CN1930489A - 物体位置估计 - Google Patents

Abstract

一种用于确定由表面(11，12)限定的空间(10)中物体(8)的位置的系统至少包括第一换能器(1)、第二换能器(2)和处理装置。换能器以相互间距(D)设置。处理装置被设置用于确定在物体和每个换能器(1，2)之间传输的声信号和它们的反射的到达时间。根据声信号组和相关反射的到达时间的差异，处理装置可以确定由哪个表面(11，12)反射间接声信号，由此提供了另外的位置信息。

Description

物体位置估计

本发明涉及物体位置估计。更具体地说，本发明涉及用于确定由表面限定的空间中物体的位置的装置和系统。

众所周知，使用声信号的传输时间来确定海水中的潜艇的浸没深度。使用声信号来确定空气中的物体的位置是很不常见的。

欧洲专利申请03101098.1描述了用于使用超声估计房间内物体的位置的位置估计系统。该系统不仅检测最短的路线信号而且还检测反射信号以获得关于物体位置的更多信息。将检测的信号与模板相比较，并且匹配模板限定了房间内的位置。

尽管欧洲专利申请03101098.1的系统非常有效，但是它具有的缺点是它不能在不同表面(即墙壁、天花板和地板)的反射之间区分。换句话说，当检测反射信号时，系统不能确定反射信号是被房间左手边的墙壁反射的还是被右手边的墙壁反射的。结果，可能仍存在关于物体的位置的一些模糊之处。

本发明的目的是克服现有技术的这些和其它问题，并提供用于确定物体位置的装置，其允许更精确地确定物体的位置。

本发明的另一目的是提供用于确定物体的位置的装置，其能在被不同表面反射的信号之间区分。

本发明的另一目的是提供用于确定物体的位置的系统和方法。

因此，本发明提供用于在由表面限定的空间中确定物体的位置的装置，该装置被设置用于与声换能器单元合作以检测在物体和换能器单元之间传送的声信号，包括它们的反射，并且根据检测的声信号和它们的反射推断物体的位置，其中声换能器单元至少包括以相互间距设置的第一换能器和第二换能器，并且其中装置进一步被设置用于确定检测的声信号和它们的反射的到达时间，并且根据反射到达时间的次序和所述到达时间与相应换能器的对应使反射与表面相关联，以根据所述次序得出位置信息。

通过使用隔开的至少两个换能器并确定声信号的反射的到达时间，可以在由不同表面引起的反射之间进行区分，因为反射的到达时间将由这些表面确定。结果，反射可以与反射表面相关联，即可以识别引起特定反射的表面。这些表面相对于换能器的位置提供有价值的位置信息，允许可靠地确定物体的位置。此外，确定被检测的直接即非反射的声信号的到达时间提供了附加的位置信息，允许更精确地推断出物体的位置。

更具体地说，间接的即与第一和第二换能器相关联的反射信号可以以相反的时间顺序到达，取决于反射表面。这样，对应于第一和第二换能器的反射信号的相对到达时间提供了引起反射的表面和反射的轨迹并且由此的物体的位置的指示。

在优选实施例中，本发明的装置被进一步设置用于检测反射的到达时间的任何反转。即，在换能器单元的换能器接收的声信号的反射的到达时间的反转，和/或由换能器单元的换能器产生的声信号的反射的到达时间的反转，用于识别引起反射的表面。

在有利实施例中，该装置被进一步设置用于比较其中检测声信号的反射的次序和其中检测相关的声信号的次序。由此，通过包括直接声信号，实现了检测时间的改善的比较，并且可以更精确地识别反射表面，产生更好的位置估计。

在优选实施例中，本发明的装置被进一步设置用于确定其中检测声信号的次序。即，与该至少两个换能器相关的直接信号检测时间的次序用于得出位置信息。应当理解，该次序不用于识别表面而是直接推断出位置信息，特别是关于物体相对于换能器单元的位置的信息，例如指示物体是位于换能器的左边还是右边的信息。

可以仅根据声信号和相关反射的到达时间来确定物体的位置，因为这些到达时间限定了包括反射的声信号的传输路径。然而，在有利实施例中，本发明的装置被进一步设置用于使检测的声信号与预定模板匹配。在该实施例中，一般在所涉及的空间中接收的声信号的模板被制作并存储，并且使当确定位置时检测的声信号和反射与模板匹配，最好的匹配提供位置的估计。这种模板匹配的技术在上述欧洲专利申请03101098.1中被更详细地描述。本发明提供对所述模板匹配技术的有价值的添加并去除了任何仍存在的模糊之处。

在第一实施例中，换能器被设置用于检测声信号。在该实施例中，声信号可以由物体或者外部源产生。本发明的装置在该实施例中耦接到换能器。

在第二实施例中，换能器被设置用于产生声信号。在该实施例中，声信号由换能器产生，并且可以通过位于待确定位置的物体中的另一换能器(检测器)来检测。本发明的装置在该实施例中适当地耦接到物体。即，该装置可以位于物体中或者可以耦接到物体以从该另一换能器接收检测信号。

在第三实施例中，换能器被设置用于产生和检测声信号。在该实施例中，声信号可以由换能器产生，被物体反射或再次发送，然后被相同的换能器检测。本发明的装置在该实施例中耦接到换能器，并且可以包括用于产生适当的换能器激发信号的电路。

在第三实施例中，由两个(或多个)换能器产生的声信号可以例如通过下述来区分，即通过当同时传送时具有稍微不同的频率或包含识别信号，或者通过连续传送声信号，优选以预定时间间隔。

优选地，声信号是超声信号。通过使用不能听得见的信号，避免了任何音乐干扰或对于用户来说的任何不适。

然而，也可以使用音频信号，即可听得见的信号。

在优选实施例中，仅使用两个换能器。然而，这允许仅在单平面内确定物体的位置。因此，在有利的替换实施例中，存在设置成二维图形的至少三个换能器，以获得三维位置信息。该图形可以例如是三角形或正方形。这种配置允许在两个正交平面内，即在三维内，例如通过在每个平面内分开地应用本发明或者通过直接确定物体的三维位置来确定物体的位置。

有利地，本发明的装置被进一步设置用于确定声信号和它们的反射相对于那些信号的传输时间的到达时间。这提供关于物体的位置的另外的信息，因为直接的声信号相对于相应的传输时间以及由此的直接信号的传输时间的到达时间与传输路径的长度成比例。用声音的速度(在空气中大约是343m/s)除该传输时间得到传输路径的长度。

本发明进一步提供用于确定由表面限定的空间中物体的位置的系统，该系统包括第一换能器、第二换能器和如上所述的装置。该系统还可以包括设置在物体中用于检测由第一和第二换能器传送的声信号的另一换能器。应当理解，该系统可以包括换能器单元，其包括两个以上的换能器，例如三个或四个。

本发明还提供使用声换能器单元确定由表面限定的空间中物体的位置的方法，该方法包括以下步骤：检测在物体和换能器单元之间传送的声信号，包括它们的反射，以及根据检测的声信号和它们的反射推断出物体的位置，其中声换能器单元至少包括以相互间距设置的第一换能器和第二换能器，并且其中确定检测的声信号和它们的反射的到达时间，以及根据反射的到达时间的次序和所述到达时间与相应换能器的对应使反射与表面相关联，以根据所述次序得出位置信息。

另外，本发明提供用于执行如上所限定的方法的计算机程序产品。

下面将参考附图所示的示例性实施例进一步解释本发明，其中：

图1用平面图示意性地示出根据现有技术定位物体的位置的房间。

图2示意性地示出现有技术中所使用的声脉冲和它们的到达时间。

图3用平面图示意性地示出根据本发明定位物体的位置的房间。

图4示意性地示出本发明中所使用的声脉冲和它们的到达时间。

图5示意性地示出根据本发明用于确定物体的位置的装置。

图6示意性地示出根据本发明的替换换能器装置。

在图1中仅借助非限定性实例示出的房间10由侧壁11和12，前壁13和后壁14限定。该房间还可以具有天花板和地板，为了清楚地说明起见，其在图1中未示出。

根据现有技术，单个换能器1被设置在房间中，在实例中被示为在前壁13处。将要确定其位置的物体8位于房间10中。

由物体8发出的声信号(即音频或超声信号)将沿多个方向传播。一个这种传播路径，也被称为传输路径，形成从物体8到换能器1的最短路线。遵循该“视线”路径d₁的声信号首先被换能器1检测，因为涉及反射的替换路径更长，例如路径d₁′和d₁″。即，涉及远离侧壁11和12的反射的任何路径的信号相对于直接路径d₁将被稍微延迟。该延迟，其将在稍后参考图2来更详细地解释，提供关于物体8的位置的信息。

在图1中，示出了“虚拟换能器”1′，1″和1。虚拟换能器1′，1″是相对于壁11和12反射的实际换能器1的镜像。

虚拟换能器1本身是虚拟换能器1′相对于壁12的镜像。这些虚拟换能器仅用于阐明传输路径的几何形状，因为应当理解换能器1是实际换能器并且所有实际传输路径位于房间10内部。由此，相对于左壁11的第一反射遵循传输路径d₁′，相对于右壁12的第二反射遵循传输路径d₁″，而首先相对于右壁12然后相对于左壁11反射的第三反射遵循传输路径d₁。

在图2中，检测的声脉冲的幅度(A)被示意性地示出。这些被图1的换能器1检测的脉冲在不同的时间点(t)被检测。

如可以在图2中看出的，每个传输路径使换能器1检测声信号：在t₁，换能器1检测直接(“视线”)路径d₁，在t₂，通过传输路径d₁′的第一反射，在t₃，通过传输路径d₁″的第二反射，以及在t₄，通过传输路径d₁的第三反射。这些到达时间提供关于物体8的位置的有价值的信息。然而，不可以确定反射是由左壁11引起的还是由右壁12引起的。结果，所检测的物体8的位置是模糊的，并且在实际物体8和“虚幻”物体9之间不能进行区分，该物体9位于与物体8相同的距离但是在相对于房间10的中心线被反射的位置处。本发明的目的在于解决该问题。

根据本发明，第一换能器1和第二换能器2都被设置在前壁13处，这在图3中被示意性地示出。如前所述，将要被确定位置的物体8位于房间10中。应当理解，房间10仅用作实例，并且本发明还可以用于任何具有至少两个表面的其它空间中，例如墙壁、天花板和/或地板。因此本发明还可以用在例如两个建筑物之间的空间中。

在下述讨论中，假定换能器1和2接收由物体8发出的声信号。然而，本发明不限于此，并且可以设想实施例，其中换能器发射被物体8接收或反射的声信号。可替换地，换能器1和2可以接收被另一换能器(未示出)发射且被物体8反射的声信号。

由物体8发射的声信号(即，音频或超声信号)将再次沿多个方向传播。两个这种传播路径，也被称为传输路径，分别形成从物体8到换能器1和2的最短路线。遵循这些“视线”路径d₁和d₂的声信号将首先分别被换能器1和2检测到，因为涉及反射的替换路径更长，例如路径d₁′和d₂′。也就是说，涉及远离侧壁11和12的反射的任何路径的信号将相对于直接路径d₁和d₂稍微延迟。该延迟，其稍后将参考图4被更详细地解释，提供关于物体8的位置的信息。

在图3的实例中，物体8位于房间10的中间的左边，而换能器1和2位置接近于前壁13的中心。结果，直接路径d₁稍微短于直接路径d₂，并且来自物体8的声信号将在它到达换能器2之前到达换能器1。这在图4中被示意性地示出，在图4中在多个时间点(t)处示出检测到的信号幅度(A)。在t₁，换能器1是第一个检测信号(路径d₁)的，其后是在一短延迟之后在t₂的换能器2。该时间延迟Δ＝(t₂-t₁)已经表明，在图3的几何形状中，物体8位于房间10的中间的左边。从图3可以看出，如果物体8位于房间中央，与换能器1和2相对，则时间延迟Δ将等于零。类似地，如果物体8位于房间中间的右边，则时间延迟Δ将是负的(换能器1接收声信号迟于换能器2)。

注意，时间延迟Δ是由于物体8的位置和换能器1和2的间距D引起的。在现有技术配置中，其中仅使用单个扩音器或其它换能器，该时间延迟Δ不能被检测到，因此丢失了有价值的位置信息。

在t₃，第一换能器1接收已被左侧壁11反射的信号。该信号遵循路径在图3中示出的路径d₁′。在t₄，第二换能器2接收对应信号，其遵循图3的路径d₂′。如图3示意性示出的，远离左壁11的反射可以被模拟作为引向虚拟换能器1′和2′的路径，其位置是相对于换能器的实际位置的壁11的镜像。

类似地，远离右壁12的反射可以被模拟作为分别引向虚拟换能器2″和1″的路径d₂″和d₁″，虚拟换能器的位置是相对于壁12的镜像。注意，路径d₂″比路径d₁″更接近于(实际)换能器1和2。结果，路径d₂″更短，并且信号将首先到达第二换能器2。这在图4中示出，其中第二换能器2在t₅接收信号，而第一换能器1在t₆接收相同的信号。接收次序的这种反向是物体8的位置的另一有价值的指示。特别地，这种相反表明，在t₅和t₆接收的信号被右壁12而不是左壁11反射。再次注意，这种反向不能被仅具有单个换能器的配置或者被不存在间距D的配置检测到。

如所看出的，远离右壁的进一步反射是可以的，导致路径d₁和d₂分别朝向虚拟换能器1和2(为了清楚起见，房间10内部的路径d₁和d₂未示出，但当然与图1所示的反射相似)。虚拟换能器1和2的位置分别是相对于虚拟换能器1′和2′的位置的壁12的镜像。这些进一步的反射分别在t₇和t₈(图4)处被接收。尽管可以使用由另外的反射得到的另外的信号(未示出)，但是优选仅使用首先三或四对信号(例如首先八个时间点t₁-t₈)。因此，其中检测声信号的时间间隔T延伸以便至少包括第一和第二反射对，并且优选地还包括第三反射对。注意，时间间隔T可以开始于公共参考时间点t₀(在图4中表示为0)以产生“绝对的”到达时间，该时间点t₀优选是传输声脉冲的时刻。本领域技术人员将能够利用已知的机械装置，其当一方面用作信号检测器以及另一方面用作传输换能器时提供换能器1和2的时间同步，以便建立公共参考时间点。例如，传输的信号可以设有时间戳，其包括例如码字(数字)或码信号(模拟)。可替换地，接收的信号可以被再传输以便提供传输时间指示。

在图4中，表明通过哪个换能器接收每个信号。“正常”次序是1-2，可以看出由于传输路径涉及右壁12，因此在t₅和t₆接收的第二反射以相反的次序被接收。使用信号接收的次序，因此可以确定在t₁和t₂接收的信号对是直接路径信号，在t₃和t₄接收的信号是被左壁11反射的间接信号，以及在t₅和t₆接收的信号是被右壁12反射的间接信号。

当房间10的几何形状已知时，可以根据到达时间t₁到t₈确定物体8的位置。特别地，相对时间差t₃-t₁和t₆-t₁提供关于路径d₁、d₁′和d₁″的长度的信息。根据反射被检测的次序识别反射表面表明了这些路径的一般方向。使用公知的几何公式，则可以明白地确定物体8的位置。

尽管可以仅根据检测的声脉冲和它们的反射的到达时间来确定物体8的位置，但是优选另外使用检测的信号和反射的模板匹配。这涉及制作用于房间10中的大量可能位置的接收的声信号和它们的反射的模板，并存储这些模板。当确定房间中物体的位置时，将接收的信号的信号幅度(包络)和存储的模板相比较。所存储的符合最佳匹配的位置是所需位置。这种技术在上述欧洲专利申请03101098.1中被更详细地描述，在该文件中引入其全部内容作为参考。

注意，在上述模板匹配方法中执行的比较可以涉及简单减法或最小平方比较，但优选是每个声信号与多个模板的相关性。这种数学相关性技术是公知的，并且不需要另外解释。选择具有与特定检测的声信号的最高的、即“最好的”相关性的模板。由于符合特定模板的物体位置先前已被存储，因此接着检索该位置以产生确定的物体位置。

已经发现，当除了模板匹配之外使用时，本发明提供欧洲专利申请03101098.1的方法的显著改善。特别地，所述方法在存在噪声和/或当检测到大量反射时可能产生模糊结果。本发明通过提供另外的位置信息去除了这些模糊，所述另外的位置信息可以适当地结合由模板匹配方法提供的位置信息以产生精确的位置确定。因此，在特别有利的实施例中，执行模板匹配，提供不是一个而是(少量)多个最佳匹配(即匹配模板)的“候选名单”，例如三个、五个、或十个。也执行根据本发明的位置确定，产生另外确定的位置。接着将该另外的位置(基于反射检测次序)与上述“候选名单”比较，以选择符合另外的基于反射的位置的基于最佳模板的位置。清楚的是，这种组合方法提供用于错误检验的极好可能性：当不存在符合基于反射的位置的基于模板的位置时，必定产生错误。这些错误可能是由于噪声、在所涉及的空间中移动其它物体、以及其它原因产生的。

图3和4的实例涉及平面内、即二维中的位置检测。应当理解，本发明还可以用于三维位置检测，这将在稍后参考图6a-d来解释。

用于确定房间中物体的位置的装置在图5中示意性地示出。示例性装置20包括接口单元21、处理器单元22、存储单元23和输入/输出(I/O)单元24。第一换能器1和第二换能器2通过提供适当的信号转换的接口单元21耦接到装置20。处理器单元22优选包括能够执行存储在存储单元23中的计算机程序的微处理器。除了用于例如模板匹配和/或信号处理的计算机程序之外，存储单元23还可以存储模板。计算机程序可以从适当的载体装置例如CD或DVD中载入存储单元23。

换能器可用于检测声信号、产生声信号，或者用于两者。在一个实施例中，换能器1和2产生包含诸如(数字)码字或特殊唯一频率之类的标识的声信号。在该特定实施例中，物体8可以包含单个换能器，并且可以进一步包含装置20，或者可替换地，包含用于将由换能器产生的信号传输到远程装置20的传输装置。可以设想实施例，其中物体8中容纳了包含换能器1和2的换能器单元以及装置20，并且其中一单个换能器安装在房间10的墙壁上。

根据本发明的适当的换能器配置在图6a-d中示意性地示出。在图6a的实例中，换能器1和2以水平间距D_x放置，而在图6b中，换能器1和2以间距D_y垂直设置。任一配置都允许仅在单个(水平或垂直)平面内确定物体的位置。图6c的二维配置允许在水平和垂直两个平面内使用三个换能器1、2和3来确定位置。水平间距D_x和垂直间距D_y也可以通过如图6d所示的四个换能器的配置来获得。应当理解，其它配置也是可以的。例如，两个以上的换能器可以用于任何平面内，例如成一行的三个或四个换能器的配置。这种配置以附加的换能器为代价来提供更多的时序信息。应当理解，本发明可以仅使用两个换能器在任何平面内来实施。

尽管图3中的换能器1和2设置在前壁13的平面内，但是这不是必需的，并且换能器位于的平面可以与前壁13成锐角或甚至直角。应当理解，换能器1和2还可以放置在其它壁或表面上。

本发明基于以下见识：使用隔开的两个换能器允许根据它们的相对时间延迟来识别远离表面的反射。本发明受益于另一见识，即声信号的反射可用于确定房间中物体的位置。

在计算机程序产品下，应当理解，任何物理实现，例如制造商条目或命令集合条目，能够使一般或专用处理器在一系列载入步骤之后使命令进入处理器中，以执行发明的任何特征功能。特别地，计算机程序产品可以实现为在诸如盘或其它插入部件之类的载体上的，存在于存储器中的、临时存在于有线或无线的网络连接上的程序代码、由该程序代码得到的处理器适用码、或该程序代码的任何中间翻译，或纸上的程序代码。除程序代码之外，程序所需的发明特性数据也可以体现为计算机程序产品。

注意，该文件中使用的任何术语不应被解释为限制本发明的范围。特别地，词语“包括”和“包含”并不意味着排除没有具体陈述的任何元件。单个(电路)元件可以用多个(电路)元件或者用它们的等效物替换。

本领域技术人员应当理解，本发明并不限于上述实施例，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以进行多种修改和添加。

Claims (22)

1.一种用于确定由表面(11，12)限定的空间(10)中的物体(8)的位置的装置(20)，该装置被设置用于与声换能器单元合作以检测在物体和换能器单元之间传输的声信号，包括它们的反射，以及用于根据检测的声信号和它们的反射推断出物体的位置，

-其中声换能器单元至少包括以相互间距(D)设置的第一换能器(1)和第二换能器(2)，以及

-其中装置(20)进一步被设置用于确定检测的声信号和它们的反射的到达时间，以及用于根据反射到达时间的次序和所述到达时间与相应换能器(1，2)的对应使反射与表面(11，12)相关联，以根据所述次序推断出位置信息。

2.根据权利要求1的装置，进一步被设置用于检测反射到达时间的任何反转。

3.根据权利要求1、2或3的装置，进一步被设置用于比较声信号的反射被检测的次序和相关声信号被检测的次序。

4.根据权利要求1、2或3的装置，进一步被设置用于确定声信号被检测的次序。

5.根据前面权利要求中的任一项的装置，进一步被设置用于使检测的声信号与预定模板匹配。

6.根据前面权利要求中的任一项的装置，其中换能器(1，2)被设置用于检测声信号。

7.根据前面权利要求中的任一项的装置，其中换能器(1，2)被设置用于产生声信号。

8.根据前面权利要求中的任一项的装置，其中声信号是超声信号。

9.根据前面权利要求中的任一项的装置，其中换能器单元包括被设置成二维图形的至少三个换能器(1，2，3)以获得三维位置信息。

10.根据前面权利要求中的任一项的装置，进一步被设置用于相对于那些信号的传输时间确定声信号和它们的反射的到达时间(t₁，t₂，t₃，t₄，...)。

11.一种用于确定由表面(11，12)限定的空间中物体的位置的系统，该系统包括第一换能器(1)、第二换能器(2)和根据权利要求1到9中的任一项的装置(20)。

12.一种使用声换能器单元确定由表面(11，12)限定的空间(10)内的物体(8)的位置的方法，该方法包括以下步骤：检测在物体和换能器单元之间传送的声信号，包括它们的反射，以及根据检测的声信号和它们的反射推断出物体的位置，

-其中声换能器单元至少包括以相互间距(D)设置的第一换能器(1)和第二换能器(2)，以及

-其中确定检测的声信号和它们的反射的到达时间，以及根据反射的到达时间的次序和所述到达时间与相应换能器(1，2)的对应使反射与表面(11，12)相关联，以根据所述次序得出位置信息。

13.根据权利要求12的方法，进一步包括检测反射的到达时间的任何反转的步骤。

14.根据权利要求12或13的方法，进一步包括比较声信号的反射被检测的次序和相关声信号被检测的次序的步骤。

15.根据权利要求12或13的方法，进一步包括确定声信号被检测的次序的步骤。

16.根据权利要求12-15中的任一项的方法，进一步包括使检测的声信号与预定模板匹配的方法。

17.根据权利要求12-16中的任一项的方法，其中换能器(1，2)被设置用于检测声信号。

18.根据权利要求12-17中的任一项的方法，其中换能器(1，2)被设置用于产生声信号。

19.根据权利要求12-18中的任一项的方法，其中声信号是超声信号。

20.根据权利要求12-19中的任一项的方法，其中换能器单元包括设置成二维图形的至少三个换能器(1，2，3)以获得三维位置信息。

21.根据权利要求12-20中的任一项的方法，进一步包括相对于那些信号的传输时间确定声信号和它们的反射的到达时间(t₁，t₂，t₃，t₄，...)。

22.用于执行根据权利要求12-20中的任一项的方法的计算机程序产品。

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