ES2945597T3 - Sistema de localización usando ultrasonido - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo transmisor (4, 6) transmite una señal ultrasónica que codifica un identificador binario. Cada posición de bit en el identificador está asociada con un par de frecuencias y con posiciones de tiempo primera y segunda en la señal. El valor de bit determina cuál del par de frecuencias se transmite en la primera posición de tiempo, y la otra se transmite en la segunda posición de tiempo. Un dispositivo receptor (10) recibe la señal. Cada posición de bit del identificador se decodifica en función de la intensidad de la señal recibida en (a) la primera frecuencia y la primera posición de tiempo asociadas con la posición de bit particular, (b) la primera frecuencia asociada y la segunda posición de tiempo, (c) la la segunda frecuencia y la primera posición en el tiempo asociadas, y (d) la segunda frecuencia y la segunda posición en el tiempo asociadas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de localización usando ultrasonido
Esta invención se relaciona con un sistema para determinar la posición de un dispositivo móvil usando ultrasonido, y con un dispositivo receptor correspondiente.
El documento US 3924065 A (Freeny, Jr.) divulga un aparato de comunicación de modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) para comunicar códigos binarios de división de tiempo en donde el complemento de cada bit de mensaje se transmite después de la transmisión del bit de mensaje.
El documento WO 2008/152170 A2 (Uni Ramon Llull Fundamcio Privada et al.) divulga un sistema de posicionamiento que comprende al menos dos emisores de ultrasonidos y un emisor de sincronización. Los emisores de ultrasonidos emiten un único código, asociado a una posición espacial, con un momento en tiempo preasignado.
El documento US 7966008 B2 (Graves et al.) divulga métodos de control de interferencia de radiofrecuencia (RF) en un establecimiento de atención médica.
El documento EP 0441031 A2 (Amtech Technology) divulga un sistema para leer desde y escribir en etiquetas electrónicas usando señales de radiofrecuencia moduladas por retrodispersión.
El documento US 4763103 A (Galula et al.) divulga métodos para la transmisión de banda ancha sobre una red de distribución de electricidad de bajo voltaje, en los cuales cada bit se codifica como una secuencia de varias frecuencias de codificación predeterminadas diferentes, divididas en al menos dos bandas de frecuencia distintas, estando una combinación de frecuencia particular asociada con cada bit.
Hay muchas situaciones en las cuales es deseable poder determinar la localización de un objeto móvil, tal como una persona o un ítem de equipo, dentro de un área, tal como una sala de hospital.
Se conoce que proporciona una red de estaciones base estáticas, por ejemplo fijadas a techos o paredes, y para fijar etiquetas o dispositivos similares a objetos móviles, donde las etiquetas se comunican con una o más de las estaciones base a través de señales de ultrasonido de tal manera que se permita que se determine la localización del objeto etiquetado. Por ejemplo, tal sistema puede usarse para determinar en qué recinto está el objeto. El ultrasonido es muy adecuado para este propósito, ya que es indetectable por los humanos. También recorre mucho más lentamente a través del aire que las ondas de radio, y se atenúa más rápidamente, especialmente en la presencia de miembros estructurales de edificio tales como paredes, techos y suelos. Esto puede facilitar la detección de proximidad usando la información de tiempo de vuelo o fuerza de señal recibida.
El documento US 7864633 B2 (Holm et al.) describe un sistema para determinar la posición de una unidad transmisora acústica móvil. La unidad transmisora, que se puede fijar a un objeto que va a ser monitorizado, transmite una señal acústica codificada con modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). Una unidad detectora puede instalarse en un recinto de un edificio. La posición de la unidad transmisora se puede determinar comparando la fuerza de señal recibida de la señal en dos de tales unidades detectoras para determinar cuál de las unidades detectoras está más cerca de la unidad transmisora. En ambientes ruidosos, se puede usar FSK de trinos en lugar de FSK convencional.
Sin embargo, tal enfoque tiene ciertas limitaciones. En particular, a medida que aumenta el número de unidades transmisoras móviles en el sistema, la tasa promedio de actualizaciones de posición para cada unidad transmisora (es decir el número de estimaciones de posición por minuto) típicamente disminuirá debido a que cada unidad tiene que esperar más tiempo para el silencio antes de que pueda iniciar a transmitir. Además, la interferencia entre unidades todavía es posible, por ejemplo si dos unidades inician a transmitir de manera sustancialmente simultánea. Para hacer frente al ruido, se usan circuitos de procesamiento de señal digital (DSP) para procesar las señales de FSK de trinos recibidas; tales circuitos típicamente son costosos y consumen mucha potencia.
La presente invención busca proporcionar un enfoque alternativo.
Desde un primer aspecto, la invención proporciona un sistema para determinar la posición de un dispositivo móvil, comprendiendo el sistema:
un dispositivo transmisor dispuesto para transmitir una señal ultrasónica que codifica un identificador binario, en donde la codificación es de tal manera que cada posición de bit en el identificador binario está asociada con un par respectivo de frecuencias ultrasónicas y con primera y segunda posiciones de tiempo respectivas en la señal ultrasónica, determinando el valor de la posición de bit en el identificador binario cuál frecuencia ultrasónica del par de frecuencias ultrasónicas se transmite en la primera posición de tiempo respectiva en la señal ultrasónica, y siendo la otra frecuencia ultrasónica del par de frecuencias ultrasónicas transmitida en la segunda posición de tiempo respectiva en la señal ultrasónica;
un dispositivo receptor dispuesto para recibir la señal ultrasónica, en donde uno del dispositivo transmisor y el dispositivo receptor es un dispositivo móvil;
medios de decodificación configurados para decodificar el identificador binario desde la señal ultrasónica recibida determinando un valor para cada posición de bit en el identificador binario usando información relacionada con la fuerza de la señal ultrasónica recibida en (a) la primera frecuencia ultrasónica y primera posición de tiempo en la señal ultrasónica recibida que están asociadas con la posición de bit, (b) la primera frecuencia ultrasónica asociada y segunda posición de tiempo, (c) la segunda frecuencia ultrasónica asociada y primera posición de tiempo, y (d) la segunda frecuencia ultrasónica asociada y segunda posición de tiempo; y
medios de procesamiento configurados para usar el identificador binario decodificado para determinar información relacionada con la posición del dispositivo móvil.
Se entenderá que las referencias a "el identificador" de aquí en adelante se relacionan con el identificador binario antes mencionado, a menos que el contexto demande otra cosa.
Desde un aspecto adicional, la invención proporciona un dispositivo receptor dispuesto para:
recibir una señal ultrasónica que codifica un identificador binario, en donde la codificación es de tal manera que cada posición de bit en el identificador está asociada con un par respectivo de frecuencias ultrasónicas y con primera y segunda posiciones de tiempo respectivas en la señal ultrasónica, determinando el valor de la posición de bit en el identificador cuál frecuencia ultrasónica del par de frecuencias ultrasónicas se transmite en la primera posición de tiempo respectiva en la señal ultrasónica, y siendo la otra frecuencia ultrasónica del par de frecuencias ultrasónicas transmitidas en la segunda posición de tiempo respectiva en la señal ultrasónica señal; y
decodificar el identificador binario desde la señal ultrasónica recibida determinando un valor para cada posición de bit en el identificador usando información relacionada con la fuerza de la señal ultrasónica recibida en (a) la primera frecuencia ultrasónica y primera posición de tiempo en la señal ultrasónica recibida que están asociadas con la posición de bit, (b) la primera frecuencia ultrasónica asociada y segunda posición de tiempo, (c) la segunda frecuencia ultrasónica asociada y primera posición de tiempo, y (d) la segunda frecuencia ultrasónica asociada y segunda posición de tiempo.
De este modo será visto por los expertos en la técnica que, de acuerdo con la invención, el dispositivo transmisor transmite el identificador binario dos veces en la señal ultrasónica, transmitiendo cada bit del identificador en dos tiempos de transmisión diferentes y en dos frecuencias diferentes. Si una del par de frecuencias asociadas con una posición de bit particular es interferida por cualquier interferencia específica de frecuencia, no obstante puede ser posible que el valor correcto sea decodificado por el dispositivo receptor, debido a que el valor se transmite por separado (redundantemente) en la otra de las dos frecuencias, que puede no experimentar la misma interferencia. El efecto dañino de la interferencia de amplio espectro de corta duración también se puede disminuir, debido a que el valor de bit se transmite por separado en dos tiempos diferentes, por lo que si la interferencia de corta duración interfiere con la señal en una de las posiciones de tiempo, el bit todavía puede ser potencialmente decodificado correctamente desde la señal en la otra posición de tiempo.
Se ha encontrado que esta redundancia en frecuencia y en tiempo proporciona un sistema particularmente robusto que facilita la decodificación fiable de un identificador binario por el dispositivo receptor, incluso en la presencia de interferencia significativa desde otros transmisores de ultrasonido, o de interferencia destructiva por la propia señal provocada por las superficies reflectantes en el ambiente. El sistema también puede proporcionar robustez en el caso de que un micrófono en el dispositivo receptor tenga una respuesta de frecuencia no uniforme.
En realizaciones preferidas, el dispositivo transmisor es una estación transmisora estática, y el dispositivo móvil es una unidad receptora móvil. El solicitante se ha dado cuenta de que, en muchos contextos, tales como hospitales, el número de objetos móviles (personas, equipo, etc.) en un área a menudo puede ser mayor que el número de estaciones estáticas requeridas para proporcionar cobertura de la misma área. Al transmitir desde una o más estaciones estáticas, en lugar de desde unidades móviles, el número de unidades móviles puede aumentar indefinidamente sin requerir señales de transmisión más complejas y sin afectar la precisión del sistema.
El identificador binario puede estar asociado con el dispositivo transmisor (aunque no necesariamente de manera única). El dispositivo transmisor transmite preferiblemente a intervalos (por ejemplo periódicamente) señales ultrasónicas que codifican cada una el identificador binario. Esto permite que el sistema determine una sucesión de estimaciones de localización para la unidad móvil a intervalos. La señal puede comprender otros componentes, tales como una porción de señal que codifica información adicional, y estos otros componentes pueden cambiar desde una señal a la siguiente.
Los pares de frecuencias asociados con cada posición de bit en el identificador binario pueden ser los mismos para algunas o todas las posiciones de bit (es decir modulación por desplazamiento de frecuencia binaria), pero preferiblemente cada par de frecuencia es único para una posición de bit particular dentro del identificador. Además,
cada frecuencia individual a través de todos los pares de frecuencias es preferiblemente única para una posición de bit particular. De esta forma, ninguna frecuencia necesita transmitirse más de una vez dentro de la codificación de un identificador binario. Esto reduce la posibilidad de que los ecos desde la señal del transmisor, o la señal de otro transmisor o sus ecos, interfieran con la señal recibida al aumentar el intervalo entre la reutilización de frecuencias.
La codificación es preferiblemente de tal manera que las frecuencias adyacentes desde un conjunto ordenado que contiene todas de las dichas frecuencias nunca se transmiten en posiciones de tiempo adyacentes en la señal. Esto puede ayudar a una decodificación precisa al disminuir la posibilidad de que los ecos desde una frecuencia transmitida en una posición de tiempo interfieran con la recepción de una frecuencia similar en la siguiente de las posiciones de tiempo en la señal.
Las dos frecuencias de cada par están preferiblemente separadas por al menos alrededor de 3 kHz, de tal manera que permita que la unidad receptora distinga entre ellas con precisión.
El dispositivo transmisor transmite preferiblemente una frecuencia en una de las posiciones de tiempo transmitiendo esa frecuencia (es decir haciendo que un transductor ultrasónico en la estación transmisora vibre a esa frecuencia) durante una ventana de tiempo que contiene la posición de tiempo; por ejemplo centrado en la posición de tiempo. Cada posición de tiempo usada en la codificación del identificador binario puede tener una ventana de tiempo asociada que define la duración durante la cual se transmite una frecuencia; estas ventanas pueden ser todas sustancialmente de la misma longitud; por ejemplo alrededor de 10 milisegundos de duración. Las ventanas de tiempo asociadas pueden estar dispuestas de extremo a extremo en la señal, sin ninguna brecha interviniente sustancial, proporcionando de esa manera una codificación que es compacta en tiempo.
La primera y segunda posiciones de tiempo en cada par están preferiblemente separadas por más de la longitud de las respectivas ventanas de tiempo asociadas con cada posición, de tal manera que las transmisiones de las dos frecuencias para cada posición de bit no se superponen en el tiempo. La separación es preferiblemente de una longitud mínima, tal como lo menos alrededor de 10 milisegundos, por ejemplo alrededor de 40 milisegundos, de tal manera que la energía transmitida en la primera ventana de tiempo puede decaer en el ambiente antes del inicio de la transmisión en la segunda ventana de tiempo. De esta forma puede reducirse o retirarse la posibilidad de interferencia en la segunda posición de tiempo por ecos desde la primera posición de tiempo.
En un conjunto preferido de realizaciones, la codificación es de tal manera que todas las primeras posiciones de tiempo preceden a todas las segundas posiciones de tiempo en la señal transmitida. Esto se puede ver como equivalente, al menos para algunas realizaciones, a transmitir el identificador binario completo usando una codificación de modulación por desplazamiento de frecuencia binaria (BFSK) diferente para cada bit del identificador, y luego transmitir subsecuentemente el complemento bit a bit (complemento de unos) del identificador usando las mismas codificaciones de BFSK respectivas para cada bit.
Cada par de posiciones de tiempo es preferiblemente único para una posición de bit particular dentro del identificador binario. Además, cada posición de tiempo individual a través de todos los pares de posiciones de tiempo es preferiblemente única para una posición de bit particular. De esta forma, el dispositivo transmisor solo necesita transmitir una frecuencia a la vez cuando transmite el identificador binario, simplificando de esa manera el diseño del dispositivo transmisor.
El dispositivo transmisor puede comprender un codificador o medio de codificación y un medio o unidad de transmisión de ultrasonidos, en donde el codificador o medio de codificación está dispuesto para recibir un identificador binario como entrada y para controlar el medio o unidad de transmisión de ultrasonido para transmitir una señal ultrasónica que codifica el identificador binario de acuerdo con la codificación antes mencionada. Alternativamente, la codificación se puede realizar fuera del dispositivo transmisor, y el dispositivo transmisor puede almacenar o recibir una señal de control para controlar un medio o unidad de transmisión de ultrasonidos para transmitir una señal ultrasónica que codifica un identificador binario de acuerdo con la codificación antes mencionada.
En realizaciones en las cuales el dispositivo transmisor es una estación transmisora estática y el dispositivo receptor es una unidad receptora móvil, la recepción del identificador binario por la unidad receptora puede usarse para determinar la proximidad entre la estación transmisora y la unidad receptora. Esto puede, a su vez, usarse para estimar la posición de la unidad receptora móvil, usando un conocimiento de la posición de la estación transmisora estática. Por ejemplo, se puede determinar que la unidad receptora está en el mismo recinto que la estación transmisora estática, si la estructura del edificio es de tal manera que la señal ultrasónica se atenuaría significativamente fuera del recinto.
El solicitante ha determinado que esta metodología de codificación es particularmente bien adecuada para sistemas que comprenden una pluralidad de tales estaciones transmisoras estáticas, dispuestas para transmitir señales ultrasónicas que codifican identificadores binarios respectivos (que pueden o pueden no ser únicos para cada estación transmisora) de manera sustancialmente simultánea, con todas las estaciones transmisoras usando el mismo esquema de codificación. Las estaciones transmisoras transmiten preferiblemente sus respectivas señales con la misma potencia de transmisión entre sí. La idea de transmitir deliberadamente diferentes identificadores desde
diferentes estaciones transmisoras, que pueden estar en un rango audible entre sí, simultáneamente es contraria al sentido común; sin embargo, el solicitante se ha dado cuenta de que un enfoque ingenuo de multiplexación por división de tiempo entre las estaciones transmisoras, de tal manera que se eviten transmisiones superpuestas, restringe inútilmente el número de estaciones transmisoras y/o la tasa de actualización de posicionamiento del sistema. El solicitante también ha reconocido que el consumo de energía en una unidad móvil que incorpora la presente invención puede ser menor que cuando se usa un enfoque de multiplexación por división de tiempo, debido a que no hay necesidad de decodificar señales desde un número de estaciones transmisoras en diferentes tiempos; más bien, las señales desde un número de transmisores se pueden procesar simultáneamente.
Al determinar las fuerzas de señales recibidas asociadas con la codificación de cada posición de bit del identificador, los medios de decodificación pueden determinar típicamente el identificador binario de la estación transmisora a la cual está más cerca la unidad receptora móvil, incluso en la presencia de señales desde otras estaciones transmisoras que codifican diferentes identificadores (suponiendo que ningún obstáculo impida una línea directa de audición entre la estación transmisora y la unidad receptora). Esto se puede usar para determinar una posición aproximada de la unidad receptora móvil en un edificio, a partir de un conocimiento de las localizaciones de todas las estaciones transmisoras.
Preferiblemente, las estaciones transmisoras están sincronizadas de tal manera que cada una transmita una porción de la señal que codifica una posición de bit particular (por ejemplo la primera posición de tiempo asociada con el primer bit de sus respectivos identificadores) sustancialmente al mismo tiempo entre sí. Si los identificadores son todos de la misma longitud (por ejemplo todos de cinco bits de duración), las estaciones transmisoras están preferiblemente configuradas, para cada posición de bit en los identificadores, para transmitir porciones de señal que codifican el valor de los identificadores en esa posición de bit de manera sustancialmente simultánea.
Una característica atractiva de realizaciones de la presente invención es que no se requieren cambios en la unidad receptora ni en los medios de decodificación, ya sea que el sistema tenga solo una estación transmisora o muchas. Se puede agregar una estación transmisora adicional simplemente asignando un identificador binario adecuado a la estación y sincronizándolo con las estaciones transmisoras existentes. Su localización e identificador pueden registrarse con los medios de procesamiento de determinación de posición y pueden iniciar a ser usados para determinar la posición de la unidad receptora móvil.
El solicitante ha encontrado que, explotando la fuerza de señal recibida en ambas frecuencias y en ambas posiciones de tiempo para cada bit del identificador, es posible una discriminación particularmente precisa entre múltiples estaciones transmisoras sincronizadas. En particular, cuando dos estaciones transmisoras transmiten identificadores binarios que difieren solo en un único bit, ambas estaciones transmisoras transmitirán ambas de las frecuencias asociadas con la posición de bit distintivo, pero en tiempos diferentes entre sí. Esto permite una comparación de las fuerzas de señales recibidas desde los dos transmisores tanto en la primera como en la segunda frecuencia. Si una de las frecuencias está sufriendo de ruido, tal como una interferencia destructiva, no obstante todavía puede ser posible identificar una de las estaciones transmisoras más cercana debido a la información transmitida por la otra frecuencia no interferida.
El solicitante ha descubierto que tal disposición permite que los efectos de la interferencia destructiva se mitiguen, dado que tal interferencia afectará típicamente a una frecuencia más que a otra. De este modo el sistema puede permitir una determinación robusta de posición de la unidad receptora incluso cuando está en un área donde hay una interferencia destructiva significativa en una de las dos frecuencias usadas para codificar una posición de bit particular; esto comúnmente se produce cuando la unidad receptora está cerca de la esquina de un recinto, debido a los reflejos que interfieren desde las paredes y suelo/techo. La interferencia destructiva puede ser problemática en enfoques ingenuos basados en la fuerza de señal recibida, dado que la fuerza de señal después de la interferencia puede ser muchas veces menor que la de la señal original, llevando potencialmente a una decodificación de señal incorrecta. La interferencia constructiva, por el contrario, típicamente es menos problemática ya que tiene un efecto relativamente menor en la fuerza de señal (por ejemplo menos del doble de la fuerza).
La señal transmitida por una o más de las estaciones transmisoras comprende preferiblemente un preámbulo de sincronización. Este puede ser un tono predeterminado de duración predeterminada. Los medios de decodificación pueden configurarse para usar el preámbulo en la señal recibida para sincronizar el procesamiento subsecuente de la señal recibida. Por ejemplo, los medios de decodificación pueden usar el preámbulo para determinar la primera y segunda posiciones de tiempo asociadas con una posición de bit particular, o para determinar el inicio de ventanas de tiempo respectivas que contienen estas posiciones de tiempo. Los medios de decodificación pueden sincronizar el procesamiento de una señal recibida usando tal primer preámbulo recibido que excede un nivel de señal umbral después de un tiempo de inicio predeterminado (por ejemplo una vez que ha transcurrido un intervalo de tiempo predeterminado después de procesar una señal recibida precedente).
De esta forma, es probable que los medios de decodificación se sincronicen con una señal desde la más cercana (por tiempo de vuelo) de una pluralidad de estaciones transmisoras sincronizadas a la unidad receptora, dado que las señales desde las otras estaciones transmisoras típicamente llegarán a la unidad receptora más tarde que la de la estación transmisora más cercana, debido a las distancias más largas sobre las cuales recorren estas señales. Esto
puede aumentar la probabilidad de que los medios de decodificación decodifiquen correctamente el identificador de la estación transmisora más cercana a la unidad receptora móvil.
Por ejemplo, cuando las estaciones transmisoras transmiten una frecuencia particular durante una ventana de tiempo de 10 milisegundos, esto corresponde a una distancia de 3.4 metros. De este modo las transmisiones sincronizadas solo se superpondrán en tiempo en una unidad receptora cuando las distancias desde esta a múltiples estaciones transmisoras difieran en menos de 3.4 metros. Si la distancia desde la unidad receptora hasta la segunda estación transmisora más cercana es más de 3.4 metros mayor que la distancia desde la unidad receptora hasta la estación transmisora más cercana, no habrá superposición en absoluto. La unidad receptora preferiblemente muestrea la señal recibida sobre una ventana de recepción relativamente pequeña para cada posición de tiempo - por ejemplo de alrededor de 3 milisegundos de duración - de tal manera que capitalice esta discriminación basada en tiempo. Cuando la diferencia entre las distancias de estaciones transmisoras es menos de 3.4 metros, la discriminación todavía es posible debido a las diferentes fuerzas de señal.
Se ha encontrado que esta combinación de discriminación de fuerza de señal y discriminación de tiempo de vuelo inherente proporciona un sistema de localización particularmente efectivo.
Para cada bit del identificador, el medio de decodificación determina preferiblemente un valor de amplitud para la primera frecuencia y la primera posición de tiempo, y un valor de amplitud para la primera frecuencia y la segunda posición de tiempo. Preferiblemente también determina un valor de amplitud para la segunda frecuencia y la primera posición de tiempo, y un valor de amplitud para la segunda frecuencia y la segunda posición de tiempo.
Estos valores de amplitud pueden representar la energía de ultrasonido recibida por la unidad receptora alrededor de una frecuencia particular sobre una ventana de recepción fija (por ejemplo de ancho alrededor de 3 milisegundos). La ventana de recepción puede estar compensada desde un preámbulo de sincronización por una cantidad que corresponde a una posición de tiempo particular. Ambas frecuencias pueden muestrearse simultáneamente para una posición de tiempo dada, o pueden muestrearse secuencialmente (por ejemplo una primera ventana de recepción de 3 milisegundos sintonizada en la primera frecuencia, seguida de una segunda ventana de recepción de 3 milisegundos sintonizada en la segunda frecuencia). Un enfoque secuencial puede ser apropiado si la unidad receptora solo tiene un único sintonizador analógico. La energía recibida puede determinarse para una ventana de frecuencia, que contiene la frecuencia particular, de un ancho que acomodaría un grado de desplazamiento Doppler debido al movimiento de la unidad móvil en relación con la estación transmisora. En algunas realizaciones la ventana de frecuencia puede dimensionarse de tal manera que abarque una cantidad de desplazamiento Doppler asociado con el movimiento de hasta alrededor de 10 metros/segundo hacia y lejos de la estación transmisora.
El medio de decodificación calcula preferiblemente la diferencia entre el valor de amplitud para la primera frecuencia y la primera posición de tiempo An(f1, t1) y el valor de amplitud para la primera frecuencia y la segunda posición de tiempo An(f1, t2), para cada posición de bit, n: An(f1, t1) - An(f1, t2). Si solo una estación transmisora está en rango audible de la unidad receptora móvil, se puede esperar que la amplitud sea alta en una de estas posiciones de tiempo y baja o cero en la otra posición de tiempo. Sin embargo, si múltiples estaciones transmisoras están en el rango audible y están transmitiendo identificadores binarios que difieren en valor en una posición de bit particular, se puede esperar que el valor de diferencia sea menor.
Los medios de decodificación pueden calcular además una relación de diferencia para la primera frecuencia para una posición de bit particular, n, dividiendo la diferencia por la suma de los valores de amplitud para las primera y segunda posiciones de tiempo:
Los medios de decodificación también pueden calcular de manera similar una relación de diferencia para la segunda frecuencia para la posición de bit particular, n:
Si no hay interferencia desde otras estaciones transmisoras u otras fuentes, se puede esperar que la relación de diferencia para la primera frecuencia y la relación de diferencia para la segunda frecuencia se sumarían para dar cero: Rn(f1) Rn(f2) = 0.
En algunas realizaciones, los medios de decodificación pueden determinar el valor binario para una posición de bit, n, en el identificador decodificado de acuerdo con si la relación de diferencia para la primera frecuencia es mayor o no que la relación de diferencia para la segunda frecuencia.
Sin embargo, en un conjunto más preferido de realizaciones, los medios de decodificación determinan el valor binario para una posición de bit, n, en el identificador decodificado de acuerdo con si el valor de amplitud para la primera frecuencia y la primera posición de tiempo más el valor de amplitud para la segunda frecuencia y la segunda posición
de tiempo es mayor o no que el valor de amplitud para la segunda frecuencia y la primera posición de tiempo más el valor de amplitud para la primera frecuencia y la segunda posición de tiempo; es decir si
En otro conjunto preferido de realizaciones, los medios de decodificación determinan el valor binario para una posición de bit, n, en el identificador decodificado de acuerdo con el signo de un promedio de ejecución de una función de An(f1, t1), An(f2, t2), An(f2, t1), An(f1, t2) determinado a través de una pluralidad de intervalos de transmisión. La función puede ser:
[An(f1, t1) An(f2, t2) - An(f2, t1) - An(f1, t2)] / [An(f1, t1) An(f2, t2) An(f2, t1) An(f1, t2)]. El promedio de ejecución bit a bit puede determinarse usando un filtro de paso bajo, tal como un filtro alfa-beta.
Se ha encontrado que estos últimos enfoques dan una decodificación más fiable.
Los medios de decodificación también pueden determinar una medida de fiabilidad para cada bit del identificador binario en la señal recibida. En algunas realizaciones preferidas, la medida de fiabilidad es una función de la suma de la relación de diferencia para la primera frecuencia y la relación de diferencia para la segunda frecuencia; por ejemplo, el valor absoluto de la mitad de esta suma. La medida de fiabilidad para un bit puede determinarse como un promedio de ejecución (por ejemplo usando un filtro alfa-beta) a través de una pluralidad de intervalos de transmisión. Los medios de decodificación o medios de procesamiento de determinación de posición pueden usar las medidas de fiabilidad para todos los bits en el identificador cuando se usa el identificador binario decodificado para determinar información relacionada con la posición de la unidad receptora móvil. Puede determinar una medida de fiabilidad para el identificador decodificado sumando los valores absolutos de las medidas de fiabilidad para cada bit. Sin embargo se pueden usar otras medidas de fiabilidad.
En algunas realizaciones, una medida de fiabilidad para el identificador decodificado debe tener que exceder un valor umbral de fiabilidad antes de que el valor de identificador decodificado se use para determinar una estimación de posición para la unidad móvil. Si no se cumple el umbral, los medios de decodificación o medios de procesamiento pueden suponer que la posición de la unidad receptora móvil no cambia, o pueden tratar la posición como desconocida o indeterminada.
En algunas realizaciones, una función de las medidas de fiabilidad para cada bit decodificado, o cada medida de fiabilidad de bit tomada individualmente, debe tener que exceder un valor umbral de inercia antes de que el valor de identificador decodificado se use para determinar una actualización de posición para la unidad móvil cuando difiere de un valor decodificado precedente. Este umbral de inercia puede ser tal que presente un obstáculo mayor que el valor umbral de fiabilidad antes mencionado. De esta forma, se requiere un mayor nivel de confianza antes de que se determine un cambio en la posición de la unidad receptora móvil. Tal enfoque puede proporcionar una estabilidad útil al sistema al evitar cambios espurios en la posición estimada de la unidad receptora móvil en los casos donde su posición no pueda determinarse de manera fiable. También puede ayudar a reducir el consumo de potencia en la unidad receptora móvil, como se explica con más detalle a continuación.
Dejar que la fuerza de señal recibida para una posición de bit n (RSSn) se defina como el mayor de la suma del valor de amplitud para la primera frecuencia y primera posición de tiempo y el valor de amplitud para la segunda frecuencia y segunda posición de tiempo, An(f1,t1) An(f2,t2), y la suma del valor de amplitud para la segunda frecuencia y primera posición de tiempo y el valor de amplitud para la primera frecuencia y segunda posición de tiempo, An(f2,t1) An(f1,t2) .
Entonces, en algunas realizaciones, no se usa un identificador binario decodificado para actualizar la posición de la unidad receptora móvil cuando la fuerza mínima de señal recibida de posición de bit a través de todos los bits del identificador es menor que una fracción predeterminada de la fuerza promedio de señal recibida de posición de bit a través de todos los bits del identificador. Esto asegura que cada bit se reciba con precisión.
En algunas realizaciones, un identificador binario decodificado no se usa para actualizar la posición de la unidad receptora móvil cuando la suma de las fuerzas de señales recibidas de posición de bit a través de todos los bits del identificador es menor que un límite mínimo predeterminado.
En algunas realizaciones, en lugar de transmitir las codificaciones de cada posición de bit al mismo tiempo entre sí, dos estaciones transmisoras pueden configurarse para transmitir porciones de señal que codifican al menos un valor de posición de bit al mismo tiempo entre sí, y para transmitir porciones de señal que codifican al menos otro valor de posición de bit en tiempos diferentes entre sí. Esto puede ser ventajoso cuando dos estaciones transmisoras comparten ciertos componentes físicos en común, tales como un convertidor de digital a analógico: pueden transmitir simultáneamente esa posición de bit para la cual sus respectivos identificadores tienen el mismo valor, y en tiempos diferentes esas posiciones de bits para las cuales sus respectivos identificadores tienen valores diferentes.
De esta forma, las dos estaciones transmisoras pueden evitar la necesidad entre ellas de transmitir más de una frecuencia simultáneamente, lo cual puede permitir que el par sea de diseño más simple. Tal par de estaciones transmisoras pueden estar localizadas cerca una de la otra. Pueden compartir un alojamiento común. Sin embargo, los dos transmisores pueden tener transductores ultrasónicos respectivos separados.
Los medios de decodificación pueden estar localizados en la unidad receptora o pueden estar remotos de la misma, o pueden estar divididos entre la unidad receptora y otra localización. Si está remota de la unidad receptora, la unidad receptora puede configurarse para transmitir información relacionada con la señal recibida a los medios de decodificación; por ejemplo por radio. Sin embargo, en un conjunto preferido de realizaciones, el medio de decodificación está localizado en la unidad receptora. Los medios de decodificación, o decodificador, pueden tomar cualquier forma adecuada. Puede comprender una o más CPUs y/o uno o más DSPs y/o lógica dedicada. Puede comprender circuitería analógica. Puede ejecutar software que comprenda instrucciones que hagan que lleve a cabo el comportamiento descrito en este documento.
Los medios de procesamiento, o procesador, configurados para usar el identificador binario decodificado para determinar información relacionada con la posición de la unidad receptora móvil pueden estar localizados dentro de la propia unidad receptora, pero preferiblemente están localizados en uno o más servidores remotos. Los medios de procesamiento pueden comprender una o más CPUs y/o uno o más DSPs y/o lógica dedicada. Puede comprender circuitería analógica. Puede ejecutar software que comprenda instrucciones que hagan que lleve a cabo el comportamiento descrito en este documento. La información relacionada con la posición de la unidad receptora móvil puede comprender una estimación de un área bidimensional (por ejemplo en un plano de planta de un edificio) o un volumen tridimensional en el cual está localizada la unidad receptora. Puede comprender un conjunto de coordenadas para la unidad receptora. El sistema puede comprender medios de salida, tales como un dispositivo de visualización gráfica, para emitir la información de posición a un humano. Puede emitir la información de posición a otro componente u otro sistema, tal como un sistema de alarma que activa una alarma si una unidad receptora entra o sale de un espacio predefinido. Simplemente puede almacenar la información de posición en una memoria para uso posterior.
La unidad receptora móvil puede comprender un transmisor de radio. Puede configurarse para transmitir el identificador binario decodificado por radio. Esto puede ser recibido por un receptor de radio, tal como un punto de acceso 802.11 o un receptor 802.15.4. El receptor de radio puede estar conectado de manera comunicativa a los medios de procesamiento de determinación de posición, por ejemplo por una conexión Ethernet.
Preferiblemente la unidad receptora móvil está configurada para determinar cuándo el identificador binario decodificado difiere de un identificador previamente decodificado y para transmitir el identificador a un receptor externo (por ejemplo por radio, ultrasonido, o cualquier otro medio) cuando determina tal diferencia, en tanto que se satisfaga un criterio de fiabilidad para la decodificación. Algunas de tales medidas de fiabilidad ya han sido descritas. De esta forma, se evitan transmisiones de radio frecuentes cuando la interferencia de ultrasonidos es alta, o cuando el dispositivo móvil está localizado a mitad de camino entre dos o más estaciones transmisoras que transmiten diferentes identificadores. La unidad receptora móvil preferiblemente también transmite solamente el identificador con una frecuencia reducida o no lo transmite en absoluto cuando no hay cambio en su valor desde un intervalo de transmisión al siguiente.
El identificador binario transmitido por una estación transmisora puede ser un identificador de zona. Las estaciones transmisoras también pueden transmitir identificadores de área, por ejemplo dentro de la misma señal, opcionalmente usando el mismo protocolo de codificación que el identificador de zona. El identificador de área puede ser de la misma longitud que el identificador de zona (por ejemplo 5 bits), lo cual puede simplificar la implementación. En una implementación, un edificio o sitio se puede dividir en múltiples áreas, cada una de las cuales se divide en múltiples zonas. Los medios de decodificación pueden configurarse para decodificar primero el identificador de zona y determinar si el identificador de zona ha cambiado desde un identificador de zona decodificado precedente (por ejemplo desde la transmisión previa). Puede configurarse para decodificar el identificador de área solo si el identificador de zona ha cambiado. Esto puede ahorrar potencia.
Como se estableció previamente, realizaciones preferidas de la invención comprenden una estación transmisora estática y una unidad receptora móvil.
Sin embargo, se apreciará que muchos de los principios pueden aplicarse a sistemas en los cuales una unidad transmisora puede ser móvil y una estación receptora puede ser estática.
Por lo tanto, en algunas realizaciones, el dispositivo transmisor es una unidad transmisora móvil. El dispositivo receptor puede ser entonces una estación receptora estática. Los medios de procesamiento pueden identificar una unidad transmisora que está dentro del rango audible de la estación receptora estática y de esa manera determinar una estimación de la localización de esta unidad transmisora a partir del conocimiento de la localización de la estación receptora estática.
El sistema puede comprender una pluralidad de tales unidades transmisoras móviles. Puede comprender una pluralidad de tales unidades receptoras estáticas. Mientras que las unidades transmisoras móviles pueden transmitir
sus señales de manera sustancialmente simultánea, como ya se ha descrito anteriormente con referencia a las estaciones transmisoras estáticas, puede ser ventajoso en las presentes realizaciones para las unidades transmisoras móviles en cambio transmitir sus señales en diferentes tiempos. Esto puede lograrse asignando diferentes ranuras de tiempo a las unidades transmisoras móviles respectivas. Los medios de procesamiento pueden entonces poder usar una fuerza de señal recibida para cada unidad transmisora móvil en una o más estaciones receptoras estáticas y/o usar información de tiempo de llegada para determinar información relacionada con las posiciones de cada una de las unidades transmisoras móviles. Esto podría no ser posible si las unidades transmisoras móviles fueran a transmitir simultáneamente, siendo solo el identificador binario de la unidad más cercana a una estación receptora particular decodificado.
Las señales ultrasónicas son señales acústicas que tienen una frecuencia más alta que el rango auditivo humano normal; típicamente esto significa señales que tienen una frecuencia superior a 20 kHz, por ejemplo entre 30 y 100 kHz.
Ciertas realizaciones preferidas de la invención se describirán ahora, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales:
La figura 1 es un diagrama en perspectiva de un sistema de posicionamiento que incorpora la invención;
La figura 2 es un dibujo figurativo de una estación transmisora estática y una unidad receptora móvil;
La figura 3 es una tabla que muestra la estructura de una señal transmitida por la estación transmisora; y
La figura 4 es un gráfico de muestras de ultrasonido recibidas por la unidad receptora, que muestra amplitudes en diferentes longitudes de onda y tiempos.
La figura 1 muestra un recinto 2. Una primera estación 4 transmisora estática y una segunda estación 6 transmisora estática están fijadas a las paredes adyacentes del recinto 2. Una persona 8 en el recinto está portando una unidad 10 receptora móvil. Un cable 12 de red conecta las dos estaciones 4, 6 transmisoras a un servidor 14 remoto. Puede haber otras estaciones transmisoras similares (no se muestran) en otras posiciones en el recinto 2 y en otros recintos en el edificio, todas conectadas al servidor 14 remoto mediante cable de red.
En otras realizaciones, un cable de red puede no ser necesario y algunas o todas las estaciones transmisoras pueden comunicarse con un servidor remoto mediante medios inalámbricos, tales como radio.
La figura 2 muestra la primera estación 4 transmisora, que tiene una sonda 20 ultrasónica y lógica 22 de procesamiento para hacer que la sonda 20 ultrasónica transmita señales ultrasónicas. Puede recibir potencia sobre el cable 12 de red (por ejemplo potencia sobre Ethernet) o desde una batería interna (no se muestra). La segunda estación 6 transmisora tiene una configuración similar. La figura 2 también muestra la unidad 10 receptora móvil, que tiene un micrófono 24 y circuitería asociada capaz de recibir señales ultrasónicas desde la estación 4 transmisora, y lógica 26 de procesamiento para muestrear y procesar señales recibidas. Contiene una batería (no se muestra).
En uso, el servidor 14 hace que cada estación 4, 6 transmisora transmita señales ultrasónicas simultáneas que codifican los identificadores respectivos. En este ejemplo, las dos estaciones 4, 6 transmisoras tienen identificadores diferentes, aunque esto no necesita ser siempre el caso. El servidor 14 también puede opcionalmente instruir a una o ambas estaciones 4, 6 transmisoras para que codifiquen información adicional en la señal, tal como una instrucción para que la unidad 10 receptora móvil informe al servidor 14 de la localización de la unidad móvil o la carga restante en su batería (por ejemplo usando un transmisor de radio separado en la unidad móvil).
La codificación del identificador binario y tal información adicional opcional se lleva a cabo usando un esquema basado en la transmisión de frecuencias de ultrasonido particulares (tonos) en tiempos particulares, como se describe con más detalle a continuación.
La unidad 10 receptora móvil recibe las señales sincronizadas desde ambas estaciones 4, 6 transmisoras, dado que ambas están dentro del rango audible si la unidad 10 receptora. Puede haber otras estaciones transmisoras en otros recintos (no se muestran) cuyas señales son demasiado atenuadas para que las reciba la unidad 10 receptora. La codificación es de tal manera que permite que la unidad 10 receptora móvil determine el identificador codificado en la señal de estación transmisora más fuerte, que típicamente es la estación transmisora más cercana a la unidad 10 receptora. La unidad 10 receptora comunica este identificador al servidor 14, por ejemplo, usando un transmisor de radio (no se muestra) en la unidad 10 receptora, o mediante la transmisión de ultrasonidos. El servidor 14 de esa manera puede monitorizar la localización de la unidad 10 receptora. Dependiendo del diseño de las estaciones transmisoras en el sistema, típicamente puede estimar en qué recinto está la unidad móvil y potencialmente en qué parte del recinto está la unidad 10 móvil; por ejemplo, una primera mitad del recinto o una segunda mitad del recinto.
Cada señal ultrasónica también puede comprender una porción de señal prevista para la determinación precisa de tiempo de vuelo de la distancia entre las estaciones 4, 6 transmisoras y la unidad 10 receptora; tal información de
tiempo de vuelo puede usarse para el posicionamiento de multilateración opcional para estimar con más precisión la localización de la unidad 10 receptora móvil dentro del recinto 2, usando algoritmos de multilateración bien conocidos. Estas porciones de señal pueden usar una codificación diferente de la que se usa para los identificadores binarios, tal como una firma de espectro ensanchado por secuencia directa que permite una medición robusta de tiempo de llegada en la presencia de ecos y otras interferencias.
Las transmisiones desde las dos estaciones 4, 6 transmisoras están sincronizadas de tal manera que inicien simultáneamente. Esta sincronización se puede lograr usando relojes sincronizados por red en cada estación 4, 6 transmisora, junto con una programación de transmisión predeterminada.
La figura 3 muestra la estructura general de una transmisión de señal de ultrasonido como se transmite por cada una de las estaciones 4, 6 transmisoras.
La señal inicia con un tono de activación inicial, para alertar a la unidad 10 receptora de la señal. Esto comprende una de un par de frecuencias (tonos), A, de 10 milisegundos de duración. Esto es seguido por un tono de sincronización, que la unidad 10 receptora usa para sincronizar su decodificación de la señal. El tono de sincronización es uno de un par diferente de frecuencias, B. La unidad 10 receptora puede recibir tonos de sincronización en tiempos ligeramente diferentes desde diferentes estaciones 4, 6 transmisoras, debido a los diferentes tiempos de vuelo entre ella y las estaciones 4, 6 transmisoras; se sincroniza con el primer tono de sincronización recibido que tiene una fuerza de señal mínima.
Estos tonos son seguidos por un bit de continuación encendido/apagado, que indica si la señal contiene o no algún contenido de datos opcional, después de que se hayan transmitido los identificadores de zona y área. Este bit de continuación está codificado en una de un par de frecuencias, C. Si el bit de continuación es positivo, la unidad 10 receptora intentará decodificar el contenido de datos de continuación.
Después de 30 milisegundos, se transmite un identificador de zona (ZID) de cinco bits, seguido inmediatamente por un identificador de área (AID) de cinco bits. El primer bit del identificador de zona determina cuál de un par de frecuencias, D, se transmite a los 30 milisegundos en la señal, por una duración de 10 milisegundos. La otra frecuencia del par D se transmite más tarde a 80 milisegundos en la señal, de nuevo durante 10 milisegundos. Cada bit de ambos identificadores se transmite de este modo efectivamente dos veces, en una primera posición en la señal y luego de nuevo 50 milisegundos después, usando diferentes frecuencias desde el par respectivo, como se muestra en el diagrama.
Los datos de continuación opcionales (CON), que pueden codificar un comando para la unidad receptora móvil, por ejemplo, inician 230 milisegundos en la señal y se codifican de la misma forma que los identificadores, siendo cada bit codificado en frecuencia en dos posiciones de tiempo diferentes en la señal, una vez como un bit positivo y una vez como un bit complementario, negativo (o de manera equivalente, como el mismo bit pero codificado con frecuencias opuestas en las dos posiciones de tiempo).
La figura 4 ilustra figurativamente muestras de ultrasonido tomadas por la unidad 10 receptora móvil.
El eje horizontal representa tiempo, que se muestra aquí como números de muestra. Se toman secuencialmente dos muestras de tres milisegundos cada diez milisegundos, con un descanso de cuatro milisegundos entre cada par. Es decir la muestra 7 precede a la muestra 9 en diez milisegundos, con la línea discontinua entre el extremo de la ventana de muestra 8 y el inicio de la ventana de muestra 9 que representa una brecha de cuatro milisegundos en la cual no se toma ninguna muestra.
El eje vertical representa el período de ultrasonido muestreado, que se muestra aquí como el número de ciclos de reloj de 2 MHz en un período. En otras palabras la frecuencia de ultrasonido a la cual se toma la muestra es 2 MHz dividido por la etiqueta de eje.
Cada cuadro representa una muestra de ultrasonido en o alrededor de la frecuencia dada por el eje vertical. La amplitud de señal sobre la ventana de muestra de 3 milisegundos se muestra dentro del cuadro. Esto se puede medir de cualquier manera apropiada (por ejemplo pico a pico, RMS, etc.). En cada ventana de muestra, la unidad 10 receptora puede sintonizarse para escuchar solo señales alrededor de la frecuencia relevante. La amplitud de señal se puede determinar usando circuitería analógica o digitalmente (por ejemplo mediante transformada de Fourier).
En otras realizaciones, se pueden muestrear dos frecuencias simultáneamente dentro de la ventana de diez milisegundos. Pueden muestrearse simultáneamente durante tres milisegundos o más.
Las primeras diez muestras (números 7 a 16) en la figura 4 se relacionan con los tonos "positivos" del ID de zona. Las siguientes diez muestras (números 17 a 26) se relacionan con los tonos "negativos", o codificados complementarios, del ID de zona.
El segundo bit transmitido del ID de zona (ZID2) muestra una amplitud de 99 en la muestra 10 (a una frecuencia de 2/47 MHz) y 222 en la muestra 19 (a una frecuencia de 2/52 MHz). Esto contrasta con una amplitud de 4 en la muestra 9 (2/52 MHz) y de 9 en la muestra 20 (2/47 MHz). Se puede inferir razonablemente a partir de estos valores que la más cercana de las estaciones 4, 6 transmisoras a la unidad 10 receptora transmitió su bit de ZID2 en 2/45 MHz a 40 milisegundos en la señal y en 2/52 MHz a 90 milisegundos en la señal. Esto permite que el valor de bit de ZID2 se decodifique, usando el mapeo predeterminado entre el valor de bit y la elección de frecuencias desde el par, E. Se verá que algunas de las muestras tienen más interferencia, potencialmente desde la más distante de las estaciones 4, 6 transmisoras, o debido a interferencia destructiva o ruido desde otras fuentes. Debido a que ambas estaciones 4, 6 transmisoras están sincronizadas y usan el mismo mecanismo de codificación, transmitirán diferentes frecuencias desde el mismo par en posiciones donde sus identificadores binarios difieren en valor.
A continuación se explica con más detalle cómo pueden decodificarse automáticamente los identificadores.
La amplitud medida para el índice k(0,1) en cada bit índice n (mod 5) por la unidad 10 receptora es:
Se puede calcular una relación de diferencia:
En situaciones donde no hay interferencia, se puede esperar que
Sin embargo esto no siempre será el caso en el mundo real.
Cuando 
, la unidad 10 receptora móvil puede determinar que puede decodificar de manera fiable una zona de identificador de zona (es decir que es una región predefinida que contiene una estación transmisora). Cuando es menos de 0.5, la posición de la unidad 10 receptora móvil no puede determinarse de manera fiable.
La diferencia entre las dos relaciones de frecuencia se puede usar para obtener una medida de fiabilidad calculando una señal de error (como una media aritmética):
Se puede calcular una amplitud para cada valor de bit:
y
Se puede calcular un valor de fuerza de señal recibida (RSS) para cada bit, sumando la energía en valores de bits "ganadores":
La relación para los pares de frecuencia se puede combinar en una única señal de relación.
En algunas realizaciones, esto se puede hacer promediando las dos relaciones (media aritmética):
En otras realizaciones, las dos relaciones se promedian usando la suma de valores
como un peso (media ponderada). Esto se puede escribir como:
El valor de un bit en la señal recibida se decodifica con base en si esta señal de relación única es positiva o negativa (cuando la señal recibida se considera suficientemente fiable para una decodificación precisa).
Los mensajes incorrectos pueden producirse cuando hay ruido aleatorio que activa la unidad 10 receptora para iniciar una decodificación en el tiempo incorrecto, o cuando hay una pobre relación de señal a ruido.
Los siguientes algoritmos se usan para detener la decodificación del ID de zona y/o ID de área en tales situaciones.
Un algoritmo de "suma de diferencia de relación" filtra los mensajes calculando la suma de los valores de error de relación e imponiendo un valor máximo en este (por ejemplo uno que dé como resultado un error promedio de 0.2 por relación de frecuencia). Por ejemplo, la unidad 10 receptora puede configurarse para detener la decodificación si:
El principio que se usa aquí es que los mensajes deben dar como resultado dos conjuntos de relaciones que tienen
polaridad opuesta:
Una gran discrepancia entre las relaciones indica que el mensaje recibido podría no tener el formato correcto (por ejemplo la unidad 10 receptora podría estar tratando de decodificar el ruido desde una fuente diferente), especialmente si tal discrepancia se produce repetidamente.
Se puede proporcionar otra verificación mediante un algoritmo de "factor mínimo a promedio". La RSSn debe ser bastante consistente para cada n de tal manera que descarte el ruido de ultrasonido aleatorio (es decir con fuerza de señal alta). El algoritmo pasa una señal con una fuerza de señal de bit razonablemente consistente a lo largo del identificador binario. La unidad 10 receptora impone por lo tanto un límite máximo en el factor entre el valor mínimo observado y el valor medio:
donde a tiene un valor adecuado tal como alrededor de 0.1 a 0.2. Si no se cumple esta condición, se detiene la decodificación.
Se puede proporcionar una verificación adicional mediante un algoritmo de "límite de RSS". Se impone un límite mínimo para el valor de RSS total; es decir
para un valor adecuado de RSSmín. Si no se cumple esta condición, se detiene la decodificación.
Se puede proporcionar una verificación todavía adicional mediante un algoritmo de "bit más débil", que requiere que mín(RSSn) esté por encima de un valor umbral, de tal manera que asegure que está por encima del suelo de ruido en la unidad 10 receptora. Cuando está en el suelo de ruido, las relaciones pueden volverse aleatorias y ocasionalmente las relaciones aleatorias pueden registrarse de otro modo como una decodificación exitosa. Por lo tanto este algoritmo requiere que
donde la energía en un "valor de bit perdedor" es
para cada bit n, y para un valor adecuado de A, tal como 0.5.
En algunas realizaciones, tanto la señal de relación, Rarit o Rponderada, y su error, dRn, se ejecutan a través de un filtro de paso bajo tal como un filtro de promedio de ejecución bit a bit (por ejemplo filtro alfa-beta). La selección de alfa representa una compensación entre latencia y precisión. Cuando la unidad 10 receptora móvil está bajo condiciones de casi línea de visión, los niveles de RSS son altos y se requiere poco promedio para seleccionar la zona correcta (por ejemplo alfa es igual a 0.75 a 1). En el extremo opuesto del espectro de RSS, un sonido muy difuso puede dar como resultado detecciones de cambios de zona aleatorios. En este caso, se aplican valores bajos de alfa (por ejemplo 0.125 a 1.25) para asegurar que la selección de zona sea correcta. Bajo estas condiciones la ambigüedad de uno o más de los valores de bits puede dar como resultado una decodificación incorrecta del identificador de zona.
Para la señal de error, se ha encontrado que un valor de alrededor de 0.125 da una estimación de error bastante constante en una posición de unidad receptora estática. La señal de error se toma como la suma absoluta de la diferencia de relación (pos-neg).
Se ha encontrado que el método de promedio de ejecución descrito anteriormente es efectivo para decodificar de manera fiable el identificador de la estación 4, 6 transmisora más cercana.
El ID de zona e ID de área se decodifican con base en la polaridad de relación. Después del filtrado de la señal de relación, Rarit o Rponderada, y su error, dRn, se determina un nuevo ID de zona cada vez que se encuentra que todas las cinco señales de relación en el ID de zona exceden sus respectivas señales de error y un umbral mínimo (típicamente alrededor de 0.1), cualquiera que sea mayor; es decir.
Una decodificación válida también puede estar sujeta a algunas o todas las verificaciones descritas anteriormente.
Cuando no todas las relaciones pasan los límites umbral, el ID de zona que es decodificado actualmente se compara (asignando bits en polaridad de relación) con el último ID de zona decodificado con éxito. Si los valores son iguales entonces se confirma que el ID de zona todavía es válido (una regeneración).
El ID de área se decodifica solo después de que se determina un cambio en el ID de zona. No se permite regenerar en un ID de área (es decir todas las relaciones de bits necesitan ser mayores que los límites de error).
El marco de contenido de datos de continuación se envía opcionalmente y se marca mediante un bit de continuación. Si se recibe el bit de continuación, el marco de continuación es decodificado por la unidad 10 receptora.
Las estaciones 4, 6 transmisoras pueden repetir la transmisión de sus identificadores a intervalos regulares, tales como cada segundo.
Opcionalmente si transcurre un período de tiempo de espera predeterminado (por ejemplo de 3.5 segundos) sin ninguna regeneración o actualización en el ID de zona, la unidad 10 receptora móvil puede considerarse fuera de la cobertura del sistema de posicionamiento, hasta que se detecte válidamente a continuación.
Los cálculos anteriores se pueden llevar a cabo en la unidad 10 receptora móvil, o en el servidor 14 remoto, o se pueden dividir entre los dos en cualquier proporción adecuada. La unidad 10 receptora puede transmitir una zona decodificada y/o un identificador de área al servidor 14 remoto, por ejemplo mediante radio.
El servidor 14 remoto puede usar las posiciones conocidas de las estaciones 4, 6 transmisoras para estimar la posición de la unidad 10 receptora móvil asumiendo que el identificador decodificado corresponde al identificador de la estación 4, 6 transmisora más cercana a la unidad 10 receptora. Este proceso puede hacer uso del conocimiento del edificio, tal como la localización de las paredes, puertas, etc. del recinto 2.
El posicionamiento de resolución más fina (por ejemplo dentro de un recinto o zona) se puede hacer opcionalmente usando diferentes señales de ultrasonido transmitidas por las estaciones 4, 6 transmisoras, que pueden ser más adecuadas para el procesamiento de multilateración de tiempo de vuelo.
El servidor 14 puede hacer que la posición de la unidad 2 receptora móvil se visualice en una pantalla, o se emita de alguna otra forma, a un usuario humano. La posición de la unidad 2 receptora móvil puede integrarse en el flujo de trabajo de la operación global de una instalación, tal como un hospital, proporcionando servicios conscientes de posición y contexto tanto para usuarios humanos como para tareas automatizadas.
Se apreciará que el sistema típicamente tendrá muchas estaciones transmisoras situadas a lo largo de un área tal como un edificio, y muchas unidades receptoras móviles.
Claims (11)
1. Un sistema para determinar la posición de un dispositivo móvil, comprendiendo el sistema:
un dispositivo (4, 6) transmisor dispuesto para transmitir una señal ultrasónica que codifica un identificador binario;
un dispositivo (10) receptor dispuesto para recibir la señal ultrasónica, en donde uno del dispositivo transmisor y el dispositivo receptor es un dispositivo móvil;
medios (26) de decodificación configurados para decodificar el identificador binario desde la señal ultrasónica recibida; y
medios (14) de procesamiento configurados para usar el identificador binario decodificado para determinar información relacionada con la posición del dispositivo móvil,
caracterizado porque:
la codificación es de tal manera que cada posición de bit en el identificador binario está asociada con un par respectivo de frecuencias ultrasónicas y con primera y segunda posiciones de tiempo respectivas en la señal ultrasónica, determinando el valor de la posición de bit en el identificador binario cuál frecuencia ultrasónica del par de frecuencias ultrasónicas se transmite en la primera posición de tiempo respectiva en la señal ultrasónica, y siendo la otra frecuencia ultrasónica del par de frecuencias ultrasónicas transmitida en la segunda posición de tiempo respectiva en la señal ultrasónica; y
el medio de decodificación está configurado para decodificar el identificador binario determinando un valor para cada posición de bit en el identificador binario usando información relacionada con la fuerza de la señal ultrasónica recibida en (a) la primera frecuencia ultrasónica y primera posición de tiempo, en la señal ultrasónica recibida, asociadas con la respectiva posición de bit, (b) la primera frecuencia ultrasónica y segunda posición de tiempo asociadas con la respectiva posición de bit, (c) la segunda frecuencia ultrasónica y primera posición de tiempo asociadas con la respectiva posición de bit, y (d) la segunda frecuencia ultrasónica y segunda posición de tiempo asociadas con la respectiva posición de bit.
2. Un sistema como se reivindica en la reivindicación 1, en donde el dispositivo (4, 6) transmisor es una estación transmisora estática, y en donde el dispositivo móvil es una unidad (10) receptora móvil.
3. Un sistema como se reivindica en la reivindicación 1 o 2, en donde el medio (14) de procesamiento está configurado para usar la recepción del identificador binario por el dispositivo (10) receptor para determinar la proximidad entre el dispositivo (4, 6) transmisor y el dispositivo (10) receptor, y de esa manera estimar la posición del dispositivo móvil con base en el conocimiento de la posición del otro dispositivo.
4. Un sistema como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el medio (26) de decodificación está configurado además para:
calcular una relación de diferencia para la primera frecuencia ultrasónica para una posición de bit particular, calculando la diferencia entre un valor de amplitud para la primera frecuencia ultrasónica y primera posición de tiempo y un valor de amplitud para la primera frecuencia ultrasónica y segunda posición de tiempo, y dividiendo dicha diferencia de primera frecuencia ultrasónica calculada por la suma de dichos valores de amplitud de primera frecuencia ultrasónica;
calcular una relación de diferencia para la segunda frecuencia ultrasónica para dicha posición de bit, calculando la diferencia entre un valor de amplitud para la segunda frecuencia ultrasónica y primera posición de tiempo y un valor de amplitud para la segunda frecuencia ultrasónica y segunda posición de tiempo, y dividiendo dicha diferencia de segunda frecuencia ultrasónica calculada por la suma de dichos valores de amplitud de segunda frecuencia ultrasónica; y
determinar un valor binario para dicha posición de bit en el identificador binario decodificado de acuerdo con si dicha relación de diferencia de primera frecuencia ultrasónica es mayor o no que dicha relación de diferencia de segunda frecuencia ultrasónica.
5. Un sistema como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el medio (26) de decodificación está configurado para determinar una medida de fiabilidad para cada bit del identificador binario en la señal ultrasónica recibida, y en donde el medio (14) de procesamiento está configurado para usar las medidas de fiabilidad para todos los bits en el identificador binario cuando se usa el identificador binario decodificado para determinar información relacionada con la posición del dispositivo móvil.
6. Un sistema como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, que comprende una pluralidad de estaciones transmisoras estáticas, en donde las estaciones transmisoras estáticas están dispuestas para transmitir señales
ultrasónicas de manera sustancialmente simultánea, y en donde las señales ultrasónicas codifican identificadores binarios respectivos de acuerdo con la codificación antes mencionada.
7. Un sistema como se reivindica en la reivindicación 6, en donde las estaciones transmisoras estáticas están configuradas para transmitir identificadores de zona e identificadores de área dentro de la misma señal ultrasónica, y en donde los medios (26) de decodificación están configurados para decodificar primero un identificador de zona desde una señal ultrasónica recibida y para determinar si el identificador de zona ha cambiado desde un identificador de zona decodificado precedente, y para decodificar el identificador de área desde la señal ultrasónica recibida solo si ha cambiado el identificador de zona.
8. Un sistema como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde dichos medios de procesamiento están localizados en uno o más servidores (14) remotos.
9. Un dispositivo (10) receptor dispuesto para:
recibir una señal ultrasónica que codifica un identificador binario; y
decodificar el identificador binario desde la señal ultrasónica recibida,
caracterizado porque:
la codificación es de tal manera que cada posición de bit en el identificador binario está asociada con un par respectivo de frecuencias ultrasónicas y con primera y segunda posiciones de tiempo respectivas en la señal ultrasónica, determinando el valor de la posición de bit en el identificador binario cuál frecuencia ultrasónica del par de frecuencias ultrasónicas se transmite en la primera posición de tiempo respectiva en la señal ultrasónica, y siendo la otra frecuencia ultrasónica del par de frecuencias ultrasónicas transmitida en la segunda posición de tiempo respectiva en la señal ultrasónica; y
el dispositivo receptor está dispuesto para decodificar el identificador binario desde la señal ultrasónica recibida determinando un valor para cada posición de bit en el identificador binario usando información relacionada con la fuerza de la señal ultrasónica recibida en (a) la primera frecuencia ultrasónica y primera posición de tiempo, en la señal ultrasónica recibida, que están asociadas con la respectiva posición de bit, (b) la primera frecuencia ultrasónica y segunda posición de tiempo asociadas con la respectiva posición de bit, (c) la segunda frecuencia ultrasónica y primera posición de tiempo asociadas con la respectiva posición de bit, y (d) la segunda frecuencia ultrasónica y segunda posición de tiempo asociadas con la respectiva posición de bit.
10. Un dispositivo (10) receptor como se reivindica en la reivindicación 9, configurado:
para determinar si el identificador binario decodificado difiere de un identificador binario previamente decodificado;
determinar si se satisface un criterio de fiabilidad para la decodificación; y
cuando se hacen ambas determinaciones, transmitir el identificador binario decodificado a un receptor externo.
11. Un dispositivo (10) receptor como se reivindica en la reivindicación 9 o 10, configurado para (i) detectar la presencia de un bit de continuación en la señal ultrasónica recibida, y (ii) en respuesta a dicha detección, decodificar contenido de datos desde la señal ultrasónica recibida.
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