本发明专利技术提供了一种用于跟踪和定位目标的定位器以及使用该定位器的自治超声波定位系统和方法。所述系统包括：安装在移动目标上的标签设备，该标签设备包含射频（ＲＦ）和超声波发射器，用于发射ＲＦ和超声波信号；以及定位器，用于接收所述标签设备发射的ＲＦ和超声波信号，以定位和跟踪目标的位置。其中所述定位器包括多个叶模块，各个叶模块包含用于接收来自所述标签设备的定位信号的定位信号接收器，其中所述多个叶模块之间具有已知的结构化拓扑关系。各个定位信号接收器的定位信号检测时间以及所述已知的结构化拓扑关系随后被用于计算目标的位置。本发明专利技术的定位器相对于现有技术具有高度精确、容易部署、无需校准、低成本以及容易协调等特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及室内定位系统(Indoor Location System, ILS)和位置感 测，更具体而言，涉及一种基于超声波的独立定位器以及使用其的自治超 声波定位系统和方法，用于定位和跟踪目标的位置。
技术介绍
在普适计算环境中，需要使用ILS来提供定位服务以增强现有应用以 及实现新的应用。当前，在很多不同的应用领域(例如医疗、安全、煤 矿、地铁、智能建筑、餐馆等等)中，对于高度精确地实时跟踪人和物的 位置的市场需求越来越强烈。以下列出了一些可能的应用情形。在办公室环境中，要求雇员在某一安全区域内访问机密信息数据库。 在该区域之外，任何访问都将被禁止。例如，不同组的成员可以在他们的 工作区内访问他们组的信息数据库，或者某些安全计算机仅仅在它们处于 某一区域内时才能被使用。以上这些原则可以通过使用基于位置的服务 (Location-based Service, LBS)来实现。而且，LBS在雇员没有固定办公 桌的办公室环境中尤其有用，因为ILS可以提供显示交互式的实时地图的 能力，所述实时地图能够示出谁在办公室内以及他们的位置。另外，在医院里，可以通过使用ILS来实时跟踪医护人员和所用器 械，从而可以大大简化记录的保存和工作流程。例如，当医生靠近病人 时，在其携带的笔记本电脑上可以自动弹出相关的记录，并且显示已填充 了当前数据的表格，从而医生只需要记录任意附加细节即可。LBS可以在日常工作生活中带给用户新的人机交互体验。当用户在计 算机前面时，计算机知道该用户是谁并在屏幕上自动显示他/她的桌面。想 象一下，当用户正在观看一段视频时，如果用户出于某种原因而突然离 开，计算机可以智能地暂停该视频。并且当用户回来时，计算机将继续播放该视频文件。这里还包括其他示例，例如，如果有找用户的电话打进 来，该电话呼叫可以被自动路由到靠近用户的电话。另外，在对于军事人员、消防员、运动员等专业人员的训练中，也可 以使用ILS来大大增强和改进相关应用。基本上，ILS是一种在很多应用领域和工业中被广泛采用的技术。上述应用情形仅仅是所有可能的应用中的一小部分示例。如上所述，由于对于精确地实时跟踪与定位人和物的市场需求越来越 大，已经开发出很多定位系统来提供基于位置的服务。但是，这些系统尚 无法令用户满意，并且目前，它们中的大多数还停留在实验室或大学的研 究阶段中。用户对这些系统不满意的一个主要原因在于这些系统的安装和 校准很困难，而定位系统在使用前对其进行安装和校准是必不可少的。总体来看，现有定位系统主要面临以下几方面挑战(1) 高安装成本当前的定位系统总是需要用户在将被覆盖的房间里安装很多不同种类 的传感器作为参考点，因此对于用户而言，安装过程很麻烦。例如，用户 需要在墙上打孔、布线、提供电源等等。(2) 手工校准定位系统安装好之后，参考点的实际位置需要首先被校准，然后才能 投入使用。当前的这种校准过程主要是依赖于用户手工执行，因此非常麻 烦并且不精确。另一方面，基于学习的定位系统基本上在离线训练阶段获 得信号空间和物理空间之间的映射，该过程也是需要用户手工执行的。(3) 复杂的网络协议很多当前的定位系统都需要维护复杂的信令和网络协议来协调传感器 网络内的同步和数据处理等等。环境干扰所引起的传感器间协调的不精确 将导致目标定位的不精确。一般而言，现有技术中常用的室内定位系统主要有三种红外、射频(RF)和超声波定位系统。例如，在R. Want的题为"Infrared Beacon Position System"的美国专利No. 6,216,087中公开了一种红外定位系统 "Active badge"(下称"Active Badge"系统)，其建立在双向红外链路上，其中在每个房间中部署一个红外信标，移动单元是一个很小并很轻的 红外收发器，该红外收发器每隔固定间隔广播一次特有的ID。由于红外信号难以穿透墙壁，因此ID广播被容易地包含在办公室内，从而提供房间粒度上的高度精确的定位。另夕卜，在Proc. IEEE INFOCOM, 2000中提出了 一种被称为 "RADAR"的基于RF的用户定位和跟踪系统(下称"RADAR"系 统)，其基于接收到的802.11无线网络的信号强度来进行定位。基本的 RADAR定位方法通过两个阶段执行。首先，在离线阶段，系统被校准， 并且对在围绕目标区域分布的有限多个位置上的接收信号强度建模。其 次，在在线操作期间，在目标区域中，移动单元报告从每个基站接收的信 号强度，并且系统确定在线观察和离线模型中任意点之间的最佳匹配。最 佳匹配点的位置被报告为移动单元的估计位置。下面将描述几种当前现有技术中的超声波室内定位系统。首先，在Jones的题为"Detection system for determining positional and other information about objects"的美国专禾U No. 6,493,649中描述了一种 "Bat"系统，其中用户佩戴一种小徽章，该小徽章在被中央系统无线电触 发时发射超声波脉冲。系统确定脉冲从小徽章到安装在天花板上的密集接 收器阵列的到达时间(TOA)，并基于多边算法(multilateration algorithm)来计算小徽章的三维位置。另外，在2000年8月美国波士顿的第六届国际移动计算和联网会议 (Sixth International Conference on Mobile Computing and Networking)的会 议记录中提出了另一种"Cricket"定位系统，其中在建筑物内分布多个独 立的不相连的信标。信标同时发送RF信号和超声波脉冲。由用户携带的 被称为监听器的小设备通过飞行时间(time-of-flight)方法来推断他们的 位置。另夕卜，S. Holm的题为"A system and method for position determination of objects"的专利No. WO 03/087871中也提供了一种基于超声波的室内定 位系统，即"Sonitor"系统，用于实现房间粒度上的精确定位。在Sonitor 系统中，标签设备(tag)发射20 kHz到40 kHz的超声波信号到位于监听区域中的接收器。通过调频，每个标签设备可以传输特有的信号到接收 器，接收器使用某种算法读取信号，然后将不同标签设备的ID转发到中 央服务器。以下表l示出三种不同信号(红外、RF和超声波)被用于室内定位应 用时，它们之间的详细比较。为了便于说明，这里分别针对三种信号选择 当前三种代表性系统，即用于红外的"Active Badge"系统、用于RF的 "RADAR"系统和用于超声波的"Bat"系统。表l<table>table see original document page 10</column></row><table>注释，i SS/表示接^信号強度；ro4表示效达好海,SPL表示声i级。基于表1可以基本上总结出基于红外的定位系统由于其精确度低并且易受自然光影响而很少使用，而是用信号强度来估计位置的RF系统由 于RF在建筑物内的传播严重偏本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于定位目标的定位器，包括： 多个叶模块，各自包含用于接收来自所述目标的定位信号的定位信号接收器，其中所述多个叶模块之间具有已知的结构化拓扑关系；和 计算模块，用于根据各个所述定位信号接收器的定位信号检测时间以及所述结构化拓 扑关系来计算所述目标的位置。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵军辉，王永才，
申请(专利权)人：日电中国有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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