坐标时，根据一个实施例将最小的误差平方和用作误差量。在此，确定坐标，使得误差平方和E根据下式采用其绝对最小值：

为了确定有误差的坐标，可以使用已知的解决方法，例如以初始解决方案开始、例如从随机值开始然后迭代地最小化误差平方和E。用于最小化E的典型的适当的方法例如是梯度方法、高斯牛顿方法或者多维牛顿方法。

如果计算传感器节点101、102、103、104的坐标，那么所述坐标例如被存储在中央单元中并且可以从该时间点起例如被用于定位人员。

根据一个实施例，为传感器网络提供具有至少各一个麦克风和联网的至少四个传感器节点101、102、103、104。此外，存在具有扬声器的可携带的、联网的运算单元（笔记本电脑、智能电话、平板PC）。进行传感器节点101、102、103、104和运算单元的时基的同步。在经过空间200时执行传感器节点101、102、103、104和运算单元之间的运行时间的测量。进行传感器节点101、102、103、104的坐标的计算或者替选地进行传感器节点101、102、103、104和发送位置221、222、223、224、225的坐标的同时的计算。进行坐标的使用例如以便定位人员，其中可以进行由人员产生的噪声的使用。

图3示出根据本发明的一个实施例的定位系统的框图。在此，可以为具有传感器节点101、102、103、104的已经根据图1描述的定位系统。

在由传感器节点101、102、103、104覆盖的区域之内存在物体340。物体340引起噪声342。传感器节点101、102、103、104被构造用于探测噪声342。此外，传感器节点101、102、103、104被构造用于将各一个定位信号351、352、353、354发送到用于定位位于区域之内的物体340的设备100。根据该实施例，设备100仅示例地为根据图1描述的设备。替选地，其也可以为不同被实施的设备100，所述设备例如不适合于或不被用于确定传感器节点101、102、103、104的位置。在该情况下，可以将关于所确定的位置的数值提供给设备100以便由设备100应用。

设备100具有用于接收定位信号351、352、353、354的接收装置362。定位信号351、352、353、354中的每个传输关于由相应的传感器节点101、102、103、104探测的噪声的参数的信息。这样的参数例如可以为接收时间点或者传递噪声的声波的运行时间。

设备100此外具有确定装置364。确定装置364被构造用于利用由定位信号351、352、353、354传递的信息来确定在区域之内的物体340的位置。为此，确定装置364可以应用传感器节点101、102、103、104的位置。

图4示出根据本发明的一个实施例的用于调整定位系统的方法的流程图。该方法的步骤例如可以利用如根据上述图来描述的设备的装置来实施。

该方法具有步骤401，在所述步骤中控制发送接口以便从区域之内的不同的位置发送一定数量的可以由多个传感器节点接收的调整信号。在步骤403中，接收多个时间信号，其中多个时间信号描绘不同的位置和多个传感器节点之间的多个调整信号的距离。在步骤405中，利用多个时间信号确定区域之内的多个传感器节点的位置。

步骤401、403可以重复地实施。例如，可以从区域之内的第一位置发送可由多个传感器节点接收的第一调整信号并且随后可以接收多个第一时间信号，其中第一时间信号描绘第一调整信号在第一位置和多个传感器节点之间的运行时间。在发送第一调整信号之后，可以从区域之内的与第一位置不同的第二位置发送可由多个传感器节点接收的第二调整信号并且随后可以接收多个第二时间信号，所述第二时间信号描绘第二调整信号在第二位置和多个传感器节点之间的运行时间。在发送第二调整信号之后，可以从区域之内的与第一和第二位置不同的另外的位置发送至少一个可由多个传感器节点接收的另外的调整信号并且可以接收多个另外的时间信号，所述另外的时间信号描绘至少一个另外的调整信号在另外的位置和多个传感器节点之间的运行时间。在步骤405中，可以利用多个第一时间信号、多个第二时间信号和多个另外的时间信号确定区域之内的多个传感器节点的位置。

图5示出根据本发明的一个实施例的用于定位物体的方法的流程图。该方法的步骤例如可以利用如根据上述图来描述的设备的装置来实施。该方法的步骤例如可以在根据图4描述的方法的步骤执行之后来实施。

该方法包括步骤501，在所述步骤中接收多个传感器节点中的至少一定数量的定位信号，其中定位信号描绘由多个传感器节点中的至少上述数量的传感器节点接收的并且可与物体相关联的噪声的至少一个参数。在步骤503中，利用定位信号确定区域之内的物体的位置。

所描述的和在图中示出的实施例仅示例地被选择。不同的实施例可以完全地或者关于各个特征彼此组合。实施例也可以由另外的实施例的特征来补充。

此外，在此介绍的方法步骤可以重复地以及以与所描述的顺序不同地实施。

如果实施例包括第一特征和第二特征之间的“和/或”连接，那么这可以理解为，该实施例根据一个实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征并且根据另一实施方式或者仅具有第一特征或者仅具有第二特征。

Claims

1. 用于调整具有多个布置在区域（200）之内的传感器节点（101，102，103，104）的定位系统的方法，所述方法包括下述步骤：

控制（401）发送接口（120），以便从所述区域（200）之内的不同的位置（221，222，223，224，225）发送可以由多个所述传感器节点（101，102，103，104）接收的多个调整信号（110）；

从所述多个传感器节点（101，102，103，104）接收（403）多个描绘所述不同的位置（221，222，223，224，225）和所述多个传感器节点（101，102，103，104）之间的距离的时间信号（111，112，113，114）；

利用所述多个时间信号（111，112，113，114）确定（405）所述区域（200）之内的所述多个传感器节点（101，102，103，104）的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，具有将所述调整信号（110）作为声学信号来发送调整的步骤。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中利用移动设备（100）的接口（120，124）实施发送和接收的步骤（401，403）。

4. 根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述确定（405）的步骤中将所述多个传感器节点（101，102，103，104）之一的位置定义为坐标系的原点，并且将所述多个传感器节点（101，102，103，104）的位置确定为所述坐标系的坐标。

5. 根据上述权利要求中任一项所述的方法，具有同步所述多个传感器节点（101，102，103，104）的时基的步骤。

6. 用于利用声学定位系统来定位位于区域之内的物体（340）的方法，所述定位系统具有多个布置在区域之内的传感器节点（101，102，103，104），所述方法包括下述步骤：

接收（501）所述多个传感器节点（101，102，103，104）中的至少一定数量的传感器节点的定位信号（351，352，353，354），其中所述定位信号（351，352，353，354）描绘可以与所述物体（340）相关联的且由所述多个传感器节点（101，102，103，104）中的至少上述数量的传感器节点接收的噪声（342）的至少一个参数；和

利用所述定位信号（351，352，353，354）确定（503）所述区域（200）之内的所述物体（340）的位置。

7. 根据权利要求6所述的方法，具有根据权利要求1至5中的任一项所述的用于调整声学定位系统的方法的步骤（401，403，405），其中在所述确定（503）的步骤中利用所述多个传感器节点（101，102，103，104）的位置确定所述物体（340）的位置。

8. 用于调整声学定位系统和/或用于定位位于区域之内的物体的设备（100），其中所述设备具有被构造用于实施根据上述权利要求中的任一项所述的方法的步骤（401，403，405；501，503）的装置（120，122，124，126；362，364）。

9. 定位系统，具有下述特征：

多个布置或者可以布置在区域之内的传感器节点（101，102，103，104）；和

根据权利要求8的设备（100）。

10. 计算机程序产品，具有当程序产品在设备上实施时用于执行根据权利要求1至7中的任一项所述的方法的程序代码。