阅读说明：本技术 用于检测与环境中的可移动物体相关的特性的基于超宽带的系统和方法 (Ultra-wideband based systems and methods for detecting characteristics related to movable objects in an environment ) 是由 李健强 E·J·杰克逊 樊家伦 于 2019-03-28 设计创作，主要内容包括：一种用于检测与诸如室内环境的环境中的可移动物体相关的特性的基于超宽带的系统和方法。该方法包括使用超宽带发送器将超宽带雷达信号发送到环境,以及使用超宽带接收器接收由于所述第一超宽带雷达信号的发送而从所述环境反射的多个信号。该方法还包括使用处理器处理反射的多个信号并基于处理后的反射信号确定与环境中的可移动物体相关联的特性。(An ultra-wideband based system and method for detecting characteristics associated with a movable object in an environment, such as an indoor environment. The method includes transmitting an ultra-wideband radar signal to an environment using an ultra-wideband transmitter, and receiving a plurality of signals reflected from the environment as a result of the transmission of the first ultra-wideband radar signal using an ultra-wideband receiver. The method also includes processing the reflected plurality of signals using a processor and determining a characteristic associated with a movable object in the environment based on the processed reflected signals.)

用于检测与环境中的可移动物体相关的特性的基于超宽带的 系统和方法

技术领域

本发明涉及使用超宽带雷达信号来检测与环境中的可移动物体相关的特性的系统和方法。

背景技术

用于检测物体的位置的系统和方法是已知的。其中一类系统和方法使用对由摄像机捕获的数据的自动图像处理。这类系统和方法通常需要大的计算能力才能正常运行，并且在某些情况下会引起隐私问题。另一类系统和方法基于标签和锚，即，由目标物体携带并且适于使用例如RFID或其他近场技术将位置信息发送到基站(锚)的可穿戴设备(标签)。为了使标签和锚类型起作用，在测量时，目标物体必须佩戴或携带可穿戴设备。这似乎是很平常的，但是要记住佩戴或携带设备对于诸如老年人或老年痴呆症患者的目标物体可能并不容易。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述需求，克服或基本上改善上述缺点，或者更一般地，提供用于检测与环境中的可移动物体相关的特性的替代或改进的系统和方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测与环境中的可移动物体相关的特性的基于超宽带的方法，包括：使用第一超宽带发送器将多个第一超宽带雷达信号发送到环境中；使用第一超宽带接收器接收由于所述第一超宽带雷达信号的发送而从所述环境反射的多个第一信号；使用处理器处理反射的第一信号；以及使用处理器，基于处理后的反射的第一信号确定与所述环境中的可移动物体相关联的特性。

在第一方面的一个实施例中，确定步骤包括确定环境中可移动物体的存在(或不存在)。

在第一方面的一个实施例中，处理步骤包括从每个反射的第一信号中移除参考背景信号。参考背景信号可以是预定的(固定的)。可选地，参考背景信号可以在操作中调整(例如，基于反射的第一信号)。

在第一方面的一个实施例中，处理步骤包括确定每两个在时间上相邻的反射的第一信号之间的相应差异。这涉及识别在反射的第一信号的相邻帧之间已经改变的信号分量。

在第一方面的一个实施例中，确定步骤包括基于处理后的反射的第一信号确定可移动物体和第一超宽带接收器之间的距离。

在第一方面的一个实施例中，确定步骤还包括确定可移动物体和第一超宽带接收器之间的距离的变化。通过确定距离的变化，可以跟踪可移动物体的移动趋势(朝向或远离接收器)。

在第一方面的一个实施例中，处理步骤还包括分析处理后的反射的第一信号的信号强度和频率中的至少一个。在分析中可以使用各种信号处理技术，例如域变换、阈值处理、滤波、缩放等。

在第一方面的一个实施例中，该方法还包括基于分析将可移动物体分类为处于活动状态或非活动状态。

在第一方面的一个实施例中，分类步骤包括将处理后的反射的第一信号与分类阈值进行比较。如果确定处理后的反射的第一信号高于分类阈值，则认为该物体处于活动状态。如果确定处理后的反射的第一信号低于分类阈值，则认为该物体处于非活动状态。当处理后的反射的第一信号等于分类阈值时，可以认为该物体处于活动状态或处于非活动状态。在一些实施例中，例如，可以使用多个分类阈值，以更好地和更精细地对物体的活动水平进行分类。

在第一方面的一个实施例中，分类阈值取决于可移动物体和第一超宽带接收器之间的距离。例如，当确定距离在第一预定距离范围内时，则使用第一分类阈值，并且当确定距离在第二预定距离范围内(与第一预定距离范围不同)时，则使用第二分类使用阈值(与第一分类阈值不同)。在实践中，每个距离范围可以指代环境中的相应区域，每个区域可以具有不同的设置和功能，使得物体具有不同的活动水平。

在第一方面的一个实施例中，该方法还包括基于处理后的反射的第一信号的信号强度来调整分类阈值。

在第一方面的一个实施例中，分析处理的反射的第一信号的频率包括：分割处理后的反射的第一信号以仅分析被确定为与可移动物体相关联的处理后的反射的第一信号的部分。这降低了后续信号处理所需的计算能力。

在第一方面的一个实施例中，分析处理的反射的第一信号的频率包括：分析处理后的反射的第一信号的频率还可以包括分析一系列处理后的反射的第一信号的频谱的变化。

在第一方面的一个实施例中，可移动物体是人或动物，并且确定步骤还包括基于频率分析确定人或动物的呼吸速率。

在第一方面的一个实施例中，该方法还包括使用第二超宽带发送器将多个第二超宽带雷达信号发送到环境；使用第二超宽带接收器接收由于第二超宽带雷达信号的发送而从环境反射的多个第二信号；并使用处理器处理反射的第二信号。在环境中确定与可移动物体相关的特性还基于处理后的反射第二信号。

在第一方面的一个实施例中，对反射的第二信号的处理包括从每个反射的第二信号中移除参考背景信号。参考背景信号可以是预定的(固定的)。可选地，参考背景信号可以在运行中调整，例如，基于反射的第二信号。

在第一方面的一个实施例中，反射的第二信号的处理包括确定每两个在时间上相邻的反射的第二信号之间的相应差异。这涉及识别在相邻的反射第二信号帧之间已经改变的信号分量。

在第一方面的一个实施例中，确定步骤还包括基于处理后的反射的第二信号确定可移动物体和第二超宽带接收器之间的距离。

在第一方面的一个实施例中，确定步骤还包括确定可移动物体和第二超宽带接收器之间的距离的变化。通过确定距离的变化，可以跟踪可移动物体的移动趋势(朝向或远离接收器)。

在第一方面的一个实施例中，确定步骤还包括基于处理后的反射的第一信号和处理后的反射的第二信号确定环境中的可移动物体的2D位置。例如，可以基于所确定的可移动物体与第一超宽带接收器之间的距离(或距离的变化)以及所确定的可移动物体与第二超宽带接收器之间的距离(或距离的变化)来确定2D位置(假设两个超宽带接收器之间的相对位置或距离是已知的)。

在第一方面的一个实施例中，确定步骤还包括确定环境中可移动物体的2D位置的变化。通过确定2D位置的变化，可以跟踪可移动物体的移动路径。

在第一方面的一个实施例中，第一超宽带发送器和第一超宽带接收器布置在单个第一超宽带收发器中；第二个超宽带发送器和第二个超宽带接收器布置在单个第二个超宽带收发器中。第一超宽带收发器和第二超宽带收发器每个可以是独立单元并且可操作地彼此连接。或者第一超宽带收发器和第二超宽带收发器可以布置在同一单元中。第一超宽带收发器和第二超宽带收发器优选地可以通过有线或无线通信网络与外部电子设备(计算机、电话、平板电脑、服务器等)通信。

在第一方面的一个实施例中，环境是室内环境，例如，在建筑物中；可移动物体是人或动物。在一个示例中，环境是老年人的家，并且可移动物体是老年人。在另一个例子中，环境是医院的病房，可移动物体是病人。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测与环境中的可移动物体相关联的特性的基于超宽带的系统。基于超宽带的系统可以实现以执行第一方面的方法。基于超宽带的系统包括：第一超宽带发送器，用于将多个第一超宽带雷达信号发送到环境；第一超宽带接收器，用于接收由于第一超宽带雷达信号的发送而从所述环境反射的多个第一信号；一个或多个处理器，用于处理反射的第一信号并用于确定与所述环境中的可移动物体相关联的以下特性中的至少一个：基于处理后的反射的第一信号的、可移动物体在环境中的存在；可移动物体与第一超宽带接收器之间的距离；可移动物体与第一超宽带接收器之间的距离的变化；以及可移动物体是处于活动状态还是非活动状态。

在第二方面的一个实施例中，基于超宽带的系统还包括：第二超宽带发送器，用于将多个第二超宽带雷达信号发送到环境；第二超宽带接收器，用于接收由于第二超宽带雷达信号的发送而从环境反射的多个第二信号。一个或多个处理器被布置为处理反射的第二信号。所述一个或多个处理器还被布置成基于反射的第一信号和反射的第二信号中的一个或两个的处理来确定与环境中的可移动物体相关联的以下特性中的至少一个：基于处理后的反射第二信号的、可移动物体在环境中的存在；可移动物体与第二超宽带接收器之间的距离；可移动物体与第二超宽带接收器之间的距离的变化；所述环境中可移动物体的2D位置；以及所述环境中可移动物体的2D位置的变化。

在第二方面的一个实施例中，可操作地彼此连接的一个或多个处理器可以分布在不同设备/单元之间或集成在同一设备/单元中。

在第二方面的一个实施例中，第一超宽带发送器和第一超宽带接收器布置在单个第一超宽带收发器中；第二个超宽带发送器和第二个超宽带接收器布置在单个第二个超宽带收发器中。第一超宽带收发器和第二超宽带收发器每个可以是独立单元并且可操作地彼此连接。或者第一超宽带收发器和第二超宽带收发器可以布置在同一单元中。第一超宽带收发器和第二超宽带收发器优选地可以通过有线或无线通信网络与外部电子设备(计算机、电话、平板电脑、服务器等)通信。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明一个实施例、实现基于超宽带的检测系统的环境的图示；

图2是根据本发明一个实施例、在图1的基于超宽带的检测系统中的超宽带单元的功能方框图；

图3是使用图1中的基于超宽带的检测系统来检测与环境中的可移动物体相关的特性的方法的流程图；

图4A是示出接收到的信号帧(作为发送超宽带雷达信号的结果)的曲线图，其也示出了背景信号的移除；

图4B是示出处理过的雷达帧的波形(profile)的曲线图，其也示出了目标(例如，可移动物体)的检测；

图4C是示出图4B中的波形的频率关系的曲线图；以及

图5是根据本发明一个实施例的系统的示意图，该系统包括图1的基于超宽带的检测系统。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例、安装有基于超宽带的检测系统的环境10。在该实施例中，环境10是室内环境，形式为建筑物中的房间。可移动物体20，例如个人，位于房间10中。基于超宽带的检测系统包括两个超宽带单元100A，100B，每个超宽带单元都具有用于发送超宽带雷达信号的相应的超宽带发送器以及用于接收从环境10反射的信号的相应的接收器。基于超宽带的检测系统可操作以确定环境10中的可移动物体20的特性。

图2是根据本发明一个实施例、基于超宽带的单元200的主要部件的框图。图1中的每个超宽带单元100A，100B都可以具有与图2的单元200相同的基本结构。单元200可以具有不同的配置。并且，它可以在单个设备中实现或者在多个可操作地连接在一起的设备中分布式地实现。单元200通常包括接收、存储和执行适当的计算机指令、命令或代码所必需的合适部件。在该实施例中，单元200的主要部件包括具有发送器201T和接收器201R的UWB收发器201。发送器201T和接收器201R可以是相同的部件，或者它们可以是不同的部件。单元200还包括处理器202和存储器204。处理器202可以由一个或多个CPU、MCU、控制器、逻辑电路、树莓派芯片等形成。存储器204可以包括一个或多个易失性存储器单元(诸如RAM、DRAM、SRAM)，一个或多个非易失性存储器单元(诸如ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FRAM、MRAM、FLASH、SSD、NAND和NVDIMM)，或它们的任何组合。单元200还可以包括一个或多个输入设备206，诸如键盘、鼠标、触控笔、图像扫描仪、麦克风、触觉输入设备(例如，触敏屏幕)，以及图像/视频输入设备(例如，相机)。单元200还可以包括一个或多个输出设备208，诸如一个或多个显示器(例如，监视器)、扬声器、磁盘驱动器、头戴式受话器、耳机、打印机、3D打印机等。显示器可以包括LCD显示器、LED/OLED显示器，或任何其他合适的可能是或可能不是触敏的显示器。单元200还可以包括一个或多个磁盘驱动器212，其可以包括固态驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、闪存驱动器和/或磁带驱动器。合适的操作系统可以安装在单元200中，例如安装在磁盘驱动器212上或存储器204中。单元200的组件可以由处理器202操作。单元200还包括通信模块210，用于建立与一个或多个其他外部计算设备，诸如服务器、个人计算机、终端、平板电脑、电话或其他无线或手持计算设备的一个或多个通信链路(未示出)。通信模块210还可以在不同单元200之间建立通信链路以实现单元200之间的通信。通信模块210可以是调制解调器、网络接口卡(NIC)、集成网络接口、射频收发器、光端口、红外端口、USB连接或其他有线或无线通信接口。通信链路可以是有线的或无线的，其用于传送命令、指令、信息和/或数据。收发器201、处理器202、存储器204、输入设备206、输出设备208、通信模块210和磁盘驱动器212通过总线、***组件互连(PCI)(诸如PCI Express)、通用串行总线(USB)、光学总线或其他类似的数据和/或电源总线相互连接。尽管未示出，但是单元200可以由DC电源(例如，电池单元、电池组)或AC电源(例如，具有用于连接到AC电源插座的电源线和插头)供电。单元200还可以通过通信模块210与一个或多个外部数据存储器或服务器连接。

本领域技术人员将理解，图2中所示的单元200仅仅是示例性的。例如，单元中的收发器201的数量可以多于一个。发送器201T和接收器201R可以分开布置，而不是作为单个收发器201。在一个示例中，当多个单元200彼此可操作地连接在一起时(例如，如图1所示)，单元200中的一个可以是主单元200且其他单元200可以是由主单元控制的从单元。主单元的处理器可以控制从单元的处理器的操作，而数据和信号处理可以在任何处理器上执行。在一些实施例中，发送器201T和接收器201R或收发器201可以与单元200的其他部件分开布置。

图3示出了根据本发明一个实施例、使用图1中的基于超宽带的检测系统来检测与环境10中的物体20相关联的特性的方法300。

方法300始于步骤302，其中超宽带雷达信号被发送到环境10。在一个实施例中，发送可以仅由单元100A，100B中的一个的超宽带发送器执行。在另一个实施例中，发送可以由两个单元100A，100B的超宽带发送器执行。两个单元100A，100B的发送可以大体上同时执行，或者可以一个接一个地执行(具有已知的时间差)，由单元100A，100B中的一个或两个的处理器控制。

方法300然后进行到步骤304，其中接收由于超宽带雷达信号的发送而从环境10反射的信号。在仅由单元100A，100B中的一个的超宽带发送器执行发送的实施例中，相应单元的接收器将接收反射信号。在由两个单元100A，100B的超宽带发送器执行发送的实施例中，两个单元100A，100B的接收器将接收相应的反射信号。反射信号包含关于环境10的信息，其中包括环境10中的物体20。

随后，在步骤306中，分析反射信号。该分析可以由接收反射信号的单元100A，100B的处理器执行，或者由可操作地与单元100A，100B连接的任何其他处理器执行。在仅由单元100A，100B中的一个执行发送和接收的实施例中，相应单元的处理器将分析所接收的反射信号。在由两个单元100A，100B的超宽带发送器执行发送的实施例中，两个单元100A，100B的处理器将处理分别接收的反射信号。该处理可以包括从每个反射信号中移除参考背景信号。参考背景信号可以是预定的(固定的)，或者可以基于反射信号的特性(强度、频率、相位等)在操作中进行调整。可选地或另外地，该处理可以包括识别在相邻反射信号帧之间已经改变了的信号分量，以确定每两个在时间上相邻的反射的第一信号之间的相应差异。随着越来越多的反射信号被处理，可以建立时间波形。该处理还涉及使用例如频率-时域变换，阈值处理(例如，基于信号中的噪声的变量)，滤波，缩放，时间增益补偿等方法来分析处理后的(例如，移除背景信号后的)反射的第一信号的信号强度或频率(或两者)。在一个示例中，分析处理后的反射信号的频率涉及分割处理后的反射的第一信号，以仅仅分析被确定为与可移动物体相关联的经处理后的反射的第一信号的部分。

在处理接收的信号时，在步骤308中，确定与环境10中的可移动物体20相关联的特性。该确定可以由执行步骤306中的处理步骤的单元100A，100B的处理器执行，或者由可操作地与单元100A，100B连接的任何其他处理器执行。

与环境10中的可移动物体20相关联的特性可以是环境10中可移动物体20的存在(或不存在)。这可以基于处理后的信号来确定。如果处理后的信号不包含时间上变化的信号分量，则认为物体20在环境10中不存在。在一个实施例中，即使处理后的信号包含时间上变化的信号分量，将处理后的信号与预定的参考信号进行比较以确定物体20是否在环境10中存在或不存在。可以仅使用一个单元100A，100B来执行对可移动物体20的存在(或不存在)的确定。

与环境10中的可移动物体20相关联的特性可以是可移动物体20与其中一个单元100A，100B之间的距离。这可以基于处理后的信号，基于时差测距或类似技术来确定。距离的确定可以仅由一个单元100A，100B(因此仅确定一个距离)来执行或使用两个单元100A，100B(确定各自的距离)来执行。通过监视处理后的信号随时间的变化，还可以确定可移动物体20与单元100A，100B中的任何一个之间的距离的变化。

在其中两个单元100A，100B都确定相应距离(或相应距离的变化)的一个实施例中，与环境10中的可移动物体20相关联的特性可以是环境10中的物体20的2D位置。可以基于所确定的可移动物体20和单元100A之间的距离(或距离的变化)和所确定的可移动物体20与单元100B之间的距离(或距离的变化)来确定2D位置，假设单元100A，100B的两个超宽带接收器之间的相对位置或者距离是已知的。通过监视处理后的信号的随时间的变化，可以确定环境10中可移动物体20的2D位置的变化，因此可以跟踪物体20的移动路径。

在可移动物体是人或动物的一个实施例中，与环境10中的可移动物体20相关联的特性可以是人或动物的呼吸速率。可以基于处理后的接收信号的频率分析来确定呼吸速率。

具有步骤306和308的方法300可以用于对物体20是处于活动状态(例如，做运动)还是处于非活动状态(例如，睡眠)进行分类。分类可以包括将处理后的反射信号与分类阈值进行比较。如果确定处理后的反射第一信号高于分类阈值，则认为物体20处于活动状态。如果确定处理后的反射第一信号低于分类阈值，则认为物体20处于非活动状态。在一些实施例中，可以使用多个分类阈值，以更好地和更精细地对物体的活动水平进行分类。在一个实施例中，分类阈值对于可移动物体和单元100A，100B之间的不同距离范围是不同的。例如，当确定距离为0m至80m(例如，图1中的区域A)时，使用第一分类阈值，并且当确定距离为80m至100m(例如，图1中的区域B)时，使用与第一分类阈值不同的第二分类阈值。不同的区域可以代表物体20将在其中执行不同类型的活动的不同的区域(例如，卧室、浴室、厨房等)。活动和非活动状态的确定还可以考虑物体的呼吸速率(基于关于呼吸频率信号的强弱)。

图4A是示出根据本发明一个实施例、作为发送超宽带雷达信号的结果而接收的信号帧以及背景信号的移除的曲线图。如图4A所示，信号帧包含背景信号和指示环境10的条件或在环境10中的条件的信号。通过从信号帧中移除背景信号，并且可选地应用其他信号处理或重建技术来处理信号帧。通过这样做，得到的处理后的信号将是“移动信号”，其指示环境10的状况的改变或在环境10中的状况的改变(例如，物体20的特性)。

图4B是示出处理后的雷达帧的波形以及基于该波形的目标(例如，可移动物体)检测的曲线图。图4B可以通过集合类似于图4A的雷达帧并且将它们全部绘制在单个图表中来获得。在图4B中，由虚线圈出的粗线示出物体20与单元100A或100B之间的识别到的距离变化。

图4C是示出图4B的曲线图中的信号波形的一部分的频率关系的曲线图。例如，图4C可以通过对用虚线圈出的波形的一部分进行短时快速傅立叶变换来获得。图4C中的曲线图示出了被提取的移动信号(移动速率)随时间的变化和时间。可以分析和处理形成该图的信号以提取呼吸速率，并且可以使用信号的强度来设置系统的活动水平阈值(例如，如上所述)。

图5是在本发明的一个实施例的系统的示意图，该系统包括图1的基于超宽带的检测系统。如图5所示，单元100A，100B通过通信网络30与一个或多个外部电子设备可操作地连接。通信网络30可以是有线的或无线的(更优选的)。外部电子设备40可以是计算机服务器40A，智能电话/平板电脑40B或智能手表40C的形式。外部电子设备40的基本结构是已知的，并且它一般包括处理器、存储器、I/O设备、通信模块、磁盘驱动器等(例如，类似于参照图2描述的那些)。系统允许单元100A，100B向外部电子设备40发送数据、警报、信息以供查看、分析、存储等。在一个示例中，如果确定物体20的活动水平突变为0(其可能指示物体20的昏倒)，单元100A，100B可以向外部电子设备40发送警报以向外部电子设备40的用户或管理者通知这种事件并采取紧急动作。

尽管不是必需的，但是参考附图描述的实施例可以实现为应用程序编程接口(API)或者由开发者使用的一系列库，或者可以包括在另一个软件应用程序中，诸如终端或个人计算机操作系统或便携式计算设备操作系统。通常，由于程序模块包括协助执行特定功能的例程、程序、对象、组件和数据文件，本领域技术人员将理解，软件应用程序的功能可以分布在多个例程、对象或组件上以实现这里需要相同的功能。

还应当理解，在本发明的方法和系统完全由计算系统实现或部分由计算系统实现的情况下，可以使用任何适当的计算系统架构。这将包括独立计算机、网络计算机、专用或非专用硬件设备。在使用术语“计算系统”和“计算设备”的情况下，这些术语旨在包括能够实现所描述的功能的计算机或信息处理硬件的任何适当布置。

本领域技术人员将理解，在不脱离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对具体实施例中所示的本发明进行多种变化和/或修改。例如，基于超宽带的系统100可以由单个单元或多于两个单元形成(不同于图1中所示的单元)。系统100可以由多个基于超宽带的发送器-接收器对/收发器形成，其与单个独立计算设备(笔记本电脑、台式电脑等)可操作地连接。本发明可以应用于户外环境。可移动物体可以是动物。本发明可以应用于其中存在多个物体(不仅仅如图所示的为一个)的环境中。因此，本发明的所述实施例应当在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。