CN108449953A - 用于登记装置位置的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用室内空间的楼层平面图登记装置的位置的方法利用从至少三个接入点(AP)接收到的WiFi信号的强度，确定所述楼层平面图的指定该装置的粗略位置的部分。每个AP的位置利用所述楼层平面图登记。所述方法利用至少一个声学信号的飞行时间来确定该装置与利用楼层平面图登记的至少一个物体之间的至少一个距离，并且按照相对于该物体的距离在楼层平面图的所述部分内登记该装置的位置。

Description

用于登记装置位置的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及室内定位，并且更具体地，涉及利用接收信号强度(RSS)测量增强对装置进行无监督定位。
背景技术
诸如无线局域网(WLAN)的无线网络被广泛使用。在诸如WLAN的无线通信网络中定位无线电装置使能实现新的和增强的特征，诸如基于位置的服务和位置感知管理。基于位置的服务例如包括定位或跟踪无线装置、将装置(例如，最近的打印机)指派给WLAN的无线站以及基于无线装置的位置来控制无线装置。
利用基于卫星的全球定位系统(GPS)进行准确的室内定位是难以实现的，因为当信号传播通过障碍物(诸如屋顶、地板、墙壁及家具)时，GPS信号衰减。因此，信号强度对于室内环境下的定位来说太低。
同时，嵌入不同装置(诸如计算机、智能电话、立体声系统及电视机)内的WiFi射频(RF)芯片组的巨大增长提示需要基于或借力现有WiFi信号(即，基于电气和电子工程师(IEEE)802.11标准的任何信号)针对配备有WiFi的装置的室内定位方法。例如，WiFi技术允许电子装置主要利用2.4千兆赫(12cm波长)UHF和5.8千兆赫(5.1cm波长)SHF无线电频带来连网。
室内定位的一些方法使用信号强度测量，并假定接收信号功率是距离的可逆函数，因此对接收功率的获知意味着到信号发送器的距离。其它方法尝试进一步使用WiFi装置的大规模部署以及机器学习的进步，并提出指纹识别以及自我定位和映射。
然而，单独依靠常规Wi-Fi芯片组进行室内定位的方法使用从Wi-Fi芯片组获取的所测量的接收信号强度(RSS)水平。那些方法需要训练，所述训练包括在室内环境中离线地测量RSS水平。然后在在线使用期间将测量结果提供给定位方法。
与训练相关联的一个限制是离线测量结果通常不可靠。这是因为环境中的RSS水平会随着时间的推移而动态变化，例如，由于居住人数、装修及AP位置的变化。这意味着只要环境发生变化就需要重复进行训练。为此，即使在执行了训练之后，基于RSS水平确定的WiFi装置的位置对于一些应用来说也是不准确的。
因此，希望以无监督的方式执行基于RSS的定位，即，不需要训练，以实现具有目标准确度的装置定位。
发明内容
本发明一些实施方式的目的是提供一种适于确定位于室内空间内的、配备有WiFi的装置的位置的系统和方法。一些实施方式的另一目的是以目标准确度(例如，误差容限小于2米)确定这种装置在室内空间的楼层平面图上的位置。
本发明一些实施方式基于这样的认识，即，使用从不同WiFi收发器接收到的WiFi信号的强度的定位方法不准确并且仅可以提供装置的大致准确位置。然而，如果WiFi收发器的位置利用室内空间的楼层平面图进行登记，那么这些定位方法可以被用于估计装置相对于楼层平面图的全局位置，但准确度低于目标准确度。
本发明一些实施方式基于这样的理解，即，利用WiFi信号强度定位的不准确性的原因至少部分在于，即使产生小的到达时间估计误差，WiFi信号的传播速度也会导致大的位置/范围误差。
因此，一些实施方式基于这样的认识，即，使用比WiFi信号慢的传播信号的定位方法可以被用于以目标准确度来估计装置的位置。例如，可以使用声学信号的飞行时间来准确估计两个物体之间的距离。
然而，由于目前技术水平，利用声学信号确定装置在楼层平面图上的全局位置并不总是可行的。为此，一些实施方式基于这样的认识，即，装置与利用楼层平面图登记的至少一个物体之间的准确距离可以用于注释利用WiFi信号的强度确定的装置的粗略全局位置，以按目标准确度将该装置的位置登记在楼层平面图上。
因此，本发明的一个实施方式公开了一种在室内空间的楼层平面图上登记装置的位置的方法。该方法包括：利用从至少三个接入点(AP)接收到的WiFi信号的强度，确定所述楼层平面图的指定所述装置的粗略位置的部分，其中，在所述楼层平面图登记每个AP的位置；
利用至少一个声学信号的飞行时间，确定所述装置与在所述楼层平面图登记的至少一个物体之间的至少一个距离；以及按相对于所述物体的距离，在所述楼层平面图的所述部分内登记所述装置的位置。所述方法的至少一些步骤利用处理器执行。
本发明的另一实施方式公开了一种装置，该装置包括：WiFi收发器，该WiFi收发器用于发送和接收WiFi信号，并且用于确定从至少三个接入点(AP)接收到的至少三个WiFi信号的强度，其中，在楼层平面图登记每个AP的位置；声学收发器，该声学收发器用于发送和接收声学信号，所述声学收发器利用至声学信号的飞行时间来确定所述装置与在所述楼层平面图登记的至少一个物体之间的至少一个距离；以及处理器，该处理器用于利用从所述楼层平面图登记的所述AP接收到的所接收的WiFi信号的强度来确定所述楼层平面图的指定所述装置的粗略位置的部分，并且用于按相对于所述物体的距离在所述楼层平面图的所述部分内登记所述装置的位置。
附图说明
图1A是例示由本发明的一些实施方式采用的增强定位的一些原理的示意图。
图1B是根据本发明一些实施方式的利用接收信号强度(RSS)测量结果进行粗略定位的示意图。
图1C是根据本发明一个实施方式的利用RSS水平来确定装置位置的方法的示意图。
图1D是根据本发明一个实施方式的由装置发送的声学信号以注释粗略定位的示意图。
图1E是根据本发明一个实施方式的、在室内空间的楼层平面图登记装置位置的方法的框图。
图1F是根据本发明一个实施方式的、确定从多个物体到装置的多个距离并利用所述多个距离登记该装置的位置的示例性方法的框图。
图2是根据本发明的一些实施方式的装置的框图。
图3A是包括区域元素网格的图形覆盖的用户界面的示例。
图3B是包括表示封闭环境的建筑结构的图形覆盖的用户界面的另一示例。
图4是根据本发明一个实施方式的用于主动测距的装置的结构的示意图。
图5A是根据本发明一个实施方式的、在主动测距期间交换的信号的示意图。
图5B是根据一个实施方式的、由装置执行的利用主动测距来确定距离的方法的框图。
图6是根据本发明一些实施方式的、执行被动测距的装置的结构的示意图。
图7是根据本发明一个实施方式的、用于利用被动测距确定距离的方法的框图。
图8是根据本发明一个实施方式的搜索声学信号反射的距离和抵达角两者以确定的示意图。
图9是根据本发明一些实施方式的、在楼层平面图登记物体的方法的框图。
图10是根据一个实施方式的、表示物体的不同点相对于装置的位置的示例性数据集。
具体实施方式
图1A示出了例示由本发明的一些实施方式采用的增强定位的一些原理的示意图。一些实施方式利用从WiFi收发器接收到的WiFi信号的强度来确定装置的粗略位置102。WiFi收发器的位置被登记在室内空间的楼层平面图101中。因此，粗略位置102是登记至楼层平面图的位置。然而，因为粗略位置不准确，所以位置102限定了楼层平面图的一部分而不是精确位置。例如，根据楼层平面图101，室内空间包括依次编号为1、2、3、4、5、6、7、8及9的九个房间。粗略位置102可以指示装置位于楼层平面图101上的房间2中，但未能指定装置精确地位于房间2中的哪个位置。
因此，一些实施方式使用声学信号来确定具有目标准确度的装置位置。例如，一些实施方式可以基于相对于房间墙壁的距离104和106来确定装置的准确位置103。该位置是准确的，但在房间本地，即，位置103仅在房间中登记，而该房间在楼层平面图上的位置可以是未知的。因此，本发明一些实施方式通过组合105全局位置102与本地位置103来以声学定位增强WiFi定位，以按目标准确度确定装置在楼层平面图上的位置。
图1B示出了根据本发明一些实施方式的利用接收信号强度(RSS)测量结果进行粗略定位的示意图。该实施方式利用接入点(AP)110来确定装置120在封闭环境100中的位置。在各个实施方式中，装置120和AP 110包括WiFi收发器。该封闭环境例如可以是家庭、建筑物、地下空间、甚至城市峡谷等的具有多个障碍物(如墙壁140、家具等)的内部。该装置例如可以是移动机器人、智能电话、便携式计算机，以及智能电话。在一个实施方式中，该装置沿未知路径150移动。在确定装置位置之后，可以根据该装置的当前位置来控制该装置，和/或使用该装置控制其它装置。
本发明一些实施方式通过测量由布置在封闭环境中的一组接入点(AP)发送的信号的接收信号强度(RSS)水平来执行装置的粗略定位。例如，一个实施方式使用针对RSS水平的路径损耗模型。对数距离路径损耗模型是无线电传播模型，其预测信号在封闭环境中遇到的路径损耗作为距离的函数。根据该模型，由特定AP发送的接收参照信号的RSS水平取决于到AP的距离和相关联的路径损耗指数(path loss exponent)。路径损耗指数例如可以基于封闭环境100的类型来定义。另外或另选地，一些实施方式使用由RSS水平定义的三边测量相交圆和/或最小二乘法来确定粗略位置。
图1C以图形方式示出了根据本发明一个实施方式的、利用由AP 110发送的参照信号的RSS水平121来确定装置120的位置的方法。参照信号可以连续地、周期性地或响应于装置的定位请求而发送。装置位于与封闭环境相关联的任意坐标系160中的未知位置x122处。坐标系可以是二维或三维的。
第j个AP 110在该坐标系中的位置表示为rj113，其中，j＝1，...，N。APj由在相距该AP的径向距离d0111处的、具有准确度115的参照接收信号强度(RSS)水平112表征。位置rj和在相对于AP的距离d0处的参照RSS水平已知。接入点相对于与封闭区域相关联的坐标系的位置是已知的三维矢量r1，r2，...，rM。根据从接入点发送的参照信号的所测量的接收信号强度(RSS)水平来估计未知位置。在某一位置xn，所测量的RSS水平是z1(n)，z2(n)，...，zM(n)。这些测量结果被收集到列矢量z(n)中，其中，n＝1，2，...为沿着某一经过路径的定位请求建索引。
利用路径损耗模型为位置xn处的RSS水平zm(n)建模，给出为：
其中，是在相对于处于位置rm处的接入点的距离d0的参照RSS水平，hm(n)是对应的路径损耗指数，并且vm(n)是零均值白高斯测量噪声。可以使用相对于多个(例如，三个)AP的多个距离111来确定该装置的粗略位置。基于RSS的位置估计通常是粗略的，例如，由于路径损失模型不准确。这些不准确性源于RF能量的材料吸收，以及难以建模的多路径干扰，因为多路径干扰是环境特定的。
图1D示出了根据本发明一个实施方式的、由AP 110和/或装置120发送的声学信号130以注释粗略定位的示意图。在该实施方式中，该声学信号是可以用于定位目的的啁啾信号。例如，一些实现使用线性啁啾声，线性啁啾声是频率随时间增加(上啁啾(up-chirp))或下降(下啁啾(down-chirp))的声学信号。这些信号在雷达和声纳应用中很常见。然而，一般来说，任何声学波形都适用于当在链路两端的声学波形已知时确定发送器与接收器之间的距离的用途。
例如，如果AP和装置可以访问公共定时源(时钟)，可以利用由声学收发器的扬声器所接收的声学信号与所发送声学信号的模板的相关性来发现声学信号的飞行时间。然后，该相关性的峰值是由在距离d＝τ/c上传播声学信号所引起的延迟测量τ，其中，d是距离，而c是声音的速度。
例如，瞬时频率f(t)是时间的线性函数
f(t)＝f0+kt，
其中，f0是信号的初始频率，而常数k取决于最终频率f1和信号持续时间T，k可以表达为
一些实施方式使用所发送的声学信号的以下定义：
其中，φ0是任意相位，并且最后一个表达式通过用其定义替换k来获取。信号s(t)在持续时间T秒钟内从f0至f1扫描其瞬时频率。例如，对于f1＝10kHz的情况，f0＝100Hz并且持续时间T＝0.01秒。在这种情况下，因f1＞f0而取正值，并且信号s(t)因瞬时频率随着时间的增加而增加而被称为“上啁啾”。本发明一些实施方式使用主动测距或被动测距来确定物体(例如，AP 110与装置120)之间的范围或距离。
图1E示出了根据本发明一个实施方式的、在室内空间的楼层平面图登记装置位置的方法的框图。该方法的步骤可以至少部分地由处理器199来执行。该方法利用从至少三个接入点(AP)172接收到的WiFi信号的强度171来确定170楼层平面图中指定装置的粗略位置的部分175，其中，在楼层平面图172登记174每个AP的位置。该方法还利用至少一个声学信号的飞行时间来确定180装置与在楼层平面图登记的至少一个物体195之间的至少一个距离185。
在一个实施方式中，物体195是用于确定粗略位置的AP 172中的一个。在该实施方式中，物体195的位置已知。在另选实施方式中，物体195是室内空间的一部分，例如，房间的墙壁。该实施方式可以主动向楼层平面图登记物体的位置。例如，该实施方式将物体195的形状与楼层平面图175的所述部分中的部件的形状进行匹配191，以向楼层平面图登记该物体。在知道距所登记的物体的距离185和楼层平面图175的所述部分的情况下，该实施方式按相对于该物体的所述距离，在该楼层平面图的所述部分内登记该装置的位置192。
在一些实施方式中，距离185可以限定楼层平面图175的所述部分内的多个位置。在一个实施方式中，多个位置之间的变化在定位的目标准确度内。该实施方式可以选择所述多个位置中的任何位置作为位置192。另外或另选的是，该实施方式可以选择位置192作为所述多个位置的函数，例如，平均函数。
在不同实施方式中，针对不同物体195执行距离185的多个确定。例如，可以使用两个或更多个AP和/或两个或更多个墙壁来确定到装置的两个或更多个距离，并且例如利用三角测量来更准确地确定位置192。
图1F示出了根据本发明一个实施方式的、确定180从多个物体到装置的多个距离并利用所述多个距离登记190该装置的位置的示例性方法的框图。该方法确定196该装置与位于在楼层平面图登记的第一位置处的第一物体之间的第一距离，并且确定197该装置与位于在楼层平面图登记的第二位置处的第二物体之间的第二距离。另外，该方法通过以下步骤来登记装置的位置：在楼层平面图的所述部分内，确定以所述第一位置为中心的第一半径的第一圆与以所述第二位置为中心的第二半径的第二圆相交的位置，并且在该相交位置处登记194该装置的位置。
图2示出了根据本发明一些实施方式的装置200的框图。装置200可以采用本发明不同实施方式的、确定和/或跟踪其位置和/或根据位置执行各种控制功能的原理。
装置200包括WiFi收发器205，WiFi收发器205被配置成确定在当前位置处接收到的信号的强度水平，其中，所述信号由布置在环境中的一组接入点(AP)发送。例如，该装置可以包括无线电部分201，该无线电部分201具有联接至包括模拟RF部分和/或数字调制解调器的无线电收发器205的一个或更多个天线203。该无线电部分因此实现物理层(PHY)。PHY 201的数字调制解调器联接至实现站的MAC处理的介质接入控制(MAC)处理器207。MAC处理器207经由一个或更多个总线(象征性地示出为单个总线子系统211)连接至主处理器213。主处理器包括存储器子系统215，例如，连接至总线的随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)。
装置200还可以包括被配置成发送和接收声学信号的声学收发器221。声学收发器利用至声学信号的飞行时间，确定该装置与在楼层平面图登记的至少一个物体之间的至少一个距离。为此，声学收发器221可以包括扬声器和麦克风中的一个或多个。在一些实施方式中，声学信号是人耳可听到的信号，即，具有小于20千赫兹的频率。在另选实施方式中，声学信号是任何其它声波，甚至是超过20千赫兹的超声频带中的那些声波。
在一个实施方式中，MAC处理(例如，IEEE 802.11MAC协议)完全在MAC处理器207处实施。处理器207包括存储器209，存储器209存储供MAC处理器207执行MAC处理的指令，并且在一个实施方式中，存储本发明所使用的一些或全部附加处理。存储器通常是ROM但不一定如此，并且软件通常采用固件形式。
MAC处理器由诸如主处理器213的处理器来控制。在一个实施方式中，一些MAC处理在MAC处理器207处实现，而一些在主机处实现。在这种情况下，供主机213实现主机实现的MAC处理的指令被存储在存储器215中。在一个实施方式中，本发明所使用的一些或全部附加处理也由主机来实现。这些指令被示出为存储器的一部分217。
处理器可以利用从在楼层平面图登记的AP接收到的接收WiFi信号的强度来确定楼层平面图中指定该装置的粗略位置的部分，并且按距该物体的距离在楼层平面图的所述部分内登记该装置的位置。楼层平面图可以存储219在存储器215中。
无线电管理组件包括受管理的AP及其客户端的无线电测量。一个实施方式使用通过增加发送功率控制(TPC)和动态频率选择(DFS)来修改MAC协议的IEEE 802.11h标准。TPC将发送功率限制成到达最远用户所需的最小值。DFS在AP处选择无线电信道以最小化对其它系统(例如，雷达)的干扰。
另一实施方式使用与当前802.11标准不同的协议，其通过在AP处提供任务并依次在客户端处根据计划自主地进行无线电测量。在一个实施方式中，对于每个检测到的AP，报告的信息包括关于所述检测的信息以及关于或从信标/探测响应的内容获取的信息。
虽然IEEE 802.11标准规定在物理层(PHY)将确定相对RSS指示(RSSI)，但本发明一个方面使用这样的事实，即，许多现代无线电装置包括提供相对准确的绝对RSS测量的PHY。在一个实施方式中，在PHY处测量到的RSS水平被用于确定位置。
本发明的一些实施方式使用装置200被定位的室内环境的模型，例如，建筑物的楼层平面图。任何被管理的AP在整个区域中的位置也是已知的，并且被提供给该方法。例如，本发明的一个实施方式构造或使用包括关注区域中的已知接入点的位置的用户界面。
图3A示出了包括区域元素网格的图形覆盖303的一个用户界面300。用户界面300包括指示三个受管理AP的位置的图形表示，如AP1(305)、AP2(307)以及AP3(309)所示。
图3B示出了另一用户界面350，用户界面350除网格的图形覆盖303和指示受管理AP 305、AP 307及AP 309的位置的表示之外，还包括表示建筑结构的图形覆盖311，举例来说，如内部的建筑平面图，例如建筑物的楼层平面图。另一用户界面(未例示)可以显示楼层架构的图形表示，但没有网格。因此，一个实施方式使得可以在二维屏幕上查看AP的位置。
利用主动测距增强定位的示例
本发明一些实施方式使用声学信号的主动测距来增强利用WiFi信号的强度确定的粗略定位。根据主动测距的原理，两个物体之间的距离经由交换由两个装置发送的声学信号来确定。例如，在一个实施方式中，在装置120与用于确定粗略位置的一个或多个AP110之间执行主动测距。
图4示出了根据本发明一个实施方式的用于主动测距的AP和/或装置的结构410的示意图。该结构包括处理器401，处理器401负责执行关于声学信号的相关以及与声学信号的生成和发送有关的其它信号处理操作。处理器连接至麦克风402，麦克风402提供对由麦克风传感器检测到的声音的数字化版本(例如，通过D/A转换器403)的使用。另外，处理器可以驱动扬声器404发送声学信号。处理器可以使用WiFi无线电装置406，WiFi无线电装置406可以用于经由在无线信道上发送的消息来提供在测距协议中使用的数据和时间戳。
本发明一些实施方式使用双向到达时间(TW-TOA)测距方法，该方法使用声学信号来估计信号的飞行时间s(t)，因为信号穿过测距装置的源与目的地之间的距离。
图5A示出了根据本发明一个实施方式的、在两个装置(例如，装置A 510和装置B520)之间的主动测距期间交换的信号的示意图。每个装置都具有图4所示的硬件和处理能力。其中一个装置(例如，装置510)通过从其扬声器发送512声学信号s(t)来发起TW-TOA测量。装置510同时启动514本地计时器以测量直到装置510接收到来自装置520的响应为止的持续时间。这时，装置510停止516计时器。
在一个实施方式中，装置510在通过装置的麦克风检测到第一声学信号时确定514起始时间，并且在通过装置的麦克风检测第二声学信号时确定516结束时间。这种确定可以通过允许装置510的麦克风在扬声器同时发送声学信号的同时接收信号来完成。因此，装置510可以通过与发送信号s(t)相关来处理从其麦克风接收到的任何信号。
例如，装置510在装置检测到音频峰值时启动其计时器。例如，当来自麦克风和A/D转换器的信号由序列yn表示时，处理器401可以根据下式来计算与s(t)的数字版本的互相关sn：
其中，rn表示相关器输出，并且N可以被设定成足够大的值以确保在接收信号yn的希望响应的一部分上计算相关性。相关器输出因此包含有关信号s(t)的到达的信息。
当接收到来自装置510的声学信号时，装置520向装置510发送回524s(t)的本地生成的版本。另外，装置520启动522其自己的本地计时器，该计时器的用途是提供对来自装置510的信号的到达与其响应的发送之间的延迟的测量。类似于装置510，装置520可以偷听到其自己的传输并且可以停止其本地计时器来测量该延迟。该延迟也被发送至装置510，例如，经由WiFi信道。
装置510在检测到来自装置520的返回声学信号时停止其计时器。因此，装置510确定由双向往返时间造成的计时器中的值以及装置520对其响应引起的任何延迟。主动测距时间tA可以表达为
tA＝2*τf+τdelay，
其中，τf是信号s(t)在空中的实际飞行时间，而τdelay是装置520检测信号到达、生成其响应并将响应发送回装置510所花费的时间。因此，装置510可以根据下式来确定装置510与装置520之间的距离dAB：
其中，cs是声学信号的传播速度。
图5B示出了根据一个实施方式的、由装置执行的用于利用主动测距来确定距离的方法的框图。该实施方式在起始时间从装置的扬声器发送530第一声学信号，并且在结束时间通过装置的麦克风接收540第二声学信号。响应于接收到第一声学信号，物体发送第二声学信号。该实施方式还经由装置的WiFi收发器接收550指定在物体处接收第一声学信号与通过该物体发送第二声学信号之间的时间延迟的延迟时段，并且将声学信号的所述飞行时间确定560为起始时间与结束时间之间的时间减去延迟时段。
利用被动测距增强定位的示例
本发明一些实施方式基于这样的认识，即，不总是可能依赖于需要多个装置的协同处理的主动测距。因此，本发明的一些实施方式使用通过发送声学信号并检测从发送装置附近的墙壁和其它结构返回的回波而实现的被动测距。在这种情况下，声学信号的使用提供了用于提高装置定位准确度的墙壁、门道以及走廊的位置。然而，因为通常只有单一装置(发送器和接收器并置在一起)，所以利用单个(全向)麦克风很难获取准确的反射器位置。因此，一些实施方式使用多个麦克风来使能实现对反射物体的距离和角度两者的测量。
图6示出了根据本发明一些实施方式的、执行被动测距的装置的结构610的示意图。该结构包括处理器601，处理器601负责执行关于声学信号的相关以及与声学信号的生成和发送有关的其它信号处理操作。处理器可以驱动扬声器404发送声学信号并且可以使用WiFi无线电装置406。处理器连接至麦克风602和612，麦克风602和612提供对由麦克风传感器检测到的声音的数字化版本(例如，通过D/A转换器603/613)的使用。这两个麦克风之间的距离dm 620是已知的。
除了增加多个接收器链(麦克风和A/D转换器)之外，增强的WiFi装置的其它结构610与结构410相似。虽然其它实施方式使用超过两个麦克风的阵列，但一个实施方式可以只用两个麦克风来确定声波的入射角的合理准确度。具体而言，可以预期3度-10度的误差。
图7示出了根据本发明一个实施方式的、利用被动测距确定距离的方法的框图。该方法在起始时间从装置的扬声器发送710声学信号。该方法通过装置的第一麦克风在第一时间接收720来自物体的声学信号的第一反射，并且通过装置的第二麦克风在第二时间接收730来自物体的声学信号的第二反射。
该方法利用声学信号的第一反射在起始时间与第一结束时间之间的飞行时间来确定740到该物体的第一距离，并且还利用声学信号的第二反射在起始时间与第二结束时间之间的飞行时间来确定到该物体的第二距离。接下来，该方法利用第一距离、第二距离以及第一麦克风与第二麦克风之间的距离，来确定该装置与物体之间的距离以及从该装置到该物体的方向角。
例如，该发送710的信号s(t)从一些物体反射，然后被两个麦克风接收到720和730。第i个麦克风(i＝1,2)处的接收信号由下式给出
其中，di是从反射物体到第i个麦克风的距离，而c又是声音的传播速度。每个麦克风阵列部件处的延迟是距离相关的。由于麦克风部件之间的间距，每个延迟不同，导致接收信号yi(t)之间的相移。
一般而言，由于环境中的每个墙壁和物体都将一些声波能量反射回到麦克风阵列的，因此可能会收到许多回声。为此，一个实施方式将每个麦克风处的接收信号表达为如下的许多回波叠加：
其中，变量n指示回波。值得注意的是，回波dn行进的距离是相对于阵列中心的距离与每个麦克风的回波到达角两者的函数。
图8示出了根据本发明一个实施方式搜索在麦克风处接收到的每个回波的距离和抵达角两者以确定的示意图。图8示出了每个物体可以位于极坐标网格中的区域800，其中，网格的中心点810位于线性麦克风阵列中心处，例如，位于两个麦克风602和612之间，相距中心dm/2米的距离，0度角和π弧度(＝180度)处。网格按以步长为Δr的距离和步长为Δθ的角度两者离散化。网格的每个位置都可以用一对值(r，θ)(对应于相距中心的距离和相距阵列轴的角度)来描述。
当声学信号的反射源于网格上的位置时，各个麦克风根据(r，θ)值以稍微不同的时间检测反射。反射之间的相位差仅取决于不同的路径长度。因此，针对位于网格位置(r，θ)处的反射物体，从阵列中心行进至麦克风602的总路径为
类似地，从阵列中心行进至麦克风612的总路径为
因此，各个麦克风之间的相位差与路径差异成比例
其中，dm是麦克风之间的间隔距离。
利用相位差与角偏移之间的这种依赖关系，一些实施方式在网格800上定位多个反射物体。例如，一个实施方式首先找到导致与天线振子处的实际接收信号具有最高相关性的(合成)输入信号的延迟和角度。这个延迟和角度然后被解释为最强多路径分量的延迟和角度。然后，从接收信号中减去这种多路径分量的贡献，并且通过找到具有修改(“清除”)的信号的相关峰来重复该过程。重复该过程直到残余信号满足某些标准，如具有低于某个阈值的能量。如果声学信号具有非常大的相对带宽(例如，10Hz至10KHz)，则该实施方式不仅可以实现延迟域中的高分辨率，而且即使麦克风和/或扬声器的数量非常小(例如，两个)时也在角域中实现高分辨率。
本发明一些实施方式接收从物体表面上的不同点反射的声学信号的多个反射。处理反射的结果产生一组反射物体位置和角度(r，θ)。这些数据可以聚类在一起并用于确定大结构的位置，诸如墙壁、桌子、书桌。聚类(clustering)可以是实现的k-means群集或SVM(支持向量机)方法，以分类哪些数据点子集来自同一个物体。数据集(r，θ)可以被分区成反映物体形状的聚类。
图9示出了根据本发明一些实施方式的、在楼层平面图登记物体的方法的框图。该方法接收910从物体的表面上的不同点反射的声学信号的多个反射，并且确定920该物体的所述不同点相对于该装置的位置。该方法聚类930这些位置以确定物体的形状，并且将该物体的形状与楼层平面图的所述部分中的元素的形状进行匹配940，以向该楼层平面图登记该物体。
例如，可以经由回归法来确定诸如墙的物体的位置。可以根据各种标准从分区数据中识别该物体。一个这样的标准是指派给聚类的数据点的比例。例如，如果原始数据集的大小是则如果比率大于某个阈值，其中，是第i个聚类的尺寸，则对应于聚类的数据子集可以被认为属于一个大物体。
图10示出了根据一个实施方式的、表示物体的不同点相对于装置的位置的示例性数据集。在这个示例中，装置位于一房间内，距离右侧(东侧)墙壁3米，并且距离顶部(北侧)墙壁3.5米。该数据可以被聚类成两个子集1010和1020。在将该数据聚类并且物体被识别之后，可以对每个聚类执行回归以确定最佳拟合该数据子集的线。
本发明的上述实施方式可以按许多方式中的任一种来实现。例如，这些实施方式可以利用硬件、软件或其组合来实现。当按软件来实现时，软件代码可以在任何合适处理器或处理器集合上执行，而不管处理器设置在单一计算机中还是分布在多个计算机当中。这种处理器可以被实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多个处理器。然而，处理器可以利用采用任何合适格式的电路来实现。
而且，本发明的实施方式可以被具体实施为已提供了示例的方法。作为该方法的一部分执行的动作可以按任何合适方式来安排。因此，即使在例示性实施方式中被示出为顺序动作，也可以构造为与所例示相比不同的次序来执行动作的实施方式，其可以包括同时执行一些动作。
在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”的普通术语来修改权利要求部件本身不暗示一个权利要求部件的任何优先级、优先权，或次序超过执行方法的动作的另一或时间次序，而是仅仅被用作用于区分具有特定名称的一个权利要求部件与具有相同名称(但供普通术语使用)的另一部件的标记，以区分这些权利要求部件。

Claims (14)

1.一种利用室内空间的楼层平面图来登记装置的位置的方法，该方法包括：
利用从至少三个接入点(AP)接收到的WiFi信号的强度，确定所述楼层平面图的指定所述装置的粗略位置的部分，其中，利用所述楼层平面图登记了每个AP的位置；
利用至少一个声学信号的飞行时间，确定所述装置与利用所述楼层平面图登记的至少一个物体之间的至少一个距离；以及
按照相对于所述物体的所述距离，在所述楼层平面图的所述部分内登记所述装置的所述位置，其中，所述方法的至少一些步骤利用处理器执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述距离包括：
确定所述装置与位于利用所述楼层平面图登记的第一位置处的第一物体之间的第一距离；以及
确定所述装置与位于利用所述楼层平面图登记的第二位置处的第二物体之间的第二距离；并且其中，所述登记包括：
在所述楼层平面图的所述部分内，确定以所述第一位置为中心的第一半径的第一圆与以所述第二位置为中心的第二半径的第二圆相交的位置；以及
在所述相交的位置处登记所述装置的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述距离包括：
利用主动测距或被动测距来确定所述距离。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述距离使用主动测距，所述主动测距包括：
在起始时间从所述装置的扬声器发送第一声学信号；
在结束时间通过所述装置的麦克风接收第二声学信号，其中，所述第二声学信号由所述物体响应于接收到所述第一声学信号而发送；
经由所述装置的WiFi收发器接收指定在所述物体处接收所述第一声学信号与所述物体发送所述第二声学信号之间的时间延迟的延迟时段；以及
将所述声学信号的飞行时间确定为所述起始时间与所述结束时间之间的时间减去所述延迟时段。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括：
在所述装置的所述麦克风检测到所述第一声学信号的时间确定所述起始时间；以及
在所述装置的所述麦克风检测到所述第二声学信号的时间确定所述结束时间。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述物体是用于确定所述粗略位置的所述AP。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述距离使用被动测距，所述被动测距包括：
在起始时间从所述装置的扬声器发送所述声学信号；
所述装置的第一麦克风在第一时间接收所述声学信号从所述物体的第一反射；
所述装置的第二麦克风在第二时间接收所述声学信号从所述物体的第二反射；
利用所述起始时间与第一结束时间之间所述声学信号的所述第一反射的飞行时间来确定至所述物体的第一距离；
利用所述起始时间与第二结束时间之间所述声学信号的所述第二反射的飞行时间来确定至所述物体的第二距离；以及
利用所述第一距离、所述第二距离以及所述第一麦克风与所述第二麦克风之间的距离，确定所述装置与所述物体之间的距离以及从所述装置到所述物体的方向角。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
接收所述声学信号从所述物体的表面上的不同点反射的多个反射；
确定所述物体的所述不同点关于所述装置的位置；
聚类所述位置以确定所述物体的形状；以及
将所述物体的形状与所述楼层平面图的所述部分中的部件的形状进行匹配，以利用所述楼层平面图登记所述物体。
9.一种装置，该装置包括：
WiFi收发器，该WiFi收发器用于发送和接收WiFi信号，并且用于确定从至少三个接入点(AP)接收到的至少三个WiFi信号的强度，其中，利用所述楼层平面图登记了每个AP的位置；
声学收发器，该声学收发器用于发送和接收声学信号，所述声学收发器利用声学信号的飞行时间，确定所述装置与利用所述楼层平面图登记的至少一个物体之间的至少一个距离；以及
处理器，该处理器利用从利用所述楼层平面图登记的所述AP接收到的接收WiFi信号的强度，确定所述楼层平面图的指定所述装置的粗略位置的部分，并且按照相对于所述物体的所述距离在所述楼层平面图的所述部分内登记所述装置的位置。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述声学收发器包括用于发送所述声学信号的扬声器以及用于接收所述声学信号的至少一个反射的麦克风。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述声学收发器通过执行以下步骤，利用主动测距来确定所述距离，所述步骤包括：
在起始时间从所述装置的扬声器发送第一声学信号；
在结束时间通过所述装置的麦克风接收第二声学信号，其中，所述第二声学信号由所述物体响应于接收到所述第一声学信号而发送；
经由所述装置的WiFi收发器接收指定在所述物体处接收到所述第一声学信号与所述物体发送所述第二声学信号之间的时间延迟的延迟时段；以及
将所述声学信号的飞行时间确定为所述起始时间与所述结束时间之间的时间减去所述延迟时段。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述物体是用于确定所述粗略位置的所述AP。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述声学收发器通过执行以下步骤，利用被动测距来确定所述距离，所述步骤包括：
在起始时间从所述装置的扬声器发送所述声学信号；
所述装置的第一麦克风在第一时间接收所述声学信号从所述物体的第一反射；
所述装置的第二麦克风在第二时间接收所述声学信号从所述物体的第二反射；
利用所述起始时间与第一结束时间之间所述声学信号的所述第一反射的飞行时间来确定至所述物体的第一距离；
利用所述起始时间与第二结束时间之间所述声学信号的所述第二反射的飞行时间来确定至所述物体的第二距离；以及
利用所述第一距离、所述第二距离以及所述第一麦克风与所述第二麦克风之间的距离，确定所述装置与所述物体之间的所述距离以及从所述装置到所述物体的方向角。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述声学收发器通过执行以下步骤，利用所述楼层平面图登记所述物体，所述步骤包括：
接收所述声学信号从所述物体的表面上的不同点反射的多个反射；
确定所述物体的所述不同点关于所述装置的位置；
聚类所述位置以确定所述物体的形状；以及
将所述物体的形状与所述楼层平面图的所述部分中的部件的形状进行匹配，以利用所述楼层平面图登记所述物体。
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