CN1997959A - 用于声定位系统的声强健同步信令 - Google Patents

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Abstract

位置检测系统包括位置元件和定位装置，其中位置元件发射连续调制的声波波形和同步信号，该同步信号是至少两个同步分组构成的序列，每个同步分组承载用于连续调制的声波波形的定时数据。另外，同步信号使用跳时来支持多个位置元件的同时定位。

Description

用于声定位系统的声强健同步信令
技术领域
本发明涉及声定位方法和系统，并且更具体地而非排他地说，涉及用于在位置元件和定位装置之间传输同步的方法和系统。
背景技术
定位或者了解位置的应用通常根据其中应该放置位置元件的空间大小而分。空间大小的范围从一般直至1米范围的个人区域，到一般直至10米范围的房间区域，到范围直至100米的局部区域，诸如仓库，以及一般为开放空间的宽广区域。
一些应用需要在三维定位。其它应用，一般在已知对象的位置足够接近诸如地板的已知表面的时候，仅仅需要在二维定位，并且一些应用仅仅需要测量位置元件和定位装置之间的距离。
存在几中对元件定位的方法，并且它们中的大多数基于从位置元件传输或者反射的信号的到达时间的测量。
存在大量用于小空间定位的应用，即，在个人、房间和局部区域内的定位。主要应用包括用于计算机交互的指示装置，以及机器人和机器控制，定位便携式家庭用具特别是玩具，定位仓库、医院病房中的库存等。
1.个人区域定位-计算机指示装置、数字笔以及触摸屏
3-D鼠标
3D鼠标使用电磁或者超声波定位技术来向监控装置指示它在三维中的位置。今天使用的无绳鼠标利用蓝牙以及类似的无线电和IR发送器进行无线连接。无线电或者IR仅仅处理无线连接，即信令问题。定位通常涉及鼠标本身中的运动跟踪器，这可以是基于光学的。简单的运动跟踪给出2D解。3D解可以例如利用以下方式产生：
声波
鼠标发射由桌面接收器接收的超声波和IR脉冲。通过测量传播时间，可以执行三角测量。
IR传感器
鼠标发射IR脉冲，该IR脉冲的角度由桌面接收器测量。几个角度传感器允许三维的三角测量，因而获得特殊位置。
PC输入板和输入笔
PC输入板使用数字笔或者输入笔。输入笔实现交互作用，包括直接在图形输入板、PC输入板、PC屏幕、PDA屏幕、手机屏幕和任何其它计算机允许的表面、屏幕或者输入板上写。可得到的解与无源的或者有源的电磁或者声波技术工作。
数字笔
数字笔是用于手写或者手绘或者一般指示的电子检测的指示装置。数字笔通常使用诸如声学、IR和光的技术。其它方案使用检测加速度并且发送数据到定位装置的加速计。另一个方案是分析特殊纸上的小印刷码以确定它的位置的照相机。其它笔在它们的操作中使用电磁(包括无源&有源)以及其它技术。一些数字笔是独立单位，意思是笔独立地工作，向它自己提供完全处理的坐标作为输出，并且这种是基于光学和数字照相机的单元的代表。其它的，特别是声和电磁装置，需要接收或者检测单元。数字笔广泛地与PC、膝上型计算机、PDA、蜂窝式电话、电子图书等一起使用。
触摸屏
触摸屏通常包含嵌入在计算机屏幕内或者在计算机屏幕附近的传感器，以便接收来自屏幕的输入。一些技术包括用能够检测物理接触的特殊材料涂敷屏幕，该材料具有电阻、电容或者表面声波(SAW)材料的特征。其它技术包括在屏幕周围嵌入传感器。传感器可以是IR、声波、SAW等。
2.房间区域定位-交互白板和玩具
交互白板
交互白板是俘获从板写入到相关计算机中的数据的白板。此领域中常见的技术之一是声波定位：标记处于发送信标信号的套中，该信标信号由也放在白板附近的专用装置拾取并且分析。有时，和声波信标一起发送IR或者电磁信号，以便更加准确并且简单。另一个常见的技术是电磁式的：上述的标记套发送电磁场，该电磁场由白板背上特殊的环拾取。
也使用利用电阻的技术。在这种情况下，白板的表面涂敷有电阻材料。压力施加到涂敷层，并且该压力使得板的电阻特性发生局部变化。根据变化，控制器能够从施加的压力获得x、y位置。
还可以使用利用类似于电阻的电容技术。同样，使用压力，这次改变板的电容特性。然后，控制器能够获得x、y位置。
玩具
它相对不常见，这是由于其中一个单元能够知道第二个单元的位置的玩具的具有高成本的原因。
在非常基本的实例中，一个玩具注意到附近存在另一个玩具，提示反应，例如交谈。在更复杂的实例中，一个玩具或多或少知道另一个玩具在哪里。
将来，希望提供更复杂的实例，其中一个单元能够成功地传递对象到下一个单元，反之亦然。此外，将来设想一种玩具，其中二十二个足球机器人奔跑着一个向另一个传球。机器人根据同队或者敌队的其它机器人的位置计算往哪里踢。为了向二十二个机器人中的每一个提供计算和控制能力，以便玩足球游戏，将产生非常昂贵和复杂的解。
通常，玩具技术必须以低成本提供，而现在的技术相对昂贵。特定的技术各自具有它们的缺陷：
红外传感器-IR可用于指示在附近第二个对象的存在。更高水平下，它能够显示一般方向。
加速计-加速计的缺点在上面关于指示装置的段落中讨论了。
声波-声波装置相对昂贵。仅仅单个单元可被用于相同的环境中，能量的利用比较高，并且装置很难小型化。
局部区域定位-机器人和机器控制
近年来，几种新的机器人产品已经达到并超过了原型机阶段。机器人产品包括用于不同应用的自由活动的机器人。该应用包括具有照相机和遥控器的割草机、水池清洁器、间谍和未爆弹处理机器人，还有很多。这种机器人一般使用它们自己的检测和预编程，以找到它们周围环境中它们的路线。
可能的新应用包括自主真空吸尘器。一个或多个真空吸尘器可以自动地在房屋内漫游，打扫灰尘，并且将灰尘送到固定位置单元或者漫游单元。吸尘的单元可以自主地定位它向其输送灰尘并与之接合的接收单元，以便输送灰尘。
缺陷：
所有的上述技术，除声波以外，都需要在定位平面上的传感器：电磁解决方案需要在板背后上的环状天线，具有照相机的笔需要特殊的数字化纸，并且触摸屏需要特殊的涂敷。对传感器的需要增加了最终产品的成本，并且更提供了对使用不近人情的限制，其中它不允许用户使用任意的平面，比如杂乱的书桌表面作为工作平台。
一些技术限于二维位置。但是，能够管理第三维的那些目前不提供第三维的准确信息。例如，根据电磁检测的输入笔在屏幕上面悬浮时能够被检测，但它不可能精确地分辨它多高。检测器简单地确定它存在。
存在对某些技术特定的其它缺陷。例如，IR定位难以与直接的太阳一起工作。现有的声波方案在听觉上存在噪声的环境中具有严重的限制，具体地说，在非常重要的工业环境中超声噪音最常见。
使用如蓝牙的无线协议的方案可能碰到协议冲突，以及与诸如WLAN设备的其它无线设备的干扰。
根据测量由位置元件发送并且由定位装置接收的信号的传播时间的所有技术都需要在发送器和接收器之间的准确同步，以补偿它们的时钟偏差和漂移。
声波定位方法和装置本领域已知，包括但不限于下列美国专利：6,876,356；6,875,933；6,841,742；6,822,641；6,731,270；6,724,371；6,717,073；6,654,008；6,633,280；6,628,270；6,556,694；6,539,363；6,535,206；6,529,189；6,517,266；6,501,461；6,456,567；6,456,280；6,424,340；6,414,673；6,404,416；6,373,003；6,335,723；6,326,565；6,313,825；6,310,615；6,300,580；6,292,180；6,292,177；6,266,051；6,265,676；6,229,526；6,211,863；6,195,446；6,191,778；6,177,927；6,153,836；6,147,681；6,144,367；6,124,847；6,111,565；6,108,271；6,104,387；6,100,877；6,067,080；5,977,958；5,907,130；5,883,338；5,872,743；5,866,856；5,818,421；5,798,755；5,793,361；5,768,616；5,750,941；5,717,168；5,657,054；5,657,053；5,635,951；5,581,269；5,557,301；5,548,092；5,539,159；5,525,764；5,517,579；5,515,051；5,500,492；5,478,976；5,308,936；5,144,594；5,128,660；5,111,005；5,054,005；5,007,085；4,991,148；4,965,635；4,814,552。
读者也可参考申请人之前的申请，2003年4月14日提交的No.IL03/00309，其内容通过引用结合于本文中。
上述所有的问题在多用户环境中进一步加强，其中一个或多个定位装置必须放置几个位置元件，并且更有甚者，位置元件可以在定位装置之间漫游。
因而，广泛地认识到对没有上述限制的、具有红外线通信系统和方法的需要以及其高度的有利。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种位置检测系统，它与计算应用结合使用，所述位置检测系统包含至少一个用于获得位置的位置元件；以及用于确定位置元件位置的定位装置。位置元件包含：至少一个第一发射器，用于发射基本上连续调制的声波波形，该声波波形可解码以固定位置；以及第二发射器，用于发射同步信号。定位装置包含：至少一个第一检测器的配置，用于检测连续调制的声波波形，其方式允许固定所述位置并且输出波形用于计算，其方式为保持位置固定能力：以及第二检测器，用于检测同步信号。同步信号是至少两个同步子信号的序列，每个同步子信号承载用于连续调制声波波形的定时数据，从而提高位置固定的准确度。
根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中声波波形是超声波波形。
根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号是电磁信号。
根据本发明的又一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号是红外信号。
进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号是无线电信号。
更进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中定时数据包含对声波波形的可识别分量和同步信号的传输时间之间所经过的时间的测量。
更进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中位置元件还包含第一时钟，并且定位装置还包含第二时钟，且同步信号包含对第一时钟和第二时钟之间同步有用的时钟同步数据。
进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号还包含位置元件的识别数据。
另外根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号在至少一个时隙内传输，所述一个时隙随机地从在时间帧内提供的固定数量的时隙中选择，该时间帧具有固定的持续时间并且连续重复。
进一步根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号还包含时间帧的识别数据以及承载同步信号的时间帧内时隙的识别数据。
根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中时间帧识别数据是时间帧的计数器，并且时隙识别数据是承载同步信号的时间帧内时隙的位置数字。
根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中时间帧持续时间对定位装置已知，并且时钟同步数据由定位装置通过使接收的时间帧持续时间和已知的时间帧持续时间相关来导出。
根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中时钟同步数据通过线性内插接收的时间帧持续时间和已知的时间帧持续时间的序列来导出。
进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中时钟同步数据通过利用接收的时间帧持续时间和已知的时间帧持续时间的序列之间的锁相环来导出。
更进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中声波波形是从预定声波波形集合中选择的，其中同步信号还包含选择的声波波形的识别数据。
进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中调制是调幅、调频或者调相。
另外根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号包含纠错码。
另外根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中纠错码包含至少一个循环冗余字符。
根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号还包含至少一个离散输入的状态改变的至少一个识别数据。
根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中离散输入是开关的状态。
根据本发明的又一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号还包含对离散输入的状态改变和同步信号的传输之间所经过的时间的测量。
进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中所经过的时间的测量包含对在离散输入的状态改变和同步信号的传输之间传输的同步信号的计数。
再进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号的计数被限制，并且在达到所述限制时，计数保持在所述限制上，直到下次出现开关的状态改变。
再根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中同步信号还包含模拟输入和数字输入中至少一个的至少一个测量数据。
另外根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中第一检测器配置包含单个检测器。
再根据本发明的又一个方面，提供一种位置检测系统，其中第一检测器配置包含至少两个检测器，并且用来在二维确定位置。
再根据本发明的又一个方面，提供一种位置检测系统，其中第一检测器配置包含至少三个检测器，并且用来在三维确定位置。
根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测系统，其中位置元件与计算机指示装置和写装置中的至少一个相关。
根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测系统，其中位置元件与移动装置和便携式装置中的至少一个相关。
根据本发明的另一个方面，提供一种根据在先的权利要求中任一个的位置检测系统，并且其中位置元件是多个位置元件。
进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，用于通过定位装置测量位置元件的位置，所述方法包含如下步骤：在所述位置元件提供第一时钟；在所述位置元件的位置发射基本上连续调制的声波波形，所述波形与第一时钟同步，并且可解码以固定位置；在所述位置元件的位置发射同步信号，所述同步信号是至少两个同步信号的序列，每个同步信号承载用于连续调制的声波波形的定时数据，所述定时数据与第一时钟同步；在定位装置提供第二时钟；由所述定位装置经至少一个第一检测器的配置接收声波波形，该至少一个第一检测器的配置可用于检测连续调制的声波波形，其方式允许固定所述位置并且输出所述波形用于计算，其方式为保持位置固定能力；由定位装置接收同步信号；由定位装置同步第二时钟和第一时钟；以及利用定时数据和声波波形计算位置装置的位置。
再根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中发射同步信号的步骤包含如下步骤：提供时间帧，在每个时间帧内提供固定数量的时隙，在每个时间帧内随机地选择一个时隙，在至少一个时隙内发射同步信号。
进一步根据本发明的再一个方面，提供一种位置检测方法，还包含如下步骤：预先向定位装置提供时间帧持续时间，以及由定位装置通过使接收的时间帧持续时间和已知的时间帧持续时间相关来导出时钟同步数据。
仍根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中导出时钟同步数据的步骤通过线性内插接收的时间帧持续时间和已知的时间帧持续时间的序列来执行。
仍根据本发明再一个方面，提供一种位置检测方法，其中导出时钟同步数据的步骤通过利用接收的时间帧持续时间和已知的时间帧持续时间的序列之间的锁相环来执行。
更进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中发射声波波形的步骤还包含从预定声波波形集合中随机地选择声波波形；以及其中发射同步信号的步骤还包含发射所选择的声波波形的识别数据。
根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中发射同步信号的步骤还包含发射至少一个离散输入的状态改变的至少一个识别数据。
根据本发明的又一个方面，提供一种位置检测方法，其中发射同步信号的步骤还包含发射对离散输入的状态改变和同步信号的传输之间所经过的时间的测量。
根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中发射同步信号的步骤还包含发射模拟输入和数字输入中至少一个的至少一个测量数据。
再根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中在第一检测器配置接收声波波形的步骤包含在至少三个第一检测器接收声波波形。
更进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中在第一检测器配置接收声波波形的步骤包含经至少两个第一检测器接收声波波形，并且其中计算所述位置装置的位置的步骤包含在二维固定所述位置。
进一步根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中在第一检测器配置接收声波波形的步骤包含经至少三个第一检测器接收声波波形，并且其中计算所述位置装置的位置的步骤包含在三维固定所述位置。
仍根据本发明的另一个方面，提供一种位置检测方法，其中发射同步信号序列的步骤在发射声波波形的可识别分量之后的预定延迟时开始，其中预定延迟对定位装置已知，并且其中使第二时钟与第一时钟同步的步骤使用预定延迟来同步第二时钟和第一时钟。
除非另外限定，本文使用的所有技术和科学名词具有与属于本发明领域的本领域技术人员通常理解的相同的意义。本文提供的材料、方法和实例仅仅是说明性的与非意指限制。
本发明的方法和系统的实现涉及人工地、自动地或其组合地执行或者完成某些选择的任务或者步骤。此外，根据本发明的方法和系统的优选实施例的实际测试设备和仪器，几个选择的步骤能够用硬件或者任何固件的任何操作系统上的软件及其组合实现，例如，作为硬件，本发明的选择步骤能够实现为芯片或者电路。作为软件，本发明的选择步骤能够实现为由利用任何适当操作系统的计算机执行的多个软件指令。任何情况下，本发明的方法和系统的选择步骤能够描述为用诸如执行多个指令的计算平台的数据处理机执行。
附图说明
本发明在这里仅仅通过实例参考附图进行描述。关于现在详细地具体参考附图，强调指出，特定的显示借助于实例，并且仅仅是对本发明的优选实施例的说明性讨论的目的，并且用于提供被认为对容易地理解本发明的原则和概念方面的描述最有用的。在这点上，不尝试比基本的理解本发明所需更详细地显示本发明的结构细节，参考附图的描述使本领域技术人员对几种形式的本发明可以如何在实践中实施是显而易见的。
在附图中：
图1是根据本发明优选实施例的声定位系统的简化图解；
图2是图1声定位系统的位置装置部分的优选实施例简化图解；
图3是图1声定位系统的位置装置部分的另一个优选实施例的简化图解，用于实现位置装置的空间方位检测；
图4是图1的声定位系统的定位装配件的优选实施例的简化方框图，配置为与计算设施接口；
图5是图1的声定位系统的定位装配件的另一个优选实施例的简化方框图，配置为包括计算设施；
图6是图1的声定位系统的位置元件部分和定位装配件之间声道的数学模型的简化方框图；
图7是显示与图1声定位系统的位置元件部分和定位装配件之间声道的信道模型有关的典型的相关函数的两部分图解；
图8是显示用于根据图6的信道模型执行对图7的相关函数的解码的解码单元的简化方框图。
图9是由位置元件部分对同步信号的传输和由定位装配件对同步信号的接收的定时图的简化图解。
具体实施方式
根据本发明的定位系统和方法的原理与操作可以参考附图及其描述更好地理解。
在详细地解释本发明的至少一个实施例之前，应该理解，本发明不限于它在下面的描述中阐明的或者附图中图解的构造细节和部件配置。本发明可用于其它实施例或者以多种方式实践或执行。同时，应该理解，本文采用的措辞和术语用于描述目的，并且将不会被认为是限制。
现在参考图1，图1是根据本发明优选实施例的定位系统10的简化图解。定位系统10包括两个主要的部分：安装在位置装置12上的位置部件11，在图1的实例中是笔；以及定位部件13。
位置部件11包括两个发射器：声发射器14，最好可用于发射连续调制的超声信号15；以及同步发射器16，可用于发射同步信号17。同步信号最好比声信号快得多，最好同步信号是电磁信号，最好同步信号是红外信号。或者，同步信号是无线电信号。
定位部件13包括连接到定位控制器20的三个声信号接收器18以及一个同步信号接收器19。定位控制器可以是诸如PC、输入板、PDA等等的计算装置，或者是到计算装置21的接口装置，如图1所示。应该理解，定位部件可以根据定位需要包含任何数量的声接收器。一般地，定位部件在一维定位时包括一个声接收器，或在二维定位时包括两个接收器，或者在三维定位时包括三个接收器。但是，为了获得提高的准确度、提高的覆盖率以及避免信号通路的阻塞，声接收器的数目能够比定位维数更大。类似地，同步接收器的数目能够大于一个。
连续调制的超声信号15和同步信号17包含下列特征：
a.连续调制的超声信号15包括最好连续且邻接序列的调制帧。
b.每个调制帧用时标区别，时标一般但不是排他地与帧的开始相关。时标一般是声信号的调制方案的分量。
c.同步信号17包括最好不连续的数据元素的序列。数据元素的速率比调制帧的速率更高。因而，多个数据元素在每个连续的时标之间传输。
d.每个数据元素包括根据位置元件11的时钟确定时标的传输时间的信息。跟在每个时标后面的所有数据元素承载用于同一个在前面的时标的定时信息。因而，保证在定位部件13对于每个调制帧至少有一个正确的定时信息被接收。定时信息一般而不是排他地是时标的传输和每个后面的数据元素的传输之间所经过的时间。
e.定位部件13通过测量由后面的数据元素提供的时标的传输时间和在每个声接收器18的时标的到达时间之间所经过的时间，来计算位置元件11的位置。假定同步信号的飞行时间实际上为零。术语“飞行时间”在下文指的是声学时标的发送和到达之间所经过的时间。
f.声信号的飞行时间的测量由定位部件13根据它自己的时钟和由数据元素提供并且由位置元件11根据位置元件的时钟计算的定时信息执行。由于时钟存在某个误差和连续的不均匀的漂移，因此需要使时钟同步。所以，数据元素又包含时钟同步信息。
g.定位系统10最好支持多用户功能，最好在单个定位部件13能够同时确定多个位置元件11的位置方面，以及多个定位部件13能够同时确定多个位置元件11的位置方面。
h.为了支持多用户功能，位置元件11最好包括多个调制方案。位置元件11最好不时地随机选择调制方案。或者，调制方案是预选择的，最好由厂商预选择。数据元素另外并且最好包含当前调制帧的调制方案的标识。
i.另外，为了支持多用户功能，数据元素执行跳时以解决冲突。同步信号在邻接的同步帧的连续序列内传输。每个同步帧由固定数量的时隙组成，一般而不是排他地，同步帧中的时隙数为16。每个数据元素在时隙序列内传输，其中每个这种时隙从不同的同步帧中选出，每帧一个时隙。所以，数据元素被分成分组，其中每个分组在一个时隙中传输。对于每个同步帧，随机地选择携带分组的时隙。最好，数据元素短，并且传输比特率高，以便整个数据元素适合单个分组，由此适合单个时隙。
j.全部时隙以及所有位置元件11的全部同步帧的时间长度最好相同，除了由于误差、漂移等等导致的它们的时钟差异。每个数据元素分组包括同步帧内它的时隙的数目。因而，定位部件13能够测量当前帧的时间长度，并且估计它自己的时钟和位置元件11的时钟之间的差异。因而实现定位部件13和位置元件11的时钟同步。
k.数据元素还包含有关特定应用所需的位置元件11的其它元件的信息。
上述特征将在下面进一步描述。
现在参考图2和图3，它们是位置装置12的两个优选实施例的简化图解，区别在于图3的位置装置12中的第二声发射器14。第二声发射器能够使定位部件13(图2和3中未示出)确定位置装置12的方向。
图2和3的位置装置12包括声信号发送器14、同步信号发送器16以及三个按钮中断的开关22，它们经接口电子电路23连接到微控制器24。电池25经电源26提供功率，并且时钟电路27提供定时信号。
现在参考图4，图4是配置为连接到计算装置(未显示)的定位部件13的优选实施例的简化方框图。在图4的优选实施例中，定位部件13经模拟输入连接到计算装置，最好是麦克风输入或音频“Line-in”输入，比如PC的音频输入。应该理解，其它类型的输入，最好是诸如MIDI、USB的数字输入以及诸如蓝牙的无线输入也可以用来将定位部件13连接到计算装置。
图4的位置部件最好包括声接收器18的阵列，最好是诸如麦克风的声换能器，一般地至少两个麦克风将声发射器(未显示)发射的声信号转换回电信号。同步信号接收器19，最好是IR光电二极管，检测由IR同步信号发射器(未显示)发射的IR同步信号。或者，天线可以代替IR光电二极管来接收无线电同步信号。
最好为每个声接收器18和同步信号接收器19提供前置放大器和滤波电路28。时间或频率复用功能29允许信号在单个信道上多路复用。利用本机振荡器电路30和混频器功能31的频率下变换允许将所接收的信号向下转换为与计算装置的模拟输入兼容的频率。
微处理器32或其它控制逻辑用来控制和协调定位部件。同步信号能够使微处理器同步信令分量。
提供电缆和插孔，用于连接到计算装置的麦克风插座，或具有A/D转换器的任何其它输入。进入模拟输入的数据最好由缓冲器和滤波电路34缓冲和滤波。缓冲可以根据是使用了麦克风插座还是某些其它输入而有所不同。
电源电路35允许作为定位部件以及数据输出的电源同时地使用麦克风插座。
在使用主CPU对从模拟输入传递的定位数据解码时，存在固有的同步问题。位置元件的时钟与定位部件不同步，而定位部件又与计算装置A/D转换器不同步。位置元件和定位部件的同步能够利用本文描述的同步信号实现。与主时基进一步完全地同步多数情况下不可能。即使具有比较高的采样率，诸如50KHz，同步信号和A/D样本之间的不匹配约为20μS，这对应于测量的位置中的几个厘米。这种不精确性不适合于大部分的应用。此外，即使在某些情况下实现了好的同步，但两个系统的时钟，即主机和定位部件，倾向于随着时间而漂移，这是由于现有晶体技术的有限准确度造成的。
为了克服上述主机同步问题，定位部件最好使用某个时隙或频率段向主机发送同步模式，它处于主机A/D转换器的奈奎斯特速率。主机能够用该模式确定它自己的时钟和定位时基时钟之间的相差。
同步模式可以定期发送，该时间足够补偿时钟漂移，并且不必在每个循环周期发送这种信号。
在另一个优选实施例中，定位部件发送命令到位置元件，通过声、光、红外线、RF或位置元件能够响应的任何其它形式的信号。在这样一个实施例中，位置元件11具有RF或光接收器。一旦接收命令，位置元件11可以发射诸如上面讨论的声信号的信号。指令从定位部件的发射时间已知，并且可用于开始计时接收声信号的延迟。在不同麦克风的声信号的相应延迟又可以用来到达位置坐标。
现在参考图5，图5是配置为包括计算设施的定位部件13的优选实施例的简化方框图。与图4相同的元件给了相同的附图标记，并且不再描述，除非是理解本图所需的。在图5中，A/D转换器36取下变频31的输出，并且将其提供给微处理器37。微处理器37连接到存储器38和数字数据端口39。微处理器37执行对声信号波形的解码，以确定位置元件11的位置，并且可以另外使用如此确定的位置信息来运行应用程序。功能部件最好提供在定位部件芯片组内。该方案导致比图4的更加复杂、并因此更加昂贵的定位部件。但是，电路可以专用于与信号一起使用，以配合如下描述的解码算法，并且因此与现行的可用方案比较仍相对简单。
最好提供解码算法来将位置元件信号的数字化型式转换为位置坐标，以便传递到本地操作系统，或者直接传递到应用等等。算法最好作为用于计算装置的客户机软件的一部分提供，或者作为定位部件的驱动器，或者内置到本地操作系统或特别作为专门应用的一部分提供。在图5的实施例中，算法可以合并到定位部件电子线路中。
算法最好考虑了通过执行频率下变换而可能得到的相对低的采样频率能力。变换将数据频率从位置元件传输所需的比较高的频率减少到安装的声音硬件很可能能够采样和数字化的相对低的频率。另外，算法最好包括处理噪音的能力，并且最好适合于通常处理低频信号的特定问题。
如上述，定位领域的已知技术集中于利用非常短并且高能的声信号作为定位信号。为了实现良好分辨率，已知的方案规定高的采样频率，一般比400KHz更高，以便能够发现这种短的定位信号而不会完全错过它们。本实施例相反地最好不使用比44.1KHz更高的采样率，因为这种频率与安装的声音处理设备基座不兼容。此外，推荐保持信标信号声音频率比20KHz更高，也就是在超声波范围内，以便用户听不见。这两个需要要求一种方案，其中数据在超声载波信号或波形上调制。数据在载波上可以是调频的(FM)或调相的(PM)，载波包括超声信号，或可以使用任何其它已知的方法。算法最好用于对调制信号解码以及从其采样结果重建原始位置信息承载信号。在本实施例中，最好使用有限带宽信号以便实现期望的分辨率水平。
最好，在声定位中使用诸如扩频以及跳频的连续波(CW)调制，以克服混响和多径效应。
一般地，使用多于一个检测器，并且来自检测器的信号被多路复用到单个输入。在某些情况下，可以避免对多路复用的需要。例如，在立体声输入声霸卡或类似的立体声声卡的情况下，可以将两个信号馈送到麦克风输入中，并且另外两个信号到″Line-In″输入，得到不需要复用在一起的总共四个信号。因而，定位部件不要求时分多路复用器进行输入访问。相反地，高达四个传感器可以直接馈送到声卡，并且声霸卡的内部电路则能够使用适当的软件驱动程序来处理接收的信号。但是，应该注意，甚至立体声输入声霸卡最多有两个A/D转换器，所以仍需要时分多路复用来启动声卡执行同时在超过两个信道上的采样。
为了使立体声输入声卡能够在两个A/D转换器上对四个分离信道进行采样，传输的信号因此可以通过定位部件彼此同步。这种同步可以用许多方式实现。一种方式是与信号本身一起从或者向定位部件发送同步数据。另外的方法要求循环传输，即，信号以协调的方式发送，以便使用两侧都知道的信道之间的信号周期或定相。以上描述的方法因此提供数据同步，有和没有内部时分机制都可以。
应该指出，如上所述利用分离的立体声输入与以上描述的其它实施例相比具有某些缺陷。因此，例如可能在两个A/D转换器中的每一个执行的采样之间存在相差，并且因此必须在使用系统之前执行校准阶段。否则，相差本身可能干扰距离确定，导致减低的准确度。
另外的缺陷是，要求相对复杂的软件驱动功能来保持麦克风输入和“Line-In”输入之间的切换定时尽可能准确。切换定时之间仅仅17秒的抖动可以导致在室温下0.3mm的测量误差。
另外，大部分安装的声卡基座仅仅允许单输入。个别声卡配备用于立体声麦克风输入。
可能增加额外成本，因为为了利用附加的输入，必须在定位部件上提供附加连接器和电线，这是大部分用户将不能够使用的。
本发明的优选实施例使用最大似然检测器，用于对从传感器接收的信号进行解码，以确定到各个传感器的距离。在最大似然检测器，从传感器接收的信号经定位部件与基准信号进行比较。比较指示最可能的信号，并且从最可能的信号，确定距离，作为信号最可能传输的距离。
最大似然检测器最好使用信道的完全数学模型来建立基准信号的查表，接收的信号与基准信号进行比较，以便可以发现最佳匹配距离。作为备选，可以奈奎斯特速率对预期的波形进行采样，并且采样点之间的任何定时不匹配可以通过外推函数克服，以显示出距离。
现在参考图6，图6是指出数学信道模型40的典型分量的简化方框图，用于合并到上述类型的最大似然检测器。信道模型40包括用附图标记41表示的起始信号序列S(t)，该序列被馈送到位置元件11内的声发射器的传递函数H1(s)，用附图标记42表示，后面跟着空气间隙43，其简单的建模为延迟。空气间隙随着不同的距离而改变。然后，结果馈送到定位部件13中的接收路径，接收路径包括用于声接收器的、用附图标记44给出的传递函数H2(s)、用附图标记45给出的均衡H3(s)、以及用附图标记46给出的低通滤波H4(s)、以及路径的混频和任何其它特征。信道的完全模型在最大似然检测器的设计中有用，其中它允许构造准确的期望信号，接收的信号理想地仅在相位上与期望信号不同。检测器则相对容易地能够区分出最可能的信号，而最可能的信号又对应于最可能的距离。
同步信号用于基于最大似然的方案中，以设置延迟的开始同时使位置元件和定位部件之间的时钟同步。同步路径47显示在模型上。具体地说，路径47将同步信号提供给本机振荡器48。
本领域技术人员应该理解，声信号具有不同的角度传递函数。可以添加均衡器到定位部件中，以便补偿这个情况。
同步信号最好还经第二路径49指向相当于距离查表50中的零距离的开始时间。通过最大似然检测器获得的最可能信号则用于根据查表识别最可能的非零距离。本领域技术人员应该理解，代替查表，有可能利用即时发生的阵列。此外，可以使用其它检测器；并且存在FM信号的几个已知解码器，比如PLL、I/Q解调、相位乘法等等。最大似然距离可以借助于相关进行测试。
备选并且最好，混频器51用通带采样替代，通带采样的采样频率小于所考虑的最大频率的一半，最好使用模拟抗混叠滤波器。
同时备选并且最好的，混频器52用高频采样替代，高频采样的采样频率等于或大于所考虑的最大频率的一半，最好使用数字滤波。此实施例缓和了对模拟滤波的需要，并且能够利用频率下变换的抽选滤波器，以提供类似于上述备选实施例的整个数据吞吐率。
现在参考图7，图7是显示可以使用的典型相关函数的两部分图解。图的上半部分53显示功能，并且图的下半部分54是图的上中心部分的放大或变焦视图。
现在参考图8，图8是显示用于执行如上所述的解码的解码单元的简化方框图。解码单元包括：最大似然检测器55，它使用上面参考图6所述的信道模型40；以及查表50。最大似然检测器55后面有相关器56，该相关器使用相关函数57，以通过最大似然检测器55利用最可能检测的距离执行相关，从而确定检测的距离是正确的。
现在参考图9，图9是发送和接收图1的同步信号17的定时图的简化图解。同步信号17由位置元件11最好作为数据元素序列58发送。每个数据元素最好作为单个分组59发送。每个分组59最好在同步帧61的时隙60内发送。每个同步帧61最好包括固定数量的时隙60，一般每帧16个时隙。
应该理解，分组59可以比能适合于一个时隙60的更大。在该情况下，分组可以细分并且根据需要在几个时隙内发送。但是，最好数据元素短，并且传输比特率高，以便整个数据元素适合于单个分组，并且分组适合于单个时隙，如图9所示。
同步帧61具有相等的时间长度，并且彼此紧密跟随。位置元件从每个随后的帧中选择一个时隙来发送数据元素，直到发送整个数据元素为止。时隙随机地在每个帧内选择。这个跳时机制对解决彼此接近操作的两个或更多位置元件之间的冲突有用。
按照定位部件时钟估计位置元件时钟实际速率的过程如下。在以下的描述中，数据元素适合于单个分组，单个分组适合于单个时隙。
1)定位部件最好包括自由运行的定时器。在接收到有效的分组标题(0x55)时，这个定时器的值被采样，并且在下文中称为″分组时标″(PTS)。
2)PTS最好和接收的分组数据一起传递到应用层。
3)分组最好还包括″时隙″字段，该字段指出时隙相对于它的帧开始的位置。时隙最好随着每个帧而改变，最好通过将CRC-8用作伪随机发生器。这个随机化的目的是使同步信道中周期性干扰的影响最小化。
用于同步时钟的算法如下：时钟估计器计算发送器时钟和接收器时钟之间的差异。由于差异主要是由于晶体误差引起的，因此该估计基本上是线性数据的拟合。线性拟合坡度单位以百万分率(ppm)测量。同步算法的实现还用于调整由于温度影响而发生的改变。估计器的性能比30nS更好，30nS对应于大约10μm。
在图9的实例中，位置元件在每个同步帧使用16个时隙。在图9所示的帧中，位置元件在第七时隙中发送分组。定位部件接收帧63的流62，它与帧61相同，除了它们的时间测量由于位置元件和定位部件之间的时钟速率的差异而不同。定位部件接收分组59，并且对它的内部定时器进行采样，在接收到正确的分组标题时产生PTS。分组和相应的PTS值然后传递到软件层用于时钟恢复。
在图9提供的实例中，定位部件的时钟比位置元件的时钟更快，因此帧63的长度比期望的更长。所以，定位部件能够估计时钟之间的差异，并且根据分组的内容精确地计算调制帧的时标的发送时间。
应该理解，在定位部件和位置元件之间没有强制同步，并且每个都独立地执行它自己的状态机。此外，其它定位元件能够在随机时间发送它们的数据。是算法在不同的定位元件进入定位部件的范围时记住不同的定位元件。
如从以上的讨论能够理解的，同步信号、尤其是数据元素，最好是数字信号。同步信号最好支持下列特征和考虑事项：
1)功耗是一个考虑事项，特别是对于位置元件。为了提供最小功耗，比特率应该尽可能高，最好高于1.25M比特的数据速率。
2)为了进一步地节省功率，发送的数据量应该最小。
3)为了进一步地节省功率并且降低成本，整个通信方案是单工的，位置元件一般不包含接收器，并且定位部件不发送请求来再发丢失的信息。声定位系统应该容忍数据损失超过80％。
下表提供具有小尺寸和高容忍性特征的优选分组结构。在以下表中提供的实例中，同步数据元素适合于分组。
字段 值 大小[比特] 描述
标题 0x55 8 允许接收器同步。
分组结构 0 2 最小大小分组ID。
笔ID 6 也定义声信号。值不等于0x3F。
时隙 4 伪随机同步，通过在CRC-8上取循环计数器的4 LSB进行计算。
IR分组号 4 对模15IR分组计数。
开关3状态 1 当前开关状态
开关2状态 1 当前开关状态
开关1状态 1 当前开关状态
开关0状态 1 当前开关状态
开关改变计数器 4 具有相同开关3-0值的连续分组数。计数器不翻转，但在6饱和(以避免0xFF)。
CRC 8 冗余校验CRC-8算法
总比特数 40
包括开始/停止 50
位置元件最好还典型地并且最好在同步数据元素内发送有关位置元件的其它外围组件的信息，比如开关的状态，如上表所示。
最好，位置元件在每个数据元素内发送外围组件的状态，最好在每个分组内。最好，状态伴随有开关改变计数器，它最好对自上次开关改变以来发送的分组数目进行计数。在上表中提供的实例中，计数器对每个分组加1。一旦计数器达到预定极大值，在此实例中为值6，则计数器保持在这个值，直到所监控开关中的任何一个发生改变。在这时候，计数器复位到0。因此，定位部件能够在任何时候，以同步分组的传输速率的准确度估计开关的状态，即使当一些分组丢失也是如此。
在下表给出的实例中，开关在帧n-3(计数器等于0)改变它的状态。在下一帧中，计数器增加到1(因为开关状态没有新的改变)。帧n-1大概由于干扰全部丢失。帧n使定位部件能够恢复帧n-1的数据，因为开关的计数器从最后接收的分组增加了2。结论是，帧n-1的开关状态为0x72。
字段 帧n-4 帧n-3 帧n-2 帧n-1 帧n
标题 0xAA  0xAA  0xAA 无 0xAA
分组结构&ID 2  2  2 无 2
时隙&分组号 0xD1  0x32  0xF3 无 0x15
开关状态&计数器 0xF7  0x70  0x71 无 0x73
CRC 0xC1  0x57  0xEA 无 0xD2
如果干扰信号使得数据和CRC不一致，则数据被丢弃，除非定位部件能够利用CRC恢复数据。算法在实际上利用数据之前，检查它的完整性。例如，如果分组的恢复定时与期望的差太远，则此特定分组的数据被丢弃。
声信号的附加编码能被用于更大的信号健壮性，并且还使与相邻用户的干扰最小化。后者具有几个好处。它允许多个用户使用同一的定位部件，或者它可以允许单个用户使用几个指示装置，例如在诸如下棋的游戏中。如果每个游戏件是不同的指示装置，并且信号解码允许区分出不同的指示装置，则系统能够合并多个游戏件游戏。使与相邻用户的干扰最小化可以进一步允许多个用户在同一房间中共同存在。
使不同的指示装置之间干扰最小化的优选方式之一是通过利用伪随机跳频算法。每个移动单元最好具有合并在编码单元(连接在图2和3的元件23和24之间，但没有显示出来，或者最好在微控制器24内)内的伪随机跳频序列。定位部件或作为优选的解码单元，具有相应的去跳单元，它能够在同一跳频序列上同步。优选实施例通过利用IR或其它电磁信号来将跳频序列传送到定位部件，从而提供同步。另外的优选实施例使用工厂校准提供序列。
能够利用基于跳频的位置检测系统实现的应用之一是集成定位部件和WLAN(无线局域网)。结果是WLAN接入点具有定位能力，它能支持多用户并且能独立地管理每个用户数据。用户能例如在纸上写，或利用属于WLAN或与WLAN兼容的指示装置在它们自己的电子板上写。看不见的，WLAN独立地跟踪每个用户的移动，并且产生每个它们的手写文件的联网电子版本。对于在纸上写的目的，指示装置是指示装置和标准笔的组合。
客户和应用需要改变，并且各个应用可以要求特定变量相对于其它变量的最大化。例如，在某些应用中，准确性可能不如功耗重要，并且因此可能的准确性水平或操作中的检测器数量可减少，以获得降低的功耗。为了允许这种系统特定的优化而不是制造大量类似装置，柔性可编程方案是优选的，对于定位部件和移动单元都是如此。
柔性编程可通过熔丝或者通过利用非易失性存储器(作为ROM或EEPROM)而执行。用于这样设置的典型数据包括每秒采样率、发送功率、二维或三维应用等等。
位置元件还可以配置有压力传感器，其输出能通过适当的应用使用以实现图形或者安全特性。例如，可以根据施加的压力，画出不同的线。合并到指示装置中的适当压力传感器可以包括数字转换器(10比特或更少)、应变计和驱动电路。
又一个特征可以包括测量移动单元角度的能力(在例如数字输入笔应用中有用)。合并到位置元件中的适当的角度传感器可以包括倾斜仪、数字转换器和驱动电路。在另一个实施例中，诸如超声波扩音器的两个位置指示器可以放置在指示装置的任一端，各自以使得信号可区分的方式发送。指示装置的角度因此可以通过计算每个位置并且在它们之间执行简单的几何学来导出。
独立的定位部件
如上所述，在图4的实施例中，定位部件包括对信号解码的能力，而不需要主计算装置的支持。
在上文描述的解码算法不要求特别强大的处理能力，并且因此可行的是将有限资源的CPU包含在定位部件中，而不增加总的成本。在优选实施例中，～1MIPS的计算能力用来解码信号。这种低的计算电力事实上能够集成到单个定制的定位部件芯片中，或作为低成本附加件。利用这种CPU允许更常规的连接到主机，比如：UART、USB、串行等，因为传送的信号是定位的处理结果，而不是原始信号。这种输出还适合于在WLAN和蓝牙内直接使用。这种独立的定位部件最好包括数字化元件、(A/D变换器)、CPU、存储器和接口电路。
现在回头参考图3，其中两个声发射器最好安装在位置装置的两侧，从而能够检测装置的方向。每个声发射器发出独立检测的独立波形，并且位置装置的方向通过在两个位置之间画直线确定。最好，两个声发射器能够向定位部件标识自己，并同时操作。两个声中继器的相应信号可以是时间或频率复用的，以一起工作，并且在一个优选实施例中，两个声中继器使用跳频，各利用不同的伪随机序列。位置元件能够使用单个同步发射器来提供两个调制帧的同步。
电磁定位
另一个可用于麦克风输入的方法是电磁定位。具有正交排列的磁环(导线)的板充当书写板。指示装置发射电磁信号，该电磁信号由板的磁环拾取。通过分析该信号，能够计算指示装置的位置。环能够印刷在PCB上，并且可以制造得足够小，以便给出任何期望水平的精度。
指示装置与如上所述相同，除了同步信号发射器是包括发射天线和相关联调制电路的电磁发送器。定位部件的同步信号接收器包括作为传感器的内置环，它具有RF解调电路，其它与如上所述的定位部件相同。解码算法也必须处理不同类型的信号信息部分，其它包括与上述讨论的相同问题。
当前实施例的定位系统具有广泛的应用，下面列出其中几个。最好，制造单个电子装置，并且对于选择的应用，可能通过利用跳线或双列直插式开关而以不同的方式设置。开关可以允许对于给定应用将系统配置为最适当的折衷。在一些应用中，低功耗是重要的。在其它应用中，定位精度是关键的。在另一些应用中，准确性没有快速更新以及每秒采样数量重要。在另一些应用中，范围是重要的，并且在其它应用中，容纳大量用户的能力可能是关键的。
在下面，考虑以上描述技术的多个应用。
多用户定位系统
本发明的多用户定位系统实施例最好包括相应具有嵌入定位部件的WLAN系统。会议室中的多个用户各具有位置元件。每个位置元件如上所述具有它自己的唯一身份。各种位置元件和同步信号一起发送连续调制的波形。波形由多用户定位系统检测。波形还可由每个用户本地的跟踪系统跟踪，跟踪系统最好在每个用户的蜂窝电话中。此外，会议桌本身可具有与会议室电话设施组合的主定位部件。
玩具应用
能够定位的玩具可以被分成三个子类别，将在下面解释：屏幕游戏的前沿、计算机游戏的前沿、以及无计算机环境。
屏幕游戏的前沿是其中用户交互作用直接与计算机屏幕进行的游戏，例如：
玩具指-用于幼童或小孩的玩具指示装置，以指向计算机屏幕以便与网站或节目交互作用。用指示装置触摸屏幕发起幼童的会员区内的动画片网站。指示装置还允许用户与出现在屏幕上的对象交互作用。最好为指示指或卡通人物形式，并且从工艺上说为数字笔的指示装置，根据以上任何实施例，具有它的唯一身份。
玩具鸟-提供游戏，其中用户将鸟飞到位于屏幕右上手边的鸟巢，以便获得分数或喝彩。实现就像以上的指示指。
无线游戏杆-技术的可能应用是用于计算机游戏的无线游戏杆。游戏杆在计算机游戏产业中具有应用。
计算机游戏的前沿-计算机游戏的前沿是其中交互作用发生在计算机附近的游戏，或者在这方面是PDA、蜂窝电话或附于计算机的单元，这一点从以下实例可以理解。
战场游戏-最好表示其中两个对手参战的战场的板。游戏件，各包括一个位置元件，表示士兵和武器，它们相对彼此前进并且打仗。游戏的某些方面仅仅出现在屏幕上。例如，如果游戏者之一将他的士兵前进到有地雷的特定地点，则发生的爆炸出现在屏幕上。嵌入在计算机内的定位部件或附于计算机的元件接收每个士兵、车辆等等的唯一定位坐标，并且利用计算机上的作战计划应用调整它。
无计算机环境-无计算机环境游戏是不要求PC的游戏，因为它们本身携带足够强大的CPU。
战场游戏-同上但是独立，没有计算机。
能够定位的玩具汽车-汽车跟着另一个汽车，或者与另一个汽车交互作用。第一辆汽车具有位置元件，而第二辆汽车具有定位部件。第二辆汽车因此能跟随第一辆汽车或者与之交互作用。
独立机器人
独立机器人追踪彼此的位置以及球的位置，并且在它们之间传球。每个机器人具有用于整个机器人的位置元件以及用于四肢的附加位置元件，四肢的位置是预定的动作类型所需的。在一个实施例中，每个机器人包括它自己的独立定位部件，并且根据来自本身和来自周围机器人的输入位置数据作出它的决定。但是，在第二优选实施例中，每个机器人仅仅具有位置元件和控制电路。跟踪由外部定位部件执行，外部定位部件然后指示机器人如何移动。因此，仅需要提供单个智能装置，并且机器人可以相对简单。
在一个优选实施例中，一个机器人将球传给第二机器人。第二机器人击球并将它传给第三机器人。
在另一个优选实施例中，游戏杆控制机器人的移动，而其它机器人自动地根据他的定位设法赶上他。应用可以利用双向通信，如在本文其它地方解释的。
能够定位的积木
积木每个都配备了唯一可识别的位置元件。用户可以交互地建造各种结构，在建造过程期间接收计算机指引。
命令&控制手套
用于虚拟现实或类似游戏的命令和控制手套。手套的每个肢配置了根据以上实施例的定位能力。根据当前实施例，这种定位能力可以简单地通过将传感器附到普通手套的每个手指的端部来提供。因此，每个手指配置了独立的定位能力，按需要由游戏应用读出。备选或附加地，手指上的环可以提供无线终端，或者带可以放在用户身体的任何部位上，或在游戏中使用的零件或配件上。
库存应用
根据本发明的优选实施例的库存系统包括嵌入在存货项中的位置元件和跟踪存货项的移动的定位部件。
生产应用
根据本发明的优选实施例采用机器人的生产线包括嵌入在每个机器人中的位置元件和进行机器人全局控制的定位部件。每个机器人可以具有用于整个机器人的位置元件以及用于四肢的位置元件，四肢的位置是预定的动作类型所需的。在一个实施例中，其中机器人需要彼此交互作用，每个机器人包括它自己的独立定位部件，并且根据来自本身和来自周围机器人的输入位置数据作出它的决定。但是，在第二优选实施例中，每个机器人仅仅具有位置元件和控制电路。跟踪由外部定位部件执行，外部定位部件然后指示机器人如何移动。因此，仅仅需要提供最小数量的智能装置，并且相对简单的机器人可以提供群体行为。
更高的精度可以通过在预先确定的位置，在检测空间中放置附加的无线终端而实现。测量这些单元将校准移动终端的绝对测量，以便可以实现更大的精度。
安全应用
根据本发明的优选实施例具有定位部件的指示装置可以结合到电子识别方案中。个人手写签名常常用于识别，但是熟练的伪造者能够复制别人的签名。但是，伪造者复制签名的外观，而不是用户施加压力到笔上或者握笔的方式，比如在签名给定部分上在给定角度。用户可以用作笔在纸上写字，并且不仅可以提供移动信息而且可以提供压力和状态信息的指示装置，提供了增强的安全个人签名。用于获得签名信息、结合了压力以及外观的系统在使用中，但是，本发明的优选实施例的使用使得这种系统更便宜并且更灵活。此外，笔的状态信息实现了更好的验证。笔的方向可以通过向笔添加附加的角度传感器而测量。角度传感器可以包括加速度计，或者可以在输入笔的另一侧使用附加的位置信号发送器，如上所述。在后一种情况中，定位部件确定两个换能器的XYZ位置，从这个位置可以计算输入笔的角度。角度然后用作附加的因素，并且产生签名的电子版本，它是三个矢量值(XY位置、压力和角度)的三元组。
以下实施例描述增强的识别设备，集成了定位和其它安全方法。
使用输入笔形式的指示装置作为认证部件。提供一组输入笔作为系统的一部分。向每一个标识的用户群提供这些输入笔之一，并且每个输入笔配置了它自己的电子身份。
通过识别输入笔，目前与系统交互作用的用户被识别，并且这样允许在安全应用中可验证地使用系统。可能还要求用户提供他的常用签名，这可以根据移动和施加的压力等电子地验证。
对于更高的安全性，输入笔还可以配置例如根据公共密钥基础设施(PKI)实现数字签名的部件。用户可以用他常用的手写签名来签名。一旦验证了手写签名，系统就用输入笔利用PKI算法向文件提供数字签名。这种部件要求指示装置和定位部件之间的双方向通信，这可以利用可用的IR或者RF信道提供。电子签名因此提供了使用个性化输入笔并且验证授权用户的保证。
作为以上的备选或者附加，可以添加小键盘，以允许用户输入个人识别号(PIN)。
作为以上的备选或者附加，系统还可以在输入笔或者定位部件中结合生物计量传感器，以增加安全水平。生物计量传感器可以用于指纹识别、视网膜签名识别、语音签名识别等等。
附加的输入笔应用
输入笔或者数字笔另外可以用于：
遥控-可跟踪输入笔的位置并且用于对系统施加控制。因此指示一个装置可以让它操作。扭动输入笔同时指示可以影响装置的操作。
手表电话可以配置微型输入笔，以在电话的表面上写或者在附于其上的附近的小衬垫上写。或者，写可以在普通的纸上和位于附近的表上执行，以跟踪输入笔的移动。
输入笔可以用来提供SMS消息，而不是必须通过键盘输入这些消息，和/或可以提供画图的能力，并且作为文件发送草图。同样地，输入笔可以用来输入电话号码，然后拨打。相同的思想可以应用于常规的电话。
输入笔可以用来允许写数据输入等到诸如现金出纳机、游戏装置、有线电视、冷柜等的其它装置。
上述讨论到的输入笔的安全应用可用作在销售点设备面前的支票或者信用卡签名认证的一部分。
说话笔-假定计算能力可用，在书写时，有可能提供一种应用，其中笔写入并且应用说出写入的内容。用于识别笔迹的应用为大家所熟知，并且用于写入的电子发音的应用也是已知的。这两个与本实施例的输入笔的组合提供了读回手写内容的方式。应用可以位于定位部件中或者附在计算机上。如果利用其中可能传输回笔的实施例，则笔本身可以说出写入的内容。
组合的数字笔和翻译器-笔写入并且将输出翻译为其它语言。
以上的任何组合
充当定位部件的独立装置具有它自己的屏幕并且最好经蓝牙、无线LAN、普通的LAN等联网到打印机及其它装置。该配置提供一整套的覆盖范围，从手工输入到最后的打印或任何其它形式的输出。
多方面的应用
枪瞄准器-通过在游戏装置上安装枪或者类似装置形式的两个位置元件。最好，一个位置元件安装在装置的末端，并且另一个安装在与枪的管口平行的虚线上尽可能远的地方。两个位置元件发送正交码(或者具有低互相关的代码)。定位部件与屏幕相关联，最好在角落之一或者屏幕的右上方，并且具有至少三个麦克风。定位部件估计从枪上的两个定位元件到屏幕的虚线。枪上按压的按钮的状态和同步数据一起经IR链路传送。
3D立体声-通过在人身上放置无线发送器，立体声可以选择如何控制来自不同的扬声器的不同音量或者声音，以向无论是否在房间里的人提供完整并且实际环绕的体验。象这样的立体声控制是已知的，但是可以通过利用根据本发明的跟踪大大地简化。
视频跟踪-根据与立体声跟踪相同的原则，跟踪可以用于PC视频照相机，以自动地跟随正在拍摄的人。实施例当然可扩展到任何视频系统，又可以对视频会议等特别有用。
用于汽车的外部和内部定位系统-例如，在汽车内具有通过跟踪它们的位置而控制或者了解的元件。
跟踪装置-独立的定位部件装置，其中屏幕指引用户到它附近的对象的位置。系统可以在屏幕上指明这些对象的身份和位置。系统可用于在房间中寻找钥匙或者其它个人用品。
双向网络系统-系统包括具有发送器和接收器的一系列装置。每个装置与它了解的装置彼此定位和注册，并且在它们之间构造虚拟网络。网络可以构造在他们自己之间，或者可以另外使用智能集线器。结果是基于无线电的网络，其范围远远大于各个对象中的任何一个的范围。每个对象具有相邻对象的准确坐标，并且因此可以使用定向传输以改进范围或者频谱效率，并且网络可用于传递数据到任一点，或者从任何参与的对象获得无关网络对象的所在等等。网络可以连接到其它类似的网络，或者可以具有到更宽网络的接入点。各个元件可配置他们自己的身份，并且系统可用于提供对队员的实时跟踪，并且同时向他们提供对讲系统。
库存系统的比例缩小版本可以提供越界警告。可以在临时提供给客户的丢失物品上提供位置元件，例如提供给航线乘客的耳机。如果顾客拿走物品，则设置越界警报，允许找到离开的装置。
用户可以具有激活门、灯和器具的个人定位器。同样地，可以通过跟踪个人定位器来控制通讯设备，以将呼叫转移到最接近的传真机等等。跟踪和管理通信传送最好经LAN或者WLAN管理。个人定位器本身可以告诉用户关于呼入及其它通信，并且给出接收通信的选项。在WLAN方案中，定位部件最好是WLAN基础设施的一部分。
期望在此专利期限期间，将开发许多相关的定位装置和系统，并且本文中的术语的范围旨在包括所有这样推理的新技术。
应该理解，本发明的某些特性，为了清晰起见，在独立实施例的环境中进行了描述，但它还可以组合地提供于单个实施例中。反之，本发明的各种特性，为了简洁起见，在单个实施例的环境中进行了描述，但它还可以独立地提供或者在任何适当的子组合中提供。
尽管本发明已经结合它的特定实施例进行了描述，但很明显，许多备选、修改和变化对本领域技术人员都是显而易见的。因此，旨在包括落入所附的权利要求书的精神和宽范围之内的所有这样的备选、修改和变化。在此说明书中提及的所有的出版物、专利和专利申请通过引用结合于本文中，就像每个出版物、专利和专利申请具体并且分别地指明通过引用结合于本文中。此外，在此申请中任何参考的引证或者标识不应该视作这种参考作为先有技术对本发明有效的许可。

Claims (64)

1.一种位置检测系统，与计算应用结合使用，所述位置检测系统包括：
至少一个位置元件，用于获得位置，所述位置元件包括：
至少一个第一发射器，用于发射基本上连续调制的声波波形，所述声波波形可解码以固定所述位置；以及
第二发射器，用于发射同步信号；
定位装置，可操作以确定所述位置元件的位置，所述定位装置包括：
至少一个第一检测器的配置，可操作以检测所述连续调制的声波波形，其方式允许固定所述位置并且输出所述波形用于计算，其方式为保持所述位置固定能力：以及
第二检测器，可操作以检测所述同步信号；
所述同步信号是至少两个同步子信号的序列，每个同步子信号承载用于所述连续调制的声波波形的定时数据，从而提高所述位置所述固定的准确度。
2.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述声波波形是超声波波形。
3.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述同步信号是电磁信号。
4.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述同步信号是红外信号。
5.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述同步信号是无线电信号。
6.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述定时数据包括对所述声波波形的可识别分量和所述同步信号的传输时间之间所经过的时间的测量。
7.如权利要求6所述的位置检测系统，其中：
所述位置元件还包括第一时钟；
所述定位装置还包括第二时钟；以及
所述同步信号包括对在所述第一时钟和所述第二时钟之间同步有用的时钟同步数据。
8.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述同步信号还包括所述位置元件的识别数据。
9.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述同步信号在至少一个时隙内传输，所述一个时隙随机地从在时间帧内提供的固定数量的时隙中选择，所述时间帧具有固定的持续时间并且连续重复。
10.如权利要求9所述的位置检测系统，其中所述同步信号还包括所述时间帧的识别数据和承载所述同步信号的所述时间帧内所述时隙的识别数据。
11.如权利要求10所述的位置检测系统，其中所述时间帧识别数据是所述时间帧的计数器，并且所述时隙识别数据是承载所述同步信号的所述时间帧内所述时隙的位置数字。
12.如权利要求10所述的位置检测系统，其中所述时间帧具有持续时间，所述持续时间对所述定位装置已知，并且其中所述时钟同步的数据由所述定位装置通过使接收的时间帧持续时间和所述已知的时间帧持续时间相关来导出。
13.如权利要求12所述的位置检测系统，其中所述时钟同步数据通过线性内插相应接收的时间帧持续时间和所述已知的时间帧持续时间的序列来导出。
14.如权利要求12所述的位置检测系统，其中所述时钟同步数据通过利用相应接收的时间帧持续时间和所述已知的时间帧持续时间的序列之间的锁相环来导出。
15.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述声波波形选自预定的声波波形集合，其中所述同步信号还包括所述选择的声波波形的识别数据。
16.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述调制是调幅。
17.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述调制是调频。
18.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述调制是调相。
19.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述同步信号包括纠错码。
20.如权利要求19所述的位置检测系统，其中所述纠错码包括至少一个循环冗余字符。
21.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述同步信号还包括至少一个离散输入的状态改变的识别数据。
22.如权利要求21所述的位置检测系统，其中所述离散输入是开关的状态。
23.如权利要求21所述的位置检测系统，其中所述同步信号还包括对所述离散输入的所述状态改变和所述同步信号的传输之间所经过的时间的测量。
24.如权利要求23所述的位置检测系统，其中所经过的时间的所述测量包括对在所述离散输入的所述状态改变和所述同步信号的所述传输之间传输的所述同步信号的计数。
25.如权利要求24所述的位置检测系统，其中所述同步信号的所述计数被限制，并且在达到所述限制时，所述计数保持在所述限制上，直到下次出现开关的状态改变。
26.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述同步信号还包括模拟输入和数字输入中至少一个的至少一个测量数据。
27.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述第一检测器配置包括单个检测器。
28.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述第一检测器配置包括至少两个检测器，并且可操作以在二维确定所述位置。
29.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述第一检测器配置包括至少三个检测器，并且可操作以在三维确定所述位置。
30.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述位置元件与计算机指示装置和写装置中的至少一个相关。
31.如权利要求1所述的位置检测系统，其中所述位置元件与移动装置和便携式装置中的至少一个相关。
32.如以上权利要求中任一项所述的位置检测系统，其中所述位置元件是多个位置元件。
33.一种位置检测方法，用于通过定位装置测量位置元件的位置，所述方法包括如下步骤：
在所述位置元件提供第一时钟；
在所述位置元件的所述位置发射基本上连续调制的声波波形，所述波形与所述第一时钟同步并且可解码以固定所述位置，
在所述位置元件的所述位置发射同步信号，所述同步信号是至少两个同步子信号的序列，每个同步子信号承载用于所述连续调制的声波波形的定时数据，所述定时数据与所述第一时钟同步；
在所述定位装置提供第二时钟；
由所述定位装置经至少一个第一检测器的配置接收所述声波波形，所述至少一个第一检测器的配置可操作以检测所述连续调制的声波波形，其方式允许固定所述位置并且输出所述波形用于计算，其方式为保持所述位置固定能力；
由所述定位装置接收所述同步信号，
由所述定位装置同步所述第二时钟和所述第一时钟；以及
利用所述定时数据和声波波形计算所述位置装置的所述位置。
34.如权利要求33所述的位置检测方法，其中所述声波波形是超声波波形。
35.如权利要求33所述的位置检测方法，其中所述同步信号是电磁信号。
36.如权利要求33所述的位置检测方法，其中所述同步信号是红外信号。
37.如权利要求33所述的位置检测方法，其中所述同步信号是无线电信号。
38.如权利要求33所述的位置检测方法，其中所述定时数据包括对所述声波波形的可识别分量和所述同步信号的传输时间之间所经过的时间的测量。
39.如权利要求38所述的位置检测方法，其中：
所述位置元件还包括第一时钟；
所述定位装置还包括第二时钟；以及
所述同步信号包括对在所述第一时钟和所述第二时钟之间同步有用的时钟同步数据。
40.如权利要求33所述的位置检测方法，其中所述同步信号还包括所述位置元件的识别数据。
41.如权利要求33所述的位置检测方法，其中所述同步信号的所述发射包括：
提供时间帧；
在每个所述时间帧内提供固定数量的时隙；
在每个所述时间帧内随机选择一个所述时隙；以及
在所述选择的时隙内发射所述同步信号。
42.如权利要求41所述的位置检测方法，其中所述同步信号还包括所述时间帧的识别数据以及承载所述同步信号的所述时间帧内所述时隙的识别数据。
43.如权利要求42所述的位置检测方法，其中所述时间帧识别数据是所述时间帧的计数器，并且所述时隙识别数据是承载所述同步信号的所述时间帧内所述时隙的位置数字。
44.如权利要求42所述的位置检测方法，还包括：
预先向所述定位装置提供所述时间帧持续时间；
由所述定位装置通过使所述接收的时间帧持续时间和已知的时间帧持续时间相关来导出所述时钟同步的数据。
45.如权利要求44所述的位置检测方法，其中导出所述时钟同步数据的所述步骤通过线性内插接收的时间帧持续时间和所述已知的时间帧持续时间的序列来执行。
46.如权利要求44所述的位置检测方法，其中导出时钟同步数据的所述步骤通过利用接收的时间帧持续时间和所述已知的时间帧持续时间的序列之间的锁相环来执行。
47.如权利要求33所述的位置检测方法，其中发射所述声波波形的所述步骤还包括从预定的声波波形集合中随机选择所述声波波形；并且其中发射同步信号的所述步骤还包括发射所述选择的声波波形的识别数据。
48.如权利要求47所述的位置检测方法，其中所述声波波形是连续调制的声波波形。
49.如权利要求48所述的位置检测方法，其中所述调制是调频。
50.如权利要求48所述的位置检测方法，其中所述调制是调相。
51.如权利要求33所述的位置检测方法，其中所述同步信号包括纠错码。
52.如权利要求51所述的位置检测方法，其中所述纠错码包括至少一个循环冗余字符。
53.如权利要求33所述的位置检测方法，其中发射所述同步信号的所述步骤还包括发射至少一个离散输入的状态改变的识别数据。
54.如权利要求53所述的位置检测方法，其中所述离散输入是开关的状态。
55.如权利要求53所述的位置检测方法，其中发射所述同步信号的所述步骤还包括发射对所述离散输入的所述状态改变和所述同步信号的传输之间所经过的时间的测量。
56.如权利要求55所述的位置检测方法，其中所经过时间的所述测量包括对在所述离散输入的所述状态改变和所述同步信号的所述传输之间传输的若干所述同步信号的计数。
57.如权利要求56所述的位置检测方法，其中所述同步信号的所述计数被限制，并且在达到所述限制时，所述计数保持在所述限制上，直到下次出现开关的状态改变。
58.如权利要求33所述的位置检测方法，其中发射所述同步信号的所述步骤还包括发射模拟输入和数字输入中至少一个的至少一个测量数据。
59.如权利要求33所述的位置检测方法，其中在所述第一检测器配置接收所述声波波形的所述步骤包括在至少三个第一检测器接收所述声波波形。
60.如权利要求33所述的位置检测方法，其中在所述第一检测器配置接收所述声波波形的所述步骤包括经至少两个第一检测器接收所述声波波形，并且其中计算所述位置装置的所述位置的所述步骤包括在二维固定所述位置。
61.如权利要求33所述的位置检测方法，其中在所述第一检测器配置接收所述声波波形的所述步骤包括经至少三个第一检测器接收所述声波波形，并且其中计算所述位置装置的所述位置的所述步骤包括在三维固定所述位置。
62.如权利要求33-61中任一项所述的位置检测方法，其中所述位置元件包括多个位置子元件。
63.如权利要求39所述的位置检测方法，其中发射同步信号的序列的所述步骤在发射所述声波波形的所述可识别分量之后的预定延迟时开始，其中所述预定延迟对所述定位装置已知，并且其中使所述第二时钟与所述第一时钟同步的所述步骤使用所述预定延迟来同步所述第二时钟和所述第一时钟。
64.一种位置检测系统，与计算应用结合使用，所述系统包括：
位置元件，用于获得位置，并且包括第一发射器和第二发射器，每个发射器用于发射连续调制的声波波形，所述声波波形可解码以固定所述位置，所述发射器相隔预定距离，所述两个发射器发送正交码；以及
检测器配置，用于检测所述波形，其方式允许固定所述位置并且允许确定所述位置元件的状态，所述检测器配置还可操作以输出所述波形用于计算，其方式为保持所述位置固定能力；
所述位置元件还包括用于发射同步信号的第三发射器；
所述检测器配置还包括可操作以检测所述同步信号的附加检测器；
所述同步信号是至少两个同步子信号的序列，每个同步子信号承载用于所述连续调制的声波波形的定时数据以及相应的压力数据；以及
所述检测器配置可操作以估计连接所述第一发射器、所述第二发射器和与所述计算应用相关的屏幕上的虚点的虚直线。
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