CN111164448B - 在位置确定系统中使用的发送设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种声学位置确定系统。该系统包括一个或多个发送设备和一个或多个移动设备。发送设备包括被配置为发送具有第一频率的第一声信号的第一换能器，以及被配置为发送具有第二频率的第二声信号的第二换能器。发送设备还包括信标设备，该信标设备被配置为经由短程无线通信技术发送信标数据。发送设备还包括一个或多个控制设备，该一个或多个控制设备被配置为至少部分地基于与实时定位系统相关联的一个或多个移动单元的一个或多个操作能力来选择第一声信号或第二声信号。一个或多个控制设备还被配置为引起所选择的声信号和信标数据的发送。

Description

在位置确定系统中使用的发送设备
技术领域
本公开一般地涉及实时定位系统，并且更具体地涉及用于实时定位系统的发送设备。
背景技术
近年来，诸如室内定位系统的实时定位系统已有越来越多的推广和应用。已知使用已知位置处的静态超声发送器在诸如建筑物或其他结构的环境中提供房间级别的位置。这种发送器可以用于发送可以由位于超声发送器的广播范围内的一个或多个移动接收器单元接收的声信号(acoustic signal)。可以至少部分地基于静态发送器单元的位置和声信号到达移动单元的时间来确定移动接收器单元的位置。
发明内容
本公开的实施例的方面和优势将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中获知，或者可以通过实施例的实践而获知。
本公开的一个示例方面涉及一种与实时定位系统相关联的发送设备。该发送设备包括第一换能器，该第一换能器被配置为发送具有第一频率的第一声信号。该发送设备还包括第二换能器，该第二换能器被配置为发送具有第二频率的第二声信号。该发送设备还包括信标设备，该信标设备被配置为经由短程无线通信技术发送信标数据。该发送设备还包括一个或多个控制设备，该一个或多个控制设备被配置为至少部分地基于与实时定位系统相关联的一个或多个移动单元的一个或多个操作能力来选择第一声信号或第二声信号。一个或多个控制设备还被配置为引起所选择的声信号和信标数据的发送。
本公开的其他方面涉及用于提供实时位置的系统、装置、有形的非临时计算机可读介质、用户界面和设备。
参考以下描述，将更好地理解各种实施例的这些和其他特征、方面和优势。结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与描述一起用于解释相关原理。
附图说明
在本说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的对实施例的详细讨论，该说明书参考附图，其中：
图1描绘了根据本公开的示例实施例的用于实时定位系统的示例发送设备；
图2描绘了根据本公开的示例实施例的用于实时定位系统的示例发送设备的外部视图；
图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例实时定位系统的概览；
图4描绘了根据本公开的示例实施例的确定与移动单元相关联的位置的示例方法的流程图；和
图5描绘了根据本公开的示例实施例的选择要发送的声信号的示例方法的流程图。
图6A至图6I描绘了根据本公开的示例实施例的示例实时定位系统的示例演示。
具体实施方式
发明人认识到，需要能够更好地处理不同类型的移动接收器单元的超声实时定位系统。一个问题是，部分地由于各种类型的移动单元的变化的操作能力，可能难以在特定的实时定位系统中包括各种类型的移动单元。例如，某些移动单元(诸如智能手机、平板计算机或其他此类消费产品)未被配置为接收远高于20kHz的超声信号，而其他移动单元(诸如在工业或保健应用中使用的各种移动单元)可以被配置为接收具有更高频率的超声信号。这种操作能力差异可能使得难以使用各种移动接收器单元来实现灵活而准确的实时定位系统。本文描述的公开的实施例克服了这些困难并且提供了进一步的优势和特征。
现在将详细参考实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例通过对实施例的解释而提供，而不是对本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员将清楚的是，在不偏离本公开的范围或精神的情况下，可以对实施例进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本公开的各方面旨在覆盖这种修改和变化。
本公开的示例方面涉及一种用于实时定位系统的发送设备。例如，发送设备可以被配置为发送声信号，使得所述声信号可由一个或多个移动单元接收。在一些实现方式中，发送设备可以被配置为发送信标数据，使得该信标数据可由一个或多个移动单元接收。声信号可以是超声信号(例如，具有大于或等于20kHz的频率的声信号)。在一些实现方式中，第一声信号和第二声信号可以包括与发送设备相关联的识别信息和/或指示发送设备在特定对象区域内的位置的位置信息。例如，位置数据可以指示发送设备在建筑物的特定房间内的位置。
更具体地，发送设备可以包括第一换能器和第二换能器。第一换能器可以被配置为发送具有第一频率的第一声信号，第二换能器可以被配置为发送具有第二频率的第二声信号。在一些实现方式中，第一频率可以是大约20kHz，第二频率可以是大约40kHz。如本文所用的，术语“大约”在与数值结合使用时旨在指数值的40％以内。将理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他合适的频率。由于使用高效的声换能器，所以通常声信号具有窄带特性，从而获得足够的电池寿命。这意味着声信号的带宽在载波频率的5-10％之间。
发送设备还可以包括被配置为发送信标数据的信标设备。在一些实现方式中，信标设备可以在发送设备内实现。信标设备可以是被配置为使用任意合适的无线通信技术提供信标数据的任意合适的信标设备。例如，信标设备可以是射频信标设备(例如，蓝牙低功耗(BLE)信标设备、蓝牙信标设备、WiFi信标设备、WiFi直连信标设备、近场通信信标设备、ZigBee信标设备等)、红外信标设备或其他合适的信标设备。以这种方式，信标设备可以包括合适的发送设备，该发送设备被配置为发送(例如，使用合适的短程无线通信技术广播)信标数据。信标数据可以包括指示发送设备的标识的数据和/或指示发送设备的位置的数据。在一些实现方式中，信标数据中包括的位置数据可以是发送设备在特定对象区域内的相对位置。信标数据还可以包括涉及发送定时的信息，无论是RF、超声还是其他。
实时定位系统可以是例如室内定位系统。更具体而言，实时定位系统可以包括发送设备和一个或多个移动单元。移动单元可以是任意用户设备，诸如智能手机、平板计算机、膝上型计算机、可穿戴计算设备，或在操作中能够由用户携带的任意其他合适的用户设备。在一些实现方式中，移动单元可以是专用定位标签，其被配置为固定或附着到人、物体或物品上。这种定位标签可操作以与发送设备通信来确定定位标签(以及该定位标签所附着到的相应的(一个或多个)人、(一个或多个)物体或(一个或多个)物品)的位置。
以这种方式，发送设备可以被配置为在对象区域内发送声信号和/或信标数据，使得在发送设备的广播范围内的一个或多个移动单元可以接收所发送的声信号和/或信标数据。在一些实现方式中，接收声信号和/或信标数据的移动单元然后可以确定该移动单元在对象区域内的位置。在一些实现方式中，移动单元可以将声信号和/或信标数据提供到服务器(例如，经由合适的有线和/或无线通信)，使得服务器可以至少部分地基于声信号和/或信标数据确定移动单元在该对象区域内的位置。
具体而言，本公开的实时定位系统可以用于确定一个或多个移动单元的位置、取向和/或方向。移动单元的位置、取向和/或方向可以相对于对象区域是相对的。例如，移动单元的位置可以是在对象区域内的位置。更具体地，可以相对于对象区域和/或对象区域所位于的建筑物或其他实体的布局和尺寸来确定位置。位置可以是指定相对于三维(3D)空间的x坐标、y坐标和z坐标的三维(3D)位置。在一些实现方式中，位置可以是二维位置。本公开的各方面可以提供在大约6英寸至大约12英寸内准确的移动单元的位置确定。
在一些实现方式中，发送设备可以至少部分地基于与实时定位系统相关联的一个或多个移动单元的能力来确定是发送具有第一频率的第一声信号还是具有第二频率的第二声信号(或发送两者)。例如，可以至少部分地基于与实时定位系统相关联的移动单元内包括的一个或多个麦克风(或其他合适的换能器)来对第一声信号或第二声信号进行选择。如上所述，第一声信号(由第一换能器提供)可以具有大约20kHz的频率，而第二声信号(由第二换能器提供)可以具有大约40kHz的频率。
至少部分地基于与实时定位系统相关联的移动单元的已知能力，可以预先确定要发送哪些声信号(从而确定要使用哪个换能器来发送信号)。例如，常规的智能电话包括可操作以接收具有20kHz频率的声信号的麦克风。如果已知与实时定位系统关联的移动单元包括智能手机(或其他可操作以接收20kHz频率的合适的移动单元)，则可以操作发送设备经由第一换能器提供第一声信号。在一些实现方式中，这种声信号确定可以由与实时定位系统相关联的用户或其他人手动做出，例如，通过与用户界面的交互来进行，该用户界面与计算设备(例如，参照图3描述的一个或多个计算设备)相关联，该计算设备与实时定位系统相关联。在一些实现方式中，可以至少部分地基于与实时定位系统相关联的计算设备(例如，参照图3描述的一个或多个计算设备)执行的查找功能来自动执行声信号确定。更具体而言，计算设备可以访问查找表，该查找表指定要在声信号确定中使用的信息。这种查询表可以包括例如与实时定位系统相关联的移动单元的特性和/或能力。例如，查找表可以指定各种合适的移动单元的麦克风类型、特性、能力等。在一些实现方式中，查找表可以指定用于发送声信号的特定频率或换能器。查找功能可以是预先确定的或可以是实时确定的。例如，发送设备可以与移动单元通信以确定移动单元的身份。发送设备然后可以基于身份执行查找功能。
可以至少部分地基于由移动单元接收的声信号来确定移动单元的位置、取向和/或方向。将理解的是，可以使用各种合适的位置确定技术来确定这种信息。例如，可以至少部分地基于飞行时间(TOF)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)等使用三边测量、多边测量、三角测量或其他合适的技术来确定移动单元的位置、取向和/或方向。在一些实现方式中，可至少部分地基于在移动单元内实现或与移动单元相关联地实现的一个或多个位置传感器来确定移动单元的位置、取向和/或方向。例如，可以使用位于移动单元内的一个或多个加速度计、陀螺仪、惯性测量单元等，例如使用合适的传感器融合技术来确定或细化(refine)这种信息。
在一些实现方式中，可以至少部分地基于由发送设备提供的信标数据来确定移动单元的位置、取向和/或方向。例如，信标数据可以与声信号和/或位置传感器数据结合使用，以确定移动单元的位置、取向和/或方向。在这样的实现中，信标数据可以被移动设备用来确定移动单元的位置、取向和/或方向的粗略估计，可以至少部分地基于声信号和/或位置传感器数据来细化该估计。在一些实现方式中，信标数据可以用作声信号的备份。例如，如果声信号不能用于确定移动单元的位置(例如，如果移动单元上的(一个或多个)麦克风没有接收到声信号)，则信标数据可以用于确定移动单元的位置、取向和/或方向。一般地，从信标数据确定的移动单元的位置、取向和/或方向将不如使用声信号确定的位置、取向和/或方向准确。
如上所述，相对于传统的实时定位系统，本公开的实时定位系统提供了更准确和有效的定位系统。更具体而言，本公开的实时定位系统提供了在大约6英寸至大约12英寸范围内的增大的精度。以这种方式，可以在逐个房间的基础上和/或在子房间的基础上确定移动单元的位置，这可以允许更准确的位置跟踪。这种实时定位系统需要较少的处理功率和复杂度较低的基础架构，该基础架构较小且易于扩展。这种实时定位系统还通过利用多种位置确定技术(例如，使用声信号、位置传感器数据和/或信标数据)来提供近实时等待时间。这种实时定位系统还通过允许使用各种类型的移动单元以及具有提供具有多个频率的多个声信号以适应这样的各种移动单元的能力，进一步提供增大的灵活性。
本公开的实时定位系统可以用于许多应用中，例如位置跟踪、工作流、移动设备跟踪、安全性和依从性(例如，手部卫生依从性、温度监控、用于婴儿保护的门锁、漫游管理、寻路、移动设备管理、人员位置确定等)或其他合适的应用。例如，本公开的实时定位系统可以被配置为通过向用户提供从起点到目的地的路线指令、逐步指导等来提供寻路信息。在一些实现方式中，这样的寻路应用可以同与用户的移动单元相关联的地图或路由应用结合使用，以促进关于建筑物、区域、地理区域等的地图的寻路。一个示例使用领域在医疗保健行业内。例如，可以在医院内实现本公开的实时定位系统以提供患者跟踪、患者流等。
现在参考附图，将更详细地讨论本公开的示例方面。例如，图1描绘了根据本公开的示例实施例的用在实时定位系统中的示例发送设备100。发送设备100包括第一换能器102、第二换能器104和信标设备106。第一换能器102和第二换能器104可以是被配置为发送声信号的任意合适的换能器。更具体而言，第一换能器102可以被配置为以第一频率(例如，大约20kHz)发送第一声信号，第二换能器104可以被配置为以第二频率(例如，大约40kHz)发送第二声信号。如所指示的，声信号可以包括指示出发送设备100的身份的数据和/或指示出发送设备100的位置的数据。发送设备100可以由电池供电并且能够工作几年。可替代地，该单元可以借助于线缆供电，例如使用以太网或干线(mains)上的电力。
信标设备106可以是被配置为使用合适的短程无线通信技术来发送信标数据的任意合适的信标设备。例如，信标设备106可以是BLE信标设备、WiFi信标设备、红外信标设备或其他合适的信标设备。如所指示的，信标数据可以包括指示出发送设备100的身份的数据和/或指示出发送设备100的位置的数据。
发送设备100还可以包括控制器108，该控制器108被配置为使第一换能器102和/或第二换能器104发送声信号，并且使信标设备106发送信标数据。控制器108可以包括一个或多个处理器和一个或多个存储设备。一个或多个处理器可以包括任意合适的处理设备，诸如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑设备、一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)和/或诸如片上系统(SoC)之类的其他处理设备。一个或多个存储设备可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存或其他存储设备。一个或多个存储器设备可以存储可由一个或多个处理器访问的信息，包括可以由一个或多个处理器执行的指令。指令可以包括本文公开的任一技术或方法的各个方面。一个或多个存储器设备还可包括可由一个或多个处理器取回、操纵、创建或存储的数据。
在一些实现方式中，控制器108可以使声信号和/或信标数据被周期性地或以另一种合适的方式发送。在一些实现方式中，控制器108可以被配置为执行查找功能以确定是发送第一声信号还是发送第二声信号。更具体而言，控制器108可以访问查找表，该查找表指定与各种合适的移动单元相关联的一个或多个操作能力，所述移动单元与发送设备100和/或实时定位系统兼容。例如，在一些实现方式中，一个或多个移动单元110可以将(一个或多个)移动单元110的识别数据提供给发送设备100。控制器108可以至少部分地基于识别数据来执行查找功能。控制器108然后可以选择与第一换能器102相关联的第一声信号或与第二换能器104相关联的第二声信号。控制器108然后可以使得由相应的换能器发送所选择的声信号。
如所指示的，控制器108还可以使得由信标设备106发送信标数据。信标数据的这种发送可以与声信号的发送分开发生，或者与声信号发送同时发生(或在声信号发送之前)发生。在一些实现方式中，可以发送信标数据，使得接收信标数据的(一个或多个)移动单元110可以至少部分地基于信标数据和/或声信号两者来确定移动单元的位置、取向和/或方向。在一些实现方式中，在使用声信号不能确定(一个或多个)移动单元110的位置、取向和/或方向的情况下，信标数据可以用于实现备用位置确定技术。
图2描绘了根据本公开的示例实施例的用在实时定位系统中的示例发送设备120。发送设备120可以对应于图1的发送设备100或其他合适的发送设备。更具体而言，图2描绘了发送设备120的外部视图。发送设备120包括外壳121，该外壳121围绕并保护发送设备120的敏感内部组件。如所示出的，发送设备120包括第一换能器122和第二换能器124。第一换能器122可以被配置为提供具有大约20kHz的频率的声信号。第二换能器124可以被配置为提供具有大约40kHz的频率的声信号。在一些实现方式中，发送设备120还可以包括被配置为发送信标数据的信标设备。
图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例实时定位系统200。实时定位系统200可以是例如部署在建筑物或其他结构中的室内定位系统。实时定位系统200包括具有已知位置的多个固定的静态的发送设备202。发送设备202可以是任意合适的发送设备。例如，发送设备202可以被配置为发送声和/或其他(例如，射频)定位信号和信标数据。在一些实现方式中，发送设备202可以分别对应于图1和图2的发送设备100和/或发送设备120。发送设备202可以策略性地安置在建筑物或结构中以允许确定位于建筑物或结构中的一个或多个移动单元204的位置。以这种方式，发送设备202可以广播声信号，使得当移动单元位于发送设备202的广播范围内时，声信号可以被移动单元接收。
发送设备202还可以与网关设备206通信，该网关设备206与实时定位系统200相关联。如所示出的，实时定位系统200可以包括一个或多个网关设备206。可以使用任意适当的有线和/或无线通信技术来执行发送设备202与网关设备206之间的通信。例如，在一些实现方式中，可以使用根据IEEE 802.15.4标准的无线通信来执行发送设备202与网关设备206之间的通信。网关设备206可以被配置为监控和调节实时定位系统200的健康以及维护和配置。在一些实现方式中，网关设备206可以具有可由实时定位系统200的一个或多个用户访问的相关联的用户界面。这种界面可以允许用户对实时定位系统200的各种合适的配置、特征或质量进行远程查看、与之交互、进行操纵、编辑等。如所示出的，移动单元204还可以经由诸如无线局域网212之类的合适的通信网络来访问网关设备206。在一些实现方式中，网关设备206可以在发送设备202内实现。
实时定位系统200还包括服务器设备208。服务器设备208对于发送设备202和/或移动单元204是可以访问的。更具体地，如所示出的，服务器设备208对于发送设备202可经由网关设备206访问，而对于移动单元204可经由无线局域网212和/或蜂窝网络210访问。在一些实现方式中，服务器设备208可以至少部分地基于与移动单元相关联的一个或多个声信号、信标数据和/或传感器数据来确定移动单元204的位置、取向和/或方向。例如，移动单元204可以将接收到的声信号和信标数据与传感器数据一起提供给服务器设备208，以使得服务器设备208可以确定移动单元204的位置、取向和/或方向。在移动单元204可以确定其自己的位置、取向和/或方向的实现方式中，移动单元204可以将这种信息提供到服务器设备208，使得服务器设备208可以用附加信息来更新实时定位系统200。在一些实现方式中，服务器设备208可以存储(host)用于选择要提供到移动单元204的声信号的查找表。
如所指示的，移动单元204和/或服务器设备208可以被配置为至少部分地基于声信号、信标数据和/或传感器数据来确定移动单元204的位置、取向和/或方向。以这种方式，移动单元204可以被配置为接收由一个或多个发送设备202提供的声信号和/或信标数据。该声信号和/或信标数据可以编码与一个或多个发送设备202相关联的识别信息和/或与一个或多个发送设备202相关联的位置数据。移动单元204和/或服务器设备208可以被配置为一接收到这样的数据就对信号进行解码以提取编码在信号中的识别信息和/或位置信息。例如，一接收到来自发送设备202的声信号，移动单元204就可以使用任意适当的解码技术(诸如各种适当的数字信号处理技术)对信号进行解码。移动单元204然后可以至少部分地基于所提取的信息来确定移动单元204的位置、取向和/或方向。例如，移动单元204可以使用任意合适的定位技术(诸如通过测量声信号的TOA、TDOA、TOF等，以及使用多边测量、三边测量、三角测量等)来确定位置、取向和/或方向。
将理解的是，图3中描绘的实时定位系统200旨在仅用于说明目的。还将理解的是，本公开的实时定位系统可以包括各种其他合适的配置或布置，并且可以利用各种其他合适的通信技术。更具体而言，实时定位系统200可以包括以各种合适的配置来布置的任意合适数量的发送设备202，以有助于确定任意合适数量的移动单元204的位置。
图4描绘了根据本公开的示例实施例的对移动单元的位置、取向和/或方向进行确定的示例性的方法(300)的流程图。方法(300)可以由一个或多个计算设备(诸如相对于图1描述的计算设备中的一个或多个)来实现。另外，为了说明和讨论的目的，图4描绘了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容的本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以以各种方式对本文描述的方法中的任一个方法的步骤进行调整、重新布置、扩展、省略或修改。
在(302)，方法(300)可包括通过与实时定位系统相关联的发送设备发送一个或多个声信号。例如，发送设备可以是图1中描绘的发送设备100或其他发送设备。以这种方式，发送设备可以包括两个或更多个换能器，每个换能器被配置为发送具有不同频率的声信号。声信号可以包括与发送设备相关联的识别信息和/或与发送设备相关联的位置信息。
在(304)，方法(300)可以包括由发送设备发送信标数据。如所指示的，发送设备还可以包括信标设备，该信标设备被配置为使用合适的短程无线通信技术(例如，BLE、WiFi直连、ZigBee等)发送信标数据。这种信标设备可以被配置为发送信标数据。该信标数据可以包括与发送设备相关联的位置信息和/或与发送设备相关联的身份信息。
在(306)，方法(300)可以包括由与实时定位系统相关联的移动单元接收声信号和/或信标数据。例如，合适的移动单元可以被配置为在位于发送设备的广播范围内时接收这样的信息。
在(308)，方法(300)可以包括至少部分地基于声信号和/或信标数据来确定移动单元的位置、取向和/或方向。在一些实现方式中，还可以至少部分地基于由与移动单元相关联的一个或多个位置传感器(例如，惯性测量单元)确定的传感器数据来进一步确定移动单元的位置、取向和/或方向。可以由移动单元或由与实时定位系统相关联的服务器设备来确定移动单元的位置、取向和/或方向。例如，当由服务器设备确定时，移动单元可以将声信号、信标数据和/或传感器数据提供给服务器设备。如上所指示的，可以使用任意合适的技术(诸如通过测量声信号的TOA、TDOA、TOF等，以及使用多边测量、三边测量、三角测量等)来确定移动单元的位置、取向和/或方向。
图5描绘了根据本公开的示例实施例的用于选择要由与实时定位系统相关联的发送设备发送的声信号的示例性的方法(400)的流程图。方法(400)可以由一个或多个计算设备(诸如相对于图1描述的计算设备中的一个或多个)来实现。另外，出于说明和讨论目的，图5描绘了以特定顺序执行的步骤。
在(402)，方法(400)可以包括识别与实时定位系统相关联的移动单元。例如，在一些实现方式中，与实时定位系统的移动单元相关联的信息可以是已知的并且存储在与实时定位系统相关联的数据库中或在发送设备内。在这样的实现方式中，识别移动单元可以包括访问数据库以确定移动单元的身份或类型。在一些实现方式中，可以通过与移动单元的通信来确定移动单元的身份或类型。在这样的实现方式中，识别移动单元可以包括从移动单元接收指定移动单元的身份或类型的信息。
在(404)，方法(400)可以包括确定移动单元的一个或多个操作能力。例如，可以在存储在与实时定位系统相关联的数据库中或在发送设备内的查找表中指定移动单元的操作能力。操作能力可以指定或指示移动单元中的一个或多个麦克风被配置为接收的频率。确定移动单元的一个或多个操作能力可以包括访问查找表并针对移动单元执行查找功能。
在(406)，方法(400)可以包括至少部分地基于移动单元的操作能力来选择声信号。发送设备可以包括多个换能器，每个换能器被配置为发送具有不同频率的声信号。例如，发送设备可以包括被配置为以第一频率(例如20kHz)发送声信号的第一换能器和被配置为以第二频率(例如40kHz)发送声信号的第二换能器。选择声信号可以包括至少部分地基于移动单元的操作能力来选择用以发送适当的声信号的换能器。
在(408)，方法(400)可以包括通过与发送设备相关联的所选择的换能器来发送所选择的声信号。声信号可以周期性地、间隔地或以任意其他合适的方式被发送。
示例演示
图6A至图6I描绘了根据本发明的实施例的由发明人实现的使用声信号和移动设备的实时定位系统的示例演示。进行该演示是说明性的，而并非旨在必须是限制性的。
在本演示中，用户在他的左手和右手中分别持有两个移动设备，iPhoneTM(在图6A至图6I中标记为WEBiPhone)移动设备和Nexus6PTM(在图6A至6I中标记为Nexus6P_2)移动设备。用户正在包括根据实施例的实时定位系统的环境中操作移动设备。
在此示例演示中，用户左手和右手中各持有移动设备之一，左手和右手分开约3-5英尺。用户站在体育馆内的篮球场上。将移动设备保持在恰好腰部水平上方的位置分开，用户沿圆形路径逆时针行走并向内旋向圆心。用户在篮球场上沿圆逆时针行走，将在他左手中的移动设备保持在圆的内侧，而将他右手中的移动设备保持在圆的外侧。
图6A至图6I示出一系列显示，其描绘了在演示期间实时获得的两个移动设备的检测位置。圆中最外面的点的图线对应于用户的右手中持有的iPhoneTM移动设备的并且随着他逆时针行走的感测位置。最里面的点的图线对应于用户的左手中持有的Nexus6PTM移动设备并且随着他逆时针行走的感测位置。如在图6A至图6I的图线中所示，使用声信号以大约12英寸或更小的精度在室内获得移动设备的实时位置。
本演示是说明性的，而并非旨在限制性的。例如，移动设备本身可以如上文描述地操作用于图3中描绘的移动单元204或其他合适的移动设备。移动设备可以与诸如图3中描绘的实时定位系统200的实时定位系统一起使用。随着用户沿着路径前进，一个或多个发送设备(例如，图3中描绘的发送设备202或其他合适的发送设备)可以提供由移动设备接收的声信号和/或信标数据。移动设备可以至少部分地基于声信号和/或信标数据分别确定移动设备的位置。
如图6A至图6I所示，可以将移动设备配置为随着携带移动设备的用户沿着路径前进而跟踪移动设备的位置。以这种方式，发送设备可以周期性地提供可以被移动设备接收的声信号。移动设备然后可以至少基于接收到的信号中的一个或多个信号来更新移动设备的位置。这种更新的位置可以用于(例如，随着用户沿着球场表面上的圆前进)跟踪用户的路径。如所指示的，这样的跟踪技术可以用于向用户提供寻路应用，该寻路应用可以用于提供从起点到目的地的路线指令和/或逐步指导。
如图6A至图6I所示，本公开的实时定位系统可以有利于在亚秒更新率的情况下以大约6英寸至大约12英寸或更小的精度对移动设备位置的确定。这样的精度可以允许在逐个房间的基础上或在子房间的基础上进行复杂的位置确定。这种复杂、详细的位置确定可以有利于各种合适的应用，诸如上述应用中的任意应用。
附加实施例
如上所述，实时定位系统的实施例试图通过接收依位置而定的信号来提供可移动资产或人的位置。通过对该依位置而定的信息进行解码并将其转发到中央服务器，中央服务器可以确定该特定可移动资产或人的位置。在这样的实时定位系统中，需要将依位置而定的信号的每个声发送器配置为提供其依位置而定的信号，并且其依位置而定的信号的发送需要进行协调，以便无论可移动资产或人的哪个位置标签在范围内，相应的发送和接收能力都在时间上同步。具体而言，可期望每个位置标签被配置为打开接收窗口，该接收窗口可适用于实时定位系统在其中工作的特定环境中的所有声发送设备。因此，在有实时定位系统在其中的特定环境中的所有声发送设备由此被配置为在相同的发送窗口期间进行发送。通过协调所有发送设备和位置标签以在相同的发送/接收窗口时间表上工作，可以通过使相应设备中的每个设备在发送/接收窗口之外的所有时间都处于睡眠状态来延长电池寿命。可替代地，在所发送的声信号不支持多路访问的情况下，可以以已知的时间偏移来分配从具有声重叠区域的个体信标设备发送的声信号。关于这些偏移的信息可以有利地通过短程RF发送(例如，BLE)从发送器设备传达，该短程RF发送可由移动设备接收。来自发送器设备的短程RF发送可以有利地由中央服务器进行协调，以相对于每个发送器设备的系统时间有一些特定偏移地发生。再次，RF发送的这些定时偏移可以被包括为信标数据的一部分，并且被移动设备用来调整其RF接收或声接收的定时。在声发送和短程RF发送的相对等待时间控制在1毫秒的实现方式中，移动设备可以使用RF发送和声发送之间的延迟来估计飞行时间，从而极大地帮助准确定位设备的能力。与诸如办公大楼、医院等环境的实时定位系统中所需的位置更新时间相对应，发送/接收窗口会定期出现。在示例性实施例中，发送/接收窗口以1Hz的频率发生，即，该窗口每秒出现一次。
如上所述，图2示出示例性实时定位系统，该实时定位系统使用声信号向位置标签提供位置信号以便建立位置。服务器设备208提供实时定位系统的整体控制、配置和同步管理。在一些实施例中，服务器设备208还提供位置信号的分析以确定报告位置标签的位置。服务器设备208通过使用网关设备206联网到所有位置发送器。每个网关设备206经由网络连接(例如，以太网)连接到服务器设备208。
下行链路控制、配置和同步
每个网关设备206位于可以控制多个位置发送器的位置。通过使用在网关设备206与其从属位置发送器之间的双向无线连接来达到这种控制。影响无线连接设计的因素包括无线占用区域(footprint)的大小、网关设备206的结果数量的成本以及位置发送器使用的功耗。在实施例中，位置发送器由电池供电，以便降低位置发送器的安装成本，并允许位置发送器在不同位置的快速部署的灵活性。在新扩建期间改变办公室时可以使用这种快速部署。在网关设备206与其从属位置发送器之间的双向无线连接的合适的通信协议包括Zigbee连接(即，IEEE 802.15.4连接)。在数千个位置发送器的安装中，Zigbee连接的占用区域将需要安装数百个网关设备206以提供所需的占用区域覆盖。在替代方案中，用于在网关设备206与其从属位置发送器之间的双向无线连接的通信协议包括长程(LoRa)连接。LoRa使用基于正交序列扩频(基于OSSS)的无线电技术来连接其网络中的设备。OSSS的使用是以非常低的能耗提供可扩展、高容量网络的关键，同时又保持了简单、易于部署的基于星形的基础架构。LoRa网络的实现在全球可用的工业、科学和医疗频段(也称为ISM频段)中工作，并且可以与其他无线电技术共存于这些频段中，而没有冲突或容量问题的巨大风险。示例性LoRa实施例使用868MHz处的欧洲ISM频段，或美国的902-928MHz频带。LoRa以远低于Zigbee协议的2.4GHz的频率工作，这使得其占用区域远大于由等效Zigbee协议提供的占用区域。凭借较大的占用区域，网关的数量与等效Zigbee协议的实现相比可以减少两个数量级。
其他声发送器设备
位置发送器提供编码信息以供位置标签接收，其中，编码信息指示那些附近的位置发送器的身份。出于先前所讨论的原因，位置发送器使用声信号来提供编码信息。除了专用声发送器设备之外，各种设备都可以用来提供所需的编码信息以供位置标签接收。例如，诸如电视、平板计算机、智能家居集线器之类的智能设备可以用于发送声信号和信标数据信号。这些智能设备包括RF通信能力所需的能力，支持信标信号生成和发送，还包括发送声信号(包括超声信号)的扬声器。甚至光开关盖也可以通过嵌入式声发送器来增强，从而成为用在实时定位系统中的位置发送器。相应地，通过适当的软件(或在光开关的情况下为硬件)，可以以非常小的成本使得这样的现有设备能够作为用在实时定位系统中的信标。因此，以很少的努力，可以通过使用这些重新配置的智能设备来提供房间级别的位置精度。此外，具有良好声放置的智能电视和其他固定安装的设备可以用于提供移动设备的3D位置信息。在这些智能设备处于需要实时位置确定的隔离环境中的情况下，不需要这些智能设备的同步。可以通过使用蓝牙数据信号来同步具有BLE功能的设备。
位置标签
位置标签附在需要跟踪其位置的可移动资产或人员上。位置标签从附近的位置发送器接收编码信息，其中，编码信息指示那些附近的位置发送器的身份。出于先前所讨论的原因，位置发送器使用声信号来提供编码信息。例如，由于声音信号不会穿透房间的墙壁，所以声信号的传播特性更容易支持基于房间的位置确定。除了需要接收编码信息之外，位置发送器还需要接收配置、控制和同步信息。对声信号的可用带宽的分析指示，需要额外的带宽来支持配置、控制和同步功能。
信标数据信号
从位置发送器到位置标签的附加信号路径包括信标信号的使用。信标数据信号通常预先存在于办公室、医院和可能期望实时定位系统的其他环境中。尽管信标数据信号可能穿透墙壁并产生比适用于办公室或类似环境中的实时位置大得多的占用区域，但信标数据信号可以提供特定位置标签的粗略位置。知道特定位置标签的粗略位置为位置标签提供了优势，因为它减少了位置标签在解码时需要考虑的可能位置代码的数量。减少可能的位置代码的数量可以为要进行的位置确定减少处理量(降低功耗)。当信标数据信号由蓝牙低功耗方法提供时，其具有与和声信号发送器设备相关联的占用区域相当的占用区域。
在各种实施例中，信标数据信号可以提供反映位置标签(或期望对其进行位置确定的移动通信设备)附近的可能位置代码的子集的信息。在其他实施例中，该信息反映了位置标签(或期望对其进行位置确定的移动通信设备)附近的可能位置代码的子集，以及可能位置代码的子集在声信号中被发送的时隙。该信息的形式，无论是可能位置代码的子集，还是可能的位置代码的子集与发送这些可能位置代码的时隙，都包括各种形式。例如，该信息可以是可能位置代码的子集和时隙的表格的形式，或者可以是通向该信息的链接的形式。信息的位置可以驻留在云中，可以驻留在用于实时定位系统的服务器中，或者可以作为特定环境(或其一部分)的声模型的一部分被下载。
上行通信链接
位置标签需要发送已经从位置发送器接收到的位置代码。可以通过结合RF芯片组使得使用IEEE 802.11、BLE、WiFi或其任意组合来建立通信链路，来形成合适的通信路径。在许多办公室、医院或其他类似环境中，许多802.11WiFi接入点已经存在，并且在期望实时位置确定的环境中提供此类覆盖。用于上传位置代码的WiFi网络方法要求将位置标签接纳到WiFi网络。作为位置标签的替代方案，移动通信设备(例如iPhone或等同物)也可以用于提供关键人员的位置确定。再一次地，要求移动通信设备被接纳到WiFi网络。移动通信设备为位置代码提供替代的上行链路路径，因为移动通信设备可以使用经由云通向服务器的蜂窝连接。在移动通信设备不被接纳到WiFi网络的情形中，这种替代路径是有吸引力的。例如，在购物中心或医院中，移动通信设备可能未被连接到WiFi网络。
在又一替代上行链路情形中，位置标签可以使用与另一移动设备(例如，智能手机、平板计算机、PC或智能手表)的短程RF链路，并且使用该后一设备作为网关来将其位置信息传达到中央服务器。
在各种实施例中，信标设备将以20kHz和40kHz的示意性频率发出RF信标信号(例如，短程无线信号、BLE信号)和一个或两个声信号。RF信标信号和声信号两者的组合为实时定位系统提供某些优点。声信号包括发送设备的标识信息(即，代码)。发送设备的标识提供了位置指示，这是因为声波随着与发送设备的距离增大而减小。然而，可能的代码的范围可能很大，这增大了对所发送的代码进行解码的难度，特别是在具有多个回声和其他困难的环境中。RF信标信号可以包括信标设备的身份的指示，该信标设备的指示转而可以用于提供在局部区域中活跃的代码子集的指示。因此，凭借RF信标信号，通信设备(诸如iPhone或位置标签)可以确定其位置的粗略指示，从而能够辨别在特定区域中使用了哪些声代码子集。学习在特定区域中正在使用的声代码的子集，从而通过减少作为用于解码的候选代码的潜在代码的范围而有益于解码处理。
RF信标信号还可以向移动通信设备提供定时信息。实时定位系统具有参考时钟，该参考时钟可以被发布到固定的发送设备。然而，期望在移动通信设备中同步本地时钟，其中同步意味着确定本地时钟和参考时钟之间的偏移，以便可以在固定的发送设备与移动通信设备之间以商定时间发送/接收信号。因此，将RF信标信号用于iPhone或相当的设备的同步是期望的结果，这是因为用于这种同步的其他装置相对难以实现。
位置标签的同步也是期望的，这是因为可以使用同步来改善位置标签的功率使用，以及在位置确定处理中提供益处。可以通过对位置标签和发送设备进行定时同步来改善功率使用，以使位置标签在小的商定时间间隔内唤醒以接收所发送的信息。例如，位置标签可以被时间同步，以在每个1秒的时间帧期间在10毫秒的时间间隔内唤醒以接收信号，然后在该时间帧的其余时间进入睡眠状态。这种同步可以通过使用RF信标信号中的定时信息来实现。RF信标信号中的定时信息还可以减少位置标签的实时定位的复杂度。在像GPS的到达时间系统(ToA)中，存在四个未知数：GPS设备位置的三个几何尺寸(即x、y、z)以及在GPS设备的本地时钟与GPS系统中卫星的参考时钟之间的未知定时偏移。这些相同的原理适用于使用声学的实时定位系统。然而，通过利用RF信标信号提供定时信息，可以解决四个未知数之一──通过将未知数减少到三个，从而简化了实时定位系统的复杂度。在利用RF信标信号提供定时信息时，与跟实时定位系统相关的声学时间框架相比，RF发送时间可以忽略不计。
尽管已经针对其具体示例实施例详细描述了本主题，但是将理解的是，本领域技术人员在理解前述内容后，可以容易地得出对这些实施例的替换、变化和等同物。相应地，本公开的范围是作为示例而不是作为限制，并且本公开不排除对本主题的此类修改、变化和/或附加的包括，这对于本领域普通技术人员是清楚的。

Claims (20)

1.一种与实时定位系统相关联的发送设备，该发送设备包括：
第一换能器，被配置为发送具有第一频率的第一声信号，该第一声信号包括发送设备的识别代码，其中所述识别代码表示发送设备的位置；和
信标设备，被配置为经由短程无线通信技术发送信标数据，其中，信标数据包括能够由接收设备在解码所发送的第一声信号时使用的信息，该信息描述在信标设备附近使用的识别代码的子集，其中所述识别代码是识别代码的子集的成员。
2.根据权利要求1所述的发送设备，其中，信标数据还包括用于对接收设备进行定时同步的定时信息。
3.根据权利要求2所述的发送设备，还包括：
第二换能器，被配置为发送具有第二频率的第二声信号；和
一个或多个控制设备，被配置为至少部分地基于与实时定位系统相关联的一个或多个移动单元的一个或多个操作能力来选择第一声信号或第二声信号，并引起所选择的声信号和信标数据的发送。
4.根据权利要求3所述的发送设备，其中，第一频率在19.5kHz至20.5kHz的范围内，第二频率在38kHz至42kHz的范围内。
5.根据权利要求1所述的发送设备，还包括：
无线接收器，被配置为经由802.15.4协议从服务器接收控制数据。
6.根据权利要求1所述的发送设备，还包括：
无线接收器，被配置为经由在868MHz处的频带中或在902MHz至928MHz的范围内的频带中工作的长程LoRa协议从服务器接收控制数据。
7.根据权利要求1所述的发送设备，其中，短程无线通信技术是蓝牙低功耗协议。
8.一种与实时定位系统相关联的方法，该方法包括：
由第一换能器发送具有第一频率的第一声信号，该第一声信号包括发送设备的识别代码，其中所述识别代码表示发送设备的位置；
由第二换能器发送具有第二频率的第二声信号，该第二声信号包括发送设备的识别代码，其中所述识别代码表示发送设备的位置；
由信标设备经由短程无线通信技术发送信标数据，其中所述信标数据包括能够由接收设备在解码所发送的声信号时使用的信息，该信息描述在信标设备附近使用的识别代码的子集，其中所述识别代码是识别代码的子集的成员；以及
由一个或多个控制设备至少部分地基于与实时定位系统相关联的一个或多个移动单元的一个或多个操作能力来选择第一声信号或第二声信号，并且引起所选择的声信号和信标数据的发送，
其中，第一换能器、第二换能器、信标设备和所述一个或多个控制设备形成实时定位系统的一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，第一频率在19.5kHz至20.5kHz的范围内，第二频率在38kHz至42kHz的范围内。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
由无线接收器经由802.15.4协议从服务器接收控制数据。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括：
由无线接收器经由长程LoRa协议从服务器接收控制数据。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，LoRa协议在868MHz处的频带中或在902MHz至928MHz的范围内的频带中工作。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，第一换能器的占用区域和信标设备的占用区域尺寸相匹配。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，短程无线通信技术是蓝牙低功耗协议。
15.一种与实时定位系统相关联的无线通信设备，该无线通信设备包括：
第一换能器，被配置为从发送设备接收第一声信号，该第一声信号具有第一频率并且该第一声信号包括表示发送设备的位置的识别代码；
第一无线接收器，被配置为从发送设备经由短程无线通信技术接收信标数据，其中所述信标数据包括由所述无线通信设备在解码第一声信号时使用的信息，该信息描述在发送设备附近使用的识别代码的子集，并且其中所述识别代码是识别代码的子集的成员；和
无线发送器，被配置为经由无线协议将位置信息发送到服务器。
16.根据权利要求15所述的无线通信设备，其中，第一频率在19.5kHz至20.5kHz的范围内。
17.根据权利要求15所述的无线通信设备，其中，第一频率在39.5kHz至40.5kHz的范围内。
18.根据权利要求15所述的无线通信设备，其中，无线协议是802.11无线协议。
19.根据权利要求15所述的无线通信设备，其中，无线协议是蜂窝协议。
20.根据权利要求15所述的无线通信设备，其中，短程无线通信技术是蓝牙低功耗协议。
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