专利名称：用于对定位设备进行标定的方法、设备和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及定位技术领域，具体而言，涉及一种用于对定位设备进行标定的方法、 设备和系统以及一种用于表征空间中的关注区域的方法、设备和系统。
背景技术：
位置信息是一种可用来提取用户与环境之间的地理关系从而进一步理解和获知用户行为的基本上下文。方位感知应用的重要性和前景已经使得设计和实施出了用于提供位置信息的系统。目前，已经开发出了一些高精度室内定位系统(Ha-IPS :High Accuracy Indoor Positioning System),用于在不同应用场合对人员和财产进行实时精确跟踪。这些应用场合可包括多种环境，例如办公室、健康护理机构、煤矿、地铁、智能建筑物以及餐馆坐坐寸寸ο
目前，这些Ha-IPS通常是基于超声波或超宽带无线电的。它们的共同特征是能够提供厘米级别的定位精度。在此类Ha-IPS的一些应用场合，需要在相关的环境中布设和标定一些定位设备来监视移动目标在特定关注区域(Α0Ι Areas of Interest)中的位置。通常，定位系统，例如Ha-IPS，能够对这些移动目标的位置进行实时跟踪从而提供一些特定的基于位置的服务。例如，在办公室环境中，当布设例如Ha-IPS的定位系统时，其可以跟踪终端或雇员的位置。由此，可以设计出基于位置的访问规则，以便定义特定的“安全区域”。例如，只有在此安全区域之内才允许对机密信息的访问，而一旦超出该安全区域或处于该安全区域之外，则禁止对该机密信息的任何访问。以上所说的安全区域可以是一个房间、一部分工作区域，甚至可以是一张桌子。
迄今为止已经开发出多种Ha-IPS，用于提供用户和环境之间的地理关系。在这些 Ha-IPS中，定位以及地理关系确定过程可以被归纳为如下三个阶段
I. Ha-IPS设置阶段。该阶段一般包括以下步骤
I)对基准点的位置进行标定。基准点的位置是指信标或定位设备的位置。当计算目标点的位置时，必须事先知道基准点或者定位设备的位置并将这些位置信息用作定位算法中的计算基准。
2)配置基准空间的尺寸。基准空间是指目标在其中移动的空间。基准空间例如可以是房间、办公室等等。为了获知目标与环境之间的地理关系，必须知道基准空间的尺寸。
3)表征关注区域。关注区域是指用户出于特定的应用需求(例如安全目的)而表征了的地理区域。关注区域位于基准空间中。例如，在“安全桌面”的应用中，该桌面被定义为关注区域。只有在此关注区域内才允许对机密信息的访问，而一旦超出该关注区域或处于该关注区域之外，则禁止对该机密信息的任何访问。
在Ha-IPS设置阶段，由于基准点标定中的误差将会被移植到目标定位处理中，因此需要标定足够地精确。此外，由于通常情况下定位设备一般布设在屋顶，所以特别希望能够以较少的人工来实现该标定过程。另外，由于测量实际环境通常需要很多人工，因此特别需要一种准确、快速和自动的基准空间配置方法。
2. Ha-IPS在线定位阶段。在该阶段中，根据所标定的基准点的坐标以及所测得的目标的距离来计算目标点的实时位置。
3.地理关系推断阶段。在该阶段中，根据在上面的第二阶段所计算的目标点的实时位置以及基准空间和关注区域(AOI)的定义来推断目标与基准空间以及关注区域的关系。在该过程中，关注区域通常是通过手动方式来进行表征的，这涉及了很多的测量和记录方面的努力。
可以看出，现有Ha-IPS的共同缺陷在于他们的配置、标定以及表征等都需要大量的人工努力。因此，现有Ha-IPS的使用并不方便，也不符合用户友好的需要。
这样，本领域特别需要提供一种对定位设备自动进行配置和标定的技术方案，也特别需要一种自动对空间的关注区域进行表征技术方案。发明内容
本发明的目的之一是提供一种自动对定位设备进行配置和标定的技术方案。
本发明的另一目的是提供一种自动表征空间中的关注区域的技术方案。
根据本发明的第一方面，提供一种系统，该系统可以包括能够发射测距信号的标签，放置在空间中作为空间特征点的位置点处；位于空间中的定位设备，被配置为根据来自标签的测距信号获取空间特征点相对于定位设备的相对坐标；以及服务器，被配置为根据相对坐标来确定定位设备在空间中的位置参数，从而标定定位设备。
根据本发明的第二方面，提供一种系统，该系统可以包括能够发射测距信号的标签，放置于空间中的位置点处；已标定的第一定位设备，被配置为根据来自标签的测距信号获取位置点在空间中的绝对坐标；第二定位设备，被配置为根据来自标签的测距信号获取位置点相对于第二定位设备的相对坐标；以及服务器，被配置为根据绝对坐标和相对坐标来确定第二定位设备在空间中的位置参数，从而标定第二定位设备，其中位置点处于第一定位设备和第二定位设备的重叠覆盖区域中。
根据本发明第三方面，提供一种系统，该系统可以包括能够发射测距信号的标签，放置在能够表征空间中的关注区域的关注区域特征点处；空间中的定位设备，被配置为根据来自标签的测距信号获取关注区域特征点的位置参数；以及服务器，被配置为根据关注区域特征点的位置参数来表征关注区域。
根据本发明第四方面，提供一种用于对空间中的定位设备进行标定的方法，其中， 该空间中的位置点被选择作为空间特征点。该方法可以包括接收空间特征点相对于定位设备的相对坐标；以及根据相对坐标来确定定位设备在空间中的位置参数，从而标定定位设备。
根据本发明第五方面，提供一种用于对定位设备进行标定的方法。该方法可以包括接收位置点在空间中的绝对坐标以及位置点相对于定位设备的相对坐标；以及根据绝对坐标和相对坐标来确定定位设备在所述空间中的位置参数，从而标定定位设备。
根据本发明第六方面，提供一种用于表征空间中的关注区域的方法。该方法可以包括接收能够表征关注区域的关注区域特征点的位置参数，其中所述位置参数是利用布置在空间中的定位设备获得的；以及根据位置参数，来表征所述关注区域。
根据本发明第七方面，提供一种用于对布置在空间中的定位设备进行标定的设备，其中，该空间中的位置点被选择作为空间特征点。该设备可以包括接收装置，用于接收空间特征点相对于定位设备自身的相对坐标；以及确定装置，用于根据相对坐标来确定定位设备在空间中的位置参数从而标定定位设备。
根据本发明第八方面，提供一种用于对定位设备进行标定的设备。该设备可以包括接收装置，用于接收位置点在空间中的绝对坐标以及位置点相对于定位设备的相对坐标；以及确定装置，用于根据绝对坐标和相对坐标来确定定位设备在空间中的位置参数，从而标定定位设备。
根据本发明第九方面，提供一种用于表征空间中的关注区域的设备。该设备可以包括接收装置，用于接收能够表征所述关注区域的关注区域特征点的位置参数，其中所述位置参数是利用布置在空间中的定位设备获得的；以及表征装置，用于根据位置参数来表征所述关注区域。
本发明的实施方式提供的有益效果在于在对定位设备进行标定和设置的过程中，减少甚至无需 对各种位置参数以及尺寸进行人工测量，从而省却了大量的人力成本，提高了工作效率，并改善了定位精度。另外，根据本发明的实施方式，可以实现自动表征空间中的关注区域。
通过以下结合附图的说明，并且随着对本发明实施方式的更全面了解，本发明的其他目的和效果将变得更加清楚和易于理解，其中
图I示出了以一个房间为例的实施本发明的空间的示意图2示出了根据本发明的一个实施方式的定位设备的示意图3示出了根据本发明的一个实施方式的系统的框图4示出了根据本发明的一个实施方式的基准空间的三维示意图5示出了根据本发明的一个实施方式的基准空间的简化二维图6示出了根据本发明的一个实施方式的设备的框图7示出了根据本发明的另一个实施方式的的系统的框图8示出了根据本发明的一个实施方式的用于根据已标定的定位设备来标定另一定位设备的方法的空间示意图9示出了根据本发明的另一实施方式的设备的框图10示出了根据本发明的另一个实施方式的的系统的框图11示出了根据本发明的一个实施方式的用于表征多边形关注区域的方法的示意图12示出了根据本发明的一个实施方式的用于表征圆形关注区域的方法的示意图13示出了根据本发明的一个实施方式的用于表征椭圆形关注区域的方法的示意图；CN 102937707 A书明说4/16 页
图14示出了根据本发明的一个实施方式的表征两个半径不同的圆形组合的方法的不意图15a和图15b示出了根据本发明的一个实施方式的进行分组的过程的示意图16示出了根据本发明的一个实施方式的将非规则形状的特征区域拟合为四边形的一个示例；
图17示出了根据本发明的另一个实施方式的设备的框图18示出了根据本发明的一个实施方式的的方法的流程图19示出了根据本发明的另一个实施方式的方法的流程图；以及
图20示出了根据本发明的另一个实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
首先，结合图I和2，对在本发明实施方式中所使用的各种术语作以简要说明。
I.空间。根据本发明实施方式的空间是指目标在其中移动的空间。例如房间、办公室、会议室等等。图 I示出了以房间为例子的一个基准空间10的示意图。应当理解，本发明实施方式并不局限于图I所示的四边形的房间，而可以是任何的形状。通常为了知道目标在空间中的位置，必须知道空间的尺寸。根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于确定空间的尺寸的技术方案，这将在下文中进行详细描述。
2.空间特征点。空间特征点是用于确定空间的位置点。例如，在如图I所示的以房间为例子的空间10中，空间特征点可以是房间角落位置点11、12和13。原则上，可以选择该空间内的任何点作为空间特征点，只要能确定该空间即可。应当理解，当房间是其他多边形，例如六边形时，可以采用多边形的顶点为特征点。如果房间为其他不规则形状时，则可以使用房间周边上的至少三个点来拟合出一个多边形，从而可以像对待多边形房间一样对待其他形状的房间。
3.定位设备(POD Positioning on One Device)。根据本发明实施方式的定位设备是用于确定空间中的位置点的坐标的设备。图2所示为本发明的实施方式采用的定位设备的一个例子。如图2所示，本发明的实施方式所采用的定位设备是一种具有多个叶节点的传感器阵列。叶点节点的数量至少是两个，也就是说定位设备包括至少两个叶节点传感器和一个处于中间的传感器。通常叶节点越多，则定位精度也越高。在图2中示出的定位设备具有6个叶节点。在具体应用中，如图I所示，定位设备14通常被布置在空间10的顶部，其能够发射测距信号到空间10中的目标位置点，或者接收来自空间10中的目标位置点的测距信号。
在本发明的实施方式中，仅使用定位设备的接收功能。定位设备本身可以具有计算功能，用于根据接收到的测距信号进行相关计算。或者，定位设备可以通过有线或无线方式连接到远程的服务器或专用计算设备，从而在远程服务器或者专用计算设备处执行基于测距信号的相关计算。通常可以基于定位设备从目标位置点接收的测距信号，利用传统的三角定位或者坐标变换方法来得到目标位置点在空间的坐标。定位设备本身的结构和功能是本领域已知的，在此不作赘述。
4.绝对坐标系。在本发明的实施方式中，将以空间中的一个位置点为坐标原点的坐标系称为绝对坐标系。可以将空间的任何一个特征点作为绝对坐标系统的原点。例如，7在图I所示的空间10中，以特征点11作为绝对坐标系的原点。当然，本领域技术人员可以理解的是，选择其中一个特征点作为原点只是方便计算，而不是必须的。如果将其他位置点作为坐标原点，则通过简单的平移就可以得到以上描述的绝对坐标系。这对于本领域技术人员而言是很熟悉的，因此这里将不再详述。
5.相对坐标系。在本发明的实施方式，将以定位设备自身为原点的坐标系称为相对坐标系。该相对坐标的原点即为该定位设备的中心点，X轴方向为该定位设备的第一个传感器(未示出)。这里所称的“第一个传感器”可以在对定位设备进行制造初始配置的时候进行规定。当X轴被规定时，与该X轴处垂直并处于该定位设备平面内的方向并定义为 Y轴。
当对定位设备进行标定时，则相对坐标系与绝对坐标系之间可能存在一定的夹角 Θ，在本发明中将该夹角称为定位设备的在绝对坐标系中的设置角度，如图I所示的POD角度18。这样，定位设备在空间的位置(如图I所示的POD位置17)的位置参数包括定位设备在绝对坐标系下的绝对坐标以及设置角度Θ。根据本发明的一个实施方式，提供一种对空间中的定位设备进行标定(即确定定位设备的位置参数)的技术方案，这将在下文中进行详细描述。
6.标签。在本发明实施方式中的标签是指能够发射测距信号的标签，例如射频标签。在本发明的实施方式，可以将标签放置在空间中的位置点处，以便通过定位设备接收标签发出的测距信号来得到位置点的相对坐标或者绝对坐标。测距信号的形式可以是多种， 可以包括但不限于超声波、红外线、激光、射频信号、超宽带脉冲信号、多普勒信号以及声波等等。另外，通过定位设备和标签来确定位置点的相对坐标或者绝对坐标是本领域已知的， 在此不作赘述。
7.关注区域(A0I,Area of Interest)和关注区域特征点。关注区域是指用户出于特定的应用需求(例如安全目的)而表征了的地理区域。关注区域位于空间中。例如， 在“安全桌面”的应用中，该桌面被定义为关注区域。只有在此关注区域之内才允许对机密信息的访问，而一旦超出该关注区域或处于该关注区域之外，则禁止对该机密信息的任何访问。关注区域特征点是可以用来表征关注区域的那些位置点。图I示出了关注区域15 和关注区域特征点16。根据本发明的一个实施方式，提供一种表征在空间中的关注区域的技术方案，这将在下文中作详细描述。
下面结合附图对本发明的各个实施方式进行描述。应该理解，这些实施方式只是用于说明目的，而并非限定性的。
首先描述根据本发明一个实施方式用于对定位设备进行标定的技术方案。图3示出了根据本发明的一个实施方式的系统100的示意图，该系统100用于测量空间的尺寸并在空间中对定位设备进行标定。
如图I所示，该系统100可以包括能够发射测距信号的标签110，其放置在空间中作为空间特征点的一个或者多个位置点处；位于空间中的定位设备120，其中定位设备 120被配置为根据来自标签110的测距信号获取上述空间特征点相对于定位设备自身的相对坐标；以及服务器130，被配置为根据获取的相对坐标来确定定位设备120在空间中的位置参数，从而标定定位设备120。
下面详细描述系统100的实现。具体地，根据本发明的一个实施方式，首先选择空间中的三个空间特征点(在图I中显示为基准空间特征点)并将能够发射测距信号的标签 110放置在这些特征点上，以便确定三个空间特征点相对于定位设备自身的相对坐标。在本发明的的一个实施方式中，可选地，可以通过在每个空间特征点分别放置一个标签来确定空间特征点的相对坐标。另外，可选地，也可以将一个标签先后放在选择的空间特征点处来确定空间特征点的相对坐标。标签110本身是本领域已知的，在此不作赘述。
接下来，可以在该空间中设置定位设备120。定位设备120可以设置在空间的任何地方。可选地，定位设备120设置在空间的顶部，而且初始设置的时候是任意的，即可以设置在顶部的任何位置。然后，定位设备120可以根据来自标签110的测距信号获取上述空间特征点相对于定位设备自身的相对坐标。
例如，在本发明的一个实施方式中，定位设备120以自身的中心为坐标原点，确定出定位设备120的三个传感器相对于定位设备自身的相对坐标。然后，三个传感器可以根据来自空间特征点处的标签110的测距信号得到从上述空间特征点到各个传感器的距离。 最后再利用从上述空间特征点到各个传感器的距离以及各个传感器的相对坐标，根据传统的三角定位算法(例如最小均方差算法)，来得到各个空间特征点相对于定位设备120自身的相对坐标。应当理解，通过传统三角定位算法得到各个空间特征点相对于定位设备120 自身的相对坐标是本领域已知的，在此不作赘述。
然后，根据本发明的实施方式，服务器130通过相应的计算，可以自动地计算出定位设备120在空间内的位置参数，从而完成对定位设备120的自动标定，这将在后面详细描述。可选地，该位置参数可以包括定位设备120在空间中的绝对坐标(x，y，z)以及定位设备120在空间中的设置角度Θ。这将在后文中进行描述。
应当理解，设置标签110和定位设备120之间并不存在先后关系。可以同时设置二者，也可以先设置定位设备120，然后再在空间的空间特征点处放置标签110。
下面结合图4和图5来以四边形的房间为例来描述服务器如何根据所获取的三个基准空间特征点的相对坐标来定位设备120在空间内的位置参数。
首先，计算该房间(也就是基准空间)的尺寸。
如图4所示，设获取的地面上的三个基准空间特征点的相对坐标分别为(Xl，y1； Z1)，(x2, y2, Z2)以及(x3, y3, z3)，其中，这些相对坐标已经利用定位设备120和标签110获知。特征点(Xl，yi，Zl)被定义为基准空间绝对坐标系的原点(0，0，0)。该房间的长度(I)、 宽度(w)、高度(h)、定位设备120的绝对坐标(X，y, z)以及POD的设置角度Θ为未知数。
首先确定定位设备120的z坐标，即定位设备的高度(h)。通常，由于屋顶和地面是平行的，所以定位设备120的高度为h,也就是说z = h = Z1 = Z2 = z3。但是,考虑到可能存在的误差，例如由于地面不平整所引起的误差，则z坐标的计算为z = h = (Zl+z2+z3)/3。
当计算得到z之后，剩下的问题就是在二维空间中对其余未知数进行求解。
图5示出了根据本发明的一个实施方式在二维空间中计算上述未知数(例如房间的长度(I)、宽度(w)、POD的绝对坐标(X，y)以及POD的角度Θ )的示意图。
如图5所示，实线所表示的坐标系为本发明中的绝对坐标系，而虚线所表示的坐标系为本发明中以定位设备为原点的相对坐标系。两个坐标系的夹角，即定位设备的设置角度为Θ。
根据图5，利用常规的坐标变换，可以得出如下方程组⑴
xfos ( 0 ) -ypin ( 0 ) +x = 0x^in ( 0 ) +5^(308 ( 9 ) +y = 0x2cos ( 0 ) -y2sin ( 0 ) +x = 1x2sin ( 0 ) +y2cos ( 9 ) +y = w(1)x3cos ( 0 ) -y3sin ( 0 ) +x = 1x3sin ( 0 ) -y3cos ( 9 ) +y = 0(x1-x3)2+(y1-y3)2 = l2(x2-x3) 2+ (y2-y3)2 = w2本领域技术人员可以理解的是，如果采用更多的基准空间特征点，将增加方程组 (1)的方程数量，也就是增加系数矩阵的行数。这对于本领域技术人员而言是很熟悉的，这 里将不再描述。对该方程组(1)求解，可以得出定位设备的绝对坐标(X，y)和角度0以及该基准 空间的长度1和宽《，计算过程如下
权利要求
1.一种系统，包括能够发射测距信号的标签，放置在能够表征空间中的关注区域的关注区域特征点处； 所述空间中的定位设备，被配置为根据来自标签的测距信号获取所述关注区域特征点的位置参数；以及服务器，被配置为根据所述关注区域特征点的位置参数来表征所述关注区域。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，当所述关注区域为非规则形状时，所述定位设备进一步被配置为利用标签获取关注区域边界上的至少三个关注区域特征点的位置参数，以构成特征点序列；以及所述服务器进一步被配置为对所述特征点序列进行拟合，以表征关注区域。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述服务器进一步被配置为将所述特征点序列进行分组，以及拟合被分到同一组的所述关注区域特征点。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述服务器进一步被配置为比较关注区域特征点所确定的直线的斜率差的绝对值是否小于预定阈值，以及如果斜率差的绝对值小于预定阈值，则所述关注区域特征点分为一组。
5.一种用于表征空间中的关注区域的方法，包括接收能够表征关注区域的关注区域特征点的位置参数，其中所述位置参数是利用布置在空间中的定位设备获得的；以及根据所述位置参数，来表征所述关注区域。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述位置参数是所述关注区域特征点在空间中的绝对坐标置或所述关注区域特征点相对于定位设备的相对坐标。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，当所述关注区域为圆形时，所述关注区域特征点为所述圆形的圆心和圆形周边的任意点。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其中，当所述关注区域为多边形时，所述关注区域特征点为所述多边形的顶点。
9.根据权利要求5或6所述的方法，其中，当所述关注区域为椭圆形时，所述关注区域特征点为所述椭圆的中心点、所述椭圆的长轴与该椭圆边的交点和所述椭圆的短轴与该椭圆边的交点。
10.根据权利要求5或6所述的方法，其中，当所述关注区域为非规则形状时，该方法包括接收关注区域边界上的至少三个关注区域特征点的位置参数，所述至少三个关注区域特征点构成特征点序列；以及对所述特征点序列进行拟合，以表征该关注区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述特征点序列进行拟合包括将所述特征点序列进行分组；以及拟合被分到同一组的所述关注区域特征点。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述特征点序列进行分组包括比较关注区域特征点所确定的直线的斜率差的绝对值是否小于预定阈值；以及如果斜率差的绝对值小于预定阈值，则将所述关注区域特征点分为一组。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述拟合包括一阶直线拟合算法或者高阶曲线拟合算法。
14.一种用于表征空间中的关注区域的设备，包括接收装置，用于接收能够表征所述关注区域的关注区域特征点的位置参数，其中所述位置参数是利用布置在空间中的定位设备获得的；以及表征装置，用于根据所述位置参数来表征所述关注区域。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，当所述关注区域为非规则形状时，所述接收装置进一步接收关注区域边界上的至少三个关注区域特征点的位置参数，以构成特征点序列；以及所述表征装置进一步包括用于对所述特征点序列进行拟合来表征关注区域的装置。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，用于对所述特征点序列进行拟合的装置包括: 用于将所述特征点序列进行分组的装置；以及用于拟合被分到同一组的所述关注区域特征点的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，用于将所述特征点序列进行分组的装置包括: 用于比较关注区域特征点所确定的直线的斜率差的绝对值是否小于预定阈值的装置，以及用于如果斜率差的绝对值小于预定阈值，则将所述关注区域特征点分为一组的装置。
全文摘要
本发明的实施方式提供一种用于对定位设备进行标定的技术方案以及一种用于表征空间中的关注区域的技术方案。具体地，提供一种系统，该系统可以包括能够发射测距信号的标签，放置在空间中作为空间特征点的位置点处；位于所述空间中的定位设备，被配置为根据来自标签的测距信号获取所述空间特征点相对于定位设备的相对坐标；以及服务器，被配置为根据所述相对坐标来确定所述定位设备在所述空间中的位置参数，从而标定所述定位设备。通过该系统，可以对定位设备进行自动、快速和精确地标定。
文档编号G01S5/02GK102937707SQ20121040703
公开日2013年2月20日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者王永才, 赵军辉, 福岛俊一 申请人:日电(中国)有限公司