用于室内定位的设备、系统和方法与流程

1.本技术总体上涉及室内定位的技术领域，尤其涉及一种用于室内定位的设备以及包括该设备的系统，还涉及一种用于室内定位的方法。


背景技术：

2.定位技术可以提供基于位置的服务，其在诸多领域被需求，例如，在用于导航和轨迹追踪的系统中需要定位技术。目前，室外定位可以依赖于全球卫星导航系统(gnss)来实现。但是，gnss无法提供室内定位服务，因为卫星信号难以穿透建筑物，室内信号覆盖差。
3.因此，室内定位技术是近年来的研究热点。虽然在现有技术中已存在一些室内定位系统，但是这些现有的室内定位系统依然存在诸如成本高、定位效率低、系统结构复杂之类的问题。
4.因此，亟需一种克服上述缺陷的一个或多个方面的技术方案。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述问题，根据本发明第一方面的实施例，提供了一种用于室内定位的设备，所述设备构造成在室内区域中移动，所述室内区域中包含多个对象，每一对象设有至少存储其所设置对象的对象标识的标签；并且所述设备还构造成在检测到一个或多个对象的情况下，获取检测到的各对象的标签中的对象标识，并将包含所述对象标识的无线信号发送出去，所述无线信号用于确定所述设备的位置以及所述对象标识所对应的对象的位置。
6.根据本发明第二方面的实施例，提供了一种用于室内定位的系统，包括：如上所述的设备，用于检测室内区域中对象，读取检测到的对象的对象标识，并将包含所述对象标识的无线信号发送出去；以及控制单元，与所述设备无线通信连接并接收所述无线信号，基于所述无线信号计算出所述设备的位置并将该位置与所述对象标识所对应的对象的位置相关联。
7.根据本发明第三方面的实施例，提供了一种用于室内定位的方法，可选地，所述方法由如上所述的设备和/或如上所述的系统执行，所述方法包括：在检测到室内区域中一个或多个对象的情况下，获取检测到的各对象的标签中的对象标识；以及发送包含所述对象标识的无线信号，所述无线信号用于确定所述对象标识所对应的对象的位置。
附图说明
8.图1示出了根据本发明一种可行实施方式的用于室内定位的系统的示意图。
9.图2示出了图1中的系统的示意性框图。
10.图3示出了根据本发明的一种可行方式的示例性定位过程。
11.图4示出了根据本发明一种可行实施方式的用于室内定位的方法的流程图。
具体实施方式
12.考虑到现有的室内定位方案通常需要为每一室内对象配备一个用于实时定位的传感器，用于实时定位的传感器往往价格高昂，这样在室内存在大量对象的情况下，就相应地需要大量的高价传感器。本发明的发明人提出了借助于融合传感器构成移动式检测设备的方案，能够在无需为每一对象配备高价传感器的情况下，通过一次检测和计算，确定出在位置上十分接近的所有对象的位置。定位精度可以达到厘米级，定位速度几乎可以实现为实时，能够满足诸多室内定位场景的需求。
13.在介绍本发明的具体实施方式之前，对本发明中出现一些术语进行解释。
14.在本发明中，“室内”或“室内区域”可以理解为部分地或几乎完全封闭的室内场景，例如，建筑物或建筑物中的公共区域。举例来说，室内区域可以包括办公场所、停车场、会议中心、仓库、教室、剧院、超市、购物中心、运动竞技场、机场候车厅、图书馆，等等。
15.在本发明中，“对象”可以理解为位于室内区域中的对象，包括静止对象和移动对象。可以理解的是，静止对象例如是物品或物件，但静止对象的位置并不一定一直不变，例如，物品或物件可能被转移位置。
16.在本发明中，“对象的位置”或“设备的位置”可以理解为该对象或设备在某一时刻的位置。“位置”可以采用不同的形式。例如，本发明的实施例中的位置可以在使用局部位置的局部坐标系中、在使用全局位置的全局坐标系中、在使用x、y和z位置点的笛卡尔坐标系中、在极坐标系中、在球形坐标系中等。
17.工厂或生产车间可以作为本发明实施例的应用场景。在该应用场景中，对象可以包括人(例如，操作人员)、物品或物件(例如，零件以及装有零件的盒子)、机器(例如，机械加工设备)和工具(例如，电动工具)。
18.以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
19.图1示意性示出了根据本发明一种可行实施方式的用于室内定位的系统100，其主要包括设备10、控制单元20和数字地图30。系统100还可以包括多个标签(例如，tag1～tag6)。
20.多个标签中的每个标签被设置于室内区域a中的一个对象。参见图1，标签tag1-tag6分别设置于对象1-6中的一个对象。标签可以附接(例如，粘贴，借助绑带、铆钉等固定)在物品对象的表面，也可以嵌入物品对象的内部。标签还可以设置在人员对象的可穿戴设备中。
21.标签具有标签信息。标签信息至少包含对象标识，对象标识用于唯一地标识一标签所设置的对象。对象标识可以采用多种实现方式，例如，字母、数字、符号或者它们的任意组合。标签信息还可以包含附加信息，例如，其所设置对象的基本信息。标签可以采用多种实现方式，例如，无线电射频识别标签(rfid标签)、近场通信标签(nfc标签)、二维码标签、智码标签。
22.设备10构造成在室内区域a中一边移动一边检测室内区域a中的对象。设备10构造成在移动得接近(十分靠近)一对象时，能够检测到该对象，并读取检测到的对象的标签中的对象标识。接着，设备10将包含对象标识的无线信号发送给控制单元20。
23.在一个实施例中，无线信号可以是无线射频信号，例如，无线局域网(wlan)信号、蓝牙信号、超宽带(uwb)信号或zigbee信号。
24.控制单元20与设备10无线通信连接并接收来自设备10的无线信号。控制单元20基于接收到的无线信号计算出设备10的位置，并将该位置与对象标识所对应的对象的位置相关联。换言之，在确定出设备10的位置的同时，认为该位置也是检测到的对象的位置，即，认为设备10的位置与检测到的对象的位置基本上相同，因为设备10在移动得十分接近一对象时才能够检测到该对象。
25.控制单元20可以设置在服务器计算机中。该服务器计算机可以设置在室内区域a中或附近(例如，该服务器计算机是室内区域a中或附近的边缘服务器)，也可以设置成远离室内区域a(例如，该服务器计算机是远程服务器或云端服务器)。
26.控制单元20可以用硬件或者软件或者软件与硬件相结合的方式来实现。对于硬件实现的部分，可以在一个或多个专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数据信号处理器件(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计以执行其功能的电子单元、或它们的组合中实现。对于以软件实现的部分，可以借助于微代码、程序代码或代码段来实现，还可以将它们存储在诸如存储组件之类的机器可读存储介质中。
27.数字地图(map)30包含关于室内区域a的地图数据，尤其包含室内区域a中的对象的位置的地图数据。数字地图30可以存储在控制单元20中。数字地图30也可以存储在控制单元20外部的数据库31中，并且该数据库31能够与控制单元20交互信息。
28.控制单元20在每次接收到无线信号之后，生成相应的时间戳，即，接收到用于计算位置的无线信号的时刻。控制单元20将对象标识、计算出的对象位置以及相应的时间戳发送给数字地图30，以便在数字地图30中更新这些信息。这样，通过观察数字地图30，能够直观地获知室内区域a中的对象的位置以及这些对象的位置的更新情况。
29.图2示意性示出了上述系统100的一种实现方式。如图2所示，用于室内定位的设备10主要包括移动装置11、第一传感器12和第二传感器13。移动装置11在室内区域a中移动。第一传感器12和第二传感器13电连接并且两者一起设置在移动装置11上。由此。第一传感器12和第二传感器13随着移动装置11的移动而在室内区域a中移动。
30.移动装置11可以实现为任何适于在室内区域a中移动的装置。例如，移动装置11可以实现为移动机器人、叉车、升降机、运输小车、或传输带。移动装置11可以以预定速度和预定路线移动。例如，工厂中的运输小车以预定速度和预定路线运送物品。可以理解的是，本发明对移动装置11的移动速度和运行路线不进行限定。
31.第一传感器12用于在接近室内区域a中的对象并与该对象建立通信连接时，读取该对象的标签中的对象标识。
32.第一传感器12具有检测距离，即，能够检测到对象距离。第一传感器12接近一对象并与该对象建立通信连接可以理解为第一传感器12与该对象之间的距离小于检测距离。第一传感器12的检测距离是能够调节的，即，可以根据需要设置该检测距离。
33.随着移动装置11的移动，第一传感器12可能与一个对象之间的距离小于检测距离，也可能与多个对象之间的距离都小于检测距离，即，这时第一传感器12能够检测到所有在其检测距离内的对象，并读取这些对象的对象标识。换言之，第一传感器12一次检测到对象的数量(即，读取到对象标识的数量)取决于第一传感器12在移动至某一位置时，与多少个对象的距离小于检测距离。
34.第二传感器13可以经由通信链路(例如，rs485/232串行通信接口)与第一传感器12通信连接。第二传感器13以预定频率向控制单元20发送无线信号。例如，第二传感器13发送纳秒级的脉冲信号。第二传感器13发出的无线信号可以经由基站或网关传输给控制单元20。第二传感器13一直监听第一传感器12是否检测到信息。当第一传感器12检测到对象并读取了对象标识后(这时，认为第一传感器检测到了信息)，第二传感器13从第一传感器12获取对象标识，准备在下一次发送无线信号时(例如，下一个发送脉冲的时间期间)将该对象标识附加到无线信号中一起发送给控制单元20。
35.第一传感器12可以实现为以下项之一：射频识别传感器(rfid传感器)、近场通信传感器(nfc传感器)、二维码传感器或智码传感器。
36.第二传感器13可以实现以下项之一：超宽带传感器(uwb传感器)、摄像头、wifi传感器或蓝牙传感器。
37.第一传感器12和第二传感器13可以分别实现为单独的传感器，也可以两者一起集成在智能设备(例如，智能手机)中。第一传感器12还可以与第二传感器13集成为整体式的融合传感器，即，具有第一传感器12的功能和第二传感器13的功能的融合传感器。
38.可以理解的是，无论第一传感器12和第二传感器13以何种通信链路连接，两者在位置(物理位置)上布置成十分靠近，以便能够认为两者的位置相同或大致相同。
39.在一个实施例中，采用rfid和uwb融合的方式来实现信号的检测和发送。即，采用rfid读取器来实现第一传感器12，采用uwb标签来实现第二传感器13，并且rfid读取器通过通讯链路与uwb标签通信连接。
40.另外，根据本发明实施例的系统100的定位精度和/或位置更新频率是可以调节。
41.为了调节基于系统100的定位精度，可以采用以下项中的至少之一来实现：
42.(1)调节第一传感器12的检测距离，即，第一传感器12能够检测到对象的距离。例如，第一传感器12的原检测距离为50cm，即，在第一传感器12与对象的相对距离小于50cm的情况下，第一传感器12能够检测到对象，现将该检测距离调节为20cm，即，在第一传感器12与对象的相对距离小于20cm的情况下，第一传感器12才能够检测到对象。这样，可以通过减小第一传感器12的检测距离来提升系统100的定位精度。
43.(2)调节与第二传感器13相关联的设备的配置方案。例如，与第二传感器13相关联的设备可以包括基站，从第二传感器13发出的无线信号通过基站发送给控制单元20。通过优化基站的布置和/或增加基站数量，可以提高基于无线信号的定位精度，由此提高系统100的定位精度。
44.(3)优化控制单元20基于无线信号计算位置的算法。例如，控制单元20可以将基于无线信号的参数(例如，信号强度，与基站的相对距离，达到基站的时间，等等)和预先确定的信号发出者的位置作为样本，训练机器学习模型，并借助于经训练的机器学习模型来实现基于无线信号的定位。这样，通过不断地训练和优化模型，可以提升系统100的定位精度。
45.为了调节基于系统100的位置更新频率，可以采用以下项中的至少之一来实现：
46.(1)调节第一传感器12检测对象的第一频率f1。
47.(2)调节第二传感器13发送无线信号的第二频率f2。
48.系统100更新位置的频率取决于上述第一频率f1和第二频率f2两者中的较小频率，即，系统100更新位置的频率为min(f1，f2)。
49.另外，在对象被承载于移动装置11并被检测到的情况下下(例如，物件对象放置在作为移动装置11的运送小车上)，可以借助于第一传感器12的检测距离以及计算出的设备10的位置确定出设备10(例如，移动小车)尺寸。例如，以计算出的位置为圆心，以检测距离为半径，得到一个圆，该圆的面积可以认为是设备10的尺寸。可以理解的是，设备10的尺寸可以等同于移动装置11的尺寸，因为传感器(第一和第二传感器)设置在移动装置11上并且传感器的尺寸相对于移动装置会小很多。
50.因为设备10作为移动式设备在室内区域a中移动，因此需要预估出该设备10的尺寸并进行碰撞规避。通过该方式，正好可以确定出设备10的尺寸，并将该尺寸确定为室内区域a中的潜在碰撞范围，从而有助于碰撞规避的实现。
51.图3示出了根据本发明的一个可行实施方式的示例性定位过程300。该定位过程300可以借助于上述系统100来实现。
52.如图3所示，在框302中，设备10在室内区域a中移动，随着设备10的移动，当第一传感器12检测到一个或多个对象(即，第一传感器12与一个或多个对象接近并该一个多个对象的标签建立通信连接)时，第一传感器12读取这些对象的对象标识。以下，以设备10检测到三个对象(即，对象1-3)为例进行说明。即，第一传感器12读取对象1-3的标签tag1-tag3的标签信息，并获得了对象1-3的对象标识id1-id3。
53.在一个实施例中，标签tag1-tag3可以实现为rfid标签，并且第一传感器12实现为rfid读取器。
54.在该实例中，标签tag1-tag3可以实现为主动式rfid标签。在标签tag1-tag3实现为主动式rfid标签的情况下，该主动式rfid标签包括内部电源，例如，电池。因为主动式rfid标签采用了内部电源，所以主动式rfid标签可以被持续地供电并可以持续地、或以预定时间间隔或响应于rfid读取器的请求而发射标签信息(例如，对象标识id1-id3)。
55.在该实施例中，标签tag1-tag3可以实现为被动式rfid标签。在标签tag1-tag3实现为被动式rfid标签的情况下，rfid标签由rfid读取器传输的rf功率供电。在接收到来自rfid读取器的rf功率时，被动式rfid标签将存储在标签中的信息(例如，对象标识id1-id3)发送给rfid读取器。该传输可以称为反向散射。通过检测反向散射信号，标签信息可以被rfid读取器识别。
56.可以理解的是，rfid读取器可以由外部电源供电，也可以由内部电源(例如，电池)供电。
57.在框304中，第二传感器13响应于第一传感器12检测到信号(即，读取了对象标识id1-id3)，第二传感器13从第一传感器12获取检测到对象标识id1-id3。
58.在框306中，第二传感器13将检测到的对象标识id1-id3包含到无线信号中并将包含了对象标识id1-id3的无线信号发送给控制单元20。
59.在一个实施例中，第二传感器13实现为uwb标签，uwb标签利用纳秒级的脉冲信号向控制单元20传输数据。当uwb标签监听到第一传感器12检测到了信号(对象标识)，从第一传感器12获取对象标识，并准备在下一次(例如，下一个发送脉冲)发送无线信号时连同对象标识一起发送
60.可以理解的是，第二传感器13采用高频(例如，重复周期在纳秒级的脉冲通信)无线通信与控制单元20交互数据，由此可以认为第二传感器13是可以实现实时定位的设备。
61.在框308中，控制单元20基于接收到的无线信号计算出设备10的位置。控制单元20可以采用基于无线信号的多种算法计算出设备10的位置，例如，到达时间差(toda)，到达时间(toa)，到达角度(aoa)，接收信号指示强度(rssi)，等等。控制单元20还可以采用基于这些算法的模型来计算处设备10的位置。
62.在框310中，控制单元20将计算出的设备10的位置与包含在无线信号中的对象标识所对应的对象的位置相关联。即，将设备10的位置赋予给检测到的对象的位置，因为，设备10在与一对象十分接近(即，可以认为设备10的位置与该对象的位置相同)的情况下才能够读取该对象的对象标识。
63.例如，在第一传感器12检测到对象1-3并由第二传感器13发送了包含对象标识id1-id3的无线信号的情况下，控制单元20将计算出的设备10的位置赋予给对象标识id1-id3所对应的对象1-3的位置。
64.在框312中，在数字地图30中更新计算出的对象位置以及相应的时间戳。在一个实施例中，控制单元20在接收到无线信号时，生成时间戳。换言之，与无线信号中所包含的对象标识相对应的对象在该时刻(时间戳表示的时刻)处于计算出的位置。
65.另外，在系统100的关联服务器(未示出)中可以存储有室内区域a中所有对象的信息，例如，各对象的对象标识以及与各对象的相关信息(例如，对象的基本信息，维护信息，使用信息，等等)。在控制单元20确定出检测到的对象的位置之后，可以将该位置以及相应的时间戳更新到关联服务器中。
66.本发明还提供用于室内定位的方法。图4示出了根据本发明的一种可行实施方式的用于室内定位的方法400的流程图。可选地，方法400可以由上述设备10来实施，方法400也可以由上述系统100来实施。因此，以上相关描述同样适用于此。
67.参见图4，在步骤s410，在检测到室内区域中一个或多个对象的情况下，获取检测到的各对象的标签中的对象标识。
68.在步骤s420，发送包含所述对象标识的无线信号，所述无线信号用于确定所述对象标识所对应的对象的位置。
69.虽然前面描述了一些实施方式，这些实施方式仅以示例的方式给出，而不意于限制本技术的范围。所附的权利要求及其等同替换意在涵盖本技术范围和主旨内做出的所有修改、替代和改变。