CN112154345A - 声学定位发射器和接收器系统及方法 - Google Patents

声学定位发射器和接收器系统及方法 Download PDF

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Abstract

用于实时位置确定系统的声学模型确定手段被公开。该系统包括一个或多个发射装置以及一个或多个移动装置。可以通过导出建筑内的子结构的声学表示，并且然后基于该声学表示和静态声学发射装置的位置和朝向来形成声学模型。在另一实施例中，声学信号从静态声学发射装置被发射，并且反射信号由在接收模式的相同的静态声学发射装置接收。基于这些接收的声学信号，基于该反射信号和该静态声学发射装置的位置和朝向来形成声学模型。

Description

声学定位发射器和接收器系统及方法
技术领域
本公开总体上涉及实时位置确定系统，并且更特别地，涉及在实时位置确定系统中使用的声学定位发射器与接收器系统以及方法。
背景技术
近年来，诸如室内定位系统的实时位置确定系统已经越来越流行和越来越多地应用。已知的是，在诸如建筑或其他结构的环境内的已知位置处，使用静态超声波发射器来提供房间级别的位置。期望的是，以成本有效的方式提供这一房间级别的位置。
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被阐述，或者可以从描述中得知，或者可以通过实施例的实践得知。
本公开的一个示例方面针对一种用于确定在声学实时位置确定系统中使用的建筑的声学模型的计算机实施的方法。该方法包括导出建筑内的子结构的声学表示以及确定静态声学发射装置的位置和朝向。该方法还包括基于该声学表示以及该静态声学发射装置的位置和朝向来形成声学模型。
本公开的另一示例方面针对一种用于确定在声学实时位置确定系统中使用的建筑内的房间的声学模型的计算机实施的方法。该方法包括从静态声学发射装置发射声学信号，以及在该静态声学发射装置处接收由该声学信号与形成房间的结构的交互作用引起的反射信号。该方法进一步包括接收静态声学发射装置的位置和朝向，并且还基于该反射信号以及该静态声学发射装置的位置和朝向来形成声学模型。
本公开的其他方面针对用于提供实时位置的系统、设备、有形的非瞬时性的计算机可读介质、用户界面和装置。
参考以下的描述和所附的权利要求，将更好地理解各种实施例的这些和其他特征、方面和优势。并入本说明书中并构成本说明书的部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释相关的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论，该说明书参考附图，其中：
图1描绘了根据本公开的示例方面的示例实时位置确定系统。
图2描绘了根据本公开的示例方面的确定建筑的声学模型的示例方法的流程图。
图3描绘了根据本公开的示例性方面的确定建筑内的房间的声学模型的示例方法的流程图。
图4描绘了根据本公开的示例方面的示例计算系统。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，所述实施例的一个或多个示例在附图中被示出。每个示例都以实施例的解释的方式被提供，而非本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱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型。例如，作为一个实施例的一部分被示出或被描述的特征可以与另一实施例一起被使用以产生又一实施例。因此，意图是本公开的各方面涵盖这种修改和变型。
实时位置确定系统已经使用各种无线协议被开发，其中最知名的系统或许是全球定位系统(GPS)。虽然这种位置确定系统以大约8米的量级提供水平位置精度，但是这种系统不能解决所有的位置场景需求。例如，许多场景要求优于0.3米的位置精度。其他场景需要在高层建筑中的楼层之间进行区分的垂直精度。还有其他场景需要背景位置信息，诸如办公建筑中基于房间的信息。
响应于这些苛刻的位置需求，本公开的实施例提供对这些需求的解决方案。通过从多个发射装置(该发射装置可以被固定在建筑的墙壁或天花板上)发射声学信号，声学信号可以被用于确定移动单元或标签(tag)在三个维度上的位置。该声学信号可以包括各自的发射装置的编码标识符。这些声学信号可以被移动计算装置接收。如果静态发射装置的位置是已知的，使用各种合适的几何计算，由该移动计算装置接收的声学信号组的各种特性可以被用于估计环境中的每个移动装置的位置。
例如，本公开的示例方面针对确定与声学实时位置确定系统相关联的移动计算装置的位置。例如，该移动计算装置可以从与该实时位置确定系统相关联的一个或多个发射装置接收声学信号。该移动计算装置可以从所接收的声学信号中选择信号峰的组(比如两个信号峰)，并且可以向第一发射器位置组分配所选择的峰组中的每个峰。在一个或多个发射装置所处于的环境的声学模型中，可以限定该发射器位置。在声学模型中所指定的每个发射器位置可以表明位于该环境内的物理或“虚拟”发射装置的位置。凭借通过诸如墙壁、天花板等的建筑的结构对真实位置发射器的镜像处理，确定该虚拟发射器的位置。该移动计算装置可以将和第一发射器位置组相关联的第一模型路径轨迹与所接收的声学信号相比。然后，该移动计算装置可以至少部分地基于第一模型路径轨迹与所接收的声学信号的比较来估计该移动计算装置的位置。
更特别地，实时位置确定系统可以包括一个或多个部署在整个环境(比如校园、建筑、房间、空间、区域等)中的声学发射装置。例如，该发射装置可以部署在整个医院、仓库等中，以促进位于医院、仓库等内的装备、对象、库存、人员等的位置确定。该发射装置可以被配置为以各种间隔(比如周期性地)在环境内发射声学(比如超声波)定位信号。例如，该声学信号可以是具有从大约20kHz到大约40kHz的频率的信号。如本文中所使用的，术语“大约”在被用于参考数值时旨在指在该数值的30％以内。如所指示的，该声学信号可以由位于发射装置的广播范围内的一个或多个移动计算装置接收，并且可以使用该声学信号来促进环境内的各自的(一个或多个)移动计算装置的位置的估计。
当接收到来自发射装置的声学信号的时候，移动计算装置可以至少部分地基于该移动计算装置和该发射装置所位于的环境的声学模型来估计该移动计算装置的位置。更特别地，该声学模型可以对应于该移动计算装置和/或该发射装置所位于的特定的房间、区域、空间等。声学模型可以指定该环境内的多个发射器位置。该发射器位置可以对应于一个或多个物理发射装置和一个或多个“虚拟”发射装置。特别地，根据本公开的示例方面，出于位置估计的目的，该声学模型可以将该环境内的一个或多个反射点建模为“虚拟”发射装置，该“虚拟”发射装置可以被解释为物理发射装置。该建模的发射器位置取决于物理发射装置的位置以及该发射装置所位于的环境的反射表面的尺寸规格。这种反射表面可以包括位于环境内的、可以反射由物理发射装置发射的声学信号的墙壁、地面、天花板、对象、物品、家具等。表示虚拟发射器的(一个或多个)发射器位置可以对应于该环境内的声学信号被反射表面反射的反射点。表示(一个或多个)物理发射装置的(一个或多个)发射器位置可以对应于该环境内的(一个或多个)物理发射装置的(一个或多个)实际位置。
以这种方式，该声学模型可以将该环境内的反射表面表示为声学镜。在一些实施方式中，可以至少部分地基于该反射表面的材料来将该反射表面的衰减考虑在内。至少部分地取决于该反射表面的材料的声学属性，这种反射表面的衰减因子通常可以是在大约1dB至大约10dB之间的量级。该声学模型可以表示环境内的任何反射表面。例如，如所指示的，可以表示诸如墙壁、天花板、地面等的大的反射表面。类似地，也可以表示诸如家具、相框、灯具、吊扇等的较小的、较次要(minor)的反射表面。
由该声学模型指定的发射器位置可以取决于环境内的建模的反射表面的尺寸规格。该尺寸规格可以包括指示该反射表面的位置、大小、朝向(比如法线方向)、衰减和/或其他合适的特性的数据。以这种方式，该声学模型可以准确地表示该反射表面上的反射点(比如发射器位置)。
该声学模型可以包括任何合适的数量的发射器位置(比如表示(一个或多个)物理发射设备和(一个或多个)虚拟发射设备)。另外，该声学模型可以表示与一阶反射、二阶反射、三阶反射等相关联的发射器位置。如本文中所使用的，反射的阶(比如一阶、二阶等)对应于与特定的发射器位置相关联的声学信号被反射表面反射的次数。以这种方式，该一阶发射器位置可以表示与声学信号相关联的虚拟发射装置，使得该信号将在到达移动计算装置之前已经被一个反射表面反射。该发射器位置可以表示信号在该反射表面上被反射的反射点。如另一示例，该二阶发射器位置可以表示与声学信号相关联的虚拟发射装置，使得该信号将在到达移动计算设备之前已经被两个反射表面反射。该发射器位置可以表示信号在到达移动计算装置之前在第二(比如最后的)反射表面上被反射的反射点。类似地，零阶发射器位置可以表示物理发射装置，使得由与该零阶发射器位置相关联的移动计算设备接收的声学信号将已经被零个反射表面反射(比如，将直接从物理发射装置传播到移动计算设备)。
限制被用于定义声学模型的反射信号的重叠可以是有利的。例如，由发射装置发射的信号可以由该发射装置所处的环境中的一个或多个反射表面反射。这种反射信号可能重叠，使得它们是不可区分的，这会阻碍与这种反射信号相关联的发射器位置被单独地区分。这种反射可能会引起信号干扰，这可能会潜在地致使所牵涉的信号或其子集彼此不可区分。在相移键控信号的情况下，当路径之间的微分差分小于例如芯片长度时，这种干扰效果是最强的。例如，较高阶的反射更有可能重叠并导致信号干扰。因此，限制信号干扰的可能性可以是有益的，使得在该声学模型中所指定的每个发射器位置是单独地可区分的。以这种方式，操纵发射器位置的数量和方位(position)以降低这种信号干扰可以是有利的。由该声学模型指定的发射器位置的数量可以取决于该环境内与该声学模型相关联的(一个或多个)物理发射装置。类似地，该发射器位置的方位还可以取决于该(一个或多个)物理发射装置。例如，该发射装置的位置和朝向可以影响该发射器位置的数量和方位。类似地，该发射装置的换能器的方向性可以影响该发射器位置的数量和方位。以这种方式，用户可以将该发射装置定位并定向以降低由声学模型指定的该发射器位置的数量，并操纵该发射器位置的方位。类似地，用户可以选择特定的换能器属性(比如方向性)以降低该发射器位置的数量。作为示例，将物理发射装置定位在具有四壁的房间的天花板的角落上或附近可以导致更多数量的由该声学模型指定的可区分的发射器位置，这可以导致更可靠的声学环境。还可以至少部分地通过可以估计接收移动计算装置的朝向的精度来确定该发射器装置的这种布置的唯一性。
可以在建模环境内的移动计算装置的存在之前以及不考虑该建模环境内的移动计算装置的存在的情况下生成声学模型。以这种方式，由该声学模型指定的发射器位置独立于移动计算装置的位置被确定。如下将更详细地描述的，当移动计算装置进入该环境并收到声学信号时，该移动计算装置可以至少部分地基于如该声学模型所指定的已知的发射器位置来估计该移动计算装置的位置。
更特别地，当进入具有(一个或多个)发射装置的环境时，该移动计算装置可以从该(一个或多个)发射装置接收声学信号。这种接收的信号可以对应于直接从该(一个或多个)发射装置传播到该移动计算装置的信号，并且可以对应于已经由环境内的反射表面反射的一个或多个信号。在这方面，接收的声学信号可以表示相对于由(一个或多个)发射装置发射并由移动计算装置接收的声学信号的环境(比如房间)的测量的声学响应；该接收的声学信号表示房间响应函数与该发射的声学信号的卷积。可以至少部分地基于该接收的声学信号和表示该环境的声学模型来估计该移动计算装置的位置。
概述
如上所述，声学(比如超声波)信号非常适合用于诸如标签、移动电话、平板等的移动装置的室内定位。与依赖于基于RF的技术的手段相比，使用低成本的基础设施轻松地估计到达时间(TOA)或飞行时间(TOF)的能力是非常有吸引力的。如发明人已经注意到的，着眼于这一目的，还可以利用许多移动装置的内置音频能力(参见先前申请，比如于2017年12月29日提交的美国申请第15/858,700号；于2017年12月29日提交的美国申请第15/858,893号；于2017年12月29日提交的美国申请第15/858,845号；以及于2017年12月29日提交的美国申请第15/858,683号，其全部以整体通过引用并入本文)。发明人已经注意到，与使用替代技术相比，使用声学信号(例如，超声波)对移动装置的定位也可以使用少得多的基础设施单元(超声波发射器)来完成。这一基础设施需求的降低是由于在室内环境内使用了建筑结构(主要是墙壁、天花板，但也可以使用移动表面)的近乎理想的反射属性。发明人已经注意到，通过将这些结构建模为具有已知的衰减属性的声学镜，可以使用一种创新的定位方法。这一定位方法不需要视线，并且在小房间中，这一定位方法只需要发射声学信号的单个换能器。镜像效果会造成物理地安装的声学发射器的虚拟副本，该虚拟副本可以被利用于在1个、2个或3个维度上定位移动装置。由于来自建筑结构的反射，该移动装置接收作为多路径声学信号的部分的回声。通过有效地将这些回声分配给虚拟位置可以利用这些回声。发明人注意到的替代方法也使用多路径信号的幅度和相位信息来估计移动装置的位置。在这些方法的一些示例中，可以将该幅度和相位信息与移动装置麦克风朝向结合使用。
以上技术其实需要建筑结构的详细的了解以及架置的声学发射器的位置和朝向。然后，这一了解可以被用于创建该建筑及其组成部分(比如走廊、房间、开放区域等)的详细的声学模型。在大的程度上，这种声学模型可以被创建的精度确定了该移动装置的声学定位方法的可靠性和精度。室内环境的声学模型的创建牵涉详细且耗时的测量，该测量使用具有已知朝向和属性的多个麦克风以及具有相似需求的宽带声学源。即使对于建筑中的单个子结构，这种测量可能要花费数小时来执行。并且，这种测量趋向于集中在声学频率频谱的可听见的范围上。不必说，这种测量方法增加了这一室内定位系统的成本。
下面描述一种新的定位系统和方法，如下所概述的，该定位系统和方法使用一种通过组合一些技术和已知的关于建筑的先验信息来导出声学建筑模型的手段。这一手段的优势是，它可以在不到一分钟内生成建筑的子结构(房间、走廊等)的详细的声学模型。这一详细的声学模型可以作为声学信号源的安装处理的部分被生成。
用于建筑的声学模型会捕获该建筑的各种子结构的效果。例如，建筑可以包括会贡献于声学模型的该建筑的各种子结构，比如墙壁、天花板、地板、房间等。基于这些子结构的声学效果，该声学模型捕获诸如墙壁、天花板、地板等(即构成静态或半静态声学反射器的任何东西)的导致静态或半静态声学反射器的子结构的这些效果，这些效果包括该子结构的范围(extent)、位置、朝向以及(在声学发射器装置的载波频率处的)声学衰减。
因此，建筑的声学模型会考虑建筑内部署的所有的声学发射器的位置、朝向、信号强度和其他信号特性，这些信号特性或者相对于建筑内的子结构的局部原点，或者相对于局部或全球参考位置。在某些实施例中，期望的用于位置和朝向的精度可以是：墙壁/天花板的定位精度优于10cm，以及朝向信息优于5度。
为了获得声学模型，在任何现代的建筑中，一种通常可用的重要的辅助是详细说明墙壁和门的位置的所有楼层的布局。在最基本的形式中，这种平面布置图在大多数情况下是具有相对的比例指示的非结构化的像素文件。在最佳情况下，建筑的建筑布置图是以CAD设计文件的形式可用的。在后一种情况下，建筑的所有墙壁和天花板的非常详细的信息可以直接通过解析该CAD设计文件并创建声学建筑模型被获得。在使用该CAD设计文件的这一步骤中，所部署的声学发射器的位置、朝向以及信号特性还不被知道并有待以需要的精度确定。
在已知平面布置图不准确或例如仅仅由非结构化的像素文件组成的场景中，本手段的实施例使用移动装置的内置摄像机及其惯性测量单元(IMU)对架置有声学发射器的房间或区域执行勘测。该勘测获得墙壁、天花板等的所需要的属性(位置、范围和朝向)。可以利用增强现实技术来执行该勘测。增强现实技术正迅速地兴起并用于领先的移动装置操作系统(比如Android，iOS)中。在各种实施例中，这一技术在这些操作系统中的可用性使得这一能力包含在安装工具(比如在移动装置上运行的应用)中。可以通过使用诸如苹果(Apple)的ARkit以及谷歌(Google)的ARcore和Tango的软件开发工具包(SDK)来完成这种包含。该Tango SDK还包括扫描对象的结构化的红外(IR)信号的使用，这与其他手段相比允许更高的精度和可靠性。相同的基于增强现实的技术手段的使用还允许声学发射器装置的位置和朝向的配准(registration)。可以凭借对象模板的使用来实现这一配准，该对象模板允许对由移动装置拍摄的视频图像中的声学发射器装置的识别。
使用增强现实SDK的灵活性，本手段的实施例可以使用移动装置的麦克风来同时地获得架置的声学发射器的发射信号的声学记录。使用在较早的申请中描述的技术(比如于2017年12月29日提交的美国申请第15/858,700号，其以整体通过引用并入本文)，这种音频记录可以包括超声波信号并且可以被用于计算房间响应函数。这种房间响应函数可以被用于辅助移动装置的位置的确定，并且还可以进一步增加声学建筑模型的配准的精度。在某些实施例中，声学发射器装置还可以包括接收发射的声学信号和那些发射的声学信号的回声的能力。在一些实施例中，可以使用被用于发射声学信号的相同的换能器来实施这一声学接收能力，从而提供成本有效的解决方案。在替代实施例中，该声学接收能力可以使用提供性能优势(比如更优的灵敏度)的内置麦克风被实施。发送和接收声学信号的能力都是压电换能器的众所周知的特性。这种压电换能器的显著优势是它们是高谐振的(带宽受限的)，并且因此传送相对高的输出信号电压的事实。还可以利用压电换能器的该带宽受限的性质对接收的声学信号欠采样，从而导致处理该接收的声学信号所需的功率消耗非常低。称为混叠的这一效果允许本手段的实施例以比所要预期的更低的采样率对接收的声学信号采样。例如，可以在载波频率的4/5处采样该接收的声学信号，并且通过一些微不足道的计算操作，可以获得该接收的信号(带宽)的复杂表示。其最终结果是，声学发射器可以以非常低的能量消耗获得该声学环境的房间响应。
总之，通过要求用户使用平面地图(该平面地图可能具有有限的精度(比如1m))、声学发射器装置相对于房间的墙壁的朝向来定位该声学发射器装置，并让用户指示哪个表面上架置了该声学发射器装置，现在可以使用房间响应函数来准确地估计该声学发射器相对于墙壁的位置。在此使用的声学定位技术可以在专利申请中被找到(比如由Dehns于2017年12月29日提交的美国申请第15/858,845号，路径分配应用，其全部以整体通过引用并入本文)。使用声学发射器装置的声学发射和接收技术还可以被用于验证从CAD设计文件或通过使用增强现实技术获得的建筑结构的维度的正确性。另外，实施例可以使用压电发射器的已知信号特性，比如信号强度和空间灵敏度(在发送和接收模式下)，根据由特定的表面识别的反射的幅度来估计该表面的衰减。注意，使用与基于增强现实的房间的配准同时获得的移动装置的房间响应函数，可以显著地增强所有的这些测量。
具有多个换能器的实施例
在一些实施例中，声学发射器装置被配备有多个声学发射器。在这种实施例中，所有的声学发射器装置可以被用于导出在该声学环境内的声学发射器装置的位置，并且使声学模型丰富。这些额外的能力可以导致更稳健、更准确的结果。例如，在多个声学发射器装置具有不同的载波频率、朝向和/或信号方向性的实施例中产生了显著的益处。不同的载波频率降低了破坏性的声学信号干扰影响该估计处理的机会。不同的方向性允许区分具有到该声学发射器装置相似的距离但具有相对于该声学发射器装置的不同的朝向的表面。
声学定位发射器的发射与接收功能性的其他使用
在某些实施例中，房间响应函数估计处理还可以被用于实施运动检测特征或甚至对象定位特征。例如，由静态声学环境所生成的不是房间响应函数的部分的对象将自身表现为新反射器，或者可选地，表现为导致房间响应函数的接收的回声的信号强度的扰乱(降低)。另外，可以观察到在房间响应函数中出现的新路径的多普勒分量。这种观察可以被用于导出创建该新路径的对象的速度分量。观察多普勒分量的实施例容许对诸如人、动物等的对象的识别，但是无需为这些对象配备移动装置。监控这种有源对象的这种能力在用于移动装置的定位系统中非常受关注，因为这种能力允许监督系统来检测存在于室内环境中的对象，其中该对象不需要具有用于识别的移动装置。声学定位发射器的信号获取和获得房间响应函数所需的处理的低功率性质允许实施例以与被用于定位移动装置的声学发射信号相同的更新速率(一般是1Hz)和可选地相同的信号来运行这一处理，同时维持多年的电池寿命。由声学发射器装置登记的任何移动可以使用到定位服务器的内置RF连接，以非常低的延迟被转发到定位服务器，从而形成电池供电的运动监控系统。
发明人认识到，所需要的是能更好地应付不同类型的移动接收器单元的超声波实时位置确定系统。一个问题是，部分地由于各种类型的移动单元的变化的可操作能力，可能难以在特定的实时位置确定系统中包括各种类型的移动单元。例如，某些移动单元(比如智能手机、平板或其他这种消费产品)未被配置为接收远高于20kHz的超声波信号，然而其他移动单元(比如在工业或医疗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波信号。这种可操作能力差异可以使得难以实现使用各种移动接收器单元的灵活且准确的实时位置确定系统。在本文中所描述的本公开的实施例克服这些困难并且提供进一步的优势和特征。
现在将详细参考实施例，在附图中示出实施例的一个或多个示例。每个示例是以实施例的解释而不是本发明的限制的方式被提供。实际上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱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型。例如，作为一个实施例的部分被示出或被描述的特征可以与另一实施例一起使用以得出又一实施例。因此，本公开的各方面旨在覆盖这种修改和变型。
本公开的示例方面针对在实时位置确定系统中使用的发射装置。例如，该发射装置可以被配置为发射声学信号，使得该声学信号可以被一个或多个移动单元接收。在一些实施方式中，该发射装置可以被配置为发射信标数据，使得该信标数据可以被一个或多个移动单元接收。该声学信号可以是超声波声学信号(比如具有大于或等于20kHz的频率的声学信号)。在一些实施方式中，第一和第二声学信号可以包括与该发射装置相关联的识别信息和/或指示在特定的主体区域内的发射装置的位置的位置信息。例如，位置数据可以指示在建筑的特定的房间内的发射装置的位置。
更特别地，该发射装置可以包括第一换能器和第二换能器。该第一换能器可以被配置为发射具有第一频率的第一声学信号，并且该第二换能器可以被配置为发射具有第二频率的第二声学信号。在一些实施方式中，该第一频率可以是大约20kHz，并且该第二频率可以是大约40kHz。如本文中所使用的，当术语“大约”与数值结合使用时，该术语“大约”旨在指该数值的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。典型地，由于使用高效的声学换能器来获得足够的电池寿命，该声学信号具有窄带性质。这意味着该声学信号的带宽在载波频率的5-10％之间。
该发射装置可以进一步包括被配置为发射信标数据的信标装置。在一些实施方式中，该信标装置可以被实施在该发射装置内。该信标装置可以是被配置为使用任何合适的无线通信技术来提供信标数据的任何合适的信标装置。例如，该信标装置可以是射频信标装置(比如蓝牙低功耗(BLE)信标装置、蓝牙信标装置、WiFi信标装置、WiFi直接信标装置、近场通信信标装置、ZigBee信标装置等)、红外信标装置或其他合适的信标装置。以这种方式，该信标装置可以包括被配置为发射(比如使用合适的短程无线通信技术来广播)信标数据的合适的发射装置。该信标数据可以包括指示该发射装置的身份的数据和/或指示该发射装置的位置的数据。在一些实施方式中，被包括在该信标数据中的位置数据可以是在特定的主体区域内的发射装置的相对位置。该信标数据还可以包括牵涉传输的定时的信息，所述传输为RF、超声波或其他传输。
实时位置确定系统可以是例如室内定位系统。更特别地，该实时位置确定系统可以包括发射装置以及一个或多个移动单元。该移动单元可以是任何用户装置，比如智能手机、平板计算机、膝上型计算机、可穿戴计算装置或能够在操作时由用户携带的任何其他合适的用户装置。在一些实施方式中，可以将该移动单元专用于被配置为粘贴或附着至人、对象或物品的定位标签。这种定位标签可操作用于与发射装置通信，以确定该定位标签(以及该定位标签所附着的相应的(一个或多个)人、(一个或多个)对象或(一个或多个)物品)的位置。
以这种方式，发射装置可以被配置为在主体区域内发射声学信号和/或信标数据，使得在该发射装置的广播范围内的一个或多个移动单元可以接收该发射的声学信号和/或信标数据。在一些实施方式中，接收该声学信号和/或该信标数据的移动单元可以然后确定该移动单元在主体区域内的位置。在一些实施方式中，该移动单元可以将该声学信号和/或该信标数据提供给服务器(比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该声学信号和/或该信标数据来确定该移动单元在主体区域内的位置。
特别地，本公开的实时位置确定系统可以被用于确定一个或多个移动单元的位置、朝向和/或方向。该移动单元的位置、朝向和/或方向可以是相对于主体区域的。例如，该移动单元的位置可以是主体区域内的位置。更特别地，该位置可以相对于主体区域的布局和维度和/或主体区域所位于的建筑或其他实体的布局或维度被确定。该位置可以是指定相对于3D空间的x坐标、y坐标和z坐标的三维(3D)位置。在一些实施方式中，该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。
在一些实施方式中，发射装置可以至少部分地基于与实时位置确定系统相关联的一个或多个移动单元的能力来确定是发射具有第一频率的第一声学信号还是具有第二频率的第二声学信号(或两者)。例如，可以至少部分地基于与该实时位置确定系统相关联的移动单元内所包括的一个或多个麦克风(或其他合适的换能器)来完成第一或第二声学信号的选择。如上所示，(由第一换能器提供的)第一声学信号可以具有大约20kHz的频率，并且(由第二换能器提供的)第二声学信号可以具有大约40kHz的频率。
可以至少部分地基于与实时位置确定系统相关联的移动单元的已知能力来预定要发射哪些声学信号的确定(以及由此要使用哪个换能器来发射该信号)。例如，常规的智能手机包括可操作用于接收具有20kHz的频率的声学信号的麦克风。如果已知与该实时位置确定系统相关联的该移动单元包括智能手机(或可操作用于接收20kHz的频率的其他合适的移动单元)，则发射装置可以被操作以经由第一换能器提供第一声学信号。在一些实施方式中，这种声学信号确定可以由与实时位置确定系统相关联的用户或其他人手动地完成，例如，凭借与和实时位置确定系统相关联的计算装置(比如下面描述的一个或多个计算装置)相关联的用户界面的交互作用。在一些实施方式中，可以至少部分地基于由与实时位置确定系统相关联的计算装置(比如下面描述的一个或多个计算装置)执行的查找功能来自动地执行该声学信号确定。更特别地，该计算装置可以访问指定要被用于该声学信号的确定的信息的查找表。这种查找表可以包括例如与该实时位置确定系统相关联的移动单元的特性和/或能力。例如，该查找表可以指定各种合适的移动单元的麦克风类型、特性和能力等。在一些实施方式中，该查找表可以指定用于发射声学信号的特定的频率或换能器。可以预定或可以实时确定查找功能。例如，发射装置可以与移动单元通信，以确定该移动单元的身份。然后，该发射装置可以基于该身份来执行查找功能。
可以至少部分地基于由移动单元接收的声学信号来确定该移动单元的位置、朝向和/或方向。将理解的是，可以使用各种适合的位置确定技术来确定这种信息。例如，使用三边测量、多边测量、三角测量或其他合适的技术，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)等来确定该移动单元的位置、朝向和/或方向。在一些实施方式中，可以至少部分地基于实施在移动单元内或以其它方式与该移动单元相关联的一个或多个方位传感器来确定该移动单元的位置、朝向和/或方向。例如，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，可以确定或完善这种信息。
在一些实施方式中，可以至少部分地基于由发射装置提供的信标数据来确定该移动单元的位置、朝向和/或方向。例如，该信标数据可以与声学信号和/或方位传感器数据结合使用，以确定该移动单元的位置、朝向和/或方向。在这种实施方式中，该信标数据可以被移动装置用于确定该移动单元的位置、朝向和/或方向的粗略估计，可以至少部分地基于该声学信号和/或该方位传感器数据来完善该粗略估计。在一些实施方式中，该信标数据可以被用作声学信号的备份。例如，如果声学信号不能被用于确定移动单元的位置(比如，如果移动单元上的(一个或多个)麦克风没有接收声学信号)，则该信标数据可以被用于确定该移动单元的位置、朝向和/或方向。通常，根据信标数据确定的移动单元的位置、朝向和/或方向将不如使用声学信号确定的位置、朝向和/或方向那么准确。
如上所指示的，相对于常规的实时位置确定系统，本公开的实时位置确定系统提供更准确和有效的位置确定系统。更特别地，本公开的实时位置确定系统提供大约6英寸至大约12英寸内的增加的精度。以这种方式，可以逐个房间和/或逐个子房间地确定移动单元的位置，这可以允许更准确的位置追踪。这种实时位置确定系统需要较少的处理功率，以及较小且易于扩展的不太复杂的基础设施。这种实时位置确定系统通过利用众多的位置确定技术(比如使用声学信号、方位传感器数据和/或信标数据)来进一步提供近实时的延迟。这种实时位置确定系统通过允许各种类型的移动单元的使用并且具有提供具有多个频率的多个声学信号以适应这样的各种移动单元的能力，来进一步提供增加的灵活性。
本公开的实时位置确定系统可以被用于许多应用中，比如位置追踪、工作流程、移动装备追踪、安全和遵守(比如手部卫生遵守、温度监控、婴儿绑架保护的门锁、漫游管理、寻路、移动装备管理、人员位置确定等)或其他合适的应用。例如，本公开的实时位置确定系统可以被配置为通过向用户提供从原点到目的地的路线指示、逐步方向等来提供寻路信息。在一些实施方式中，这种寻路应用可以和与用户的移动单元相关联的地图或路线应用结合使用，以促进相对于建筑、区域、地理地区等的地图的寻路。使用的一个示例领域是在医疗保健行业内。例如，本公开的实时位置确定系统可以被实施在医院内，以提供患者追踪、患者流程等。
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方面的示例实时位置确定系统100。该系统100包括移动装置102、发射装置104和远程计算装置106。在各种实施方式中，该系统100可以包括在整个环境(比如校园、建筑、房间、区域等)中部署的一个或多个发射装置，所述发射装置被部署为使得促进位于该环境中的一个或多个移动计算装置的位置确定。该发射装置可以基于用户的需要或期望，以各种合适的布置或配置被部署在整个环境中。
图2描绘了用于确定在声学实时位置确定系统中使用的建筑的声学模型的示例方法(200)的流程图。在步骤202中，该方法200导出该建筑内的子结构的声学表示。在步骤204中，该方法200确定静态声学发射装置的位置和朝向。在步骤206中，该方法200基于该声学表示和该静态声学发射装置的位置和朝向来形成声学模型。
图3描绘了用于确定在声学实时位置确定系统中使用的建筑内的房间的声学模型的示例方法(300)的流程图。在步骤302中，该方法300从静态声学发射装置发射声学信号。在步骤304中，该方法300在静态声学发射装置处接收由于该声学信号与形成房间的结构之间的交互作用而产生的反射信号。在步骤306中，该方法300接收静态声学发射装置的位置和朝向。在步骤308中，该方法300基于该反射信号和该静态声学发射装置的位置和朝向来形成声学模型。
图4描绘了可以被用于实施本公开的方法和系统的示例系统400。在一些实施方式中，该系统400可以是被配置为确定各种合适的移动计算装置的位置的实时位置确定系统的至少部分。该系统400可以使用客户端-服务器体系结构被实施，该客户端-服务器体系结构包括与诸如服务器430的一个或多个远程计算装置通信的移动计算装置410。该系统400可以使用其他合适的体系结构被实施。
如所示的，该系统400可以包括移动计算装置410。该移动计算装置410可以是任何合适的类型的移动计算装置，比如智能手机、平板、蜂窝电话、可穿戴计算装置或能够被用于移动操作的任何其他合适的移动计算装置。在一些实施方式中，该移动计算装置可以是专用的标签(比如有源的或无源的)或在实时位置确定系统中使用的其他装置。该移动计算装置410可以包括一个或多个处理器412以及一个或多个存储器装置414。
该一个或多个处理器412可以包括任何合适的处理装置，比如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑装置、一个或多个中央处理单元(CPU)、专用于有效地渲染图像或执行其他专门的计算的图形处理单元(GPU)以及/或者其他处理装置，比如片上系统(SoC)或具有集成的RF收发器的SoC。该一个或多个存储器装置414可以包括一个或多个计算机可读介质，该计算机可读介质包括但不限于非瞬时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬驱动、闪存或其他存储器装置。
该一个或多个存储器装置414可以存储可由该一个或多个处理器412访问的信息，该信息包括可以由该一个或多个处理器412执行的指令416。例如，该存储器装置414可以存储用于实施一个或多个模块的指令416，该模块被配置为实施发射器位置选择器108、模型路径生成器110和/或位置估计器112和/或其他合适的指令。
每个发射器位置选择器108、模型路径生成器110和位置估计器112可以包括被利用以提供期望的功能性的计算机逻辑。因此，每个发射器位置选择器108、模型路径生成器110和位置估计器112可以被实施在控制通用处理器的硬件、专用电路、固件和/或软件中。在一个实施例中，每个发射器位置选择器108、模型路径生成器110和位置估计器112是存储在存储装置上、加载到存储器中并由处理器执行的程序代码文件，或者可以从计算机程序产品中被提供，例如被存储在诸如RAM、硬盘或光或磁介质的有形的计算机可读存储介质中的计算机可执行指令。发射器位置选择器108、模型路径生成器110和位置估计器112可以分别对应于一个或多个不同的程序、文件、电路或指令集。同样地，两个或多于两个的发射器位置选择器108、模型路径生成器110和位置估计器112可以被组合为单个程序、文件、电路或指令集。
指令416可以进一步包括用于实施浏览器的指令、用于运行专门的应用的指令或者用于在移动计算装置410上执行其他功能的指令。例如，该专门的应用可以被用于通过网络440与服务器430交换数据。该指令416可以包括用于提供和实施本公开的各方面的客户端装置可读代码。例如，该指令416可以包括用于实施与实时位置确定系统相关联的应用的指令或者在移动计算装置410上实施寻路、资产追踪或其他服务的第三方应用的指令。
该一个或多个存储器装置414还可以包括可以由该一个或多个处理器412来检索、操纵、创建或存储的数据418。该数据418可以包括例如声学模型数据、传感器数据和/或其他数据。
移动计算装置410可以包括用于提供和接收来自用户的信息的各种输入/输出装置，比如触摸屏、触摸板、数据输入键、扬声器和/或适合用于语音识别的麦克风。例如，该移动计算装置410可以具有用于向用户呈现用户界面的显示器420。
该移动计算装置410可以进一步包括定位系统424。该定位系统424可以是用于确定远程计算装置的位置的任何装置或电路。例如，定位装置可以通过使用卫星导航定位系统(比如GPS系统、伽利略定位系统、全球导航卫星系统(GLONASS)、北斗卫星导航及定位系统)、惯性导航系统(比如使用诸如惯性测量单元的定位传感器)、航位推算系统，基于IP地址，通过使用三角测量和/或与蜂窝塔、蓝牙热点、BLE信标、Wi-Fi接入点或Wi-Fi热点的邻近度、Wi-Fi飞行时间和/或用于确定位置的其他合适的技术，来确定实际或相对位置。
该移动计算装置410还可以包括被用于通过网络440与一个或多个远程计算装置(比如服务器430)通信的网络接口。该网络接口可以包括用于与一个或多个网络接口连接的任何合适的组件，包括例如发射器、接收器、端口、控制器、天线或其他合适的组件。
该移动计算装置410可以进一步包括被用于与一个或多个发射装置(比如发射装置450)通信的通信系统。该通信系统可以包括例如被配置为从该发射装置450接收声学(比如超声波)信号的一个或多个换能器(例如，麦克风装置)。
在一些实施方式中，该移动计算装置410可以通过网络440与诸如服务器430的远程计算装置进行通信。服务器430可以包括一个或多个计算装置。服务器430可以包括一个或多个计算装置，并且可以被实施为例如并行或分布式计算系统。特别地，多个计算装置可以一起作为单个服务器430。
与该移动计算装置410类似，该服务器430可以包括一个或多个处理器432和存储器434。该一个或多个处理器432可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)和/或其他处理装置。该存储器434可以包括一个或多个计算机可读介质，并且可以存储可由该一个或多个处理器432访问的信息，包括数据438以及可以由该一个或多个处理器432执行的指令436。例如，尽管在图4中将发射器位置选择器108、模型路径生成器110和位置估计器112描绘为被包括在移动计算装置410中，但在其他实施方式中，一个或多个发射器位置选择器108、模型路径生成器110和位置估计器112可以被包括在服务器430中。
数据438可以被存储在一个或多个数据库中。该数据可以包括声学模型数据和其他数据。该一个或多个数据库可以通过高带宽LAN或WAN被连接到服务器430，或者也可以通过网络440被连接到服务器430。该一个或多个数据库可以被分开，以使它们位于多个场所中。
该服务器430还可以包括被用于通过网络440与计算装置410通信的网络接口。该网络接口可以包括用于与一个或多个网络接口连接的任何合适的组件，包括例如发射器、接收器、端口、控制器、天线或其他合适的组件。
网络440可以是任何类型的通信网络，例如局域网(比如内联网)、广域网(比如因特网)、蜂窝网络或其某种组合。该网络440还可以包括在移动计算装置410和服务器430之间的直接连接。该网络440可以包括任意数量的有线或无线链路，并且可以使用任何合适的通信协议被执行。
该系统400可以进一步包括一个或多个发射装置，比如发射装置450。该发射装置450可以发射诸如关于图1中的发射装置104所描述的声学信号(比如超声波信号)。在一些实施方式中，该发射装置450可以发射其他合适的信号，比如射频信号。该发射装置450可以使用任何合适的(一个或多个)计算装置被实施。该发射装置450可以包括被配置为发出声学或其他合适的信号的一个或多个换能器，根据本公开的示例方面，该声学或其他合适的信号可以由移动计算装置410使用，以促进该移动计算装置410的位置估计。尽管在图4中仅描绘了一个发射装置，本领域技术人员将理解的是，任何合适的数量的发射装置可以被包括在系统400中。
本文中所讨论的技术参考了服务器、数据库、软件应用和其他基于计算机的系统，以及这种系统采取的行动和往返于这种系统发送的信息。本领域的普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性允许组件之间的任务和功能性的很多种可能的配置、组合和拆分。例如，可以使用单个服务器或组合工作的多个服务器来实施本文中所讨论的服务器处理。数据库和应用可以被实施在单个系统上或跨多个系统分布。分布式组件可以顺序地或并行地操作。
虽然本主题已经相对于其具体的示例实施例被详细描述，但是将理解的是，本领域的技术人员在达到前述内容的理解时，可以容易地产生对这种实施例的替代、变型和等同形式。因此，本公开的范围是通过示例的方式而不是通过限制的方式，并且本公开不排除对本主题的这种修改、变型和/或添加的包括，因为这对于本领域的普通技术人员会是显而易见的。

Claims (13)

1.一种用于确定在声学实时位置确定系统中使用的建筑的声学模型的计算机实施的方法，所述方法包括：
导出建筑内的子结构的声学表示；
确定静态声学发射装置的位置和朝向；以及
基于所述声学表示和所述静态声学发射装置的所述位置和所述朝向来形成声学模型。
2.如权利要求1所述的计算机实施的方法，其中，导出所述声学表示包括：
接收所述建筑内的所述子结构的计算机辅助设计(CAD)文件；以及
从所述CAD文件导出所述声学表示。
3.如权利要求1所述的计算机实施的方法，其中，导出所述声学表示包括：
使用移动装置的相机勘测所述建筑内的所述子结构。
4.如权利要求3所述的计算机实施的方法，其中，确定所述静态声学发射装置的位置和朝向包括在勘测所述子结构期间，识别所述静态声学发射装置。
5.如权利要求3所述的计算机实施的方法，其中，确定所述静态声学发射装置的位置和朝向进一步包括：
基于勘测所述子结构来使用增强现实。
6.如权利要求2所述的计算机实施的方法，其中，导出所述声学表示包括：
从所述CAD文件导出所述子结构。
7.如权利要求6所述的计算机实施的方法，其中，确定所述静态声学发射装置的位置和朝向包括接收来自用户的关于所述静态声学发射装置的输入。
8.如权利要求6所述的计算机实施的方法，其中，确定所述静态声学发射装置的位置和朝向进一步包括：
使用增强现实来识别相对于所述CAD文件中的所述子结构的所述静态声学发射装置的位置。
9.一种用于确定在声学实时位置确定系统中使用的建筑内的房间的声学模型的计算机实施的方法，所述方法包括：
从静态声学发射装置发射声学信号；
在所述静态声学发射装置处，接收由所述声学信号与形成房间的结构的交互作用引起的反射信号；
接收静态声学发射装置的位置和朝向；以及
基于所述反射信号以及所述静态声学发射装置的位置和朝向来形成声学模型。
10.如权利要求9所述的计算机实施的方法，其中，形成所述声学模型进一步包括混叠所述反射信号。
11.如权利要求9所述的计算机实施的方法，其中，所述静态声学发射装置进一步包括第一换能器和第二换能器，所述发射进一步包括使用所述第一换能器发射在第一频率的声学信号，所述方法进一步包括：
使用所述第二换能器从所述静态声学发射装置发射在第二频率的第二声学信号。
12.如权利要求9所述的计算机实施的方法，进一步包括：
基于确定所述声学信号中的多普勒频移来检测所述房间内的对象的运动。
13.如权利要求9所述的计算机实施的方法，进一步包括：
基于新反射器的识别或所述反射信号的信号强度的干扰的确定来检测所述房间内的对象的存在。
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