Способ определения местоположения животных с использованием радиоволн
METHOD OF DETERMINING ANIMAL LOCATION USING RADIO WAVES

Настоящее изобретение относится к способу определения местоположения животных с помощью радиоволн.
Традиционные системы для определения местоположения объектов, например животных, с помощью радиоволн содержат множество радиопередатчиков и/или радиоприемников, расположенных в известных координатах, и соответствующий радиопередатчик и/или радиоприемник на каждом объекте, местоположение которого подлежит определению.
Кроме этого, передатчики и приемники, применяемые для определения местоположения посредством радиоволн, обычно называются просто «узлы». Согласно часто используемому способу, для определения местоположения узла, прикрепленного к животному, местоположение которого подлежит определению, радиосигналы используются на первом этапе для измерения величины, на которую отличаются расстояния между отдельными узлами известного местоположения и узлом, местоположение которого подлежит определению. Например, с этой целью сигнал одновременно распространяется от узла, местоположение которого подлежит определению, ко всем другим узлам. Принимающие узлы измеряют время прибытия к ним этого сигнала. Разницы между отдельными измерениями времени, каждую из которых умножают на скорость света (скорость распространения сигнала в соответствующей среде), создают разницы расстояний между отдельными узлами и передающим узлом. Для дальнейшего вычисления в первом этапе предполагается, что узел, местоположение которого подлежит определению, находится на гиперболоиде, ось которого проходит сквозь два узла с известным местоположением в качестве точек фокусировки, причем измеренная разница расстояния между этими узлами и узлом, местоположение которого подлежит определению, равна величине, на которую, по определению, различаются расстояния между двумя точками фокусировки и каждой точкой на гиперболоиде. Возможное местоположение устройства, местоположение которого подлежит определению, сужают до двух точек путем пересечения по меньшей мере трех таких гиперболоидов. Дальнейшее сужение до одной точки может осуществляться с помощью четвертого гиперболоида (в результате чего требуются по меньшей мере четыре узла с известным местоположением) или благодаря возможности исключить одну точку в любом случае на основании известных геометрических условий, например поскольку она находится за пределами скотного двора, внутри которого могут перемещаться животные. (В этом тексте термин «гиперболоид» используется для обозначения осесимметричной поверхности, напоминающей оболочку, которую можно представить путем вращения гиперболы вокруг своей главной оси.)
Если, в модификации описанного способа, посредством радиоволн непосредственно получены расстояния между узлом на животном, местоположение которого подлежит определению, и отдельными узлами с известным местоположением, во втором этапе могут подразумеваться сферические оболочки вместо гиперболоидных оболочек.
В документах AT 506628 A1, US 6122960 A, DE 100 45 469 C2, WO9941723 A1, WO2011153571 A2 и WO2012079107 A2, например, рассмотрена радиолокация животных согласно описанному принципу.
Учитывая значительные ошибочные измерения и погрешности измерений, которые часто и неизбежно возникают на практике, например за счет отражения радиоволн, необходимо ввести следующие логические предположения и необходимо выполнить соответствующие вычисления с целью получения итогового местоположения, которое в некоторой степени является надежным. Помимо уже упомянутого исключения результатов, которые являются невозможными из-за геометрических условий, применяются стохастические методы, в частности для того, чтобы также ограничить неоднозначность соответственно текущего результата/результатов на основании результатов предыдущих измерений и для того, чтобы найти результат измерения, отражающий реальность с наименьшей вероятностью ошибки. В данном контексте опробованная и испытанная стохастическая модель представляет собой скрытую марковскую модель и, в частности, алгоритм Витерби, с помощью которых в каждом случае можно относительно эффективным образом определить текущую наиболее вероятную последовательность состояний из множества возможных последовательностей состояний.
Граничное условие, обычно применяемое для вычисления вероятности местопребывания, заключается в том, что по меньшей мере выше определенного предела расстояния между местоположением, проверяемым в настоящий момент, и последним предполагаемым местоположением, вероятность того, что местоположение, проверяемое в настоящий момент, является текущим местоположением, уменьшается с увеличением расстояния. Если выразить несколько упрощенно, это означает, что текущее местоположение животного может находиться лишь в пределах круга с конкретным ограниченным радиусом вокруг последнего из ранее предполагаемых местоположений с высокой степенью вероятности.
Например, в документе EP 1 494 397 A2 описан способ радиолокации, в частности для использования в зданиях. Радиолокация особенно затруднена в зданиях за счет часто возникающих отражений сигналов.
В документах EP 549081 A1, GB 2234070 A, GB 2278198 A, US 3999611 A, US 6122960 A, US 7616124 B2, WO 2002091001 A1, WO 2003055388 A2, WO 2006077589 A2, WO 2010108496 A1 и WO 2010109313 A1, например, предложены и описаны технологические приемы оснащения живых животных датчиками ускорения (помимо прочего) и получения логических выводов о поведении животных, которое приводит к соответствующим ускорениям, на основании результатов измерений из датчиков ускорения. С этой целью, результаты измерений обычно передают, посредством радиосвязи, в систему обработки данных и последняя проверяет их на предмет соответствий с временными профилями данных об ускорениях, сохраненных в качестве моделей.
В этом случае, временные профили, сохраненные в качестве моделей, являются характерными для определенных типов активности животного, например, когда животное ходит, ест, пережевывает жвачку, спит, возможно хромает или покрывает других животных. Для обнаружения характерных моделей в более ранней работе регистрировали данные об ускорениях и параллельно регистрировали типы активности животных, определенные на основании непосредственного наблюдения, и из зарегистрированных данных формировали выборку корреляций между моделями ускорений и типами активности.
В документе WO9941723 A1 описано устройство для ношения человеком или животным, причем указанное устройство может принимать и передавать радиоволны и его местоположение можно определить посредством спутниковой системы навигации. Также упоминается, что устройство также может содержать датчик ускорения, помимо различных других датчиков, которые могут измерять, например, биологическое состояние.
В документах WO2011153571 A2 и WO2012079107 A2 описаны беспроводные ушные бирки для животных, причем ушная бирка позволяет осуществлять радиолокацию и способна содержать датчик ускорения, с помощью которого можно автоматически идентифицировать типы активности животного посредством оценки на основании моделей.
В документе US 6122960 A в основном описано измерение и регистрация перемещений и расстояний, преодолеваемых людьми или животными, путем измерения ускорений и оценки измерений (интегрирование измеренных векторов ускорения в два приема). Предложено дополнительно определять «абсолютное местоположение» посредством радионавигации.
На основании известного уровня техники, целю настоящего изобретения является предоставление автоматически выполняемого способа определения местоположения животных с помощью радиоволн, при этом указанный способ также может применяться в огороженных пространствах и загонах для выгула животных и обеспечивает более точные и более надежные результаты по сравнению с известными способами такого типа на основании инвестиционных расходов, необходимых для этой цели.
Для достижения указанной цели, в качестве основы принимают известный способ радиолокации, согласно которому стохастические вычисления применяются для выборки из множества результатов вычислений соответственно текущего местоположения, на основании результатов предыдущих измерений и вычислений применительно к возможному местоположению узла, местоположение которого подлежит определению, того результата, который фактически описывает текущее местоположение с наивысшей степенью вероятности (то есть с наименьшей степенью погрешности), и в этом случае в качестве пограничного условия сопутствующим образом включают тот факт, что по меньшей мере выше определенного порогового значения расстояния между местоположением, определенным результатом текущего вычисления, и последним предполагаемым местоположением узла, местоположение которого подлежит определению, вероятность того, что местоположение согласно результату текущего вычисления является фактическим местоположением узла, местоположение которого подлежит определению, уменьшается с увеличением расстояния между двумя местоположениями.
В настоящем изобретении предложена практическая реализация усовершенствования способа путем дополнительного измерения данных об ускорениях на животном, местоположение которого подлежит определению, и сопутствующего включения измеренных данных об ускорениях в вероятность, таким образом, в случае, если измерены более высокие значения ускорения, предполагается, что вероятность большего расстояния между двумя предполагаемыми местоположениями, расположенными последовательно во времени, увеличивается при одновременном уменьшении вероятности меньшего расстояния между двумя предполагаемыми местоположениями, расположенными последовательно во времени.
Настоящее изобретение показано с помощью графических материалов, изображающих преимущественный приведенный в качестве примера вариант способа согласно изобретению:
на фиг. 1: изображено, в очень схематичном виде, определение последовательности местоположений из многих вычисленных местоположений, которая соответствует реальности с наибольшей степенью вероятности.
на фиг. 2: изображены, в прямоугольной системе координат, две характеристики a, b предполагаемой вероятности для числового значения расстояний между возможными местоположениями (местоположениями) узла, местоположение которого подлежит определению, которые определены посредством измерения и вычисления и расположены последовательно во времени.
Радиолокационная система для определения местоположения и перемещений животного включает в себя, как подробнее описано выше, множество узлов, животное, способное свободно перемещаться во время ношения узла, местоположение которого подлежит определению, и множество дополнительных узлов, установленных неподвижным образом, причем известно их местоположение относительно друг друга. Последовательность измерений и вычислений для радиолокации осуществляют в регулируемых интервалах времени. Как подробнее описано выше, измерение представляет собой измерение расстояния между узлом, местоположение которого подлежит определению, и узлами с известным местоположением или измерение разниц расстояний между узлом, местоположение которого подлежит определению, и отдельными узлами с известным местоположением. Возможное местоположение узла, местоположение которого подлежит определению (относительно узлов с известным местоположением), выводят из результатов измерений посредством геометрического вычисления. За счет того факта, что очень часто присутствуют более четырех узлов с известным местоположением и радиосигналы обычно передаются между двумя узлами не только по прямой линии, но также по другим, более длинным траекториям за счет отражения, возникает множество результатов измерений, которые можно математически обозначить в качестве переопределенной системы, которая сама по себе является противоречивой. В частности, это означает что при использовании соответствующих четырех последних результатов приема радиосигналов между узлом, местоположение которого подлежит определению, и другим узлом с известным местоположением для вычисления местоположения узла, местоположение которого подлежит определению, получают множество результатов вычислений, каждый из которых описывает местоположение в пространстве, но лишь небольшая часть этих результатов вычислений действительно описывает местоположения узла, местоположение которого подлежит определению. Для сравнения, большинство результатов вычислений является неточными.
Это отношение символически изображено на фиг. 1. За множеством результатов вычислений, каждый из которых обозначает местоположение c (соответственно обозначенные квадратом, повернутым на 45 градусов), следует множество результатов вычислений, каждый из которых обозначает местоположение d (соответственно обозначенные звездой) и так далее применительно к результатам вычислений для местоположений e и местоположений f.
Из начального этапа можно в качестве неизменного факта предположить, что за одним из местоположений c следует одно из местоположений d и затем одно из местоположений e и, наконец, одно из местоположений f на фактической траектории узла, местоположение которого подлежит определению. Единственная траектория g символически обозначена, как пример, пунктирной линией на фиг. 1 в качестве типичного образца мириады траекторий, возможных в принципе.
Для того, чтобы вычислить, какая траектория действительно отражает реальность с наибольшей вероятностью, учитывают тот факт, что возможные расстояния между двумя местоположениями, непосредственно следующими друг за другом применительно ко времени (c и d, d и e, e и f), не обладают равной степенью вероятностью, но вместо этого некоторые классы расстояний более вероятны, а другие менее вероятны. Чрезмерно большие расстояния являются невозможными, например, поскольку они означали бы, что животное, носящее узел, местоположение которого подлежит определению, движутся быстрее, чем это позволяет биология и технология.
На фиг. 2 изображен график, содержащий отчеты касательно вероятности величин расстояний между двумя местоположениями, непосредственно следующими друг за другом применительно ко времени.
Каждая из двух кривых a, b описывает высокую степень вероятности расстояния D1, D2 между двумя местоположениями, непосредственно следующими друг за другом применительно ко времени.
Например, если применяется кривая a и точно вычисляются два возможных расстояния D1 и D2 для определенного времени, соотношение размеров измерений по оси ординат Pa1 и Pa2, относящихся к соответствующим расстояниям D1 и D2, демонстрирует отношение вероятности, применяемой к D1, к вероятности, применяемой к D2. Для дальнейшего вычисления также необходимо нормализовать абсолютную величину вероятностей, так чтобы сумма вероятностей во всех возможных местоположениях всегда имела одну и ту же величину (в лучшем случае 1).
Максимум обеих кривых a и b находится в D = 0, в результате чего, согласно обеим кривым, расстояния между двумя местоположениями, непосредственно следующими друг за другом применительно ко времени, являются еще более вероятными и малыми расстояниями.
Тем не менее, кривая a имеет более отвесное падение, чем кривая b. Это означает, что при использовании кривой a для представления вероятности, вероятность того, что большее расстояние D2 является верным расстоянием, в отличие от вероятности того, что меньшее расстояние D1 является корректным расстоянием, существенно ниже, чем при использовании кривой b для представления вероятности.
Настоящее изобретение предоставляет возможность выбора кривой a или b для использования в качестве зависимой от ускорений, измеренных датчиком ускорения, расположенным на животном. Если в течение периода, для которого необходимо вычислить местоположение, были измерены малые величины ускорения, то используется более отвесная кривая a, и кривая b используется, если были измерены большие величины ускорения.
Можно предположить, что кривые a, b представляют собой нормальное распределение Гаусса, например, в этом случае, можно предположить, что предполагаемое стандартное отклонение, включенное, как известно, сопутствующим образом в формулу вычисления для кривых, зависит от измеренного ускорения. Функция зависимости предпочтительно должна быть такой, что с увеличением ускорения, стандартное отклонение сопутствующим образом однообразно увеличивается, например сопутствующим образом увеличивается прямо пропорционально измеренному ускорению.
Оптимальные профили и зависимости кривых, такие как форма кривых, зависящих от измеренных ускорений, необходимо определять эмпирическим путем. С этой целью, последовательности перемещений животных, или роботов и т.д., регистрируют, с одной стороны, путем непосредственного наблюдения, измерения и фиксации траектории и, с другой стороны, определяют посредством радиолокации, измерений ускорения и объединяющего вычисления. Объединяющее вычисление изменяют с помощью разных основополагающих параметров вычисления (например, разных зависимостей стандартных отклонений кривых согласно фиг. 1 от измеренного ускорения) до тех пор, пока два способа определения не предоставят оптимальным образом в равной степени хороших результатов.
Если все параметры вычисления были правильно выведены и сопутствующим образом включены в вычисление, наилучшая из возможных траекторий g согласно фиг. 1 может быть определена путем формирования соответствующих произведений трех вероятностей, которые в каждом случае связаны с соответствующими расстояниями c-d, d-e и e-f, согласно фиг. 1, всех возможных траекторий вдоль последовательностей местоположений c-d-e-f и последующего выбора траектории, для которой это произведение является наибольшим. (Для того, чтобы сложность вычислений оставалась в допустимых пределах, следует использовать известные способы скрытой марковской модели, в частности алгоритм Витерби, упомянутый во вступительной части).
Строго говоря, величину ускорения, включенную в вычисление вероятностей, следует понимать как обозначающую математически обработанную численную величину, образованную из множества величин ускорений, измеренных за соответственно текущий период времени и достаточно представляющую это множество величин. Она может представлять собой статистическую среднюю величину, например среднеквадратичное значение, или геометрическую сумму среднеквадратичных значений, измеренных в отдельных направлениях, или арифметическое среднее значение или среднее значение отдельных абсолютных значений и т.д., но также может представлять собой взвешенное сочетание разных средних значений этого типа или величину векторной суммы определенных отдельных векторов ускорения. На практике, подходящий способ определения, как и ранее, лучше всего определить эмпирическим путем. Выбор зависит не только от теоретической математической точности, но также, например, от частоты измерений, точности измерений, доступных вычислительных возможностей и т.д.
В результате отслеживания перемещений животного, интересна, в частности, величина расстояния, пройденного животным за некоторый период времени (например за один день), поскольку это многое говорит о степени активности животного и, следовательно, о состоянии животного. В отличие от этого, информация о точных местоположениях животного в отдельные моменты времени несет меньшее значение и, следовательно, менее интересна.
В частности, при отслеживании всего расстояния, пройденного животным за «длительный период времени» (например за один час или один день), неточности радиолокации имеют очень сильное влияние в относительном выражении, если животное не перемещается на очень большое расстояние и, следовательно, также измеряются небольшие ускорения.
Таким образом, согласно одному предпочтительному дальнейшему развитию способа согласно изобретению, желательно сопутствующим образом включать, в вычисление наиболее вероятной траектории, пройденной узлом радиолокационной системы, прикрепленным к животному, тот факт, что результаты из радиолокационной системы, то есть информация, относящаяся к расстоянию между узлом, местоположение которого подлежит определению, и узлами с известным местоположением или относящаяся к расстоянию между местоположениями, непосредственно следующими друг за другом применительно ко времени, узла, местоположение которого подлежит определению, полученные посредством передачи радиосигналов, которые были получены во время измерений высоких значений ускорения, являются верными с более высокой степенью вероятности, чем результаты из радиолокационной системы, который были получены во время измерения низких значений ускорения.
Существует множество возможных способов для того, чтобы включить это в конкретное вычисление траектории, которая может считаться наиболее вероятной. В качестве чрезвычайно простого приведенного в качестве примера способа, можно просто игнорировать результаты измерений радиолокации, которые применяются к временным диапазонам, в которых величина измеренного ускорения была ниже конкретного минимального предельного значения. Итоговая предполагаемая траектория проходит по максимально прямому пути между возможными итоговыми местоположениями радиолокации, которые относятся к моментам, в которые были измерены ускорения, превышающие указанную минимальную величину.