用于基于超声反射信号的对象位置估计的系统和方法
【专利说明】用于基于超声反射信号的对象位置估计的系统和方法
[0001] 本申请为发明名称为"用于基于超声反射信号的对象位置估计的系统和方法"的 原中国发明专利申请的分案申请。原申请的中国申请号为201180054916.X;原申请的申请 日为2011年11月16日，其国际申请号为PCT/IL2011/000884。 发明领域
[0002] 本发明在其一些实施例中涉及定位系统和方法，尤其但不排他地涉及小空间定位 系统和方法。
[0003] 发曰月背景
[0004] 小空间定位、数米或更小的空间内的定位的领域是已知的。利用小空间定位系统 的已知应用包括具有定点设备用于计算机交互、机器人和机器控制系统、以及用于玩具和 库存控制的计算机交互系统的应用。某些应用可能需要2D解决方案，其他应用可能需要3D 解决方案。某些应用（诸如定点设备）可能只需要单向通信，而其他应用（例如，机器人应 用）可能需要双向通信。
[0005] 通过使用利用定向发射机/接收机的距离发现的对象定位也是公知的，在称为 SONAR(声音导航和测距）的方法中使用超声反射。该方法与RADAR(无线电检测和测距） 类似地工作：在特定方向上生成超声脉冲。如果在该脉冲的路径中存在对象，则该脉冲的部 分或全部将被反射回发射机作为回声并且可通过接收机路径被检测。通过测量脉冲被发射 与回声被接收之间的时间差，就能够确定该对象有多远。
[0006]转让给Epos技术有限公司的题为"AcousticRobustSynchronization SignalingForAcousticPositioningSystem(用于声学定位系统的声学稳健同步信 令）"的国际专利申请公开No.W02005111653(AirmanNathan，其内容由此通过援引纳入于 此）描述了定位元件和定位设备，其中定位元件发射连续调制的声学波形和同步信号，该 同步信号是至少两个同步分组的序列，每个分组承载用于该连续调制的声学波形的定时数 据。另外，该同步信号使用时间跳跃来支持多个定位元件的并发定位。
[0007]转让给Epos技术有限公司的题为"MethodAndSystemForObtaining PositioningData(用于获得定位数据的方法和系统）"的国际专利申请公开 No.W003088136(AirmanNathan和EliashivOded，其内容由此通过援引纳入于此）描述了 定位元件和检测器装置，该定位元件用于获得位置并包括用于发射可解码以锁定位置的基 本连续超声波形的第一发射器；该检测器装置用于以准许锁定位置并输出该波形以用于计 算的方式、以能保持位置锁定能力的方式检测该波形。
[0008] 转让给Epos技术有限公司的题为"SystemAndMethodForPositioning(用于 定位的系统和方法）"的国际专利申请公开No.W02008117292(AirmanNathan和Agassy Meir，其内容由此通过援引纳入于此）描述了使用基带和载波信息来提供胜于已知系统的 改善的准确性和/或降低的模糊性。
[0009]"UltrasonicImaginginAirwithaBroadbandInverseSyntheticAperture Sonar(用宽带逆合成孔径声纳在空中的超声成像）"(MichaelP.Hayes，1997)讨论了对来 自数字调制超声信号的收到超声反射的分析。其缺少基带和载波分析、信道建模、泄漏估计 和正交信号的技术。
[0010] US2007/0121097讨论了使用定形超声脉冲的姿势分析。然而，所描述的技术仅使 用真实信号，其并未公开正交基带信号和泄漏估计。
[0011] 美国专利申请20080005703公开了使用超声的手势识别。然而，其并未公开调制 技术。
[0012] 美国专利申请20100296368公开了用于姿势检测的回声分析。然而，其并未公开 调制技术，也未公开对BB和载波信息的使用。
[0013]"ContinuousSonarSensingforMobileMiniRobots(用于移动迷你机器人的 连续声纳感测）"（Jurgenalhold等人，2002)公开了使用连续调制发射。然而，其并未公 开对BB和载波信息的使用。对正交编码的讨论是用于车辆区分和用于同时从若干发射机 估计相同的目标。
【发明内容】
[0014] 根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种用于小空间定位的系统和方法， 其相比于已知系统可改善准确度和/或降低模糊性。可从要定位的无源对象获得具有载波 信号和调制的连续经调制声波的回声。
[0015] 本发明的一些实施例的一方面提供了一种用于小空间定位的系统，包括：发射设 备，其发射经调制连续波，其中该经调制连续波包括载波信号和基带信号，该发射设备朝其 中可能出现希望跟踪的对象的区域或空间或范围发射该信号。接收单元接收起源自该发射 设备的从该对象反射的信号。收到信号可包括自发射机设备的直接路径的泄漏。该系统可 使用基于近似距离的分析来确定反射该发射的对象的位置，该分析使用通过向该对象发射 和从该对象反射的往返延迟所接收到的载波信号和基带信号两者。
[0016] 该系统可使用如设在给定计算设备中的语音组件，诸如内置立体声话筒和扬声 器，以发射和接收超声信号。
[0017] 对载波信号和基带信号两者的分析可包括对载波信号的相位分析。
[0018] 接收单元可包括检测器，用于执行由接收单元接收到的经调制连续波与期望经调 制连续波之间的相关。
[0019] 可任选地，该经调制连续波具有预定形式或结构，并且该期望经调制连续波是由 发射设备发射的经调制连续波的副本。
[0020] 可任选地，该期望连续波建模所发射波（包括例如经调制数字信号）、发射机、空 气、话筒和接收电路的总体响应。
[0021] 可任选地，该期望连续波是从反射的记录导出的。
[0022] 可任选地，接收单元从收到经调制连续波与期望经调制连续波之间的相关来确定 基带和载波信号相关曲线。
[0023] 可任选地，接收单元包括泄漏衰减机制，其中泄漏被定义为从直接路径（发射机 到接收机）中的固定发射接收到的信号，而反射信号是用于Τ0Α测量所需的信号。泄漏也 可在较宽的视角中定义，其除了直接路径信号以外还包括从静态环境反射的信号：设备外 壳、位于设备附近的人造物、该设备放置于其上的表面等。良好的泄漏衰减机制可估计来自 环境的反射，其具有比目标相对更低的变化率。以此方式，目标的运动将更容易被检测和跟 踪。泄漏信号的示例是在从移动设备的扬声器到话筒的最短路径中到达的信号。
[0024] 可任选地，泄漏衰减方法包括如下方法：其中收到信号经历差分运算以移除恒定 泄漏、并随后执行与收到信号的期望波形的复相关。
[0025] 泄漏是在没有反射体时收到的从发射机（扬声器）发送的声学信号。例如，当使 用表面时，比如手持机放置在桌子上时，泄漏可包括来自该表面的反射。
[0026] 措辞"扬声器"在本文中涉及任何发声设备。
[0027] 可任选地，泄漏衰减方法使用其中不存在对象（即，不存在反射）的状况的知识， 以及随后计算相关并且关于数个帧对相关值取平均。帧可被定义为序列的历时，连续调制 是从该序列构建的。结果被存储在存储器中。一旦指示可能存在要定位的对象，就计算相 关并从该相关值中扣除来自不存在对象的状况的相关的所保存值的矢量。这得到无泄漏的 相关信号。
[0028] 作为进一步替换，泄漏衰减方法使用无要定位的对象的知识（即，不存在反射）， 并且随后从直接路径接收到的时域信号被取平均和存储。基于对象可能存在的知识，从先 前存储的模式中扣除这些时域采样，从而产生无泄漏的时域信号，其随后可进一步与该连 续波相关以找出到达时间Τ0Α。
[0029] 由于泄漏通常是恒定的，因此可使用泄漏补偿作为距离校准的手段。因此，有可能 测量泄漏的Τ0Α，从而使用从话筒到扬声器的已知距离来计算音速。该音速可被用于计算环 境温度。
[0030] 可任选地，接收元件确定绝对相关曲线中的一个或多个峰值以及实相关曲线中的 一个或多个峰值。实相关和绝对相关曲线的数学定义在下文提供。
[0031] 可任选地，接收单元包括一个或多个接收机，并且该接收单元配置成用于确定发 射设备与该接收机之间的视线距离或主反射距离。
[0032] 可任选地，与实相关曲线中的峰值基本对准的绝对相关曲线中的峰值对应于接收 机与发射设备之间最可能的视线距离或主反射距离。
[0033] 可任选地，该系统包括模糊解决器，用于从实相关曲线中的多个峰值选择一个或 多个峰值。
[0034] 可任选地，这多个峰值是从包括若干经延迟信号的收到信号获得的，这些经延迟 信号的相关曲线彼此重叠。
[0035] 可任选地，该系统包括模糊解决器，其标识数个峰值中与绝对相关曲线的峰值最 靠近的一个峰值或者决定没有合适的峰值。
[0036] 可任选地，使用基于由模糊解决器计算出的一个或多个预定义参数的值的评分。
[0037] 可任选地，接收单元解译发射机、（反射、）以及一个或多个接收机之间最可能的 视线距离（或最可能的反射距离），其中由接收机接收到的信号包括近范围中的由于由发 射设备发射的信号的多径而引起的彼此重叠的若干经延迟信号。
[0038] 可任选地，接收单元以载波信号波长的十分之一的数量级上的准确度确定该位 置。
[0039] 可任选地，对不同系统使用不同的基带信号。
[0040] 可任选地，接收单元存储关于将由发射设备发射并由要定位的对象反射的基带信 号的信息。
[0041] 可任选地，接收单元基于基带信号来区分从要定位的对象反射的具有载波频率的 经调制信号（其中该反射针对该系统的发射设备）和其他发射设备。
[0042] 可任选地，接收单元存储一个或多个校准参数以用于基于该系统的传递函数来调 整期望经调制连续波。
[0043] 可任选地，该校准参数是相位响应、振幅响应、以及群延迟中的一者。
[0044] 可任选地，该经调制连续波是声波。
[0045] 可任选地，该经调制连续波是超声波。
[0046] 可任选地，该经调制连续波是配置成用于穿透除空气以外的媒介的1-18MHZ范围 内的超声波。
[0047] 可任选地，该经调制连续波是RF波。
[0048] 可任选地，载波信号的频率与经调制连续波的基带信号的频率在相同的量级上。
[0049] 可任选地，接收单元包括间隔开的至少两个接收机，并且每个接收机定位在预定 义位置中。
[0050] 可任选地，该系统包括处理单元，其配置成基于发射设备（反射）与两个接