一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于自动化测控和智能仪器仪表领域，尤其涉及一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统，包括定位服务器、CAN主控节点、固定测距节点和移动测距节点，固定测距节点内设有单片机A、射频接收单元和声波接收单元，移动测距节点包括单片机B、射频发射单元、声波发射单元和方向测量单元，声波发射单元内设有声波发生器，方向测量单元内设有磁传感器测量装置，采用基于CAN总线的声波测距定位系统，基于地磁场测量的设备方向判断，以及对射频信号采用软件解码方法，解决了多个固定测距节点长距离通讯以及射频通讯的可靠性，声波的发送端不接收回波、传输距离远且传输过程中不怕阻挡的特性，实现了复杂空间的高精度测距和移动方向判断。
【专利说明】—种用于复杂空间测距与定位的方法与系统
【技术领域】
[0001]本发明属于自动化测控和智能仪器仪表领域，尤其涉及一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统。
【背景技术】
[0002]目前，市场上广泛使用的定位方法主要有GPS定位技术和超声波定位技术，GPS定位技术受天气和位置的影响较大，当遇到天气不佳的时候、或者处于高架桥的下面，或者在高楼的旁边角落、地下车库或露天的下层车库，GPS的定位就会受到相当大的影响，甚至无法进行定位服务。超声波在空气中的衰减较大，测距范围比较小，并且超声波在空气中传播，遇到障碍物后会立即反射回来，现有的超声波定位技术一般采用超声波发送反射回波进行测距定位，超声波发送端接收回波，这样就容易造成接收延迟，导致测量精度低。
[0003]无论是电磁波还是机械波，在复杂空间的传播会被阻挡或干扰，设备的定位距离有限，而且无法获得定位目标方向信息，造成传统成熟的测距、定位和通讯困难，因此需要比较多的定位基站节点，矿井是一种典型的复杂空间，弯道多、岔道多，目前尚没有低成本的高精度定位方法和装置。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于CAN总线的声波相位差测距定位、并采用软件解码的方法去除干扰信号，获得很高的测量精度，利用磁传感器测量相对地磁的方向角，获得定位目标的方向，特别是能应用于复杂空间测距与定位的方法与系统，其特征在于:包括定位服务器、CAN主控节点、固定测距节点和移动测距节点，所述定位服务器与所述CAN主控节点之间、所述CAN主控节点与所述固定测距节点之间均通过CAN总线连接，所述移动测距节点与所述定位服务器、所述固定测距节点之间采用无线连接，所述固定测距节点内设有单片机A、射频接收单元和声波接收单元，所述声波接收单元内设有拾音器，所述移动测距节点包括单片机B、射频发射单元、声波发射单元和方向测量单元，所述声波发射单元内设有声波发生器，所述方向测量单元内设有磁传感器测量装置。
[0005]进一步地，所述固定测距节点不只一个，所述固定测距节点彼此之间采用CAN总线连接，所述定位系统是利用多个固定测距节点对移动测距节点进行测距定位。
[0006]进一步地，定位系统的工作原理及步骤如下:
a.所述CAN主控节点从所述定位服务器获得绝对时间，所述CAN主控节点定期对CAN总线上所述固定测距节点进行授时，使CAN总线上所有的所述固定测距节点时间保持一致；
b.每个所述固定测距节点通过射频信号与声波的相位差，解析计算得到所述移动测距节点与所述固定测距节点的距离，并通过软件解码射频信号得到所述移动测距节点的编号和方向数据，同时记录测距的时间；
c.每个所述固定测距节点将所述移动测距节点的编号、方向、距离和时间通过CAN通讯传输给所述CAN主控节点，由所述CAN主控节点上传到所述定位服务器；
d.所述定位服务器通过汇总所有所述固定测距节点的信息，计算得到所述移动测距节点的位置和方向。
[0007]进一步地，所述步骤b中的声波测距系统的工作原理及步骤如下:
A.所述移动测距节点先发送一串含设备ID编码的射频信号和设备方向数据，并以射频编码的某个脉冲的下降沿或上升沿作为计时基准，同时启动声波发射单元发射声波脉冲；
B.所述固定测距节点的射频接收单元接收到射频编码和所述移动测距节点的方向数据后，在约定的时间基准开启所述单片机A的AD采集所述拾音器的输出信号；
C.所述单片机中预存了零距离的采集声波的波形数据，将所述拾音器采集的接收波形与零距离波型做相关算法处理，可得到采集波形与零距离波形的相位差，该相位差用数据点的个数表示；
D.根据AD的采集频率和表示相位差的数据点个数，计算出用时间表示的相位差At ；
E.根据环境中的声波波速和At计算出所述移动测距节点与所述固定测距节点之间的距离。
[0008]进一步地，所述射频接收单元接收到信号后，单片机A用AD连续采样波形并存储，采用软件解码的方法，用模糊算法辨识并去除干扰信号，将被干扰信号还原并解码，得到正常信号。
[0009]进一步地，调整AD的采集频率，可得到不同的测距精度，对于IM的采集频率，测距精度可以达到0.334mm。
[0010]进一步地，所述移动测距节点的方向是通过在所述方向测量单元内的磁传感器测量装置相对地磁方向的角度，确定移动测距节点的方向。
[0011]本发明的有益效果为:采用基于CAN总线的声波测距定位系统，基于地磁场测量的设备方向判断，以及对射频接收信号采用软件解码的方法，解决了复杂空间多个固定测距节点长距离通讯以及射频通讯的可靠性，利用声波的发送端不接收回波，以及声波传输距离远且传输过程中不怕阻挡的特性，实现了复杂空间的高精度测距，并同时得到了移动测距节点的方向。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的结构示意图；
图2为声波测距相位差计算原理图；
图3为射频信号经软件解码前后信号图。
【具体实施方式】
[0013]以下结合附图1、2、3对本发明做进一步描述:
图中:1_定位服务器，2-CAN主控节点，3-固定测距节点，4-方向测量单元，5-移动测距节点，6-射频接收单元，7-声波接收单元，8-射频发射单元，9-声波发射单元，10-声波发生器，11-单片机A，12-拾音器，13-磁传感器测量装置，14-单片机B。
[0014]实施例一本发明包括定位服务器1、CAN主控节点2、固定测距节点31、32…3N和移动测距节点5，定位服务器I与CAN主控节点2之间、CAN主控节点2与固定测距节点31、32…3N之间均通过CAN总线连接，移动测距节点5与定位服务器1、固定测距节点31、32…3N之间采用无线连接，固定测距节点31、32…3N内设有单片机A111、A112…A11N、射频接收单元61、62"-6N和声波接收单元71、72?"7N，声波接收单元71、72…7N内设有拾音器121、122?" 12N，移动测距节点5包括单片机B、射频发射单元8、声波发射单元9和方向测量单元4，声波发射单元9内设有声波发生器10，方向测量单元4内设有磁传感器测量装置13，固定测距节点31、32…3N不只一个，固定测距节点31、32…3N彼此之间采用CAN总线连接。
[0015]定位系统的工作原理及步骤如下: a.CAN主控节点2从定位服务器I获得绝对时间，CAN主控节点2定期对CAN总线上固定测距节点进行授时，使CAN总线上所有的固定测距节点时间保持一致；
b.每个固定测距节点31、32…3N通过射频信号与声波的相位差，解析计算得到移动测距节点5与固定测距节点31、32…3N的距离，并通过软件解码射频信号得到移动测距节点5的编号和方向数据，同时记录测距的时间；
c.每个固定测距节点31、32…3N将移动测距节点5的编号、方向、距离和时间通过CAN通讯传输给CAN主控节点2，由CAN主控节点2上传到定位服务器I ;
d.定位服务器I通过汇总所有固定测距节点31、32…3N的信息，计算得到移动测距节点5的位置和方向。
[0016]实施例二
本发明的声波测距系统的工作原理及步骤如下:
A.移动测距节点5先发送一串含设备ID编码的射频信号和设备方向数据，并以射频编码的某个脉冲的下降沿作为计时基准，同时启动声波发射单元9发射声波脉冲；
B.固定测距节点31、32…3N的射频接收单元61、62…6N接收到射频编码和移动测距节点的方向数据后，在约定的时间基准开启所述单片机A111、A112?"A11N的AD采集所述拾音器121、122…12N的输出信号；
C.单片机111U12-11N中预存了零距离的采集声波的波形数据，将拾音器121、122-12N采集的接收波形与零距离波型做相关算法处理，可得到采集波形与零距离波形的相位差，该相位差用数据点的个数表示；
D.根据AD的采集频率和表示相位差的数据点个数，计算出用时间表示的相位差At ；
E.根据环境中的声波波速和At计算出移动测距节点5与固定测距节点31、32…3N之间的距离。
[0017]射频接收单元61、62…6N接收到信号后，单片机Alll、A112…AllN用AD连续采样波形并存储,采用软件解码的方法,用模糊算法辨识并去除干扰信号,将被干扰信号还原
并解码，得到正常信号。
[0018]调整AD的采集频率，可得到不同的测距精度，对于IM的采集频率，测距精度可以达到 0.334mm。
[0019]移动测距节点的方向是通过在方向测量单元内的磁传感器测量装置相对地磁方向的角度，确定移动测距节点的方向。
[0020]以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统，其特征在于:包括定位服务器、CAN主控节点、固定测距节点和移动测距节点，所述定位服务器与所述CAN主控节点之间、所述CAN主控节点与所述固定测距节点之间均通过CAN总线连接，所述移动测距节点与所述定位服务器、所述固定测距节点之间采用无线连接，所述固定测距节点内设有单片机A、射频接收单元和声波接收单元，所述声波接收单元内设有拾音器，所述移动测距节点包括单片机B、射频发射单元、声波发射单元和方向测量单元，所述声波发射单元内设有声波发生器，所述方向测量单元内设有磁 传感器测量装置。
2.如权利要求1所述的一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统，其特征在于:所述固定测距节点不只一个，所述固定测距节点彼此之间采用CAN总线连接，定位系统利用多个固定测距节点对移动测距节点进行测距定位。
3.如权利要求1所述的一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统，其特征在于:定位系统的工作原理及步骤如下: a.所述CAN主控节点从所述定位服务器获得绝对时间，所述CAN主控节点定期对CAN总线上所述固定测距节点进行授时，使CAN总线上所有的所述固定测距节点时间保持一致； b.每个所述固定测距节点通过射频信号与声波的相位差，解析计算得到所述移动测距节点与所述固定测距节点的距离，并通过软件解码射频信号得到所述移动测距节点的编号和方向数据，同时记录测距的时间； c.每个所述固定测距节点将所述移动测距节点的编号、方向、距离和时间通过CAN通讯传输给所述CAN主控节点，由所述CAN主控节点上传到所述定位服务器； d.所述定位服务器通过汇总所有所述固定测距节点的信息，计算得到所述移动测距节点的位置和方向。
4.如权利要求3所述的一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统，其特征在于:所述步骤b中的声波测距系统的工作原理及步骤如下: A.所述移动测距节点先发送一串含设备ID编码的射频信号和设备方向数据，并以射频编码的某个脉冲的下降沿或上升沿作为计时基准，同时启动声波发射单元发射声波脉冲； B.所述固定测距节点的射频接收单元接收到射频编码和所述移动测距节点的方向数据后，在约定的时间基准开启所述单片机A的AD采集所述拾音器的输出信号； C.所述单片机中预存了零距离的采集声波的波形数据，将所述拾音器采集的接收波形与零距离波型做相关算法处理，可得到采集波形与零距离波形的相位差，该相位差用数据点的个数表示； D.根据AD的采集频率和表示相位差的数据点个数，计算出用时间表示的相位差At ； E.根据环境中的声波波速和At计算出所述移动测距节点与所述固定测距节点之间的距离。
5.如权利要求3所述的一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统，其特征在于:所述射频接收单元接收到信号后，单片机A用AD连续采样波形并存储，采用软件解码的方法，用模糊算法辨识并去除干扰信号，将被干扰信号还原并解码，得到正常信号。
6.如权利要求3所述的一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统，其特征在于:调整AD的采集频率，可得到不同的测距精度，对于1M的采集频率，测距精度可以达到.0.334mm。
7.如权利要求3所述的一种用于复杂空间测距与定位的方法与系统，其特征在于:所述移动测距节点的方向是通过在所述方向测量单元内的磁传感器测量装置相对地磁方向的角度，确定移动测距节点的方向。
【文档编号】G01S5/22GK103616666SQ201310638610
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】屈燕林 申请人:天津孚感科技有限公司