ES2605009T3 - Sistema de posicionamiento de interior ultrasónico sólido con exactitud alta - Google Patents
Sistema de posicionamiento de interior ultrasónico sólido con exactitud alta Download PDFInfo
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Abstract
Un sistema para determinar la localización de una etiqueta portátil (230, 231; 330, 331) en una zona distinta (205; 305), que comprende: al menos un primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz (210; 310), en el que dicho transmisor de ultrasonidos basado en matriz está configurado para dirigir un haz en un plano de matriz y transmitir datos a dos o más sectores distintos (220 - 224; 320) dentro de dicha zona (205; 305), en el que los datos transmitidos a cada sector consisten en un código de identificación de sector; una etiqueta portátil (230, 231; 330, 331) que comprende (i) un transmisor de radiofrecuencia configurado para transmitir una señal de radiofrecuencia y (ii) un receptor de ultrasonidos configurado para recibir un código de identificación de sector desde dicho primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz y determinar una intensidad de señal recibida; un receptor de radiofrecuencia configurado para comunicarse con el transmisor de radiofrecuencia a través de dicha señal de radiofrecuencia; y un procesador en comunicación con el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz y el receptor de radiofrecuencia, en el que el procesador está configurado para determinar la localización de la etiqueta portátil dentro de dichos dos o más sectores distintos en base a la información transmitida desde el transmisor de radiofrecuencia en la etiqueta portátil a través de dicha señal de radiofrecuencia al receptor de radiofrecuencia, en el que el sistema está configurado para usar la intensidad de señal recibida para determinar que se reciben los datos del sector más fuerte y determinar, de este modo, el sector en el que se encuentra la etiqueta portátil.
Description
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DESCRIPCION
Sistema de posicionamiento de interior ultrasonico solido con exactitud alta CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a sistemas de posicionamiento de ultrasonidos y, en particular, a sistemas de posicionamiento de ultrasonidos que utilizan al menos un transmisor de ultrasonidos estacionario basado en matrices en combinacion con receptores portatiles para proporcionar un sistema de posicionamiento seguro y solido.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
El ultrasonido en un sistema de posicionamiento se asocia por lo general a una exactitud alta en el intervalo de cm, pero un intervalo mas bien corto y a menudo de solidez baja a perturbaciones externas. Por lo tanto, rara vez se usa solo, sino combinado con otras tecnologfas. La familia mas grande de sistemas tnbridos se basa en combinacion con RF. Varios de dichos sistemas se han descrito.
El sistema Active Bat [1] usa receptores ultrasonicos en el techo. Cada etiqueta portatil se sondea en un canal de radio de 433 MHz y luego emite un pulso ultrasonico que se usa para una medicion de tiempo de vuelo. Requiere encontrar la distancia a un mmimo de tres nodos de referencia y luego los usa para calcular la posicion con una exactitud de unos pocos cm. El sistema Cricket [2] tiene una exactitud similar, pero la direccion de transmision de ultrasonidos se invierte. Sus etiquetas portatiles son receptores de ultrasonidos que miden el tiempo de llegada en base al pulso de disparo de RF. La medicion se devuelve entonces por RF para el calculo de la posicion. En el sistema Dolphin, cada nodo tiene transmisores y receptores de RF y ultrasonidos. Tambien cuenta con un algoritmo distribuido para disminuir los costes de configuracion. En [3] se informo de una exactitud de alrededor de 15 cm.
Todos estos sistemas combinan ultrasonido y RF y se basan en estimar el tiempo de vuelo en base al tiempo de desplazamiento lento de ultrasonido en comparacion con RF. Un requisito de dichos sistemas es lmea de vision. Esta es su primera desventaja. Ademas, hay otra deficiencia, a menudo mas seria, con los sistemas de tiempo de vuelo de ultrasonidos. Con el fin de conseguir exactitud, se debe encontrar un tiempo de vuelo dentro de unas pocas longitudes de onda (a 40 kHz, la longitud de onda es de 8,5 mm). Dependiendo de la relacion de senal con respecto a ruido, un estimador de este tipo puede requerir varios kHz de ancho de banda y esto hace que sea muy sensible al ruido de fondo. Por esta razon [4] indica el fallo al disenar rastreadores puramente acusticos que no "se vuelvan locos" cuando se tintinean llaves. El analisis del balance de enlace en [5] muestra por que esto es ast Los sistemas de ultrasonidos mejor disenados pueden no ser tan malos como para "volverse locos", sino que simplemente dejaran de funcionar. Un sistema tnbrido bien disenado puede entonces recurrir a la tecnologfa alternativa para posicionamiento. Esto es valido en particular para sensores inerciales, pero potencialmente tambien RF. Tambien debe tenerse en cuenta que, en principio, se podna haber aumentado solo la potencia de salida, pero esto podna entrar en conflicto con el nivel de exposicion permisible de los seres humanos a los ultrasonidos, vease la seccion siguiente.
Por consiguiente, los sistemas basados en tiempo de vuelo de ultrasonidos son buenos para aplicaciones que requieren exactitudes de localizacion muy altas y donde se puede tolerar el intervalo breve y las interrupciones. Sin embargo, para aplicaciones que requieren intervalos mayores y fiabilidad alta, tal como cuando se requieren posiciones para todo un edificio, deben buscarse otros enfoques.
Resulta que en muchas aplicaciones no se requiere realmente con exactitud en el intervalo de cm, sino mas bien en un intervalo mas largo y mas solidez. El ultrasonido comparte la propiedad con sonido audible para el que las habitaciones y oficinas normales estan bien aisladas. Al igual que la voz en una habitacion cerrada en un edificio bien disenado, el ultrasonido no puede detectarse fuera de la habitacion. Esta es una propiedad unica del ultrasonido que no se comparte con RF.
Esto ha dado lugar a sistemas de ultrasonidos que se usan para posicionamiento de interior con exactitud a nivel de habitacion. Esto tambien puede llamarse posicionamiento por confinamiento. En el analisis de [5], se muestra que esto hace el sistema mucho mas solido, ya que la estimacion del retardo temporal ya no es necesaria. En su lugar, se necesita establecer comunicaciones y transferir un mensaje corto con informacion de identidad. Esto se puede realizar en un ancho de banda de unas pocas decenas de Hz en lugar de kHz. De ah la tolerancia mucho mayor a niveles de ruido de fondo realistas. Ademas, debido a las propiedades reflectantes de las paredes, los suelos y el techo, no se requiere lmea de vision.
Esta primera generacion de sistemas de posicionamiento de interior de exactitud a nivel de habitacion de ultrasonidos usaba transmisores de ultrasonidos que eran portatiles (documento US 7.535.796, 19 de mayo de 2009, patente US 7.362.656, 22 de abril de 2008, patente US 7.352.652, 1 de abril de 2008, patente US 7.336.563, 16 de febrero de 2008).
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Dichos sistemas han demostrado ser utiles, por ejemplo, rastreando recursos y personal. Aun asf, tienen varias deficiencias que limitan su uso. La primera de ellas es una tasa de actualizacion baja. Esto lleva a una probabilidad relativamente grande de artfculos perdidos si se van a localizar varios objetos en una habitacion en un corto penodo de tiempo.
Una de las principales diferencias del sistema de posicionamiento de interior de ultrasonidos de [6], [7] y nuestras propias patentes de EE.UU., es que la direccion del flujo de ultrasonido se invierte, por lo que se elimina la necesidad de que los seres humanos lleven un transmisor de ultrasonidos. Esto hace que sea posible aumentar la distancia entre los seres humanos y el transmisor de ultrasonidos de nivel alto a varios metros. Aunque no hay un consenso claro sobre el valor de los lfmites de exposicion a ultrasonidos, el sistema propuesto esta mas de acuerdo con el principio ALARA (tan bajo como sea razonablemente alcanzable) con respecto a la exposicion.
No parece haber un consenso internacional sobre la seguridad del ultrasonido en el aire [8] y hay varias directrices con respecto a los niveles de exposicion, tales como [9], [10] y [11]. Esto ultimo forma la base del Documento del Departamento de Administracion de Seguridad y Salud Ocupacional de EE.UU. [12].
Las recomendaciones 1984 [9] y la canadiense 1991 [10] dan 110 dB SPL como el nivel maximo de exposicion ocupacional en una banda de 1/3 de octava centrada en 40 kHz. Ademas [9], permite un aumento si la exposicion ocupacional es intermitente. Si la exposicion de un trabajador es de tan solo 1 hora o menos al dfa, permite un aumento de hasta 119 dB SPL. Esto no esta permitido en los lfmites de Canada, argumentando que los efectos subjetivos pueden producirse casi inmediatamente. La directriz mas restrictiva es [9] en el caso de exposicion publica, cuando se disminuye el lfmite a 100 dB SPL.
Por otro lado, la directriz mas liberal es la de EE.UU. [11], que permite un nivel de 115 dB SPL. Curiosamente, en los ultimos anos tambien ha permitido un aumento de 30 dB cuando no hay posibilidad de que el ultrasonido pueda acoplarse con el cuerpo. Las recomendaciones [9] y [10] solo permiten exceder los niveles en el parrafo anterior, si los trabajadores llevan proteccion auditiva. Pero los lfmites de 145 dB de EE.UU. no son generalmente aceptados. Como ejemplo, la revision de los lfmites de exposicion en [13] expone que la ACGIH puede haber empujado sus lfmites de exposicion aceptables hasta el mismo borde de exposicion potencialmente nociva en sus comentarios sobre una version de 1998 de [11] con los mismos lfmites.
Cabna destacar tambien que sistemas como Walrus [13] que funcionan a casi audiofrecuencias, entran en lfmites de nivel de salida aun mas estrictos. Otra vez, los lfmites de Ee.UU. son los mas tolerantes con el nivel maximo, siendo de 105 dB a 20 kHz [11] frente a 115 (posiblemente + 30) dB a 40 kHz. El lfmite ocupacional de [9], [10] se ha reducido de 110 dB a 75 dB y el lfmite publico de [9] es 70 dB en lugar de 100 dB. Por consiguiente, en el peor de los casos, los lfmites pueden ser 30-35 dB mas bajos a 20 kHz que a 40 kHz. La dependencia de frecuencia al cuadrado aproximada de atenuacion en aire compensara esto en cierta medida. Aun asf, el intervalo facilmente estara demasiado restringido para un rendimiento garantizado en un entorno ruidoso.
El documento WO 2004/095056 describe un sistema para estimar la posicion de un objeto en una habitacion, en el que un pulso de ultrasonidos transmitido se refleja al menos una vez y la reflexion se recibe en un receptor de ultrasonidos. El pulso puede ser emitido por una matriz de emisores para ser fuertemente direccional. La posicion del objeto se calcula entonces a partir del retardo temporal despues de que la reflexion se recibe en el receptor o combinando una firma de la senal recibida con las plantillas simuladas o medidas para diferentes posiciones de objetos.
A partir de un aspecto, la presente invencion proporciona un sistema para determinar la localizacion de una etiqueta portatil en una zona distinta, segun la reivindicacion 1.
En algunos modos de realizacion, el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta configurado para transmitir senales de ultrasonidos a cinco o mas sectores distintos dentro de la zona. En algunos modos de realizacion, el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta configurado para transmitir senales de ultrasonidos a de cinco a 20 sectores distintos dentro de la zona. En algunos modos de realizacion, el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz es estacionario.
En algunos modos de realizacion, los sistemas comprenden ademas al menos un segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz dentro de la zona, estando configurado el segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz para transmitir senales de ultrasonidos a dos o mas sectores distintos dentro de la zona. En algunos modos de realizacion, el segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta configurado para transmitir senales de ultrasonidos a cinco o mas sectores distintos dentro de la zona. En algunos modos de realizacion, el segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta configurado para transmitir senales de ultrasonidos a de cinco a 20 sectores distintos dentro de la zona. En algunos modos de realizacion, el segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz es estacionario. En algunos modos de realizacion, el segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta dispuesto para transmitir senales de ultrasonidos en un eje que es
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aproximadamente perpendicular al primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz, de modo que el primer y segundo transmisores basados en matriz establecen un eje x y un eje y.
En algunos modos de realizacion, la zona distinta tiene una porcion superior y el transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta colocado en la porcion superior de la zona distinta. En algunos modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz es un transmisor de ultrasonidos bidimensional basado en matriz. En algunos modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz bidimensional es estacionario.
En algunos modos de realizacion, los sistemas comprenden ademas una pluralidad de transmisores de ultrasonidos basados en matriz en una pluralidad de zonas distintas. En algunos modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz comprende una matriz unidimensional de transmisores de ultrasonidos. En algunos modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz comprende una matriz bidimensional de transmisores de ultrasonidos. En algunos modos de realizacion, la zona distinta corresponde a una habitacion en un edificio. En algunos modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta configurado para permitir la deteccion en una zona menor de aproximadamente 1 m2 En algunos modos de realizacion, la etiqueta portatil esta asociada a un codigo de identificacion unico y en la que el codigo de identificacion unico es transmisible por el transmisor de radiofrecuencia como parte de una senal de radiofrecuencia. En algunos modos de realizacion, los sistemas comprenden ademas una pluralidad de etiquetas portatiles, cada una de las etiquetas portatiles asociada a un codigo de identificacion unico y en la que el codigo de identificacion unico es transmisible por el transmisor de radiofrecuencia como parte de una senal de radiofrecuencia.
En algunos modos de realizacion, la presente invencion contempla el uso de los sistemas anteriores para localizar una etiqueta portatil. En algunos modos de realizacion, la presente invencion contempla el uso de los sistemas anteriores para localizar objetos. En algunos modos de realizacion, la presente invencion contempla el uso de los sistemas anteriores para localizar personas.
En algunos modos de realizacion, la presente invencion proporciona procesos para localizar una etiqueta portatil en una zona predeterminada que comprende: transmitir una senal de ultrasonidos desde al menos un transmisor de ultrasonidos basado en matriz en la zona discreta de al menos una etiqueta portatil que comprende un receptor de ultrasonidos y un transmisor de radiofrecuencia; transmitir una senal de radiofrecuencia desde el transmisor de radiofrecuencia a un receptor de radiofrecuencia; y, a traves de un procesador, determinar la localizacion de la etiqueta portatil en la zona discreta en base a la informacion transmitida desde el transmisor de radiofrecuencia a un receptor de radiofrecuencia. En algunos modos de realizacion, la informacion transmitida desde el transmisor de radiofrecuencia a un receptor de radiofrecuencia comprende un codigo de identificacion para la etiqueta portatil y la localizacion de la etiqueta portatil dentro de la zona predeterminada.
En algunos modos de realizacion, la presente invencion proporciona procesos que comprenden proporcionar un sistema como se describe anteriormente y utilizar el sistema para localizar una etiqueta portatil, objeto o persona.
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La figura 1 es un diagrama de una matriz unidimensional de la presente invencion con cuatro elementos.
La figura 2 es una representacion de un modo de realizacion de la invencion en el que un transmisor de ultrasonidos basado en matriz se usa para dividir una zona en multiples sectores.
La figura 3 es una representacion de un modo de realizacion de la invencion en el que dos transmisores de ultrasonidos basados en matriz se usan para dividir una zona en multiples sectores.
La figura 4 es un diagrama de una matriz bidimensional de la presente invencion con siete elementos.
La figura 5 es un diagrama de una matriz bidimensional de la presente invencion con doce elementos.
La figura 6 es un diagrama de una matriz unidimensional con una bocina en la dimension vertical.
La figura 7 es una representacion de un modo de realizacion de la presente invencion donde se usan dos matrices
de transmisor para determinar dos componentes de velocidad.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente invencion aborda como se puede combinar ultrasonido (US) con radiofrecuencia (RF) para superar los inconvenientes mencionados anteriormente usando transmisores de ultrasonidos estacionarios. Esto representa un nuevo tipo de sistema tubrido. Los sistemas de la presente invencion no tienen la fiabilidad baja de los sistemas tubridos basados en la estimacion de retardo temporal y, en contraste con los sistemas de RFID activos, tendran exactitud a nivel de habitacion con un 100% de fiabilidad en la practica. Los sistemas de la presente invencion
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tambien poseen la tasa de actualizacion alta y gran capacidad inherente a los sistemas de RF. En modos de realizacion preferidos adicionales de la presente invencion, un receptor de ultrasonidos portatil que tiene capacidad para medir el nivel de senal y desplazamiento Doppler, tal como en la solicitud de patente anterior del inventor ("Sistema de localizacion de zona de ultrasonidos con capacidad alta", Solicitud PCT WO/2009/062956) se usa en conjuncion con haces de ultrasonidos estrechos orientables, para lograr un posicionamiento fiable con exactitudes mucho mejores que una habitacion.
Esta invencion difiere de otros sistemas de posicionamiento de ultrasonidos en al menos dos maneras: Solidez y seguridad. Con respecto a la solidez, casi todos los sistemas de posicionamiento de ultrasonidos se basan en alguna forma de estimacion de retardo temporal. Esta operacion es muy sensible al ruido y la experiencia es que tienden a romperse en entornos de la vida real. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es lograr la maxima exactitud de posicionamiento sin el uso de estimacion de retardo temporal. Esto significa que otros parametros tales como intensidad de senal y desplazamiento Doppler tienen que utilizarse de una manera optima con el fin de lograr posicionamiento. En lo que respecta a la seguridad, en muchos sistemas donde la gente lleva transmisores de ultrasonidos, existe una posibilidad de que los niveles puedan exceder los lfmites de exposicion recomendados. Por lo tanto, esta invencion se basa, en su lugar, en receptores de ultrasonidos que se llevan para garantizar que los transmisores estan a una distancia segura de la gente.
La solicitud tambien en tramite de la Solicitud PCT WO/2009/062956 describe sistemas para lograr una exactitud de posicion mejor que una habitacion. Los sistemas descritos usaban receptores de ultrasonidos portatiles que detectaban datos y median amplitud (indicador de intensidad de senal recibida - RSSI) y desplazamiento de Doppler que se puede medir en el mismo ancho de banda pequeno y, por consiguiente, de una manera solida. El receptor de EE.UU. se conecta a los artfculos a rastrear y recibe datos de identificacion sobre el canal de ultrasonidos y encuentra desplazamiento Doppler y RSSI de ultrasonidos. La capacidad alta se debe a la existencia de un canal de RF que la etiqueta usa para la transmision de estos datos a los receptores estacionarios. En algunos modos de realizacion de la presente invencion, estas caractensticas se combinan con un transmisor novedoso con el fin de lograr exactitudes a nivel de cama o hasta alrededor de 1 x 1m.
Como se ha descrito anteriormente, los sistemas anteriormente descritos pueden exponer a los seres humanos a niveles de dB inadecuados. Los modos de realizacion preferidos del sistema de la presente invencion, donde las unidades portatiles solo contienen receptores de ultrasonidos, exponen a los seres humanos a niveles mas bajos que un sistema con transmisores que se pueden llevar puestos. Con la incertidumbre respecto a los efectos de la exposicion a ultrasonidos, los sistemas de la presente invencion estan, por lo tanto, mas en lmea con el principio ALARA (tan bajo como sea razonablemente alcanzable). En algunos modos de realizacion, se utiliza una distancia minima de 1 m desde un transmisor a una persona, por consiguiente, el nivel de exposicion maximo es de 110 dB SPL para el transmisor analizado en [5]. Esto es equivalente o menor que el lfmite ocupacional de las directrices actuales. En algunos modos de realizacion, se utiliza una distancia mas grande, ya que los transmisores se montan tipicamente en el techo de una zona distinta, tal como una habitacion. Si la distancia minima es de 3 m, la exposicion maxima sera de 20log(1/3) o alrededor de 10 dB inferior, es decir, 100 dB SPL, que es el lfmite de exposicion publica de [9]. Este es el valor mas conservador de todas las recomendaciones, y un valor al que se cree que el publico puede estar expuesto continuamente. En habitaciones mas pequenas, el nivel de salida tambien puede reducirse aun mas, por lo que es posible garantizar niveles de exposicion por debajo de 100 dB SPL, incluso a distancias de menos de 3 m.
Los sistemas de la presente invencion tienen preferentemente las siguientes caractensticas de solidez. En algunos modos de realizacion, los sistemas de comunicacion de la presente invencion funcionan preferentemente en todos los tipos de ruido de fondo y reverberaciones ambientales. Los sistemas de posicionamiento basados en estimacion de retardo temporal tienden a romperse en entornos de la vida real. En algunos modos de realizacion, los sistemas de la presente invencion proporcionan maxima exactitud de posicionamiento sin estimacion de retardo temporal. Una segunda caractenstica es la seguridad. En algunos sistemas donde las personas llevan transmisores de ultrasonidos, existe una posibilidad de que los niveles puedan exceder los lfmites de exposicion recomendados. En algunos modos de realizacion de la presente invencion, los receptores se llevan, asegurando que los transmisores estan a una distancia segura de las personas.
En algunos modos de realizacion preferidos, los sistemas de la presente invencion comprenden uno o mas transmisores de ultrasonidos basados en matriz estacionarios por zona distinta, tal como una habitacion. La matriz puede ser bien unidimensional o bidimensional. La matriz 1-d esta generalmente orientada en el plano horizontal y puede consistir en tan solo 2 elementos. Es bien sabido que dicha matriz tendra en cada dimension un angulo aproximado de iluminacion dado por lambda/D (radianes), donde lambda es la longitud de onda del ultrasonido y D es la abertura (es decir, la extension desde un extremo de la matriz al otro). La presente invencion no se limita al uso de cualquier transmisor de ultrasonidos basado en matriz particular. Como ejemplos no limitativos, las figuras 1, 4, 5 y 6 representan diferentes tipos de transmisores de ultrasonidos basados en matriz. La figura 1 representa una matriz 1-D 100 de la presente invencion con 4 elementos 105. La figura 4 representa una matriz bidimensional 400 de la presente invencion con siete elementos 405. La figura 5 representa una matriz bidimensional 500 de la presente invencion con doce elementos 505. La figura 6 representa una matriz unidimensional 600 de tres
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elementos con una bocina 610 (en seccion transversal) en la dimension vertical. Todas estas configuraciones requieren la direccion de haces desde una matriz de elementos. Esto se logra como es conocido en la tecnica por los retardos relativos entre las senales de transmision de cada elemento en la matriz. Esta es una practica estandar en sistemas matriz de radar y sonar.
El transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta configurado para transmitir datos y dirigir su haz en el plano de matriz. De esta forma, se forman multiples sectores con un ancho de aproximadamente lambda/D radianes. La figura 2 proporciona un diagrama esquematico de un sistema de la presente invencion 200 desplegado en una zona distinta 205 en la que esta colocado un transmisor de ultrasonidos basado en matriz 210. Como ejemplo, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz 210 en la figura 2 esta configurado para iluminar o dirigir ondas de ultrasonidos en cinco sectores distintos, 220, 221, 222, 223 y 224, indicados por imeas discontinuas. En algunos modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz 210 primero envfa sus datos al sector 220, a continuacion, al sector 211, y asf sucesivamente, y puede repetir este patron continuamente. En otros modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz envfa 1 haz por sector, se detiene y luego repite la transmision en cada sector. En algunos modos de realizacion, los datos transmitidos pueden consistir en un codigo de identificacion de habitacion (opcional) y codigos de identificacion de sector. En algunos modos de realizacion, la matriz escanea la habitacion que ilumina y para cada sector cambia la informacion de ID de sector.
Todavfa con referencia a la figura 2, en algunos modos de realizacion los sistemas comprenden ademas una o mas etiquetas portatiles 230 y 231. En un modo de realizacion ejemplar, las etiquetas portatiles 230 y 241 estanan asociadas a un paciente (no mostrado) en una cama 240 y 241. En algunos modos de realizacion, la etiqueta portatil (por ejemplo, 230 y 231) comprende un transmisor de radiofrecuencia que transmite una senal de radiofrecuencia y un receptor de ultrasonidos configurado para comunicarse con el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz. En modos de realizacion preferidos adicionales, la etiqueta portatil esta asociada a un codigo de identificacion unico que es transmisible por el transmisor de radiofrecuencia como parte de una senal de radiofrecuencia. En un modo de realizacion ejemplar, una matriz unidimensional unica, tal como se representa en la figura 1, se usa para iluminar varios sectores como se representa en la figura 2. El receptor de ultrasonidos de la etiqueta portatil (por ejemplo, 230 y 231) recibe el codigo de identificacion de sector y determina la intensidad de senal. En el caso mas simple, la etiqueta portatil solo recibira datos cuando se encuentre en el sector iluminado. De esta forma, puede determinarse el sector donde se localiza la etiqueta portatil. En otros casos, el receptor de ultrasonidos de la etiqueta portatil tambien recibira datos cuando se iluminen otros sectores. En este caso, el RSSI se usa para determinar que se reciben los datos del sector mas fuerte y, de esta forma, determinar el sector en el que se localiza la etiqueta portatil. En algunos modos de realizacion, la etiqueta portatil comprende ademas un receptor de radio. El receptor de radio puede utilizarse para programar la etiqueta portatil, causar la activacion de luces u otros dispositivos de senalizacion de la etiqueta portatil, activar o "despertar" la etiqueta portatil segun sea necesario y comunicarse de otra forma con un procesador central (no mostrado).
En algunos modos de realizacion preferidos, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz 210 y las etiquetas portatiles 230 y 231 estan en comunicacion con un procesador (no mostrado). Por ejemplo, en algunos modos de realizacion, el procesador esta asociado a un receptor de radio y la etiqueta portatil y/o transmisor de ultrasonidos basado en matriz se comunica con el procesador a traves de conexiones de radiofrecuencia inalambricas. El procesador procesa los datos recibidos del transmisor de ultrasonidos basado en matriz y/o etiqueta portatil (por ejemplo, uno o mas de los codigos de identificacion de etiqueta portatil, sector y habitacion) para determinar la localizacion de la etiqueta portatil dentro de una zona y/o sector. El procesador tiene preferentemente una interfaz de usuario que permite a los usuarios acceder a datos de localizacion, ya sea usando una salida grafica que proporciona una vision general de todas las zonas o una seleccion de algunas de todas las zonas, y/o por medio de la recepcion de una entrada de usuario en forma de una solicitud de localizacion de una persona u objeto espedfico, a la que el procesador puede responder ya sea con una salida de texto y/o salida audible. El procesador puede, en sistemas mas grandes, estar conectado a una red tal como una red informatica interna de una empresa, a fin de permitir a los usuarios de la red acceder a informacion de localizacion de zona, ya sea para rastrear personas u objetos. De esta forma, los sistemas de la presente invencion logran una exactitud que es adecuada para determinar, por ejemplo, la cama en la que se encuentra un paciente en una habitacion de hospital con multiples camas (vease la figura 2).
Se entendera que el modo de realizacion representado en la figura 2 puede ampliarse para incluir una pluralidad de zonas distintas, cada una asociada a un transmisor de ultrasonidos basado en matriz. Del mismo modo, se pueden usar diferentes configuraciones de transmisores de ultrasonidos basados en matriz para crear una pluralidad de sectores en una pluralidad de zonas distintas, por ejemplo 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o de los sectores 50 a 50, 5 a 40, 5 a 30, 5 a 20 o 5 a 15.
En modos de realizacion preferidos adicionales, los sistemas de la presente invencion utilizan uno o mas transmisores de ultrasonidos basados en matriz por zona distinta. Se contempla que se proporciona una mayor exactitud mediante sistemas que utilizan dos transmisores de ultrasonidos basados en matriz (por ejemplo, transmisores de ultrasonidos basados en matriz unidimensionales). En algunos modos de realizacion, los transmisores de ultrasonidos basados en matriz estan colocados en diferentes localizaciones dentro de una zona
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distinta, de modo que los haces transmitidos por los transmisores de ultrasonidos basados en matriz se intersecan entre sf en un angulo. Como ejemplo, los transmisores de ultrasonidos basados en matriz se pueden colocar en paredes perpendiculares. En algunos modos de realizacion, los transmisores de ultrasonidos basados en matriz transmiten su informacion a cada sector en secuencia, primero el primer transmisor cubre sus sectores y luego la segunda matriz rastrea sus sectores y asf sucesivamente. De esta forma, pueden determinarse las secciones que se intersecan y se puede lograr una mayor exactitud. En algunos modos de realizacion, se logran exactitudes objetivo por debajo de 1x1 m. Un modo de realizacion de este tipo se representa en la figura 3. La figura 3 proporciona un diagrama esquematico de un sistema de la presente invencion 300 desplegado en una zona distinta 305 en la que estan colocados dos transmisores de ultrasonidos basados en matriz unidimensionales 310 y 311. Los transmisores de ultrasonidos basados en matriz 310 y 311 estan configurados para iluminar o dirigir ondas de ultrasonidos en multiples sectores distintos, 320, indicados por lmeas discontinuas. En algunos modos de realizacion, los datos transmitidos pueden consistir en un codigo de identificacion de habitacion (opcional) y codigos de identificacion de sector. En algunos modos de realizacion, la matriz escanea la habitacion que ilumina y para cada sector cambia la informacion de ID de sector. Los sistemas comprenden ademas los componentes descritos anteriormente en referencia a la figura 2, incluyendo etiquetas portatiles 330 y 331, un procesador y transmisores y receptores de senales de radiofrecuencia.
En otros modos de realizacion preferidos, se utiliza una forma alternativa para aumentar la exactitud de deteccion de localizacion. En estos modos de realizacion, un transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta colocado en la parte superior de una zona distinta, por ejemplo, el techo de una habitacion. En algunos modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz es una matriz 2D (por ejemplo, como se representa en la figura 5). Esta colocacion es ventajosa, ya que normalmente se desea informacion con respecto a la posicion en el plano x, y, y la altura sobre el suelo no es tan interesante (z). Una matriz montada en el techo puede, por consiguiente, lograr la misma exactitud que la configuracion descrita anteriormente que utilizaba dos matrices 1-D.
En algunos modos de realizacion, el receptor de ultrasonidos en la etiqueta portatil tiene una capacidad de medicion de desplazamiento Doppler. En estos modos de realizacion, esta capacidad se puede usar para encontrar el componente de velocidad a lo largo del haz de ultrasonidos, es decir, a lo largo del vector entre el receptor y el transmisor de ultrasonidos. Una matriz 1D dara solo el componente de velocidad a lo largo de esta direccion. Sin embargo, el uso de dos matrices 1D, en, por ejemplo, la configuracion de pared perpendicular descrita anteriormente, dara componentes de velocidad en dos direcciones. Estos datos son suficientes para la determinacion de la velocidad y de su direccion, es decir, el vector de velocidad total en dos dimensiones, tal como se representa en el diagrama esquematico en la figura 7. Haciendo referencia a la figura 7, un sistema 700 de este tipo comprende, por ejemplo, dos transmisores de ultrasonidos basados en matriz 1D 710 y 711, una etiqueta portatil 720, asf como los otros componentes descritos anteriormente (por ejemplo, procesador, receptor de radiofrecuencia, etc.). Las flechas 730 indican los vectores de movimiento. En algunos modos de realizacion, la adicion de un tercer transmisor, por ejemplo, en el techo, permite la determinacion de la velocidad 3D total. Solo tener una matriz montada en el techo no es ventajoso para Doppler, ya que el movimiento principal de interes esta usualmente en la direccion x, y, es decir, perpendicular a los haces de una matriz montada en el techo, por lo que se preve que se detecte poco desplazamiento Doppler para una matriz montada en el techo.
Una tecnologfa de la competencia se basa en acelerometros, pero esa tecnologfa requiere que la orientacion de la etiqueta sea fija o conocida con el fin de alcanzar un resultado comparable. A menudo es diffcil controlar o encontrar una etiqueta portatil. En la practica puede variar todo el tiempo. La orientacion puede encontrarse en principio a traves del uso de una brujula incorporada, pero como rara vez son muy exactas cerca de estructuras metalicas, sus exactitudes a menudo no son muy buenas en interiores.
En algunos modos de realizacion, se pueden anadir mas transmisores de ultrasonidos basados en matriz, bien esten montados en la pared o en el techo, a los sistemas de la presente invencion en casos particulares donde la habitacion es grande o la geometffa de la habitacion es particularmente diffcil con, por ejemplo, obstruccion parcial de los haces por muebles u otras divisiones de cubfculos y una senal reflejada puede alcanzar el receptor con una amplitud mas fuerte que la senal directa. En algunos modos de realizacion, se anaden matrices adicionales mas para redundancia y entonces se usa un procedimiento para excluir los datos recibidos de la matriz que se desvfa mas de las otras en el procesamiento en la estacion base.
En algunos modos de realizacion, puede ser deseable limitar la extension del haz de ultrasonidos, en particular en el plano vertical con el fin de evitar reflexiones en el techo o suelo que pueden hacer que las mediciones RSSI y Doppler sean ambiguas. En algunos modos de realizacion, el transmisor de ultrasonidos basado en matriz se puede extender de 1D a 2D, que tiene tambien elementos en la dimension vertical. De esta forma, los sectores pueden estar formados tambien en la direccion vertical, con el fin de evitar el problema de reflexiones del techo y suelo. La figura 4 proporciona una representacion de un transmisor de ultrasonidos basado en matriz bidimensional adecuado con siete elementos. Se entiende que son posibles muchas otras configuraciones con en general N elementos en el eje horizontal y M elementos en el eje vertical, vease, por ejemplo, la figura 5 en la que N=4 y N=3. En otros modos de realizacion, se utiliza una bocina en la dimension vertical para limitar la propagacion del haz en el plano vertical, por ejemplo, como se representa en la figura 6.
En algunos modos de realizacion, el refinamiento de la exactitud angular del posicionamiento basado en RSSI se logra enviando haces que se superponen en angulo. En estos modos de realizacion, se realizan varias mediciones de amplitud en haces en angulos ligeramente diferentes. En modos de realizacion preferidos adicionales, se usa interpolacion para encontrar el angulo con una exactitud que es mejor que la separacion entre haces. Una limitacion 5 de este procedimiento es que la adicion de mas haces requerira mas tiempo con el fin de cubrir el sector deseado. El procedimiento de interpolacion permite tiempo de intercambio para la adquisicion de exactitud de localizacion frente a posicion.
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Diversas modificaciones y variaciones del procedimiento descrito y el sistema de la invencion seran evidentes para aquellos expertos en la tecnica sin apartarse del alcance de las siguientes reivindicaciones.
Claims (15)
- 5101520253035404550556065REIVINDICACIONES1. Un sistema para determinar la localizacion de una etiqueta portatil (230, 231; 330, 331) en una zona distinta (205; 305), que comprende:al menos un primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz (210; 310), en el que dicho transmisor de ultrasonidos basado en matriz esta configurado para dirigir un haz en un plano de matriz y transmitir datos a dos o mas sectores distintos (220 - 224; 320) dentro de dicha zona (205; 305), en el que los datos transmitidos a cada sector consisten en un codigo de identificacion de sector; una etiqueta portatil (230, 231; 330, 331) que comprende (i) un transmisor de radiofrecuencia configurado para transmitir una senal de radiofrecuencia y (ii) un receptor de ultrasonidos configurado para recibir un codigo de identificacion de sector desde dicho primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz y determinar una intensidad de senal recibida;un receptor de radiofrecuencia configurado para comunicarse con el transmisor de radiofrecuencia a traves de dicha senal de radiofrecuencia; yun procesador en comunicacion con el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz y el receptor de radiofrecuencia, en el que el procesador esta configurado para determinar la localizacion de la etiqueta portatil dentro de dichos dos o mas sectores distintos en base a la informacion transmitida desde el transmisor de radiofrecuencia en la etiqueta portatil a traves de dicha senal de radiofrecuencia al receptor de radiofrecuencia, en el que el sistema esta configurado para usar la intensidad de senal recibida para determinar que se reciben los datos del sector mas fuerte y determinar, de este modo, el sector en el que se encuentra la etiqueta portatil.
- 2. El sistema de la reivindicacion 1, en el que dicho primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz (210; 310) esta configurado para transmitir senales de ultrasonidos a cinco o mas sectores distintos (220 - 224; 320) dentro de dicha zona (205; 305).
- 3. El sistema de la reivindicacion 1, que comprende ademas al menos un segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz (311) dentro de dicha zona (305), estando configurado dicho segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz para transmitir senales de ultrasonidos a dos o mas sectores distintos (320) dentro de dicha zona.
- 4. El sistema de la reivindicacion 3, en el que dicho segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz (311) esta configurado para transmitir senales de ultrasonidos a cinco o mas sectores distintos (320) dentro de dicha zona (305).
- 5. El sistema de la reivindicacion 3 o 4, en el que los transmisores de ultrasonidos basados en matriz (310, 311) estan colocados en diferentes localizaciones dentro de dicha zona (305), de modo que los haces transmitidos por los transmisores de ultrasonidos basados en matriz se intersecan entre sf en un angulo.
- 6. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que dicho segundo transmisor de ultrasonidos basado en matriz (311) esta dispuesto para transmitir senales de ultrasonidos en un eje que es aproximadamente perpendicular a dicho primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz (310), de modo que dicho primer y segundo transmisores basados en matriz establecen un eje x y un eje y.
- 7. El sistema de la reivindicacion 1, en el que dicha zona distinta (205; 305) tiene una porcion superior y dicho transmisor de ultrasonidos basado en matriz (210; 310) esta colocado en dicha porcion superior de dicha zona distinta.
- 8. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el sistema esta configurado para determinar la localizacion de la etiqueta portatil (230, 231; 330, 331) sin el uso de estimacion de retardo temporal.
- 9. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende medios para dirigir haces de ultrasonidos desde al menos el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz (210; 310) mediante retardos relativos entre las senales de transmision de cada elemento (105; 405; 505) en la matriz.
- 10. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que al menos el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz (210; 310) comprende una matriz bidimensional de transmisores de ultrasonidos.
- 11. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicha zona distinta (205; 305) corresponde a una habitacion en un edificio.
- 12. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que al menos dicho primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz (210; 310) esta configurado para permitir la deteccion en una zona (205; 305) de menos de aproximadamente 1 m2.
- 13. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el primer transmisor de ultrasonidos basado en matriz (210; 310) esta configurado para enviar haces de ultrasonidos que se superponen en angulo, y en el que el sistema esta configurado para realizar varias mediciones de amplitud en haces en angulos ligeramente diferentes y usar la interpolacion para determinar el angulo con una exactitud que es mejor que el espacio entre los haces.5
- 14. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende ademas una pluralidad de etiquetas portatiles (230, 231; 330, 331), cada una de dichas etiquetas portatiles asociada con un codigo de identificacion unico y en el que dicho codigo de identificacion unico es transmisible mediante un transmisor de radiofrecuencia respectivo de cada etiqueta portatil como parte de una senal de radiofrecuencia.10
- 15. Uso del sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 para localizar una etiqueta portatil (230, 231; 330, 331), objeto (240, 241) o persona.
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