CN1951026B - 无线电系统、倾斜传感器和发射机应答器 - Google Patents

Abstract

用于感测物理对象的空间配置的无线系统，其包含发射机(102)，其发送查询消息到拥有至少一个天线(106)的发射机应答器(104)。无线频率障碍物(108)可在发射机与一个或者多个天线之间可移动地插入，并因此衰减在天线接收到的查询消息的信号强度。在物理对象的空间配置的任意状态，发射机应答器都可以接收到查询消息并且，作为回应，发送一条包含依据在一个或多个天线上接收的查询消息的信号强度所确定的数据的响应消息。

Description

无线电系统、倾斜传感器和发射机应答器

技术领域

本发明涉及无线电系统，其适用于感测应用，尤其适用于确定在一维或多维空间中的物理对象的空间配置。

背景技术

一个物理对象相对于一个参照系的状态由相对于此参照系的该物理对象的位置和其方向表征。如果该物理对象不是刚性的，而具有相互之间可相对活动的多个部件，那么该对象的状态还由该对象的空间配置表征，即，部件间的相对位置和方向。用于确定对象状态的传感器有利于状态相关的操作的实现。例如，伺服机械装置中的传动装置在反馈回路中的传感器的控制下产生从当前状态到期望状态的转换。

广泛的多样的位置传感器和方向传感器是众所周知的。例如，水银开关(部分填充了使电路短路的水银的一根细管子)或陀螺仪被用于确定关于重力或者关于加速度指向的方向。

进一步的例子是光学感测的使用，例如，在轴转动时，在转动轴上使用齿轮来干扰在光源和光电探测器之间的光路。这个例子和许多其他现有技术的传感器技术的缺点是，探测器(如光电探测器)需要一个电源和信号线路，连同相关联的接触装置来访问来自传感器的输出信号。此外，一些传感器还需要额外的机械装置(如齿轮)，这些装置仅仅为了感测旋转的目的提供，因此增加主机产品的成本，重量和物理体积。

在日本专利申请JP2001-018748中公开了一种用于交通工具的座椅安全带的锁扣装置，其中通过一个通道彼此相对放置的一个无线电收发器和一个发射机应答器内嵌在该锁扣装置中。一块金属遮挡板可滑动地放置在通道内，使得当座椅安全带的舌板没有插入时，无线电收发器和发射机应答器之间电波的发射和接收被阻止，和当座椅安全带的舌板插入时，该金属遮挡板被移动以便允许无线电收发器和发射机应答器之间电波的发射和接收，因此获得使用者系上安全带的检测。所公开的装置的缺点是：使用者没有系安全带的交替状态只能很隐含地被指示。也就是说，此设备只能明确地检测一种状态。该文献推断，需要明确指示的每一个额外状态要求至少一个额外的发射机应答器连同用于在无线电收发器区分来自发射机应答器的响应的装置。

发明内容

本发明的一个目的是通过使用发射机应答器来明确地确定多个物理状态来改进现有的技术。

依照本发明，提供一种用于空间感测应用的无线电系统，包括：

-用于发送查询消息的发射机；

-包括至少一个天线的发射机应答器，该发射机应答器在收到查询消息时发送响应消息；

-使用中可移动地插入在发射机和至少一个天线之间的无线电频率屏蔽物(shield)，该屏蔽物在查询消息在至少一个天线上被接收之前衰减该查询消息的信号强度；以及

-用于接收响应消息的接收机；

其中

当该屏蔽物被插入在收发器和至少一个天线之间时，发射机应答器用于接收查询消息，以及响应消息包括依据在一个或多个天线上接收到的查询消息的信号强度所确定的数据。

有利的是，不像现有技术，即使在屏蔽物被放置在发射机和发射机应答器之间时，查询消息(无线电信号)也被发射机应答器接收。本发明实现并利用无线电信号通路中的障碍物(无线电频率屏蔽物)可以减弱在接收天线接收到的无线电信号的强度的特性，该减弱程度是可变的，而且可根据采用的屏蔽物的类型，例如由于它的材料和/或它阻挡路径的程度来预先确定。有利的是，在这样的接收天线中接收的信号强度的变化被检测，并用来确定屏蔽物相对于天线的位置。屏蔽物用作衰减查询信息，使得施加的衰减(在发射机应答器的天线上减弱的信号强度)可以由发射机应答器辨别，同时也确保到达发射机应答器的一个或多个天线的查询消息有足够大的信号强度，从而保证查询消息的接收。在一个特定的接收天线上，查询消息可以被减弱到保留足够的强度以允许发射机应答器利用天线接收该查询消息。这样的配置适用于只利用一个天线用于接收查询消息的发射机应答器。可替换地，在一个特定的接收天线上，查询消息可以被衰减到防止发射机应答器利用该天线接收该查询信号的程度；在这种情况下，发射机应答器的另一个天线被用于接收查询消息。很显然，这样的配置适用于利用多个天线用于接收查询信号的发射机应答器。屏蔽物可以衰减由发射机应答器的一个以上的天线接收的查询消息。发射机应答器通过确定在一个或多个天线上接收到的查询消息的信号强度来明确地检测屏蔽物的位置。屏蔽物可以由一个或多个部件构成，其中每个部件用作阻挡至一个或多个天线的无线电路径。

屏蔽物可以在一维、两维或三维物理空间(自由度)中移动，使该系统适合于确定物理对象的空间配置。该屏蔽物可以由发射机应答器的一个天线所安置在其上或其中的对象的一部分组成。例如，屏蔽物可由发射机应答器(和其天线)所安放在其上或其中的旋转杆的一部分构成。

本发明支持有源或无源发射机应答器的使用。最好是，被作用这样的无源发射机应答器(比如，RFID射频识别标签)通过在难以进入物理对象的区域包括合适的无源发射机应答器来允许检测空间配置。因为这样的发射机应答器既不需要物理连接(用于电源或信号)，也不需要日常的维护，如更换电池。典型的应用包括在一个物理对象的接头中使用一个合适的无源发射机应答器，该接头可以在两维或三维的物理空间中被铰接。最好是，这样的一个发射机应答器利用多个天线用于接收查询消息，其中一个或多个屏蔽部件用于衰减在一个或多个天线上接收到的查询消息。以这种方式，发射机应答器通过利用在每个相应的天线上测量的信号强度产生响应消息，该响应消息报告或者相反地能够进行确定物理对象的空间配置。例如，这里空间配置是一个稳定的状态，发射机应答器能通过可用的测量的信号强度数据计算状态，同时响应消息可以包含指示一个测量的信号强度和/或计算出的状态的数据。可替换地，这里空间配置状态连续或重复地变化，发射机应答器可以使用合适的响应消息序列来报告数据。

可以使用本发明的系统的物理对象的例子包括：开关，机床，交通工具，机器人和玩具。可以使用本发明的系统的典型的机械装置的例子包括：可转移部件，旋转轴，组合的轴承或接头，球状物和插座的接头，通用的接头等等。有利的是，发射机应答器天线的物理配置不需要为增益或其他RF特性进行优化；这样允许使用可以根据主对象的尺寸和形状来选择的多种多样形式的因子。例如，天线可以是平面的，用于放置在一个二维表面或用于内嵌在物理对象中。同样的，天线可以是弯曲的，用于放置在三维对象上或内嵌在其中。天线的尺寸是发射机功率、屏蔽物的衰减和天线特性的函数；这些的单个或组合提供了一个很大的弹性度以确定用于特定应用合适的天线配置。

本发明允许明确的确定物理对象的空间配置状态，典型地通过使用单个的发射机应答器；可替换地，可以使用多个发射机应答器。有利的是，发射机应答器能通过合适的屏蔽部件和/或一个或多个天线来配置，以确定物理对象的期望的空间配置状态，例如来获得一定的位置分辨率和/或其他特性。不要求为电源或信号提供连接的条件下，本系统允许无源发射机应答器的使用，这些无源的发射机应答器被依次安装在很难接近的装置中，诸如轴承，铰按的接头等等。无源的发射机应答器可允许选择一个合适形式的因子，尺寸和重量，用于配置在紧凑的和/或难以接近的物理对象中，这样的发射机应答器的合适的例子包括使用RFID技术的那些发射机应答器。有利的是，主机物理对象可以至少部分地对发射机应答器的天线提供屏蔽，进一步简化实现。

附图说明

现在将参考伴随的附图，只是以示例的方式描述本发明的具体实施方式，其中：

图1a和1b是包含采用了一个接收天线的发射机应答器的无线电系统的示意图；

图2a和2b是包含采用了多个接收天线的发射机应答器的无线电系统的示意图；

图3a和3b是使用水银倾斜开关装置的图2a和2b所描述的系统的例子；

图4a和4b是包含具有适合于置于旋转轴内的天线的发射机应答器的无线电系统的示意图；以及

图5a和5b是包含安装进一个组合的接头或轴承装置中的发射机应答器的无线电系统的示意图。

具体实施方式

图1a示出包含采用了一个接收天线的发射机应答器的无线电系统。该系统包括向发射机应答器104发送查询消息112的无线电发射机102；消息的路径没有被屏蔽物108阻挡。发射机应答器利用天线106接收查询消息112；作为响应，发射机应答器104通过天线106发送响应消息114到接收机110，该响应消息包括依据在天线106接收的查询信号的强度所确定的数据。该无线电系统可以利用或者有源或者无源的发射机应答器。使用从电源或电池获得的功率给有源的发射机应答器提供动力。无源的发射机应答器利用通过其天线接收到的RF能量被提供动力，例如诸如飞利浦的HITAG的RFID标签技术。

图1b示出以不同配置的图1a的无线电系统，该系统的相应单元使用相同的参考数字识别。在该图中，屏蔽物108已经被移动到箭头M所示的方向上，以便阻挡查询消息112的路径。结果，在发射机应答器104的天线106上接收到削弱强度的查询消息112a，接收到的查询消息112a有足够的强度，从而允许由发射机应答器104对查询消息解码。作为响应，发射机应答器104通过天线106发送响应消息116到接收机110，该响应消息与图1a中的情形不同，原因在于它包括依据在天线106接收到的信号强度被削弱的查询消息112a所确定的数据。在这个例子中，屏蔽物108已经沿着箭头M的方向移动，这样致使也阻碍响应消息116的路径，导致在接收机110处接收到强度被削弱的响应消息116a，其仍然有足够的强度来允许由接收机110对响应消息解码。显然，所示例子非常适合具有有源发射机应答器的使用，该有源发射机应答器有高的发射功率用于响应消息116。为了在所示例子中使用无源的发射机应答器，优选地屏蔽物被放置成通过相对于原查询消息112强度的最小可辨别数量，削弱接收到的查询消息112a的信号强度；另一个改进是把屏蔽物放在不阻挡响应消息的路径的位置上。发射机和接收机也可以组合成一个收发器单元。

图2a示出包括采用多个接收天线的发射机应答器的无线电系统。该系统包括发送在发射机应答器204的单独天线206，208上接收的查询消息212的收发器202。参考图2b，当屏蔽物210移动到指示的方向M时，查询消息212到天线206的路径被阻挡，导致查询消息212在发射机应答器只能通过天线208接收。一般地，至少一个天线(206和/或208)能够接收该查询消息212。如例子所示，不管屏蔽物的位置如何，天线208总能接收查询消息212。在特定的具体实施方式中，发射机应答器可包括一个主天线，其被指定总能接收到查询消息(也就是说，它从不被屏蔽物屏蔽)，该发射机应答器进一步包括一个或多个卫星天线，这些天线是单独的或者组合的，根据应用需求有选择地被该屏蔽物(或者多个屏蔽物)屏蔽。在另一个实现中，屏蔽物的操作可以在一个或另一个天线上交替接收查询消息，一个这样的例子结合图3a和图3b将在下面被介绍。回到当前的例子，从发射机应答器204到收发器202的响应消息214，216包括根据在天线206，208接收到的查询消息的信号强度确定的数据。同时注意到，用来接收查询消息的天线可被用来发送响应消息，正如所示的，响应消息214利用天线206被发送(或者208，图2a没有指出)，以及响应消息216利用天线208被发送。图2a和图2b所示的系统也同样适用于使用分离的发射机和接收机的配置。

图3a和3b示出采用水银倾斜开关装置的无线电系统的例子。图3a示出水银倾斜开关装置300的平面图，其包括包含有水银液滴308的圆柱形腔306，该水银液滴能够如双向箭头M标识而沿着腔移动。腔的外表面支撑包括具有到各个天线304a、304b的连接310a、310b的处理器302的无源RFID发射机应答器。天线被放置成使得当液滴从腔的这一端移动到另一端时，这一端或另一端的天线被液滴308阻挡。

图3b示出由该水银倾斜开关装置组成的系统的侧视图，该装置中的相应单元使用相同的参考数字来识别。以公知的方式，相对于水平方向倾斜圆柱形腔306(围绕轴A沿着方向Y旋转)，水银液滴由于重力作用如双向箭头M标识而沿着圆柱形腔移动。该系统进一步包括收发器312，其发送要由水银倾斜开关装置的天线接收的查询消息320。正如图3b所示，天线304a由于被液滴308屏蔽而不能接收查询消息；天线304b没被屏蔽并且接收查询消息。作为响应，处理器302编写(compose)并利用天线304b发送包括依据在天线304a和天线304b接收到的查询消息的信号强度所确定的数据的响应消息322，因此指示给收发器水银倾斜开关装置的当前状态。显然，如果水银倾斜开关装置被移动到可替换的状态，其中由于天线304b被液滴308屏蔽而不能接收查询消息，则天线304a没有被屏蔽并且接收查询消息。作为响应，处理器302编写并利用天线304a发送包括依据在天线304a和天线304b接收到的查询消息的信号强度所确定的数据的响应消息322，因此指示给收发器水银倾斜开关装置的新的状态。根据特定应用的需求，收发器以合适的时间间隔发送查询消息，以确定水银倾斜开关装置的当前状态，例如对于使用该装置的室用恒温器，合适的时间间隔可以为每20秒。一个优点是该水银倾斜开关装置不需要电信号或电源的连接，以及因此电流隔离于该系统。而且，发射机应答器天线的定位、尺寸和形状可以根据设计者的偏爱来选择。一般的，由于无线电系统是近距离操作，致使尽管仍保证收发器和发射机应答器之间满意的消息通信但是天线增益可能低于最佳。在另外一种稍差优选的实施方式中，水银倾斜开关装置可以采用只包括一个天线的发射机应答器，液滴的大小根据该机械装置的状态，要么部分屏蔽天线，要么不屏蔽天线。在这种情况下，发射机应答器能接收查询消息，但在该装置处于液滴部分地屏蔽天线的状态时，发送响应消息的输出功率可能被减小。

图4a和4b是包括具有适合于置于旋转轴内的天线的发射机应答器的无线电系统的示意图。图4a示出轴402围绕其轴A沿着方向Y旋转。被内嵌在轴内的是包括具有到各个天线404a、404b的连接408a、408b的处理器406的无源RFID发射机应答器。天线404a和404b都能接收来自收发器410的查询消息412。图4b示出在收发器从轴的下面发送查询消息412时，沿着中心轴A的方面示出的轴402的两角度的位置P，Q。对于天线404a、404b，该轴起RF屏蔽作用。该RF屏蔽可以是轴材料的固有性质，例如其中轴是由一种适当的金属或合金制成。可替换地，其中轴材料不具有固有的适合于用作屏蔽时，屏蔽材料可嵌在轴内或应用于轴的表面。在这个例子中，轴的材料对于天线用作RF屏蔽。参见天线404a，在位置P，介于收发器和天线之间的轴材料的数量远多于位置Q。利用天线404a发送的响应消息414包括根据在天线404a接收的查询消息的信号强度确定的数据。因此，位置P和Q可利用天线404a确定，例如通过各自检测在发射机应答器接收到的查询信号的最小和最大信号强度。上述的讨论假设接收到的查询消息和响应消息412，414都有足够的强度，以允许由发射机应答器和收发器各自解码，如之前结合图1a和图1b讨论的。可选择的天线404b提供了在发射机应答器和收发器之间进行通信的附加装置。利用本领域技术人员熟知的技术，天线404b相对于天线404a的方位可允许确定轴402的额外的角度位置和/或旋转方向。

图5a和5b是包括建立在一个组合的接头或轴承装置上的发射机应答器的无线电系统的示意图。图5a示出装配组件500的透视图，该组件包括有轴A的轴502和与轴502同轴安装的套筒(sleeve)506。该套筒和轴可通过在绕轴A旋转或沿轴A平移做相对于彼此的运动，如由Y和M各自标识的。可选择的，该轴和套筒被连接到物理对象504，508的部件，比如机器人的肢。无源的发射机应答器被放置在轴内，且包括安放在轴的表面合适位置上的四个天线510a，510b，510c，510d。套筒506包含放置在其表面一部分的RF屏蔽物512，同时相对于天线被合适地放置。该组件外部的收发器518发送查询消息514到发射机应答器；同时，作为对查询消息的接收的响应，发射机应答器发送包括在一个或多个天线510a，510b，510c，510d接收到的查询消息的信号强度所确定的数据的响应消息516。图5b示出沿着轴A看过去的该组件的视图，并示出查询消息514。参考图5a和图5b，所描述的轴和套筒的相对位置使得屏蔽物不遮挡任何天线，同时响应消息516中的数据将代表这种状态。接下来，依据天线510a，510b，510c，510d和屏蔽物512所示的排列，轴和套筒之间相对位置的变化归因于旋转和/或平移，同时在响应消息516中的数据将代表这一新的状态，原因在于至少一个天线被屏蔽物部分地遮挡，从而削弱在该天线上接收到的查询消息的信号强度。

图5中的具体实施方式可被扩展到其他形状，比如在轴承或接头中常见的典型的平面的、圆锥的或球状的排列。包括由离散的部件构成屏蔽物的这种屏蔽和天线之间的排列也是可行的，其中每个离散的部件寻址天线的一部分。任何数量和/或形状的天线都可以被合适地放置，以便接收查询信号，和/或监控装配组件、接头或轴承的相对运动。

前述的实现仅仅作为例子被描述，且代表了一定范围内具体实现的一种选择以开发本发明的优点，这些前述的实现可以很容易的被该领域技术人员识别。

在上述的描述中，并参考图1a和图1b，提供一种无线电系统，用于感测物理对象的空间配置，该系统包括发送查询消息到具有至少一个天线106的发射机应答器104的发射机102。无线电频率屏蔽物108可在发射机与一个或者多个天线之间可移动地插入，并因此衰减在天线上接收到的查询消息的信号强度。在物理对象的空间配置的任意状态中，发射机应答器都可以接收到查询消息并且，作为响应，发送包含有依据在一个或多个天线上接收的查询消息的信号强度所确定的数据的响应消息。

Claims (12)

1.一种用于空间感测应用的无线电系统，包括：

用于发送查询消息的发射机(102)；

包括至少一个天线(106)的发射机应答器(104)，该发射机应答器用于在收到查询消息时发送响应消息；

在使用中可移动地插入在发射机和至少一个天线之间的无线电频率屏蔽物(108)，该屏蔽物用于在查询消息在至少一个天线上被接收到之前衰减该查询消息的信号强度；和

用于接收响应消息的接收机(110)；

其中

当该屏蔽物被插入在发射机和至少一个天线之间时，该发射机应答器用于接收查询消息，以及响应消息包括依据在一个或多个天线上接收的查询消息的信号强度所确定的数据。

2.如权利要求1所述的系统，其中该系统被布置成与物理对象合作，该物理对象包括支撑发射机应答器的第一部件(306，402，502)。

3.如权利要求2所述的系统，其中发射机应答器天线被放置在第一部件的表面上。

4.如权利要求2或3所述的系统，其中发射机应答器天线被嵌入在第一部件的主体内。

5.如权利要求2或3所述的系统，其中物理对象进一步包括相对于第一部件可移动的第二部件(308，506)，第二部件支撑屏蔽物。

6.如权利要求2或3所述的系统，其中第一部件支撑屏蔽物。

7.如权利要求2或3所述的系统，其中第一部件是平面的。

8.如权利要求2或3所述的系统，其中第一部件是圆柱形的。

9.如权利要求2或3所述的系统，其中第一部件是球形的。

10.如权利要求5所述的系统，其中发射机应答器包括相对于屏蔽物布置的多个天线，使得根据响应消息数据确定第一部件和第二部件的相对位置。

11.一种在如权利要求5、6、8或10所述的系统中使用的倾斜传感器，其中第一部件包括密闭的圆柱形腔，该圆柱形腔包括包含液滴的第二部件，通过相对于水平方向倾斜圆柱形腔，液滴由于重力的作用而可沿着圆柱形腔的轴移动，其中至少一个天线布置在第一部件的表面上，和液滴在圆柱形腔的预先确定的倾斜下提供对所述至少一个天线的无线电频率屏蔽。

12.一种在如前面任一权利要求所述的系统中使用的发射机应答器，其中该发射机应答器包括射频识别标签。

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