专利名称：基于双红外系统的室内空间定位方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明属于空间定位技术领域，具体涉及一种室内空间定位方法与系统。
背景技术：
空间定位技术具有重要的使用价值。目前，以GPS为代表的室外定位技术已经在 导航/定位等民用、军用领域取得了较好应用。但是，此类技术存在4个缺点一，成本高 昂。由于现有全球定位技术全部依赖于原子钟这一昂贵计时装置，因此使得这一技术成本 过高，不适于小范围低成本定位。二，无法对室内进行定位。全球定位系统使用无线电信号， 其信号对水泥等建筑物穿透力较弱，在室内无法应用。三，民用精度过低。以GPS为例，其民 用精度最高仅为2. 95米左右。四，高精度定位需要在移动中进行。目前以卫星传输时间信 息，得出距离后计算位置的方式，必须依赖于多普勒效应进行差分定位才能获得较高精度， 因此定位点必须不断移动。由上述情晃可知，室外定位技术无法适用于室内的、高精度、低成本定位。因此需 要发明一种室内定位技术，以满足封闭环境内的定位需求。该技术是智能机器人、物联网等 后续应用的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、成本低的室内空间定位方法与系统。本发明提出的内空间定位方法，假设地面与天花板平行，信号源与接收端共同位 于地面上，其基本原理是通过测量由信号源发射到天花板、再进一步反射到接收端的两束 不同频率红外信号之间的相位差，得到两束信号的距离差信息，再进一步通过公式计算，即 得到接收点的坐标。该方法包括反射式定位方法和透射式定位方法两种。根据“通过不同频率信号相位差测量两反射点到接收端距离差，并进一步计算后 得到坐标位置”的基本思路，本发明的室内空间定位系统分为二维平面定位系统和三维平 面定位系统，具体如下反射式定位二维平面定位，系统包括发射模块1，接收模块2，定标模块3，定位模块4 ；假设地面与天花板水平，信号发射点位于地面。由发射模块1发射方波调制信号， 经由天花板反射后，被接收端接收模块2接收。进一步，判断是否已经确定了天花板上反射 点、地面上发射点的坐标。如果没有确定，则由定标模块3对发射点、反射点进行定标；如果 已经确定，则由定位模块4根据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位。三维定位系统，包括发射模块1，接收模块5，定标模块3，定位模块6 ；假设地面与天花板平行，信号发射点位于地面，接收端水平。由发射模块1发射方 波调制信号，经由天花板反射后，被接收端接收模块5接收。进一步，判断是否已经确定了 天花板上反射点、地面上发射点的坐标。如果没有确定，则交由定标模块3对发射点、反射 点进行定标；如果已经确定，则交由定位模块6根据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位。透射式定位 二维平面定位，系统包括发射模块7，接收模块2，定位模块4 ；假设地面与天花板平行，信号发射点位于天花板。由发射模块7发射方波调制信 号，由接收端接收模块2进行接收。进而由定位模块4根据距离差、发射点、反射点信息对 接收端进行定位。三维定位系统，包括发射模块7，接收模块5，定位模块6 ；假设地面与天花板平行，信号发射点位于天花板，接收端(器)水平。由发射模块 7发射方波调制信号，经由天花板反射后，被接收端接收模块5接收。进而由定位模块6根 据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位。各模块说明如下所述发射模块1，包括信号调制模块(1. 1)和两个独立的红外线信号发射装置 (1.2)，后者负责将由信号调制模块(1. 1)传来的方波信号发射到空气中。所述信号调制模 块(1. 1)，其功能是产生两个初始相位相同、频率不同的方波信号，并以保持发射端信号初 始相位相同为标准，间断性地产生满足这样标准的红外信号并传送至红外线信号发射装置 (1. 2).如图1所示，a、b分别为信号调制模块(1. 1)所产生的方波信号。所述红外线信号 发射装置(1.2)如图2所示，分为两个独立的、完全相同的发射单元，分别接收由信号调制 模块11传来的方波信号a、b，并且两个单元之间互成角度θ，保证发射出去的信号a、b之 间互成角度θ。所述接收模块2，包括信号获取模块(2. 1)与信号解析模块(2. 2)两部分。信号 获取模块(2. 1)所获取的初始信号源，如图1中信号c所示，所获取信号经由信号解析模块 (2.2)处理后，得到与信号a、b相位差对应的一个值。根据这个值，即可获得两信号从发射 点到接受点所走过的路程差。所述信号获取模块(2. 1)，如图3所示。其中心点即为目标定 标点(x，y)，以向量ba所指方向为接收器正方向。圆点a、b、c分别各自接收由信号发射模 块1或信号发射模块7传来的合成信号，并传送给各自的信号解析模块(2. 2)。所述信号解析模块(2. 2)，其功能是通过对图1中所示合成信号c的处理，得到图 1中信号a、b在到达接收点时的相位差所对应的参数。其原理图如图4所示，其电路图如 图5所示。在图5中，A输出经过还原的信号，B输出路程差的计数。这一计数并不是直接的 路程差，但与路程差一一对应，在具体实施时确定对应比例。所述定标模块3，包括初始化行走控制模块(3. 1)，距离信息反馈模块(3. 2)，反 射点坐标计算模块(3. 3)；其功能是确定发射点、反射点的坐标位置。定标必须在接收器与 发射器重合时进行。在使用发射模块7时，其发射点位于天花板上，相当于使用发射模块1 时的反射点，因此在使用发射模块7时，发射点位置可以认为给定，直接返回预先安置好的 发射点坐标值，将其作为天花板上两点坐标即可。使用发射模块1时，根据接收模块2或接 收模块5的选择使用，人为假设其发射点坐标为(0，0)或(0，0，0)。定标模块3的工作过程 为在接收器、发射器重合时，使水平距离信息反馈模块对准发射点，由初始化行走控制模 块(3. 1)控制电机走过位于同一直线上的三段距离，并将这直线视为χ轴，将行进方向视为 χ轴正方向。并由距离信息反馈模块(3.2)返回三段距离的具体值d，2d，3d。距离信息反馈模块(3. 2)如图6所示。进一步，由反射点坐标计算模块(3. 3)接收从接受模块2获得的在行走过程中位于不同位置的距离差信息。在走过的三段线段的四个端点处获得由距离 信息传送模块送来的距离差信息后，通过如下方程式计算后，得到反射点位置坐标(xl，yl) 与(x2，y2)。其中，Φ为发射模块1中两发射单元间夹角。Ila2 = (O-X1)2+(O-Y1) 2+h2I2a2 = (O-X2)2+(0-y2) 2+h2Δ Iz = Ilz-I2zIla' 2 = (Cl-X1)2+(O-Y1) 2+h2I2a' 2 = (d-x2)2+(0-y2) 2+h2Δ I/ = Ila' -I2a'Ila"2 = (2d-Xl)2+ (O-Y1) 2+h2I2a"2 = (2d-x2)2+ (0-y2) 2+h2Δ l/=lla"-VIla”，2 = (3d-Xl)2+(O-Y1) 2+h2l2a”，2 = (3d-x2)2+ (0-y2) 2+h2 所述定位模块4，其功能是将由接收模块2传来的信号相位差信思，经由距禹信思 转换模块(4. 1)转换为距离差信息，并进一步经由坐标计算模块(4. 2)计算后，得到中心点 的位置坐标(X，y)和其正方向与χ轴的夹角θ。所述距离信息转换模块(4. 1)，其功能是 将由接收模块传来的相位差信息转换为距离差信息，涉及到具体硬件参数。所述坐标计算 模块(4. 2)，在获得距离差信息后，通过如下方程式计算后得到当前接收器目标定标点的二 维坐标(x，y)。其中Ala，Alb, Alc为两信号从天花板两反射点到接受点a、b、c的距离 差，11a、lib、11c、12a、12b、12c为两信号从天花板两反射点到接受点a、b、c的距离，(xl, yl)，(x2, y2)为天花板反射坐标，h为天花板高度。方程式如下Ila2= (Xa-X1)2+(Υ3-Υι) 2+h2I2a2 = (Xa-X2) 2+(ya-y2)2+h2Ala= Ila-I2aIlb2 = (Xb-X1) 2+(yb-yi)2+h2I2b2 = (xb-x2) 2+(yb-y2)2+h2Alb = Ilb-I2bIlc2= (xc-xc)2+(Yc-Y1) 2+h2I2c2= (Xc-X2) 2+(yc-y2)2+h2Alc = Ilc-I2cxa = x+da · cos ( θ + θ a)ya = y+da· sin(0 + 0a)xb = x+db · cos ( θ + θ b)yb = y+db · sin(0 + 0b)xc = x+dc · cos ( θ + θ c)
0 a = 00 b = Ji0 c = 3 Ji /4其中距离差信息由接收模块2或接收模块5提供，反射点坐标、天花板高度为已知量。这样，就最终求得了接收器的精确坐标信息。所述接收模块5，包括信号获取模块(5. 1)与信号解析模块(5. 2)两部分。信号 获取模块(5. 1)所获取的初始信号源如图1中信号c所示，所获取信号经由信号解析模块 (5.2)处理后，得到与信号a、b相位差对应的一个值。经由这个值，即可获得两信号从发射 点到接受点所走过的路程差。所述信号获取模块(5. 1)，如图7所示。其中心点即为目标定 标点&，7，11)，以向量1^所指方向为接收器正方向。圆点a、b、c、d分别各自接受由信号 发射模块1或信号发射模块7传来的合成信号，并传送给各自的信号解析模块(5. 2)。所述 信号解析模块与信号解析模块(2. 2)完全相同。所述定位模块6，其功能是将由接受模块5传来的信号相位差信息，经由距离信息 转换模块(6. 1)转换为距离差信息，并进一步经由坐标计算模块(6. 2)计算后，得到中心点 的位置坐标(x，y, h)和其正方向与水平面x轴的夹角0。所述距离信息转换模块(6. 1)， 其功能是将由接收模块传来的相位差信息转换为距离差信息，涉及到具体硬件参数。所述 坐标计算模块(6. 2)，获得距离差信息后，通过如下方程式计算得到当前接收器目标定标点 的三维坐标(x，y，z)。其中Ala，Alb, Ale, A Id为两信号从天花板两反射点到接受点 a、b、c、d的距离差，11a、lib、11c、lid、12a、12b、12c、12d为两信号从天花板两反射点到 接受点a、b、c、d的距离，(xl，yl)，(x2, y2)为天花板反射坐标，h为天花板高度。方程式
如下(注须保持接收水平)
1 2 J-la=(Xa-X!)24(ya-yi)2+h
1 2=(xa"X2)24(ya-y2)2+h
A1=1 -1 J-la J-2a
1 2 lib=(Xb-x》(yb_yi) 2+h
1 2 12b=(xb-x2)24(yb-y2) 2+h
Al,=1 -1
llc2=(Xc-Xi)2—(yc-yi)2+h
12C2=(xc_x2)2—(yc2\ -y)2+h
Al=1 -1 : -"-lc l2c
1 2 J-ld=(Xd-Xi)2—(yd-yi)2+h
l2d2=(xd-X2)24(yd-y2)2+h
Al=1 -1
xa ==x+da cos(e+ e
ya ==y+da sin(e+ e
xb ==x+db cos(e+ 0,
yb ==y+db sin(e+ 0,
xc ==x+dc cos(e+ e yc = y+dc sin( 0 + 0 c)xd = x+dd cos( 0 + 0 d)yd = y+dd. Sin(e + ed)0 a = 00 b = Ji0 c = 3 Ji /40 d = JI /2所述发射模块7，包括两个独立的红外线信号发射装置(7. 2)，负责将由信号调 制模块(7. 1)传来的方波信号发射到空气中。所述信号调制模块(7. 1)，与信号调制模块 (1.1)完全相同。所述红外线信号发射装置(7.2)如图8所示，分为两个独立的、完全相同 的发射单元，分别内嵌在天花板的同一深度上，接收由信号调制模块(7. 1)传来的方波信 号a、b，并各自发射出去。对两个发射单元的位置没有固定要求。本发明具有成本低、精度高、不需移动即可定位等优点，有广阔的应用前景。在室 内智能化应用工程中，如智能机器人、物联网等领域都可获得该技术的支持与应用。例如， 智能机器人在室内环境下需要在电量不足时自主回到充电地点，目前，这一问题难以通过 GPS或图像识别等技术解决，而借助本发明的室内定位技术可以解决该问题。
图1为二维系统的发射信号图示。图2为红外线信号发射装置(1. 2)图示。图3为信号获取模块(2. 1)图示。图4为信号解析模块(2. 2)的原理图。图5为信号解析模块(2. 2)电路图。(其实质是传统红外线测距仪的简化版，即省 去了通过源信号的输入并与RS限位器比较后得到相位差的方法，直接捕捉高电平/低电平 的计数。以此为依据，可以得到反射点到接收点的距离差).图6为距离信息反馈模块(3.2)图示。(此模块负责探测水平方向上工作平台、接 收模块2正方向与障碍物的距离)。图7为信号获取模块(5. 1)图示。(此模块负责捕捉4个不同的点处的红外信号， 并传送给模块(5. 2)以做进一步运算)。图8为红外线信号发射装置(7. 2)图示。(此模块负责将模块(1. 1)产生的两个 信号发送出去。此模块需要提前安装，只要得知两个发射装置间的间距就能定义反射点的 坐标，不必使用模块3)。图9为本发明流程图示。图10为本发明各个模块组成。
具体实施例方式下面以二维反射式定位为例，对本发明予以说明，使能更好地理解本发明而非用 来限制本发明的范围。其工作原理可分为三部分
第一，(如何得到反射点到接收点的距离差)由信号调制模块1. 1调制频率分别 为aKHz与bKHz的方波信号，并由红外线信号发射装置1. 2以820nm红外线为载体发射出 去，两束信号互成角度，射向天花板，进行一次反射后，被信号获取模块2. 1的三个接受点 分将两束信号的合成信号作为单独信号接收，并作为一个单独的信号由信号解析模块2. 2 进行处理，处理后可以得到发射器处两个信号的发射源到接收器的波的路程的差所对应的 数值。第二，(如何确定反射点位置)在初始化时，由初始化行走控制模块3. 1控制接收 器走过位于同一直线上的三段距离，并由距离信息反馈模块得出距离的具体值，进一步交 由反射点坐标计算模块3. 3进行计算后，得到以下常量天花板的高度、天花板上两个反射 点的坐标(xl，yl)与(x2, y2)第三，(如何确定目标点坐标)在已知反射点位置、反射点到各个接收点的距离差 信息之后，首先由距离信息转换模块4. 1将距离差所对应的数值转换为距离差，进而使得 坐标计算模块4. 2得以应用反射点到各个接收点的距离差、反射点位置等信息进行计算， 最终得到目标坐标点的位置(x，y)和接收器正方向ba与x轴的夹角e。
1权利要求
一种基于双红外系统的室内空间定位方法，其特征在于，假设地面与天花板平行，信号源与接收端共同位于地面上，通过测量由信号源发射到天花板、再进一步反射到接收端的两束不同频率红外信号之间的相位差，得到两束信号的距离差信息，再进一步通过公式计算，即得到接收点的坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分为反射式定位方法和透射式定位方法 两种；每种方法又分为二维平面定位与三维定位两类；其中(1)反射式定位a、二维平面定位，系统包括发射模块1，接收模块2，定标模块3，定位模块4；假设地 面与天花板水平，信号发射点位于地面，由发射模块1发射方波调制信号，经由天花板反射 后，被接收端接收模块2接收；进一步，判断是否已经确定了天花板上反射点、地面上发射 点的坐标；如果没有确定，则由定标模块3对发射点、反射点进行定标；如果已经确定，则由 定位模块4根据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位；b、三维定位系统，包括发射模块1，接收模块5，定标模块3，定位模块6；假设地面与 天花板平行，信号发射点位于地面，接收端水平；由发射模块1发射方波调制信号，经由天 花板反射后，被接收端接收模块5接收；进一步，判断是否已经确定了天花板上反射点、地 面上发射点的坐标；如果没有确定，则交由定标模块3对发射点、反射点进行定标；如果已 经确定，则交由定位模块6根据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位；(2)透射式定位a、二维平面定位，系统包括发射模块7，接收模块2，定位模块4；假设地面与天花板平 行，信号发射点位于天花板；由发射模块7发射方波调制信号，由接收端接收模块2进行接 收；进而由定位模块4根据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位；b、三维定位系统，包括发射模块7，接收模块5，定位模块6；假设地面与天花板平行， 信号发射点位于天花板，接收端水平；由发射模块7发射方波调制信号，经由天花板反射 后，被接收端接收模块5接收；进而由定位模块6根据距离差、发射点、反射点信息对接收端 进行定位。
3.一种基于双红外系统的室内空间定位系统，其特征在于，分为反射式定位和透射式 定位两种；每种又分为二维平面定位与三维定位两类；其中(1)反射式定位a、二维平面定位，系统包括发射模块1，接收模块2，定标模块3，定位模块4；假设地 面与天花板水平，信号发射点位于地面，由发射模块1发射方波调制信号，经由天花板反射 后，被接收端接收模块2接收；进一步，判断是否已经确定了天花板上反射点、地面上发射 点的坐标；如果没有确定，则由定标模块3对发射点、反射点进行定标；如果已经确定，则由 定位模块4根据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位；b、三维定位系统，包括发射模块1，接收模块5，定标模块3，定位模块6；假设地面与 天花板平行，信号发射点位于地面，接收端水平；由发射模块1发射方波调制信号，经由天 花板反射后，被接收端接收模块5接收；进一步，判断是否已经确定了天花板上反射点、地 面上发射点的坐标；如果没有确定，则交由定标模块3对发射点、反射点进行定标；如果已 经确定，则交由定位模块6根据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位；(2)透射式定位a、二维平面定位，系统包括发射模块7，接收模块2，定位模块4；假设地面与天花板平 行，信号发射点位于天花板；由发射模块7发射方波调制信号，由接收端接收模块2进行接 收；进而由定位模块4根据距离差、发射点、反射点信息对接收端进行定位；b、三维定位系统，包括发射模块7，接收模块5，定位模块6；假设地面与天花板平行， 信号发射点位于天花板，接收端水平；由发射模块7发射方波调制信号，经由天花板反射 后，被接收端接收模块5接收；进而由定位模块6根据距离差、发射点、反射点信息对接收端 进行定位。
4.根据权利要求3所述的基于双红外系统的室内空间定位系统，其特征在于 所述发射模块(1)，包括信号调制模块(1.1)和两个独立的红外线信号发射装置(1.2)，后者负责将由信号调制模块(1. 1)传来的方波信号发射到空气中；所述信号调制模 块(1. 1)，其功能是产生两个初始相位相同、频率不同的方波信号，并传送至红外线信号发 射装置(1. 2)，所述红外线信号发射装置(1. 2)接收由信号调制模块(1. 1)传来的方波信号 a、b，并互成一定角度发射；所述接收模块(2)，包括信号获取模块(2. 1)与信号解析模块(2. 2)两部分；信号获取 模块(2. 1)分为三个不同的点同时获取信号，经由各自的信号解析模块(2. 2)处理后，得到 两信号从发射点到三个接受点所走过的路程差对应的数值；所述定标模块(3)，包括行走控制模块(3. 1)，距离信息反馈模块(3. 2)和反射点坐标 计算模块(3. 3)，在与发射模块(7)同时使用时，直接返回预先安置好的发射点坐标值作为 天花板上两点坐标；在与发射模块(1)同时，假设其发射点坐标为(0，0)或(0，0，0)，此时 由初始化行走控制模块(3. 1)控制电机走过位于同一直线上的三段距离，并由距离信息反 馈模块(3. 2)返回三段距离的值，进一步由反射点坐标计算模块(3. 3)计算得到反射点位 置坐标(xl，yl)与(x2, y2)；所述定位模块(4)，包括距离信息转换模块(41)和坐标计算模块(4. 2)，其功能是将 由接收模块2传来的信号相位差信息，由距离信息转换模块(41)转换为距离差信息，并由 坐标计算模块(4.2)计算得到中心点的位置坐标(x，y)和其正方向与x轴的夹角9 ；所述接收模块(5)，包括信号获取模块(5. 1)与信号解析模块(5. 2)两部分；信号获取 模块(5. 1)分为4个不同的接收点分别获取信号，经由信号各自的解析模块(5. 2)处理后， 得到两信号从发射点到四个接收点所走过的路程差对应的数值；所述定位模块(6)，包括距离信息转换模块(6. 1)和坐标计算模块(6. 2)，其功能是将 由接收模块(5)传来的信号相位差信息，经由距离信息转换模块(6. 1)转换为距离差信息， 并经由坐标计算模块(6. 2)计算后得到中心点的位置坐标(x，y，h)和其正方向与水平面x 轴的夹角9 ；所述发射模块(7)，包括信号调制模块(7. 1)和两个独立的红外线信号发射装置 (7.2)；两个独立的红外线信号发射装置(7. 2)，负责将由信号调制模块(7. 1)传来的方波 信号发射到空气中；所述信号调制模块(7. 1)与信号调制模块(1. 1)相同；所述红外线信 号发射装置(7. 2)，分为两个独立的、完全相同的发射单元，分别内嵌在天花板的同一深度 上，接收由信号调制模块(7. 1)传来的方波信号a、b，并各自发射出去。
5.根据权利要求4所述的基于双红外系统的室内空间定位系统，其特征在于所述反射点坐标计算模块(3. 3)计算反射点位置坐标(xl，yl)与(x2，y2)公式如下其中， 为发射模块1中两发射单元间夹角，
6.根据权利要求4所述的基于双红外系统的室内空间定位系统，其特征在于 所述坐标计算模块(4. 2)，在获得距离差信息后，通过如下方程式计算后得到当前接收 器目标定标点的二维坐标(x，y)，其中A la, A lb, A lc为两信号从天花板两反射点到接受 点a、b、c的距离差，lla、lib、11c、12a、12b、12c为两信号从天花板两反射点到接受点a、 b、c的距离，(xl，yl)，(x2，y2)为天花板反射坐标，h为天花板高度，方程式如下
7.根据权利要求4所述的基于双红外系统的室内空间定位系统，其特征在于 所述坐标计算模块(6. 2)，获得距离差信息后，通过如下方程式计算得到当前接收器目 标定标点的三维坐标(x，y，z)；其中Ala，Alb, Ale, A Id为两信号从天花板两反射点到 接受点a、b、c、d的距离差，11a、lib、11c、lid、12a、12b、12c、12d为两信号从天花板两反 射点到接受点a、b、c、d的距离，(xl,yl), (x2,y2)为天花板反射坐标，h为天花板高度；方 程式如下
全文摘要
本发明属于空间定位技术领域，具体为一种基于双红外系统的室内空间定位方法与系统。本发明的定位方法包括反射式定位和透射式定位两种。假设地面与天花板平行，信号源与接收端共同位于地面上，其基本原理是通过测量由信号源发射到天花板、再进一步反射到接收端的两束不同频率红外信号之间的相位差，得到两束信号的距离差信息，再通过公式计算，即得到接收点的坐标。本发明的定位系统分为二维平面定位系统和三维平面定位系统。与传统GPS等室外定位技术相比，本发明具有成本低、精度高、不需移动即可定位等优点，有广阔的应用前景。如在智能机器人、物联网等领域都可获应用。
文档编号G01S17/42GK101858977SQ201010197999
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者张文强, 张计龙, 王星杰 申请人:复旦大学