专利名称：物体位置测定系统、设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测定房间中物体的位置的位置测定系统，其包括-超声发射器，将其设置成发射超声脉冲；-超声接收器，将其设置成基于脉冲检测超声信号；以及-处理器，其用于处理超声信号以获得位置。
本发明还涉及一种用于测定房间中物体的位置的设备，其包括-超声接收器，将其设置成基于发射的超声脉冲检测超声信号；以及-处理器，其用于处理超声信号以获得位置。
本发明还涉及一种测定房间中物体的位置的方法，其包括-发射超声脉冲；-基于该脉冲检测超声信号；以及-处理超声信号以获得位置。
本发明还涉及一种使得处理器执行这种方法的计算机程序产品。
在现有技术中，如三角测量系统典型地实现这种位置测定系统，比如US-5,107,746的变形。已知的系统变形包括用于测定平面中物体的位置，至少三个超声发射器和超声接收器连接至物体。所述系统计算通过发射器的每一个发射的超声脉冲行进至接收器所花费的时间。如果三个发射器不是共线的，通过几何定律可以获得物体的位置。为了增加精确度，更多的发射器可以存在于三角测量系统中。位置可被理解为三维位置(x、y、z)，例如在相对于房间的拐角的坐标系统中，尽管在一些系统中仅可以测量其中一些坐标。
已知系统变形的缺点是没有充分利用超声位置测定的可能性。
本发明的第一目的是提供开头段落中提到的那种系统，将所述系统构造成更加充分的利用超声物体位置测定的可能性。
实现第一目的，其中发射器或接收器连接至物体，并且处理器包括估计装置，将所述估计装置设置成基于第一时间间隔中的超声信号测定物体的位置，第一时间间隔包括朝向反射物体上的反射物体行进的脉冲的至少第一反射的超声能量。除了从发射器至接收器的超声脉冲的直接视线(LOS)传送，在房间中，脉冲也反射离开物体，例如壁。本发明基于这些反射的特征可以用于测定物体的位置的见解。例如，如果物体在橱柜附近，检测的超声信号可以包括对应于直接传送的强第一峰值、对应于离开壁朝向物体反射的弱第一反射峰值、以及对应于离开橱柜朝向物体反射的相对较强的第二反射峰值。如果在房间的中间放置同一物体，首先可能不存在第二反射峰值，或至少不如此明确，并且其次它将获得对应于直接的传送峰值的不同时间。因此峰值的特征是物体的位置的特性。房间中的声场就像是在物体的位置处采样的。预定第一时间间隔，以包括对应于反射离开物体的至少一个峰值。该峰值的时间位置也已经是充分的，在例如通过房间的天花板的反射确定沿着狭长的桌子的一维位置的情况中。一般地，从任何峰值的位置、高度等可以获得更多的信息，因此间隔将典型地为可以包括全部有意义的反射那么大，而排除混响尾部，其仅仅产生混淆。例如从不同尺寸和内容的房间中的测试确定的用于所述间隔的最佳值可以预存入处理器中。利用反射取代或附加到直接传送峰值的事实具有多个优点。首先，不再需要至少三个，或用于三维位置测定的四个发射器，在房间中方便放置的单独的发射器是充分的，这是因为不同的物体位置具有不同的对应超声信号特征。由于所述系统可以是简单的，更多的应用变得可行，为此典型的系统将太昂贵。其次，三角测量需要时钟同步，而依据本发明的系统的一些变形能够没有时钟地工作。第三，系统更稳健，因为当测定其位置的物体是移动或被移动的情况下，该系统能够更容易地解决复杂和可能变化的房间中物体的结构。可能没有某些物体位置的直接的视线，这是因为当固定于房间中时，从发射器朝向物体看，所述物体可以在另一物体之后。这对于某些应用是有关的。例如在查找错误放置的物体的应用中，例如通常在书架上放置错误放置的物体，在这种情况中它的大部分侧面被架子的侧面阻挡。然而，甚至通过小的裂隙，也会有超声波通过。甚至可以将物体放置在橱柜之内，也就是门关闭着，只要有一些超声波透过橱柜，那么系统仍可以工作。相关的优点是可将发射器或接收器从直接的视线隐藏，例如在面板之后或在天花板中。
发射器可以在房间中的固定位置中，并且接收器连接至物体。反之亦然，如果发射器连接至物体，并且接收器固定于房间中，所述系统以完全相同的方式工作。该最后的选择对于相对便宜的物体是非常理想的。由于便宜的物体典型地可以不包括执行位置测定的必须处理能力，它会不得不传送检测的超声信号至房间中的处理器，例如通过蓝牙或者其它RF、IR等连接。然而如果发射器连接至物体，它可被包括在非常简单的结构中，例如结合在类似于从偷窃保护或附着的ASIC已知的标签中的电路，其例如每10秒钟发射超声脉冲。然后接收器可以与处理器一起包括在模块中，由使用者将其放置于房间中某处。当然，发射器和接收器都可以分别连接至固定于房间中的物体，并如超声变换器的领域中的技术人员已知的，变换器可以起发射器和接收器两者的作用。
也存在通过超声反射离开物体进入典型地邻近发射器的接收器测定位置物体的现有技术物体位置测定系统。在一些应用中这些系统不能很好地工作，为此，试图给出依据本发明的系统，例如小的物体每一个都安装有包括发射器的标签，并因此展现它们的位置，但没有充分的超声反射离开它们。并且在具有各向同性发射的发射器或宽角度发射器的很多系统中，将不知道返回的信号是从理想的物体反射的还是从另一物体反射的。可将脉冲理解为任何的各种发射信号，包括例如短持续时间的信号。如果脉冲信号具有锐利的倾斜自相关，例如Barker序列或噪声信号，则这是有利的。利用Dirac脉冲或等价的非常短持续时间发射的超声信号来描述依据本发明的系统的工作。
位置测定系统的实施例包括存储装置，将所述存储装置设置成存储对应于物体的第一位置的第一超声信号模板和对应于物体的第二位置的第二超声信号模板，以及估计装置，将所述估计装置设置成通过估计具有作为自变量的第一时间间隔中的超声信号和第一模板间隔中的第一模板的预定匹配函数来计算第一匹配，以及通过估计具有作为自变量的第一时间间隔中的超声信号和第二模板间隔中的第二模板的预定匹配函数来计算第二匹配。对于其中可以放置物体的每一位置，例如在咖啡桌上，在躺椅中，在橱柜中等，在存储装置中可以存在至少一个模板。估计装置存在于例如处理器中，以将通过接收器检测的超声信号与不同模板的每一个进行比较。因此估计预定的匹配函数，例如相关性。也可将匹配函数理解为有时被称为误差函数的函数，像例如均方误差标准，或一般能够表示检测的超声信号和模板之间的相似性的任何函数。最佳的匹配模板对应于物体的最可能的位置。对于增大的稳健性，可以估计多个匹配函数，并且可以以算术中已知的任何方式将它们的结果组合。
所述实施例的进一步的变形包括收集装置，将所述收集装置设置成基于通过接收器的超声信号测量收集第一超声信号模板和第二超声信号模板，物体被放置在分别对应于第一和第二位置的房间中的位置处。例如，接收器可以连接至物体，在这种情况中它基于来自典型地固定于房间中的一个或多个发射器的脉冲检测局部超声场，或者也可以是发射器连接至物体，在这种情况中，典型地在房间中固定位置处的一个或多个接收器对来自房间中物体的具体位置的脉冲发射检测超声场特性。使用者然后可以在多个感兴趣的位置中放置物体，例如在躺椅上，并通过激励它来训练系统。所述物体可以例如包括扩音器，其拾取说“躺椅”的使用者的语音的声音，并可通过包括在物体中的第二处理器将所述语音存储在物体中的存储器中。在查找丢失物体的应用中，然后可以利用连接至物体的扬声器再现为特定测定物体位置而保存的语音。在该物体实施例中不需要语音识别，仅仅需要链接说出的语音语句和超声信号特性的存储器中的表格。可替代地，使用者可以例如以预定方式(例如通过使用者接口软件，作为输入接收房间坐标、或物体名称等，通过计算机或其它像移动电话、远程控制等的消费者设备)来输入位置信息。
所述实施例的另一变形包括模拟装置，将所述模拟装置设置成产生物体的第一和第二位置，并基于脉冲、房间的预定特性以及第一和第二各自假定位置计算第一超声信号模板和第二超声信号模板。通过模拟装置而不是被测量也可以计算超声信号特征。这节省了使用者在不同位置中放置物体并训练系统的工作。此外，可以测定从未训练的位置。为此，所述模拟装置模拟脉冲如何移动通过房间并反射离开全部物体。需要房间的预定特性。对于简单的结构，这些特性不需要包括很多的信息。在有利的系统结构中，例如邻近地面放置发射器或接收器，并通过离开天花板的反射测定物体位置。这大大地避免了在可能存在于房间中的多个物体上的复杂反射。可替代地，通过模拟装置可以执行全部反射的完整模拟。因此可以提供房间特性化装置，以恢复房间特性，例如扫描阵列可以通过房间中的全部角落。可以使用不同的模拟模块，例如射线跟踪或图像方法。全部模拟模板接着被存储在存储装置中，例如芯片存储器或可移动的盘，并在系统的使用过程中，将检测的超声信号与如上面所述的全部存储的模板进行比较。
另一个实施例包括最优化装置，将所述最优化装置设置成预测物体的预测位置，并基于脉冲、房间的预定特性以及预测位置估计第三超声信号模板。取代预存储模板，通过在运行中(on the fly)的模拟也可以计算这些模板。如果用于模拟几个模板的时间(例如利用简单的模拟系统)短于用于比较存储装置中全部模板的时间，这将导致更快速的系统。这也已经是物体位置的好的初始推测。然后利用任何已知形式最优化理论的方法，例如最陡峭的下降，可以在多个预测步骤中得到精确的位置。可以在具有在它的轴上的从特征析取的参数值的N维空间中模型化复制品(manifold)，例如不同峰值的位置和振幅。也可以直接计算正确的位置，例如基于反射的峰值的位置。
将实施例的有利变形设置成具有包括用于物体的假定位置的多于一个的超声信号模板的存储装置，并将处理器设置成测定除物体的位置之外的进一步的参数。例如，如果物体位于桌子上，当门是打开和关闭时它的检测超声信号的特征可以是不同的。扩展到门是打开的进一步的参数可以或可以不实际用于系统的应用，但至少位置的测定较少误差倾向，因为检测的超声信号不产生与不正确的位置的模板更好的匹配。这也可以是依据本发明的系统自身的变形，例如在具有最优化装置并不具有存储装置的实施例中，对于每一个预测位置，可以利用不同的参数例如房间结构执行多个模拟。
在直接在上面的变形的进一步的变形中，将处理器设置成作为进一步的参数测定物体的定向。如果物体具有单独的接收器，可以基于物体的定向检测具有不同特征的超声信号。例如，如果接收器朝向橱柜的反射，也就是它的角度灵敏度函数在橱柜反射的方向上是最大的，则将检测到强的峰值，但是如果接收器朝向另一方向，这将不是明确的。通过将对应于确定物体定向的模板识别为最佳匹配模板，物体已知它指向什么方向。如果物体是远程控制装置，例如它可以基于它是否指向例如电视或立体声设备而发送另一命令。可将定向理解为空间中的三个角度，例如表示为节距-滚动-偏航(p，r，a)。对于像位于桌子上的远程控制装置的物体，仅需要对偏航的测定。
在多接收器变形中，接收器或发射器连接至物体，并且第二接收器和第二物体发射器分别连接至物体，并将处理器设置成基于通过接收器可检测的超声信号和通过第二接收器可检测的第二超声信号测定物体的位置，其分别基于根据通过发射器发射的脉冲可检测的超声信号和基于通过第二物体发射器发射的第二脉冲可检测的第二超声信号。例如，如果物体是矩形六面体，接收器可以连接至不与地面接触的五个表面的每一个，通过组合从不同方向接收的超声信号的匹配，可以实现相对稳健的位置测定。
类似地，另一多接收器变形可以容易地测定物体的定向。如果是非各向同性的，单独的接收器也可以测定定向，但是通过分析从不同的定向冲击于物体之上的信号，这可以更稳健或更精确地完成。
在射束扫描变形中，包括多个发射器或接收器，将其设置成至少一个阵列，以产生不同形状和定向的多个脉冲，分别接收从不同的定向和以不同的立体角冲击于接收器之上的脉冲。射束形成领域中已知的技术可以用于例如制作物体上的发射器阵列，其能够在预定方向上发射狭窄宽度的射束。通过改变信号的相位至不同发射器可以扫描通过不同的方向。类似地，物体上接收器的阵列可以对从特定方向接近的超声信号更灵敏。射束形成是公知的，但依据本发明的系统中的应用是基于通过利用从物体的不同角度到达的反射可以获得更多信息的见解。此外，那些方向反射可以是更具特性的，并且可以仅选择最具特性的反射用于匹配，而不管具有较少特性的反射，这是依据预定特性化功率识别标准的，其包括例如显著峰值的数量、间峰振幅变化等。
在物体识别变形中，发射器连接至物体，并将其设置成发射包括在用于物体的至少一个预定频带特性中的频率的脉冲。通过发射狭窄频带中的频率，例如几Hz直至几kHz、大约40kHz，第一物体可以例如识别其自身，而第二物体发射大约45kHz的频率。以这种方式，不但容易识别物体的位置，而且利用较小的修改也可以识别物体的身份。也可以利用多频带代码，以及其它编码方案，其利用时间、频率、相位等信息。
在跟踪变形中，包括跟踪装置，将所述跟踪装置设置成沿着轨迹跟踪物体的位置。
能够跟踪移动物体的系统可以具有为了引导物体的物体导引装置，例如能够自动清洁房间的真空清洁器或机器人。全部其它物体的位置可以是已知的事实(例如橱柜的四个拐角上的接收器)对于导引物体周围的真空清洁器是有利的，并与确保清洁地板的每一个平方厘米的随机清洁策略相反。此外，由于移动物体具有不同位置的超声特征，可以实现更高的定位精确度和/或稳健性。例如，可将处理器设置成组合位置附近的多个模板，或可将跟踪装置设置成考虑轨迹上信息的任何组合而获得当前的物体位置，例如轨迹的可能性或沿着轨迹检测的特征。例如通过检测对应于桌子附近的位置的特征，并在随后时刻检测对应于橱柜附近的位置的特征，处理器能够识别物体移动向房间的哪部分，以及它不能留在哪部分。
一种用于测定房间中物体的位置的设备包括-超声接收器，将其设置成基于发射的超声脉冲检测超声信号；以及-处理器，其用于处理超声信号以获得位置，其特征在于处理器包括估计装置，所述估计装置被设置成基于第一时间间隔中的超声信号测定物体的位置，包括在反射物体上的脉冲的至少第一反射的超声能量的第一时间间隔也被公开了。
本发明的第二目的是提供一种在开始段落中提及的那种方法，其构造成更好地采用超声物体位置测定的可能性。
实现第二目的，其中-从物体附近的位置发射脉冲或在物体附近检测超声信号；以及-处理包括在第一时间间隔中的超声信号的估计，所述第一时间间隔包括在反射物体上的至少第一反射的超声能量。所述方法，也就是它的步骤或动作可以形成不同应用的一部分，比如例如沿着生产线跟踪物体或导引机器人通过建筑物。
也公开一种允许处理器执行所述方法的计算机程序产品。
依据本发明的位置测定系统和设备的这些和其它方面将参考下文中所述的实施方式和实施例以及参照附图变得显而易见且被阐述清楚，其仅仅作为非限制性的说明。
在附图中
图1a和1b示意性示出了现有技术的三角测量的例子；图2示意性示出了具有位置测定系统的房间；
图3a示意性示出了如被接收器检测的超声信号；图3b示意性示出了两个超声信号模板；图4示意性示出了用于测定一维物体位置的系统的简单结构；图5示出了具有两个固定接收器的系统的另一种结构；以及图6示出了能够射束形成的多接收器系统。
在这些附图中，基于理想的实施例，虚线勾勒的部件是可选的。
在图1a中，第一三角测量发射器112和第二三角测量发射器114分别发射短持续时间的第一和第二脉冲超声信号，所述信号作为圆形波阵面各向同性地穿过房间100。在对应于距离d1的时间t1处，通过连接至物体130的超声接收器检测第一脉冲，并在对应于距离d2的t2处检测第二脉冲。由于这些距离，可以以发射器的已知位置为圆点画圆，并且通过几何计算可以计算物体的位置，因为圆形的其它交叉在房间100之外。然而一般地，为了不如图1b所示地混淆物体130的真实位置和重影位置132，需要三个发射器。在实践中甚至更多，例如4个发射器用于增加精确度，因为每一个圆形交叉点实际上是一个误差间隔。对于不是两维而是三维的位置测定，一般也必须有至少四个发射器。这是因为三个发射器常常位于一个平面中，并且物体的真实位置130不能从它相对于平面镜像的重影而分辨出。然而，通过智能地定位传感器，并利用房间的约束，比如地板或天花板，对于三维定位来说，三个发射器可以是足够的。在依据现有技术达成三角测量的短的概要之后，文本的剩余部分阐明依据本发明的位置测定系统的方面。
在图2中，在房间200中示意性地示出了位置测定系统。需要强调的是应该在广泛的意义上理解术语“房间”。例如花园中的单个墙可以足以为系统引入必需的反射，以类似于以图4说明的位置测定的方式工作。花园然后可被理解为房间，并且物体可以是例如被导引的割草机。在超市中，例如依据本发明的系统可以用于察看是否特定类型的全部产品都在搁架中，或仍在盒子中。基于先前收藏物体的位置信息，机器人可以自动填充搁架。在工厂中，所述系统可以用于沿着生产线等跟踪物体。实际上，房间可以是足够大以结合所述系统的任何(部分)封闭的封闭空间。
通过包括被设置以发射超声脉冲201的超声发射器220，将位置测定系统220、226、222设置成测定房间200中物体224的位置。如果发射器是各向同性的，相同的脉冲形状行进至房间中的全部方向。发射器也可以是非各向同性的，在这种情况中，在一些方向上发射更强的脉冲，并且可将其设置成在其它方向上没有脉冲发射。通过利用由发射器的阵列发射的脉冲的干涉，可以产生强方向的脉冲，可以控制其方向，也就是可以扫描不同的方向。在图6中示出了包含扩音器602、604、606和608的阵列的类似的系统，其中利用波束生成器技术，其从例如书“S.HaykinAdaptive filter theory.PrenticeHall 2001.ISBN 0130901261”中公知，其用于使阵列对立体角620中到达的信号更灵敏。
用于发射器220的有利位置可以是用于离开天花板反射的地板或用于离开地板和墙反射的天花板，在这种情况中典型地存在离开其它物体的不高的振幅的反射。这对供给特性特征可能是不太有利的，但对基于对应于反射的峰值的到达时间获得位置测定是有利的，因为将更容易识别这些反射。对于天花板上的发射器/接收器，LOS传送的可能性也是较高的。为了提高精确度，可以提供固定的第二发射器250和其它发射器。这种固定的发射器250不应与连接至物体224的第二物体发射器630相混淆。在前面的情况中，物体224上的接收器228处于相同的位置和定向并进行采样，就像是对应于利用来自不同方向的超声激励房间200的两个不同的声场一样。基于任一声场检测的超声信号对于位置测定都是足够的，然而一旦一些物体224位置的特征是如此的类似，以致于出现混淆，并因此出现错误的位置测定时，第二声场可以解决该问题。然而连接至物体224的接收器228在同一位置并从相同的方向采样两个声场。连接多个发射器至物体224，使得能够测定物体的不同部分的位置，和/或在不同的方向上发送脉冲通过房间200，例如以确保存在至少一个LOS传送。
脉冲反射离开物体232，比如例如壁或天花板，作为第一反射230，并朝向为检测超声信号300而设置的超声接收器226行进。在图3a中，其引入在t2时刻的第二峰值314。可以有进一步反射，例如反射离开橱柜208，然后至接收器226或首先离开壁，然后离开橱柜208然后至接收器226。通过图3a中的在t3时刻到达接收器226的第三峰值316对其用符号表示。第一反射可以是各向同性发射的脉冲201的反射，在这种情况中，它实际包括来自不同方向的初级射线。可替代地，如果在特定的方向上发射脉冲，或接收器从特定的方向扫描，将仅有对应于特定方向被检测的射线，并且对于非镜面反射表面，可以通过分别借助于发射器和接收器阵列技术或在链接的扫描中的这两种技术发射到另一方向或从另一方向接收，从而在另一时刻检测进一步的反射231。
还提供处理器222，其包括为了基于超声信号的第一时间间隔320测定物体224的位置而设置的估计装置223，第一时间间隔318包括反射物体上至少一个第一反射230的超声能量。存在可以测定物体位置的不同的算法。
第一个算法是直接计算。用图4对其说明，其中各种物体，例如鸭子420、钢笔424和花瓶422的位置在长、狭窄的桌子402上，从而使得在一维空间中粗略地定位物体，通过天花板反射将所述物体进行测定，更具体地必须决定物体是否在桌子402的中心部分430中。假设发射器404，或反之亦然，如果发射器与物体连接，其可以是接收器，其隐藏于物体406之后，使得不存在直接的视线(LOS)传送410。第一天花板反射412在时间延迟Δt之后到达鸭子420，所述时间延迟Δt等于Δt=1c((H-yE)2+((H-yE)(xR-xE)(2H-yE-yR))2+(H-yr)2+(xR-xE-(H-yE)(xR-xE)(2H-yE-yR))2)]]>其中，c是声速，xE和yE是发射器的已知位置坐标，并且xR和yR是要被测定的物体224的位置，在这种情况中是鸭子420。
可将所述公式简化为Δt=1c(xR-xE)2+(yR-2H+yE)2]]>在该算法中房间的仅知的参数是房间200的高度H以及桌子的高度yR。此外还知道发射器的位置(xE、yE)。在系统的这个变形中需要用于发射器和接收器的同步时钟。然而，在存在直接的视线传送410的情况中，它可以用于解决发射脉冲201的未知时间的问题。通过利用天花板反射，该系统可以被认为是如图1a中的两个发射器的系统，其中一个非物理的发射器位于天花板反射点404处。
另一个有利的算法利用多个反射，至少是那些仍然具有足够特性的，即，不是在混响尾部中的多个小反射。在该算法中采用的原理是至少在感兴趣的每一个位置处，例如在橱柜208的搁板上、在咖啡桌204上或在躺椅202上，在时间间隔过程中通过接收器226检测的超声信号300将具有峰值的特性特征。因此检测的特征可以与多个模板匹配，其具有超声信号的典型特征，就像在多个位置处检测到的一样。可以关于下面的变形进行不同算法的组合。
第一种变形是模板是预先记录的还是计算的，也就是通过模拟装置227模拟的，例如在处理器222上运行的软件或处理器222中的硬件电路。在将它们预先记录的情况中，使用者将其位置将被测定的物体224(例如远程控制装置或移动电话)放置在不同的位置中，例如在咖啡桌204上的五个位置，橱柜208的不同搁板上的一些位置等，并记录超声信号，例如如果也旋转物体或多个接收器和发射器分别连接至物体，则在不同的角度记录超声信号。使用者也标记位置的特性，例如物体224所在的物体的名称。全部这些测量的模板存储于存储装置中。估计装置可以匹配模板，以便以不同方式获得位置测定。在直接方式中，对应于特定物体位置、定向、以及可能进一步的参数，比如门212是打开还是关闭的每一个模板与在位置测定过程中检测的超声信号300相匹配。这可以依据多种预定的匹配函数，比如模板的功率密度谱和超声信号300之间的相干性、均方根误差、交叉相关性、峰值位置的函数等。优选地，将多个这些标准组合成单个的匹配函数。第一超声信号模板320将比第二超声信号模板330更好地匹配检测的超声信号300，这是由于它的峰值(第一模板峰值322等)更类似于检测的超声信号300的那些峰值。在示范性的例子中，如果匹配受时间间隔318的限制，则更是如此，时间间隔318对应于第一模板时间间隔328以及第二模板时间间隔338。
多个模板在特定位置附近，例如咖啡桌204上位置的全部模板可以组合地用于匹配标准。例如，可以基于模板的特性构造多维空间，例如第一、第二、第三等的时间延迟，第一、第二、第三等上的峰值，轴，并且然后为了特征化超声信号300可以应用来自模式识别的技术。例如可以使用N最接近的相邻分类。可替代地，也可以基于接收器和发射器以及房间的脉冲和特性计算模板。例如射线跟踪算法可以用于模拟全部反射，并因此模拟在每一位置处的特征。也可以使用构造用于反射的伪源的图像方法(例如见“J.B.Allen and D.A.BerkleyImage method for efficiently simulating small-room acoustics.Journal of the Acoustical Society of America，vol.65，no 4，April 1979，pp.943-950.”)。通过同样的系统可以获取房间的特性，例如在提供发射器阵列的情况中，可以扫描房间，或者通过其它装置，例如房间是工厂楼层或在其中实施试验的通风柜的内容可以以不同的方式进行测量和输入。
第二变形是是否提供LOS传送。如果不提供，房间中的全部位置都是可能的候选物-或至少在对应于第一测量峰值的半径中的那些位置，由于这可能是LOS传送或是反射，在这种情况中，物体224比球半径更接近于发射器220，然而如果提供LOS传送，仅在具有对应于LOS峰值的时间延迟的半径的球上的位置是可能的候选物。这减小了错误位置测定的可能性。
取代与存储装置225中的预定或预先计算好的模板相匹配，可以在运行中预测位置，并且可以通过最优化装置229计算对应的超声模板，最优化装置229例如是处理器222上运行的软件或处理器222中专用硬件。例如初始位置可以是已知的，特别是如果跟踪移动物体时，并可以预测新的位置。通过比较匹配与在不同的方向上的位置偏差，可以获得更好的测定。如果将匹配函数表示为N维复制品，可以采用不同的最优化策略，比如最陡峭的下降，也可以采用其它技术，比如遗传算法。对于房间200的区域，也可以通过参数函数(例如高斯)对峰值建模。模式的位置和高斯的高度是物体224的位置和定向的函数，并且给出附近的反射以及接收器226的特性，可以对多个位置和定向进行计算。例如，如果第一定向a1具有第一峰值高度为h11和第二峰值高度为h21的特征，并且第二定向a2具有第一峰值高度为h12和第二峰值高度为h22的特征，则可以通过计算实际测量的峰值高度与对应于第一和第二定向的存储或计算的特征的峰值高度的差值来测定物体的中间实际定向。在一个变形中可以粗略地计算特征，在所述变形中，速度比精确度优选，例如在仅仅需要识别一些离得很远的位置的情况中，并且可以利用分级法，在这种情况中例如通过识别特性反射峰值首先确定房间的区域，并且然后基于用于所述区域的模板确定更精确的位置。
现在继续图2的说明。系统所起的作用类似于发射器220连接至物体224并且接收器226固定于房间中，或接收器226连接至物体224。在前面的情况中，发射器可以是简单的电路，包括被设置成产生脉冲的电子部件，连接至超声变换器，例如压电部件，该电路通过电池或太阳能电池供电。所述电路可以是IC的一部分，例如蓝牙IC。所述电路可以例如被结合进入徽章中，以用于跟踪雇员的行为。如果发射器是固定的，可将其结合进入消费者电子设备，比如无线电或电视，其当前已经可以具有超声发射器，例如用于定位听众。也可将接收器固定于t.v.或其它应用中。
可将处理器222包括在家用PC中，例如，其可以通过由在通用处理器上运行的系统的厂商供给的软件实现，而且可替代地，它可以是专用设备。它甚至可以包括在物体224中。
比如移动电话的物体224的复杂变形可以包括用于通过检测各种物体位置处的超声信号300收集模板的收集装置255。收集装置可以包括使用者接“，比如按钮，为了激励接收器可将其按压，或是用于检测口头文本的存在和存储口头文本的扩音器。如果物体224是简单的，可将收集装置255固定于房间中，例如连接至处理器222。简单的物体224可以例如以具体的次数每几秒或每几分钟地发射脉冲，这尤其取决于位置测定需要的时间精确度和电池寿命，并且可以通过话音命令来激励固定的收集装置255。通信模块260也可以连接至物体224，例如蓝牙链接，其允许检测的超声信号的传送或时间同步，与声速相比电磁信号可以瞬时传播。
房子应用中的不同可以得益于所述系统，例如在“找到它”应用中，可将远程控制装置隐藏于躺椅上的垫子之后。一旦测定它的位置，系统可以说“躺椅”或在显示于显示屏幕210上的房间的图像上显示远程控制装置的图标。
物体可以确定其在房间中的定向，并且基于其指向(例如物体的IR远程控制装置、或照相机或扩音器指向)什么设备，它可以不同地动作。例如，如果它是移动电话，它可以将在电视206或显示屏幕210上显示的图像传送至另一移动电话。
如图4中所述，可以测定桌子上物体的位置。这些可以是纪念品。如果在中心部分430上放置花瓶422，可以开始希腊假期的幻灯片放映或家庭视频电影。
如果仅仅在房间中固定单个的各向同性的发射器220，应该注意它的放置。例如，如果将其放置在空房间的拐角处，会出现相对于房间对角线镜像的位置的混淆。类似的原因适用于固定的接收器226。
第二接收器228或发射器可被连接至物体。因此从不同方向检测的超声信号可以用于更可靠地测定物体224的位置和/或定向。每一物体或一般地每一发射器可以发射不同的信号，例如一个或多个狭窄谱带中的频率，从而容易识别每一发射器。可替代地，它们可以在不同的保留时间间隔处发射信号。
可以提供跟踪装置270，将所述跟踪装置设置成沿着轨迹跟踪物体的位置，例如作为在处理器222上运行的软件。例如卡尔曼滤波可以用于沿着轨迹预测位置。跟踪装置可以提供候选的用于匹配的模块，或者甚至基于物体224在房间200中的哪个部分选择不同的匹配函数。
图3示意性示出了检测的超声信号300。它实际上是表示超声信号的振幅包络线的电信号。该包络线到达在超声载波上调制的接收器226。典型地进行滤波以去除感兴趣的频带之外的噪声、解调以及模拟数字转换。也可以是匹配的滤波，考虑发射器220和接收器226的特性。该文本中的峰值是振幅峰值，并且不应与例如相关性中的峰值混淆。
图3b示意性示出了两个例子模板。可以看出，第一超声信号模板320非常类似于在确定物体224位置处测量的超声信号300，因此物体224很可能在该位置处或非常临近该位置，两者之间的差别来源于例如比如房间中的稍微不同的条件的测量误差。第二模板330很可能对应于完全不同的物体224位置。需要指出，t1是LOS传送从发射器行进至接收器所花费的时间量。来自时钟的时间参考在与模板匹配一起工作的依据本发明的系统的实施例中不是总需要的，由于不考虑其中几乎不存在在LOS峰值之前检测的超声能量的间隔，峰值是基本上匹配的。即使在不存在第一LOS峰值时，其它峰值仍然相对很好地匹配。
图5示出了使用两个发射器，在以图4所述的变形的两维变形中。现在也可以确定其中鸭子420存在的深度平面501的位置，也就是存在为找到全部未知位置坐标而需要的如此多的接收器。可以写下基于不同的脉冲的超声信号的不同峰值的到达时间的公式。
计算机程序应该被理解为在使命令进入处理器的一系列装载步骤之后使处理器(通用或专用的)能够执行在本发明中公开的任何特性功能的命令集的任何物理实现。具体地，计算机程序产品可以实现为在比如盘或磁带的载体上的数据、在存储器中提供的数据、在有线或无线网络连接上传播的数据、或纸上的程序代码。除了程序代码之外，也可以将程序所需的特性数据实现为计算机程序产品。
需要指出，上面提到的实施例说明而非限制本发明，并且本领域的技术人员能够设计替换方案，而没有脱离权利要求书的范围。除了如在权利要求中结合的本发明的部件组合之外，通过本领域的技术人员认识的本发明的范围内的部件的其它组合都含盖于本发明中。部件的任何组合可以由单个的专门部件实现。
具体地，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以采用固定于房间中并连接至物体的接收器和发射器的任何组合。倘若房间结构以及接收器和发射器的结构使得至少可以区别感兴趣的位置，那么所述系统甚至可以用于不具有固定的发射器或接收器的两个物体(移动或可移动的)以便识别物体的相对位置。例如，可以跟踪在工厂中运载供给货物的第一传输车辆，或避开另一传输车辆，在这种情况中，要确定的是两个车辆的相关位置。存储装置然后包括可以在任何相对位置中被检测的超声信号的模板，例如第一车辆的车辆沿着移动的线性轨迹上，给定发射器连接至在任何相关位置中的第二车辆。在车辆的先前位置上的信息或其它信息，例如通过信标、光电池或地中的线的粗位置测定系统，可以减小产生错误位置测定的风险。任何结构可以用于位置和/或角度测定。在任何这些系统中，通过任何测量或计算可以获得用于每一所需位置、定向和进一步的相关参数的特性超声信号模板。在任何先前的系统中，通过计算检测的超声信号的特性或通过匹配在具有任何匹配或误差函数的模板的任何预定或在运行中确定的组合可以实现测定。并且对于任何上面所述系统，可以发射任何可行的超声信号，并且可在接收器侧进行附加处理，以获得更好质量的信号。
权利要求中的括号之间的任何参考符号并不试图用于限制权利要求。措词“包括”不排除存在权利要求中没有列出的部件或方面。在部件前的术语“一”或“一个”不排除多个这种部件的存在。
可以通过硬件、或通过在计算机上运行的和在数据载体上先前存储的或在信号传送系统上传送的的软件来实施本发明。
权利要求
1.一种用于测定房间(200)中物体(224)的位置的位置测定系统(220、226、222)，其包括-超声发射器(220)，将其设置成发射超声脉冲(201)；-超声接收器(226)，将其设置成基于脉冲(201)检测超声信号(300)；以及-处理器(222)，其用于处理超声信号(300)以获得位置，其特征在于-发射器(220)和接收器(226)中的一个连接至物体(224)；以及-处理器包括估算装置(223)，将所述估算装置设置成基于第一时间间隔(318)的超声信号(300)测定物体(224)的位置，第一时间间隔(318)包括在反射物体(232)上的脉冲(201)的至少第一反射(230)的超声能量。
2.如权利要求1所述的位置测定系统(220、226、222)，其包括存储装置(225)，将所述存储装置设置成存储对应于物体(224)的第一位置的第一超声信号模板(320)以及存储对应于物体(224)的第二位置的第二超声信号模板(330)，并且将估计装置(223)设置成通过估计具有作为自变量的第一时间间隔(318)中的超声信号(300)和第一模板间隔(328)中的第一模板(320)的预定匹配函数来计算第一匹配，以及通过估计具有作为自变量的第一时间间隔(318)中的超声信号(300)和第二模板间隔(338)中的第二模板(330)的预定匹配函数来计算第二匹配。
3.如权利要求2所述的位置测定系统(220、226、222)，其包括收集装置(255)，将所述收集装置设置成基于通过接收器(226)的超声信号测量收集第一模板(320)和第二模板(330)，物体被放置在分别对应于第一和第二位置的房间(200)中的位置处。
4.如权利要求2所述的位置测定系统(220、226、222)，其包括模拟装置(227)，将所述模拟装置设置成产生物体(224)的候选第一和第二位置，并基于脉冲(201)、房间(200)的预定特性以及第一和第二位置分别计算第一模板(320)和第二模样板(330)。
5.如权利要求1所述的位置测定系统(220、226、222)，其包括最优化装置(229)，将所述最优化装置设置成预测物体(224)的预测位置，并基于脉冲(201)、房间(200)的预定特性以及预测位置来估计第三超声信号模板。
6.如权利要求2所述的位置测定系统(220、226、222)，将其设置成具有存储装置(225)，所述存储装置包括用于物体的假定位置的多于一个的超声信号模板，并且其中将处理器(222)设置成测定除物体(224)的位置之外的进一步的参数。
7.如权利要求6所述的位置测定系统(220、226、222)，其中将处理器(222)设置成测定物体(224)的定向(a)作为进一步的参数。
8.如权利要求1所述的位置测定系统(220、226、222)，其中第二接收器(228)和第二物体发射器(630)中的一个连接至物体(224)，并将处理器(222)设置成基于通过接收器(226)检测的超声信号(300)和通过第二接收器(228)检测的第二超声信号测定物体(224)的位置，其分别基于根据通过发射器(220)发射的脉冲(201)检测的超声信号(300)和基于通过第二物体发射器(630)发射的第二脉冲检测的第二超声信号。
9.如权利要求7所述的位置测定系统(220、226、222)，其中接收器(226)或发射器(220)连接至物体(224)，并且第二接收器(228)和第二物体发射器(630)分别连接至物体(224)，并且其中将处理器(222)设置成基于通过接收器(226)可检测的超声信号(300)和通过第二接收器(228)可检测的第二超声信号测定物体(224)的定向(a)，其分别基于根据通过发射器(220)发射的脉冲(201)可检测的超声信号(300)和基于通过第二物体发射器(630)发射的第二脉冲可检测的第二超声信号。
10.如权利要求1所述的位置测定系统(220、226、222)，其中包括多个发射器或接收器，所述发射器或接收器连接至物体(224)，或固定于房间(200)中，将其设置成至少一个阵列，以产生不同形状和定向的多个脉冲，从而分别接收从不同的定向和以不同的立体角碰撞于接收器阵列之上的脉冲。
11.如权利要求1所述的位置测定系统(220、226、222)，其中发射器(220)连接至物体(224)，并将其设置成发射包括在用于物体(224)的至少一个预定频带特性中的频率的脉冲(201)。
12.如权利要求1所述的位置测定系统(220、226、222)，其中物体(224)能够移动或被移动，并包括跟踪装置(270)，将所述跟踪装置设置成沿着轨迹跟踪物体(224)的位置。
13.一种用于测定房间(200)中物体(224)的位置的设备，其包括-超声接收器(226)，将其设置成基于发射的超声脉冲(201)检测超声信号(300)；以及-处理器(222)，其用于处理超声信号(300)以获得位置，其特征在于处理器包括估计装置(223)，所述估计装置被设置成基于第一时间间隔(318)中的超声信号(300)测定物体(224)的位置，第一时间间隔(318)包括在反射物体(232)上的脉冲(201)的至少第一反射(230)的超声能量。
14.一种用于测定房间(200)中物体(224)的位置的方法，其包括-发射超声脉冲(201)；-基于该脉冲(201)检测超声信号(300)；以及-处理超声信号(300)以获得位置，其特征在于-从邻近物体(224)的位置发射脉冲，或在物体(224)附近检测超声信号(300)；以及-处理包括估计在第一时间间隔(318)中的超声信号(300)，所述第一时间间隔(318)包括在反射物体(232)上的脉冲(201)的至少第一反射(230)的超声能量。
15.一种使得处理器(222)能够执行如权利要求14中所述的方法的计算机程序产品。
全文摘要
一种通过超声发射器(220)发射超声脉冲(201)而工作用于测定房间(200)中物体(224)的位置的位置测定系统(220、226、222)，在反射物体(232)上至少一次反射所述脉冲，在其之后，超声接收器(226)检测包括至少反射以及也可能的视线传送的超声信号(300)。发射器或接收器连接至物体。通过基于超声信号(300)的特性的计算、或通过匹配超声信号(300)与用于通过测量或通过房间(200)中超声脉冲(201)传送的模拟获得的物体(224)位置的模板，处理器基于超声信号(300)测定物体(224)的位置。
文档编号G01S11/14GK1777819SQ200480010714
公开日2006年5月24日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年4月22日
发明者E·J·范洛恩恩, E·O·迪克, C·H·范贝克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司