专利名称：一种室内自定位的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络和定位导航技术领域，具体涉及了一种室内自定位的方法及系统。
背景技术：
说到定位系统，大家首先想到的是在生活中应用广泛的GPS全球定位系统，该系统能在全球范围内提供精度为数米的定位服务，然而在室内环境下GPS信号受到建筑物的影响信号严重衰减，定位精度变差，甚至不能进行定位服务，并且室内环境中的人、物体等目标一般为米级大小，显然GPS的定位精度不能满足要求，为了能够更好的区分物体，估计位置，需要定位系统提供更高的定位精度，而无线传感器网络定位技术恰好能满足高精度的定位需求。在传感器网络中，位置信息对传感器网络的检测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，这是进一步采取措施和做出决策的基础。无线传感器网络定位技术在环境监测、机器人导航、火灾救援、跟踪系统等领域都有非常重要的地位，尤其是家庭服务机器人领域，人们需要一种应用于室内的、能够对自身物理位置进行精确定位的系统。在室内定位系统中，人们常常使用超声波信号，利用超声波信号的到达时间来估算位置的原理在麻省理工大学的Cricket系统和中国发明专利一种跟踪多移动目标的室内精确定位方法和自治超声波室内定位系统、装置和方法中均有类似应用。麻省理工大学的Cricket系统中，包含若干不相连接的超声波定位信标发射机，每个超声波定位信标发射机都包含射频和超声波发射器。其工作方式采用了被动检测方式，在工作期间，各个射频发射器如果侦听到清楚的射频频道就同时发射射频和超声波信号，被动检测接收机首先将接收到的射频信号用于与各个超声波定位信标发射机建立同步，然后接收超声波信号，从而使用TDOA(到达时间差)方式来测量其自身与发射机之间的距离，当接收到多于3个TDOA样本时接收机就可以估算其自身位置。但是，其各个信标发射机要根据其协调机制不断发射超声波射频信号，增加了系统功耗；被动检测接收机一次只能与一个信标进行TDOA测距，完成定位至少需要三次TDOA测距，增加了系统完成一次定位的时间，减小了系统定位频率；对于放在移动物体上的接收机，与不同信标发射机进行TDOA测距，其位置可能发生移动，导致移动目标距离样本不同步，从而导致对动态目标的定位精度变差。在一种跟踪多移动目标的室内精确定位方法中，同样利用射频和超声波的TDOA测距原理，采用徽章主动发射方式，通过位置计算单元实现了对多个移动徽章的跟踪，但其中描述徽章不能获得自身的位置信息，不能实现自定位功能，其结构图见图I。自治超声波室内定位系统、装置和方法描述了一种自治超声波室内定位系统，与Cricket系统相似，采 用了被动接收同步信号和超声波信号的方法，其中定位信标发射装置被配置为在发射包括同步信息的信号之后按照预定顺序以预定时间间隔轮发多个超声波信号，其中发射超声波信号的装置为信标发射装置上的多个不同位置的超声波发射器；定位信标接收装置被配置为在检测到同步信息之后执行与定位信标发射装置的时间同步，基于所获得的同步时间来确定接收到的各个超声波信号的发射顺，根据发射顺序来推断所接收的各个超声波信号的发射时间，使用所接收到的各个超声波信号的发射时间和接收时间来计算其相对应的TDOA信息，基于定位信标发射装置中的各个超声波发射器的位置和所计算得到的TDOA信息序列来确定定位信标接收装置自己的位置，但其信标定位发射装置包括多个在不同位置部署的超声波发射器，增加了系统的复杂度和部署难度；与Cricket系统类似，在对移动目标定位时会增大定位误差，其系统结构图见图2。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种室内自定位方法及系统，以达到系统具有结构简单、定位快速、计算量小、高精度的目的。一种室内自定位的方法，包括以下步骤步骤I :启动放置在天花板的信标装置，各个信标装置内部的温度传感器模块进行温度测量，并进入射频信号接收状态；步骤2 :自定位装置的通信模块接收从计算装置发送的定位请求；步骤3 :自定位装置向信标装置发送射频信号和超声波信号，其中射频信号携带自定位装置的身份标识号码信息；步骤4:信标装置接收到射频信号后，检测接收到射频信号携带的身份标识号码信息与自定位装置的身份标识号码信息是否相同，若不相同则放弃，返回等待射频接收状态；若相同则进行一次测距；步骤5 :所有信标装置在检测到从自定位装置发送的超声波信号后，记录超声波到达时间，并将信标装置编号、时间信息和温度信息打包成数据包，根据信标装置编号顺序依次将数据包通过无线通讯的形式发送给自定位装置，其中的温度信息为信标装置在启动时通过信标装置内部温度传感器模块测量得到；步骤6 :自定位装置根据各信标装置获得的温度信息计算出室内的平均温度，然后计算出超声波在空气中的传播速度；根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置的时间信息，计算出各信标装置与自定位装置的距离；步骤7 :自定位装置将计算得到的各个信标装置与自定位装置的距离数据传输给计算装置，计算装置根据事先建立的室内坐标系、信标装置坐标和各信标装置与自定位装置的距离，计算出移动装置的平面坐标，完成一次定位。步骤6所述的计算出超声波在空气中的传播速度,其计算公式如下V = 331. 5+0. 607T式中V为超声波在空气中的传播速度；T为室内平均温度；步骤6所述的根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置的时间信息，计算出各信标装置与自定位装置的距离，其计算公式如下Di = VX Timi+ e 式中=Di为各信标装置的屋顶平面镜像与待定位目标装置的距离；Timi为超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间；
e为距离补偿因子。所述一种室内自定位系统，包括计算装置和移动装置，还包括信标装置和自定位装置，其中信标装置用于接收射频信号和超声波信号，通过信标装置内部处理器测量超声波信号从发出到到达信标装置的时间，并将上述时间信息、信标装置内部的温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息打包成数据包发送给自定位装置；自定位装置用于接收计算装置发出的定位命令，并向信标装置发送射频信号和超声波信号；接收从各个信标装置发送的射频信号，所述射频信号包含数据包，根据数据包中的时间信息、温度信息和信标装置编号信息计算出自定位装置与信标装置距离，将距离 信息发送给计算装置。所述的信标装置包括温度传感器模块、超声波接收模块、信标装置的处理器模块和信标装置的射频模块，其中温度传感器模块用于测量环境温度，并将温度信息传递给信标装置内部处理器模块；超声波接收模块用于接收从自定位装置发送的超声波信号，并将超声波信号传递给信标装置内部的处理器模块；信标装置的处理器模块用于测量从自定位装置发送的超声波到达信标装置的时间，并将上述时间信息、温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息打包成数据包，传递给射频模块；信标装置的射频模块用于接收和发送射频信号，接收从自定位装置发送的射频信号，并将射频信号传递给信标装置内部处理器模块；通过无线通讯将包含上述数据包的射频信号发送给自定位装置。所述的自定位装置包括自定位装置的射频模块、超声波发射模块、通信模块和自定位装置的处理器模块，其中自定位装置的射频模块用于接收和发送射频信号，接收从信标装置发送的射频信号，并将射频信号传递给自定位装置内部处理器模块；通过无线通讯将包含有身份标识号码信息的射频信号发送给信标装置；超声波发射模块用于发送超声波信号，通过无线通讯方式将超声波信号传递给信标装置；通信模块用于实现处理器模块与计算装置的通信；自定位装置的处理器模块用于接收计算装置定位命令；控制射频模块发送射频信号；控制超声波模块发送超声波信号；接收信标装置发送的射频信号，所述的射频信号包含数据包，根据数据包内的时间信息、温度信息和信标装置编号信息计算出自定位装置与信标装置距离，将距离信息发送给计算装置。本发明的优点本发明一种室内自定位的方法及系统，上述系统能够实现对自身装置进行定位，不需要连接器和与之连接的位置计算单元；能够在室内环境中工作；数据传输均通过无线形式，装置可以独立工作，系统耦合性弱，便于部署；通过对信号的身份标识号码(ID)识另IJ，增加了系统的抗干扰能力；定位精度高，平均定位误差小于3cm;移动目标定位精度与静止目标相同，定位速度快，具有较高的定位频率；信标装置和自定位装置结构简单，体积小，方便安装和携带。
图I为一种跟踪多移动目标的室内精确定位方法系统结构图；图2为自治超声波室内定位系统、装置和方法系统结构图；图3为本发明一种实施例的系统组成和工作原理不意图；图4为本发明一种实施例的信标装置系统结构框图；图5为本发明一种实施例的信标装置电源模块电路原理图；图6为本发明一种实施例的信标装置温度传感器模块电路原理图； 图7为本发明一种实施例的信标装置处理器模块电路原理图；图8为本发明一种实施例的信标装置超声波接收模块电路原理图；图9为本发明一种实施例的自定位装置系统框图；图10为本发明一种实施例的自定位装置超声波发射模块电路原理图；图11为本发明一种实施例的自定位装置电源模块电路原理图；图12为本发明一种实施例的室内自定位方法的流程图；图13为本发明一种实施例的信标装置工作流程图；图14为本发明一种实施例的自定位装置工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。如图3为本发明一种实施例的系统组成和工作原理示意图，该系统包括信标装置、自定位装置、计算装置和移动装置。本实施例中，信标装置放置在室内天花板上(放置的位置没有具体要求)，信标装置的位置已事先进行测量获得，并将信标装置的坐标数据保存在计算装置(可以是手持个人计算机、嵌入式设备或者移动机器人上的处理器，本实施例中计算装置采用移动机器人上的处理器)建立的室内坐标系中。计算装置的数据输入输出端与自定位装置的数据输出输入端相连接，所述的计算装置安装在移动装置的一端，自定位装置安装在移动装置的另一端，本实施例中移动装置采用移动机器人。在本发明实施例中，为了使自定位装置获得准确的位置信息，自定位装置需要至少在三个信标装置的感知范围内。射频信号的感知范围一般可以充满整个房间，故其感知范围可忽略不计，而超声波信号一般具有一定的作用角度，故要保证在其作用角度内有三个信标装置。具体部署方法随信标装置的位置不同而不同。图4为本发明一种实施例的信标装置系统结构框图，本实施例中信标装置处理器模块403中的处理器采用了 TI公司的CC2430型芯片；由于CC2430芯片内嵌一个高性能的
2.4GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心，故在本实施例中不再需要单独的射频模块404 ;本实施例超声波接收模块405的超声波接收电路采用了 SONY公司的CX20106A型红外线接收电路专用集成芯片，处理器通过Pl_5引脚接收来自超声波接收模块405的信号；本实施例温度传感器模块402采用DALLAS公司生产的DS18B20型一线制数字温度传感器，处理器通过Pl_4引脚接收来自温度传感器模块402的信号；电源模块401采用美国国家半导体公司的LM7805电源稳压芯片、美国国家半导体公司的LM1117电源稳压芯片，并采用7. 2V锂电池或5节I. 5V电池，通过3. 3V电压输出端为处理器模块403、温度传感器模块402提供工作电压，通过5V电压输出端为超声波接收模块405提供工作电压。图5为本发明一种实施例的信标装置电源模块401电路原理图，本实施例采用
7.2V锂电池输入电源，首先通过电容进行滤波，再通过LM7805电源稳压芯片输出稳定的5V电压。5V电源其中一路输出给超声波接收模块405中的CX20106A芯片，另一路通过LM1117电源稳压芯片输出稳定的3. 3V电压，为处理器模块403、温度传感器模块402提供工作电压。图6为本发明一种实施例的信标装置温度传感器模块402电路原理图。该温度传感器通过低温度系数晶振和高温度系数晶振的计数比较获得测量温度，并通过斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性，最终通过简单的一线制数据传输协议输出测量温度，将上述测量温度通过温度传感器模块402的输出端输出给处理器CC2430芯片的Pl_4引脚。
图7为本发明一种实施例的信标装置处理器模块403电路原理图，本实施例中处理器采用了 TI公司的CC2430芯片；通过处理器内部的16位定时器测量超声波信号的到达时间，并将上述时间信息、温度传感器模块402测量的温度信息和信标装置编号信息(例三个信标装置编号信息则分别为I号、2号、3号)打包成数据包传递给射频模块。其射频模块接收信号的工作原理为接收到射频信号后，经过处理器内部的低噪声放大器放大，并且将收到的同相信号和正交相位信号降频转换为中频信号，过滤掉残余在中频信号中的I/Q(同相正交)信号后，放大中频信号，然后通过ADC(模数变换器)数字化、自动增益控制、信道的过滤、解扩频、符号相关和字节同步等处理，并置位帧开始界定符，处理器可以通过帧开始界定符判断是否接收到射频信号。处理器模块403内部CC2430芯片将收到的数据缓冲存入128字节的RX FIFO (接收先入先出)队列，用户通过处理器内部的特殊功能寄存器来读取RX FIFO队列中的数据，完成射频信号检测及数据的接收。射频信号同样由处理器模块403内部的CC2430芯片内的射频模块发出，其工作原理为将数据存放在128字节的TX FIF0(发送先入先出)之中，要发送的帧引导序列和帧开始界定符由处理器模块内部CC2430芯片内的射频模块自动产生，每个符号使用IEEE(电气和电子工程师协会)802. 15. 4扩展序列扩展为32位码片序列，输出到处理器内部DAC中，经过DAC转换的信号，通过射频模块内部模拟低通滤波器送到射频模块内部90° I/Q相移升频转换混频器，最后射频信号通过射频模块内部功率放大器馈送到天线将其发送出去。图8为本发明一种实施例的信标装置超声波接收模块405电路原理图，处理器通过Pl_5引脚接收来自超声波接收模块405的信号。超声波接收模块405中的超声波接收探头采用了订制的大角度超声波接收探头，其中心谐振频率为40±2. OKHz，发射声压大于105dB，接收灵敏度大于_74dB，发射波束角为60°，工作温度为-40 +80°C，工作电压为300 500VP-P。为了增加系统的稳定性，本实施例超声波接收电路采用了 SONY公司的CX20106A型红外线接收电路专用集成芯片，信号通过芯片内部的前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路后，将信号传递给处理器CC2430芯片。图9为本发明一种实施例的自定位装置系统框图，其中处理器模块903中的处理器同样采用了 TI公司的CC2430型芯片，内嵌一个高性能的2. 4GHz射频收发器核心，使用其内嵌射频模块取代单独的射频模块；此外，通过处理器CC2430型芯片内部的UART(通用异步接收/发送装置)实现与计算装置的数据和命令通信，取代单独的通信模块905 ;处理器CC2430芯片通过P14引脚向超声波发射模块901发送信号；计算装置为电源模块902提供5V电源，电源模块902采用LMl117稳压芯片，3. 3V输出端给处理器CC2430芯片提供稳定的3. 3V工作电压，计算装置为超声波发射模块901提供5V工作电压。实施例的自定位装置处理器模块903与信标装置中的处理器模块403 —样，均采用了 TI公司的CC2430芯片；通过处理器CC2430芯片的Pl_4 口控制超声波发射模块901发送超声波信号；通过处理器内部的UART(通用异步接收/发送装置)实现与计算装置的数据和命令通信，取代单独的通信模块905 ;通过控制射频模块接收和发送射频信号，其工作原理与信标装置中的处理器模块403 —致，在此不再复述。图10为本发明一种实施例的自定位装置超声波发射模块901电路原理图。处理器CC2430芯片通过P15引脚控制超声波发射模块901发射超声波信号。超声波发射模块901同样采用了订制的大角度超声波发射探头，其中心谐振频率为40±2. OKHz，发射声压 大于105dB，接收灵敏度大于-74dB，发射波束角为60°，工作温度为-40 +80°C，工作电压为300 500VP-P。处理器CC2430芯片产生20个周期的40KHz方波脉冲，通过P14引脚发送给超声波发射模块901，接收到的方波脉冲信号送入超声波发射模块901电路中三极管基极，然后将其脉冲信号加到超声波发射模块901内部的高频升压变压器进行电压信号的放大，使电压幅值增加到300V，高频升压变压器的次级线圈与发射器构成谐振回路，从而使发射器发出超声波信号。该电路提高了超声发射传感器的瞬间发射功率，且有较低的系统功耗。图11为本发明一种实施例的自定位装置电源模块902电路原理图。由于电源模块902与计算装置配合使用，所以可从计算装置获得5V电源，电源模块902电路输入的5V电源首先通过电容滤波，再通过LM1117稳压芯片输出给处理器CC2430芯片稳定的3. 3V工作电压。计算装置为超声波发射模块901提供5V工作电压。图12为本发明一种实施例的室内自定位的方法的流程图。一种室内自定位的方法，包括以下步骤步骤I :启动放置在天花板的信标装置，各个信标装置内部的温度传感器模块进行温度测量，并进入射频信号接收状态；步骤2 :自定位装置的通信模块接收从计算装置发送定位请求；步骤3 :自定位装置向信标装置发送射频信号和超声波信号(射频信号和超声波信号同时发送)，其中射频信号携带自定位装置的身份标识号码信息；步骤4:信标装置接收到射频信号后，检测接收到射频信号携带的身份标识号码信息与自定位装置的身份标识号码信息是否相同，若不相同则放弃，返回等待射频接收状态执行步骤4 ;若相同则进行一次测距，执行步骤5 ；步骤5 :所有信标装置在检测到从自定位装置发送的超声波信号后，记录超声波到达时间，并将信标装置编号、时间信息和温度信息打包成数据包，根据信标装置编号顺序依次将数据包通过无线通讯的形式发送给自定位装置，其中的温度信息为信标装置在启动时通过信标装置内部温度传感器模块测量得到；步骤6 :自定位装置根据各信标装置获得的温度信息计算出室内的平均温度，然后计算出超声波在空气中的传播速度；根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置的时间信息，计算出各信标装置与自定位装置的距离；步骤7 :自定位装置将计算得到的各个信标装置与自定位装置的距离数据传输给计算装置，计算装置根据事先建立的坐标系、信标装置坐标和各信标装置与自定位装置的距离，计算出移动装置的平面坐标，完成一次定位。在本实施例中，自定位装置内部处理器获得的第i个信标装置所测量的环境温度Ti,通过对各个信标的测量温度求均值，获得环境平均温度T。具体计算公式如公式(1)，n为收到的信标装置数据的信标装置个数
权利要求
1.一种室内自定位的方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I:启动放置在室内天花板的信标装置，各个信标装置内部的温度传感器模块进行温度测量，并进入射频信号接收状态； 步骤2 :自定位装置的通信模块接收从计算装置发送的定位请求； 步骤3 :自定位装置向信标装置发送射频信号和超声波信号，其中射频信号携带自定位装置的身份标识号码信息； 步骤4 :信标装置接收到射频信号后，检测接收到射频信号携带的身份标识号码信息与自定位装置的身份标识号码信息是否相同，若不相同则放弃，返回等待射频接收状态；若相同则进行一次测距； 步骤5 :所有信标装置在检测到从自定位装置发送的超声波信号后，记录超声波到达时间，并将信标装置编号、时间信息和温度信息打包成数据包，根据信标装置编号顺序依次将数据包通过无线通讯的形式发送给自定位装置，其中的温度信息为信标装置在启动时通过信标装置内部温度传感器模块测量得到； 步骤6 :自定位装置根据各信标装置获得的温度信息计算出室内的平均温度，然后计算出超声波在空气中的传播速度；根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置的时间信息，计算出各信标装置与自定位装置的距离； 步骤7 :自定位装置将计算得到的各个信标装置与自定位装置的距离数据传输给计算装置，计算装置根据事先建立的室内坐标系、信标装置坐标和各信标装置与自定位装置的距离，计算出移动装置的平面坐标，完成一次定位。
2.根据权利要求I所述的一种室内自定位的方法，其特征在于步骤6所述的计算出超声波在空气中的传播速度，其计算公式如下V = 331. 5+0. 607T 式中V为超声波在空气中的传播速度； T为室内平均温度； 所述的根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置的时间信息，计算出各信标装置与自定位装置的距离，其计算公式如下Di = VXTimi+ e 式中=Di为各信标装置的屋顶平面镜像与自定位目标装置的距离； Timi为超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间； ￡为距离补偿因子。
3.采用权利要求I所述一种室内自定位系统，包括计算装置和移动装置，其特征在于还包括信标装置和自定位装置，其中 信标装置用于接收射频信号和超声波信号，通过信标装置内部处理器测量超声波信号从发出到到达信标装置的时间，并将上述时间信息、信标装置内部的温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息打包成数据包； 自定位装置用于接收计算装置发出的定位命令，并向信标装置发送射频信号和超声波信号；接收从各个信标装置发送的射频信号，所述射频信号包含数据包，根据数据包中的时间信息、温度信息和信标装置编号信息计算出自定位装置与信标装置距离，将距离信息发送给计算装置。
4.根据权利要求3所述一种室内自定位系统，其特征在于所述的信标装置包括温度传感器模块、超声波接收模块、信标装置的处理器模块和信标装置的射频模块，其中 温度传感器模块用于测量环境温度，并将温度信息传递给信标装置内部处理器模块； 超声波接收模块用于接收从自定位装置发送的超声波信号，并将超声波信号传递给信标装置内部的处理器模块； 信标装置的处理器模块用于测量从自定位装置发送的超声波到达信标装置的时间，并将上述时间信息、温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息打包成数据包，传递给射频模块； 信标装置的射频模块用于接收和发送射频信号，接收从自定位装置发送的射频信号，并将射频信号传递给信标装置内部处理器模块；通过无线通讯将包含上述数据包的射频信号发送给自定位装置。
5.根据权利要求4所述一种室内自定位系统，其特征在于所述的自定位装置包括自定位装置的射频模块、超声波发射模块、通信模块和自定位装置的处理器模块，其中 自定位装置的射频模块用于接收和发送射频信号，接收从信标装置发送的射频信号，并将射频信号传递给自定位装置内部处理器模块；通过无线通讯将包含有身份标识号码信息的射频信号发送给信标装置； 超声波发射模块用于发送超声波信号，通过无线通讯将超声波信号传递给信标装置； 通信模块用于实现处理器模块与计算装置的通信； 自定位装置的处理器模块用于接收计算装置定位命令；控制射频模块发送射频信号；控制超声波模块发送超声波信号；接收信标装置发送的射频信号，所述的射频信号包含数据包，根据数据包内的时间信息、温度信息和信标装置编号信息计算出自定位装置与信标装置距离，将距离信息发送给计算装置。
全文摘要
一种室内自定位的方法及系统，属于无线传感器网络和定位导航技术领域。该系统包括计算装置、移动装置、信标装置和自定位装置。其中自定位装置发出同步射频信号和超声波信号，多个信标装置测量出超声到达的时间和环境温度，并传输给自定位装置，自定位装置根据超声波的传播速度计算出自定位装置与各信标装置的距离，并将数据传输给计算装置，计算装置根据事先建好的室内坐标计算出自定位装置的位置。本发明具有结构简单、定位快速、抗干扰能力强、功耗低、计算量小、精度高等特点。
文档编号G01S5/18GK102645645SQ20121012404
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者刘鹏达, 吴成东, 张云洲, 程龙, 韩泉城 申请人:东北大学