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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Ultraschallsender kann verwendet werden, um den Ort von Teilen zu bestimmen, die Ultraschallempfänger enthalten, beispielsweise eine mobile Kommunikationseinrichtung, die beispielsweise in einem Einzelhandelsgeschäft, einer Fabrik oder einer Lagerumgebung vorhanden ist. Der Ultraschallsensor kann Ultraschallenergie in einem kurzen Burst, der von einem Ultraschallwandler (Mikrofon) in einem Ultraschallempfänger empfangen werden kann, senden, wodurch die Anwesenheit der Einrichtung in der Umgebung festgestellt wird.
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Ferner können auch mehrere Ultraschallsender verwendet werden, die innerhalb der Umgebung verteilt sind, um einen spezifischen Ort einer bestimmten Einrichtung unter Verwendung von bekannten Techniken in dem technischen Gebiet, bereitzustellen, beispielsweise mittels einer Triangulation, einer Trilateration und dergleichen. Jedoch weisen im Gegensatz zu Funkfrequenz-Lokalisierungssystemen Ultraschall-Lokalisierungssysteme bestimmte Probleme in Verbindung mit den Eigenschaften von Ultraschallwellen und deren Verwendungsumgebung auf. Zum Beispiel sind Ultraschallsignale leicht Rausch- bzw. Störkomponenten ausgesetzt. Insbesondere können Breitband-Rausch- oder Geräuschkomponenten (die typisch für Aufschlag-Störungen bzw. Geräusche sind) in das Frequenzband von Interesse fallen und können nicht ohne auch das gewünschte Signal zu filtern herausgefiltert werden. Infolgedessen kann ein genaues Triggern einer Ortsmessung unter Verwendung eines ankommenden Impulses in Laufzeit-gestützten Lokalisierungssystemen für Amplituden-gestützte Detektoren schwierig sein, wenn zahlreiche in einem Band liegende Rausch- bzw. Störungsereignisse vorhanden sind, die zu falschen Triggern führen könnten. Ein Impulsdesign wird benötigt, so dass zusätzliche Metriken verwendet werden können, um diesen genau als einen gültigen Impuls zu identifizieren.
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Ultraschall-Abstandsmessimpulse weisen typischerweise sehr kurze Dauern auf, um zu verhindern, dass Reflexionen an dem Empfänger ankommen, bevor das direkte Signal vollständig empfangen ist. Jedoch impliziert ein sehr kurzer Burst eines Ultraschallsignals, das zu dem Burst wenig Information hinzugefügt werden kann. Ferner ist eine Vergrößerung der „Signatur“ eines Impulses schwierig, wenn Impulse in der Dauer kurz sein müssen, was der Fall für typische Lokalisierungssysteme ist. Zusätzlich sind Detektoren von einzelnen Impulsen sehr empfänglich für Aufschlaggeräusche oder Rauschtöne, die in der Länge größer sind als die Impulsperiode. Ferner kann die Selektivität einer sehr kurzen Schnellen Fourier Transformation (FFT) oder eines Goertzel Algorithmus, die mit einem einzelnen Impuls arbeiten, schlecht sein, d.h. das System ist für Töne bei nahe liegenden Frequenzen empfänglich bzw. empfindlich.
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Demzufolge besteht eine Notwendigkeit für eine verbesserte Technik, um die voranstehenden Aspekte bei einem Ultraschall-Lokalisierungssystem zu lösen. Ferner werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehendem Hintergrund der Erfindung verstanden werden, näher ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beiliegenden Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder funktional ähnliche Elemente überall in den getrennten Ansichten bezeichnen, sind zusammen mit der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in einen Teil der Spezifikation eingebaut und bilden diese, und dienen zur weiteren Illustration von Ausführungsformen von Konzepten, die die beanspruchte Erfindung umfassen, und erläutern verschiedene Prinzipien und Vorteile von diesen Ausführungsformen.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine vereinfachtes Blockschaltbild eines Ultraschall-Lokalisierungssystems in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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2 eine grafische Darstellung eines übertragenen bzw. gesendeten Doppelphasenimpulses in der Zeitdomäne, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für eine Ultraschalllokalisierung in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass Elemente in den Figuren zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit dargestellt sind und nicht notwendigerweise im Maßstab gezeichnet sind. Zum Beispiel können die Dimensionen von einigen der Elemente in den Figuren im Verhältnis zu anderen Elementen übertrieben dargestellt sein, um zu einem verbesserten Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beizutragen.
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Die Vorrichtungs- und Verfahrenskomponenten sind, soweit geeignet, mit herkömmlichen Symbolen in den Zeichnungen dargestellt worden, wobei nur diejenigen spezifischen Einzelheiten gezeigt sind, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wichtig sind, um so die Offenbarung nicht mit Einzelheiten zu überladen, die Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet, die den Nutzen aus der hier vorgelegten Beschreibung ziehen, bereits offensichtlich sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Technik beschrieben, um die Aspekte bei einer Ultraschall-Lokalisierung einer Einrichtung mit einem Ultraschallempfänger innerhalb einer Umgebung zu lösen. Die vorliegende Erfindung löst diese Schwierigkeit durch Verwendung von Doppelphasen (auch als duale Phasen bezeichnet) innerhalb eines Senderimpulses, wie nachstehend beschrieben wird. Obwohl die Hinzufügung von Phaseninformation sehr zur Identifikation einer gültigen Impulssignatur beiträgt, neigt einen Phaseninformation ferner zu Doppler-Effekten, wenn sich die Einrichtung gerade bewegt. Deshalb korrigiert die vorliegende Erfindung auch Doppler-Effekte unter Verwendung einer Vektorinformation, die aus der Positionsgeschichte der Einrichtung abgeleitet wird. Die Einrichtung, die lokalisiert werden soll und den Empfänger beinhaltet, kann eine breite Vielfalt von Geschäfts- und Kunden-Elektronikplattformen umfassen, wie beispielsweise zellularen Funktelefone, Mobilstationen, mobile Einheiten, mobile Knoten, Benutzergeräte, Teilnehmergeräte, Teilnehmerstationen, mobile Computer, Zugriffsterminals, entfernte Terminal, Terminalausrüstung, kabellose Handgeräte, Spieleeinrichtungen, Personalcomputer und persönliche digitale Assistenten und dergleichen, wobei all diese hier als eine Einrichtung bezeichnet werden. Jede Einrichtung umfasst einen Prozessor, der ferner mit einer Tastatur, einem Lautsprecher, einem Mikrofon, einer Anzeige, Signalprozessoren und anderen Merkmalen gekoppelt sein kann, so wie dies in dem technischen Gebiet bekannt ist und deshalb hier nicht dargestellt wird.
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Verschiedene Einheiten sind ausgelegt, um die erfindungsgemäßen Konzepte der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu unterstützen. Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass die hier vorgelegten Zeichnungen nicht die gesamte Ausrüstung zeigt, die erforderlich ist, damit das System arbeitet, sondern nur diejenigen Systemkomponenten und logischen Einheiten, die für die Beschreibung der hier diskutierten Ausführungsformen besonders relevant sind. Zum Beispiel können Router, Controller, Schalter, Zugriffspunkte/Ports und drahtlose Clients alle getrennte Kommunikationsschnittstellen, Transceiver, Speicher und dergleichen umfassen, alle unter der Steuerung eines Prozessors oder eines Controllers. Im allgemeinen sind Komponenten von derartigen Prozessoren, Transceiver, Speichern und Schnittstellen altbekannt. Zum Beispiel ist von Verarbeitungseinheiten bekannt, dass sie grundlegende Komponenten umfassen, aber nicht beschränkt sind auf Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Speicher Caches, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und/oder Logikschaltungen. Derartige Komponenten werden typischerweise angepasst, um Algorithmen und/oder Protokolle zu implementieren, die unter Verwendung von hoch entwickelten Designsprachen oder Beschreibungen ausgedrückt worden sind, ausgedrückt unter Verwendung von Computerbefehlen, die unter Verwendung von Nachrichten-Logikfluss-Diagrammen ausgedrückt werden.
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Wenn ein Algorithmus, ein Logikfluss, ein Nachrichten/Signalisierung-Fluss und/oder eine Protokollspezifikation gegeben ist, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet somit zahlreiche Design- und Entwicklungstechniken kennen, die verfügbar sind, um ein oder mehrere Prozessoren zu implementieren, die die gegebene Logik ausführen. Deshalb stellen die dargestellten Einheiten ein System dar, welches in Übereinstimmung mit der hier vorgelegten Beschreibung angepasst worden ist, um verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Ferner werden diese Durchschnittsfachleute erkennen, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung in und über verschiedene physikalische Komponenten implementiert werden können und keine von diesen notwendigerweise auf Implementierungen einer einzelnen Plattform beschränkt sind. Zum Beispiel können die Speicher- und Steuerungsaspekte der vorliegenden Erfindung in irgendwelchen der Einrichtungen, die voranstehend aufgelistet wurden, implementiert oder über derartige Komponenten verteilt werden.
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1 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschall-Lokalisierungssystems unter Verwendung eines Doppelphasenimpulses in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Obwohl ein Ultraschallsystem hier demonstriert wird, sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch auf HF (RF) Systeme anwendbar ist. In der gezeigten Ausführungsform sendet ein oder mehrere an einer Decke angebrachte Einrichtungen einen Impuls, der von einem Empfänger einer mobilen Einrichtung und/oder einem Backend-Controller verwendet wird, um die mobile Einrichtung zu lokalisieren. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung genauso gut für ein oder mehrere Empfänger arbeitet, die an der Decke angebracht sind und die Impulse empfangen, die von der mobilen Einrichtung gesendet werden, so dass der Backend-Controller die mobile Einrichtung lokalisieren kann.
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Wie dargestellt kann ein Ultraschall-Transponder, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Lautsprecher oder Sender 106 innerhalb einer an einer Decke angebrachten Einrichtung 100 implementiert werden. Der Sender kann einen kurzen Impuls eines Ultraschalltons (zum Beispiel 140) innerhalb der Umgebung senden. Der Impuls umfasst zwei aufeinanderfolgende, aber unterschiedliche Phasen des gleichen Frequenzbursts. Mit anderen Worten, der Ultraschallimpuls umfasst zwei aufeinanderfolgende Frequenzbursts, die jeweils die gleiche Frequenz, aber unterschiedliche Phasen aufweisen. Die Einrichtung 100 kann einen Controller 102 umfassen, um die Doppelphasenkomponenten 108 bereitzustellen, um in einem Ultraschallimpuls 140 von dem Sender (den Sendern) 106 übertragen bzw. gesendet zu werden. Der Controller 102 kann auch mit einer drahtlosen Schnittstelle 104 eines lokalen Netzwerks für eine drahtlose Kommunikation mit anderen Einrichtungen in dem Kommunikationsnetzwerk 120, wie beispielsweise einem Backend-Controller 130, der die Ultraschallsensor 100 aus der Entfernung steuern kann, gekoppelt sein.
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Das drahtlose Kommunikationsnetzwerk 120 kann ein drahtloses lokales Netzwerk und/oder ein drahtloses Großgebietsnetz (Wide Area Network), verdrahtete Netzwerke oder andere IEEE 802.11 drahtlose Kommunikationssysteme, einschließlich von virtuellen und erweiterten virtuellen Netzwerken, umfassen. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere drahtlose Kommunikationssysteme angewendet werden könnte. Zum Beispiel kann die Beschreibung, die folgt, auf ein oder mehrere Kommunikationsnetze angewendet werden, die IEEE 802.xx-gestützt sind und drahtlose Technologien wie IEEE 802.11, 802.16 oder 802.20, modifiziert zur Implementierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, verwenden. Die Protokolle- und der Nachrichtenfluss, die/der benötigt werden/wird, um derartige Netzwerke einzurichten, sind in dem technischen Gebiet bekannt und werden hier zur Abkürzung nicht angegeben.
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Eine mobile Einrichtung mit einem Ultraschallempfänger 110 umfasst einen Wandler, wie beispielsweise ein Ultraschallmikrofon 116, das auf den Ultraschallimpuls 140, der von dem Ultraschallsender 106 gesendet wird, reagieren kann. Das Mikrofon 116 stellt elektrische Signale 118 an einer Empfängerschaltung bereit, die einen Analog-zu-Digital-Wandler 115 umfasst, der eine digitale Wellenform an einen Digitalsignalprozessor 117 und einen Controller 112 führt. Der Empfänger-Controller 112 kann auch mit einer drahtlosen Schnittstelle 114 eines lokalen Netzwerks für eine drahtlose Kommunikation mit anderen Einrichtungen in dem Kommunikationsnetzwerk 120 gekoppelt sein. Alternativ könnte der Controller 112 mit dem Kommunikationsnetzwerk 120 über eine verdrahtete Schnittstellenverbindung (nicht gezeigt), wie beispielsweise eine Ethernet Schnittstellenverbindung verbunden sein.
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Um eine Lokalisierungsfunktionalität bereitzustellen, zum Beispiel unter Verwendung einer Trilateration und/oder Ankunftszeit(Time-of-Arrival; TOF)-Techniken, kann der Empfänger der vorliegenden Erfindung Impulse von einer Vielzahl von Sendern an einem bekannten Ort innerhalb der Umgebung empfangen und ist in der Lage zwischen unterschiedlichen Ankunftszeiten von bestimmten Ultraschallimpulses zu unterscheiden. Da der Ort und die Position der Sender 106 bekannt und fest ist, kann ein von diesen Sendern empfangenes Signal verwendet werden, um die Position einer Empfängereinrichtung 100 unter Verwendung der folgenden Techniken zu lokalisieren und nachzuverfolgen: Zeitdifferenz der Ankunft (Time Difference Of Arrival; TDOA) an jedem Mikrofon, Trilateration, Multi-Trilateration oder andere geeignete Lokalisierungstechniken, die in dem technischen Gebiet altbekannt.
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In der hier beschriebenen Ausführungsformen sendet der Sender 100 den Doppelphasenimpulses bei einer Frequenz von 19–22 kHz in einem Ultraschallburst, obwohl realisiert werden sollte, dass andere Frequenzen verwendet werden könnten. Es kann sein, dass mehr als eine an der Decke angebrachte Einrichtung innerhalb der Umgebung einen Sender trägt. In diesem Fall könnten die gleichen Frequenzen von den Sendern zu unterschiedlichen Zeiten verwendet werden, oder eine andere Frequenz kann für jeden Sender verwendet werden, um die Sender von dem Empfänger 110 besser zu unterscheiden. Die Auswahl, welche Frequenz für jeden Sender zu verwenden ist, kann von einem Backend-Controller 130 des Lokalisierungssystems erreicht werden, der über das Kommunikationsnetzwerk 120 kommunizieren kann, um unterschiedliche Sender 100 anzuweisen die unterschiedliche Frequenz in dessen Ultraschallsignalimpuls zur spezifizierten Zeiten zu senden. Auf einen Empfang des Impulses hin kann der Empfänger 110 mit dem Backend-Controller über das Kommunikationsnetzwerk kommunizieren, dass er den Impuls empfangen hat, und der Backend-Controller wird dann wissen, dass der Impuls von einem bestimmten Sender stammte.
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Der Backend-Controller kennt die Sendezeit, zu der der Impuls von jedem Sender gesendet wurde, und kann dann die Laufzeit des Impulses dadurch bestimmen, dass die Sendezeit von der Bestätigung der Empfangszeit von dem Empfänger, d.h. der RF Synchronisation, subtrahiert wird. Alternativ könnte der Backend-Controller auch die Zeit des ursprünglichen Bursts an dem Empfänger funken, was dem Empfänger erlauben würde TDOA Werte in Laufzeiten, die eine Trilateration erlauben, umzuwandeln, was in einigen Fällen im Gegensatz zu einer Multilateration Genauigkeitsvorteile aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Funkfrequenzkommunikationen relativ sofort nahe zu der Laufzeit (Flight Time) des Ultraschallsignals sind und eine HF Laufzeit ignoriert werden könnte. Unter Verwendung einer Lokalisierungstechnik, wie beispielsweise einer Multilateration, zusammen mit der TDOA Information, könnte der Empfänger 110 den Ort der mobilen Einrichtung bestimmen und den Backend-Controller darüber informieren, den der Backend-Controller verwenden kann, um eine Geschichte des Orts der mobilen Einrichtung während jedes nachfolgenden Impulses nachverfolgen kann, wobei ein Bewegungsvektor für die Einrichtung eingerichtet wird. In diesem Beispiel sei angenommen, dass von dem Sender ein vier Millisekunden langer Ultraschallimpuls mit zwei sequenziellen Auftrittsereignissen eines 2 Millisekunden langen Frequenzbursts mit zwei unterschiedlichen Phasen, von dem Sender gesendet wird.
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2 zeigt eine spezifische Impulskonfiguration, die der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen Impuls mit sowohl einer Amplituden als auch einer Phaseninformation zu validieren, bevor eine Ortsmessung getriggert wird. Der Impuls besteht aus einem abgegrenzten bzw. geschalteten Trägerton, der im Band begrenzt ist, unmittelbar vor einem zweiten abgegrenzten Trägerton, der identisch zu dem ersten ist, wobei der einzige Unterschied eine relative Phase ist, die sich von der vorangehenden Komponente unterscheidet. Vorzugsweise sind der erste Ton und der zweite Ton ungefähr 180° in der Phase weg voneinander, obwohl erkannt werden sollte, dass andere relative Phasenverschiebungen verwendet werden können. Zwei einzelne Frequenzbursts, bei unterschiedlichen (entgegengesetzten) Phasen bei 20 kHz in einem System mit hohem Q sind mit dem gesendeten Ultraschallimpuls in der Zeitdomäne in dieser idealisierten Darstellung der 2 gezeigt.
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Deshalb führt die vorliegende Erfindung zwei aufeinanderfolgende gesendete Frequenzbursts bei zwei unterschiedlichen Phasen in einem Ultraschallimpuls für Lokalisierungsmessungen ein. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass das Ultraschall-Lokalisierungssystem konsistenter genaue TDOA Messungen mit der Hinzufügung einer zweiten Phase in dem Ultraschallimpuls, der von dem Sender gesendet wird, ohne irgendeinen Verlust in dem System-Q-Faktor oder dem Signal-zu-Rauschverhältnis erzeugt. Der Kernteil der Information, der dies möglich macht, ist der Unterschied in der Phase zwischen den zwei Frequenzbursts innerhalb des Impulses. Außer wenn der empfangene Impuls beide Frequenzbursts mit der richtigen Phasenbeziehung und richtigen Amplitude aufweist, wird der Impuls dann als ungültig erklärt und bei Lokalisierungsmessungen nicht verwendet werden. Nur ein empfangener Impuls mit beiden Frequenzbursts mit der richtigen Phasenbeziehung über einem Amplituden-Triggerschwellwert wird zur Verwendung in Lokalisierungsmessungen gültig sein.
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Natürlich sei darauf hingewiesen, dass die empfangende Einrichtung mobil sein kann, wobei eine Dopplerverschiebung in dem empfangenen Impuls die Phasenbeziehungen zwischen den zwei Bursts in dem Impuls ändern kann. Deshalb kann die vorliegende Erfindung unter Verwendung der Bewegungsvektor-Information, die aus der Positionsgeschichte abgeleitet wird, die Dopplerverschiebung zulassen. Die vorliegende Erfindung erlaubt eine angemessene Dopplerverschiebung, indem ein Akzeptanzfenster definiert wird, das einen akzeptablen Bereich von Phasendifferenzen zwischen den zwei Bursts erlaubt, wobei eine angemessene Phasendifferenz zwischen den zwei Bursts, die in das Akzeptanzfenster fällt, einen gültigen Impuls zur Verwendung bei der Lokalisierung anzeigt.
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Im Betrieb werden zwei unterschiedliche Phasen eines Frequenzbursts nacheinander in einem Ultraschallimpuls durch einen Sender von einer an der Decke angebrachten Einrichtung gesendet. Der Empfänger wird den Ultraschallimpuls empfangen, wobei ein Analog-zu-Digital-Wandler den Impuls in eine digitale Wellenform umwandeln wird, die an einem Digitalsignalprozessor geführt wird, der als ein Impulsdetektor arbeitet. Der Impulsdetektor wird zunächst einen Amplituden-gestützten Erfassungsalgorithmus für ein Band von Frequenzen von Interesse, zum Beispiel 19–22 kHz, abarbeiten. Dieser Erfassungsalgorithmus könnte ein Goertzel Algorithmus, eine kurze FFT, eine gleitende DFT, eine Umhüllungserfassung, oder irgendeine andere Technik für eine Impulsverfassung, sein.
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Sobald ein Burst innerhalb des richtigen Frequenzbands und mit einer einen Schwellwert übersteigenden Amplitude erfasst wird, wird der Impulsdetektor dann die Daten von diesem ersten Burst, sowie die Daten von dem zweiten Burst, der unmittelbar folgt, aufnehmen und eine Phasenerfassungstechnik implementieren, um eine absolute Phasenmessung bei dem ersten Burst, der bewirkt hat, dass der erste Impuls den Amplitudenschwellwert auslöst, zu bestimmen. Unter Verwendung des gleichen Referenzpunkts wird der Impulsdetektor dann die absolute Phase des zweiten Bursts, der unmittelbar dem ersten Burst folgt, bestimmen. Die Phasenerfassungstechnik kann mit einem Goertzel Algorithmus, der eingestellt ist, um eine Phaseninformation zu berichten, einer FFT oder irgendeiner anderen Technik für eine Phasenmessung implementiert werden.
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Wenn beide absolute Phasenmessungen erhalten sind, kann der Empfänger dann die relative Phasendifferenz zwischen beiden Bursts messen. Wenn die Phasendifferenz so berechnet wird, dass sie X Grad innerhalb von einer bestimmten Toleranz Y ist, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass er einen gültigen Impuls empfangen hat. Wenn die Phasendifferenz so berechnet wird, dass sie irgendein anderer zufälliger Betrag ist, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Empfänger einen Breitband-Störimpuls (Breitband-Geräusch- bzw. Rauschimpuls) empfangen hat, und er sollte das Ereignis löschen.
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Eine Positionsgeschichte von früher gespeicherten Einrichtungsorten wird verwendet, um den Bewegungsvektor der mobilen Einrichtung zu bestimmen, und die Komponente einer Vektorbewegung in Richtung auf den Sender hin und davon weg, wird dann verwendet, um die Doppler-Frequenz und wiederum die erwartete Phasenverschiebung Z, bei der gegebenen Zeitperiode zwischen den gesendeten Impulsen, zu berechnen.
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Werte von Z können so groß wie 60° sein, was zu groß ist, um nicht berücksichtigt zu werden (normale Gehgeschwindigkeit, in Richtung auf den Sender hin, 20 kHz, 2 ms Zwischenimpulsen). Die vorliegende Erfindung erlaubt bei dem gegebenen Bewegungsvektor eine angemessene Dopplerverschiebung, indem ein Akzeptanzfenster definiert wird, das für einen akzeptablen Bereich von Phasendifferenzen zwischen den zwei Bursts zulässig ist, wobei eine gemessene Phasendifferenz zwischen den zwei Bursts, die in das Akzeptanzfenster fällt, einen gültigen Impuls zur Verwendung bei der Lokalisierung anzeigt.
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Insbesondere wird das Akzeptanzfenster als X + Z ± Y definiert, wobei X die gewählte Phasendifferenz zwischen den zwei Frequenzimpulsen des Ultraschallbursts (zum Beispiel 180°) ist, Z die erwartete Phasenverschiebung als Folge des Bewegungsvektors der mobilen Einrichtung ist, und Y eine vorgegebene Toleranz für Phasenmessungen ist.
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3 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Ultraschall-Lokalisierung unter Verwendung eines Doppelphasenimpulses gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Ein erster Schritt 300 umfasst das Aussenden von zwei unterschiedlichen Phasen eines Frequenzbursts nacheinander in einem Ultraschallimpuls von einem an der Decke angebrachten Sender. Mit anderen Worten, der Ultraschallimpuls umfasst zwei aufeinanderfolgende Frequenzbursts, wobei jeder die gleiche Frequenz, aber unterschiedliche Phasen aufweist.
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Ein nächster Schritt 304 umfasst die Abarbeitung eines Amplituden-gestützten Erfassungsalgorithmus für den Impuls für ein Band von Frequenzen von Interesse, zum Beispiel 19–22 kHz. Wenn ein richtiger Impuls nicht erfasst wird bei 306, dann fährt das Verfahren mit einer Überwachung nach einem geeigneten Impuls bei 304 fort.
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Sobald ein innerhalb des geeigneten bzw. richtigen Frequenzbands und mit einer einen Schwellwert übersteigenden Amplitude bei 306 erfasst wird, nimmt ein nächster Schritt 308 die Daten von diesem ersten Burst sowie die Daten von dem zweiten Burst, der unmittelbar folgt, auf und implementiert eine Phasenerfassungstechnik, um eine absolute Phasenmessung für den ersten Burst, der verursacht hat, dass der erste Impuls den Amplitudenschwellwert im Schritt 306 auslöst, zu bestimmen. Unter Verwendung des gleichen Referenzpunkts wird der Impulsdetektor dann die absolute Phase des zweiten Bursts, der dem ersten Burst unmittelbar folgt, bestimmen.
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Wenn beide absolute Phasenmessungen erhalten sind, misst ein nächster Schritt 310 die relative Phasendifferenz zwischen beiden Bursts, um zu bestimmen, ob der Impuls gültig ist. Wenn die Phasendifferenz zu x Grad innerhalb einer gewissen Toleranz Y berechnet wird, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Empfänger einen gültigen Impuls 312 empfangen hat, der zur Lokalisierung des (Empfängers der) mobilen Einrichtung 114 verwendet werden kann. Wenn die Phasendifferenz berechnet wird, so dass sie irgendein anderer zufälliger Betrag ist, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass er einen Breitbandgeräusch- bzw. Störimpuls empfangen hat und das Ereignis löschen sollte und auf eine Überwachung nach einem richtigen Impuls 304 zurückkehren sollte.
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Eine Positionsgeschichte 316 von früher gespeicherten Orten 314 der mobilen Einrichtung wird eingerichtet, um den Bewegungsvektor 318 der mobilen Einrichtung zu berechnen, und die Komponente der Vektorbewegung in Richtung auf den Sender hin und davon weg wird dann verwendet, um die Dopplerfrequenz und wiederum die erwartete Phasenverschiebung Z bei 320 zu berechnen, wenn die Frequenz und die Zeitperiode zwischen den gesendeten Impulsen gegeben ist. Werte für Z können so hoch wie 60° sein, was zu groß ist nicht berücksichtigt zu werden (normale Gehgeschwindigkeit, in Richtung auf den Sender hin, 20 kHz, 2 ms zwischen Impulsen). Die vorliegende Erfindung erlaubt eine angemessene Dopplerverschiebung bei gegebenem Bewegungsvektor durch Definieren eines Akzeptanzfensters, das einen akzeptablen Bereich von Phasendifferenzen zwischen den zwei Burst erlaubt, wobei eine gemessene Phasendifferenz zwischen den zwei Bursts, die in das Akzeptanzfenster fällt, einen gültigen Impuls 312 zur Verwendung bei der Lokalisierung 314 des Empfängers (und entsprechend der mobilen Einrichtung, die den Empfänger enthält) anzeigt. Insbesondere kann das Akzeptanzfenster als X + Z ± Y definiert werden, wobei X die gewählte Phasendifferenz zwischen den zwei Frequenzimpulsen des Ultraschallbursts (zum Beispiel 180°) ist, Z die erwartete Phasendifferenz als Folge des Bewegungsvektor der mobilen Einrichtung ist, und Y eine vorgegebene Toleranz für Phasenmessungen ist.
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In vorteilhafter Weise stellt die vorliegende Erfindung eine genaue Technik bereit, um zwischen einem gültigen Impuls und einem Störimpuls zu unterscheiden. Da Breitband-Störereignisse eine Tendenz aufweisen, bei zufälligen Zeiten aufzutreten, verbessert die Möglichkeit Störkomponenten zu löschen, wenn sie stark auftreten, das Lokalisierungsverhalten. Diese Verbesserung ergibt sich aus der Tatsache, dass eine Lokalisierungsmessung nicht für einen ungültigen Impuls getriggert werden wird, was bewirken könnte, dass ein gültiger Impuls verpasst wird, der kurz nach dem Störereignis ankommen könnte. Zusätzlich ist die Effektivität der Phasenunterscheidung nicht durch Dopplereffekte verringert.
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In der voranstehenden Beschreibung sind spezifische Ausführungsformen beschrieben worden. Jedoch werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, so wie sie in den nachstehend aufgeführten Ansprüchen angegeben ist. Demzufolge sollen die Spezifikation und die Figuren in einem illustrieren und nicht in einem beschränkenden Sinn verstanden werden, und alle derartigen Modifikationen sind dafür gedacht, dass sie in den Umfang bzw. Schutzumfang der vorliegenden technischen Lehren enthalten sind.
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Die Nutzen, Vorteile, Lösungen von Problemen und irgendein Element (irgendwelche Elemente), das (die) bewirken kann (können), dass irgendein Nutzen, Vorteil oder eine Lösung auftritt oder besser hervortritt, werden nicht als kritische, erforderliche oder wesentlichen Merkmale oder Elemente von irgendwelchen oder allen Ansprüchen angesehen. Die Erfindung wird ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche einschließlich von irgendwelchen Änderungen, die während der Anhängigkeit dieser Anmeldung durchgeführt werden, und sämtlicher äquivalente Ausführungsformen von den Ansprüchen, wie erteilt, definiert.
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Ferner werden in diesem Dokument Begriffe, die sich aufeinander beziehen, wie beispielsweise erster/erste und zweiter/zweite, oben und unten und dergleichen ausschließlich verwendet, um eine Einheit oder eine Aktion von einer anderen Einheit oder einer anderen Aktion zu unterscheiden, ohne dass dies notwendigerweise irgendeine tatsächliche derartige Beziehung oder Reihenfolge zwischen derartigen Einheiten oder Aktionen erfordert oder impliziert. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „weist auf“, „aufweisend“, „enthält“, „enthaltend“, „schließt ein“, „einschließend“ oder irgend eine andere Variation davon sollen einen nicht-exklusiven Einbau bedeuten, sodass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst, aufweist, einschließt oder enthält, nicht nur diese Elemente enthält, sondern andere Elemente einschließen kann, die nicht explizit aufgelistet sind oder für einen derartigen Prozess, ein derartiges Verfahren, einen derartigen Artikel oder eine derartige Vorrichtung inhärent sind. Ein Element, dem „umfasst ... einen/eine/einer“, „weist auf ... einen“, „schließt ein einen/einer“, „enthält ... einen/eine“ schließt ohne weitere Randbedingungen die Existenz von zusätzlichen identischen Elementen in dem Prozess, dem Verfahren, dem Artikel oder der Vorrichtung, die das Element umfasst, aufweist, einschließt oder enthält, nicht aus. Die Begriffe „ein“ und „einer“ werden als ein oder mehrere definiert, außer wenn dies explizit hier anders angegeben ist. Die Begriffe „substantiell“, „essenziell“, „ungefähr“, „nahezu“ oder irgendeine andere Version davon sind so definiert, dass sie von einem Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet als nahe zu verstanden werden, und in einer nicht beschränkten Ausführungsform wird der Begriff definiert, um innerhalb von 10 % zu sein, in einer anderen Ausführungsform von innerhalb von 5 %, in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 1 % und in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 0,5 %. Der Begriff „gekoppelt“, so wie er hier verwendet wird, wird als verbunden definiert, obwohl dies nicht bedeutet, dass dies notwendigerweise direkt und notwendigerweise mechanisch ist. Eine Einrichtung oder eine Struktur, die in einer bestimmten Weise „konfiguriert“ ist, ist in wenigstens dieser Weise konfiguriert, kann aber auch in Vorgehensweisen konfiguriert sein, die nicht aufgelistet sind.
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Es sei darauf hingewiesen, dass einige Ausführungsformen ein oder mehrere generische oder spezialisierte Prozessoren (oder „Verarbeitungseinrichtungen“) umfassen können, wie beispielsweise Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, speziell zugeschnittene Prozessoren und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) und ferner einzigartige gespeicherte Programmbefehle (einschließlich sowohl Software und Firmware), die die ein oder mehreren Prozessoren steuern, um in Verbindung mit bestimmten Nicht-Prozessorschaltungen einige, die meisten oder alle Funktionen des Verfahrens und/oder der Vorrichtung, die hier beschrieben werden, zu implementieren. Alternativ können einige oder sämtliche Funktionen durch eine Zustandsmaschine implementiert werden, die keine gespeicherten Programmbefehle aufweist, oder in ein oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), bei denen jede Funktion oder irgendwelche Kombinationen von bestimmten Funktionen als eine speziell zugeschnittene Logik implementiert sind. Natürlich kann eine Kombination der zwei Ansätze verwendet werden.
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Ferner kann eine Ausführungsform als ein Speichermedium, welches von einem Computer lesbar ist, und welches einen computerlesbaren Code aufweist, der darauf gespeichert ist zur Programmierung eines Computers (zum Beispiel umfassend einen Prozessor), um ein Verfahren wie beschrieben und hier beansprucht auszuführen, implementiert werden. Beispiele von derartigen von einem Computer lesbaren Speichermedien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine Festplatte, eine CD-ROM, eine optische Speichereinrichtung, eine magnetische Speichereinrichtung, ein ROM (Nur-Lese-Speicher), ein PROM (programmierbarer Nur-Lese-Speicher), ein EROM (ein löschbarer programmierbare Nur-Lese-Speicher), ein EPROM (elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher) und ein Flash-Speicher. Ferner wird erwartet, dass Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet trotz möglicherweise signifikanter Anstrengungen und zahlreicher Designwahlmöglichkeiten, die beispielsweise durch die verfügbare Zeit, die gegenwärtige Technologie und wirtschaftlichen Erwägungen geleitet werden, dann, wenn sie von den Konzepten und Prinzipien geführt werden, die hier offenbart sind, leicht in der Lage sein werden derartige Softwarebefehle und Programme und ICs mit einem minimalen experimentellen Aufwand zu erzeugen.
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Die Zusammenfassung ist vorgesehen, um den Leser in die Lage zu versetzen, schnell die Art der technischen Offenbarung festzustellen. Sie wird mit dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet werden wird, um den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Zusätzlich lässt sich in der voranstehenden ausführlichen Beschreibung ersehen, dass verschiedene Merkmale in verschiedenen Ausführungsformen für den Zweck einer Übersichtlichkeit der Offenbarung zusammen gruppiert sind. Dieses Verfahren der Offenbarung soll nicht als die Absicht reflektierend interpretiert werden, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale erfordern, als explizit in jedem Anspruch angegeben ist. Im Gegenteil, wie die folgenden Ansprüche darlegen, liegt der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als sämtlichen Merkmalen einer einzelnen offenbarten Ausführungsform. Somit sind die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung eingebaut, wobei jeder Anspruch für sich selbst als ein getrennt beanspruchter Gegenstand steht.
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Bezugszeichenliste
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Fig. 1
- 102
- Controller
- 104
- WLAN Schnittstelle
- 100
- Ultraschallsender
- 130
- Backen-Controller
- 120
- drahtloses Kommunikationsnetz
- 110
- mobile Einrichtung mit Ultraschallempfänger
- 114
- WLAN Schnittstelle
- 112
- Controller
Fig. 2 -
- Amplitude
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- Zeit (in Millisekunden)
Fig. 3 - 300
- Aussenden von zwei unterschiedlichen Phasen eines Frequenzburst während eines
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- Ultraschallimpulses
- 304
- Erfassung der Amplitude und Frequenz
- 306
- Schwellwert Trigger? Ja/Nein
- 308
- Phasendetektion
- 310
- gültige Phasendifferenz? Nein/Ja
- 320
- Berechnen des Doppler-Phasenfehlers
- 318
- Berechnen des Bewegungsvektors der Einrichtung
- 316
- Positionsgeschichte
- 314
- Lokalisieren der Einrichtung unter Verwendung des Impulses
- 312
- gültiger Impuls
