低级智能电话音频和传感器时钟同步的制作方法

[0001]
本公开一般而言涉及实时定位系统，并且更具体地涉及用在实时定位系统中的时钟同步。


背景技术：

[0002]
近年来，实时定位系统(诸如室内定位系统)已经发现越来越普及和应用。已知在诸如建筑物或其它结构之类的环境内的已知位置处使用静态超声发送器来提供房间级别的位置。这样的发送器可以被用于传输可以被位于超声发送器的广播范围内的一个或多个移动接收器设备接收的声学信号。可以至少部分地基于静态发送器单元的位置和声学信号在移动设备处的到达时间来确定移动接收器设备的位置。


技术实现要素：

[0003]
本公开的实施例的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中获知，或者可以通过实施例的实践而获知。
[0004]
本公开的一个示例方面针对一种与实时定位系统相关联的方法。该方法包括由移动设备接收rf消息，该rf消息包括与实时定位系统中的相对于参考时钟的rf消息的传输时间相关联的定时信息。该方法还包括在接收到rf消息后由移动设备生成中断。该方法还包括响应于该中断，读取音频时钟的值，该值代表自与接收到的声学信号相关联的音频会话开始以来的时间。此外，该方法包括基于该值将音频时钟与参考时钟同步。最后，该方法包括基于同步音频时钟来确定移动设备的位置。
[0005]
本公开的其它方面针对用于提供实时定位的系统、装置、有形的非暂态计算机可读介质、用户接口和设备。
[0006]
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解各种实施例的这些和其它特征、方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图图示了本公开的实施例，并且与本描述一起用于解释相关原理。
附图说明
[0007]
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论，该讨论参考附图，其中：
[0008]
图1描绘了根据本公开的示例实施例的用在实时定位系统中的示例传输设备；
[0009]
图2描绘了根据本公开的示例实施例的用在实时定位系统中的示例传输设备的外部视图；
[0010]
图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例实时定位系统的概览；以及
[0011]
图4描绘了根据本公开的示例实施例的确定与移动单元相关联的位置的示例方法的流程图。
具体实施方式
[0012]
当前，通过使用音频样本计数来完成对声学(例如，超声)信号在移动设备(例如，智能电话)中的到达时间的确定。作为时间估计，音频采样计数的值是参考本地音频时钟得出的。在许多移动设备上找到的常见操作系统(例如，ios、android)中以0.3ms或更好的期望精度(等同于10cm的定位精度)将这个音频样本时钟链接到系统(参考)时间(如实时定位系统基础设施(例如，ultrabeacon系统基础设施)所使用的)目前尚不可行。但是，如果可以实现本地时间(如从本地音频时钟确定的)与参考时间之间的同步，那么可以简化实时定位算法，因为移动设备(例如，智能电话)现在具有查找飞行时间而不是声学信号在移动设备处的到达时间的能力。
[0013]
可以通过各种方式来实现移动设备上的音频时钟与可以被基础设施充当参考时钟的时钟的同步。所有这些方法的共同点在于，要求将来自音频时钟的时钟戳与第二源(例如，与参考时间绑定的时间戳的源)的时钟戳进行关联的低级软件机制之间的时延非常低(小于0.3ms)(或至少恒定)。在实践当中，这种时延要求意味着这种时钟关联需要在本质上实时或者具有高优先级的系统组件中完成。
[0014]
由于与声学(例如，超声)信号相比，rf信号的传播速度高得多，因此rf通信非常适合作为上述关联过程中第二时钟源的基础。这是由于与和声学信号的传播相关联的延迟相比，和rf信号的飞行时间相关联的延迟可忽略不计。但是，在实践当中，这种方法远非简单易行，因为公用移动设备平台上不支持通常在基础设施组件中使用并允许对定时和消息内容进行低级访问的rf收发器(zigbee、lora、ant等)。反之亦然，即，在移动设备平台上支持的rf收发器(wifi、gsm、cdma、ble)通常不允许对消息内容和消息定时的低级访问。即使支持这种功能(例如，ble配对的通信)，耗电的双向通信也将禁止在可能要求使用低成本电池支持数年的电池寿命的电池功率位置发送器中使用。
[0015]
总之，在声学定位中使用飞行时间定位方法存在各种障碍。首先，通常在移动设备上发现的操作系统(例如，ios、android)不支持在应用级别对音频采样时钟和其它rf收发器时钟的定时进行充分控制，从而无法准确估计声学信号的飞行时间(例如，时延小于100μs的音频时钟值和收发器时钟值的准同时读出)。其次，移动设备上目前不支持允许可以由电池供电的基础设施支持并且可以在大型超声位置发送器网络当中扩展的低功率同步机制的rf通信协议。
[0016]
使用rf驱动的中断在智能电话上对低级音频时钟加时间戳
[0017]
发明人的见解识别出了克服上述障碍的许多方法。在第一种方法中，通过使用中断驱动的例程来获得音频时钟与传入的rf消息(即，第二源)的低时延关联，其中rf消息前导码的接收生成中断，该中断读取自音频会话开始以来音频时钟计数器的值。对于以48khz采样的音频信号，对于使用声学信号的定时来鉴别距离，这种音频样本计数器时钟信号具有足够的分辨率(20.8μs，对于声学信号来说等同于7mm)。在实施例中，可以在移动设备中发现的控制rf通信、传感器或音频处理的专用处理核心上实现这种方法。
[0018]
智能电话与基础设施之间的间接时钟同步
[0019]
现有的发明人已经描述了在部署中间网关的网络中使用以100μs或更好的精度同步任意数量的位置发送器的可扩展方法。但是，这种方法的先决条件是基础设施单元(电池供电的位置发送器和中间网关)正在使用具有重叠通信覆盖范围的常见rf方案进行通信。
虽然这种方法在同步由运行嵌入式硬件的单元组成的基础设施方面非常出色，但是由于目前在基础设施和移动设备(例如，智能电话)之间不存在常见rf方案，因此这种方法无法轻松地用移动设备(例如，智能电话)实现。为了克服这个问题，发明人的见解导致了几种根本不同的方案。在一种方法中，在经同步的网络中传输声学信号(例如，超声信号)的位置发送器配备有附加的第二rf收发器，该附加的第二rf收发器使用与移动设备(例如，智能电话)共同的协议，该附加的第二rf收发器传输可以由移动设备接收的定时信息。使得在能够进行同步的网络中的位置发送器在从(也可用于移动设备的)时钟源导出的时间实例处进行传输。发明人已经基于对上述挑战的见解而设计出各种方法。
[0020]
基础设施以距us传输预定义的偏移量来发送ble信标
[0021]
在一个实施例中，由网络同步的超声位置发送器单元(超信标)组成的基础设施以个体超信标单元的本地时钟值(最常见的是第一rf收发器的实时时钟(snobee或lora))中指定的重复间隔和偏移量传输超声信号。这个偏移量和重复间隔由中央服务器组件基于对实时定位系统的基础设施中参考时钟的选择以及所有超信标时钟的统计分析来指定。基础设施超声位置发送器包括第二rf收发器(或收发器)，它能够在准确定义的时间传输ble信标消息(在嵌入式硬件/固件方案中可实现微秒的时延)。位置发送器在相对于较早指定的us传输偏移量的相对定时发送带有唯一id的ble信标，该较早指定的us传输偏移量由服务器基于查找表指定(信标也包含唯一标识符)。在智能电话接收到ble信标后，(以低时延)找到当前音频时钟计数并将其存储以便一旦接收到相关联的us传输就进行检索。
[0022]
可替代地，可以通过使用中间时钟(例如，智能电话系统时钟)间接地完成ble信标和音频时钟之间的关联。智能电话可以访问由服务器使用的查找表，这些查找表通过查找ble id并将其与从us消息接收获得的时间戳相关联而将us传输与ble传输之间的偏移量相关联。这允许智能电话根据us与ble传输之间的延迟来计算飞行时间。
[0023]
上述方法的一个优点是，ble信标不包含与系统的定时相关联的任何可变数据作为ble信标的一部分。在最常用的ble信标消息(例如，ibeacon、eddystone)中，几乎没有或没有空间容纳此类可变内容。
[0024]
作为上述方法的替代，基础设施可以发送包含定时信息的ble信标。例如，超声传输时间与rf传输时间之间的偏移量可以被包含在ble信标数据字段内。
[0025]
其它低功耗的通信手段
[0026]
其它实施例可以使用除上述实施例中使用的ble协议以外的协议。其它实施例可以使用可以被控制在低级别以在指定时间广播并由移动设备接收的任何rf协议，从而实现上述方法。例如，虽然更耗电，但wifi表示ble方法的替代方法。
[0027]
gps时钟同步
[0028]
对超声基站的集群进行同步的一种方法是使用gps同步的主设备。但是，由于每个主设备必须包含具有良好gps接收条件的gps接收器，因此这种方法的扩展性不高并且昂贵。此外，在室内环境中，主设备在这种环境中的覆盖范围可能仅为20-40m，因此需要在诸如医院之类的现实室内环境中部署大量此类主设备。为了克服这一障碍，控制网络同步的位置发送器的服务器可以访问一个或多个单元，这些单元可以在服务器观察到的rf收发器时钟与能够被加时间戳的gps时钟之间以低时延执行低级时间戳关联。这种单元将由嵌入式方案组成，该方案保证了世界时钟时间戳与rf收发器的时间戳关联之间小于10μs的时
延。为了使gps时钟在不利的gps接收条件下(在室内环境中容易遇到)稳健，可以静态地定义这种gps接收器的位置并使其对于gps接收器来说可获得。为了估计gps时间，gps接收器实际上必须同时估计位置和时间。通过使位置先验可用，可以以较低的误差来估计gps时间。为了实现冗余并减少gps错误，使用包含同时为rf传输和gps时钟读数加时间戳的能力的多于一个单元将是优势。这样的gps/rf收发器加时间戳器可以被实现为上述经同步的位置发送器网络中的网关，因为这些单元是永久供电的。由于服务器与gps/rf收发器时间戳器单元之间的通信手段并不重要，因此许多其它实施例是可能的；gps时间与rf收发器时钟的关联是定义事件。
[0029]
世界时钟同步
[0030]
gps同步的概念可以被扩展为使用世界时钟时间的时间概念。世界时钟时间是原子时钟的联网布置，其在全球范围内维持准确的定时。gps、ntp和lf原子时钟全都与这个原子时基相关，以同步它们的时钟。因此，有可能通过使用世界时钟时间对两个事件进行定时来导出这两个事件之间的时间延迟。这些设备如何维持世界时钟时间常常是商业秘密，但是这些设备通常可以访问互联网，因此ntp是显而易见的选择。诸如智能电话之类的移动设备可以具有可用的gps和蜂窝网络定时能力，这些能力可以与ntp结合使用，以维持系统时钟尽可能接近真实世界时钟时间。许多智能电话、平板电脑和个人计算机支持世界时钟时间的概念，并且在一些情况下会使用这个时间对音频记录事件加时间戳。这可以通过使用世界时钟时间对音频缓冲器加时间戳来完成，这是一个保证音频采样事件与时间戳之间的低时延的过程。这意味着可以通过插入音频缓冲器世界时钟时间戳来将传入的声学信号与世界时钟时间绑定。声学信号的到达时间是从音频样本计数中导出的，该音频样本计数通常具有48-192khz的速率。在示例性实施例中，音频缓冲器具有数千个样本的长度，这导致以10hz至100hz的速率产生世界时钟时间戳。这足以执行音频计数导出的到达时间定时到世界时钟时间的准确转化。
[0031]
随着移动设备根据世界时钟时间来表述超声到达时间，剩下的挑战就是将基础设施与世界时间同步。可以使用针对gps同步概述的方法间接完成这个操作。可以假设位置发送器的网络使用联网的集中式模型进行本质上的同步，其中中央服务器观察时钟配对并向各个发送器发布时间表。中央服务器通常挑选观察到的时钟之一作为参考。允许中央服务器使用世界时钟时间作为参考的方式是允许服务器观察在配对过程中具有低时延的世界时钟时间和rf收发器时钟的一对或多对。在实施例中，配对过程中的低时延意味着需要与世界时钟时间戳几乎同时获得来自rf收发器的时间戳。这可以有利地在嵌入式实时硬件方案中实现，其中可以保证事件之间的定时。示例是微控制器，该微控制器具有到与位置发送器通信的rf收发器以及例如gps设备两者的低级设备接口。
[0032]
示例性实施例如下。gps接收器被配置为以已知的时延有规律地向内部总线(例如，uart、spi等)上的微控制器传输其时钟读数。消息到达微控制器上触发中断，该中断发起到rf收发器的、发送其当前时钟计数的信号。这个信号在rf收发器的控制器上生成中断，该中断读取其时钟并向微控制器发送该时钟读数。可替代地，一些gps时钟具有i/o引脚，当有时钟值可用时，该i/o引脚改变状态，这个引脚可以触发rf收发器时钟的读取，从而导致时钟周期量级的时延。
[0033]
在另一个示例性实施例中，世界时钟时间可以从低频(lf)rf原子时钟接收器、网
络时间协议(ntp)或蜂窝电话网络获得。在从ntp获得的情况下，服务器将要求到一个或多个ntp服务器的低时延网络连接。此外，将要求把ntp时间与rf收发器时间进行配对的低时延方法。同样，嵌入式方案实现ntp协议并且可以低级访问rf收发器。如果实施例要在网关上运行npt(或具有离群值拒绝的增强型ntp)，那么也可以在网关上获得相对准确的时钟。然后，可以对照世界时钟时间跟踪rf收发器时间。如果存在运行ntp的若干网关，那么与世界时间相比，除此之外还可以跟踪rf收发器时间的若干网关估计。通过对来自多个网关的估计求平均，相对于snobee时钟，可以获得对世界时钟的甚至更好的估计。在此，可以使用与用于rf收发器时钟与离群值拒绝和其它增强进行同步的相同方法。
[0034]
惯性测量单元(imu)同步
[0035]
为了将初始运动传感器数据(加速度计、陀螺仪、磁力计和压力传感器)与超声到达时间或飞行时间数据进行融合，样本在时间上对准是基本的。每个传感器组(加速度计相对于磁力计)可以具有其自己的定时和采样率。此外，对于这些信号中的每一个信号通常没有共同的采样时间，并且这些信号定时也不与音频时钟相关联。这严重限制了将惯性测量单元(imu)数据与从到达时间或飞行时间导出的超声定位数据进行融合的用途。对这个问题的解决办法是，以与针对ble和音频时钟所述的相同方式，在所有传感器子组和音频采样时钟之间执行低延迟时钟关联。再次，这可以使用在跨多个传感器组的采样事件之间具有低固有延迟或已知恒定延迟的低级软件实施方式来实现。
[0036]
ios实施例
[0037]
在使用ios系统的实施例中，当与ntp相比，ios看起来非常准确地同步时钟。例如，在ios中，当iphone8连接到wifi网络时，与ntp相比，系统时钟可以支持1ms量级的错误。可以理解的是，由iphone8使用某种形式的ntp来同步其时钟，因为在与wifi网络断开连接一段时间之后发现较大的偏差。ios系统上可用的audiocallback例程已经提供了绝对时间和音频计数之间的链接，如下所示：
[0038]
msampletime
[0039]
绝对样本帧时间。
[0040]
mhosttime
[0041]
主机机器的时基，mach_absolute_time。
[0042]
mratescalar
[0043]
每个样本帧的实际主机滴答(tick)与每个样本帧的标称主机滴答的比率。
[0044]
@fieldmwordclocktime
[0045]
字时钟时间。
[0046]
@fieldmsmptetime
[0047]
smpte时间。
[0048]
@fieldmflags
[0049]
标志的集合，指示时间的哪些表示有效。
[0050]
@fieldmreserved
[0051]
对结构进行填充以强制进行偶数8字节对准。
[0052]
*/
[0053]
https://lists.apple.com/archives/coreaudio-api/2008/oct/msg00272.html
[0054]
这意味着在上面的gps同步场景中，如果设备系统时钟已经与世界时间同步，那么不要求具体的附加措施来同步音频。我们需要做的全部就是使用lf原子时钟、gps、ntp或其它手段将基础设施与世界时间同步。
[0055]
现在将详细参考涵盖各种实施例的架构，在附图中示出了其一个或多个示例。通过解释实施例来提供每个示例，而不是对本发明限制。事实上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对实施例进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是本公开的各方面覆盖这样的修改和变化。
[0056]
本公开的示例方面针对用在实时定位系统中的移动设备。例如，传输设备可以被配置为传输声学信号，使得声学信号可以由一个或多个移动单元接收。在一些实施方式中，传输设备可以被配置为传输信标数据，使得信标数据可以被一个或多个移动单元接收。声学信号可以是超声声学信号(例如，具有大于或等于20khz的频率的声学信号)。在一些实施方式中，第一和第二声学信号可以包括与传输设备相关联的识别信息和/或指示传输设备在特定主体区域内的位置的位置信息。例如，位置数据可以指示传输设备在建筑物的特定房间内的位置。
[0057]
更具体地，传输设备可以包括第一换能器和第二换能器。第一换能器可以被配置为传输具有第一频率的第一声学信号，并且第二换能器可以被配置为传输具有第二频率的第二声学信号。在一些实施方式中，第一频率可以是大约20khz，并且第二频率可以是大约40khz。如本文所使用的，术语“大约”在与数值结合使用时意在指数值的40％以内。将认识到的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其它合适的频率。通常，由于使用高效声学换能器以获得足够的电池寿命，因此声学信号具有窄带性质。这意味着声学信号的带宽在载波频率的5-10％之间。
[0058]
传输设备还可以包括被配置为传输信标数据的信标设备。在一些实施方式中，信标设备可以在传输设备内实现。信标设备可以是被配置为使用任何合适的无线通信技术来提供信标数据的任何合适的信标设备。例如，信标设备可以是射频信标设备(例如，蓝牙低功耗(ble)信标设备、蓝牙信标设备、wifi信标设备、wifi直接信标设备、近场通信信标设备、zigbee信标设备等)、红外信标设备或其它合适的信标设备。以这种方式，信标设备可以包括合适的传输设备，该传输设备被配置为传输(例如，使用合适的短程无线通信技术来广播)信标数据。信标数据可以包括指示传输设备的标识的数据和/或指示传输设备的位置的数据。在一些实施方式中，信标数据中包括的位置数据可以是特定主体区域内传输设备的相对位置。信标数据还可以包括涉及传输的定时的信息，无论是rf、超声还是其它。
[0059]
实时定位系统可以是例如室内定位系统。更具体地，实时定位系统可以包括传输设备和一个或多个移动单元。移动单元可以是任何用户设备，诸如智能电话、平板计算机、膝上型计算机、可穿戴计算设备或在操作的同时能够被用户携带的任何其它合适的用户设备。在一些实施方式中，移动单元可以是专用定位标签，其被配置为固定或附着到人、物体或物品上。这样的定位标签可以可操作以与传输设备通信以确定定位标签(以及定位标签所附着到的对应的(一个或多个)人、(一个或多个)物体或(一个或多个)物品)的位置。
[0060]
以这种方式，传输设备可以被配置为在主体区域内传输声学信号和/或信标数据，使得在传输设备的广播范围内的一个或多个移动单元可以接收传输的声学信号和/或信标
数据。在一些实施方式中，接收声学信号和/或信标数据的移动单元然后可以确定移动单元在主体区域内的位置。在一些实施方式中，移动单元可以将声学信号和/或信标数据提供给服务器(例如，经由合适的有线和/或无线通信)，使得服务器可以至少部分地基于声学信号和/或信标数据来确定移动单元在主体区域内的位置。
[0061]
具体地，本公开的实时定位系统可以被用于确定一个或多个移动单元的位置、朝向和/或方向。移动单元的位置、朝向和/或方向可以相对于主体区域是相对的。例如，移动单元的位置可以是主体区域内的位置。更具体地，可以相对于主体区域和/或主体区域所在的建筑物或其它实体的布局和维度来确定位置。位置可以是相对于3d空间指定x坐标、y坐标和z坐标的三维(3d)位置。在一些实施方式中，位置可以是二维位置。本公开的各方面可以提供在大约6英寸至大约12英寸内准确的移动单元的位置确定。
[0062]
在一些实施方式中，传输设备可以至少部分地基于与实时定位系统相关联的一个或多个移动单元的能力来确定是传输具有第一频率的第一声学信号还是传输具有第二频率的第二声学信号(还是传输两者)。例如，可以至少部分地基于与实时定位系统相关联的移动单元内包括的一个或多个麦克风(或其它合适的换能器)来选择第一声学信号或第二声学信号。如上面所指示的，(由第一换能器提供的)第一声学信号可以具有大约20khz的频率，而(由第二换能器提供的)第二声学信号可以具有大约40khz的频率。
[0063]
可以至少部分地基于与实时定位系统相关联的移动单元的已知能力来预先确定要传输哪些声学信号(以及由此要使用哪个换能器来传输这些信号)的确定。例如，常规的智能电话包括可操作以接收具有20khz频率的声学信号的麦克风。如果已知与实时定位系统相关联的移动单元包括智能电话(或可操作以接收20khz频率的其它合适的移动单元)，那么传输设备可被操作以经由第一换能器提供第一声学信号。在一些实施方式中，这种声学信号确定可以由用户或与实时定位系统相关联的其他人手动进行，例如，通过与和计算设备相关联的用户接口的交互(例如，关于图3描述的计算设备中的一个或多个)来进行，该计算设备与实时定位系统相关联。在一些实施方式中，可以至少部分地基于由与实时定位系统相关联的计算设备(例如，参考图3描述的计算设备中的一个或多个)执行的查找功能来自动执行声学信号确定。更具体地，计算设备可以访问查找表，该查找表指定将在确定声学信号中使用的信息。这种查找表可以包括例如与实时定位系统相关联的移动单元的特点和/或能力。例如，查找表可以指定各种合适的移动单元的麦克风类型、特点、能力等。在一些实施方式中，查找表可以指定用于传输声学信号的特定频率或换能器。查找功能可以是预定的或可以实时确定。例如，传输设备可以与移动单元通信以确定该移动单元的身份。然后，传输设备可以基于身份来执行查找功能。
[0064]
可以至少部分地基于由移动单元接收的声学信号来确定移动单元的位置、朝向和/或方向。将认识到的是，可以使用各种合适的位置确定技术来确定这样的信息。例如，可以使用三边测量、多边测量、三角测量或其它合适的技术至少部分地基于飞行时间(tof)、到达时间差(tdoa)、到达角度(aoa)等来确定移动单元的位置、朝向和/或方向。在一些实施方式中，可以至少部分地基于在移动单元内实现或以其它方式与移动单元相关联的一个或多个位置传感器来确定移动单元的位置、朝向和/或方向。例如，可以使用位于移动单元内的加速度计、陀螺仪、惯性测量单元等中的一个或多个(例如，使用合适的传感器融合技术)来确定或精炼这种信息。
[0065]
在一些实施方式中，可以至少部分地基于由传输设备提供的信标数据来确定移动单元的位置、朝向和/或方向。例如，信标数据可以与声学信号和/或位置传感器数据结合使用以确定移动单元的位置、朝向和/或方向。在这样的实施方式中，信标数据可以被移动设备用来确定移动单元的位置、朝向和/或方向的路线估计，这可以至少部分地基于声学信号和/或位置传感器数据来精炼。在一些实施方式中，信标数据可以被用作声学信号的备份。例如，如果声学信号不能被用于确定移动单元的位置(例如，如果移动单元上的(一个或多个)麦克风没有接收到声学信号)，那么信标数据可以被用于确定移动单元的位置朝向和/或方向。一般而言，根据信标数据确定的移动单元的位置、朝向和/或方向将不如使用声学信号确定的位置、朝向和/或方向那样准确。
[0066]
如上面所指示的，相对于常规的实时定位系统，本公开的实时定位系统提供了更准确和高效的定位系统。更具体地，本公开的实时定位系统提供了大约6英寸至大约12英寸内的增加的精度。以这种方式，可以以每个房间和/或子房间为基础来确定移动单元的位置，这可以允许更准确的位置跟踪。这种实时定位系统要求较少的处理功率，以及较小且易于扩展的较不复杂的基础设施。这种实时定位系统还通过利用多种位置确定技术(例如，使用声学信号、位置传感器数据和/或信标数据)来提供近实时时延。这种实时定位系统还通过允许使用各种类型的移动单元以及具有提供具有多个频率的多个声学信号以适应这样的各种移动单元的能力来提供增加的灵活性。
[0067]
本公开的实时定位系统可以用在许多应用中，诸如位置跟踪、工作流程、移动装备跟踪、安全性和依从性(例如，手卫生依从性、温度监控、用于婴儿绑架保护的门锁、漫游管理、寻路、移动装备管理、人员位置确定等)或其它合适的应用。例如，本公开的实时定位系统可以被配置为通过向用户提供从起点到目的地的路线指示、逐步指导等来提供寻路信息。在一些实施方式中，这种寻路应用可以与和用户的移动单元相关联的地图绘制或路线应用结合使用，以促进关于建筑物、区域、地理地区等的地图的寻路。一个示例使用领域在医疗保健行业内。例如，可以在医院内实现本公开的实时定位系统，以提供患者跟踪、患者流程等。
[0068]
现在参考附图，将更详细地讨论本公开的示例方面。例如，图1描绘了根据本公开的示例实施例的用在实时定位系统中的示例传输设备100。传输设备100包括第一换能器102、第二换能器104和信标设备106。第一换能器102和第二换能器104可以是被配置为传输声学信号的任何合适的换能器。更具体地，第一换能器102可以被配置为以第一频率(例如，大约20khz)传输第一声学信号并且第二换能器104可以被配置为以第二频率(例如，大约40khz)传输第二声学信号。如所指示的，声学信号可以包括指示传输设备100的身份的数据和/或指示传输设备100的位置的数据。信标设备100可以由电池供电并且能够运行几年。可替代地，单元可以借助于电缆来供电，例如使用通过以太网的电力或主电源。
[0069]
信标设备106可以是被配置为使用合适的短程无线通信技术来传输信标数据的任何合适的信标设备。例如，信标设备106可以是ble信标设备、wifi信标设备、红外信标设备或其它合适的信标设备。如所指示的，信标数据可以包括指示传输设备100的身份的数据和/或指示传输设备100的位置的数据。
[0070]
传输设备100还可以包括控制器108，该控制器108被配置为使第一换能器102和/或第二换能器104传输声学信号，并且使信标设备106传输信标数据。控制器108可以包括一
个或多个处理器和一个或多个存储器设备。一个或多个处理器可以包括任何合适的处理设备，诸如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑设备、一个或多个中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)和/或其它处理设备(诸如片上系统(soc))。一个或多个存储器设备可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂态计算机可读介质、ram、rom、硬盘驱动器、闪存或其它存储器设备。一个或多个存储器设备可以存储一个或多个处理器可访问的信息，包括可以由一个或多个处理器执行的指令。指令可以包括本文公开的任何技术或方法的各个方面。一个或多个存储器设备还可以包括可以由一个或多个处理器检索、操纵、创建或存储的数据。
[0071]
在一些实施方式中，控制器108可以使声学信号和/或信标数据被周期性地或以另一种合适的方式传输。在一些实施方式中，控制器108可以被配置为执行查找功能以确定是传输第一声学信号还是传输第二声学信号。更具体地，控制器108可以访问查找表，该查找表指定与和传输设备100和/或实时定位系统兼容的各种合适的移动单元相关联的一个或多个操作能力。例如，在一些实施方式中，(一个或多个)移动单元110可以将(一个或多个)移动单元110的识别数据提供给传输设备100。控制器108可以至少部分地基于该识别数据来执行查找功能。控制器108然后可以选择与第一换能器102相关联的第一声学信号或与第二换能器104相关联的第二声学信号。控制器108然后可以使得通过对应的换能器传输所选择的声学信号。
[0072]
如所指示的，控制器108还可以使得信标设备106传输信标数据。信标数据的这种传输可以与声学信号的传输分开发生，或者与声学信号的传输并发地发生(或在其之前)。在一些实施方式中，可以传输信标数据，使得接收信标数据的(一个或多个)移动单元110可以至少部分地基于信标数据和声学信号两者来确定移动单元的位置、朝向和/或方向。在一些实施方式中，在不能使用声学信号确定(一个或多个)移动单元110的位置、朝向和/或方向的情况下，信标数据可以被用于实现备份位置确定技术。
[0073]
图2描绘了根据本公开的示例实施例的用于实时定位系统中的示例传输设备120。传输设备120可以与图1的传输设备100或其它合适的传输设备对应。更具体地，图2描绘了传输设备120的外部视图。传输设备120包括壳体121，壳体121围绕并保护传输设备120的敏感内部组件。如图所示，传输设备120包括第一换能器122和第二换能器124。第一换能器122可以被配置为提供具有大约20khz的频率的声学信号。第二换能器124可以被配置为提供具有大约40khz的频率的声学信号。在一些实施方式中，传输设备120还可以包括被配置为传输信标数据的信标设备。
[0074]
图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例实时定位系统200。实时定位系统200可以是例如部署在整个建筑物或其它结构中的室内定位系统。实时定位系统200包括具有已知位置的多个固定的静态传输设备202。传输设备202可以是任何合适的传输设备。例如，传输设备202可以被配置为传输声学和/或其它(例如，射频)定位信号和信标数据。在一些实施方式中，传输设备202可以分别与图1和2的传输设备100和/或120对应。传输设备202可以策略性地在整个建筑物或结构中设站(stationed)，以允许确定位于建筑物或结构中的一个或多个移动单元204的位置。以这种方式，传输设备202可以广播声学信号，使得当移动单元位于传输设备202的广播范围内时，声学信号可以被移动单元接收。
[0075]
传输设备202还可以与和实时定位系统200相关联的网关设备206通信。如图所示，
实时定位系统200可以包括一个或多个网关设备206。可以使用任何适当的有线和/或无线通信技术来执行传输设备202与网关设备206之间的通信。例如，在一些实施方式中，可以使用根据ieee 802.15.4标准的无线通信来执行传输设备202与网关设备206之间的通信。网关设备206可以被配置为监视和调节实时定位系统200的健康以及维护和配置。在一些实施方式中，网关设备206可以具有相关联的用户接口，实时定位系统200的一个或多个用户可以访问该相关联的用户接口。这种接口可以允许用户远程地查看实时定位系统200的各种合适的配置、特点或质量，或与其交互、操纵其、编辑其等。如图所示，移动单元204还可以经由适当的通信网络(诸如无线局域网212)来访问网关设备206。在一些实施方式中，网关设备206可以在传输设备202内实现。
[0076]
实时定位系统200还包括服务器设备208。服务器设备208可以由传输设备202和/或移动单元204访问。更具体地，如图所示，服务器设备208可由传输设备202经由网关设备206访问，并且可由移动单元204经由无线局域网212和/或蜂窝网络210访问。在一些实施方式中，服务器设备208可以至少部分地基于与移动单元相关联的一个或多个声学信号、信标数据和/或传感器数据来确定移动单元204的位置、朝向和/或方向。例如，移动单元204可以将接收到的声学信号和信标数据连同传感器数据一起提供给服务器设备208，使得服务器设备208可以确定移动单元204的位置、朝向和/或方向。在其中移动单元204确定其自己的位置、朝向和/或方向的实施方式中，移动单元204可以将这样的信息提供给服务器设备208，使得服务器设备208可以用附加信息更新实时定位系统200。在一些实施方式中，服务器设备208可以托管用于选择提供给移动单元204的声学信号的查找表。
[0077]
如所指示的，移动单元204和/或服务器208可以被配置为至少部分地基于声学信号、信标数据和/或传感器数据来确定移动单元204的位置、朝向和/或方向。以这种方式，移动单元204可以被配置为接收由一个或多个传输设备202提供的声学信号和/或信标数据。声学信号和/或信标数据可以编码与一个或多个传输设备202相关联的识别信息和/或与一个或多个传输设备202相关联的位置数据。在接收到这样的数据后，移动设备204和/或服务器208可以被配置为对信号进行解码以提取被编码在信号中的识别信息和/或位置信息。例如，在从传输设备202接收到声学信号后，移动单元204可以使用任何合适的解码技术(诸如各种合适的数字信号处理技术)对信号进行解码。然后，移动单元204可以至少部分地基于提取出的信息来确定移动单元204的位置、朝向和/或方向。例如，移动单元204可以使用任何合适的定位技术(诸如通过测量声学信号的toa、tdoa、tof等和使用多边、三边、三角测量等)来确定位置、朝向和/或方向。
[0078]
将认识到的是，图3中描绘的实时定位系统200仅用于说明性目的。还将认识到的是，本公开的实时定位系统可以包括各种其它合适的配置或布置，并且可以利用各种其它合适的通信技术。更具体地，实时定位系统200可以包括以各种合适的配置来布置的任何合适数量的传输设备202，以促进确定任何合适数量的移动单元204的位置。
[0079]
图4描绘了根据本公开的示例实施例的用于选择要由与实时定位系统相关联的传输设备传输的声学信号的示例方法(400)的流程图。方法(400)可以由一个或多个计算设备(诸如关于图1描述的计算设备中的一个或多个)来实现。此外，为了说明和讨论的目的，图4描绘了以特定次序执行的步骤。
[0080]
在(402)处，方法(400)可以包括由移动设备接收与实时定位系统相关联的rf消
息。rf消息包括与实时定位系统中相对于参考时钟的rf消息的传输时间相关联的定时信息。
[0081]
在(404)处，方法(400)可以包括在接收到rf消息后由移动设备生成中断。
[0082]
在(406)处，方法(400)可以响应于中断而包括读取音频时钟的值，其中该值代表自与接收到的声学信号相关联的音频会话开始以来的时间。
[0083]
在(408)处，方法(400)可以包括基于该值将音频时钟与参考时钟同步。
[0084]
在(410)处，方法(400)可以包括基于同步音频时钟来确定移动设备的位置。
[0085]
附加实施例
[0086]
如以上所讨论的，实时定位系统的实施例试图通过接收特定于位置的信号来提供可移动资产或人的位置。通过对那个特定于位置的信息进行解码并将其转发到中央服务器，中央服务器可以确定那个特定可移动资产或人的位置。在这种实时定位系统中，要求将特定于位置的信号的每个声学发送器配置为提供其特定于位置的信号，并且其特定于位置的信号的传输需要进行协调，以便可移动资产或人的任何位置标签都在范围内，相应的传输和接收能力在时间上被同步。具体地，期望每个位置标签被配置为打开接收窗口，该接收窗口适用于实时定位系统在其中操作的特定环境中的所有声学传输设备。因此，在实时定位系统所在的特定环境中的所有声学传输设备由此被配置为在同一传输窗口期间进行传输。通过协调所有传输设备和位置标签来按相同的传输/接收窗口调度进行操作，可以通过使得相应设备中的每一个设备在除了传输/接收窗口之外的所有时间处于睡眠状态来延长电池寿命。可替代地，在所传输的声学信号不支持多路访问的情况下，可以以已知的时间偏移量来分发从具有声学重叠区域的各个信标设备传输的声学信号。关于这些偏移量的信息可以通过移动设备可接收的、来自发送器设备的短程rf传输(例如，ble)来有利地传达。来自发送器设备的短程rf传输可以有利地由中央服务器协调，以针对每个发送器设备距系统时间有某个特定的偏移量而发生。再次，rf传输的这些定时偏移量可以被包括为信标数据的一部分，并且可以被移动设备用于调整其接收rf或者声学接收的定时。在声学和短程rf传输的相对时延被控制在1ms的实施方式中，移动设备可以使用rf与声学传输之间的延迟来估计飞行时间，从而极大地帮助准确定位设备的能力。与针对诸如办公楼、医院等之类的环境的实时定位系统中所需的位置更新时间对应，传输/接收窗口定期出现。在示例性实施例中，传输/接收窗口以1hz的频率发生，即窗口每秒出现一次。
[0087]
如上所述，图2图示了使用声学信号向位置标签提供位置信号以便建立位置的示例性实时定位系统。服务器208提供实时定位系统的总体控制、配置和同步管理。在一些实施例中，服务器208还提供位置信号的分析以确定报告位置标签的位置。服务器208通过使用网关206联网到所有位置发送器202。每个网关206经由网络连接(例如，以太网)连接到服务器208。
[0088]
下行链路控制、配置和同步
[0089]
每个网关206位于可以控制多个位置发送器202的位置。通过使用网关206与其从属位置发送器202之间的双向无线连接来实现这种控制。影响无线连接的这种设计的因素包括无线占用空间的尺寸、所产生数量的网关206的成本以及由位置发送器202使用的功耗。在实施例中，位置发送器202由电池供电，以便降低位置发送器202的安装成本并允许位置发送器202在不同位置的快速部署的灵活性。在新扩建期间改变办公室时，可以使用这种
快速部署。用于网关206与其从属位置发送器202之间的双向无线连接的合适的通信协议包括zigbee连接(即ieee 802.15.4连接)。在数千个位置发送器202的安装中，zigbee连接的占用空间将要求安装数百个网关206以提供所需的占用空间覆盖。在替代方案中，用于网关206与其从属位置发送器202之间的双向无线连接的通信协议包括远程(lora)连接。lora使用基于正交序列扩频(基于osss)的无线电技术来连接其网络中的设备。osss的使用对于在保持简单和容易转出(rollout)基于星形的基础设施的同时提供可扩展的高容量网络(具有非常低的能耗)至关重要。lora网络的实施方式在全球可用的工业、科学和医疗频带(也称为ism频带)中操作，并且可以与其它无线电技术共存于这些频带中，而没有冲突或容量问题的巨大风险。示例性的lora实施例使用868mhz的欧洲ism频带，或美国的902-928mhz频带。lora以远低于zigbee协议的2.4ghz频率的频率操作，导致占用空间要比等效zigbee协议所提供的占用空间大得多。由于具有较大的占用空间，因此与等效的zigbee协议实现相比，网关的数量可以减少两个数量级。
[0090]
其它声学发送器设备
[0091]
位置发送器202提供经编码的信息以供位置标签204接收，其中编码的信息指示那些附近位置发送器202的身份。出于先前所讨论的原因，位置发送器202使用声学信号来提供经编码的信息。除专用声发送器设备之外，还有各种设备可以被用于提供所需的经编码的信息以供位置标签204接收。例如，诸如电视、平板电脑、智能家居集线器之类的智能设备可以被用于传输声学信号和信标数据信号。这些智能设备包括rf通信能力的所需能力，支持信标信号生成和传输，并且还包括传输声学(包括超声)信号的扬声器。甚至灯开关盖也可以通过嵌入式声学发送器来增强，以成为用在实时定位系统中的位置发送器202。因而，通过适当的软件(或在灯开关的情况下通过硬件)，可以以非常小的成本使得这样的现有设备能够用作信标，以供在实时定位系统中使用。因此，通过很少的努力，可以通过使用这些重新配置的智能设备来提供房间级别的位置精度。此外，具有良好声学放置的智能电视和其它固定安装的设备可以被用于提供移动设备的3d位置信息。在这些智能设备处于要求实时位置确定的隔离环境中的情况下，不要求这些智能设备的同步。可以通过使用蓝牙数据信号来同步具有ble能力的设备。
[0092]
位置标签
[0093]
位置标签204附着到需要被跟踪位置的可移动资产或人员身上。位置标签204从附近的位置发送器202接收经编码的信息，其中经编码的信息指示那些附近位置发送器202的身份。出于先前所讨论的原因，位置发送器202使用声学信号来提供经编码的信息。例如，声学信号的传播特点更容易支持基于房间的位置确定，因为声学信号不会穿透房间的墙壁。除了需要接收经编码的信息之外，位置发送器202还需要接收配置、控制和同步信息。对声学信号的可用带宽的分析表明，要求附加的带宽来支持配置、控制和同步功能。
[0094]
信标数据信号
[0095]
从位置发送器202到位置标签204的附加信号通路包括信标信号的使用。信标数据信号常常预先存在于办公室、医院和可能期望实时定位系统的其它环境中。虽然信标数据信号可以穿透墙壁并导致比适用于办公室或类似环境中的实时定位大得多的占用空间，但是信标数据信号可以提供特定位置标签204的粗略位置。知道特定位置标签204的粗略位置为位置标签204提供了优势，因为它减少位置标签204在解码中需要考虑的可能位置代码的
数量。减少可能位置代码的数量减少了处理的量(降低了功耗)，以便进行位置确定。当由蓝牙低功耗方法提供时，信标数据信号具有与和声学信号发送器设备相关联的占用空间相当的占用空间。
[0096]
在各种实施例中，信标数据信号可以提供反映位置标签204(或期望进行位置确定的移动通信设备)附近中的可能位置代码的子集的信息。在其它实施例中，该信息反映位置标签204(或期望进行位置确定的移动通信设备)附近中的可能位置代码的子集，以及期间在声学信号中传输可能位置代码的子集的时隙。信息的形式(无论是可能位置代码的子集，还是可能位置代码的子集以及期间传输这些可能位置代码的时隙)包括各种形式。例如，信息可以是可能位置代码的子集和时隙的表格的形式，或者可以是到信息的链接的形式。信息的位置可以驻留在云中、可以驻留在用于实时定位系统的服务器中，或者可以作为用于特定环境(或其一部分)的声学模型的一部分而被下载。
[0097]
上行链路通信链路
[0098]
位置标签204需要传输它已经从位置发送器202接收到的位置代码。可以通过结合rf芯片组来形成合适的通信通路，使得使用ieee 802.11、ble、wifi或其任意组合来建立通信链路。在许多办公室、医院或其它类似环境中，大量802.11wifi接入点是先前存在的，并在期望实时位置确定的整个环境中提供这种覆盖。用于上传位置代码的wifi网络方法要求允许位置标签204进入wifi网络。作为位置标签204的替代方案，移动通信设备(例如，iphone或等效设备)也可以被用于提供关键人员的位置确定。再次，要求允许移动通信设备进入wifi网络。移动通信设备为位置代码提供替代的上行链路路径，因为移动通信设备可以使用经由云与服务器的蜂窝连接。在移动通信设备不被允许进入wifi网络的场景中，这种替代路径是有吸引力的。例如，在购物中心或医院中，移动通信设备可能无法连接到wifi网络。
[0099]
在又一替代上行链路场景中，位置标签可以使用与另一个移动设备(例如，智能电话、平板电脑、pc或智能手表)的短程rf链路，并且使用这另一个移动设备作为网关来将其位置信息传达给中央服务器。
[0100]
在各种实施例中，信标设备将发出rf信标信号(例如，短程无线信号、ble信号)和以20khz和40khz的示例性频率的一个或两个声学信号。rf信标信号和声学信号两者的组合为实时定位系统提供了某些优点。声学信号包括传输设备的标识信息(即代码)。由于声学波随着与传输设备的距离增加而减小，因此传输设备的标识提供对位置的指示。但是，可能的代码的范围可能大，这增加了解码所传输的代码的难度，特别是在具有多个回声和其它困难的环境中。rf信标信号可以包括信标设备的身份的指示，该信标设备的身份的指示进而可以被用于提供在局部区域中处于活动状态的代码的子集的指示。因此，借助于rf信标信号，移动通信设备(诸如iphone或位置标签)可以确定其位置的路线指示，从而能够辨别在特定区域中正使用声学代码的哪个子集。从而，学习在特定区域中正使用的声学代码的子集通过减少作为用于解码的候选代码的潜在代码的范围而有益于解码过程。
[0101]
rf信标信号还可以向移动通信设备提供定时信息。实时定位系统具有参考时钟，该参考时钟可以被发布到固定的传输设备。但是，期望在移动通信设备中同步本地时钟，其中同步意味着确定本地时钟与参考时钟之间的偏移量，以便可以在固定的传输设备与移动通信设备之间以商定的时间传输/接收信号。因此，将rf信标信号用于iphone或类似设备的
同步是个期望的结果，因为用于这种同步的其它手段相对难以实现。
[0102]
位置标签的同步也是期望的，因为可以使用同步来改善位置标签的功率使用，以及在位置确定过程中提供益处。可以通过对位置标签和传输设备进行定时同步来改善功率使用，使得位置标签在小的商定时间间隔内醒来以接收所传输的信息。例如，可以对位置标签进行时间同步，以在每个1秒的时间帧期间在10毫秒的时间间隔内醒来以接收信号，然后在该时间帧的其余时间进入睡眠状态。这种同步可以通过使用rf信标信号中的定时信息来实现。rf信标信号中的定时信息还可以降低位置标签的实时定位的复杂性。在像gps这样的到达时间系统(toa)中，存在四个未知数：gps设备的位置的三个几何维度(即x、y、z)，连同gps设备中的本地时钟与gps系统中卫星中的参考时钟之间的未知定时偏移量。这些相同的原理适用于使用声学的实时定位系统。但是，通过通过定时信息与rf信标信号，可以解决四个未知数之一——通过将未知数的数量减少到三，从而简化了实时定位系统的复杂性。在提供定时信息与rf信标信号时，与和实时定位系统相关的声学时间帧相比，rf传输时间可忽略不计。
[0103]
虽然已经关于其具体示例实施例对本主题进行了详细描述，但是将认识到的是，本领域技术人员在获得对前述内容的理解后，可以容易地产生对这样的实施例的替代、变化和等同形式。因而，本公开的范围是作为示例而不是作为限制，并且本公开不排除包括对本主题的此类修改、变化和/或添加，如对于本领域的普通技术人员将是明显的那类。