CN104898090A

CN104898090A - 室内定位系统

Info

Publication number: CN104898090A
Application number: CN201410738708.7A
Authority: CN
Inventors: 艾维沙·巴托夫; 奥斯·兹洛尼克
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2015-09-09
Also published as: WO2015134269A2; CN110187309A; WO2015134269A3; US20150247916A1; US9557402B2; JP2017511886A; JP6698029B2; EP3114496A2; EP3114496B1

Abstract

一种室内定位系统，包括多个锚站点，每个锚站点被配置为发送射频信号和声学信号。移动站包括：射频接收机，配置为从多个锚站点中的至少一个接收射频信号；声学接收机，配置为从多个锚站点中的至少一个接收声学信号。处理单元被配置为基于接收到的射频信号和声学信号，确定移动站的位置信息。

Description

室内定位系统

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2014年3月3日提交的序列号为No.61/946,987的美国临时专利申请的权益，该申请的公开通过全文引用合并于此。

技术领域

本发明涉及定位系统。更具体地，本发明涉及一种用于在给定区域内识别物体位置或追踪物体的系统。

背景技术

室内定位系统(IPS)是一种用于在建筑物内或在密集工业区中对物体或人进行无线定位的设备的网络。由于全球定位系统(GPS)需要到四个或更多个GPS卫星的无遮挡视线导致全球定位系统通常不适用于确立室内位置，所以需要专门的设计。通过屋顶、墙壁和其他物体衰减并散射微波，表面上的多次反射导致多径传播受到不可控的误差。

渡越时间(ToF)(Time of flight)是信号从发送机传播到接收机的时间量。由于信号传播速率是常数并且是已知的，信号渡越时间可以直接用于计算距离。可以将相对多个锚站点(anchor stations)的多个测量(在GPS中，至少四个卫星)与三边测量法相结合，以便查找位置。

由于光速是3x10⁸m/sec，在基于射频(RF)的系统中，时钟同步的不准确性是定位误差的关键因素。在GPS中，ToF通常需要复杂的同步机制来针对传感器保持可靠的时间源。

此外，基于ToF准确性的方法通常在室内定位中受到较大的多径条件，所述多径条件是由于物体对RF信号进行反射和衍射而导致的。

由于构造材料导致的衰减和反射，需要至少确保在由系统覆盖的任意位置的三个锚点的视线是无遮挡的。因此，需要大量锚站点。

发明内容

一种室内定位系统，包括多个锚站点，每个锚站点被配置为发送射频信号和声学信号。移动站包括射频接收机，配置为从多个锚站点中的至少一个锚站点接收射频信号；以及声学接收机，配置为从多个锚站点中的至少一个锚站点接收声学信号。处理单元被配置为基于接收到的射频信号和声学信号，确定移动站的位置信息。

发明内容和摘要是为了以简化形式介绍选择构思，下文将进一步详细描述所述构思。发明内容和摘要不是为了指明所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不是为了将它们用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

图1是示出了在定位系统中使用RF脉冲来进行时间同步的图。

图2是示出了直接回声和多径反射的幅值对射程(range)的图。

图3示出了根据本公开的一个实施例的定位系统的框图。

图4是根据本公开的一个实施例的锚站点的框图。

图5是根据本公开的一个实施例的移动站的框图。

具体实施方式

在各个方面，本公开的实施例通过使用混合RF/声学方法，解决了室内定位系统(IPS)的问题，在一个实施例中，所述声学方法是超声波。该方法包括解决时间同步和多径问题。更具体地，电磁波比声音快10⁶倍。由于RF脉冲的ToF相对超声波脉冲的ToF是可忽略的，RF脉冲可以被用作同步脉冲。在接收机侧，多径是若干个时移(或等同地，射程移位)脉冲(脉冲串)的卷积。假定视线，接收机将锁定第一脉冲(最快的)。

脉冲的射程分辨率确定接收机解析两个连续脉冲的能力。物理结构的典型尺寸确定了所需要的射程分辨率。对于工业区内的走廊，所需的射程分辨率应小于1米。

用声学脉冲实现所需要的射程分辨率比用电磁波脉冲要简单得多。可实现的射程分辨率受到脉冲的带宽和群速度的限制。对于具有工业无线网络(例如，)的典型带宽的RF信号，射程分辨率大约8米。使用声学技术，带宽为1kHz的超声波脉冲的射程分辨率小于50cm。此外，在声学技术中，可以用传统、低成本电器来产生并采样高级脉冲。

图1是示出了在定位系统中使用RF脉冲和声学脉冲的时间同步的图。一个实施例中的声学脉冲是超声波脉冲。发送机或多个发送机(如下文所述)同时发送RF脉冲和超声波脉冲。针对RF和超声波脉冲并置排列的接收机针对RF脉冲在3x10^-8秒时接收到RF脉冲，针对超声波脉冲在3x10^-2秒时接收到超声波脉冲。在一个实施例中，将接收时间的差值用于确定发送机与并置排列的接收机之间的距离，并将在下文进行详述。

图2是示出了针对接收到的声学脉冲的直接回声和多径反射的幅值对射程的图。例如，可以反射、散射或完全阻挡声学脉冲。在发送机的直接视线内的接收机将首先接收最直接的脉冲。在稍后时刻接收被反射的脉冲。参考图2，相对以下文所述方式确定的距离，绘制超声波麦克风接收到的超声波信号的信号幅值的图。在200处示出了第一峰，在202和204处分别示出了第二和第三峰。根据视线，峰200示出了从发送机到麦克风的直接路径距离。第二和第三峰是多径峰(也就是说，在从一个或多个物体进行反射之后接收到的信号)，表示为增大的渡越时间，因此，增大的距离。根据在发送机和麦克风之间的扫描线，最短的渡越时间是发送机和麦克风之间的直线距离。

在一个具体配置中，所述系统基于商业验证的工业网状网络(例如，网络)，示出为图3的框图形式。

图3示出了系统300，所述系统具有布置在已知位置处的多个锚站点302(图3所示的三个锚站点302A、302B和302C，并将在下文详述)以及需要确定其位置310的移动站304(下文详述)。在一个实施例中，锚站点302是无线网络网306(例如，网络)的一部分。操作中，多个锚站点302位于要监控区域周围的已知位置308A、308B和308CA处。移动站304被布置在想要得知其位置310的物体上，或靠近想要得知其位置310的物体周围。例如而非限制性地，所述物体可以是一件物品(inventory)或一个人。

为了确定从锚站点302到移动站304的距离，锚站点302实质上同时发送RF消息320(即，消息)和声学脉冲330。由于信号包含同步信息，信号允许进行同步，并且如现有技术所公知允许传输数据。使用这种同步和数据传输能力允许RF脉冲被用作独有的同步脉冲，使得移动站304知道哪个锚站点302正在进行传输以及何时进行传输。在移动站304接收RF脉冲和接收声学脉冲之间的时间差允许确定移动站和发送锚站点302之间的距离。可以使用来自三个单独锚站点的距离计算(例如，使用三边测量法)，来确定移动站的位置。

TDMA是用于通过将信号分为多个时隙以在网络上共享频率信道的已知标准。每个站点(例如，本文所述的锚站点302)可以通过向其分配用于传输的特定时隙，来共享脉冲使用的频率。在一个实施例中，中心站312从一个或更多个移动站304接收到关于它/它们位置的信息，使用所确定的位置来调整TDMA内的时隙。在系统300中使用中心站312，并将中心站312与所述网306相连，以便从一个或更多个移动站304接收信息。通过中心站312分配锚站点302的时隙。可以使用任何适当的通信技术，包括CDMA技术或其它时间和/或频率分隙(slotting)或共享技术。

在一个实施例中，一个或更多个移动站304的位置信息被用于针对多个锚站点调整时隙。例如，当相对于其他锚站点移动站的位置310更靠近某些锚站点302时，可以增大在较远距离处的锚站点302的时隙，由于距离使得允许进行脉冲传播和接收，而不与其它锚站点302重叠。在一个实施例中，中心站312监控从每个锚站点302的视线到每个移动站304的距离，根据预期的传播时间针对锚站点调整时隙，以便减小锚站点302之间的串扰。此外，可以将脉冲编码和包括不同频率的扩展频谱技术用于减小相邻锚站点302或其它锚站点之间的串扰。

锚系统站302均为网络300上的登记设备，因此每个锚点302是具有RF发送机402的设备。此外，锚站点302包含超声波发送机404以及一些胶合(glue)逻辑电路406。

图4示出了锚站点302的详情。在一个实施例中，每个锚站点302包括RF发送机(即，)402、声学发送机404、胶合逻辑电路406，以便允许在多个更复杂的逻辑电路(例如，锚站点302内的RF和声学发送机、处理单元408等)和时钟410之间进行交互。在一个实施例中，声学发送机404是超声波发送机。胶合逻辑电路406是本领域所公知的，不在本文对其进行赘述。此外，是基于高速可寻址远程传感器协议的无线传感器网络的公知标准。在一个实施例中，锚站点302是设备的网或网络603的一部分，使得在无线网状网络306上每个锚站点302都是设备。在一个实施例中，时钟410可操作耦连到处理单元406，以便允许处理单元406确定传输信号(例如，RF信号320和声学信号330)的时间。在另一实施例中，时钟410可以是处理单元406的一部分。

在一个配置中，移动站304也是设备，所述设备具有全方向性的超声波麦克风502、温度传感器504、小型处理单元506以及RF接收机508。

在一个实施例中，移动站304包括全方向性的麦克风502、温度传感器504、处理单元506、RF接收机508以及时钟510。在一个实施例中，麦克风502是超声波麦克风，被操作耦连到处理单元506。RF接收机508同样被操作耦接到处理单元506。温度传感器504用于检测移动站304的温度，还可操作地耦接到处理单元506，以便向处理单元506传递温度信息。处理单元506使用通过温度传感器504确定的温度，以便确定声音的速度，如下所述，使用脉冲的接收时间以及所确定的声音的速度，以便确定锚站点302和移动站304之间的距离。在一个实施例中，时钟510可操作地耦接到处理单元506，以便允许处理单元506确定例如RF信号320和声学信号330的信号的接收时间。在其它实施例中，时钟510可以是处理单元506的一部分。

锚站点302同时发送RF消息320和超声波脉冲330。每个锚站点302在预定时隙进行发送。将以如下方式进行时隙分配：防止超声波在相邻锚站点302之间产生串扰。锚站点302还可以使用不同频率时隙和脉冲编码，以便防止在相邻锚站点302之间串扰。

移动设备304记录RF消息320和超声波脉冲330的接收时间。在得知声音速度(如下所述确定的)的情况下，接收脉冲之间的时间延迟给出了移动设备304和锚站点302之间的距离。

移动站304上的全方向麦克风502接收一个或更多个声学脉冲信号，指示直接路径脉冲和多径脉冲或多个多径脉冲。RF接收机508接收RF脉冲。由于RF信号比声学脉冲行进快多个数量级(大约快10⁶倍数量级)，移动站在接收声学脉冲之前接收到RF脉冲。在该实施例中，RF脉冲被用作为将锚站点和移动站进行同步而发送的同步脉冲。通过脉冲的渡越时间(ToF)的差别来区分声学脉冲和RF脉冲。移动站上的温度传感器504确定温度，并向处理单元506传递温度，处理单元506使用已知方程来确定在由温度传感器504所确定的温度下的声音速度。一种针对海平面下较干燥空气的基于温度计算声音速度的方法是：

c = 331.5 \sqrt{1 + \frac{T}{273}}

其中c是以米每秒为单位的声音速度，T是由温度传感器504确定的以摄氏度为单位的温度。由于空气是接近理想的气体，在空气中对声音速度的测量几乎完全取决于温度。在一个实施例中，如果需要更精确的测量，则可以通过移动站额外使用的多种传感器来测量其它变量，例如，湿度和密度。

当移动站的RF接收机508接收到RF脉冲320时，确定接收该脉冲的时间。当麦克风502接收到声学脉冲330时，确定接收该脉冲的时间。在一个实施例中，将移动站304接收RF脉冲320的时间以及移动站304接收声学脉冲330的时间之间差值以及使用温度确定的声音速度用于确定声学脉冲330行进的距离。在一个实施例中，测量距离是如下计算：距离等于当前温度下的声音速度乘以RF脉冲320和声学脉冲330之间的接收时间差。

为了准确确定距离，需要锚站点302和移动站304之间的视线。没有锚站点302和移动站304之间的直接视线，渡越时间将无法反映锚站点302和移动站304之间的实际距离，而是会反映非直接路径中的渡越时间。所以，为了正确确定距离，需要锚站点302和移动站304之间的视线。

为了计算移动站304的位置，移动站304测量到至少三个锚站点302的距离。三个锚站点302允许例如通过三边测量法足以确定移动站304的位置，所述移动站304在每个锚站点302的视线内，但是在该区域内存在更多锚点302的情况下，可以使用冗余度来改善测量的鲁棒性。尽管图3示出了三个锚站点302(分别为302A、302B和302C)，然而应注意，为了完全覆盖区域，可以使用附加锚站点来增加确定位置310的准确性，并针对由系统300覆盖的区域的所有部件提供更多可能的视线选项。此外，尽管示出了一个移动站304，然而可以在要监控的区域内布置多个移动站304，系统300可以使用传输RF和声学信号的多个相同锚站点302，以便确定多个移动站304的多个位置310。移动站304通过网络306向中心站312报告所获取的信息。中心站312可以运行根据移动站304的当前位置310来优化TDMA时隙的算法，可以相应地修改网络参数。在网状网络中，由于可以通过网络传输锚站点302的位置，在多种实施例中，锚站点302、移动站304或中心站312可以确定移动站304的位置。

在一些情况下，可以使用少于三个的锚站点来确定移动站的位置。例如这种情况包括但不限于：存在一些关于移动站的外部信息(例如，位于它位于走廊或其它已知限定区域内)，或所获知的关于移动站的其它追踪信息。在这种情况下，可以使用一个锚站点，来确定位置。

在操作中，系统300如下进行工作。例如锚站点302的多个锚站点位于要监控的区域内的已知位置，使得该区域的所有部件具有来自至少三个锚站点的视线覆盖。例如移动站304的移动站设置在要监控和/或确定其位置的项目或人上。在一个实施例中，每个锚站点在由例如中心站312的中心站分配的TDMA时隙的预定时隙内，发送如上所述RF和声学脉冲。移动站304接收上述RF和声学脉冲，并计算与上述至少三个锚站点的距离，移动站的中心站可以确定上述移动站的位置。

图6以流程图的形式示出了用已知位置处的多个锚站点确定移动站的位置的方法600的实施例。在一个实施例中，方法600包括：在框602，从多个锚站点之一同时发送射频脉冲和声学脉冲；在框604，移动站接收射频脉冲和声学脉冲；在框606，确定移动站接收射频脉冲和声学脉冲的时间；以及在框608，计算移动站和所述多个锚站点之一之间的距离。针对多个锚站点中的至少三个锚站点的每个锚站点，可以重复该处理，以便至少确定从移动站到锚站点的三个距离，可以使用所述至少三个距离确定移动站的位置。

图7以流程图的形式示出了确定移动站的位置的方法700的另一实施例。在一个实施例中，方法700包括：在框702，从已知位置的至少三个锚站点中的每个锚站点接收同时发送的射频脉冲和声学脉冲；在框704，针对所述至少三个锚站点的每个锚站点，确定移动设备接收到射频脉冲和声学脉冲的时间；在框706，计算移动站和所述至少三个锚站点中的每个锚站点之间的距离；以及在框708，使用所述至少三个计算出的距离确定移动站的位置。

在方法600和700的每个方法中，计算移动站和发送锚站点之间的距离包括：在一个实施例中，确定移动站处声音的速度，将移动站处声音的速度乘以移动站接收射频脉冲和声学脉冲之间的时间差。确定移动站处声音的速度包括：在一个实施例中，确定移动站处的温度，并基于所述温度计算声音的速度。确定移动站的位置包括：在一个实施例中，使用至少三个计算出的距离以及所述至少三个锚站点的已知位置，通过三边测量法对移动站进行定位。

多个方面包括：

结合超声信号和RF信号的室内定位系统

使用RF信号以便同步超声脉冲的ToF测量值

锚站点设备通过无线网状网络交叉相连的定位系统

移动设备通过无线网状网络与锚站点相连的定位系统

定位系统，其中中心站可以运行根据移动设备的当前位置来优化TDMA时隙的算法并可以相应地修改网络参数。

尽管参考优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员应认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下对形式和细节进行多种改变。尽管总体上描述了室内定位系统，然而还可以将本发明用于室外环境下。可以根据任意标准进行通信，而不限于网状网络类型的通信系统。如文中所用，术语“声学”包括任意频率的声学信号，包括超声波。类似地，术语“RF”是指任何适合波长的射频。本文所用的术语“锚”是指站发送机，其位置是已知的并未用作确定位置中的参考位置。术语“移动设备”是指正在识别其位置的设备(例如移动站)。尽管本文示出了麦克风，然而可以实现任何类型的声学接收机。声学接收机可以是全方向的或可以是定向性的。如果使用定向性的声学接收机，则在位置确定中可以使用与接收到的声学信号的方向相关的信息。此外，移动站可以包括多于一个的声学接收机。如果将多个声学接收机实现在单个移动站上，则在一些配置中可以将它们用于提供位置信息。例如，两个定方向性的声学接收机可以提供与接收到声学信号的方向相关的信息。声学信号可以包括连续信号，其中包括了一些类型的时序信息，例如幅度或频率脉冲或改变、数字信息等。可以根据需要，以多于一个的频率来发送声学信号。用于确定位置的处理单元可以存在于移动站内、一个或更多个锚站点中、中心站处或一些其他位置。

Claims

1.一种室内定位系统，包括：

多个锚站点，每个锚站点被配置为发送射频信号和声学信号；

移动站，包括：

射频接收机，配置为从多个锚站点中的至少一个接收射频信号；

声学接收机，配置为从多个锚站点中的至少一个接收声学信号；

处理单元，配置为基于接收到的射频信号和声学信号，确定移动站的位置信息。

2.根据权利要求1所述的室内定位系统，其中所述多个锚站点中的每个锚站点包括：

RF发送机；

声学发送机；

锚站点处理单元；以及

胶合逻辑电路，与RF发送机、声学发送机和处理单元相耦接以允许RF发送机、声学发送机和处理单元之间的交互。

3.根据权利要求2所述的室内定位系统，其中所述声学发送机是超声波发送机。

4.根据权利要求2所述的室内定位系统，其中所述RF发送机是发送机。

5.根据权利要求1所述的室内定位系统，其中所述移动站包括温度传感器。

6.根据权利要求1所述的室内定位系统，其中所述声学接收机包括麦克风。

7.根据权利要求1所述的室内定位系统，还包括：

中心站，配置为与多个锚站点进行通信。

8.根据权利要求7所述的室内定位系统，其中所述中心站还包括中心站处理单元，配置为分配用于通过多个锚站点传输的时分多址时隙。

9.根据权利要求8所述的室内定位系统，其中所述中心站处理单元还被配置为基于所确定的移动站的位置，修改网状网络的参数。

10.根据权利要求1所述的室内定位系统，其中发送的射频信号与声学信号同步，其中所述移动站被配置为从多个锚站点中的至少三个锚站点接收发送的射频信号和声学信号，基于接收到的信号以及多个锚站点中的所述至少三个锚站点的已知位置，来计算移动站的位置。

11.根据权利要求1所述的室内定位系统，其中发送的射频信号与声学信号同步，其中所述移动站处于部分地已知的位置，所述移动站被配置为从多个锚站点中的至少一个锚站点接收发送的射频信号和声学信号，并基于接收到的信号以及多个锚站点中的所述至少一个锚站点的已知位置和所述部分地已知的位置，计算移动站的位置。

12.根据权利要求1所述的室内定位系统，还包括多个移动站，每个移动站被配置为接收射频信号和声学信号。

13.根据权利要求1所述的室内定位系统，其中所述处理单元位于多个锚站点之一中。

14.根据权利要求1所述的室内定位系统，其中所述处理单元位于移动站中。

15.根据权利要求1所述的室内定位系统，其中所述处理单元位于中心站中。

16.一种利用已知位置处的多个锚站点来确定移动站的位置的方法，包括：

从多个锚站点中的一个锚站点同时发送射频信号和声学信号；

在移动站处接收所述射频信号和声学信号；

确定移动站接收所述射频信号和声学信号的时间；以及

计算移动站和多个锚站点中的所述一个锚站点之间的距离。

17.根据权利要求16所述的方法，其中计算移动站与执行发送的锚站点之间的距离包括：

确定移动站处声音的速度；以及

将移动站处声音的速度乘以移动站接收射频信号和声学信号之间的时间差。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述确定移动站处的声音速度包括：确定空气的温度，并基于所述温度计算声音速度。

19.根据权利要求16所述的方法，还包括：

针对多个锚站点中的至少两个附加锚站点，重复所述同时发送、接收、确定和计算；以及

基于计算出的距离，确定移动站的位置。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述确定移动站的位置包括：

使用至少三个计算出的距离以及至少三个锚站点的已知位置，通过三边测量法对移动站进行定位。

21.一种确定移动站的位置的方法，包括：

从已知位置的至少三个锚站点中的每个锚站点接收同时发送的每一个射频信号和声学信号；

针对所述至少三个锚站点中的每个锚站点，确定移动站接收到射频信号和声学信号的时间；

计算移动站和所述至少三个锚站点中的每个锚站点之间的距离；以及

使用所述至少三个计算出的距离，确定移动站的位置。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述计算移动站和执行发送的锚站点之间的距离包括：

确定移动站处声音的速度；以及

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述确定移动站处的声音速度包括确定空气的温度，并基于所述温度计算声音速度。

24.根据权利要求21所述的方法，其中所述确定移动站的位置包括：使用所述至少三个计算出的距离以及所述至少三个锚站点的已知位置，通过三边测量法对移动站进行定位。