CN108028797A - 用于高精度距离和取向测量的设备和方法 - Google Patents

用于高精度距离和取向测量的设备和方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种机器可读存储介质，具有存储在其上的指令，所述指令在被执行时使一个或多个处理器执行包括以下各项的操作：在第一模式下分别在至少两个波束导向方向上朝向装置顺序地发射至少两个第一探测请求消息；以及响应于发射所述至少两个第一探测请求消息而从所述装置接收至少两个第一探测响应消息。

Description

用于高精度距离和取向测量的设备和方法
优先权声明
本申请要求于2015年9月23日提交的名称为“Apparatus and Method for HighAccuracy Distance and Orientation Measurement(用于高精度距离和取向测量的设备和方法)”的美国专利申请序列号14/862,464的优先权，并且所述美国专利申请通过引用以其全文结合在此。
背景技术
在各种传感器应用(比如，虚拟现实(VR)应用)中，普遍接受的是，存在整个外部基础设施来支持用于监测不同对象之间的位置或距离的应用。在这类VR应用中，不存在对设备施加到主体上的额外负担的约束。如此，在VR应用中，用户可能通常被吞没在重型装备中并且被其他体外装置监测。
随着对更小的轻重量形状因子的需求的增加，无法使用用于准确测量装置相对于另一个装置(例如，在几厘米内)的距离和取向的传统方案，因为传统方案是繁重的、庞大的、昂贵的、不准确的、慢的(即，具有高延迟)并且不可扩展到更小的形状因子。
附图说明
通过以下给出的具体实施方式以及通过本公开的各实施例的附图将更加全面地理解本公开的实施例，然而，本公开的实施例不应被视为将本公开限制于特定实施例，而是仅用于解释和理解。
图1展示了根据本公开的一些实施例的可穿戴装置的整体，所述可穿戴装置包括具有用于高精度距离和取向测量的设备的一个或多个传感器节点。
图2展示了根据本公开的一些实施例的具有传感器节点的高尔夫球运动员的快照，所述传感器节点具有用于高精度距离和取向测量的设备，以便在运动员准备击球并且然后击中球时测量运动员的各种姿势。
图3展示了根据本公开的一些实施例的具有传感器节点的板球投球手的快照，所述传感器节点具有用于高精度距离和取向测量的设备，以便在投球手投球时测量板球投球手的各种姿势。
图4展示了根据本公开的一些实施例的用于高精度距离和取向测量的设备。
图5展示了根据本公开的一些实施例的用于测量两个传感器节点之间的距离和取向的方法的流程图。
图6展示了根据本公开的一些实施例的针对各发射相位(或者波束导向方向)的数据表或数据向量。
图7展示了根据本公开的一些实施例的具有机器可读存储介质的传感器节点，所述机器可读存储介质具有用于执行高精度距离和取向测量的指令。
图8展示了根据一些实施例的用于对从一个或多个传感器接收的数据进行分析的智能装置或计算机系统或SoC(片上系统)，所述一个或多个传感器具有用于高精度距离和取向测量的设备和/或机器可执行指令。
具体实施方式
在保持高精度的同时不断地测量和监测不同物体(例如，身体部位、移动对象等)之间的相对位置或距离和取向具有一定挑战性。当今新兴的多种应用可能大大受益于对在预定义组内的多个对象之间进行的高精度和高频率的相对位置和取向测量。例如，虚拟现实应用(比如，游戏或其他)可以使用这种能力来实现对手臂、腿等之间的不同相对运动的交互式响应。如果各种动作和姿势与人的手臂一起使用，则可以大大增强与智能家居的交互，从而使得通过手臂的最轻微相对移动将每个姿势与其他姿势区别开来。
准确的距离和取向测量可能有用的另一个示例是身体传感器网络(BSN)。BSN是可穿戴计算装置的无线网络。BSN装置可以作为植入物嵌入身体内部，或者可以以固定的位置表面安装在身体上。BSN还可以包括人类可以在不同位置携带的装置。例如，衣服口袋中、手上或各种袋子里可携带的装置可以是BSN的一部分。BSN可以用于运动实时训练监测和反馈。在此示例中，使用BSN的运动员期望关于其运动(并且具体地关于不同身体部位的相对位置)的立即且准确的实时反馈，以使得所述运动员可以完善体育运动。参照图2至图3展示了两个这样的示例。
用于监测两个对象之间的距离的一些解决方案包括用于支持所述应用的整个外部基础设施。这种外部基础设施的示例包括运动训练机构、运动实验室和虚拟现实室。在这种解决方案中，用户可能通常被吞没在重型装备中并且被其他体外装置监测。对于身体上、对象间测距(即，对象间距离和取向测量)，已经存在多种正在进行的用于适配当前无线技术(例如，WiFi)以便提供准确的测距能力(即，距离测量能力)的尝试。但是，这些尝试具有若干缺陷。
WiFi标准正向着提供高精度的对等测距方法(即，距离测量方法)发展。Wi-Fi(或WiFi)是允许电子装置组网(主要使用2.4千兆赫(12cm)超高频(UHF)和5千兆赫(6cm)极高频(SHF)工业、科学和医疗(ISM)无线电频带)的局域无线计算机联网技术。Wi-Fi基于电气和电子工程师协会(IEEE)802.11标准将Wi-Fi限定为任何“无线局域网”(WLAN)产品。在“WiFi感知(WiFi Aware)”的倡议(也被称为邻域网(NAN))中，WiFi收发器使用飞行时间(TOF)来计算其距另一个用户装置的距离。以80MHz的采样速率，使用简单的算法，可以使用WiFi感知技术来实现大约3米的精度。然而，这些WiFi感知算法不适合于确定和监测到较短距离的变化(例如，厘米或更小距离内)。
超声波(ULS)提供了另一种测量或监测两个对象之间距离的方式。基于ULS的算法可以实现高精度，但是ULS需要两个对象之间的视距。这严重地损害了这种ULS传感器在这里提及的应用中的可用性，其中例如，两个传感器可能捆绑到两个手臂上，每个传感器在人身体的不同侧，不具有视距。
使用智能LED(发光二极管)的可见光通信(VLC)提供了另一种用于测量或监测两个对象之间距离的技术。然而，这种技术可以实现大约1米的精度并且同样需要视距，这使其比ULS更不适合这些应用。
全球导航卫星系统(GNSS)提供了另一种用于测量或监测两个对象之间距离的技术。GNSS是基于空间的卫星导航系统，所述卫星导航系统提供地球上或附近到四个或更多个GNSS卫星存在无阻视距的任何地方的{x，y，z}位置和时间信息。所述卫星导航系统可以以几米而不是几厘米的精度来提供位置。
另外，GNSS依赖于来自卫星的输入，并且可能无法用于室内应用。此外，即使对于室外，也存在GNSS表现不够好的情况(例如，来自建筑物的多次反射可能使结果偏离的深城区峡谷设置)。卫星通信增大了延迟，并且因此GNSS的响应性较慢(例如，远大于几百毫秒)。由于GNSS是绝对定位方法(即，其返回地球上的绝对位置)，所以需要使用卫星位置信息对其进行更新，所述卫星位置信息需要下载星历(即，卫星的精密轨道)和年历(即，星座中多达32个卫星的概略轨道和状态信息)。当退出低功率模式时，这些下载时间需要较长的启动时间和刷新时间。
即使GNSS中的每个收发器独立地学习其位置，为使两个对象推断其相对位置，仍然需要这两个对象之间的准确且低延迟的位置信息交换。如此，GNSS不为对象之间的位置和时间报告提供低延迟(例如，小于几百毫秒)响应。而且，即使GNSS可以嵌入智能电话、平板计算机或膝上型计算机、机动车辆等中，其仍然太大、高功耗并且昂贵以致无法以更小形状因子集成，比如，极简化的可穿戴装置。
雷达提供了另一种用于测量或监测两个对象之间距离(即，两个对象之间的测距)的技术。雷达是使用无线电波来确定对象的范围、高度、方向或速度的对象检测系统。其通常用于检测飞行器、轮船、航天器、导弹和机动车辆。雷达天线发射无线电波或微波脉冲，所述无线电波或微波脉冲从其路径中的任何对象弹开。所述雷达天线使用TOF获得距离测量结果(即，发射无线电信号的短脉冲并测量反射返回所花费的时间)。距离是信号的往返时间(RTT)和速度的乘积的一半。雷达可以通过使用多普勒效应做出几乎瞬间的速度测量。
然而，雷达不加区别地识别所发射的无线电波脉冲的路径中的任何对象的位置和相对速度。参考在人的两个身体部位之间测量距离的示例，雷达将得到每个身体部位、周围对象和背景的映射。如此，可能需要大功率处理器来分析所收集的数据并过滤出背景和不感兴趣的身体部位。而且，大多数雷达实现方式具有较大且不适用于可穿戴形状因子的尺寸。
在此所描述的各实施例解决了用于在保持高精度的同时通过不断地监测不同对象(例如，身体部位)之间的相对位置和取向来测量距离和取向的传统方案(例如，VLC、ULS、GNSS、雷达等)的缺点。一些实施例描述了用于准确测量两个对象之间距离及其彼此之间的相对取向的方案(即，方法、设备和/或系统)。
在一些实施例中，从所述方案中实现的可达到精度为厘米或更小的数量级。在一些实施例中，由所述方案执行的测量可以以大约每几十毫秒数量级的非常高的速率完成。例如，这允许运动员以频繁的时间间隔监测其相对手臂定位和取向，以便与最佳已知练习进行比较并在必要时应用校正动作。如此，运动员可以跟踪移动的每个单一相位，从而使得可以在所有关键时间点处分析所监测的移动。
一些实施例基于在高带宽和高频无线技术中测量信号TOF以便获得所需要的定位精度。如此，各实施例提供了一种具有成本效益的解决方案来达到此目的。在一些实施例中，每个传感器被实现为具有波束成形天线阵列的收发器。在一些实施例中，波束成形天线阵列被设计成覆盖特定应用所需要的角范围和角分辨率。
一些实施例提供了一种设备和方法，其可以在保持高精度的同时不断地监测不同对象之间的相对位置和取向(例如，几厘米程度的精度，从而使得可以观察姿势和动作中的微秒差异)。在一些实施例中，用于测量两个对象之间距离的方案不需要对象之间的视距。在一些实施例中，由设备频繁地进行测量，以使得可以在所有关键时间点处分析所监测的移动。
在一些实施例中，(多个)传感器(其包括用于测量两个对象之间的距离和取向的设备)仅位于所监测的对象上，无需附加外部装备。如此，各实施例的设备(或传感器)可以放置在各种位置中，并且不限于装备丰富的场所(例如，实验室、游乐场等)。在一些实施例中，在对象的预期动作不给对象带来显著负担的情况下，这种硬件的形状因子允许将设备附接至所监测的对象(例如，穿戴所述设备)。根据各实施例和附图，其他技术效果将是明显的。
在以下描述中，讨论了大量细节以便提供对本公开的实施例更透彻的解释。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可以在无需这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他实例中，以框图形式而非详细地示出了众所周知的结构和装置以避免模糊本公开的实施例。
注意，在实施例的对应附图中，利用线条来表示信号。一些线条可能更厚以指示更多的组成信号路径，和/或在一端或多端具有箭头以指示主要信息流动方向。这种指示并非旨在是限制性的。相反，这些线条与一个或多个示例性实施例结合使用以帮助更容易地理解电路或逻辑单元。如设计需要或偏好所指示的，任何表示的信号实际上可以包括可以在任一方向上传播的一个或多个信号，并且可以使用任何合适类型的信号方案来实施。
在整个说明书中，并且在权利要求书中，术语“经连接(connected)”指已连接的对象之间的直接连接(比如，电、机械、或磁性连接)，不存在任何中介装置。术语“经耦合(coupled)”指直接或间接连接，比如已连接的对象之间的直接电、机械、或磁性连接，或者通过一个或多个无源或有源中介装置的间接连接。术语“电路(circuit)”或“模块(module)”可以指被安排成彼此合作以提供期望功能的一个或多个无源和/或有源组件。术语“信号(signal)”可以指至少一个电流信号、电压信号、磁信号、或数据/时钟信号。“一个(a)”、“一种(an)”以及“所述(the)”的意义包括复数的指代。“在...中(in)”的意义包括“在...中(in)”和“在...上(on)”。
术语“基本上(substantially)”、“接近(close)”、“近似(approximately)”、“靠近(near)”和“约(about)”通常指代在目标值的+/-10％内(除非另有说明)。除非另有说明，否则使用序数形容词“第一(first)”、“第二(second)”和“第三(third)”等来描述共同对象，仅仅指示类似对象的不同实例被提及，并且不意在暗示如此描述的对象必须在或者时间上、空间上、排名上、或以任何其他方式处于给定序列中。
为了本公开的目的，短语“A和/或B”以及“A或B”意指(A)、(B)或(A和B)。为了本公开的目的，短语“A、B和/或C”意指(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)、或(A、B和C)。
说明书中和权利要求书中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“在...上方”、“在...下方”等(如果存在的话)用于描述性目的，而未必用于描述永久的相对位置。
为了实施例的目的，各电路、模块和逻辑块中的晶体管是金属氧化物半导体(MOS)晶体管，所述金属氧化物半导体晶体管包括漏极、源极、栅极、和升压端子。所述晶体管还包括三栅极和鳍型FET晶体管、圆柱体全包围栅场效应管、隧道FET(TFET)、方线、或矩形带状晶体管或实现与碳纳米管或自旋电子装置类似的晶体管功能的其他装置。MOSFET对称的源极和漏极端子即为完全相同的端子并且在此可互换地使用。另一方面，TFET装置具有非对称的源极和漏极端子。本领域技术人员将理解的是，在不背离本公开的范围的情况下，可以使用其他晶体管(例如，双极结型晶体管——BJT PNP/NPN、BiCMOS、CMOS等)。
图1展示了根据本公开的一些实施例的可穿戴装置的整体100，所述可穿戴装置包括具有用于高精度距离和取向测量的设备的一个或多个传感器节点。在此示例中，整体100在人和他/她的座驾(在此为自行车)上。然而，实施例不限于此。可穿戴装置的其他场景及其使用可以与各实施例一起使用。
例如，在一些实施例中，可以将传感器节点嵌入到一些其他产品(例如，房屋内的墙壁、车辆、衣服、人体等)中，并且可以使用控制器、网关装置或计算装置来进行控制。一些实施例的(多个)传感器节点还可以是可穿戴装置的一部分。术语“可穿戴装置(wearabledevice)”(或可穿戴计算装置)通常指耦合到人的装置。例如，直接附接在人身上或人的衣服上的装置(比如传感器、相机、扬声器、麦克风(mic)、智能电话、智能手表等)都在可穿戴装置的范围内。
在一些示例中，可穿戴计算装置可以由比如AC/DC电源插座的主电源来供电。在一些示例中，可穿戴计算装置可以由电池供电。在一些示例中，可穿戴计算装置可以由基于近场通信(NFC)的专用外部源来供电。所述专用外部源可以提供可以由可穿戴计算装置上的电路系统收集的电磁场。对可穿戴计算装置进行供电的另一种方式是与无线通信(例如，WLAN发射)相关联的电磁场。WLAN发射使用远场无线电通信，所述远场无线电通信对于对可穿戴计算装置进行供电而言具有远远大于NFC发射的范围。WLAN发射通常用于与大多数类型的终端计算装置进行无线通信。
例如，可以根据基于具有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)的一个或多个WLAN标准(比如由电气工程师协会(IEEE)颁布的标准)来使用WLAN发射。这些WLAN标准可以基于如Wi-FiTM的CSMA/CD无线技术，并且可以包括以太网无线标准(包括后代和变体)，所述以太网无线标准与2012年3月发布的IEEE 802.11-2012信息技术标准-系统之间的电信和信息交换-局域网和城域网-特定要求第11部分：WLAN媒体访问控制器(MAC)和物理层(PHY)规范、和/或此标准的后来版本(“IEEE 802.11”)相关联。
继续图1的示例，可穿戴装置的整体100包括头盔上的装置101(例如，相机、麦克风等)、人的手臂上的装置102(例如，血压传感器等)、装置103(例如，可以用作终端控制器的智能手表或有待控制的装置)、装置104(例如，人的衣服口袋中的智能电话和/或平板计算机)、装置106(例如，用于测量桨速的加速度计)。在一些实施例中，可穿戴装置的整体100具有通过无线能量收集机制或其他类型的无线发射机制进行通信的能力。
在一些实施例中，装置102(在人的手臂上)和106(在人的脚上)包括传感器节点，所述传感器节点具有用于这两个装置之间的高精度距离和取向测量的设备。在一些实施例中，每个装置102/106被实现为具有波束成形天线阵列的收发器。在一些实施例中，波束成形天线阵列被设计成覆盖特定应用所需要的角范围和角分辨率。
在一些实施例中，装置102和装置106通过识别这两个装置之间的直接路径来测量物理距离。在一些实施例中，装置102和106采用波束成形技术，所述波束成形技术允许这些装置通过选择具有最早到达时间的波束导向方向来识别接收到直接路径的波束导向方向。通过向馈送给每个阵列元件的信号施加不同相位来导向波束成形天线阵列的发射/接收方向。通过这样做，使所述阵列有效地“指向”不同方向。这有效地提供了关于从中接收到直接路径的方向的信息，从而推导出这两个装置102/106的两个收发器之间的相对角度。在此，所述角度相对于固定在装置参考系中的参照物，例如，相对于垂直于装置屏幕的线。
TOF测量中的距离精度可以取决于信号带宽和信噪比(SNR)。在一些实施例中，装置102/106使用以60GHz操作并且使用2160MHz带宽的技术，比如WiGig。WiGig规范(例如，2011年6月发布的版本1.1)允许装置以数千兆比特速度无线地通信。这实现了补充先前无线LAN(局域网)装置的能力的高性能无线数据、显示和音频应用。
WiGig的符号速率是1760M码元/秒，这允许大约20cm的距离分辨率，所述距离分辨率比可由WiFi技术利用160MHz信道带宽实现的分辨率要好大约10倍。在一些实施例中，可以通过使用滤波技术(例如，卡尔曼滤波)进一步完善WiGig的距离分辨率(即，使比20cm更精细或更小)。在其他实施例中，装置102/106可以使用其他高频无线技术来测量所述装置之间的距离和取向。例如，遵从IEEE 802.11ad的收发器可以被工程化并由装置102/106用于测量装置之间的距离和取向。
根据一些实施例，每个装置102/106的每个收发器在扫频周期与全向周期之间交替。在一些实施例中，在扫频周期中，由装置在扫频模式下针对各种发射相位(即，到天线阵列的相位输入)发射探测请求。例如，由装置在扫频模式下在各波束导向方向上发射探测请求。在一些实施例中，在全向周期中，由天线阵列在全向模式下检测探测响应。在这种模式下，天线阵列被配置成作为全向天线执行。在一些实施例中，在全向模式期间使用专用全向天线而不是在全向方向上配置天线阵列。如此，根据一些实施例，天线阵列和全向天线在相应装置中是单独天线。
在一些实施例中，装置102/106分配并协调彼此之间的周期时间，从而使得一个装置的一个收发器在扫频模式下，同时另一个装置的另一个收发器在全向模式下。在一些实施例中，当存在多对装置并且可能难以协调所述对之间的周期时间时，可以对多对装置使用频率分离以便操作扫频/全向周期。例如，一对装置以频率f1在扫频模式和全向模式下操作，同时另一对装置以频率f2在扫频模式和全向模式下操作，其中，频率f2不同于频率f1或与其分开。
根据一些实施例，交换扫频模式和全向模式的角色。例如，首先在扫频模式下的装置现在进入全向模式，同时在全向模式下的另一个装置现在进入扫频模式。在一些实施例中，在这两个方向上完成扫频周期和全向周期之后，每个装置的每个收发器建立指示信号强度和距离相对于相对角度的数据向量。在此，根据接收到消息的波束导向方向来推导出相对角度。在一些实施例中，与提供最短距离和最高信号强度的向量相关联的数据被识别为确定这两个装置102/106之间的距离的准确测量的数据。
图2展示了根据本公开的一些实施例的具有传感器节点的高尔夫球运动员的快照200，所述传感器节点具有用于高精度距离和取向测量的设备，以便在运动员准备击球并且然后击中球时测量运动员的各种姿势。在此，示出了四个快照——201、202、203和204。在每个快照中，在捆绑到高尔夫球运动员身上的两个装置之间测量距离‘d’和相对角度‘ω’。
在此，这些装置对沿着运动员身体被附接在各位置处。在此示例中，第一装置对位于肩部和手腕上，第二装置对位于两个膝盖上，并且第三装置对位于运动员的两个脚踝处。使用用于准确地测量距离‘d’和相对角度‘ω’的各实施例，分别在这四个动作快照——201、202、203和204——上针对第一装置对来测量da1和ωa1、da2和ωa2、da3和ωa3、以及da4和ωa4。在一些实施例中，分别在这四个动作快照——201、202、203和204——上针对第二装置对来测量db1和ωb1、db2和ωb2、db3和ωb3、以及db4和ωb4。在一些实施例中，分别在这四个动作快照——201、202、203和204——上针对第三装置对来测量dc1和ωc1、dc2和ωc2、dc3和ωc3、以及dc4和ωc4。
在一些实施例中，智能装置或计算终端(比如，图9的智能装置2100)可以用于对各装置对的距离和相对角度测量进行分析以便评价运动员击球的表现。所述数据可以用于帮助运动员找到将高尔夫球击打到最远距离的有效姿势。
图3展示了根据本公开的一些实施例的具有传感器节点的板球投球手的快照300，所述传感器节点具有用于高精度距离和取向测量的设备，以便在投球手投球时测量板球投球手的各种姿势。图3提供了另一个示例，在所述示例中，各实施例用于针对另一项运动确定运动员的动作。
在此，示出了四个快照——301、302、303和304。在每个快照中，在两个装置之间测量距离‘d’和相对角度‘ω’。这些装置对沿着板球投球手身体被附接在各位置处。在此示例中，第一装置对位于两个手腕上并且第二装置对位于板球投球手的两个脚踝上。
使用用于准确地测量距离和相对角度的各实施例，分别在这四个动作快照——301、302、303和304——上针对第一装置对来测量da1和ωa1、da2和ωa2、da3和ωa3、以及da4和ωa4。在一些实施例中，分别在这四个动作快照——301、302、303和304——上针对第二装置对来测量db1和ωb1、db2和ωb2、db3和ωb3、以及db4和ωb4。在一些实施例中，第一对装置与第二对装置之间的通信在不同频率上进行。例如，第一装置对在频率f1上操作，而第二装置对在频率f2上操作。如此，这些装置对之间的数据未被损坏。
在一些实施例中，智能装置或计算终端(比如，图9的智能装置2100)可以用于对距离和相对角度测量进行分析以便评价投球手在投球时的表现。所述数据可以用于帮助投球手找到完美跑步节奏和手腕角度来释放球从而达到恰当的球弹跳和节奏。
图4展示了根据本公开的一些实施例的用于高精度距离和取向测量的设备400。要指出的是，图4的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所述的方式相似的任何方式操作或起作用，但并不限于此。在一些实施例中，设备400包括天线阵列401、移相器402、接收器/传感器403、模数转换器(ADC)404、逻辑405、低通滤波器406、向量/表407、编码器408和发射器409。在一些实施例中，设备400包括用于在全向模式下操作的全向天线410。
在一些实施例中，天线阵列401可以包括定向或全向天线1至‘N’中的一个或多个(其中，‘N’是整数)，包括单极天线、偶极天线、环形天线、贴片天线、微带天线、共面波天线、或适用于发射射频(RF)信号的其他类型的天线。在一些多输入多输出(MIMO)实施例中，天线阵列401被分开以利用空间分集。在一些实施例中，全向天线410可以包括一个或多个全向天线1至‘N’(其中，‘N’是整数)，包括单极天线、偶极天线、环形天线、贴片天线、微带天线、共面波天线、或适用于发射RF信号的其他类型的天线。在一些MIMO实施例中，全向天线410可以具有被分开以利用空间分集的天线。
在一些实施例中，移相器402被提供用于微调接收/发射信号的相位。例如，天线阵列401中的每个天线可以耦合至相应的移相器，从而使得耦合至天线1的移相器402接收相位输入ω1，耦合至天线2的移相器402接收相位输入ω2，以此类推。任何已知的移相器都可以用于移相器402。
在一些实施例中，接收器/传感器403检测所接收到的信号并且将其放大以便生成模拟信号。模拟信号是任何连续信号，对于所述连续信号，信号的时变特征(变量)是对一些其他时变量的表示(即，类似于另一个时变信号)。在一些实施例中，接收器/传感器403包括低噪声放大器(LNA)。在一些实施例中，接收器/传感器403包括用于测量身体机能的某个属性(例如，脉搏率)的传感器。接收器/传感器403的输出是模拟信号。根据应用，接收器/传感器403可以感测不同属性。例如，接收器/传感器403可以放置在建筑物上以便感测任何地震。
在一些实施例中，模拟信号由ADC 404转换成数字流。数字信号或数字流是作为离散值序列(即，量化的离散时间信号)(例如，任意比特流)的表示的物理信号。可以使用任何合适的ADC来实现ADC 404。例如，ADC 404为以下各项之一：直接转换ADC(用于闪速ADC)、逐次逼近ADC、斜坡比较ADC、Wilkinson(威尔金森)ADC、积分ADC、增量编码ADC或反斜坡、流水线ADC(也被称为分段量化器)、总和增量ADC(也被称为增量总和ADC)、时间交织ADC、带有中间FM级的ADC、或时间伸展ADC。
在一些实施例中，数字流由逻辑405接收并处理。在一些实施例中，逻辑405(例如，有限状态机)可操作用于将设备400的运行模式切换成扫频模式或全向模式之一。在一些实施例中，逻辑405与另一个装置一起协调扫频周期和全向周期。如此，逻辑405了解相对于另一个装置何时处于扫频模式以及何时处于全向模式。在一些实施例中，在建立这两个装置的角色之后(即，是处于扫频模式还是全向模式，以及这些模式的相应周期)，逻辑405开始收集数据以便确定设备400相对于另一个装置的距离和取向的过程。在一些实施例中，当存在多对装置并且可能难以协调所述装置之间的周期时间时，可以由逻辑405针对多对装置使用频率分离以操作扫频/全向周期。
在一些实施例中，在扫频模式期间，逻辑405指示发射器409经由天线阵列401在每个阵列方向上(即，在每个波束导向方向上)发射探测请求消息。在一些实施例中，在每次试图发射探测请求消息时，阵列方向(以及因此波束导向方向)发生改变。例如，通过将相位输入‘ω’改变为天线阵列401来修改阵列方向。
在一些实施例中，每个探测请求消息包括对阵列方向的编码。在一些实施例中，对阵列方向的这种编码由编码器408来执行。任何已知的编码方案都可以用于对阵列方向进行编码。例如，可以为波束导向的每个阵列方向分配编号，并且以与底层无线技术(例如，WiGig/802.11ad)所使用的调制和编码方案相同的调制和编码方案将所述编号编码到探测请求消息中。
在一些实施例中，发射探测请求消息的起始时间(Tst)由逻辑405记录在向量/表407中。在一些实施例中，使用中的波束导向方向的物理角度由逻辑405记录在向量/表407中。例如，与探测请求消息相关联的方位角和仰角(用于表示三维角度)由逻辑405相对于固定参照物记录在向量/表407中。在一些实施例中，向量/表407存储在非易失性存储器(例如，NAND闪存)中。参照图6展示了向量/表407的一个这种实施例。
返回参照图4，在一些实施例中，当由另一个装置接收到探测请求消息时，另一个装置对探测请求消息进行解码并发送包括探测请求接收时间(Tor)和探测响应发射时间(Tot)的探测响应消息。在一些实施例中，接收器/传感器403接收每个探测响应消息的Tor和Tot，并且逻辑405将所述数据存储在向量/表407中。在一些实施例中，向量/表407中的此数据与探测请求消息的起始时间Tst正确地相关联(这产生相应的探测响应消息)。在一些实施例中，(即，探测响应消息的)所接收信号的信号强度同样被计算(通过任何已知方法)并存储在向量/表407中。如此，对于每个所发送的探测请求消息和所接收的探测响应消息，逻辑405用如以下数据来填充向量/表407：(多个)物理角度、Tst、Tor、Tot、信号强度、飞行时间(TOF)等。
在一些实施例中，在扫频模式完成之后(例如，在针对每个相位角或每个波束导向方向顺序地发送探测请求消息之后)，逻辑405将设备400转变成全向模式。在这种情况下，与设备400通信的另一个装置从全向模式切换到扫频模式。在一些实施例中，当逻辑405进入全向模式时，逻辑405指示天线阵列401在全方向上操作。在一些实施例中，逻辑405指示天线阵列401和接收器/传感器403侦听从另一个装置发送的探测请求消息。
在一些实施例中，全向天线410被提供用于在全向模式期间使用。在一些实施例中，当逻辑405进入全向模式时，逻辑405开始从在全向方向上操作的全向天线410中接收数据。在一些实施例中，逻辑405指示接收器/传感器403侦听从另一个装置使用全向天线410发送的探测请求消息。在一个这种实施例中，另一个装置在扫频模式下操作并且正向设备400发射探测请求消息，以使得所述另一个装置可以确定其相对于设备400的距离和取向。
在一些实施例中，在接收器/传感器403接收探测请求消息之后，逻辑405针对所述消息计算信号强度。其还使用包括探测请求接收时间和探测响应发射时间的探测响应消息对每个正确解码的探测请求消息作出响应。在一些实施例中，在接收器/传感器403接收探测响应消息的时间期间，逻辑405在扫频周期中计算探测消息的TOF，并且使用此时间来计算信号行进的距离。
根据一些实施例，由于信号多径反射和衍射，由另一个收发器发射的探测信号可能在天线阵列401的多个阵列方向上被正确解码。为了正确地推导出特定收发器对(即，设备400和另一个装置)之间的相对角度，具有较长传播距离的角度从向量/表407中被识别为多径反射，并且因此被识别为与相对角度和距离确定不相关。向量/表407中的其余相对角度中，具有最强信号强度的相对角度由逻辑405确定以表示收发器对之间的准确的相对角度和距离。
在一些实施例中，逻辑405周期性地重复以上过程以便跟踪距离和相对角度的变化。在一些实施例中，由逻辑405选择重复扫频模式和全向模式的周期，以使得这两个过程或模式之间的最大期望位置变化低于所需要的精度。例如，如果应用中期望的最大角速度是100°/秒并且需要2°的分辨率，则周期被设置为最多20毫秒。
在一些实施例中，过程的最终结果(即，距离和相对角度)被存储为时间的函数。例如，设备400可以以预定义的或可编程的间隔(例如，100ms间隔)显示距离读数(例如，23cm、24cm、89cm、22cm)。算法(例如，低通滤波器)可以注意到较大距离(在此示例中为89cm)是离群值并且因此是一个错误。根据一些实施例，此离群值数据被丢弃并且被相邻样本的插值代替。
在一些实施例中，由低通滤波器(LPF)406处理所述结果，以便丢弃所测量距离的和相对角度的与收发器位置的物理变化不相关的寄生变化。在一些实施例中，根据预期物理收发器速度来校准LPF 406的截止频率。例如，LPF 406的截止频率被校准为使得50KHz以上的变化被丢弃(在周期被设置为低于20毫秒的值时，这可能是相关的)。
发射器409可以使用任何已知的高频发射方案。在一些实施例中，为了使对相对角度计算的传播衍射影响最小化，使用了高频收发器。在一些实施例中，发射器409遵从WiGig发射标准(即，IEEE 802.11ad发射标准)。根据一些实施例，高频发射能力还使得能够建立具有几厘米的总侧面并且还具有良好的角度分辨率的天线阵列。
在一些实施例中，发射器409根据基于CSMA/CD的一个或多个WLAN标准(比如，由IEEE颁布的那些WLAN标准)使用WLAN发射。在一些实施例中，发射器409可以使用遵从长期演进(LTE)的发射机制。
可以使用任何合适的低功率发射器来实现发射器409(例如，具有低功率放大器驱动器的发射器)。在一些实施例中，发射器409将经编码的探测请求消息和/或探测响应消息转换为模拟射频(RF)信号，所述模拟射频信号然后由天线阵列401发射到另一个装置。在其他实施例中，发射器409可以使用其他形式的无线发射。
在一些实施例中，发射器409包括数模转换器(DAC)(未示出)，所述数模转换器用于将经编码的探测请求消息和/或探测响应消息转换成模拟信号以便发射。在一些实施例中，DAC是脉宽调制器(PWM)。在一些实施例中，DAC是过采样DAC或者内插DAC，比如总和增量DAC。在其他实施例中，可以使用其他类型的DAC。例如，发射器409的DAC为以下各项之一：开关电阻器DAC、开关电流源DAC、开关电容器DAC、R-2R二进制加权DAC、逐次逼近或循环DAC、温度计编码DAC等。根据一些实施例，DAC的输出是模拟信号，所述模拟信号被放大并且然后被发射到天线阵列401以到达(多个)其他装置。
根据一些实施例，在使用多个传感器对的应用中，每个传感器对被配置成在不同频率信道中操作以便允许同时操作。可替代地，在一些实施例中，可以在同一频率信道中操作的传感器对之间协调分时。根据一些实施例，在多于两个传感器之间使用相对定位的应用中，可以在传感器组中的每个对之间重复扫频模式和全向模式的过程。如此，根据一些实施例，针对组中的每一对协调扫频周期和全向周期。
图5展示了根据本公开的一些实施例的用于测量两个传感器节点之间的距离和取向的方法的流程图500。要指出的是，图5的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所述的方式相似的任何方式操作或起作用，但并不限于此。
尽管以特定顺序示出了参考图5的流程图中的框，但可以修改动作的顺序。因此，可按照不同的顺序执行所展示的实施例，并且可以并行执行一些动作/框。根据某些实施例，图5中列出的框和/或操作中的一些是可选的。所呈现的框的编号是为了清楚起见，并不旨在规定各个框必须出现的操作的顺序。此外，可以采用各种组合来利用于自各流程的操作。
流程图500展示了由传感器A 501(例如，设备400)和传感器B 502(即，另一个装置)在扫频模式和全向模式期间执行的过程。首先，传感器A 501和传感器B 502彼此协调扫频周期和全向周期。例如，传感器A 501和传感器B502分配某个时间段用于发射，以使得在一个周期期间，传感器A 501处于扫频模式下并且传感器B 502处于全向模式下，并且在另一个周期中，传感器A501处于全向模式下并且传感器B 502处于扫频模式下。
在一些实施例中，当具有传感器A 501的用户在一定时间的持续时间(例如，1分钟的阈值持续时间)上不移动时，则传感器A 501可以减慢频率或者增大在扫频模式和全向模式下操作的周期。如此，节省了功率。
在一些实施例中，可以由传感器A 501相对于传感器B 502跟踪静止中的突然移动。在一些实施例中，理解用户处于哪种状态(例如，体育运动中)的更高层逻辑可以重新配置在相应地扫频模式和全向模式下操作的周期。例如，在图2的高尔夫球示例中，当运动员正将杆拉回其头部上方时，这可以由应用(或更高层逻辑)识别并且可以由逻辑405减小在扫频模式和全向模式下操作的周期(即，较少的扫频模式和全向模式)。继续同一示例，一旦杆达到其顶端，就由逻辑405增大在扫频模式和全向模式下操作的周期(即，更多扫频模式和全向模式)，因为期望摆动本身非常快速并且期望监测到摆动中的每个细微差别。
在一些实施例中，当具有传感器A 501的用户不断地移动(例如，每1ms移动一次)时，则传感器A 501的逻辑405可以与传感器B 502的逻辑405一起协调以更高的规律(例如，不断地)操作扫频模式和全向模式。
在此，传感器A 501首先在扫频模式503(也被称为传感器A 501的第一模式)下操作，而传感器B 502首先在全向模式504(也被称为传感器B 502的第一模式)下操作。在扫频模式503下，传感器A首先在时间Tst1处朝向传感器B 502发射第一探测请求消息505(即，波束1)。在一些实施例中，传感器B 502使用全向天线410来侦听第一探测请求消息505。在一些实施例中，第一探测请求消息505包括对传感器A 501的阵列方向的编码。
在时间Tor1处，传感器B 502接收第一探测请求消息505。传感器B 502然后对经编码的第一探测请求消息505进行解码并且向传感器A 501发射探测响应消息506。在一些实施例中，第一探测响应消息506包括探测请求接收时间Tor1和探测响应发射时间Tr1。在时间Tsr1处，传感器A 501接收探测响应消息506。在一些实施例中，也对探测响应消息506进行编码和/或加密。在一些实施例中，传感器A 501对经编码和/或经加密的探测响应消息进行解码和/或解密。
在一些实施例中，将Tst1、Tsr1、Tor1、Tot1、接收信号强度、和物理角度保存在向量/表407中。当接收探测响应消息时，传感器A 501在扫频周期中计算探测消息的TOF并且使用此时间来计算信号行进的距离。在一些实施例中，逻辑405将第一TOF(即，TOF1)计算为：(Tsr1-Tsr1)–(Tot1-Tor1)。在一些实施例中，针对天线阵列401的所有波束(即，产生所有波束导向方向的所有相位角‘ω’)重复‘N’次扫频模式503，其中，‘N’是大于一的整数。如此，用针对各物理角度的距离测量(来自TOF信息)填充向量/表407。
接下来，在508处，传感器A 501和传感器B 502反转扫频侧和全向侧(即，交换其角色)，从而使得传感器A 501在全向模式509(也被称为传感器A 501的第二模式)下操作并且传感器B 502在扫频模式(也被称为传感器B 502的第二模式)下操作。重复参照过程503、504、505、506和507描述的过程，其中，传感器A 501在全向模式409下并且传感器B 502在扫频模式510下。
如此，用时间Tst1、Tsr1、Tor1和Tot1、接收信号强度、相位角以及针对各波束导向方向的距离测量(来自TOF信息)填充传感器B 502的向量/表407。根据一些实施例，在这两个方向上完成扫频周期和全向周期之后，每个传感器建立信号强度和距离相对于相对角度的向量。
图6展示了根据本公开的一些实施例的针对各发射相位或波束导向方向的表(例如，向量/表407)或向量数据600。要指出的是，图6的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所述的方式相似的任何方式操作或起作用，但并不限于此。表600示出了在扫频模式期间收集、计算和测量的数据。在此示例中，表600包括用于波束导向方向(例如，1,2,3,4...N，其中，‘N’是整数)的数据、以纳秒(ns)为单位的TOF、以厘米(cm)为单位的所计算的距离、以度为单位的(多个)物理角度(例如，方位角和仰角)以及以分贝(dBm，即，分贝-毫瓦)为单位的信号强度。在此，TOF与所计算的距离有关，如2*距离(distance)＝TOF*c，其中，‘c’是光速。
由于信号多径反射和衍射，由另一个收发器发射的探测信号可能在多个波束导向方向上被正确地解码。根据一些实施例，为了正确地推导出特定收发器或传感器对之间的相对角度，具有更长传播距离的波束导向方向被识别为多径反射并且因此与相对角度和距离确定不相关。在其余数据中，例如，具有最强信号强度的数据被确定用于表示收发器对之间的准确相对角度和距离。
在此示例中，即使波束导向方向3给出了更短的TOF和距离，其信号强度(-90dBm)也比波束导向方向4的情况下的信号强度(-85dBm)弱。如此，平局决胜规则将选择在具有更高信号强度和类似距离的强度上超过0.8的0.82(即，选择虚线行601)。
图7展示了根据本公开的一些实施例的具有机器可读存储介质的传感器节点700，所述机器可读存储介质具有用于执行高精度的距离和取向测量的指令。要指出的是，图7的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所述的方式相似的任何方式操作或起作用，但并不限于此。
在一些实施例中，传感器节点700/400包括低功率处理器701(例如，数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASCI)、通用中央处理单元(CPU)或实现用于执行流程图500的方法的简单有限状态机的低功率逻辑等)、机器可读存储介质702(也被称为有形机器可读介质)、天线705(例如，天线阵列401和全向天线410)、网络总线706、(多个)传感器707(例如，陀螺仪、加速度计等)和无线模块708(例如，遵从WiFig的逻辑)。
在一些实施例中，传感器节点700的各逻辑块经由网络总线706耦合在一起。可以使用任何合适的协议来实现网络总线706。在一些实施例中，机器可读存储介质702包括用于计算或测量装置关于另一个装置的距离和相对取向的指令702a(也被称为程序软件代码/指令)，如参照各实施例和流程图所描述的。
与流程图500相关联的并且可被执行以用于实现所公开的主题的实施例的程序软件代码/指令702a可以被实现为操作系统的一部分或者具体的应用、组件、程序、对象、模块、例程、或其他指令序列或指令序列组织(被称为“程序软件代码/指令”、“操作系统程序软件代码/指令”、“应用程序软件代码/指令”、或仅嵌入在处理器中的“软件”或固件)。在一些实施例中，与流程图500相关联的程序软件代码/指令由传感器节点700(如图4所示)来执行。
返回参考图7，在一些实施例中，与流程图500相关联的程序软件代码/指令702a被存储在计算机可执行存储介质702中并由处理器701执行。在此，计算机可执行存储介质702是可用于存储程序软件代码/指令和数据的有形机器可读介质，所述程序软件代码/指令和数据当由计算装置执行时使一个或多个处理器(例如，处理器701)执行如可在涉及所公开的主题的一个或多个所附权利要求中所引用的(多种)方法。
有形机器可读介质702可以包括将可执行软件程序代码/指令702a和数据存储在各有形位置中，包括例如ROM、易失性RAM、非易失性存储器和/或高速缓存和/或在本申请中参考的其他有形存储器。此程序软件代码/指令702a和/或数据的部分可以存储在这些存储和存储器装置中的任何一个中。进一步地，可从其他存储装置中获得程序软件代码/指令，包括例如通过集中式服务器或对等网络等，包括互联网。可在不同的时间并且在不同的通信会话或者在同一通信会话中获得软件程序代码/指令和数据的不同部分。
可在由计算装置执行相应软件程序或应用之前以其整体获得软件程序代码/指令702a(与流程图500和其他实施例相关联)和数据。可替代地，当需要执行时，可动态地(例如，仅实时)获得软件程序代码/指令702a和数据的部分。可替代地，获得软件程序代码/指令702a和数据的这些方式的某个组合可以通过示例的方式发生，例如针对不同的应用、组件、程序、对象、模块、例程或其他指令序列或指令序列组织。因此，不需要数据和指令在特定的时间时刻以其整体处于有形机器可读介质上。
有形计算机可读介质702的示例包括但不限于可记录和不可记录类型的介质，比如易失性和非易失性存储器装置、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存装置、软盘以及其他可移动磁盘、磁存储介质、光存储介质(例如，压缩盘只读存储器(CD ROM)、数字通用盘(DVD)等)等等。在通过这种有形通信链路实现电、光、声、或其他形式的传播信号(比如载波、红外信号、数字信号等)的同时，软件程序代码/指令可以暂时存储在数字有形通信链路中。
通常，有形机器可读介质702包括任何有形机制，所述有形机制提供(即采用数字形式(例如，数据包)存储和/或发射)采用机器(即计算装置)可访问的形式的信息，其可以包括在以下各项中：例如通信装置、计算装置、网络装置、个人数字助理、制造工具、移动通信装置(无论是否能够下载并运行应用以及来自通信网络(比如互联网)的资助应用)，例如， 等或包括计算装置的任何其他装置。在一个实施例中，基于处理器的系统采用以下各项的形式或者包括在以下各项中：PDA(个人数字助理)、蜂窝电话、笔记本计算机、平板计算机、游戏控制台、机顶盒、嵌入式系统、TV(电视)、个人台式计算机等。可替代地，在所公开的主题的一些实施例中，可以使用传统的通信应用和(多个)资助应用。
图8展示了根据一些实施例的用于对从一个或多个传感器接收的数据进行分析的智能装置或计算机系统或SoC(片上系统)，所述一个或多个传感器具有用于高精度距离和取向测量的设备和/或机器可执行指令。要指出的是，图8的与任何其他附图的元件具有相同参考号(或名称)的那些元件可以通过与所述的方式相似的任何方式操作或起作用，但并不限于此。
图8展示了移动装置的实施例的框图，在所述移动装置中可以使用平坦表面接口连接器。在一些实施例中，计算装置2100表示移动计算装置，比如计算平板机、移动电话或智能电话、支持无线的电子阅读器、或其他无线移动装置。将理解的是，总体上示出了某些组件，并且在计算装置2100中没有示出这种装置的全部组件。
根据所讨论的一些实施例，在一些实施例中，计算装置2100包括用于分析从一个或多个传感器接收到的数据的第一处理器2110，所述一个或多个传感器具有用于高精度距离和取向测量的设备和/或机器可执行指令。在一些实施例中，计算装置2100接收存储在向量/表407中的数据并且对数据执行各种分析。例如，计算装置2100可以分析在长时间段(例如，天)上收集的数据并且确定所收集的数据的历史和统计分析。
根据一些实施例，计算装置2100的其他框图还可以分析从一个或多个传感器接收到的数据，所述一个或多个传感器具有用于高精度距离和取向测量的设备和/或机器可执行指令。本公开的各实施例还可以包括2170内的网络接口(比如无线接口)，从而使得系统实施例可以并入无线装置(例如，蜂窝电话或个人数字助理)中。
在一个实施例中，处理器2110(和/或处理器2190)可以包括一或多个物理器件，比如微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑器件、或其他处理装置。由处理器2110执行的处理操作包括于其上执行应用和/或装置功能的操作平台或操作系统的执行。处理操作包括与人类用户的或与其他装置的与I/O(输入/输出)有关的操作、与功率管理有关的操作、和/或与将计算装置2100连接到另一装置有关的操作。处理操作还可以包括与音频I/O和/或显示I/O有关的操作。
在一个实施例中，计算装置2100包括音频子系统2120，所述音频子系统表示与向计算装置提供音频功能相关联的硬件(例如，音频硬件和音频电路)和软件(例如，驱动器、编解码器)组件。音频功能可以包括扬声器和/或耳机输出、以及麦克风输入。用于这种功能的装置可以被集成到计算装置2100中或连接到计算装置2100。在一个实施例中，用户通过提供由处理器2110接收并处理的音频命令来与计算装置2100进行交互。
显示子系统2130表示为用户提供视觉和/或触感显示以便与计算装置2100进行交互的硬件(例如，显示装置)和软件(例如，驱动器)组件。显示子系统2130包括显示界面2132，所述显示界面包括用于为用户提供显示的特定屏幕或硬件装置。在一个实施例中，显示界面2132包括与处理器2110分离的逻辑以便执行与显示有关的至少一些处理。在一个实施例中，显示子系统2130包括向用户提供输出和输入两者的触摸屏(或触摸板)装置。
I/O控制器2140表示与用户的交互有关的硬件装置和软件组件。I/O控制器2140可操作用于管理作为音频子系统2120和/或显示子系统2130一部分的硬件。此外，I/O控制器2140展示连接至计算装置2100的附加装置的连接点，通过所述连接点用户可以与所述系统进行交互。例如，可以附接到计算装置2100的装置可以包括麦克风装置、扬声器或立体声系统、视频系统或其他显示装置、键盘或键板装置、或者如读卡器或其他装置的用于特定应用的其他I/O装置。
如上所述，I/O控制器2140可以与音频子系统2120和/或显示子系统2130进行交互。例如，通过麦克风或其他音频装置的输入可为计算装置2100的一个或多个应用或功能提供输入或命令。此外，替代或除了显示输出之外，还可以提供音频输出。在另一个示例中，如果显示子系统2130包括触摸屏，则显示装置还充当输入装置，所述输入装置可以由I/O控制器2140至少部分地进行管理。在计算装置2100上还可以有额外的按钮或开关用于提供由I/O控制器2140管理的I/O功能。
在一个实施例中，I/O控制器2140管理装置，比如加速度计、相机、光传感器或其他环境传感器、或可以被包括在计算装置2100中的其他硬件。输入可以是直接用户交互的一部分，以及向系统提供环境输入以影响其操作(比如，过滤噪声、调整用于亮度检测的显示、将闪存应用于相机或者其他特征)。
在一个实施例中，计算装置2100包括功率管理2150，所述功率管理对电池电力使用、电池充电以及与节电操作有关的特征进行管理。存储器子系统2160包括用于将信息存储在计算装置2100中的存储器装置。存储器可以包括非易失性(如果存储器装置断电，则状态不改变)和/或易失性(如果存储器装置断电，则状态不定)存储器装置。存储器子系统2160可以存储应用数据、用户数据、音乐、照片、文档或其他数据，以及与对计算装置2100的应用和功能的执行有关的系统数据(长期的或者临时的)。
实施例的元素还被提供为用于存储计算机可执行指令(例如，实现本文讨论的任何其他过程的指令)的机器可读介质(例如，存储器2160)。所述机器可读介质(例如，存储器2160)可以包括但不限于：闪存、光盘、CD-ROM、DVD ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、相变存储器(PCM)、或适用于存储电子或计算机可执行指令的其他类型的机器可读介质。例如，本公开的实施例可以作为计算机程序(例如，BIOS)进行下载，所述程序可以经由通信链路(例如，调制解调器或网络连接)以数据信号的方式从远程计算机(例如，服务器)被传送至进行请求的计算机(例如，客户端)。
连接2170包括硬件装置(例如，无线和/或有线连接器以及通信硬件)和软件组件(例如，驱动器、协议栈)，以使计算装置2100能够与外部装置进行通信。计算装置2100可以是单独的装置(比如，其他计算装置、无线接入点或基站)以及外围设备(比如，耳机、打印机或其他装置)。
连接2170可以包括多种不同类型的连接。出于概括，展示了具有蜂窝连接2172和无线连接2174的计算装置2100。蜂窝连接2172总体上指的是由无线载波提供的蜂窝网络连接，比如经由GSM(全球移动通信系统)或其变体或衍生体、CDMA(码分多址)或其变体或衍生体、TDM(时分复用)或其变体或衍生体、或其他蜂窝服务标准提供的。无线连接(或无线接口)2174指非蜂窝的无线连接，并且可以包括个域网(比如蓝牙、近场等)、局域网(比如Wi-Fi)、和/或广域网(比如WiMax)、或其他无线通信。
在一些实施例中，外围连接2180包括用于进行外围连接的硬件接口和连接器、以及软件组件(例如，驱动器、协议栈)。应理解的是，计算装置2100可以是到其他计算装置的外围装置(“去往”2182)，也可以具有连接到其的外围装置(“来自”2184)。计算装置2100通常具有用于连接到其他计算装置的“对接”连接器，以用于如管理(例如，下载和/或上传、更改、同步)计算装置2100上的内容。此外，对接连接器可以允许计算装置2100连接到特定外围设备，所述特定外围设备允许计算装置2100控制例如到视听或其他系统的内容输出。
除了专用的对接连接器或其他专用连接硬件以外，计算装置2100可以经由基于公共或标准的连接器进行外围连接2180。公共类型可以包括通用串行总线(USB)连接器(其可以包括任意数量的不同硬件接口)、包括小型显示端口(MDP)的显示端口、高清晰度多媒体接口(HDMI)、火线或其他类型。
说明书中对“实施例(an embodiment)”、“一个实施例(one embodiment)”、“一些实施例(some embodiments)”、或“其他实施例(other embodiments)”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、构造或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。“实施例(an embodiment)”、“一个实施例(one embodiment)”或“一些实施例(someembodiments)”的多处出现不必全部指代相同的实施例。如果说明书陈述组件、特征、构造或特性“可以(may)”、“可能(might)”、或“可(could)”被包括，则此特定组件、特征、构造或特性不要求被包括。如果说明书或权利要求书提及“一(a)”或“一个(an)”要素，则那并非意味着仅存在一个要素。如果说明书或权利要求书提及“一个附加的(an additional)”要素，则那并不排除存在多于一个的附加要素。
此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式来组合特定特征、结构、功能、或特性。例如，第一实施例可以与第二实施例在任何地方进行组合，其中，与这两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥。
虽然已经结合其特定实施例描述了本公开，但是鉴于前述描述，这种实施例的许多替代方案、修改和变体对于本领域普通技术人员将是明显的。本公开的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的广泛范围内的所有这种替代方案、修改和变体。
另外，为了简化图示和讨论以及为了不使本公开模糊，在所呈现的图内可以或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其他组件的公知的电力/接地连接。此外，安排可以以框图的形式示出，以避免模糊本公开，并且还鉴于以下事实：关于完成这样的框图安排的实现方式的细节高度依赖于在其中实现本公开的平台(即，这样的细节应当完全在本领域技术人员的视界内)。特定细节(例如，电路)被阐述以便描述本公开的示例实施例，对本领域技术人员来说应当显而易见的是：本公开可以在无需这些具体细节或者采用这些具体细节的变化的情况下被实践。描述因此被视为是说明性的而非限制性的。
下面的示例涉及进一步的实施例。可在一个或多个实施例中的任何地方使用示例中的细节。还可以关于方法或过程实现本文中所描述的设备的所有可选特征。
例如，提供了一种机器可读存储介质，具有存储在其上的指令，所述指令在被执行时使一个或多个处理器执行包括以下各项的操作：在第一模式下分别在至少两个波束导向方向上朝向装置顺序地发射至少两个第一探测请求消息；以及响应于发射所述至少两个第一探测请求消息而从所述装置接收至少两个第一探测响应消息。在一些实施例中，所述机器可读存储介质具有存储在其上的另外的指令，所述指令在被执行时使所述一个或多个处理器执行包括以下各项的另外的操作：确定所述至少两个第一探测响应消息的飞行时间(TOF)；以及计算所述至少两个第一探测响应消息行进的距离。
在一些实施例中，所述机器可读存储介质具有存储在其上的另外的指令，所述指令在被执行时使所述一个或多个处理器执行包括以下各项的另外的操作：在第二模式期间，侦听来自所述装置的至少两个第二探测请求消息；以及计算从所述装置发射的所述至少两个第二探测请求消息中的每一个的信号强度。在一些实施例中，所述机器可读存储介质具有存储在其上的另外的指令，所述指令在被执行时使所述一个或多个处理器执行包括以下各项的另外的操作：根据所计算的信号强度和所计算的距离生成所述至少两个波束导向方向的信号强度、距离和角度的向量。
在一些实施例中，所述机器可读存储介质具有存储在其上的另外的指令，所述指令在被执行时使所述一个或多个处理器执行包括以下各项的另外的操作：从所述向量中丢弃与具有最长的所计算的距离的所述波束导向方向相关联的数据。在一些实施例中，所述机器可读存储介质具有存储在其上的另外的指令，所述指令在被执行时使所述一个或多个处理器执行包括以下各项的另外的操作：从所述向量中识别具有最强信号强度的角度；以及根据所识别的角度确定距所述装置的距离。在一些实施例中，所述机器可读存储介质具有存储在其上的另外的指令，所述指令在被执行时使所述一个或多个处理器执行包括以下各项的另外的操作：向终端装置提供所确定的距离。
在一些实施例中，所述至少两个第一探测响应消息和第二探测响应消息中的每一个包括：探测请求接收时间；以及探测响应发射时间。在一些实施例中，所述至少两个第一探测请求消息中的每一个包括对波束导向方向的编码。在一些实施例中，所述机器可读存储介质具有存储在其上的另外的指令，所述指令在被执行时使所述一个或多个处理器执行包括以下各项的另外的操作：在发射之前对所述至少两个第一探测请求消息进行编码。
在另一个示例中，提供了一种设备，所述设备包括：天线阵列，所述天线阵列能操作以在第一模式下在多个波束导向方向上向装置顺序地发射第一探测请求消息，其中，每个第一探测请求消息包括对来自所述多个波束导向方向的相应波束导向方向的编码；全向天线，所述全向天线用于在第二模式下侦听由所述装置发射的第二探测请求消息；接收器，所述接收器用于响应于顺序地发射所述至少两个第一探测请求消息而接收至少两个第一探测响应消息；以及逻辑，所述逻辑用于根据在所述至少两个第一探测响应消息以及所述第一探测请求消息和所述第二探测请求消息中的信息生成每个波束导向方向的信号强度、距离和角度的向量。
在一些实施例中，所述设备包括：编码器，所述编码器用于对所述波束导向方向进行编码。在一些实施例中，所述逻辑能操作以：确定所述至少两个第一探测响应消息的飞行时间(TOF)；以及计算所述至少两个第一探测响应消息行进的距离。在一些实施例中，所述设备包括：逻辑，所述逻辑用于改变到所述天线阵列的相位输入以改变所述波束导向方向。在一些实施例中，所述至少两个第一探测响应消息和第二探测响应消息中的每一个包括：探测请求接收时间；以及探测响应发射时间。在一些实施例中，所述第一探测响应消息和所述第二探测响应消息是遵从无线千兆比特联盟(WiGig)的消息。
在另一个示例中，提供了一种系统，所述系统包括：第一传感器；以及第二传感器，其中所述第二传感器包括：天线阵列，所述天线阵列能操作以在第一模式下在每个阵列方向上向装置顺序地发射第一探测请求消息，其中，所述第一探测请求消息中的每一个包括对相应阵列方向的编码；全向天线，所述全向天线用于在第二模式下侦听由所述装置发射的第二探测请求消息；接收器，所述接收器用于响应于顺序地发射所述至少两个第一探测请求消息而接收至少两个第一探测响应消息；以及逻辑，所述逻辑用于根据在所述至少两个第一探测响应消息以及所述第一探测请求消息和所述第二探测请求消息中的信息生成所述第二传感器与所述装置之间的信号强度、距离和角度的向量，其中，所述第一传感器的天线阵列和全向天线在与所述第二传感器的天线阵列和全向天线不同的频率信道中操作。
在一些实施例中，所述第一传感器包括：天线阵列，所述天线阵列能操作以在第一模式下在每个阵列方向上向另一个装置顺序地发射第一探测请求消息，其中，所述第一探测请求消息中的每一个包括对相应阵列方向的编码；以及全向天线，所述全向天线用于在第二模式下侦听由所述另一个装置发射的第二探测请求消息；接收器，所述接收器用于响应于顺序地发射所述至少两个第一探测请求消息而接收至少两个第一探测响应消息；以及逻辑，所述逻辑用于根据在所述至少两个第一探测响应消息以及所述第一探测请求消息和所述第二探测请求消息中的信息生成所述第一传感器与所述另一个装置之间的信号强度、距离和角度的所述向量。在一些实施例中，所述第一传感器和所述第二传感器被配置在单个可穿戴装置中。在一些实施例中，所述第一传感器和所述第二传感器使用无线千兆比特联盟(WiGig)技术进行操作。
在另一个示例中，提供了一种方法，所述方法包括：在第一模式下，分别在至少两个波束导向方向上朝向装置顺序地发射至少两个第一探测请求消息；以及响应于发射所述至少两个第一探测请求消息而从所述装置接收至少两个第一探测响应消息。在一些实施例中，所述方法包括：确定所述至少两个第一探测响应消息的飞行时间(TOF)；以及计算所述至少两个第一探测响应消息行进的距离。
在一些实施例中，所述方法包括：在第二模式期间侦听来自所述装置的至少两个第二探测请求消息；以及计算从所述装置发射的所述至少两个第二探测请求消息中的每一个的信号强度。在一些实施例中，所述方法包括：根据所计算的信号强度和所计算的距离生成所述至少两个波束导向方向的信号强度、距离和角度的向量。在一些实施例中，所述方法包括：从所述向量中丢弃与具有最长的所计算的距离的所述波束导向方向相关联的数据。在一些实施例中，所述方法包括：从所述向量中识别具有最强信号强度的角度；以及根据所识别的角度确定距所述装置的距离。
在一些实施例中，所述方法包括：向终端装置提供所确定的距离。在一些实施例中，所述至少两个第一探测响应消息和第二探测响应消息中的每一个包括：探测请求接收时间；以及探测响应发射时间。在一些实施例中，所述至少两个第一探测请求消息中的每一个包括对波束导向方向的编码。在一些实施例中，所述方法包括：在发射之前对所述至少两个第一探测请求消息进行编码。
在另一个示例中，提供了一种设备，所述设备包括：用于在第一模式下分别在至少两个波束导向方向上朝向装置顺序地发射至少两个第一探测请求消息的装置；以及用于响应于发射所述至少两个第一探测请求消息而从所述装置接收至少两个第一探测响应消息的装置。在一些实施例中，所述设备包括：用于确定所述至少两个第一探测响应消息的飞行时间(TOF)的装置；以及用于计算所述至少两个第一探测响应消息行进的距离的装置。
在一些实施例中，所述设备包括：用于在第二模式期间侦听来自所述装置的至少两个第二探测请求消息的装置；以及用于计算从所述装置发射的所述至少两个第二探测请求消息中的每一个的信号强度的装置。在一些实施例中，所述设备包括：用于根据所计算的信号强度和所计算的距离生成所述至少两个波束导向方向的信号强度、距离和角度的向量的装置。
在一些实施例中，所述设备包括：用于从所述向量中丢弃与具有最长的所计算的距离的所述波束导向方向相关联的数据的装置。在一些实施例中，所述设备包括：用于从所述向量中识别具有最强信号强度的角度的装置；以及用于根据所识别的角度确定距所述装置的距离的装置。在一些实施例中，所述设备包括：用于向终端装置提供所确定的距离装置。在一些实施例中，所述至少两个第一探测响应消息和第二探测响应消息中的每一个包括：探测请求接收时间；以及探测响应发射时间。
在一些实施例中，所述至少两个第一探测请求消息中的每一个包括对波束导向方向的编码。在一些实施例中，所述设备包括：用于在发射之前对所述至少两个第一探测请求消息进行编码的装置。
提供了将允许读者确定本技术性公开的本质和主旨的摘要。基于本摘要将不被用于限制权利要求书的范围或者含义的理解来提交本摘要。据此将以下权利要求结合到具体实施方式中，其中每一项权利要求独立地代表单独的实施例。

Claims (25)

1.一种方法，包括：
在第一模式下，分别在至少两个波束导向方向上朝向装置顺序地发射至少两个第一探测请求消息；以及
响应于发射所述至少两个第一探测请求消息而从所述装置接收至少两个第一探测响应消息。
2.如权利要求1所述的方法，包括：
确定所述至少两个第一探测响应消息的飞行时间(TOF)；以及
计算所述至少两个第一探测响应消息行进的距离。
3.如权利要求2所述的方法，包括：
在第二模式期间，侦听来自所述装置的至少两个第二探测请求消息；以及
计算从所述装置发射的所述至少两个第二探测请求消息中的每一个的信号强度。
4.如权利要求3所述的方法，包括：
根据所计算的信号强度和所计算的距离生成所述至少两个波束导向方向的信号强度、距离和角度的向量。
5.如权利要求4所述的方法，包括：
从所述向量中丢弃与具有最长的所计算的距离的波束导向方向相关联的数据。
6.如权利要求5所述的方法，包括：
从所述向量中识别具有最强信号强度的角度；以及
根据所识别的角度确定距所述装置的距离。
7.如权利要求6所述的方法，包括：
向终端装置提供所确定的距离。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个第一探测响应消息和第二探测响应消息中的每一个包括：
探测请求接收时间；以及
探测响应发射时间。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个第一探测请求消息中的每一个包括对波束导向方向的编码。
10.如权利要求1所述的方法，包括：
在发射之前对所述至少两个第一探测请求消息进行编码。
11.一种设备，包括：
天线阵列，所述天线阵列能操作以在第一模式下在多个波束导向方向上向装置顺序地发射第一探测请求消息，其中，每个第一探测请求消息包括对来自所述多个波束导向方向的相应波束导向方向的编码，
全向天线，所述全向天线用于在第二模式下侦听由所述装置发射的第二探测请求消息；
接收器，所述接收器用于响应于顺序地发射所述至少两个第一探测请求消息而接收至少两个第一探测响应消息；以及
用于根据在所述至少两个第一探测响应消息以及所述第一探测请求消息和所述第二探测请求消息中的信息生成每个波束导向方向的信号强度、距离和角度的向量的逻辑。
12.如权利要求11所述的设备，包括编码器，所述编码器用于对所述波束导向方向进行编码。
13.如权利要求11所述的设备，其中，所述逻辑能操作以：
确定所述至少两个第一探测响应消息的飞行时间(TOF)；以及
计算所述至少两个第一探测响应消息行进的距离。
14.如权利要求11所述的设备，包括用于改变到所述天线阵列的相位输入以改变所述波束导向方向的逻辑。
15.如权利要求11所述的设备，其中，所述至少两个第一探测响应消息和第二探测响应消息中的每一个包括：
探测请求接收时间；以及
探测响应发射时间。
16.如权利要求11所述的设备，其中，所述第一探测响应消息和所述第二探测响应消息是遵从无线千兆比特联盟(WiGig)的消息。
17.一种系统，包括：
第一传感器；以及
第二传感器，其中，所述第二传感器包括：
天线阵列，所述天线阵列能操作以在第一模式下在每个阵列方向上向装置顺序地发射第一探测请求消息，其中，所述第一探测请求消息中的每一个包括对相应阵列方向的编码，
全向天线，所述全向天线用于在第二模式下侦听由所述装置发射的第二探测请求消息；
接收器，所述接收器用于响应于顺序地发射所述至少两个第一探测请求消息而接收至少两个第一探测响应消息；以及
用于根据在所述至少两个第一探测响应消息以及所述第一探测请求消息和所述第二探测请求消息中的信息生成所述第二传感器与所述装置之间的信号强度、距离和角度的向量的逻辑，
其中，所述第一传感器的天线阵列和全向天线在与所述第二传感器的天线阵列和全向天线不同的频率信道中操作。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述第一传感器包括：
天线阵列，所述天线阵列能操作以在第一模式下在每个阵列方向上向另一个装置顺序地发射第一探测请求消息，其中，所述第一探测请求消息中的每一个包括对相应阵列方向的编码，以及
全向天线，所述全向天线用于在第二模式下侦听由所述另一个装置发射的第二探测请求消息；
接收器，所述接收器用于响应于顺序地发射所述至少两个第一探测请求消息而接收至少两个第一探测响应消息；以及
用于根据在所述至少两个第一探测响应消息以及所述第一探测请求消息和所述第二探测请求消息中的信息生成所述第一传感器与所述另一个装置之间的信号强度、距离和角度的所述向量的逻辑，
19.如权利要求17所述的系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器被配置在单个可穿戴装置中。
20.如权利要求17所述的系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器使用无线千兆比特联盟(WiGig)技术进行操作。
21.一种机器可读存储介质，具有存储在其上的指令，所述指令在被执行时使一个或多个处理器执行根据方法权利要求1至10中任一项所述的操作。
22.一种设备，包括：
用于在第一模式下分别在至少两个波束导向方向上朝向装置顺序地发射至少两个第一探测请求消息的装置；以及
用于响应于发射所述至少两个第一探测请求消息而从所述装置接收至少两个第一探测响应消息的装置。
23.如权利要求22所述的设备，包括：
用于确定所述至少两个第一探测响应消息的飞行时间(TOF)的装置；以及
用于计算所述至少两个第一探测响应消息行进的距离的装置。
24.如权利要求23所述的设备，包括：
用于在第二模式期间侦听来自所述装置的至少两个第二探测请求消息的装置；以及
用于计算从所述装置发射的所述至少两个第二探测请求消息中的每一个的信号强度的装置。
25.如权利要求24所述的设备，包括：
用于根据所计算的信号强度和所计算的距离生成所述至少两个波束导向方向的信号强度、距离和角度的向量的装置。
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