用于非回波脉冲测距的两轮检测技术

摘要

一种用于对环境内的移动设备进行非回波脉冲测距的技术包括：环境内的多个发射器将预定义频率的信号脉冲发送到移动设备，该移动设备可接收信号脉冲、将该信号脉冲转换成数字波形、将该数字波形存储到具有预定的时间长度的缓冲器中、并分析该数字波形以检测预定义频率下的信号脉冲。如果检测到信号脉冲，则移动设备可对存储在缓冲器中的数字波形再分析，以查看是否可在该波形内检测到另一个信号脉冲，该另一个信号脉冲指示反射信号的存在。如果检测到另一个信号脉冲，则移动设备可选择在时间上首先接收到的信号脉冲(即，直接脉冲)，以用于对移动设备的测距。

说明书

背景技术

脉冲测距系统可用于确定设备相对于已知位置处的脉冲源的位置。所述系统可对穿过某种介质的两个或更多(声音或RF)脉冲的到达进行计时，并随后知道介质中的速度，可计算设备的距离。利用多个距离测量(即，线性距离)，三角测量可用于确定设备的位置。当从脉冲源起的传输时间相对于到达时间不是已知的时，可使用推断的基准时钟，或可使用到达的时间差(TDOA)测量来确定设备的位置。测距可以是基于回波的，其中，发送器与接收器使用相同的时间基准，或是非基于回波的，其中，需要某种同步性(例如TDOA或推断的基准时钟)。

接收器可用于确定其关于一个或多个脉冲发射器的位置，诸如定位具有接收器且被呈现在例如零售店、工厂、仓库或其他室内环境内的移动设备。例如，超声发射器可以短脉冲传输超声能量，该短脉冲可被超声接收器中的超声换能器(音频麦克风)接收到。脉冲的计时测量可随后建立环境内的设备的位置。具体地，分布在环境内的若干超声发射器的使用可使用本领域已知的技术(诸如测量飞行时间或发射器信号的信号强度)并使用如已经在射频定位系统中使用的三角测量、三边测量、双曲线定位(即，多边测量)等等用于提供特定设备的特定位置。

然而，超声发射器可能并不总是在移动设备的视线中，且典型的发射器信号可能不够强以很好地直接穿透障碍物(本文称作衰减器)，使得反射的信号可到达移动设备且比来自发射器的直接信号更强并且当直接信号被非常严重地衰减时足够强来脱扣(trip)检测器电路/处理。使用从与直接信号相反的反射信号取得的计时测量导致不准确的测距结果。

非基于回波的测距系统通常由具有相当高的功率与信号处理预算的基础设施构成。另一方面，被测距的设备常常在它们的能力方面更多受限。这些设备由于与处理或功率消耗有关的限制而常常在它们应用先进的检测技术的能力方面受限。移动设备的成本常常妨碍实时地应用先进的检测技术。被分派以信号处理功能的任务的大多数移动处理系统受到电池寿命和/或执行这些功能所要求的处理时间的限制。我们经常被迫接受较低水平的信号处理性能，以满足我们的CPU利用率以及电池消耗约束。此外，对噪声的错误检测从电池/CPU利用率的观点来看是昂贵的，但如果检测器不能对有效的信号作出响应而系统的其余部分正在处理错误事件则是甚至更为昂贵的。出现这些问题，因为脉冲检测通常由局部电路/处理来完成，这与在某种无线电链路上将实时信号信息传递给更有能力的子系统相反。

因此，需要用于对移动设备进行测距同时消除上述问题的技术。此外，根据后续的详细描述和所附权利要求，并结合附图和上述背景技术，本发明的其它期望特征和特性将变得易懂。

附图说明

附图，其中相同的附图标记在全部单独的视图中表示相同的或功能类似的要素，连同下面的详细描述被纳入于此并形成说明书的一部分，并用来进一步阐述包括所要求保护的发明的理念的实施例，以及解释那些实施例的各种原理和优势。

图1是根据本发明的一些实施例的测距系统的简化框图。

图2是根据本发明的一些实施例的具有发射器以及来自发射器的相关联的直接信号与反射信号的室内环境的侧视图。

图3是根据本发明的一些实施例的示出一种方法的流程图。

本领域技术人员将理解，附图中的要素出于简化和清楚而示出，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的一些要素的尺寸可相对于其他要素被放大以帮助提高对本发明实施例的理解。

已在附图中通过常规符号在适当位置对装置和方法构成进行了表示，所述表示仅示出与理解本发明的实施例有关的那些特定细节以免因得益于本文的描述对本领域技术人员显而易见的细节而混淆本公开。

具体实施方式

根据本发明的一些实施例，如将在下文详细描述的，描述了对室内环境中的移动设备进行脉冲测距同时减少与非视线问题以及反射信号相关联的问题的改善的技术。

要被测距的设备可包括多种企业与消费者电子平台，诸如蜂窝无线电话、移动站、移动单元、移动节点、用户装备、订户装备、订户站、移动计算机、接入终端、远程终端、终端装备、无绳手持机、游戏设备、智能电话、个人计算机以及个人数字助理等等，它们在本文中都被称为移动设备。每个设备包括处理器，该处理器可被进一步耦合到小键盘、麦克风、音频电路、显示器、信号处理器以及其他特征，该其他特征如本领域中已知的并因此为简明起见不详细地示出或描述。

各种实体适于支持本发明的实施例的发明构思。本领域技术人员将认识到本文的附图并未绘出系统操作所必需的所有装备，而是仅绘出与本文实施例的描述特别相关的那些系统部件和逻辑实体。例如，路由器、控制器、服务器、开关、接入点/接入口以及无线客户端全部都可以包括分离的通信接口、收发器、存储器等等，全部都在控制器的控制之下。一般地，诸如处理器、收发器、存储器以及接口之类的部件是众所周知的。例如，已知处理单元包括基本部件，这些基本部件诸如但不限于微处理器、微控制器、存储器高速缓存、专用集成电路、和/或逻辑电路。此类部件通常适配成实现已使用高级设计语言或描述来表达、使用计算机指令来表达、和/或使用消息收发逻辑流程图来表达的算法和/或协议。

因此，给定算法、逻辑流、收发消息/发信号流、和/或协议规范，本领域技术人员知晓可供实现执行给定逻辑的一个或多个处理器的许多设计和开发技术。因此，所示的实体表示已根据本文的描述被适配成实现本发明的各个实施例的系统。此外，本领域技术人员将认识到，本发明的各方面可在各个物理部件中实现或跨这些物理部件实现，并且它们都不一定限于单个平台实现。例如，本发明的存储和控制方面可在上文所列或跨越此类部件分布的设备中的任一个中实现。

图1是根据本发明的一些实施例的非回波脉冲测距系统的框图。虽然在此展示了超声系统，但应当理解，本发明也可适用于RF系统。在所示的示例中，诸如压电扬声器或发射器116之类的多个超声应答器可被设置在环境内的固定的已知位置处。每个发射器可在环境内发送作为超声的短猝发(burst)的信号脉冲(例如，140、141)。根据本发明，移动设备100可包括数字信号处理器102以处理由诸如移动设备的现有音频麦克风106之类的应答器接收到的超声信号脉冲140、141，并具体地处理来自超声发射器116的信号脉冲140、141的频率成分。

麦克风106将电信号108提供给包括信号处理器102的接收器电路。预想到，移动设备可使用具有44.1kHz的典型取样频率的现有音频电路，44.1kHz是用于商用音频设备的非常常见的取样频率，其与用于处理音频信号的22.05kHz可用上频率限值相关。预想到，在数字域中执行移动设备接收器电路，其中可通过模-数转换器101将麦克风信号108转换成数字波形以被供应给数字信号处理器102以根据本发明进行处理。应当认识到，其他部件，包括放大器、数字滤波器等等，为简化附图起见未被示出。例如，麦克风信号108可在麦克风106后面的音频放大器中被放大。

处理器102还可被耦合到控制器103以及无线局域网接口104以用于与其他设备以及通信网络120中的控制器130无线通信。每个发射器110可被耦合到其自己的控制器112以及无线局域网接口114以用于与服务器或通信网络120中的后端控制器130无线通信。可替代地，移动设备100与发射器110中的任一者或两者可通过无线局域网连接(如所示)或有线接口连接(未表示出)(诸如以太网接口连接)被连接到通信网络120。无线通信网络120可包括局域和广域无线网络、有线网络或其他IEEE 802.11无线通信系统，包括虚拟网络以及扩展虚拟网络。然而，应当认识，本发明还可应用于其他无线通信系统。例如，以下的描述可应用于基于IEEE 802.xx的一个或多个通信网络，采用诸如IEEE的802.11、802.16或802.20之类的无线技术，这些无线技术被修改以实施本发明的实施例。建立这种网络所需要的协议与消息收发是本领域已知的，并且为简明起见将不在此展示。

每个超声发射器110的控制器112给扬声器116提供在指定时间以超声猝发(ultrasonic burst)发射的频率音调(tone)作为信号脉冲140、141。扬声器通常将以大约两毫秒的持续时间播送此信号脉冲。要被每个发射器110使用的特定频率与后续猝发之间的计时可经由网络120由后端控制器130来指导。发射器被配置成具有在19-22kHz频率范围上的可用输出。

移动设备100的处理器102可操作以辨别在其麦克风信号108中接收到的信号脉冲的频率与计时。以大约19-22kHz的频率范围内的频率播送脉冲，以使得现有移动设备处理器102能够在频域中分析该信号，以便检测脉冲。已选择19-22kHz范围使得移动设备的现有音频电路将能够在环境内的任何用户没有听到脉冲的情况下检测超声脉冲。此外，预想到，在19-22kHz的范围内存在很少的音频噪声干扰超声脉冲。

在实践中，移动通信设备可操作以接收来自发射器116的至少一个信号脉冲140、141。模-数转换器101将至少一个信号脉冲的麦克风信号108转换成数字波形，其(数字波形)随后被存储到回看缓冲器(look back buffer)107中以供稍后分析。缓冲器的长度必须足够长以保持移动设备接收直接信号与反射信号之间的最长延迟时间。例如，在环境的一个边缘上的移动设备可立即接收到直接信号，并在超声脉冲可实际上行进到离移动设备的最远墙壁并被反射回移动设备的时间内接收反射信号。因此，缓冲器被设置有预定的时间长度，该预定的时间长度是接收直接信号与反射信号行进环境内的最大距离所需的时间的量之间的潜在时间差。考虑到行进长距离的脉冲可被衰减到低于第一通过检测阈值，可减少预定的缓冲器长度。

数字信号处理器102可随后分析信号波形，以检测预定义频率下的信号脉冲。根据本发明，处理器102对缓冲器中的同一数据执行第一分析与第二分析，其中，第一分析使用比第二分析更少选择性的技术。具体地，第一分析可使用最低处理技术连续地处理信号108以检测感兴趣的特定信号。对于基于硬件的测距系统，这种第一分析可使用简单的带通放大器。对于基于软件的系统，第一分析可以是诸如戈泽尔(Goertzel)算法之类的简单的DSP过程，以检测特定频率下的能量，如存在两个感兴趣的少量频率以保证快速傅里叶变换。戈泽尔算法允许检测要被用于测距测量的信号脉冲的接收的计时。在此第一分析中，选择性差，但是CPU利用率以及电池功率消耗低，同时允许算法在实时样本上运行。

如果在第一分析中检测到信号脉冲，则DSP 102进一步可操作成以增加的选择性对存储在缓冲器107中的数字波形再分析，以查看是否可在波形中检测到另一个信号脉冲。换言之，如果可在波形中找到两个或更多信号脉冲，则我们可得出结论：存在高的可能性时间上的第一个脉冲可能是直接信号，而稍后的脉冲是由于反射。具体而言，DSP 102在信号脉冲在第一分析中被发现之前从缓冲器中取出固定数量的样本，并对这些样本执行额外的处理以辨别具有感兴趣的频率的信号脉冲的计时。所述额外的处理可采取以下中的任何一种的形式：较高阶的滤波操作(例如，有限脉冲响应(FIR)或无限脉冲响应(IIR))、使用被最初传输的内容的掩码(mask)的互相关操作(如果可用的话)、快速傅里叶变换(FFT)，等等。执行对波形的此第二再分析的原因是因为可能严重衰减的直接路径信号脉冲被第一分析错过，只有原始信号的的强反射在第一分析中被检测到。在第二后处理操作之后，则可能检测到在第一分析中被错过的直接信号脉冲。

因此，如果在第二再分析中检测到至少一个其他信号脉冲，则在移动设备的测距中使用在时间上首先接收到的信号脉冲。然而，如果未在第二再分析中检测到另一个信号脉冲，则在移动设备的测距中使用在第一分析中最初找到的信号脉冲。

在实践中，移动设备在它接收到两个或更多不同发射器的直接信号脉冲时可仅测量时间，并例如使用三边测量技术使用该计时来确定其距发射器的距离。可替代地，可将此计时信息提供给后端控制器。以此方式，后端控制器130可从移动设备接收计时信息，并减去发射器被指导发射脉冲的时间，以便确定每个脉冲到移动设备的飞行时间。给出不同发射器信号到移动设备的飞行时间连同固定发射器的已知位置，后端控制器可例如使用已知的三边测量技术来确定移动设备的距离。可替代地，移动设备可从后端控制器接收关于从发射器播送脉冲的发送时间的信息，并从移动设备接收到该脉冲的时间中减去它，以便确定每个猝发到移动设备的飞行时间。给出不同发射器信号到移动设备的飞行时间连同固定发射器的已知位置，移动设备可确定其自己的位置。在这些示例中，假设后端控制器与移动设备的计时是同步的。

在可选的实施例中，例如对于低端移动通信设备(例如标签)的情况，本发明还提供第一分析的输出以提供唤醒信号来将任何必需的电路带到允许第二再分析处理的状态，诸如专用于缓冲器的高级处理的电路和处理器。换言之，第一分析处的信号脉冲的检测指导控制器103唤醒执行第二再分析所需要的电路。这旨在进一步减少平均功率消耗，这在低端设备中是关键的。

在一个实施例中，本发明在19-22.05kHz的有限超声频率范围内操作。考虑到脉冲持续时间为了准确度需要是非常短的，且由于有限的智能手机能力，在它们在此频率范围内重叠之前仅一个或两个不同频率可被使用。而且，由于移动设备可发生的多普勒频移，因此必须使用特定频率之间的防护频带，并因此可在此范围内被准确识别的可辨别频率音调的量受到限制。在感兴趣的超声频带中(19kHz到22.05kHz)，只可能区分四个或五个不同的音调，同时仍然留出空间给多达+/-125Hz的多普勒频移(足够的裕量以容纳将从很快的行走速度呈现的那个)。

每个发射器被配置成在限制的覆盖范围或区域上播送信号脉冲。为了不可见性(unobtrusiveness)并清楚地发信号，发射器可被粘附到环境的天花板，其中每个发射器的位置和覆盖范围是已知且固定的，其中发射器被取向成朝向环境的地面发射向下的猝发，使得来自发射器的猝发被聚焦成只覆盖环境的有限、限定的地面空间或区域。

在实践中，已经确定在典型的零售环境中的一个发射器可提供大约五十平方英尺的覆盖范围。因此，提供多个发射器110以完全覆盖室内环境，且这些发射器以大约五十英尺开的网格被间隔开。根据本发明，移动设备进入环境并与后端控制器的无线局域网(WLAN)相关联，并且被提供软件应用以实现本文所描述的测距技术。

本发明解决了反射的或衰减的信号导致不准确的飞行时间测量(其不能提供对设备的准确测距)的问题。根据本发明，每个超声猝发应该在持续时间上持续两毫秒量级，并可选地可具有比正常的更高(通常高10-15dB)的声压级，以便穿透环境中的物体或搁架(shelving)(即，衰减器)以在视线测量中提供更准确的直接信号脉冲，而不是将给出不准确的飞行时间测量并因此给出对设备的不准确的测距的衰减的或反射的信号(即，多径)。

参考图2，在实践中，典型的零售环境包括搁架26、货架24以及由于如上所述的反射和衰减而使得准确测距变得困难的其他物体。由于环境中的障碍物24、26以及超声信号的性质，移动设备可接收到超声脉冲的多个(反射的多径)副本，包括直接路径信号20以及一个或多个反射信号脉冲22。因为超声猝发非常短，因此移动设备通常将在时间上的分立时刻检测到这些直接信号与反射信号，即，直接信号的计时不重叠反射信号。如果只有反射信号22在信号分析期间被检测到并被用于测距计算，则可导致移动设备的不正确距离28。本发明针对此非视线(非LOS)反射情况(其中，移动设备100不在发射器110的LOS内)改善了性能。在示出的示例中，移动设备100相对于发射器2在非LOS情况中，其中来自该发射器的直接信号穿过搁架24(衰减器)，使得直接信号20的振幅小于如果移动设备在LOS情况中(诸如对于发射器1的情况)的振幅。进一步，反射信号22可能具有比衰减的直接信号20更高的振幅，这可导致对设备100的不准确的测距28，如果反射信号22而非直接信号20被用于测距计算的话。在直接信号20具有比反射信号22更低的振幅的地方，本发明可以以更高的选择性对接收到的波形再分析，以便找到更早的直接信号，此更早的直接信号随后可恰当地用于测距计算。

本文所描述的技术是针对基于飞行时间的超声测距系统，但也可应用于RF系统。应当认识到，在超声飞行时间定位系统与其他系统之间存在反射或多径如何影响性能的细微差异。通常，多径涉及由信号的构造/毁坏所导致的困难，然而对于超声飞行时间系统，直接路径信号20的检测对于对信号脉冲的飞行进行计时是关键的。通常脉冲宽度足够短，使得反射信号22在直接路径信号被移动设备检测到之后到达，构造/毁坏的反射信号22的混合在接收到直接路径信号之后发生。本发明提供将直接路径信号与反射区分开的技术，以便辨别并容纳多径与非LOS情况。准确度增加，如果可在从各个发射器接收到的反射信号上区分出直接路径信号的话。

对于测距，移动设备理想地试图测量来自每个可检测发射器的每个直接信号的到达时间。从到达时间中减去已知的或推测的发射时间以确定那个超声脉冲的飞行时间。来自两个或更多不同发射器的此信息随后用于确定设备的测距。然而，这没有解释当移动设备困惑于哪一个信号实际上是直接信号时的情况，这是本发明试图通过针对每个脉冲对接收到的信号再分析来解决的，如本文所述的。

图3是根据本发明的一些实施例的示出了用于环境内的移动设备的非回波脉冲测距的方法的流程图。

第一步骤300包括在环境内的固定位置处提供多个发射器。发射器可被粘附到环境的天花板并被取向朝向环境的地面，以为移动设备提供有限区域来接收超声信号脉冲。

下一个步骤302包括由发射器将预定义频率的信号脉冲发送到位于该环境内的移动设备。在本文的示例中，信号脉冲是具有在19kHz与22.05kHz之间的频率的超声猝发。然而，所述信号可以是RF信号。

下一个步骤304包括由移动设备使用移动设备现有的未修改的音频电路(其可处理19kHz和22.05kHz信号)从发射器接收至少一个信号脉冲。

下一个步骤306包括将所述至少一个信号脉冲转换成数字波形。

下一个步骤308包括将数字波形存储到具有预定的时间长度的缓冲器中。

下一个步骤310包括分析数字波形以检测预定义频率下的信号脉冲。

如果未检测到信号脉冲(312)，则返回到接收步骤304。然而，如果检测到信号脉冲(312)，则对存储在缓冲器中的数字波形再分析(314)以查看是否可在波形内检测到另一个信号脉冲，该另一个信号脉冲指示反射信号脉冲的存在。应当注意，该另一个信号脉冲可以是反射脉冲或直接脉冲。还应当注意，该分析步骤使用比再分析步骤更少选择性的技术。

如果检测到另一个信号脉冲(316)，则选择(320)在时间上首先接收到的信号脉冲用于对移动设备的测距。如果未检测到另一个信号脉冲(316)，则选择(318)最初发现的信号脉冲用于对移动设备的测距。

可选地，在分析步骤310之后，所述方法进一步包括唤醒执行再分析步骤314所需要的电路的步骤311。

有利地，本发明提供用于在没有牺牲处理器利用率与电池寿命的情况下优化脉冲系统中的信号处理性能的手段。本发明还使用运行以44.1kHz的采样率运行的现有音频编解码器以及音频麦克风的接收器、以及数字信号处理器，这些中的全部存在于现今制造的几乎每个智能手机中。本发明可使用此现有的硬件以及软件app来实施，该软件app可被下载并安装来以本文所描述的新颖方式使用现有硬件。

在上述说明书中已经描述了特定实施例。然而，本领域技术人员理解，可做出各种修正和改变而不背离本发明如下权利要求书中阐述的本发明的范围。因此，说明书和附图被认为是示例性的而非限定性的意义，并且所有这些修改都旨在落在本教义的范围内。

这些益处、优势、问题的解决方案以及可能使任何益处、优势或解决方案发生或变得更为突出的任何要素不被解释成任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征或要素。本发明单独由所附权利要求书限定，包括在本申请处于未决状态期间做出的任何修改以及出版后这些权利要求的所有等效物。

此外，在该文档中，诸如第一和第二、顶部和底部等等之类的关系术语可单独地用来将一个实体或动作与另一实体或动作区别开，而不一定要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“构成”、“构成有”、“具有”、“具备”、“包括”、“包括有”、“包含”、“含有”或它们的任何其他变型旨在覆盖非排他性包括，以使构成为、具有、包括、包含一要素列表的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素还可包括对该过程、方法、物品或装置未明确列出的或固有的其他要素。以“构成有一”、“具有一”、“包括一”、“包含一”开头的要素，在没有更多约束条件的情形下，不排除在构成为、具有、包括或包含该要素的过程、方法、物品或装置中存在额外的相似要素的可能性。术语“一”和“一个”被定义为一个或多个，除非本文中另有明确声明。术语“基本上”、“本质上”、“近似”、“大约”或这些术语的任何其他版本被定义为如本领域技术人员理解的那样接近，并且在一个非限定性实施例中，这些术语被定义为在10％以内，在另一实施例中在5％以内，在另一实施例中在1％以内，而在另一实施例中在0.5％以内。本文中使用的术语“耦合的”被定义为连接的，尽管不一定是直接连接的也不一定是机械方式连接的。以某种方式“配置的”设备或结构至少以该种方式进行配置，但也可以未列出的方式进行配置。

要理解，一些实施例可包括一个或多个通用或专用处理器或处理器件，诸如微处理器、数字信号处理器、定制的处理器和现场可编程门阵列(FPGA)以及唯一存储的程序指令(包括软件和固件两者)，所述唯一存储的程序指令控制一个或多个处理器以连同某些非处理器电路实现本文所描述的方法和/或装置的一些、多数或全部功能。替代地，一些或全部功能可由无存储程序指令的状态机实现，或者在一种或多种应用中由专用集成电路实现，在这类ASIC中每种功能或某些功能的某些组合被实现为定制逻辑。当然，也可使用这两种方式的组合。

另外，实施例可被实现为计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有存储在其上的计算机可读代码，以用于对计算机(例如，包括处理器的)编程以执行如本文描述和要求保护的方法。这种计算机可读存储介质的示例包括但不限于硬盘、紧凑盘只读存储器、光存储器件、磁存储器件、只读存储器、可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器、电可擦除可编程只读存储器以及闪存。此外，预期本领域普通技术人员虽然做出由例如可用时间、当前技术和经济考虑促动的可能显著的努力以及许多设计选择，但在得到本文所公开的构思和原理指导时，将容易地能以最少的试验产生此类软件指令和程序以及集成电路。

提供摘要以允许读者快速地确定本技术公开的性质。提交该摘要，并且理解该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上述详细描述中，可以看出为了使本公开整体化，各个特征在各实施例中被编组到一起。这种公开方法不应被解释为反映要求保护的实施例需要比每一项权利要求中明确陈述的特征更多的特征的意图。相反，如接下来的权利要求所反映，发明主题在于少于单个公开的实施例的全部特征。因此，下面的权利要求在此被纳入详细说明书中，其中每个权利要求独自作为单独要求保护的主题事项。