[发明专利]具有高精度的稳固超声室内定位系统

说明书

本申请要求在2010年3月23日提交的美国临时申请61/316521的益处，在此引入其全部内容作为参考。

技术领域

本发明涉及超声定位系统，特别是涉及与便携式接收器组合地利用至少一个基于静止阵列的超声发射器以提供安全和稳固的定位系统的超声定位系统。

背景技术

定位系统中的超声通常与厘米范围内的高精度相关，但是对于外部干扰具有相当低的范围并常常具有低的稳固性。因此，它很少被单独使用，而是与其它的技术组合。最大的一类混合系统基于与RF的组合。描述了几种这样的系统。

Active Bat系统[1]在天花板中使用超声接收器。各便携式标签在433MHz无线电信道上被轮询，并然后发射用于飞行时间测量的超声脉冲。它需要找到到三个基准节点中的最小量的距离，并然后使用它们以几cm的精度计算位置。Cricket系统[2]具有类似的精度，但是超声发射的方向逆转。其便携式标签是基于RF触发器脉冲测量到达时间的超声接收器。然后为了位置的计算在RF上返回测量。在Dolphin系统中，各节点具有超声和RF接收器和发射器。它还具有分布式算法的特征，以降低配置成本。在[3]中，报告了约15cm的精度。

所有这些系统组合超声和RF并且基于基于与RF相比的超声的较慢的行进时间估计飞行时间。这种系统的要求是视线。这是它们的第一种缺点。另外，在超声飞行时间系统中存在另一常常更严重的缺点。为了得到精度，必须在几个波长内找到飞行时间（在40kHz上，波长为8.5mm）。根据信号噪声比，这种估计器会要求几kHz的带宽，并且这使得对于背景噪声十分敏感。出于这种原因[4]表示，当键叮当作响时，无法设计不“狂暴”的纯声学跟踪器。[5]中的链接预算的分析表示为什么是这样。最佳的设计的超声系统不会坏至“狂暴”，它们将只是停止工作。很好的设计的混合系统从而可后退到用于定位的替代性技术。特别是对于惯性传感器情况是这样，但对于RF可能也是。并且，注意，原则上，可以只增加输出功率，但这会与人对于超声的允许暴露水平冲突，参见下一部分。

因此，基于超声飞行时间的系统对于需要非常高的位置精度并且人可以忍受短的范围和回动的应用是好的。但是，对于需要更大的范围和更高的可靠性的应用，诸如当对于整个建筑要求位置时，必须寻求其它的方法。

结果是，在许多的应用中，实际上不需要cm范围的精度，而是需要更长的范围和更多的稳固性。超声与可听声音共享正常的房间和办公室很好地隔离的性能。与很好地设计的建筑物中的封闭房间中的声音类似，不能在房间外面检测到超声。这是超声不与RF共享的特有性能。

这导致用于以房间水平精度进行室内定位的超声系统。这也可被称为通过限制定位。在[5]的分析中表示，由于不再需要时间延迟估计，因此这使得系统更稳固。事实上，需要建立通信并传送具有身份信息的短消息。可在几十Hz而不是kHz的带宽中完成这一点。由此，对于实际背景噪声水平有更大的容限。并且，由于墙壁、地板和天花板的反射性能，因此，不需要视线。

第一代超声房间水平精度室内定位系统使用便携式的超声发射器（US 7535796，2009年5月19日；US专利7362656，2008年4月22日；US专利7352652，2008年4月1日；US专利7336563，2008年2月16日，在这里加入这些专利中的每一个作为参考）。这种系统被证明可用于例如跟踪财产和个人。它们也具有限制它们的使用的几个缺点。其中的第一个是低的更新速度。如果几个物体要在短的时间帧内在房间中被定位，那么这导致相对较大的错失项目的可能性。

与[6]、[7]和我们自己的US专利的超声室内定位系统的主要差异中的一个是，超声流动方向逆转，因此，人不再需要配戴超声发射器。这使得能够将人与高水平超声发射器之间的距离增加到几米。虽然在超声暴露极限的值上没有清楚的一致，但是，提出的系统关于暴露更多地根据ALARA（低至可合理实现）原则。

看起来在空中超声的安全性上没有国际的一致[8]，并且，诸如[9]、[10]和[11]，关于暴露水平存在几种指导意见。后者形成US Dept.of Labor,Occupational Safety & Health Adm.Document的基础[12]。