專利名稱：移動(dòng)物體位置確定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜止基站和移動(dòng)物體之間的通信和/或?qū)σ苿?dòng)物體的存在和/或位置
的確定。雖然不必排除其它，但它尤其涉及超聲波的使用。
背景技術(shù)：

發(fā)明內(nèi)容
從一方面來(lái)看，本發(fā)明提供了一種超聲波位置確定系統(tǒng)，包括基本單元和至少一 個(gè)移動(dòng)單元，所述移動(dòng)單元和基本單元中的每一個(gè)可操作地發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，所述 移動(dòng)單元適于依據(jù)所述基本單元的發(fā)射狀態(tài)發(fā)射預(yù)定信號(hào)，所述基本單元適于確定所述信 號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所述基本單元所花的時(shí)間，從而計(jì)算所述移動(dòng)單元和所述基本單 元之間的距離。 從第二方面來(lái)看，本發(fā)明提供了一種超聲波位置確定系統(tǒng)，包括基本單元和至少 一個(gè)移動(dòng)單元，所述移動(dòng)單元適于響應(yīng)于來(lái)自所述基本單元的信號(hào)而發(fā)射超聲波信號(hào)，所 述基本單元適于確定所述超聲波信號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所述基本單元所花的時(shí)間，從 而計(jì)算出所述移動(dòng)單元和所述基本單元之間的距離。 申請(qǐng)人:已經(jīng)確認(rèn)了這樣一種系統(tǒng)的有利條件，在該系統(tǒng)中，基本單元能夠確定關(guān) 于一個(gè)或更多移動(dòng)單元的位置的信息，特別是在諸如建筑物中的室內(nèi)之類的近范圍之內(nèi)。 這樣的應(yīng)用有許多種可能。由申請(qǐng)人設(shè)想的一種潛在、非限制性的實(shí)例應(yīng)用是用于確定放 有電視機(jī)的房子中的室內(nèi)的許多標(biāo)簽中的任何一個(gè)的存在，以便能夠自動(dòng)地記錄電視觀眾 數(shù)據(jù)。 優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括多個(gè)相互獨(dú)立地可移動(dòng)的移動(dòng)單元。優(yōu)選地，每個(gè)移動(dòng)單元僅 有一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)。 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述超聲波信號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞所花的時(shí)間根據(jù) 所述信號(hào)從所述基本單元發(fā)射到所述移動(dòng)單元和從所述移動(dòng)單元接收到響應(yīng)所花的總時(shí) 間來(lái)計(jì)算。如果已知在所述基本單元處收到所述信號(hào)和發(fā)射其應(yīng)答之間的延遲，則總時(shí)間 是信號(hào)和應(yīng)答的傳播時(shí)間的總和。在這些信號(hào)是相同的類型，即兩者都是超聲波信號(hào)的情 況下，傳播時(shí)間可以假設(shè)為相同，因此可以計(jì)算平均值。在另一個(gè)替代方案中，例如通過(guò)使 用來(lái)自電磁頻譜的信號(hào)，從基本單元到移動(dòng)單元的請(qǐng)求信號(hào)可以比應(yīng)答要快很多，因而它 的傳播時(shí)間是可以忽略的。然而，也有其它可能性。例如，在接收所述請(qǐng)求和發(fā)射所述響應(yīng) 之間考慮移動(dòng)單元和基本單元之間的移動(dòng)是可能的。 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，移動(dòng)單元被配置為檢測(cè)由所述基本單元進(jìn)行的發(fā)射的 中斷并在其后進(jìn)行發(fā)射。這能夠以類似于避免發(fā)射機(jī)之間的沖突的方式來(lái)實(shí)施，由此，如果 發(fā)射機(jī)檢測(cè)到另一發(fā)射機(jī)已經(jīng)在發(fā)射，則該發(fā)射機(jī)將不發(fā)射。然而，為了能夠根據(jù)本發(fā)明測(cè) 量所述基本單元和所述移動(dòng)單元之間的距離，需要知道所述移動(dòng)單元發(fā)射其信號(hào)的時(shí)間， 例如在停止由所述基本單元進(jìn)行的發(fā)射的預(yù)定時(shí)間之后進(jìn)行測(cè)量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)能夠僅僅與一個(gè)移動(dòng)單元或與多個(gè)移動(dòng)單元一起工 作。當(dāng)系統(tǒng)具有多個(gè)移動(dòng)單元時(shí)，在向所述基本單元發(fā)射其信號(hào)之前，每個(gè)移動(dòng)單元被分配 一個(gè)從停止由所述基本單元進(jìn)行的發(fā)射起的唯一延遲。這是一種確保這些移動(dòng)單元不在相 同時(shí)間進(jìn)行發(fā)射并且避免需要每個(gè)移動(dòng)單元發(fā)射標(biāo)識(shí)信息的方式。然而，這并不是必需的。
在一些實(shí)施例中，移動(dòng)單元被配置為檢測(cè)來(lái)自基本單元的特定信號(hào)，例如，特定的 頻率，頻率的改變或發(fā)射的順序。能夠使用單個(gè)移動(dòng)單元或多個(gè)移動(dòng)單元。多個(gè)移動(dòng)單元 能夠被配置為響應(yīng)來(lái)自基本單元的相同特定信號(hào)或者能夠被配置為響應(yīng)不同的信號(hào)。如果 它們響應(yīng)相同的信號(hào)，那么它們優(yōu)選地被配置在不同的時(shí)隙中這么做，但是這不是必需的。 例如，它們能夠改為以非預(yù)定的順序進(jìn)行響應(yīng)，但是包括標(biāo)識(shí)信息；或者這些響應(yīng)的一個(gè)或 多個(gè)能夠包括展布頻譜信號(hào)，使得不必要求沖突避免。 優(yōu)選地，包括多個(gè)移動(dòng)單元的系統(tǒng)中的移動(dòng)單元能夠區(qū)分來(lái)自基本單元的發(fā)射和 來(lái)自其它移動(dòng)單元的發(fā)射。例如發(fā)射的持續(xù)時(shí)間、發(fā)射模式、頻率或編碼中的一個(gè)或任意結(jié) 合能夠用于提供這種區(qū)分。 根據(jù)本發(fā)明的對(duì)位置的確定并非意在暗指任何與精度相關(guān)的限制。例如，該確定 能夠是一維、二維或三維的坐標(biāo)，或者能夠簡(jiǎn)單確定移動(dòng)單元是否位于一個(gè)或更多區(qū)域中。 在最簡(jiǎn)單的水平上，該對(duì)位置的確定能夠簡(jiǎn)單確定移動(dòng)單元是否位于基本單元的預(yù)定距離 內(nèi)。 從第三方面來(lái)看，本發(fā)明提供了一種超聲波位置確定系統(tǒng)，包括基本單元和至少 一個(gè)移動(dòng)單元，所述移動(dòng)單元適于響應(yīng)于來(lái)自所述基本單元的信號(hào)而發(fā)射超聲波信號(hào)，所 述基本單元適于確定所述超聲波信號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所述基本單元所花的時(shí)間，從 而確定所述移動(dòng)單元是否在所述基本單元的預(yù)定距離內(nèi)。 至于本發(fā)明的前些方面，優(yōu)選的是，該系統(tǒng)包括多個(gè)相互獨(dú)立地可移動(dòng)的移動(dòng)單 元。優(yōu)選地，每個(gè)移動(dòng)單元僅具有一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)。 從第四方面來(lái)看，本發(fā)明提供了一種配置為向移動(dòng)單元發(fā)射信號(hào)的基本單元，該 基本單元包括被配置為向一個(gè)或更多移動(dòng)單元發(fā)射信號(hào)的發(fā)射機(jī)，以及被配置為從所述移 動(dòng)單元或所述移動(dòng)單元中的一個(gè)接收超聲波信號(hào)的超聲波接收機(jī)，所述基本單元適于確定 所述超聲波信號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所述基本單元所花的時(shí)間。 優(yōu)選地，所述基本單元被配置為每次僅僅從一個(gè)移動(dòng)單元接收和處理僅僅超聲波 信號(hào)。 從第五方面來(lái)看，該發(fā)明提供了一種移動(dòng)單元，該移動(dòng)單元包括被配置為從基本 單元接收請(qǐng)求信號(hào)的接收機(jī)以及被配置為在從收到所述請(qǐng)求信號(hào)起的預(yù)定時(shí)間之后向所 述基本單元發(fā)射超聲波信號(hào)的超聲波發(fā)射機(jī)。 來(lái)自所述移動(dòng)單元的超聲波信號(hào)能夠只是用于確定所述移動(dòng)單元距所述基本單 元的距離。然而，這并不是必需的。例如，該信號(hào)能夠包括諸如標(biāo)識(shí)或狀態(tài)信息之類的其它 信息。該狀態(tài)信息能夠包括移動(dòng)狀態(tài)或歷史信息或者電池狀態(tài)。事實(shí)上，其它任何信息能 夠包括在該信號(hào)中。同樣，其它這樣的信息能夠補(bǔ)充地或可替代地以其它次數(shù)進(jìn)行發(fā)射。
該移動(dòng)單元在此也被稱為'標(biāo)簽'。這種標(biāo)簽便利地且優(yōu)選地采用獨(dú)立式 (self-contained)設(shè)備的形式，該獨(dú)立式設(shè)備包括超聲波發(fā)射機(jī)和接收機(jī)以及相關(guān)處理設(shè) 備。優(yōu)選地，該標(biāo)簽包括它自己的電源，例如電池。然而，這些特征并不是必需的。例如標(biāo)簽可以是更大的物體和設(shè)備的主要部分。因此，可以理解的是，'標(biāo)簽'和'移動(dòng)單元'是可 互換的。 超聲波通常被理解為表示例如空氣的任何介質(zhì)中的具有高于正常人聽(tīng)力范圍的 頻率的縱向壓力波。這通常被認(rèn)為是高于20kHz，雖然在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，使用了 30kHz和50kHz之間的頻率。


現(xiàn)在將參照附圖，僅作為示例描述本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，在這些附圖中 圖1是利用本發(fā)明的物體位置檢測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖； 圖2是與本發(fā)明的實(shí)施例一起使用的移動(dòng)單元的組件的示意圖； 圖3是描述移動(dòng)單元的操作的一部分的簡(jiǎn)單流程圖； 圖4是圖示說(shuō)明利用本發(fā)明的系統(tǒng)的操作的時(shí)序圖； 圖5到圖8是不同替代實(shí)施例的時(shí)序圖； 圖9是測(cè)試系統(tǒng)中基站標(biāo)簽電流與來(lái)自響應(yīng)標(biāo)簽的聲壓的關(guān)系曲線標(biāo)繪圖；以及
圖10是在實(shí)驗(yàn)中獲得以確定標(biāo)簽的時(shí)延的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離與發(fā)射和 接收之間的時(shí)間差的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖l示出了本發(fā)明的實(shí)施例的簡(jiǎn)化示意圖。該實(shí)施例允許移動(dòng)標(biāo)簽2與基站4的 分離被確定。雖然為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，僅示出了一個(gè)標(biāo)簽，但根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)通常將包括若干 彼此完全獨(dú)立地可移動(dòng)的標(biāo)簽。 首先，基本單元發(fā)射機(jī)6發(fā)射預(yù)定的超聲波圖樣。如稍后將要描述的，有許多可能 的圖樣可以被使用，但是對(duì)于使用了僅僅一個(gè)標(biāo)簽的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，例如可以使用連續(xù)發(fā)射中 的簡(jiǎn)單中斷。 當(dāng)該標(biāo)簽的接收機(jī)8接收該信號(hào)時(shí)(或改為停止接收它)時(shí)，該標(biāo)簽2中的控制 電子設(shè)備將經(jīng)過(guò)該標(biāo)簽的發(fā)射機(jī)10產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)。然后，該應(yīng)答信號(hào)被該基本單元的接收 機(jī)12接收。這樣，該基本單元4能夠測(cè)量它所發(fā)射的信號(hào)被標(biāo)簽2接收并處理所花的以及 接收該應(yīng)答所花的時(shí)間。 然后，該基本單元能夠確定距離d如下
由下列公式給出聲音在空氣中的速度v :
v " (331. 4+0. 6T》m/s 公式1 其中Tc是以攝氏度為單位的溫度。速度v還能夠由下列公式表示 / v = ^7公式2
。一^0 其中1是信號(hào)在時(shí)間^和t。兩點(diǎn)之間傳播的以米為單位的距離(范圍)。該距 離1能夠利用公式1和公式2得出 1 = (t「t。)v = (t「t。) (331. 4+0. 6TC) 公式3 現(xiàn)在能夠通過(guò)在檢測(cè)器處測(cè)量基站與標(biāo)簽的響應(yīng)的到達(dá)之間的飛行時(shí)間(TOF)， 即通過(guò)測(cè)量上述公式3中的時(shí)間^來(lái)發(fā)現(xiàn)超聲波標(biāo)簽2與基站4的分離。在最簡(jiǎn)單的情況下，由于信號(hào)必須傳播到標(biāo)簽2并且響應(yīng)必須傳播回基站4，因此可以假設(shè)它們之間的距離
d是所測(cè)距離的兩倍。必須對(duì)標(biāo)簽2處的信號(hào)的檢測(cè)和響應(yīng)的發(fā)射之間的處理延遲進(jìn)行補(bǔ)
償，例如，通過(guò)在該標(biāo)簽在距該基站的已知距離處時(shí)測(cè)量TOF來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。 該簡(jiǎn)單化的圖解舉例說(shuō)明了本發(fā)明的其它實(shí)施例所基于的原理。在標(biāo)簽2和基站
4中的每一個(gè)上，僅僅是為了圖示說(shuō)明的目的而將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)示出為彼此分離——它
們確實(shí)能夠分離，但同樣它們能夠使用相同的換能器。 現(xiàn)在將參照?qǐng)D2概述標(biāo)簽2的示范性接收機(jī)電路。該電路包括超聲波換能器14， 該超聲波換能器能夠在發(fā)射和接收模式下操作。開(kāi)關(guān)16用于在這兩種模式之間對(duì)換能器 進(jìn)行切換。開(kāi)關(guān)16由微控制器18進(jìn)行控制。當(dāng)在發(fā)射模式下，微控制器18發(fā)送信號(hào)給針 對(duì)該換能器的驅(qū)動(dòng)器20以使它驅(qū)動(dòng)換能器14以生成信號(hào)。當(dāng)該開(kāi)關(guān)在接收模式下時(shí)，來(lái) 自該換能器的輸出被饋給放大器22，該放大器22然后將該信號(hào)饋給比較器24以將它轉(zhuǎn)換 成二進(jìn)制1或0。然后將其反饋回微控制器18。 在一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，該標(biāo)簽設(shè)置為當(dāng)它檢測(cè)到來(lái)自該基站的發(fā)射中的間隙 時(shí)，即當(dāng)它等到信道變得空閑時(shí)，發(fā)射響應(yīng)信號(hào)。這類似于針對(duì)超聲波標(biāo)簽提出的防止多個(gè) 標(biāo)簽之間的沖突發(fā)射的功能，但是在這里用作不同的用途。 在這樣的使用中，該標(biāo)簽一般將備用在接收模式下，以監(jiān)測(cè)它接收到的發(fā)射。只要 換能器14例如從該基站拾取到處于合適頻率上的信號(hào)，該標(biāo)簽就保持在接收模式下。然 而，只要檢測(cè)到發(fā)射中的中斷，微處理器18就發(fā)送信號(hào)給開(kāi)關(guān)16以切換到發(fā)射模式并發(fā)送 另一信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器20以產(chǎn)生將由換能器14發(fā)射的應(yīng)答信號(hào)。該微控制器可以被編程為， 一旦檢測(cè)到發(fā)射中的中斷(即使在所難免帶有小的固有延遲)就發(fā)起響應(yīng)信號(hào)或者在預(yù)定 的事先考慮好的延遲之后發(fā)起響應(yīng)信號(hào)。 另一種可能將是等待來(lái)自該基站的特定信號(hào)。這種例程的示范性流程圖如圖3所 示并且將被描述如下。 該標(biāo)簽在24通過(guò)測(cè)量其電池電平開(kāi)始其主環(huán)路，以便這能夠在該標(biāo)簽的消息中 報(bào)告給該基站。其后進(jìn)入第二環(huán)路，由此該標(biāo)簽在26開(kāi)始接聽(tīng)超聲波。如果檢測(cè)到了超聲 波，則在28執(zhí)行比較以確定它是否在預(yù)定的頻率間隔內(nèi)。如果是，則在30對(duì)頻率跳躍的數(shù) 目進(jìn)行計(jì)數(shù)。 當(dāng)該標(biāo)簽檢測(cè)到發(fā)射中的中斷時(shí)(即不再檢測(cè)到超聲波)時(shí)，它在32確定是否已 經(jīng)檢測(cè)到了用以表示基站請(qǐng)求信號(hào)的足夠數(shù)目的頻率跳躍。如果已經(jīng)檢測(cè)到了足夠的數(shù) 目，則將在34發(fā)送響應(yīng)。該消息或它的發(fā)射的時(shí)序?qū)?biāo)識(shí)該標(biāo)簽并且還包含步驟24中確 定的關(guān)于電池狀態(tài)的信息。 如果已經(jīng)檢測(cè)到了用以表示基站請(qǐng)求的不足數(shù)目的頻率跳躍，則該標(biāo)簽返回步驟 26以備用接聽(tīng)超聲波。 即使沒(méi)有檢測(cè)到基站請(qǐng)求消息，如果自從發(fā)送最后一個(gè)消息之后已經(jīng)過(guò)了閾值時(shí) 間(框36)，則無(wú)論如何將發(fā)送消息34。 任何一類系統(tǒng)中的超聲波消息可以包含關(guān)于電池狀態(tài)的信息、是否已經(jīng)檢測(cè)到有 效請(qǐng)求(即它是否為'超時(shí)'消息)的信息以及該標(biāo)簽是否在運(yùn)動(dòng)的信息。
根據(jù)上面闡述的操作的第一模式，該基站發(fā)射在預(yù)定時(shí)段中不中斷的超聲波信 號(hào)，強(qiáng)制該標(biāo)簽在備用中等待而不進(jìn)行發(fā)射。該基站然后停止發(fā)射片刻以使該標(biāo)簽(這些標(biāo)簽)能發(fā)射由該基站接收的超聲波消息。然后，在從該標(biāo)簽(這些標(biāo)簽)接收該消息之后，該基站能夠再次開(kāi)始進(jìn)行發(fā)射。 在圖4中示出了具有一個(gè)標(biāo)簽的該方案的簡(jiǎn)單圖解。該基站發(fā)射超聲波噪聲(不中斷的重復(fù)消息)直到時(shí)間t。。此時(shí)，'線路'變得空閑并且一旦這被該標(biāo)簽自動(dòng)檢測(cè)到，它將在時(shí)間^開(kāi)始發(fā)射超聲波消息響應(yīng)。該消息在時(shí)間^在該基站處被接收。然后，該基站在短的延遲之后，在時(shí)間t,肖重新開(kāi)始發(fā)射。因此，所描述的設(shè)置允許移動(dòng)超聲波發(fā)射機(jī)標(biāo)簽進(jìn)行簡(jiǎn)單的周期性輪詢。這允許該基站在由差值t廠^計(jì)算飛行時(shí)間，并考慮了該標(biāo)簽的(先前確定的)發(fā)射延遲。由此可以計(jì)算出該標(biāo)簽距該基站的距離。這能夠用于許多各種各樣的應(yīng)用。例如，它能夠用作簡(jiǎn)單的接近檢測(cè)器以當(dāng)標(biāo)簽位于預(yù)定的范圍內(nèi)時(shí)發(fā)起諸如開(kāi)燈或打開(kāi)門之類的動(dòng)作。 參照?qǐng)D4的上述方案的示范性擴(kuò)展，通過(guò)對(duì)每個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行編程以在它響應(yīng)之前等待不同的預(yù)定周期t,，能夠適于容納多個(gè)標(biāo)簽。在圖5中示出了這一點(diǎn)。這樣，在該基站在時(shí)間t。停止發(fā)射之后，第一標(biāo)簽在時(shí)間^發(fā)射消息。第二標(biāo)簽在時(shí)間ft2發(fā)射它的消息。如可以看到的，第一和第二標(biāo)簽之間的發(fā)射中的延遲^大于第一標(biāo)簽發(fā)射的時(shí)間以避免沖突。圖5示出該基站在每個(gè)標(biāo)簽都已經(jīng)響應(yīng)過(guò)一次之后重新開(kāi)始發(fā)射，但這并不是必要的。例如，在每個(gè)基站發(fā)射中斷之后，該順序可以被重復(fù)許多次或者甚至不斷地重復(fù)。該基站可能能夠在該順序期間重新開(kāi)始發(fā)射以中斷它并且再次開(kāi)始。 —種只是等待發(fā)射中的間隙的替代方法使得該標(biāo)簽標(biāo)識(shí)特定的基站請(qǐng)求消息，例如，使用以上參照?qǐng)D3描述的標(biāo)簽接收機(jī)例程。例如，該基站請(qǐng)求消息能夠是長(zhǎng)消息(例如，不停發(fā)送的多個(gè)消息)。通過(guò)結(jié)合每當(dāng)自動(dòng)檢測(cè)到有效頻率時(shí)遞增的計(jì)數(shù)器，(見(jiàn)圖3中的步驟30)，該標(biāo)簽然后能夠?qū)⒒菊?qǐng)求與標(biāo)準(zhǔn)超聲波消息相區(qū)分，與該基站請(qǐng)求相比，該標(biāo)準(zhǔn)超聲波消息將對(duì)應(yīng)于較低的計(jì)數(shù)。 可替代地，標(biāo)簽?zāi)軌蛴?jì)算它所接收到的超聲波信號(hào)的頻率的估計(jì)量。換句話說(shuō)，通過(guò)使用僅僅一個(gè)(或更多)頻率發(fā)送消息來(lái)產(chǎn)生請(qǐng)求。該標(biāo)簽將僅僅響應(yīng)具有給定頻率(在給定頻率的范圍內(nèi))的消息。在圖6中示出了使用單個(gè)標(biāo)簽的實(shí)例。
圖7示出了一種容納多個(gè)標(biāo)簽的方式。如所示出的，每個(gè)標(biāo)簽被編程為在響應(yīng)基站請(qǐng)求之前等待給定時(shí)段tx。因此，這類似于參照?qǐng)D5描述的方案。 容納多個(gè)標(biāo)簽的另一方式包括將不同的頻率分配給不同的標(biāo)簽。這樣，該基站能夠一次一個(gè)發(fā)送從單獨(dú)的標(biāo)簽請(qǐng)求響應(yīng)的不同消息。這在圖8中進(jìn)行了圖示說(shuō)明。使用這后一種方法的優(yōu)點(diǎn)在于省去了周期性的等待。這種等待能使時(shí)序不精確，這是因?yàn)樵摌?biāo)簽的操作頻率可以輕微地變化。 對(duì)于以上描述的優(yōu)選實(shí)施例中的所有操作模式，該標(biāo)簽盡在提示它進(jìn)行發(fā)射的條件已經(jīng)滿足之后盡快開(kāi)始發(fā)射。這與已知標(biāo)簽的操作形成了對(duì)照，這是因?yàn)檫@些已知標(biāo)簽在發(fā)送之前通常等待隨機(jī)的時(shí)間以避免串話。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，隨機(jī)等待是不必要的，這是因?yàn)檫@些標(biāo)簽具有分離的、準(zhǔn)許的發(fā)射時(shí)隙或者不同的請(qǐng)求信號(hào)。
為該基站提供超聲波換能器的特別容易并且劃算的方式是使用附接到該基站的能夠被配置為與該基站(例如通過(guò)有線連接)進(jìn)行通信的普通標(biāo)簽。該基站能夠只是通過(guò)發(fā)送合適的信號(hào)給該標(biāo)簽的微控制器來(lái)提示超聲波消息請(qǐng)求的發(fā)射。這樣，該基站知道在什么時(shí)間已經(jīng)發(fā)送了超聲波消息請(qǐng)求。當(dāng)響應(yīng)到達(dá)時(shí)，直接由該請(qǐng)求和應(yīng)答之間的時(shí)間差給出飛行時(shí)間。該基站優(yōu)選地使用側(cè)緣檢測(cè)(flank detection)以便獲得對(duì)該標(biāo)簽響應(yīng)到達(dá)的精確時(shí)間測(cè)量。 另一方法包括讓該基站接聽(tīng)到標(biāo)簽請(qǐng)求。這樣，在該基站和它的標(biāo)簽之間不需要物理連接。這能夠通過(guò)讓基站標(biāo)簽在請(qǐng)求之前發(fā)送(帶有已知ID的)標(biāo)準(zhǔn)超聲波消息來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果基站檢測(cè)器和它的發(fā)射機(jī)標(biāo)簽之間的距離已知，則在該基站標(biāo)簽消息的到達(dá)和接收的響應(yīng)之間花的時(shí)間給出了 T0F。該后一種方法可能更不精確，這是因?yàn)楸仨氝M(jìn)行兩次超聲波消息檢測(cè)。 通過(guò)將該基站標(biāo)簽的換能器直接連接到基站通道之一，獲得了一種具有更高精度的類似方法。 建議在聲轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)中使用用于在該基站和這些標(biāo)簽之間通信的示范性協(xié)議是帶有7位ID、2位狀態(tài)(移動(dòng)和電池)以及3位循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC)的12位協(xié)議。該檢測(cè)器優(yōu)選使用側(cè)緣檢測(cè)以便得到到達(dá)的標(biāo)簽響應(yīng)的精確時(shí)間戳。側(cè)緣檢測(cè)要求第一位設(shè)定為O，從而將ID范圍限至為1-31。 12位協(xié)議并不是必需的。例如，在其它實(shí)施中使用了 28位協(xié)議。這也純粹是示范性的?？梢愿臑槭褂煤线m的任何其它協(xié)議。 如先前提到的，當(dāng)在給定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到基站請(qǐng)求時(shí)，可以為這些標(biāo)簽提供'超時(shí)'模式。該標(biāo)簽然后即使沒(méi)有檢測(cè)到請(qǐng)求也可以發(fā)送消息。例如，當(dāng)發(fā)送這種消息時(shí)，該標(biāo)簽可以使用不同的標(biāo)識(shí)值。
在包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的標(biāo)簽的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，以不同的頻率發(fā)送超聲波來(lái)測(cè)試標(biāo)簽接收機(jī)電路靈敏度。通過(guò)直接從微控制器中讀出所檢測(cè)的頻率來(lái)執(zhí)行初始測(cè)試。LED還用于指示所檢測(cè)的信號(hào)的頻率范圍，將該范圍劃分為三個(gè)間隔，每個(gè)間隔與三種可能的顏色之一相對(duì)應(yīng)。觀測(cè)到的是，接聽(tīng)電路能夠區(qū)分超聲波頻率達(dá)到至少12米。
用圖3中闡述的'等待請(qǐng)求'例程對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行編程。這種例程(在受限的頻率范圍內(nèi))對(duì)有效頻率跳躍的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且只要檢測(cè)到的有效頻率跳躍的數(shù)目低于某個(gè)閾值就運(yùn)行。這樣，能夠通過(guò)發(fā)送許多頻率直到該標(biāo)簽已經(jīng)記錄了進(jìn)行應(yīng)答的足夠跳躍，由該基站標(biāo)簽產(chǎn)生請(qǐng)求信號(hào)。在多標(biāo)簽系統(tǒng)中，每個(gè)標(biāo)簽?zāi)軌蛟谀硞€(gè)頻帶內(nèi)接聽(tīng)跳躍。這樣，能夠產(chǎn)生不同的請(qǐng)求信號(hào)。這些測(cè)試使用具有兩個(gè)不同長(zhǎng)度的四個(gè)不同頻率對(duì)。這樣，能夠產(chǎn)生八個(gè)不同的請(qǐng)求。 第二方法包括讓該標(biāo)簽接聽(tīng)某個(gè)頻率并且記錄該頻率上的信號(hào)的長(zhǎng)度。使用八個(gè)頻率，每個(gè)標(biāo)簽?zāi)軌蚪勇?tīng)在八標(biāo)簽系統(tǒng)中唯一的頻率。在該測(cè)試中發(fā)現(xiàn)該方法比頻率跳躍檢測(cè)方法更加靈敏，但是會(huì)受到回聲效應(yīng)的影響。 在測(cè)試期間，發(fā)現(xiàn)使用任何一種技術(shù)，標(biāo)簽都完全能將超聲波頻率彼此區(qū)分開(kāi)。也可以使用這兩種方法的結(jié)合。 還執(zhí)行了檢查時(shí)序并確定由即接聽(tīng)例程造成的在標(biāo)簽處的發(fā)射中的固有延遲的測(cè)試。使用了帶有LabView的德州儀器(Texas Instruments)DaqPad工具。通過(guò)觸發(fā)基站標(biāo)簽電流并利用靠近響應(yīng)標(biāo)簽放置的麥克風(fēng)測(cè)量聲壓來(lái)捕獲信號(hào)。在圖9中，示出了基站標(biāo)簽電流102與來(lái)自響應(yīng)標(biāo)簽的聲壓104的關(guān)系曲線。 針對(duì)直接指向請(qǐng)求標(biāo)簽的響應(yīng)標(biāo)簽的不同距離(0. 5m-6m)來(lái)執(zhí)行該測(cè)試，以便確定常數(shù)偏量。如圖IO所示，該偏量利用線性回歸來(lái)計(jì)算。在公式3中使用該值(t。=18. 2ms)，可以估計(jì)出該距離。 上述測(cè)試表明，使用TOF測(cè)量來(lái)估計(jì)距離是可能的。
權(quán)利要求
一種超聲波位置確定系統(tǒng)，包括基本單元和至少一個(gè)移動(dòng)單元，所述移動(dòng)單元和基本單元中的每一個(gè)可操作地發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，所述移動(dòng)單元適于依據(jù)所述基本單元的發(fā)射狀態(tài)發(fā)射預(yù)定信號(hào)，所述基本單元適于確定所述信號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所述基本單元所花的時(shí)間，從而計(jì)算所述移動(dòng)單元和所述基本單元之間的距離。
2. —種超聲波位置確定系統(tǒng)，包括基本單元和至少一個(gè)移動(dòng)單元，所述移動(dòng)單元適于 響應(yīng)于來(lái)自所述基本單元的信號(hào)而發(fā)射超聲波信號(hào)，所述基本單元適于確定所述超聲波信 號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所述基本單元所花的時(shí)間，從而計(jì)算所述移動(dòng)單元和所述基本單 元之間的距離。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，其中所述超聲波信號(hào)從所述移動(dòng)單 元傳遞所花的時(shí)間是根據(jù)所述信號(hào)從所述基本單元發(fā)射到所述移動(dòng)單元和從所述移動(dòng)單 元接收到響應(yīng)的總時(shí)間而計(jì)算的。
4. 如先前的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，其中所述移動(dòng)單元被配置 為檢測(cè)所述基本單元所進(jìn)行的發(fā)射中的中斷，并且其后進(jìn)行發(fā)射。
5. 如權(quán)利要求4所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)具有多個(gè)移動(dòng)單元，每個(gè) 移動(dòng)單元在向所述基本單元發(fā)射其信號(hào)之前，被分配從停止由所述基本單元進(jìn)行的發(fā)射起 的唯一延遲。
6. 如先前的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，其中所述移動(dòng)單元被配置 為在提示它進(jìn)行發(fā)射的條件已經(jīng)被滿足之后盡塊進(jìn)行發(fā)射。
7. 如先前的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，其中所述移動(dòng)單元或每個(gè) 移動(dòng)單元被配置為檢測(cè)來(lái)自所述基本單元的特定信號(hào)。
8. 如權(quán)利要求7所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，包括多個(gè)移動(dòng)單元，其中每個(gè)移動(dòng)單元 被配置在不同的時(shí)隙中響應(yīng)來(lái)自所述基本單元的相同信號(hào)。
9. 如權(quán)利要求7所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，包括多個(gè)移動(dòng)單元，其中每個(gè)移動(dòng)單元 被配置為響應(yīng)來(lái)自所述基本單元的不同信號(hào)。
10. 如先前的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，包括多個(gè)移動(dòng)單元，其中 所述移動(dòng)單元能夠區(qū)分來(lái)自所述基本單元的發(fā)射和來(lái)自其它移動(dòng)單元的發(fā)射。
11. 一種超聲波位置確定系統(tǒng)，包括基本單元和至少一個(gè)移動(dòng)單元，所述移動(dòng)單元適于 響應(yīng)于來(lái)自所述基本單元的信號(hào)而發(fā)射超聲波信號(hào)，所述基本單元適于確定所述超聲波信 號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所述基本單元所花的時(shí)間，從而確定所述移動(dòng)單元是否在距所述 基本單元的預(yù)定距離內(nèi)。
12. 如先前的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，包括多個(gè)相互獨(dú)立地可移 動(dòng)的移動(dòng)單元。
13. 如先前的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超聲波位置確定系統(tǒng)，其中所述移動(dòng)單元或每個(gè) 移動(dòng)單元僅僅具有一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)。
14. 一種配置為向移動(dòng)單元發(fā)射信號(hào)的基本單元，包括被配置為向一個(gè)或更多移動(dòng) 單元發(fā)射信號(hào)的發(fā)射機(jī)，以及被配置為從所述移動(dòng)單元或所述移動(dòng)單元中的一個(gè)接收超聲 波信號(hào)的超聲波接收機(jī)，所述基本單元適于確定所述超聲波信號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所 述基本單元所花的時(shí)間。
15. —種如權(quán)利要求14所述的基本單元，被配置為每次僅僅從一個(gè)移動(dòng)單元接收并處理超聲波信號(hào)。
16. —種移動(dòng)單元，包括被配置為從基本單元接收請(qǐng)求信號(hào)的接收機(jī)以及被配置為在 從收到所述請(qǐng)求信號(hào)起的預(yù)定時(shí)間之后向所述基本單元發(fā)射超聲波信號(hào)的超聲波發(fā)射機(jī)。
17. 如權(quán)利要求16所述的移動(dòng)單元，其中所述移動(dòng)單元為包含超聲波發(fā)射機(jī)和接收機(jī) 以及相關(guān)處理裝置的獨(dú)立式設(shè)備。
18. 如權(quán)利要求16或17所述的移動(dòng)單元，其中所述單元進(jìn)一步包括它自己的電源。
19. 一種如先前的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)、基站或移動(dòng)單元，其中所述超聲波信號(hào) 具有處于30kHz和50kHz之間的頻率。
全文摘要
一種超聲波位置確定系統(tǒng)，包括基本單元和至少一個(gè)移動(dòng)單元，所述移動(dòng)單元和基本單元中的每一個(gè)可操作地發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，所述移動(dòng)單元適于依據(jù)所述基本單元的發(fā)射狀態(tài)發(fā)射預(yù)定信號(hào)，所述基本單元適于確定所述信號(hào)從所述移動(dòng)單元傳遞到所述基本單元所花的時(shí)間從而計(jì)算所述移動(dòng)單元與所述基本單元之間的距離。
文檔編號(hào)G01S15/74GK101730852SQ200880013270
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月23日
發(fā)明者克里斯蒂安·倫德, 恩勒·巴卡, 約納斯·泰索, 維爾弗雷德·埃德溫·布伊 申請(qǐng)人:索尼特技術(shù)公司