专利名称：三维定位系统、节点、主机、及其操作方法
技术领域：
本发明涉及定位系统，更具体地，涉及一种三维(3D)定位系统，尤其适用于基于超声到达时间或时间差测距的3D定位系统。
背景技术：
高精度定位信息在现代生活中已经变得非常重要，在很多场合已经开始应用，如人员定位、仓库管理等。在这些应用中对定位信息的精度要求较高，误差一般都要求在一米以下，有的甚至要求精确到厘米级别。除高精度外，定位系统的可扩缩性也越来越受到重视。例如，系统第一次运行时，一般需要手动配置一些初始节点的个数以及位置等信息，而可扩缩性所要求并采用的自动配置则是一个无需人干预的自动化过程；在系统运行过程中，应该能够自动侦测出某个定位节点的位置变动，并且能自动校准系统；此外，系统内的多目标定位也是可扩缩性的一个
重要方面。基于超声的定位系统能在一定范围内提供较闻的定位精度，其主要的两种技术分别是基于超声到达时间的测距技术、和基于超声到达时间差的测距技术。目前已经存在一些相关的技术研究成果。Hans Gellersen 等人在 IEEE Pervasive Computing(2010 年 10 12 月号)发表的论文“Cooperative Relative Positioning”(协作相对定位)中，详细阐述了相对定位系统的结构及其采用的方法技术。美国专利申请公开US 2008/0309556A1描述了一种通过测量网络节点间的距离信息，利用相对坐标来计算目标的3D位置信息的系统。PCT国际专利申请公开WO 2007/110626A2给出了在携带超声换能器的移动部件和固定部件之间，采用一种基于超声测距并利用三角法计算移动部件的位置的技术。Hubert Piontek 等人在 Personal and Ubiquitous Computing, 2007 发表的论文“Improving the Accuracy of Ultrasound-BasedLocalisation Systems，，(改进超声定位系统的精度)中给出了一种基于超声室内定位系统的改进方案，改进的地方主要体现在距离测量精度和位置信息更新频率。在前面提及的这些技术中，大多数方法在可扩缩性方面还有很大不足，或者以系统性能的牺牲为代价才能支持可扩缩性，例如，降低了精度或定位速度等。另外，在对多目标定位支持方面，目前的技术尚不完善。在多目标系统内，如何在尽可能短的时延内获取高精度3D位置信息也是多目标定位系统中的一个主要问题。目前已有的系统在可伸缩性、自适应性方面存在不足，而且对多移动目标定位支持较差，体现在延迟较长或精度较低。
发明内容
考虑到目前技术的上述缺陷，本发明提出了一种三维(3D)定位系统，包括节点和主机。所述节点在处于目标模式时，按照超声测距技术的规定，发射超声波，而在处于信标模式时，基于超声测距技术测量所述节点与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离，提供给主机。所述主机在处于信标模式的节点的数目大于等于预定数目时，根据处于信标模式的节点所报告的距离、和处于信标模式的节点的位置，计算得到处于目标模式的节点的位置。所述节点根据其自身的运动状况，自行在目标模式和信标模式之间转换。根据本发明的3D定位系统，能够根据系统物理拓扑结构的变化进行自动调整；另外，根据本发明的3D定位系统能够以较短的延时和较高的精度支持多目标定位。根据本发明的第一方案，提出了一种用在三维定位系统中的节点，包括通信单元，用于与主机进行通信，向主机报告测量得到的距离；超声测距单元，用于在所述节点处于目标模式时，按照超声测距技术的规定，发射超声波，以及用于在所述节点处于信标模式时，基于超声测距技术测量所述节点与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离，提供给所述通信单元；模式转换单元，用于根据所述节点的运动状况，确定所述节点当前是处于目标模式还是信标模式。 优选地，所述通信单元还向主机报告所述节点当前所处的模式。更优选地，在所述节点处于目标模式时，所述通信单元还用于接收主机发送的按照时分复用方式确定的发射信令；以及所述超声测距单元根据发射信令，在分配给所述节点的操作时隙内，按照超声测距技术的规定，发射超声波。优选地，当所述节点处于运动状态时，所述模式转换单元确定所述节点处于目标模式；以及当所述节点处于静止状态且其位置已知时，所述模式转换单元确定所述节点处于信标模式。可选地，当所述节点处于运动状态时，所述模式转换单元确定所述节点处于目标模式；以及当所述节点处于静止状态的时间大于等于模式转换时间阈值且其位置已知时，所述模式转换单元确定所述节点处于信标模式。更优选地，所述模式转换单元包括运动检测子单元。更优选地，所述运动检测子单元是运动传感器或惯性传感器。更优选地，所述节点的位置通过所述节点与主机之间的通信告知，从而确定所述节点的位置已知；或者所述节点接收到由处于信标模式的节点发送的包含所述节点到所述处于信标模式的节点的距离的信息通信表明所述节点的位置已知。根据本发明的第二方案，提出了一种操作用在三维定位系统中的节点的方法，包括模式确定步骤，根据所述节点的运动状况，确定所述节点当前所处的模式；模式判断步骤，判断所确定的所述节点当前所处的模式是信标模式还是目标模式；超声波发射步骤，如果判断所确定的所述节点当前所处的模式是目标模式，则按照超声测距技术的规定，发射超声波，在完成超声波的发射之后，返回所述模式确定步骤；超声测距步骤，如果判断所确定的所述节点当前所处的模式是信标模式，则基于超声测距技术测量所述节点与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离；距离报告步骤，将测量得到的距离报告给主机，在完成距离报告之后，返回所述模式确定步骤。优选地，所述方法还包括向主机报告所确定的所述节点当前所处的模式。优选地，所述方法还包括接收主机发送的按照时分复用方式确定的发射信令，所述发射信令用于指示相应的操作时隙被分配给所述节点，在所述超声波发射步骤中，进一步根据所接收到的发射信令，在分配给所述节点的操作时隙内，按照超声测距技术的规定，发射超声波。优选地，在所述模式确定步骤中，当所述节点处于运动状态时，确定所述节点处于目标模式；以及在所述模式确定步骤中，当所述节点处于静止状态且其位置已知时，确定所述节点处于信标模式。可选地，在所述模式确定步骤中，当所述节点处于运动状态时，确定所述节点处于目标模式；以及在所述模式确定步骤中，当所述节点处于静止状态的时间大于等于模式转换时间阈值且其位置已知时，确定所述节点处于信标模式。更优选地，所述节点的位置通过所述节点与主机之间的通信告知，从而确定所述节点的位置已知；或者所述节点接收到由处于信标模式的节点发送的包含所述节点到所述处于信标模式的节点的距离的信息通信表明所述节点的位置已知。根据本发明的第三方案，提出了一种用在三维定位系统中的主机，包括通信单 元，用于与节点进行通信，接收处于信标模式的节点报告的通过超声测距技术测量得到的处于信标模式的节点与目前待测的处于目标模式的节点之间的距离；节点数确定单元，用于根据所述通信单元所接收到的报告，确定处于信标模式的节点的数目，并判断处于信标模式的节点的数目是否大于等于预定数目；位置计算单元，用于在所述节点数确定单元判断处于信标模式的节点的数目大于等于所述预定数目时，根据处于信标模式的节点所报告的距离、和处于信标模式的节点的位置，计算得到处于目标模式的节点的位置，其中在所述节点数确定单元判断处于信标模式的节点的数目小于所述预定数目时，所述位置计算单元不执行处于目标模式的节点的位置的计算，所述节点数确定单元等待额外的处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式。更优选地，所述通信单元还用于接收节点所报告的所述节点当前所处的模式。更优选地，所述主机还包括目标节点协调单元，所述节点数确定单元还用于确定处于目标模式的节点的总数，所述目标节点协调单元用于根据处于目标模式的节点的总数，协调处于目标模式的节点的操作时隙，以时分复用的方式，使得在每个操作时隙，有且仅有一个处于目标模式的节点发射超声波，并生成用于指示相应的操作时隙被分配给相应处于目标模式的节点的发射信令，所述通信单元还用于发送由所述目标节点协调单元生成的发射信令。优选地，对于三维坐标中某一维度的坐标恒定的情况，所述预定数目为3个，以及对于三维坐标的情况，所述预定数目为4个。优选地，当处于信标模式的节点由静止状态转换为运动状态时，所述处于信标模式的节点从信标模式转换为目标模式；以及当处于目标模式的节点由运动状态转换为静止状态且其位置已知时，所述处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式。可选地，当处于信标模式的节点由静止状态转换为运动状态时，所述处于信标模式的节点从信标模式转换为目标模式；以及当处于目标模式的节点处于静止状态的时间大于等于模式转换时间阈值且其位置已知时，所述处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式。优选地，处于信标模式的节点的位置是所述节点在转换为信标模式之前、所述主机最后得到的所述节点处于目标模式时的位置。根据本发明的第四方案，提出了一种操作用在三维定位系统中的主机的方法，包括报告接收步骤，接收处于信标模式的节点报告的通过超声测距技术测量的处于信标模式的节点与目前待测的处于目标模式的节点之间的距离；第一数目确定步骤，根据所接收到的报告，确定处于信标模式的节点的数目；判断步骤，判断处于信标模式的节点的数目是否大于等于预定数目；等待步骤，如果处于信标模式的节点的数目小于所述预定数目，则等待额外的处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式；定位步骤，如果处于信标模式的节点的数目大于等于所述预定数目，则根据处于信标模式的节点的位置和在所述报告接收步骤中接收到的距离，计算得到处于目标模式的节点的位置。优选地，在所述报告接收步骤中，还接收节点所报告的所述节点当前所处的模式。优选地，所述方法，还包括第二数目确定步骤，根据所接收到的报告，确定处于目标模式的节点的总数；协调步骤，根据处于目标模式的节点的总数，协调处于目标模式的节点的操作时隙，以时分复用的方式，使得在每个操作时隙，有且仅有一个处于目标模式的节点发射超声波，并生成用于指示相应的操作时隙被分配给相应节点的发射信令；信令发送步骤，发送在所述协调步骤生成的发射信令。 优选地，对于三维坐标中某一维度的坐标恒定的情况，所述预定数目为3个，以及对于三维坐标的情况，所述预定数目为4个。优选地，当处于信标模式的节点由静止状态转换为运动状态时，所述处于信标模式的节点从信标模式转换为目标模式；以及当处于目标模式的节点由运动状态转换为静止状态且其位置已知时，所述处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式。可选地，当处于信标模式的节点由静止状态转换为运动状态时，所述处于信标模式的节点从信标模式转换为目标模式；以及当处于目标模式的节点处于静止状态的时间大于等于模式转换时间阈值且其位置已知时，所述处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式。更优选地，处于信标模式的节点的位置是所述节点在转换为信标模式之前、最后得到的所述节点处于目标模式时的位置。根据本发明的第五方案,提出了一种三维定位系统,包括根据本发明第一方案所述的节点；以及根据本发明第三方案所述的主机。根据本发明的基于超声的三维(3D)定位系统，能够根据系统物理拓扑结构的变化进行自动调整，实现可扩缩性；另外，根据本发明的基于超声的三维(3D)定位系统能够以较短的延时和较高的精度支持多目标定位。
通过下面结合
本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中图I是示出了根据本发明的三维(3D)定位系统100的整体方框图。图2是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的节点UOi的示意结构方框图。图3A和图3B是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的节点UOi的状态转换图。图4A是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的节点UOi的一个示例操作流程图。图4B是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的节点UOi的另一示例操作流程图。图5是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的主机110的示意结构方框图。图6A是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的主机110的一个示例操
作流程图。图6B是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的主机110的另一示例操
作流程图。
在本发明的所有附图中，相同或相似的结构和步骤均以相同或相似的附图标记标识。
具体实施例方式下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。图I是示出了根据本发明的三维(3D)定位系统100的整体方框图。如图I所示，根据本发明的3D定位系统100包括主机110和多个节点UO1 120N (统称为节点120)。每个节点UOi (I ^ i ^ N)均具有两种模式——信标模式和目标模式。在这种情况下，将处于信标模式的节点称为信标节点(图I中以实心圆形标示)，将处于目标模式的节点称为目标节点(图I中以空心圆形标示)。每个节点12(^均与主机110通信。节点120与主机110之间的通信可以采用无线方式。每个节点UOi能够自行确定自身目前处于哪种模式，自行实现模式间的转换，并通过与主机110之间的通信将所处的模式报告给主机110,这种模式的报告可以是显式的,例如,每个节点UOi都向主机110报告；这种模式的报告也可以是隐式的，例如，只有信标节点向主机110按照预定时间间隔报告，而目标节点不报告自身的模式，或者再例如，结合距离的报告(以下详述)，因为只有信标节点才向主机110报告测量得到的距离，而目标节点不报告，所以当主机110接收到某一节点报告的距离时，可以确定该节点是信标节点。信标节点基于超声测距技术(可以是基于超声到达时间的测距技术或基于超声到达时间差的测距技术)测量信标节点与目前待测的目标节点之间的距离，并通过与主机110之间的通信将所测得的距离报告给主机110。目标节点按照超声测距技术的规定，发射超声波，供信标节点测量之用。优选地，目标节点可以根据与主机110之间进行通信而确定的操作时隙，逐一发射超声波。此时，主机110通过与节点120之间的通信，确定目标节点的总数，协调目标节点的操作时隙，以时分复用TDM的方式，使得在每个操作时隙，有且仅有一个目标节点发射超声波。采用TDM方式的优点在于可以使多个目标节点占用相同的超声信道，通过提供TDM方式，能够实现超声信道的共享；否则，在不采用TDM方式时，仍然可能存在多个目标节点同时在相同的超声信道上发射超声波的情况，此时将导致系统效率的下降。主机110根据信标节点报告的通过超声测距技术测量的信标节点与目前待测的目标节点之间的距离、和信标节点的位置，计算得到目标节点的位置，完成对目标节点的定位。由于超声测距技术的采用，主机110需要得到至少3个信标节点的位置，才能确定2维坐标；而需要得到至少4个信标节点的位置，才能确定3维坐标。对于本发明的平面应用(2维情况，或3维情况中某一维度恒定的情况)，当主机110确定信标节点的数目少于3个时，主机110等待额外的信标节点的报告，即，等待某些节点从目标模式转换为信标模式；当主机110确定信标节点的数目大于等于3个时，执行目标节点的位置的计算。对于本发明的立体应用(3维情况)，当主机110确定信标节点的数目少于4个时，主机110等待额外的信标节点的报告，S卩，等待某些节点从目标模式转换为信标模式，当主机110确定信标节点的数目大于等于4个时，执行目标节点的位置的计算。另外，在一些情况下，可能存在部分仅用作信标的节点，即只具有信标模式，且始终处于信标模式，将这种仅用作信标的节点称为纯信标节点。在存在纯信标节点的情况下，纯信标节点与主机110之间的通信可以采用无线方式也可以采用有线方式。关于信标节点的位置，在初始情况下，主机110完成初始化过程，包括建立系统坐标、确定所要求的预定数目的初始信标节点的位置(对于2维情况，所述预定数目为3个；对于3维情况，所述预定数目为4个)等。在确定初始信标节点的位置时，可以采用获得相
对位置的方法首先，所有节点120切换到信标模式，之后由主机110协调，每次有一个节点120,工作在在目标模式，发射超声信号，其余各节点计算节点UOi与自己的距离，一轮过后就可以得到系统中任意两点之间的距离，可使用任何一种求解超定方程的方法，任意选定一个坐标系，求得所有节点的相对位置。另外，在确定初始信标节点的位置时，也可以采用获得绝对位置的方法首先，所有节点120切换在信标模式，用户任意选取一个节点UOi,该节点UOi工作在目标模式，用户依次将该节点UOi放置在4个已知位置的点，在每个点上，所有信标节点计算自己与已知点(节点UOi)之间的距离，4个点过后，主机110可以使用任何一种求解超定方程的方法，在用户指定的这个坐标系中，求得所有节点的绝对位置。在初始化过程之后的工作状态中，信标节点的位置可以不必采用前述初始化过程中所采用的方法，可以是该节点在转换为信标模式之前、主机110最后得到的该节点处于目标模式时的位置(相对位置或绝对位置)。为了描述方便，以下以具有两种模式的节点UOi为例，对本发明的节点UOi的结构进行描述，可以将纯信标节点理解为始终处于信标模式的节点UOi的特例。图2是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的节点UOi的示意结构方框图，以及图3A和图3B是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的节点UOi的状态转换图。如图2所示，节点UOi包括通信单元121、超声测距单元122和模式转换单元123。通信单元121与主机110进行通信，向主机110 (显式或隐式)报告由模式转换单元123确定的节点UOi当前所处的模式，向主机110报告由超声测距单元122测量得到的距离。此外，在节点UOi处于目标模式时，通信单元121还用于接收主机110发送的按照TDM方式确定的发射信令。在节点UOi处于目标模式时，超声测距单元122按照超声测距技术的规定，发射超声波。此外，在节点UOi处于目标模式时，如果通信单元121接收到主机110发送过来的发射信令，则超声测距单元122根据发射信令，在分配给节点UOi的操作时隙内，按照超声测距技术的规定，发射超声波。在节点UOi处于信标模式时，超声测距单元122基于超声测距技术测量节点UOi与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离，提供给通信单元121，由通信单元121报告给主机110。模式转换单元123用于根据节点UOi的运动状况，确定节点UOi当前所处的模式。当节点UOi处于运动状态时，模式转换单元123确定节点UOi处于目标模式(图3A和图3B中的转换箭头310);以及当节点12(^处于静止状态且其位置已知时，模式转换单元123确定节点UOi处于信标模式(图3A中的转换箭头320)。优选地，为了防止节点UOi的模式的频繁转换，可以设置模式转换时间阈值，当节点12(^处于静止状态的时间大于等于模式转换时间阈值且其位置已知时，模式转换单元123才确定节点UOi处于信标模式(图3B中的转换箭头330)。为了确定节点UOi的运动状态，模式转换单元123可以包括运动检测子单元1231，运动检测子单元1231可以由运动传感器或惯性传感器等实现。节点UOi的位置可以由主机110通过与节点UOi的通信告知，从而确定节点UOi的位置已知；或者可以由节点UOi接收到其他信标节点向主机110发送(实际上是在系统内广播)的包含节点UOi到所述其他信标节点的距离的信息通信(信息包、数据包、信号等)而推断得出节点UOi的位置已知。 图4A是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的节点UOi的一个示例操作流程图。如图4A所示，在步骤S410，模式转换单元123确定节点UOi当前所处的模式。在步骤S420，通信单元121与主机110进行通信，向主机110 (显式或隐式)报告由模式转换单元123确定的节点UOi当前所处的模式。在步骤S430，判断模式转换单元123所确定的节点UOi当前所处的模式是信标模式还是目标模式。
如果判断模式转换单元123确定的节点UOi当前所处的模式是目标模式，则在步骤S440，超声测距单元122按照超声测距技术的规定，发射超声波。在完成超声波的发射之后，返回步骤S410。如果判断模式转换单元123确定的节点UOi当前所处的模式是信标模式，则在步骤S450，超声测距单元122基于超声测距技术测量节点UOi与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离。在步骤S460，超声测距单元122将测量得到的距离提供给通信单元121，由通信单元121报告给主机110。在完成距离报告之后，返回步骤S410。图4B是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的节点UOi的另一示例操作流程图。图4B与图4A之间的区别在于引入了 TDM操作方式。为简明起见，图4B中与图4A中相同的步骤以相同的附图标记表示，并省略对其的详细描述。在步骤S470，通信单元121接收主机110发送的按照TDM方式确定的发射信令。在步骤S440’，超声测距单元122根据发射信令，在分配给节点UOi的操作时隙内，按照超声测距技术的规定，发射超声波。另外，尤其需要注意的是，在以上图4A和图4B中，针对显式模式报告进行了图示。如果采用隐式模式报告，可以调整步骤S420的位置，使其位于步骤S430的左侧分支(信标分支)上，或者可以完全省略步骤S430。图5是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的主机110的示意结构方框图。如图5所示，主机110包括通信单元111、节点数确定单元112和位置计算单元113。另外，对于采用TDM方式的技术方案，主机110还包括目标节点协调单元114(图中以虚线示出)。通信单元111与节点进行通信，接收节点(显式或隐式)报告的节点当前所处的模式、以及节点报告的通过超声测距技术测量得到的信标节点与目前待测的目标节点之间的距离。节点数确定单元112根据通信单元111所接收到的模式报告，确定信标节点的数目，并判断信标节点的数目是否大于等于所要求的预定数目(对于2维情况，所述预定数目 为3个；对于3维情况，所述预定数目为4个)。在节点数确定单元112判断信标节点的数目大于等于所要求的预定数目时，位置计算单元113根据信标节点报告的通过超声测距技术测量的信标节点与目前待测的目标节点之间的距离、和信标节点的位置，计算得到目标节点的位置，完成对目标节点的定位。在节点数确定单元112判断信标节点的数目小于所要求的预定数目时，位置计算单元113不执行目标节点的位置的计算，节点数确定单元112等待额外的信标节点的报告，即，等待某些节点从目标模式转换为信标模式。对于采用TDM方式的技术方案，节点数确定单元112还要确定目标节点的总数。目标节点协调单元114根据目标节点的总数，协调目标节点的操作时隙，以时分复用TDM的方式，使得在每个操作时隙，有且仅有一个目标节点发射超声波，并生成用于指示相应的操作时隙被分配给相应节点的发射信令。通信单元111与节点进行通信，发送由目标节点协调单元114生成的发射信令。另外，通信单元111还可以与目标节点进行通信，发送位置计算单元113所计算出的该目标节点的位置。图6A是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的主机110的一个示例操
作流程图。如图6A所示，在步骤S600，主机110完成初始化过程，包括建立系统坐标、确定所要求的预定数目的初始信标节点的位置(对于2维情况，所述预定数目为3个；对于3维情况，所述预定数目为4个)等。步骤S610 S650示出了初始化过程之后的工作状态。在步骤S610，通信单元111与节点进行通信，接收节点(显式或隐式)报告的节点当前所处的模式。在步骤S620，节点数确定单元112根据所接收到的模式报告，确定信标节点的数目。在步骤S630，判断节点数确定单元112所确定的信标节点的数目是否大于等于所要求的预定数目。如果判断节点数确定单元112所确定的信标节点的数目小于所要求的预定数目(步骤S630 “否”)，则返回初始化步骤S600，等待某些节点从目标模式转换为信标模式，以重新完成初始化过程。如果判断节点数确定单元112所确定的信标节点的数目大于等于所要求的预定数目(步骤S630 “是”)，则在步骤S640，通信单元111与节点进行通信，接收信标节点报告的通过超声测距技术测量的信标节点与目前待测的目标节点之间的距离。在步骤S650，位置计算单元113根据信标节点的位置和通信单元111接收到的距离，计算得到目标节点的位置，完成对目标节点的定位。图6B是示出了用在本发明的三维(3D)定位系统100中的主机110的另一示例操作流程图。图6B与图6A之间的区别在于引入了 TDM操作方式。为简明起见，图6B中与图6A中相同的步骤以相同的附图标记表示，并省略对其的详细描述。在步骤S631，节点数确定单元112确定目标节点的总数。在步骤S632，目标节点协调单元114根据目标节点的总数，协调目标节点的操作时隙，以时分复用TDM的方式，使得在每个操作时隙，有且仅有一个目标节点发射超声波，并生成用于指示相应的操作时隙被分配给相应节点的发射信令。
在步骤S633，通信单元111与节点进行通信，发送由目标节点协调单元114生成的发射信令。另外，尤其需要注意的是，在以上图6A和图6B中，针对显式模式报告进行了图示。同样，针对显式模式报告，也可以将步骤S640置于步骤S610与步骤S620之间、或者置于步骤S620与步骤S630之间。如果采用隐式模式报告(不报告模式的情形)，可以调整步骤S640的位置，使其取代步骤S610。这里所公开的本发明实施例的其他设置包括执行在先概述并随后详述的方法实施例的步骤和操作的软件程序。更具体地，计算机程序产品是如下的一种实施例具有计算机可读介质，计算机可读介质上编码有计算机程序逻辑，当在计算设备上执行时，计算机程序逻辑提供相关的操作，从而提供上述3D定位方案。当在计算系统的至少一个处理器上执行时，计算机程序逻辑使得处理器执行本发明实施例所述的操作(方法)。本发明的这种设置典型地提供为设置或编码在例如光介质(例如CD-ROM)、软盘或硬盘等的计算机可读介质上的软件、代码和/或其他数据结构、或者诸如一个或多个ROM或RAM或PROM芯片上的固件或微代码的其他介质、或专用集成电路(ASIC)、或一个或多个模块中的可下载的软件图像、共享数据库等。软件或固件或这种配置可安装在计算设备上，以使得计算设备中的一个或多个处理器执行本发明实施例所述的技术。结合诸如一组数据通信设备或其他实体中的计算设备进行操作的软件过程也可以提供根据本发明的节点和主机。根据本发明的节点和主机也可以分布在多个数据通信设备上的多个软件过程、或者在一组小型专用计算机上运行的所有软件过程、或者单个计算机上运行的所有软件过程之间。应该理解，严格地讲，本发明的实施例可以实现为数据处理设备上的软件程序、软件和硬件、或者单独的软件和/或单独的电路。至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
权利要求
1.一种用在三维定位系统中的节点，包括 通信单元，用于与主机进行通信，向主机报告测量得到的距离； 超声测距单元，用于在所述节点处于目标模式时，按照超声测距技术的规定，发射超声波，以及用于在所述节点处于信标模式时，基于超声测距技术测量所述节点与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离，提供给所述通信单元； 模式转换单元，用于根据所述节点的运动状况，确定所述节点当前是处于目标模式还是标模式。
2.根据权利要求I所述的用在三维定位系统中的节点，其特征在于 所述通信单元还向主机报告所述节点当前所处的模式。
3.根据权利要求2所述的用在三维定位系统中的节点，其特征在于 在所述节点处于目标模式时，所述通信单元还用于接收主机发送的按照时分复用方式确定的发射信令；以及 所述超声测距单元根据发射信令，在分配给所述节点的操作时隙内，按照超声测距技术的规定，发射超声波。
4.根据权利要求I 3之一所述的用在三维定位系统中的节点，其特征在于 当所述节点处于运动状态时，所述模式转换单元确定所述节点处于目标模式；以及 当所述节点处于静止状态且其位置已知时，所述模式转换单元确定所述节点处于信标模式， 或者 当所述节点处于运动状态时，所述模式转换单元确定所述节点处于目标模式；以及当所述节点处于静止状态的时间大于等于模式转换时间阈值且其位置已知时，所述模式转换单元确定所述节点处于信标模式。
5.根据权利要求4所述的用在三维定位系统中的节点，其特征在于 所述模式转换单元包括运动检测子单元。
6.根据权利要求5所述的用在三维定位系统中的节点，其特征在于 所述运动检测子单元是运动传感器或惯性传感器。
7.根据权利要求4 6之一所述的用在三维定位系统中的节点，其特征在于 所述节点的位置通过所述节点与主机之间的通信告知，从而确定所述节点的位置已知；或者 所述节点接收到由处于信标模式的节点发送的包含所述节点到所述处于信标模式的节点的距离的信息通信表明所述节点的位置已知。
8.一种用在三维定位系统中的主机，包括 通信单元，用于与节点进行通信，接收处于信标模式的节点报告的通过超声测距技术测量得到的处于信标模式的节点与目前待测的处于目标模式的节点之间的距离； 节点数确定单元，用于根据所述通信单元所接收到的报告，确定处于信标模式的节点的数目，并判断处于信标模式的节点的数目是否大于等于预定数目； 位置计算单元，用于在所述节点数确定单元判断处于信标模式的节点的数目大于等于所述预定数目时，根据处于信标模式的节点所报告的距离、和处于信标模式的节点的位置，计算得到处于目标模式的节点的位置，其中在所述节点数确定单元判断处于信标模式的节点的数目小于所述预定数目时，所述位置计算单元不执行处于目标模式的节点的位置的计算，所述节点数确定单元等待额外的处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式。
9.根据权利要求8所述的用在三维定位系统中的主机，其特征在于 所述通信单元还用于接收节点所报告的所述节点当前所处的模式。
10.根据权利要求9所述的用在三维定位系统中的主机，其特征在于 所述主机还包括目标节点协调单元， 所述节点数确定单元还用于确定处于目标模式的节点的总数， 所述目标节点协调单元用于根据处于目标模式的节点的总数，协调处于目标模式的节点的操作时隙，以时分复用的方式，使得在每个操作时隙，有且仅有一个处于目标模式的节点发射超声波，并生成用于指示相应的操作时隙被分配给相应处于目标模式的节点的发射信令， 所述通信单元还用于发送由所述目标节点协调单元生成的发射信令。
11.根据权利要求8 10之一所述的用在三维定位系统中的主机，其特征在于 对于三维坐标中某一维度的坐标恒定的情况，所述预定数目为3个，以及 对于三维坐标的情况，所述预定数目为4个。
12.根据权利要求8 11之一所述的用在三维定位系统中的主机，其特征在于 当处于信标模式的节点由静止状态转换为运动状态时，所述处于信标模式的节点从信标模式转换为目标模式；以及 当处于目标模式的节点由运动状态转换为静止状态且其位置已知时，所述处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式， 或者 当处于信标模式的节点由静止状态转换为运动状态时，所述处于信标模式的节点从信标模式转换为目标模式；以及 当处于目标模式的节点处于静止状态的时间大于等于模式转换时间阈值且其位置已知时，所述处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式。
13.根据权利要求12所述的用在三维定位系统中的主机，其特征在于 处于信标模式的节点的位置是所述节点在转换为信标模式之前、所述主机最后得到的所述节点处于目标模式时的位置。
14.一种操作用在三维定位系统中的主机的方法，包括 报告接收步骤，接收处于信标模式的节点报告的通过超声测距技术测量的处于信标模式的节点与目前待测的处于目标模式的节点之间的距离； 第一数目确定步骤，根据所接收到的报告，确定处于信标模式的节点的数目； 判断步骤，判断处于信标模式的节点的数目是否大于等于预定数目； 等待步骤，如果处于信标模式的节点的数目小于所述预定数目，则等待额外的处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式； 定位步骤，如果处于信标模式的节点的数目大于等于所述预定数目，则根据处于信标模式的节点的位置和在所述报告接收步骤中接收到的距离，计算得到处于目标模式的节点的位置。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于 在所述报告接收步骤中，还接收节点所报告的所述节点当前所处的模式。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括 第二数目确定步骤，根据所接收到的报告，确定处于目标模式的节点的总数； 协调步骤，根据处于目标模式的节点的总数，协调处于目标模式的节点的操作时隙，以时分复用的方式，使得在每个操作时隙，有且仅有一个处于目标模式的节点发射超声波，并生成用于指示相应的操作时隙被分配给相应节点的发射信令； 信令发送步骤，发送在所述协调步骤生成的发射信令。
17.根据权利要求14 16之一所述的方法,其特征在于 对于三维坐标中某一维度的坐标恒定的情况，所述预定数目为3个，以及 对于三维坐标的情况，所述预定数目为4个。
18.根据权利要求14 17之一所述的方法,其特征在于 当处于信标模式的节点由静止状态转换为运动状态时，所述处于信标模式的节点从信标模式转换为目标模式；以及 当处于目标模式的节点由运动状态转换为静止状态且其位置已知时，所述处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式， 或者 当处于信标模式的节点由静止状态转换为运动状态时，所述处于信标模式的节点从信标模式转换为目标模式；以及 当处于目标模式的节点处于静止状态的时间大于等于模式转换时间阈值且其位置已知时，所述处于目标模式的节点从目标模式转换为信标模式。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于 处于信标模式的节点的位置是所述节点在转换为信标模式之前、最后得到的所述节点处于目标模式时的位置。
20.—种三维定位系统，包括 根据权利要求I 7之一所述的节点；以及 根据权利要求8 13之一所述的主机。
全文摘要
本发明提出了一种三维(3D)定位系统，包括节点和主机。所述节点在处于目标模式时，按照超声测距技术的规定，发射超声波，而在处于信标模式时，基于超声测距技术测量所述节点与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离，提供给主机。所述主机在处于信标模式的节点的数目大于等于预定数目时，根据处于信标模式的节点所报告的距离、和处于信标模式的节点的位置，计算得到处于目标模式的节点的位置。所述节点根据其自身的运动状况，自行在目标模式和信标模式之间转换。根据本发明的3D定位系统，能够根据系统物理拓扑结构的变化进行自动调整；另外，根据本发明的3D定位系统能够以较短的延时和较高的精度支持多目标定位。
文档编号G01S15/06GK102707286SQ20111008529
公开日2012年10月3日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者宋磊 申请人:日电(中国)有限公司