專利名稱：以自適應(yīng)分辨率定位目標(biāo)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及定位系統(tǒng)和位置感測(cè)，更具體而言，涉及將諸如超聲波(us)定
位之類的高精度定位技術(shù)與諸如射頻(RF)定位之類的低精度定位技術(shù)相結(jié)合，從而為基 于位置的服務(wù)提供自適應(yīng)的定位分辨率的混合定位系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
無(wú)庸置疑，位置信息可被用于提取用戶和環(huán)境之間的地理位置關(guān)系，以進(jìn)一步理 解用戶的行為。位置感知應(yīng)用的重要性使得用于提供位置信息的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)變得越 來(lái)越流行和受關(guān)注，尤其對(duì)于室內(nèi)環(huán)境和城區(qū)環(huán)境。當(dāng)前，在很多不同的應(yīng)用情形中，例如 辦公室、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、礦場(chǎng)、地鐵、智能建筑、賓館等環(huán)境，對(duì)于實(shí)時(shí)精確的位置跟蹤的市場(chǎng)需 要越來(lái)越大。例如，在辦公室環(huán)境中，雇員可能被要求訪問(wèn)某一安全區(qū)中的機(jī)密信息，而在 安全區(qū)之外，任意訪問(wèn)都將被禁止。安全區(qū)的示例可以是一個(gè)房間、工作區(qū)的一部分或者甚 至一張桌子。 迄今為止，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種定位系統(tǒng)可被用于提供基于位置的服務(wù)。但是，這些現(xiàn) 有的定位系統(tǒng)存在某些共同的局限性。 首先，從技術(shù)角度來(lái)看，大多數(shù)現(xiàn)有的定位系統(tǒng)僅僅利用一種定位設(shè)備，例如US 設(shè)備或RF設(shè)備，來(lái)進(jìn)行目標(biāo)定位。實(shí)際上，每種信號(hào)類型都具有其自己的優(yōu)勢(shì)和缺陷。例 如，US定位可以實(shí)現(xiàn)很高的精確度但規(guī)模較小，而另一方面，RF定位可以提供大規(guī)模應(yīng)用 但精確度較低。 其次，從應(yīng)用角度來(lái)看，例如針對(duì)基于位置的訪問(wèn)控制，人們通常希望在不同區(qū)域
具有不同的定位分辨率。在用戶感興趣的區(qū)域，他們需要粒度較小的精確定位來(lái)確保該區(qū)
域中的定位結(jié)果足夠精確，而在其他區(qū)域，粒度較大的低精度定位也是可以接受的。 下面，將對(duì)可用于室內(nèi)定位的流行的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。這里需要指出的是，
全球定位系統(tǒng)(GPS)可以在室外以數(shù)十米的精確度提供目標(biāo)的位置信息，但是，在室內(nèi)環(huán)
境中，GPS是無(wú)法工作的，因?yàn)槭芏嗦窂接绊懞托盘?hào)阻礙，GPS的定位結(jié)果在室內(nèi)將急劇惡化。 —般而言，當(dāng)前存在三種常見(jiàn)的可被用于室內(nèi)定位的技術(shù)，即超聲定位、射頻定位 和紅外定位。 例 如， 題 為"Detection System for Determining Positional and Otherlnformation about Objects"的美國(guó)專利No. 6， 493， 649提供了一種使用超聲定位的 "Bat"系統(tǒng)，例如如圖1A所示。在該系統(tǒng)中，用戶可以佩戴一種包含US發(fā)射器的小徽章， US發(fā)射器可以在被中央系統(tǒng)無(wú)線觸發(fā)時(shí)發(fā)射出超聲波脈沖。在被測(cè)環(huán)境的天花板上安裝 有密集的US接收器陣列，系統(tǒng)可以確定超聲波脈沖從小徽章到US接收器陣列的到達(dá)時(shí)間 (T0A)，并利用三角測(cè)量或多點(diǎn)定位算法來(lái)計(jì)算徽章的三維位置。 圖IB示出諸如"Bat"系統(tǒng)之類US定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。附著在將被定位的目標(biāo) 上的US標(biāo)簽設(shè)備101包含US發(fā)射器，安裝在天花板上的US定位設(shè)備102包含多個(gè)US接收器。US定位設(shè)備102中的US定位單元可以從不同的發(fā)射器收集多于3個(gè)TOA結(jié)果，然后 通過(guò)使用三角測(cè)量或多點(diǎn)定位方法來(lái)推導(dǎo)出目標(biāo)的位置。計(jì)算出的目標(biāo)位置隨后可以被存 儲(chǔ)在US定位結(jié)果存儲(chǔ)器中。 由P. Bahl等人所寫的題為"In-Building RF-based User Location andTracking System"的文章中提出一種RADAR系統(tǒng)，這是一種基于接收到的802. 11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng) 度來(lái)進(jìn)行定位的定位系統(tǒng)。RADAR系統(tǒng)的基本定位方法包括兩個(gè)階段。首先，在離線階段， 系統(tǒng)被校準(zhǔn)并構(gòu)建RF模型，該模型指示出分布在目標(biāo)區(qū)域中的有限多個(gè)位置上的接收信 號(hào)強(qiáng)度。然后，在目標(biāo)區(qū)域中的在線操作期間，移動(dòng)單元報(bào)告接收自每個(gè)基站的信號(hào)強(qiáng)度， 并由系統(tǒng)確定在線觀測(cè)結(jié)果與在線模型中的任意點(diǎn)的最佳匹配。最佳匹配點(diǎn)的位置被報(bào) 告，作為位置估計(jì)結(jié)果。 由R. Want提出的題為"Infrared Beacon Position System"的美國(guó)專利 No. 6， 216， 087提出一種紅外定位系統(tǒng)"Active Badge",該系統(tǒng)被構(gòu)建在雙向紅外鏈路上 方，其中在每個(gè)房間中安裝有一個(gè)紅外信標(biāo)，而移動(dòng)單元是一種每隔固定間隔廣播唯一 ID 的小型紅外收發(fā)器。由于紅外信號(hào)難以穿透墻壁，因此ID廣播被容易地包含在辦公室之 內(nèi)，從而在房間粒度上提供高度精確的定位。 以上專利及非專利文獻(xiàn)通過(guò)引用被整體上結(jié)合于此，以用于所有目的。 以下表1示出超聲波、射頻和紅外信號(hào)被用于室內(nèi)定位應(yīng)用時(shí)的詳細(xì)比較。為了
方便起見(jiàn)，以下比較是根據(jù)用于這三種信號(hào)的三種當(dāng)前有代表性的系統(tǒng)作出的，即針對(duì)紅
外的"Active Badge",針對(duì)射頻的"RADAR"和針對(duì)超聲波的"Bat"。 表1
紅夕卜(ActiveBadge)RF (Radar)US (Bat)
精確度房間粒度3-6米3-5厘米
定位策略近似性(Proximity)RSSI模型基于TOA的三角測(cè)
工作頻率20M-45MHz433M，915M，2. 4GHz40KHz
成本低中高 從上表可以基本上總結(jié)出基于紅外的定位系統(tǒng)由于精確度低和易受自然光影響
而較少使用，而使用信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行位置估計(jì)的RF系統(tǒng)由于在建筑物中的RF傳播嚴(yán)重偏離
經(jīng)驗(yàn)算術(shù)模型而無(wú)法得到令人滿意的結(jié)果。 關(guān)于基于US的Bat系統(tǒng)，實(shí)踐中部署這樣的網(wǎng)狀系統(tǒng)是很困難的，需要很高的安 裝和維護(hù)成本。具體地講，由于至少需要三個(gè)距離樣本才能估計(jì)出目標(biāo)位置，因此需要在建 筑物中部署非常密集的US接收器，從而使得系統(tǒng)成本很高。另一方面，雖然US定位方法可 以實(shí)現(xiàn)高精確度，但是US定位設(shè)備的高密度將導(dǎo)致高部署成本。尤其對(duì)于不需要精確定位 的普通區(qū)域，部署US定位設(shè)備是不劃算的，因?yàn)閷?duì)于這些區(qū)域，米級(jí)定位分辨率已經(jīng)足夠
6好了。 綜上所述，在不同區(qū)域需要不同定位分辨率的環(huán)境中，上述任意一種現(xiàn)有定位方 法都無(wú)法在降低部署成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精確度且高效的定位。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上分析，針對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)定位系統(tǒng)的缺陷而研制出本發(fā)明，本發(fā)明提供了一 種混合室內(nèi)定位系統(tǒng)(HIPS)，該系統(tǒng)既包含用于高精度定位的高精度定位設(shè)備(例如US設(shè) 備)，也包括用于低精度定位的低精度定位設(shè)備(例如RF設(shè)備)，從而能夠?yàn)榛谖恢玫姆?務(wù)提供自適應(yīng)的定位分辨率。 在本發(fā)明中，應(yīng)用情形被劃分成兩種區(qū)域，S卩"關(guān)鍵區(qū)"和"普通區(qū)"，其中關(guān)鍵區(qū)需 要高度精確的定位(例如厘米級(jí))，而普通區(qū)對(duì)于較低的定位精確度(例如米級(jí)或房間級(jí)) 也是可以接受的。作為示例，超聲定位設(shè)備(US設(shè)備)被部署在"關(guān)鍵區(qū)"中以實(shí)現(xiàn)高度精 確的定位，而射頻定位設(shè)備(RF設(shè)備)被部署在"普通區(qū)"中以用于較大分辨率的定位。另 外，本發(fā)明還提出一種在線訓(xùn)練算法，可被用于根據(jù)來(lái)自US定位設(shè)備的實(shí)時(shí)定位結(jié)果來(lái)訓(xùn) 練RF模型(即RF電子地圖(Radio M即))。具體地講，在US定位設(shè)備的覆蓋區(qū)域中(即 關(guān)鍵區(qū))，可以利用精確的US定位結(jié)果來(lái)標(biāo)注RF信號(hào)強(qiáng)度(RSS)數(shù)據(jù)，而在普通區(qū)中，由 于US定位設(shè)備無(wú)法覆蓋而不會(huì)對(duì)RSS數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注。然后，可以執(zhí)行半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，從 而通過(guò)實(shí)時(shí)地使用經(jīng)標(biāo)注和未經(jīng)標(biāo)注的RSS數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練RF電子地圖。因此可以大大減少 對(duì)于該混合定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)消耗。 另外，根據(jù)本發(fā)明，"關(guān)鍵區(qū)"的設(shè)定可以根據(jù)用戶需求，也可以基于啟發(fā)式規(guī)則 (例如桌子、房間等等)。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，還提出可以根據(jù)標(biāo)簽跟蹤結(jié)果來(lái)調(diào)整US 定位設(shè)備的位置，以使得關(guān)鍵區(qū)能夠被RF定位設(shè)備的感測(cè)范圍所覆蓋。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種以自適應(yīng)分辨率定位目標(biāo)的方法，其包括將被 測(cè)空間劃分成關(guān)鍵區(qū)和普通區(qū)；根據(jù)關(guān)鍵區(qū)和普通區(qū)的位置來(lái)布置用于高精度定位的多 個(gè)高精度定位信號(hào)收發(fā)器和用于低精度定位的多個(gè)低精度定位信號(hào)收發(fā)器，其中低精度定 位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍覆蓋被測(cè)空間，而高精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍僅覆蓋關(guān)鍵 區(qū)；以及當(dāng)目標(biāo)在被測(cè)空間中移動(dòng)時(shí)，綜合高精度定位信號(hào)收發(fā)器和低精度定位信號(hào)收發(fā) 器對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果來(lái)以自適應(yīng)的分辨率確定目標(biāo)的位置。 根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種用于以自適應(yīng)分辨率定位目標(biāo)的系統(tǒng)，其包括 目標(biāo)所攜帶的標(biāo)簽設(shè)備，用于發(fā)射高精度定位信號(hào)(例如超聲波信號(hào))和低精度定位信號(hào) (例如射頻信號(hào))；高精度定位設(shè)備，包含多個(gè)高精度定位信號(hào)收發(fā)器，用于發(fā)送和接收高 精度定位信號(hào)；低精度定位設(shè)備，包含多個(gè)低精度定位信號(hào)收發(fā)器，用于發(fā)送和接收低精度 定位信號(hào)；結(jié)果處理設(shè)備，用于結(jié)合高精度定位設(shè)備和低精度定位設(shè)備對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果 來(lái)以自適應(yīng)的分辨率確定目標(biāo)的位置，其中，被測(cè)空間被劃分成關(guān)鍵區(qū)和普通區(qū)，低精度定 位設(shè)備的低精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍覆蓋被測(cè)空間，并且高精度定位設(shè)備的高精度 定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍僅覆蓋關(guān)鍵區(qū)。作為示例，結(jié)果處理設(shè)備可以位于本地或遠(yuǎn)程 的位置服務(wù)器中。 如下文將詳細(xì)描述的，本發(fā)明的混合室內(nèi)定位系統(tǒng)將US定位與RF定位相結(jié)合，從 而對(duì)于在不同區(qū)域需要不同定位分辨率(精度或粒度)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，能夠提供自適應(yīng)的定位分辨率。與現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)照，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì) 自適應(yīng)分辨率基于定位融合算法，本發(fā)明的系統(tǒng)可以在不同應(yīng)用區(qū)域提供自適 應(yīng)的定位分辨率。 低系統(tǒng)成本由于不需要密集部署大量US接收器來(lái)覆蓋整個(gè)應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)成本 可以大大降低。 無(wú)需校準(zhǔn)得益于關(guān)鍵區(qū)中部署的US定位設(shè)備，RF模型可以被在線訓(xùn)練，從而無(wú) 需進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。 容易的區(qū)域劃分策略基于用戶需求或啟發(fā)式規(guī)則，可以容易地定義出關(guān)鍵區(qū)，并 且可以容易地調(diào)整US定位系統(tǒng)來(lái)精確地覆蓋關(guān)鍵區(qū)。


結(jié)合附圖，從下面對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，將更好地理解本發(fā)明，附圖中 類似的參考標(biāo)記指示類似的部分，其中 圖1A是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的US定位系統(tǒng)的示意圖；
圖1B是示出圖1A所示US定位系統(tǒng)的內(nèi)部框圖；
圖2A是示出根據(jù)本發(fā)明的混合定位系統(tǒng)的示意圖； 圖2B是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的圖2A所示混合定位系統(tǒng)的內(nèi)部框圖；
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的以自適應(yīng)的分辨率進(jìn)行目標(biāo)定位的方法300的流程圖；
圖4是利用圖3所示方法部署的被測(cè)環(huán)境的示意圖，其中以安全桌為例表示關(guān)鍵 區(qū)； 圖5是示出帶關(guān)鍵區(qū)修正步驟的自適應(yīng)分辨率目標(biāo)定位方法500的流程圖；
圖6是示出進(jìn)行關(guān)鍵區(qū)修正的過(guò)程的示意圖； 圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的以半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法進(jìn)行RF模型(電子地圖)
訓(xùn)練的定位系統(tǒng)的內(nèi)容框圖； 圖8是示出RF電子地圖訓(xùn)練的流程圖； 圖9是示出RF電子地圖訓(xùn)練的示意圖； 圖IO是示出電子地圖生成設(shè)備的內(nèi)容結(jié)果的框圖；以及 圖11是將本發(fā)明第一和第二實(shí)施例相結(jié)合的混合定位系統(tǒng)的內(nèi)部框圖，其可以 在進(jìn)行目標(biāo)定位的同時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)RF電子地圖進(jìn)行修正。
具體實(shí)施例方式
圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的混合室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以為基于位置的服務(wù)提供 自適應(yīng)的定位分辨率。在該被測(cè)空間中，劃分出兩種不同的區(qū)域"關(guān)鍵區(qū)"和"普通區(qū)"。 關(guān)鍵區(qū)是需要高度精確(例如厘米級(jí))的定位的區(qū)域，而普通區(qū)可以接受較低的定位精度 (例如米級(jí)、房間級(jí))。超聲波(US)接收器被布置在關(guān)鍵區(qū)上方，以進(jìn)行高精度定位，射頻 (RF)接收器被散落布置在整個(gè)空間中(既可以是關(guān)鍵區(qū)也可以是普通區(qū))以進(jìn)行較大分辨 率的定位。 本發(fā)明的混合定位系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是出于以下兩方面的考量 1.從應(yīng)用方面講，在基于位置的訪問(wèn)控制中，人們通常系統(tǒng)在不同區(qū)域具有不同的定位粒度。例如，在感興趣的區(qū)域，需要粒度較小的定位技術(shù)來(lái)確保該區(qū)域的定位結(jié)果高 度精確，而在其他區(qū)域，粒度較大的低精度定位技術(shù)也是可以接受的。在此情況下，使用RF 或US定位都是不合理的。 一方面，RF定位在定位粒度方面存在局限， 一般而言，其僅僅可以 達(dá)到米級(jí)的分辨率，這對(duì)于感興趣的區(qū)域?qū)τ诟叨ㄎ痪_度的需求是無(wú)法滿足的。另一方 面，雖然US定位具有厘米級(jí)高分辨率，但是超聲波接收器的信號(hào)覆蓋范圍有限并且比RF接 收器昂貴得多。因此，直接部署多個(gè)超聲接收器來(lái)覆蓋較大區(qū)域的做法是很不經(jīng)濟(jì)的。以 上考量是促使發(fā)明人將US和RF定位技術(shù)相結(jié)合來(lái)提供混合定位粒度的動(dòng)機(jī)之一。
2.從技術(shù)方面講，US定位和RF定位可以彼此受益。US定位是高度精確的，但受 限于超聲波信號(hào)的傳輸范圍。 一般而言，超聲波信號(hào)的傳播距離小于io米并且很容易被障 礙物所阻擋，這在室內(nèi)辦公室環(huán)境中尤其嚴(yán)重。RF定位不精確，并且通常采用模型訓(xùn)練方法 來(lái)提高定位精確度。該模型訓(xùn)練過(guò)程通常需要很多校準(zhǔn)工作。另一方面，RF信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)在 于具有較大的傳輸范圍(例如在室內(nèi)環(huán)境中可達(dá)到30-40米)，并且可以穿透諸如墻壁之類 的障礙物。從以下描述中可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明可以利用兩種信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)并且通過(guò)提供無(wú)需校 準(zhǔn)的解決方案來(lái)避免它們的缺陷。 圖2B是根據(jù)本發(fā)明的混合定位系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，由目標(biāo)所攜帶的 標(biāo)簽設(shè)備201包括RF發(fā)射器11和US發(fā)射器12，它們可以分別發(fā)射射頻信號(hào)和超聲波脈 沖。RF定位設(shè)備202包含多個(gè)RF接收器13-1、13-2、 ... 13-m，用于接收RF信號(hào)。如前所 示，這些RF接收器可被散落地布置在被測(cè)空間中。RF接收器所接收到的RF信號(hào)隨后被傳 輸?shù)絉F定位單元15，以根據(jù)現(xiàn)有的RF定位方法獲得相應(yīng)的RF定位結(jié)果(例如RF信號(hào)強(qiáng) 度(RSS)矢量)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，現(xiàn)有的RF定位方法主要有兩類，一類是基于電 子地圖之類RF模型的RSS匹配算法，另一類是通過(guò)RSS結(jié)果推斷目標(biāo)與RF接收器之間的 距離并采用三點(diǎn)定位算法計(jì)算目標(biāo)的位置。顯而易見(jiàn)，這些RF定位方法都可以被應(yīng)用于本 發(fā)明，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)普通區(qū)的低精度定位。在以下描述中，將以基于電子地圖的方法為例，介 紹一種利用半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的在線RF模型(例如電子地圖)訓(xùn)練方法，作為本發(fā)明技術(shù)創(chuàng) 新點(diǎn)的一部分。詳情請(qǐng)參見(jiàn)隨后對(duì)附圖7-9的相關(guān)描述。隨后，RF定位結(jié)果(例如RSS矢 量)可以被存儲(chǔ)在RF定位結(jié)果存儲(chǔ)器17中。相類似地，US定位設(shè)備203包含多個(gè)US接收 器14-1、14-2、. . . 14-n，用于接收US信號(hào)。如前所述，這些US接收器被相對(duì)密集地布置在 關(guān)鍵區(qū)上方。US接收器所接收到的US信號(hào)被傳輸?shù)経S定位單元16，以獲得相應(yīng)的US定 位結(jié)果(例如TOA矢量)。US定位結(jié)果(例如TOA矢量)可以被存儲(chǔ)在US定位結(jié)果存儲(chǔ) 器18中。存儲(chǔ)在RF定位結(jié)果存儲(chǔ)器17和US定位結(jié)果存儲(chǔ)器18中的RF和US定位結(jié)果 在結(jié)果處理設(shè)備204處被綜合以確定目標(biāo)的位置。最終確定的目標(biāo)位置可以被存儲(chǔ)在最終 定位結(jié)果存儲(chǔ)器205中。作為示例，如圖2B所示，結(jié)果處理設(shè)備204和最終定位結(jié)果存儲(chǔ) 器205可以被設(shè)置在位置服務(wù)器200中。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)果處理設(shè)備204可以根據(jù)TOA 矢量中元素的數(shù)目來(lái)確定定位策略，如果TOA數(shù)據(jù)數(shù)目大于等于3，則可以利用三角測(cè)量或 多點(diǎn)定位來(lái)根據(jù)TOA結(jié)果直接確定目標(biāo)的位置。如果TOA的數(shù)目小于3，則需要根據(jù)RF結(jié) 果(例如RSS矢量)進(jìn)行定位，例如，可以通過(guò)檢索RF電子地圖來(lái)確定目標(biāo)的位置。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)定位方法300的流程圖。根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)定位方法 包含兩個(gè)階段設(shè)定階段(步驟301和302)和定位階段(步驟303)。 在設(shè)定階段中，首先在步驟301處將被測(cè)空間劃分成"關(guān)鍵區(qū)"和"普通區(qū)"。區(qū)域劃分的策略可以基于用戶需求，也可以根據(jù)某些啟發(fā)式規(guī)則。然后，在步驟302處，根據(jù)劃 分出的"關(guān)鍵區(qū)"和"普通區(qū)"進(jìn)行定位器部署。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于需要高度精確定位的 "關(guān)鍵區(qū)"，可以相對(duì)密集地部署US接收器，而對(duì)于可以接受較大分辨率定位的"普通區(qū)"，可 以部署RF、紅外或Wifi等接收器。這些接收器不僅具有規(guī)模較大的優(yōu)點(diǎn)，而且部署成本也 相對(duì)較低。 在定位階段(步驟303)，當(dāng)目標(biāo)攜帶標(biāo)簽設(shè)備在被測(cè)空間中移動(dòng)時(shí)，如果其處在 超聲波可以覆蓋的關(guān)鍵區(qū)中，則可以通過(guò)US定位設(shè)備來(lái)進(jìn)行定位，這是因?yàn)閁S定位通常能 夠?qū)崿F(xiàn)比RF定位更高的定位分辨率。如果目標(biāo)處于關(guān)鍵區(qū)之外，則可以通過(guò)搜索經(jīng)訓(xùn)練的 RF電子地圖來(lái)確定目標(biāo)的位置。 圖4示出被測(cè)區(qū)域劃分的一個(gè)示例。在該示例中，安全桌被定義為"關(guān)鍵區(qū)"，其他 空間被定義為"普通區(qū)"。 圖5示出通過(guò)跟蹤預(yù)先安裝的監(jiān)控標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行關(guān)鍵區(qū)修正的流程圖，在該過(guò)程中 實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵區(qū)是否被US定位設(shè)備的感測(cè)范圍所覆蓋。圖6以安全桌為例對(duì)關(guān)鍵區(qū)修正 作出進(jìn)一步說(shuō)明。 在圖6中，安全桌被視為關(guān)鍵區(qū)。四個(gè)監(jiān)控標(biāo)簽被分別布置在安全桌的四個(gè)桌角， 并且可以發(fā)射超聲波信號(hào)。US定位設(shè)備所包含的US接收器可以定時(shí)(或隨機(jī))檢測(cè)來(lái)自 監(jiān)控標(biāo)簽的超聲波信號(hào)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整US接收器的位置，以確保關(guān)鍵區(qū)能夠被US定 位設(shè)備的感測(cè)范圍所覆蓋。 圖7示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的混合定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中以半監(jiān)督學(xué)習(xí) 算法對(duì)RF電子地圖進(jìn)行在線訓(xùn)練。圖8是示出RF電子地圖訓(xùn)練的流程圖，而圖9是示出 RF電子地圖訓(xùn)練的示意圖。除了前述混合定位系統(tǒng)的基本組件之外，圖7所示系統(tǒng)還包括 電子地圖生成設(shè)備701和電子地圖存儲(chǔ)器702。電子地圖生成設(shè)備701獲取來(lái)自于RF和 US定位設(shè)備的定位結(jié)果，并利用半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法對(duì)RF電子地圖進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)目標(biāo)處于普通 區(qū)時(shí)，RF電子地圖可以被用作參考進(jìn)行RF定位。 —般而言，用戶可以攜帶標(biāo)簽設(shè)備在被測(cè)環(huán)境中移動(dòng)。目標(biāo)標(biāo)簽可以同時(shí)發(fā)出超 聲波和RF信號(hào)，從而使得這兩個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于同一位置。假設(shè)在空間中存在n個(gè)US接收器 和P個(gè)RF接收器。每次當(dāng)標(biāo)簽設(shè)備的US發(fā)射器和RF發(fā)射器發(fā)射US和RF信號(hào)時(shí)，US和 RF接收器例如可以獲得如下結(jié)果矢量 <formula>formula see original document page 10</formula>
其中toai， 1《i《n代表從第i個(gè)US接收器接收到的TOA距離信息，m是成功檢 測(cè)到TOA結(jié)果的US接收器的數(shù)目，并且rssj， 1《j《p代表從第j個(gè)RF接收器接收到的 RSS信息，q是成功檢測(cè)到RSS結(jié)果的RF接收器的數(shù)目。注意，m《n，因?yàn)榭赡艽嬖谡系K物 使得某些US接收器無(wú)法檢測(cè)到US信號(hào)，并且q《p，因?yàn)橛锌赡軄?lái)自某些RF接收器的RSS 結(jié)果太微弱，從而被忽略。 參考圖8所示流程圖和圖9所示示意圖，在超聲波覆蓋的"關(guān)鍵區(qū)"中，目標(biāo)可以 通過(guò)使用US定位設(shè)備來(lái)定位。對(duì)于RF信號(hào)，在各個(gè)RF接收器處的RF信號(hào)強(qiáng)度(RSS)可 以構(gòu)成一個(gè)RSS矢量。當(dāng)某些RSS矢量是在關(guān)鍵區(qū)中被收集到的時(shí)，這些矢量可以利用TOA 定位設(shè)備所檢測(cè)到的位置來(lái)進(jìn)行標(biāo)注。而且，在某些預(yù)定地標(biāo)位置(例如房間墻角)處收 集到的某些RSS矢量，也可以利用相應(yīng)的預(yù)定位置坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行標(biāo)注。當(dāng)然，這部分矢量應(yīng)該非常少，以便節(jié)省人為校準(zhǔn)的消耗。其余在普通區(qū)中收集到的RSS矢量是未經(jīng)標(biāo)注的，從而 如圖9所示，可以獲得經(jīng)標(biāo)注的和未經(jīng)標(biāo)注的RSS數(shù)據(jù)。 隨后，如圖8所示，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)的RSS矢量和未經(jīng)標(biāo)注的RSS矢量通過(guò)運(yùn)用半監(jiān)督學(xué)習(xí) 算法被用于RF電子地圖的訓(xùn)練。半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法是一種公知的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在此不對(duì)其 進(jìn)行贅述。由于RSS矢量可以通過(guò)US定位系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行標(biāo)注，因此RF電子地圖可以按在線 的方式被訓(xùn)練。 經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的RF電子地圖可以被用于定位階段的目標(biāo)定位。在一個(gè)實(shí)施例中，具體 而言，目標(biāo)的位置可以例如基于如下融合策略來(lái)估計(jì) 參如果m > 3，則只有[t0ai，t0a2，. . ，toam]矢量被用于定位，在此情況下，可以采 用三角測(cè)量或多點(diǎn)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)高度精確的定位。 參如果m < 3，則只有[rsSl， rss2， . . . ， rssq]矢量被用于定位，在此情況下，使用 該矢量搜索RF電子地圖，以找到匹配的位置。利用該方法所獲得的定位精確度較低，但對(duì) 于無(wú)需很高定位粒度的普通區(qū)而言是可以接受的。 圖10示出電子地圖生成設(shè)備701的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖。參考以上圖8的流程圖以及 圖9的示意圖所述，電子地圖生成設(shè)備701通過(guò)結(jié)果獲取器71獲取由RF定位設(shè)備和US定 位設(shè)備各自提供的低精度定位結(jié)果(例如RSS矢量)和高精度定位結(jié)果(例如TOA矢量)。 然后，結(jié)果標(biāo)注器72處，如果目標(biāo)處于關(guān)鍵區(qū)，則可以用US定位設(shè)備所獲取的TOA結(jié)果來(lái) 標(biāo)注RSS結(jié)果。經(jīng)標(biāo)注的RSS和未經(jīng)標(biāo)注的RSS都被提供給電子地圖生成器73。在電子地 圖生成器73處，其采用半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法生成電子地圖。 最后，圖11是將本發(fā)明第一和第二實(shí)施例相結(jié)合的混合定位系統(tǒng)的內(nèi)部框圖。在 圖11所示系統(tǒng)中還包括電子地圖校準(zhǔn)設(shè)備703，用于在進(jìn)行目標(biāo)定位的同時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)RF電 子地圖進(jìn)行修正，即通過(guò)實(shí)時(shí)地參考US定位設(shè)備的位置測(cè)量結(jié)果來(lái)修正或校準(zhǔn)RF電子地 圖的內(nèi)容。 以上分別參考附圖詳細(xì)描述了根據(jù)本發(fā)明的混合定位系統(tǒng)以及利用該系統(tǒng)以自 適應(yīng)的分辨率進(jìn)行目標(biāo)定位的方法，根據(jù)上述描述可以看出，本發(fā)明具有以下效果
基于定位融合算法，本發(fā)明的系統(tǒng)可以在不同應(yīng)用區(qū)域提供自適應(yīng)的定位分辨 率，并且由于不需要密集部署大量US接收器來(lái)覆蓋整個(gè)應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)成本可以大大降 低。另外，得益于關(guān)鍵區(qū)中部署的US定位設(shè)備，RF模型(電子地圖)可以被在線訓(xùn)練，從 而無(wú)需進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。在本發(fā)明中，基于用戶需求或啟發(fā)式規(guī)則，可以容易地劃分出關(guān)鍵區(qū) 和普通區(qū)，并且可以容易地調(diào)整US定位系統(tǒng)來(lái)精確地覆蓋關(guān)鍵區(qū)。 在上述實(shí)施例中，描述和示出了若干具體的步驟作為示例。但是，本發(fā)明的方法過(guò) 程并不限于所描述和示出的具體步驟，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的精神之后， 作出各種改變、修改和添加，或者改變步驟之間的順序。 本發(fā)明可以以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)，而不脫離其精神和本質(zhì)特征。例如，特定實(shí)施 例中所描述的算法可以被修改，而系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不脫離本發(fā)明的基本精神。因此，當(dāng)前的 實(shí)施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非 上述描述定義，并且，落入權(quán)利要求的含義和等同物的范圍內(nèi)的全部改變從而都被包括在 本發(fā)明的范圍之中。
1權(quán)利要求
一種以自適應(yīng)分辨率定位目標(biāo)的方法，包括將被測(cè)空間劃分成關(guān)鍵區(qū)和普通區(qū)；根據(jù)所述關(guān)鍵區(qū)和普通區(qū)的位置來(lái)布置高精度定位信號(hào)收發(fā)器和低精度定位信號(hào)收發(fā)器，其中所述低精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍覆蓋所述被測(cè)空間，而所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍覆蓋所述關(guān)鍵區(qū)；以及當(dāng)所述目標(biāo)在所述被測(cè)空間中移動(dòng)時(shí)，綜合所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器和所述低精度定位信號(hào)收發(fā)器對(duì)所述目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果來(lái)以自適應(yīng)的分辨率確定所述目標(biāo)的位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)能夠發(fā)射高精度定位信號(hào)和低精度定位信號(hào)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括 生成電子地圖，作為低精度定位時(shí)的定位參考。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述電子地圖以如下半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法生成 獲取來(lái)自所述被測(cè)空間中的多個(gè)位置的低精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果和高精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果；當(dāng)一位置處于所述關(guān)鍵區(qū)時(shí)，用該位置的高精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果標(biāo)注該位置的低精 度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果；以及基于經(jīng)標(biāo)注的所述低精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果和未經(jīng)標(biāo)注的所述低精度定位信號(hào)檢測(cè) 結(jié)果來(lái)生成所述電子地圖。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中定位所述目標(biāo)的步驟包括當(dāng)所述目標(biāo)位于所述關(guān)鍵區(qū)中時(shí)，根據(jù)所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)結(jié)果對(duì)所述 目標(biāo)進(jìn)行定位；并且當(dāng)所述目標(biāo)位于所述普通區(qū)中時(shí)，通過(guò)根據(jù)所述低精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)結(jié)果搜 索所述電子地圖來(lái)進(jìn)行定位。
6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中在定位所述目標(biāo)的過(guò)程中，根據(jù)高精度定位結(jié)果對(duì) 所述電子地圖進(jìn)行校準(zhǔn)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括關(guān)鍵區(qū)修正步驟，用于調(diào)整所述高精度定位信號(hào) 收發(fā)器的位置，以確保所述關(guān)鍵區(qū)被所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍所覆蓋。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述關(guān)鍵區(qū)修正步驟包括 在所述關(guān)鍵區(qū)的邊緣上布置多個(gè)能夠發(fā)射所述高精度定位信號(hào)的監(jiān)控設(shè)備； 所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器接收來(lái)自所述監(jiān)控設(shè)備的高精度定位信號(hào)；并且 根據(jù)接收到的所述高精度定位信號(hào)調(diào)整所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器的位置，以確保所述關(guān)鍵區(qū)被所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍所覆蓋。
9. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述高精度定位信號(hào)是超聲波信號(hào)或聲音信號(hào)。
10. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述低精度定位信號(hào)是射頻信號(hào)、紅外信號(hào)或Wifi 信號(hào)。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述多個(gè)高精度定位信號(hào)收發(fā)器接收來(lái)自所述目 標(biāo)的高精度定位信號(hào)并生成到達(dá)時(shí)間矢量，并且定位所述目標(biāo)的步驟包括如果所述到達(dá)時(shí)間矢量中的元素個(gè)數(shù)大于等于3，則根據(jù)所述到達(dá)時(shí)間矢量計(jì)算所述 目標(biāo)的位置；并且如果所述到達(dá)時(shí)間矢量中的元素個(gè)數(shù)小于3，則通過(guò)搜索所述電子地圖來(lái)確定所述目 標(biāo)的位置。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中當(dāng)所述到達(dá)時(shí)間矢量中的元素個(gè)數(shù)大于等于3時(shí)， 三角測(cè)量或多點(diǎn)定位被用于計(jì)算所述目標(biāo)的位置。
13. —種用于以自適應(yīng)分辨率定位目標(biāo)的系統(tǒng)，包括所述目標(biāo)所攜帶的標(biāo)簽設(shè)備，用于發(fā)射高精度定位信號(hào)和低精度定位信號(hào)； 高精度定位設(shè)備，包含多個(gè)高精度定位信號(hào)收發(fā)器，用于發(fā)送和接收所述高精度定位 信號(hào)；低精度定位設(shè)備，包含多個(gè)低精度定位信號(hào)收發(fā)器，用于發(fā)送和接收所述低精度定位 信號(hào)；結(jié)果處理設(shè)備，用于結(jié)合所述高精度定位設(shè)備和所述低精度定位設(shè)備對(duì)所述目標(biāo)的檢 測(cè)結(jié)果來(lái)以自適應(yīng)的分辨率確定所述目標(biāo)的位置，其中，被測(cè)空間被劃分成關(guān)鍵區(qū)和普通區(qū)，所述低精度定位設(shè)備的檢測(cè)范圍覆蓋所述 被測(cè)空間，并且所述高精度定位設(shè)備的檢測(cè)范圍覆蓋所述關(guān)鍵區(qū)。
14. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括電子地圖生成設(shè)備，用于生成電子地圖，該電子地圖被所述低精度定位設(shè)備用作定位參考。
15. 如權(quán)利要求14述的系統(tǒng)，其中所述電子地圖生成設(shè)備包括結(jié)果獲取器，用于獲取針對(duì)所述被測(cè)空間中的多個(gè)位置的低精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果和 高精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果；結(jié)果標(biāo)注器，用于當(dāng)一位置處于所述關(guān)鍵區(qū)時(shí)，用該位置的高精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果 標(biāo)注該位置的低精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果；以及電子地圖生成器，用于基于來(lái)自所述結(jié)果標(biāo)注器的經(jīng)標(biāo)注的所述低精度定位信號(hào)檢 測(cè)結(jié)果和未經(jīng)標(biāo)注的所述低精度定位信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，利用半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法生成所述電子地 圖。
16. 如權(quán)利要求14述的系統(tǒng)，其中所述結(jié)果處理設(shè)備按如下方式工作當(dāng)所述目標(biāo)處于所述關(guān)鍵區(qū)時(shí)，根據(jù)所述高精度定位設(shè)備的所述高精度定位信號(hào)收發(fā) 器的檢測(cè)結(jié)果定位所述目標(biāo)；并且當(dāng)所述目標(biāo)處于所述普通區(qū)時(shí)，通過(guò)利用所述低精度定位設(shè)備的所述低精度定位信號(hào) 收發(fā)器的檢測(cè)結(jié)果搜索所述電子地圖來(lái)定位所述目標(biāo)。
17. 如權(quán)利要求14述的系統(tǒng)，還包括電子地圖校準(zhǔn)設(shè)備，用于在定位所述目標(biāo)的過(guò)程中，根據(jù)所述高精度定位設(shè)備的所述 高精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)結(jié)果對(duì)所述電子地圖進(jìn)行校準(zhǔn)。
18. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括關(guān)鍵區(qū)修正設(shè)備，用于調(diào)整所述高精度定位設(shè)備中的所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器的位 置，以確保所述關(guān)鍵區(qū)被所述高精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍所覆蓋。
19. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述高精度定位信號(hào)是超聲波信號(hào)和聲音信號(hào)。
20. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述低精度定位信號(hào)是射頻信號(hào)、紅外信號(hào)或 Wifi信號(hào)。
21.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述結(jié)果處理設(shè)備位于位置服務(wù)器中,
全文摘要
本發(fā)明提供了用于以自適應(yīng)分辨率定位目標(biāo)的方法和系統(tǒng)。該方法包括將被測(cè)空間劃分成關(guān)鍵區(qū)和普通區(qū)；根據(jù)關(guān)鍵區(qū)和普通區(qū)的位置來(lái)布置用于高精度定位的多個(gè)高精度定位信號(hào)(US)收發(fā)器和用于低精度定位的多個(gè)低精度定位信號(hào)(RF)收發(fā)器，其中低精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍覆蓋被測(cè)空間，而高精度定位信號(hào)收發(fā)器的檢測(cè)范圍僅覆蓋關(guān)鍵區(qū)；以及當(dāng)目標(biāo)在被測(cè)空間中移動(dòng)時(shí)，綜合高精度定位信號(hào)收發(fā)器和低精度定位信號(hào)收發(fā)器對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果來(lái)以自適應(yīng)的分辨率確定目標(biāo)的位置。利用本發(fā)明的系統(tǒng)，對(duì)于不同區(qū)域，可以按不同的定位分辨率(精度或粒度)進(jìn)行目標(biāo)定位，并且由于無(wú)需使用大量高精度定位設(shè)備，而使得系統(tǒng)成本大大降低。
文檔編號(hào)G01S5/00GK101718859SQ200810161869
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2008年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者王永才, 趙軍輝 申請(qǐng)人:日電(中國(guó))有限公司