用于定位动物的无线电定位装置和系统
本申请是申请日为2015年2月12日、申请号为201580007930.2(国际申请号为PCT/AT2015/000022)、发明名称为“用于定位动物的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于借助无线电波定位动物的无线电定位装置和系统。
背景技术
已知的用于借助无线电波定位对象(例如动物)的系统具有多个处于已知位置的无线电发射器和/或无线电接收器以及在每个有待定位的对象上的对应无线电发射器和/或无线电接收器。
此外，用于通过无线电波进行定位的这些发射器和接收器被简单地称为“节点”。根据一种频繁使用的方法，为了确定安装至有待定位的动物的节点的位置，在第一步中使用无线电信号来测量具有已知位置的单独节点和有待定位的节点之间的距离彼此相差的长度。为此目的，例如，从有待定位的节点向所有其他节点同时传输信号。接收节点测量此信号到达所有其他节点的时间。这些单独测量时间之差，每个乘以光速(信号在相关介质中的传播速度)，导致这些单独节点与传输节点之间距离的差别。为了进一步的计算，在第一步中假设有待定位的节点位于双曲面上，该双曲面的轴穿过作为焦点的具有已知位置的节点，这些节点与有待定位的节点之间的距离的测量差等于这样的长度，通过该长度(通过定义)，这两个焦点与双曲面上的每个点之间的距离相差的长度。由于至少三个这种双曲面交点，有待定位的设备的可能位置被限制在两个点。可以借助第四个双曲面(结果是因此需要至少四个具有已知位置的节点)或借助基于已知几何环境无论如何都能够排除的一个点来达到对一个点的进一步限制，例如因为所述点在动物可以在其中移动的棚外部。(在这个背景下，“双曲面”用于指旋转对称壳形区域，可以认为该区域是通过将双曲面绕其主轴旋转所产生的。)
如果在对所述方法的修改中，在第一步使用无线电波来直接推断动物上的有待定位的节点与具有已知位置的单独节点之间的距离，那么可以在第二部假设球形壳体而不是双曲面壳体。
在对所描述方法的进一步简化修改中，无线电波用于仅仅测量单个距离，即具有已知位置的单个节点与有待定位的节点之间的距离。那么结果精确地是这两个节点之间的所述距离，或者如果已知有待定位的节点由于结构情况无论如何仅可以在已知线上，由于已知线与半径等于这两个点的测量距离并且中心点位于具有已知位置的节点上的球面的交线所产生的位置。
例如文件AT 506628 A1、US 6122960 A、DE 100 45 469 C2、WO9941723 A1、WO2011153571 A2和WO2012079107 A2涉及根据所解释的原则处理对动物的无线电定位。
由于在实践过程中经常不可避免的大量测量误差和测量不准确性——例如由于无线电波的反射——有必要引入进一步的逻辑假设并执行相应的评估以便能够获得合理可靠的定位结果。除了已经提到的排除由于几何情况而不可能的结果的实践外，随机方法被具体用来基于之前测量的结果同样限制对应当前结果的模糊性并且以最低误差概率反映现实的那个测量结果。一种被证实的随机模型在本上下文中是隐藏的马尔可夫(Markov)模型，并且具体地是维特比(Viterbi)算法，该算法可以用于以相对高效的方式从大量可能的状态序列中发现在各种情况下当前最可能的状态序列。例如，EP 1 494 397 A2描述了这样一种方法，该方法具体用于在建筑物中进行无线电定位，由于重复发生信号反射该无线电定位特别困难。
例如文件EP 549081 A1、GB 2234070 A、GB 2278198 A、US 3999611 A、US6122960 A、US 7616124 B2、WO 2002091001 A1、WO 2003055388 A2、WO 2006077589 A2、WO2010108496 A1和WO 2010109313 A1提出并解释了使加速度传感器(尤其)适配活体动物并且使用来自加速度传感器的测量结构来推断产生对应加速度的动物行为。为此目的，通常通过无线电连接将测量结果传输至数据处理系统，并由所述数据处理系统对测量结果进行检查以便与存储为图案的加速度数据的时间曲线进行匹配。
在这种情况下，被存储为图案的时间曲线是动物的具体活动的特征，例如行走、进食、反刍、睡眠、可能跛足行走、爬上其他动物。为了发现特征图案，在早期工作中记录加速度数据以及与其并列的基于即时观察而确定的动物活动，并且从记录的数据过滤加速度图案和活动之间的相互关系。
还可能已经在数据处理系统中全部或部分地评估了加速度测量数据，该数据处理系统位于在动物身上并包括加速度传感器的设备上。
WO9941723 A1涉及一种由人或动物携带的设备，可以传输和接收无线电波，并且其位置可以由卫星导航系统确定。还提到了，除了可以测量生物状态的各个其他传感器之外，例如，该设备还可以具有加速度传感器。
WO2011153571 A2和WO2012079107 A2涉及用于动物的无线耳标，耳标不仅使得能够进行无线定位还能够包含可用于通过图案评估自动地识别动物的活动的加速度传感器。
US 6122960 A主要涉及通过测量加速度并评估测量结果来测量和记录人或动物覆盖的移动和距离。还提出了通过无线电导航确定“绝对位置”。
发明内容
在现有技术的基础上，本发明的目的是提供一种用于借助无线电波来定位动物的方法，该方法可以用于并自动地发生于用于动物的锻炼围栏和围墙，并且与此类已知方法相比在此目的所需的投资成本方面提供更加准确且更加可靠的结果。
为了实现这个目的，提出了通过以下新颖的方式结合无线电定位和对来自至少一个加速度传感器的数据的分析：
来自加速度传感器的所述数据用于推断相关动物是处于直立(站、走或跑)位还是处于躺位。取决于这个决定，总结出被安排在动物身上并用于无线电定位的节点在地面上方多高。关于有待定位的节点的高度位置的信息可以作为边界条件被包括在将于无线电定位过程中实施的计算中，并且根据所述计算，从适配至动物的节点与具有已知位置的一个或多个节点之间的一个或多个距离测量或距离差测量的结果中计算有待定位的节点的位置。
假设有待定位的节点处于具体区域内的边界条件已经导致了所述计算，在无线电定位时需要所述边界条件从而找到这个节点所处位置的坐标，与没有这个边界条件的情况相比已经高度简化了。具有已知位置的节点远远不够。
借助于根据对加速度测量的评估结果仍然可以清楚地规定有待定位的节点必须位于两个不同的清楚地限定区域中的哪一个区域的事实，与相反仅使用“平均区域”相比(并且在这种情况下，将不会得知有待定位的节点实际上是在这纸上还是之下)这自然可以实现相当好的准确度。根据本发明的方法的特别重要的优点导致遮蔽物体(如墙壁或其他动物)位于有待定位节点可能处于的区域中。在根据本发明的方法中，通过对有待定位的节点所处的高度的了解，然后可以非常正确地选择性地表述此节点是否被遮挡而不能与具有已知位置的具体节点产生直接视觉接触。因此，随后可以非常正确得选择性地表述计算中是否可以同时地包括来自对应的具有已知位置的节点的结果。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于定位动物的无线电定位装置，该装置包括数据处理系统，包括处理器和存储器，所述数据处理系统配置为：控制位于第一固定位置的第一固定节点向附着到动物的移动节点发送第一无线电信号，并从所述移动节点接收第一响应信号，所述第一响应信号包括来自所述动物上的传感器的加速度测量；基于加速度测量确定移动节点的高度；基于所述第一无线电信号和所述第一响应信号，确定第一固定节点和移动节点之间的距离；基于所述第一无线电信号和所述第一响应信号，确定移动节点是否处于第一固定节点的直接视线内；基于所述第一固定节点和所述移动节点之间的距离，确定移动节点的多个可能位置；基于直接视线确定和移动节点的高度，从多个可能的位置中消除位置；以及从所述多个可能的位置的剩余位置中确定移动节点的实际位置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于定位动物的无线电定位系统，该系统包括一个或多个固定节点，配置为分别发送无线电信号和接收相应的响应信号，所述一个或多个固定节点进一步配置为安装在固定位置；移动节点，配置为从所述一个或多个固定节点中的每一个接收各自的无线电信号，并将相应的响应信号发送到所述一个或多个固定节点中的每一个，该移动节点进一步配置为附着到动物；传感器，配置为进行加速度测量，并将所述加速度测量包括在相应的响应信号中，该传感器进一步配置为附着到所述动物并连接到所述移动节点；数据处理系统，包括处理器和存储器，所述数据处理系统配置为：控制所述一个或多个固定节点向所述移动节点发送各自的无线电信号，并从所述移动节点接收相应的响应信号；基于所述加速度测量确定所述移动节点的高度；基于来自所述一个或多个固定节点中的每一个的各自的无线电信号以及相应的响应信号，确定所述一个或多个固定节点中的每一个和所述移动节点之间各自的距离；基于来自所述一个或多个固定节点中的每一个的各自的无线电信号和相应的响应信号，对于所述一个或多个固定节点中的每一个分别确定所述移动节点是否在所述一个或多个固定节点中的每一个的直接视线中；基于所述一个或多个固定节点与所述移动节点之间各自的距离，确定所述移动节点的多个可能位置；基于各个直接视线确定和所述移动节点的高度，从所述多个可能的位置中消除位置；以及从所述多个可能的位置的剩余位置中确定移动节点的实际位置。
附图说明
使用轮廓草图来展示本发明：
图1：以俯视图示出了双曲面的交线，其轴线平行于X轴走向，其中平行于xy平面的两个平面处于不同高度。
图2：示出了本发明所用于的示例性空间中的几何关系的侧视图。
具体实施方式
来自图1的曲线a、b各自是单个双曲面与平行于xy平面的两个不同平面的交线的一段。假设长度的单位是米，在平行于x轴的直线上双曲面的焦点离彼此15米，x坐标-7.5和+7.5，并且这两个焦点相对于双曲面的每个点的距离的差是10米。产生曲线a的剖面在这些焦点之前的连接线下方一米。产生曲线b的剖面在这些焦点之前的连接线下方2.2米。
因此，曲线a、b反映如下理想条件：如果
-无线电定位系统的节点分别适配于在棚中2.5米高度离彼此15米的墙壁，并且
-如果在棚中有家畜，在这种情况下有待定位的节点是耳标，并且如果牛站立或行走的话则在1.5米高度，并且如果牛已经躺下或正从地上进食则在0.3米高度，并且
-如果牛的耳标与这个节点之间的距离大于离另一节点距离10米，并且
-如果所使用的无线电位置原则，测量有待定位的节点与具有已知位置的各节点之间的信号传播时间之差所遵循的原则。
相对于xy坐标，这两个截面曲线a、b之间的法向距离仅约1/3并且因此第一眼看去不明显。然而，看见的是，在双曲面的这些焦点的连线的法线中，即在具有已知位置的两个节点之间的连线的法线中，如果有待定位的节点在具有已知位置的节点之间的连线附近的话，这两个曲线a、b之间的距离可以接近两米。
因此，根据本发明使用两个不同曲线a、b中的一个具体曲线代替单个“平均曲线”(该平均曲线可以假设为在这两条曲线a、b的中间)彻底地提高了相对于y坐标的测量准确度，而相对于x坐标(平行于具有已知位置的节点之间的连线)的测量准确度的提高仅是次要的。
使用图2解释了根据本发明的方法的可能最重要的优点。
具有有待定位的节点1(通常是耳标的形式)的动物一般在由侧壁4和地面5限定的院子(例如锻炼围栏)里。无线电定位系统的节点2、3被锚定在侧壁上已知位置。相对于节点3遮蔽院子的地面5上方某些体积区域r、s的对象6位于院子里，其结果是这些体积区域与节点3没有直接视觉接触。遮蔽对象可以是例如隔离墙、喂送装置或另一动物，已经通过无线定位确定了其位置。
如本身已知的，考虑了在逻辑评估本身模糊的无线电定位的结果时，有待定位的节点1实际是否可以位于明显来源于计算的位置。此外，如果所需的基本信息是可用的，当中同时地包括来自节点3的测量结果的计算结果由于无效而被排除，如果这些计算结果表明有待定位的节点1在与具有已知位置的节点3没有任何直接视觉接触的体积区域内的话。这是因为计算所基于的测量的信号传播时间不能反映节点1与3在直接延长线上的距离。
借助有待定位的节点1必须位于的高度已经被根据本发明假定为用于计算该位置的边界条件的事实，被对象6从节点3遮蔽的相当不同的体积区域s、r取决于情况(这两个可能高度中较小或较大者)而产生计算。
如果使用无线电定位结果的计算揭示了有待定位的节点1处于相对于节点3被遮蔽的体积区域s、r中并且如果来自节点3的测量值同时地包括在此计算中，相关计算结果可以被分类为无效，即不能再被考虑用于进一步的评估。
在图2中所展示的示例中，如果在对来自加速度测量的结果的评估的基础上已知有待定位的节点1必须在更高的位置，同时地包括在节点3中的计算结果因此可以被进一步用作可能的结果，从而产生点e作为其计算的下落。相反，如果在对来自加速度测量的结果的评估的基础上已知有待定位的节点1必须处在较低位置的话，同时地包括来自节点3的测量结果的计算结果相对于进一步评估可以被分类为必定无效，从而产生点f作为其计算下落，因为点f是被对象6从节点3遮蔽的体积区域s。
根据本发明的方法可以用于很多种动物。在实践中，用在牛和猪身上可能是最明显的。对于每种类型的动物以及可能还单独地对于每种个体动物，针对计算必须规定在动物活动过程中安排在动物身上的节点最可能在地面上方哪个高度。如果在加速度评估过程中可以标识动物的两种以上不同活动，在某些情况下还可以定义两种以上可能的高度，在这种情况下，分别给不同活动指定不同高度(站、“坐”、躺、躺着头抬着、躺着头放在地面上等)。在各个情况下可以从两个以上可能的高度中选择那个正确的高度作为边界条件用于从无线电定位计算位置。
如果地面5是平坦表面并且如果具有已知位置的所有节点2、3被安排在地面5上方相同高度，则产生特别简单的计算。
