使用分布式传感器网络的精确定位制造技术

提供了一种用于通过使用一个或多个接收机在空间内测量复电磁场强度幅度和相位值的集合，来确定发射机对象的位置和朝向的方法。该方法包括：针对估计的发射机对象的位置和朝向，对预期复电磁强度的集合进行建模。并且，基于测量的复电磁场值的集合与预期电磁场值的集合之间的残差，来估计与发射机对象的位置相关的参数。其他实施例包括如上所述的方法，该方法包括在包括发射机对象在内的有限空间内包括具有已知位置的多个接收机。还提供了一种传感器网络，包括：用于执行上述方法的多个接收机。所述接收机可以使用无线信道通信。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用分布式传感器网络的精确定位相关申请的交叉引用本申请要求JamesW.Waite、KunLi、JohanOverby、DimitarGargov、PhilipDesjardins和ThorkellGudmundsson于2009年12月31递交的题为“PrecisePositioninginaMultipleDipoleField”的临时申请No.61/291,602以及JamesW.Waite、ThorkellGudmundsson和DimitarGargov于2010年12月30日递交的题为“PrecisePos计ioningUsingaDistributedSensorNetwork”的美国申请No.12/982,723。上述两个申请的内容通过引用全部合并于此。
本专利技术的一些实施例涉及隐藏对象和线状公用传输工具的精确位置的领域，具体地，涉及使用分布式传感器网络的精确定位。
技术介绍
在埋地管或隐蔽管和其他公用设施以受限路权共处于管道中的许多情况下(尤其是在人口稠密的城区环境中)，对地下基础设施进行精确定位和跟踪是很困难的。在那些区域，可以使用有源偶极发射机(有时称“探针”)来跟踪地下管道的路径，或者在部署新公用线路期间跟踪地下定向钻探工具的路径。类似地，将有源信号置于线状公用传输工具(线缆和管)上，以有利于根据信号对特定线路进行精确定位，来自非目标线路的相似信号通常使所述信号发生失真。传统的精确位置系统使用各种方法来计算线路或探针发射机的位置。最经常地，由位于远离感兴趣定位区域的点处的发射机为线路供能，在所述感兴趣定位区域中，所述线路是可访问的。对于探针的情况，设备自身是电池操作的有源发射机，被放置、牵引、钻探或推送至感兴趣定位区域。精确位置接收机监测发射机发射的信号，并导出相对于目标线路或探针的偏移、深度和距离的估计。如果整个系统在地上并且不受信号路径中金属障碍的显著影响，一些精确位置系统(又称实时定位系统(RTLS))使用超宽带(UWB)技术。对于UWB定位系统，使用GHz范围内的短波长射频(RF)脉冲来测量从发射机源到每个接收机的时延估计，根据该时延估计使用已知的传播速度(即，光速)来确定距离。备选地，进行路径损耗测量，只要发射机功率已知，由于已知全向电场信号强度随距离指数衰减，因而可以根据路径损耗测量推断距离。使用较低频率范围来进行信号强度测量，但对于在发射机和接收机之间的信号路径中存在障碍的情况导致糟糕的精度结果。基于WiFi的RTLS是采用多个分布式接收机的基于信号强度的地上定位系统的典型事例。在任一类型的RTLS系统中，这些测量被用作多边定位算法的输入，以计算发射机的位置。对于地下和水下精确位置问题，必须将RF发射机频率限制为小于100kHz以避免大的路径损耗。由于检测范围在一米到几十米之间，优选检测磁场的传感器，这是由于在低频处通过保持固定电流流经地下线状传输工具(如，线缆或管线)或点源(如，偶极天线)，磁场能够被严格控制在发射点。对于固定电流，所发射的AC磁场强度是稳定的，并且能够以物理模型表征。点源(如，探针发射机)遵循随距离以1/r3衰减的偶极场模型，而线状传输工具遵循场强随距离以1/r衰减的圆筒模型。因此，需要更好、更精确的定位设备。
技术实现思路
根据此处公开的实施例，一种用于确定发射机对象的位置和朝向的方法，可以包括以下步骤：使用一个或多个接收机在空间内测量复电磁场强度幅度和相位值的集合。该方法还可以包括：对处于当前估计的发射机对象的位置和朝向的预期复电磁强度的集合进行建模，预期电磁场值的集合与发射机对象的位置相对于一个或多个接收机的模型相对应。该方法还可以包括：基于所测量的复电磁场值的集合与预期电磁场值的集合之间的残差，来估计与发射机对象的位置相关的参数。此处公开的另一实施例包括通过以下方式来确定发射机对象的位置和朝向的方法：在包括发射机对象的有限空间内配置多个接收机；配置每个接收机的位置；以及使用多个接收机中的至少一个测量复电磁场幅度和相位强度的集合。该方法还可以包括：对处于当前估计的发射机对象的位置和朝向的预期复电磁强度的集合进行建模，预期电磁场值的集合与发射机对象的位置相对于一个或多个接收机的模型相对应。该方法还可以包括：基于所测量的复电磁场值的集合与预期电磁场值的集合之间的残差，来估计与发射机对象的位置相关的参数。根据此处公开的实施例，一种传感器网络，可以包括控制器和接收机，所述接收机包括用于接收来自RF源的RF信号的线圈检测器，每个接收机的线圈检测器具有相互正交的轴。该传感器网络还可以包括：接收机，向控制器提供信息，以定位RF信号的源。此外，在一些实施例中，接收机使用无线信道与控制器通信，并且接收机可选地彼此通信；以及控制器具有接收机的位置信息。此外，根据此处公开的实施例，一种用于检测远程位置处的RF源所产生的RF信号的接收机可以包括：结构元件，具有有限长度；以及两组相互正交的线圈检测器，每组线圈检测器被置于结构元件的任一端，所述线圈检测器和所述结构形成本地坐标系。该接收机还可以包括：朝向传感器，用于确定本地坐标系相对于外部坐标系的朝向；3维位置测量单元，用于确定本地坐标系相对于接收机外部的一个或多个点的位置；以及无线接口，用于与传感器网络中的其他设备通信。下面参照以下附图进一步讨论上述和其他实施例。附图说明图1示出了与本专利技术的一些实施例一致的、分布在定义空间中的各个位置的多轴偶极接收机模块的拓扑，形成了传感器网络。图2示出了根据本专利技术一些实施例的线路对象的位置。图3示出了偶极型发射机的坐标系。图4示出了根据本专利技术一些实施例的接收机的框图。图5示出了根据本专利技术一些实施例的发射机的框图。图6示出了根据本专利技术一些实施例的、关系到未知位置处的发射机的分布式集合和接收机模块的基于控制器的精确位置跟踪系统。图7示出了与本专利技术的一些实施例一致的、基于控制器的精确位置跟踪系统的处理流程。图8示出了根据一些实施例的杆配置下的接收机的示例。图9示出了根据一些实施例的、使用杆式接收机的基于控制器的精确位置跟踪系统的配置。图10示出了根据一些实施例的、包括具有定位系统和处理器的建造设备在内的基于控制器的精确位置跟踪系统。在图中，具有相同标记的元素具有相同或相似的功能。具体实施方式精确位置技术基于：针对依据公用线路或偶极天线预料的磁场的物理模型，对来自许多传感器的数据进行优化。该方法消除了将测量设备运到与公用线缆或管有关的具体点以确认位置的需要。传统仪器为了确认管线或线缆位置而找到信号中的“峰值”或“零”。采用精确位置方法，设备仅需近似位于附近，以便以相应的置信边界计算位置。不管在辐射场中的位置如何，使用三维(3-d)磁场传感器、三轴加速度计和数字罗盘，该方法识别相对于地下公用设施的偏移、深度、距离、趋向和偏航角。结合专业的全球导航卫星系统(GNSS)，即使公用设施的中心线路在栅栏后或被不可通行的植被覆盖，也可以实时自动地对公用设施位置进行地理参照。此外，检测到的场失真(通常是基于磁场的测量存在的问题)被掺入所报告的位置误差。在采用这样的精确位置方法的传统系统中，必须在暴露于从线状公用传输工具或偶极点源发射的磁场下的区域上采集同步测量。这些测量中的每个测量必须共享公共本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定发射机对象的位置和朝向的方法，所述方法包括：使用在空间中相对于彼此的位置已知的多个接收机在空间内测量复电磁场幅度和相位值的集合，其中不限制所述多个接收机和发射机对象之间的几何关系；无线地将复电磁场的幅度和相位值的集合传送到控制器；控制器对处于当前估计的发射机对象的位置和朝向的预期复电磁场值的集合进行建模，预期复电磁场值的集合与因发射机对象相对于多个接收机的当前估计的位置和朝向而产生的电磁场值的模型相对应；以及控制器基于所测量的复电磁场值的集合与所建模的预期复电磁场值的集合之间的残差，来估计与当前估计的发射机对象的位置和朝向相关的参数，以产生发射机对象的位置和朝向的第一估计。2.根据权利要求1所述的方法，其中，与当前估计的发射机对象的位置和朝向相关的参数包括：发射机对象相对于所述多个接收机的位置；发射机对象的离轴偏航角；以及发射机对象的俯仰角。3.根据权利要求1所述的方法，其中，当发射机对象在空间中运动时，使用物理模型来跟踪当前估计的发射机对象的位置和朝向，以及估计与当前估计的发射机对象的位置和朝向相关的参数还包括补偿场失真。4.一种用于确定发射机对象的位置和朝向的方法，包括：在包括发射机对象的有限空间内相对于彼此的已知位置处分布多个接收机；确定所述多个接收机中的每个接收机在包括发射机对象的有限空间内的位置和朝向；使用所述多个接收机中的至少一个测量复电磁场幅度和相位值的集合：无线地将复电磁场的幅度和相位值的集合传送到控制器；控制器对处于当前估计的发射机对象的位置和朝向的预期复电磁场值的集合进行建模，预期复电磁场值的集合与因发射机对象相对于多个接收机的当前估计的位置和朝向而产生的电磁场值的模型相对应；控制器基于所测量的复电磁场值的集合与所建模的预期复电磁场值的集合之间的残差，来估计与当前估计的发射机对象的位置和朝向相关的参数，以产生发射机对象的位置和朝向的第一估计。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个接收机包括一个或多个3轴磁偶极接收机。6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个接收机中的一个接收机包括双3轴杆式接收机，被配置为充当用于确定发射机对象的位置和朝向的中央处理器。7.根据权利要求4所述的方法，还包括：向发射机对象附近的机器提供所估计的与发射机对象有关的参数，所述机器包括：运动部件、到GNSS的连接、以及相对于发射机对象精确定位机器的各个部件的处理器。8.一种包括控制器和在相对于彼此的已知位置处分布的多个接收机的传感器网络，所述多个接收机包括用于接收来自RF源的RF信号的一个或多个线圈检测器，每个接收机的一个或多个线圈检测器具有相互正交的轴，并且其中，所述多个接收机被配置为向控制器提供信息，以定位RF信号的源；所述多个接收机被配置为使用无线信道与控制器通信；以及控制器被配置为使用处理单元存储所述多个接收机的位置，所述处理单元被配置为：对处于当...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·W·韦特，托鲁克尔·古德穆德森，迪米特尔·加戈夫，
申请(专利权)人：优化极限公司，
类型：
国别省市：