使用超声的定位系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用超声来确定移动单元的位置的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 有许多场合希望能确定区域内可移动对象（如人或一台仪器）的位置，如医院病 房。
[0003] 已知提供具有静态基站（例如附接至天花板或墙壁）的网络，并且将标签或类似 装置附接至可移动对象，其中这些标签通过超声信号与这些基站中的一个或多个基站通 信，以便允许确定带标签的对象的位置。例如，这种系统可以用于确定该对象位于哪个房间 内。超声非常适合于此用途，因为人无法察觉。其还比无线电波慢得多地穿过空气，并且衰 减得更快，尤其在诸如墙壁、天花板和地板之类的结构建筑构件存在时。这可以便于使用飞 行时间信息或接收的信号强度进行邻近度检测。
[0004] US 7864633描述一种用于确定移动声音发射器单元的位置的系统。可以附接至待 监视的对象的该发射器单元，发射经频移键控（FSK)编码的声音信号。在建筑物的房间内 可以安装检测器单元。可以通过比较在两个这样的检测器单元处接收的信号的信号强度， 以确定这两个检测器单元中哪个检测器单元离该发射器单元更近，来确定该发射器单元的 位置。在噪声环境中，可以使用啁啾（chirp)FSK来代替传统的FSK。
[0005] 然而，这种方法具有一些局限。具体地，随着系统中移动发射器单元的数量增加， 每个发射器单元的平均位置更新速率（即，每分钟的位置估计次数）通常将下降，这是因为 在每个单元能够开始发射之前，其必须等待沉寂更长时间。此外，单元之间的干扰仍是可能 的，例如如果两个单元基本上同时开始发射。为了应对噪声，利用数字信号处理（DSP)电路 来处理所接收的啁啾FSK信号，这样的电路一般是昂贵的且耗电的。
[0006] 本发明尝试提供一种替代方法。
【发明内容】
[0007] 根据第一方面，本发明提供一种用于确定移动设备的位置的系统，所述系统包括： 发射器设备，被布置为发射编码二进制标识符的超声信号，其中该编码使得该标识符中的 每个比特位置与该信号中相应的频率对以及相应的第一时间位置和第二时间位置关联，该 标识符中的比特位置的值确定所述频率对中的哪个频率在该信号中相应的第一时间位置 处发射，并且所述频率对中的另一个频率在该信号中相应的第二时间位置处发射；接收器 设备，被布置为接收所述超声信号，其中所述发射器设备和所述接收器设备中的一个是移 动设备；解码装置，被配置为以（a)所接收的信号中的、与所述比特位置关联的第一频率 和第一时间位置，（b)关联的第一频率和第二时间位置，（c)关联的第二频率和第一时间 位置，以及（d)关联的第二频率第二时间位置，通过利用与所接收的信号的强度有关的信 息，确定该标识符中的每个比特位置的值，来从所接收的信号中解码所述二进制标识符；以 及处理装置，被配置为利用所解码的二进制标识符来确定与所述移动设备的位置有关的信 息。
[0008] 根据另一方面，本发明提供一种利用超声信号来确定移动设备的位置的方法，所 述方法包括：从发射器设备发射编码二进制标识符的超声信号，其中该编码使得该标识符 中的每个比特位置与该信号中相应的频率对以及相应的第一时间位置和第二时间位置关 联，该标识符中的比特位置的值确定所述频率对中的哪个频率在该信号中相应的第一时间 位置处发射，并且所述频率对中的另一个频率在该信号中相应的第二时间位置处发射；在 接收器设备处接收所述超声信号，其中所述发射器设备和所述接收器设备中的一个是移动 设备；以及以（a)所接收的信号中的、与所述比特位置关联的第一频率和第一时间位置， (b)关联的第一频率和第二时间位置，（c)关联的第二频率和第一时间位置，以及（d)关联 的第二频率和第二时间位置，通过利用与所接收的信号的强度有关的信息，确定该标识符 中的每个比特位置的值，来从所接收的信号中解码所述二进制标识符；以及利用所解码的 二进制标识符来确定与所述移动设备的位置有关的信息。
[0009] 根据又一方面，本发明提供一种发射器设备，所述发射器设备被布置为发射编码 二进制标识符的超声信号，其中该编码使得该标识符中的每个比特位置与该信号中相应的 频率对以及相应的第一时间位置和第二时间位置关联，该标识符中的比特位置的值确定所 述频率对中的哪个频率在该信号中相应的第一时间位置处发射，并且所述频率对的另一个 频率在该信号中相应的第二时间位置处发射。
[0010] 根据更进一步的方面，本发明提供一种接收器设备，所述接收器设备被布置为：接 收编码二进制标识符的超声信号，其中该编码使得该标识符中的每个比特位置与该信号中 相应的频率对以及相应的第一时间位置和第二时间位置关联，该标识符中的比特位置的值 确定所述频率对中的哪个频率在该信号中相应的第一时间位置处发射，并且所述频率对中 的另一个频率在该信号中相应的第二时间位置处发射；以及以（a)所接收的信号中的、与 所述比特位置关联的第一频率和第一时间位置，（b)关联的第一频率和第二时间位置，（C) 关联的第二频率和第一时间位置，以及（d)关联的第二频率和第二时间位置，通过利用与 所接收的信号的强度有关的信息，确定该标识符中的每个比特位置的值，来从所接收的信 号中解码所述二进制标识符。
[0011]因此，本领域技术人员将看到，根据本发明，该发射器设备在超声信号中发射两次 二进制标识符，在两个不同的发射时间以及以两个不同的频率发射标识符的每个比特。如 果与特定比特位置关联的频率对中的一个与任何具体频率干扰相干扰，那么该接收器设备 仍然可能解码正确的值，因为该值是以这两个频率中的另一频率单独地（冗余地）传递的， 另一频率可能未经历相同的干扰。短期存在的宽频干扰的损害效应也可能消失，因为比特 值是在两个不同的时间分离地发射的，因此如果短期存在的干扰在两个时间位置之一干扰 该信号，那么仍然可能在另一时间位置从该信号中正确地解码该比特。
[0012] 已经发现，该时间冗余和频率冗余提供有助于接收器设备可靠地解码二进制标识 符的特别健壮的系统，甚至在存在来自其它超声发射器的显著干扰或者来自由环境中反射 性表面引起的该信号本身的相消干扰的情况下。该系统还可以在接收器设备中的麦克风具 有非均匀的频率响应时提供健壮性。
[0013] 在优选的实施例中，所述发射器设备是静态发射器站，并且移动设备是移动接收 器单元。申请人还认识到，在许多情境中，如在医院，场所中可移动对象（人、仪器等）的数 量可能经常大于为提供该场所的覆盖所需的静态站的数量。通过从一个或多个静态站而不 是从移动单元进行发射，移动单元的数量可以无限地增加，而不需要更多复杂的发射信号 且不影响系统的精度。
[0014] 该二进制标识符可以与发射器设备关联（但不一定是唯一地）。发射器设备优选 地每隔一段时间（例如，周期性地）发射超声信号，每个超声信号编码所述二进制标识符。 这允许系统每隔一段时间确定移动单元的一系列位置估计。该信号可以包括其它成分，如 编码附加信息的信号部分，并且这些其它成分可以对每个信号来说是变化的。
[0015] 与二进制标识符中的每个比特位置关联的这些频率对可以对这些比特位置中的 一些或全部来说是相同的（即，二进制频移键控），但是优选地，每个频率对对于该标识符 中的特定比特位置是唯一的。此外，所有频率对中的每个单独的频率优选地对于特定比特 位置是唯一的。以此方式，不需要在二进制标识符的编码内多次发射频率。这减少了来自 发射器的信号的回声或者另一发射器的信号或其回声通过增加频率再用之间的间隔影响 所接收的信号的机会。
[0016] 该编码优选地使得包含所有所述频率的有序集中的相邻频率从不在该信号中的 相邻时间位置发射。这可以通过减少来自在一个时间位置发射的频率的回声对该信号中的 下一时间位置处的类似频率的接收形成干扰的机会，帮助准确地进行解码。
[0017] 每一对中的两个频率优选地相隔至少大约3MHz，以便允许接收器单元准确地区分 它们。
[0018] 发射器设备优选地通过在包含这些时间位置之一的时间窗（例如以该时间位置 为中心）内发射频率（即，使所述发射器站中的超声换能器以该频率振动），来在该时间位 置处发射频率。在二进制标识符的编码中使用的每个时间位置可以具有用于对频率被发射 的持续时间进行限定的关联时间窗；这些窗可以全部具有基本相同的长度，例如大约10毫 秒长。该关联的时间窗可以在该信号中首尾相接地布置，而没有任何显著的中间间隔，从而 提供在时间上紧凑的编码。
[0019] 每一对中的第一时间位置和第二时间位置优选地相隔大于与每个位置关联的相 应时间窗的长度，使得关于每个比特位置的两个频率的发射在时间上不重叠。该相隔优选 地具有最小长度，如至少大约10毫秒，例如大约40毫秒，使得在第一时间窗内发射的能量 可以在第二时间窗内的发射开始之前在环境中衰减。以此方式，可以减少或消除来自第一 时间位置的回声在第二时间位置处产生干扰的可能性。
[0020] 在优选的一组实施例中，该编码使得在所发射的信号中，所有第一时间位置领先 于所有第二时间位置。对于至少一些实施例来说，这可以被视为等价于：对于整个二进制标 识符的每个比特，利用不同的二进制频移键控（BFSK)编码，来发射整个二进制标识符，然 后对于每个比特使用相同的相应BFSK编码来发射该标识符的比特式（bit-wise)互补（1 的互补）。
[0021] 每一时间位置对优选地对于该二进制标识符内的特定比特位置是唯一的。此外， 来自全部时间位置对的每个单独的时间位置优选地对于特定比特位置是唯一的。以此方 式，在发射该二进制标识符时，该发射器设备仅需要发射一个频率，从而简化该发射器设备 的设计。
[0022] 所述发射器设备可以包括编码器或编码装置以及超声发射装置或单元，其中所述 编码器或编码装置被布置为接收二进制标识符作为输入，以及控制所述超声发射装置或单 元发射根据上述编码编码所述二进制标识符的超声信号。可替代地，该编码可以在所述发 射器设备外部执行，并且所述发射器设备可以存储或接收控制信号，该控制信号用于控制 超声发射装置或单元发射根据上述编码编码二进制标识符的超声信号。
[0023] 在所述发射器设备是静态发射器站并且所述接收器设备是移动接收器单元的实 施例中，所述接收器单元对所述二进制标识符的接收可以用于确定所述发射器站与所述接 收器单元之间的邻近度。这可以接着被用于，利用对所述静态发射器站的位置的了解，估计 所述移动接收器单元的位置。例如，如果建筑物的结构使得超声信号会在房间外面显著地 衰减，则可以确定接收器单元与静态发射器站位于相