一种基于RF的跨区域超声定位方法及系统与流程

文档序号:12456937阅读:173来源:国知局
一种基于RF的跨区域超声定位方法及系统与流程

本发明涉及室内定位技术领域。更具体地,涉及一种基于RF的跨区域超声定位方法及系统。



背景技术:

随着科技进步和经济社会的快速发展,人们对定位与导航的需求日益增大,尤其是在复杂的室内环境,常常需要确定各种设施与物品在室内的位置信息。目前,虽然GPS系统已经非常成熟,可以为人们提供良好的定位及导航服务,但是在室内环境下,GPS系统无法像在室外那样稳定的工作。室内定位是在室内环境中实现位置定位,在室内环境无法使用卫星定位时,使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位,解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题,最终定位物体当前所处的位置。

近年来,人们纷纷提出各种室内定位技术,如红外线定位技术、惯性定位技术、电磁定位技术、光跟踪技术、计算机视觉定位技术和超宽带无线定位技术等,该领域已经成为热门研究领域,有着广阔的应用市场和前景。但是,这些定位技术都存在一些缺陷,如基于红外的定位方式,由于红外信号只能视距传输并且受室内光线影响较大,在定位精度上有局限性;惯性定位存在时间漂移现象,定位精度较差;电磁定位对电磁干扰和磁性金属非常敏感,需要修正,系统延时大;视觉定位技术具有探测范围广、获取信息完整等优点,但该技术需要大量的图像处理技术,对处理器的要求很高;超宽带无线定位技术(UWB)定位精度±10CM,但是其造价昂贵,一套最简系统都需要上万元,商用成本高;另外,UWB信号抗干扰能力差,需要专业的同轴电缆;还有,UWB的接收器不能直接获得定位数据,需要中央数据服务器,这样一方面造成了数据的延迟,另一方面不利于定位目标的位置保密。受定位时间,精度以及复杂环境等条件的限制,比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。

在众多定位技术中,超声定位技术作为一种非接触式的检测方式,有着传播速度低、纵向分辨率高、对色彩、光照度不敏感、易于定向发射、方向性好、强度容易控制等优势,在定位技术中有着广泛应用。从最初的机器人定位、盲人导航等领域,并正在向尖端武器、飞行器的研制开发、战场虚拟训练、民用产品的样机设计、制造与装配以及教育培训、科学研究和娱乐等高新领域延伸。超声定位技术都具有极大的应用潜力,一直是这些年来定位技术领域研究的热点。

但是,超声没有穿透性,当多个独立区域需要定位时,需要布置多套超声定位系统。超声测距发送的是脉冲阵列,不同的发射点之间发射的脉冲是相同的,没有携带发射器所在区域的信息,因此,区域A的1号发射点和区域B的1号发射点是无法区分的。当接收器运动到区域A和B的临界区时,会收到A区的1号发射点的超声信号,也会收到B区的1号发射点的信息,同理,其他的发射点也有类似的问题,这就需要我们找到另外一种获得接收器所在区域的方法。

因此,需要提供一种有良好定位效果且适用于多区域的跨区域定位的方法及系统。



技术实现要素:

本发明的一个目的在于克服上述缺陷,提供一种基于RF的跨区域超声定位方法。

为达到上述目的,本发明采用下述技术方案:

一种基于RF的跨区域超声定位方法,该方法包括以下步骤:

S1:基于各区域发射器的蓝牙信号强度平均值确定接收器所属区域;

S2:同步器发射第n同步信号;

S3:第n发射器接收第n同步信号并发送超声波,接收器接收第n同步信号并开始计时;

S4:接收器接收到超声波并停止计时,记录超声波传输时间为Tn,第n发射器与接收器距离Sn=Tn*v,v为超声波传播速度;

S5:重复上述步骤S2-S4共N次,分别得到N个发射器与接收器的距离;

S6:基于N个发射器与接收器的距离,计算得到接收器的位置;

n依次取值为1-N,其中,n、N为自然数且N≥3。

优选地,步骤“S1:基于各区域发射器的蓝牙信号强度平均值确定接收器所属区域”具体包括以下步骤:

S101:各区域的各发射器广播各自的蓝牙信号;

S102:接收器扫描发射器广播的蓝牙信号;

S103:接收器将同一区域的蓝牙信号强度相加并除以区域的发射器数量,得到该区域的蓝牙信号强度平均值;

S104:通过比较确定具有最大蓝牙信号强度平均值的区域为接收器所属区域。

优选地,同步信号为RF信号。

优选地,同步器发射的同步信号带有对应发射器的ID和该区域ID。

进一步优选地,发射器仅对带有该区域ID和自身ID的同步信号做出响应。

优选地,超声波传播速度v为当前温度下的超声波声速。

优选地,步骤“S6:基于N个发射器与接收器的距离,计算得到接收器的位置”具体包括以下步骤:

S601:将N个发射器与接收器的距离数据存入数据缓存区;

S602:读取各个数据ID;

S603:选取至少三个具有不同ID的数据;

S604:根据选取的数据基于多点定位算法计算接收器的位置。

优选地,步骤“S603:选取至少三个具有不同ID的数据”中依照存储顺序选取最新存储的至少三个具有不同ID的数据。

本发明的另一个目的在于提供一种基于RF的跨区域超声定位系统。

为达到上述目的,本发明采用下述技术方案:

一种基于RF的跨区域超声定位系统,该系统包括至少一个接收器,及设置于每个区域中的同步器及至少三个发射器,其中

同步器,以一定频率发射同步信号;

发射器,广播蓝牙信号;接收同步信号并发送超声波;

接收器,扫描蓝牙信号,基于蓝牙信号确定接收器所属区域;接收同步信号并启动计时器;接收超声波信并停止计时器;根据计时器及超声波传播速度计算发射器与接收器的距离,计算得到接收器的位置;

优选地,接收器上设有温度检测模块,获取当前温度。

本发明的有益效果如下:

本发明的一种基于RF的跨区域超声定位方法及系统,能够实现跨区域定位的同时保证定位精度为±5㎝,且本发明的跨区域超声定位系统成本低,约为超宽带无线定位技术(UWB)的十分之一,系统布置简单、易于操作、实时性好,能够满足多区域室内定位要求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出一种基于RF的跨区域超声定位方法步骤图。

图2示出确定接收器所属区域的方法步骤图。

图3示出确定接收器在所属区域内位置的方法步骤图。

图4示出实施例1中基于RF的跨区域超声定位系统示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。

由于超声波没有穿透性,因此多个独立区域需要定位时,需要布置多套超声定位系统。当需要定位的物体所属区域不确定或在不同区域的边界处时,现有超生定位系统很难对其进行准确定位。

本发明中,一种基于RF的跨区域超声定位系统,该系统包括至少一个接收器,及设置于每个区域中的同步器及至少三个发射器,其中

同步器,以一定频率发射同步信号;

发射器,广播蓝牙信号;接收同步信号并发送超声波;

接收器,扫描蓝牙信号,基于蓝牙信号确定接收器所属区域;接收同步信号并启动计时器;接收超声波信并停止计时器;根据计时器及超声波传播速度计算发射器与接收器的距离,计算得到接收器的位置。

其工作原理如下:根据待定位接收器所属区域蓝牙信号强度大于其他区域,考虑到每个区域发射器数量可能不同,因此将区域的蓝牙信号强度平均值作为标准判断待定位接收器所属区域。在多个区域的每个区域中都设有一个同步器和至少三个发射器,每个发射器广播自己的蓝牙信号。工作时,接收器接收蓝牙信号并对蓝牙信号进行分类,将属于同一区域的蓝牙信号强度值相加后除以该区域的发射器数量,即为该区域的蓝牙信号强度平均值。通过对不同区域的蓝牙信号强度平均值进行比较,确定具有最大蓝牙信号强度平均值的区域为待定位接收器的所属区域。

确定好接收器所属区域后,进一步地确定接收器的位置。基于三点定位原理,在该区域内确定至少不同三个已知位置点到接收器的距离,即可确定接收器的位置。本发明中,每个区域设置一个同步器和至少三个发射器。工作时,同步器通过发射同步信号按顺序唤醒每个发射器,发射器与接收器同时接收该同步信号,发射器在接收到同步信号后发送超声信号,接收器接收该超声信号并计算接收同步信号与接收超声信号的时间差。由于同步信号选取为具有光速的信号,可以认为发射器与接收器同步响应该同步信号,因此,接收器计算的时间差即为超声波从发射器到接收器的传输时间。进一步地,用该传输时间乘以超声波的传输速度即为该发射器距离接收器的实际距离。同理,获得其他发射器距离接收器的距离。最后,基于三点定位算法,计算得到接收器的位置。

本发明中,同步器发射带有该区域ID和发射器ID的RF信号作为同步信号。由于RF信号具有穿透性,所以同步信号中带有该区域ID能保证每个区域中同步器发射的同步信号仅作用于该区域的发射器。由于该同步信号带有发射器ID,能够保证每次唤醒之后待测的发射器。作为优选地,如果各区域设置的发射器均具有不同的ID,则同步信号中不需要带有该区域ID。接收器能够接收所有同步信号,同时其记录的时间和距离数据也带有对应发射器的ID。由于RF信号具有符合本发明要求的传播速度(RF信号是电磁波传输,以光速传播)和成本低、易于实现的特点,所以选用RF信号作为同步信号。

实际中,超声波的传播速度受温度的影响有明显的温度特性,这将会影响到测距和最终定位。因此,本发明中接收器上设有温度检测模块,用于获取当前温度,根据不同的当前温度值选取对应温度下的超声波传播速度,能进一步地保证测距和最终定位的准确性。

如图1所示,本发明中,一种基于RF的跨区域超声定位方法,该方法包括以下步骤:

S1:基于各区域发射器的蓝牙信号强度平均值确定接收器所属区域,具体包括以下步骤,如图2所示:

S101:各区域的各发射器广播各自的蓝牙信号;

S102:接收器扫描发射器广播的蓝牙信号;

S103:接收器将同一区域的蓝牙信号强度相加并除以区域的发射器数量,得到该区域的蓝牙信号强度平均值;

S104:通过比较确定具有最大蓝牙信号强度平均值的区域为接收器所属区域;

S2:同步器发射第n同步信号;

S3:第n发射器接收第n同步信号并发送超声波,接收器接收第n同步信号并开始计时;

S4:接收器接收到超声波并停止计时,记录超声波传输时间为Tn,第n发射器与接收器距离Sn=Tn*v,v为超声波传播速度;

S5:重复上述步骤S2-S4共N次,分别得到N个发射器与接收器的距离;

S6:基于N个发射器与接收器的距离,计算得到接收器的位置具体包括以下步骤,如图3所示:

S601:将N个发射器与接收器的距离数据存入数据缓存区;

S602:读取各个数据ID;

S603:选取至少三个具有不同ID的数据;

S604:根据选取的数据基于多点定位算法计算接收器的位置;

n依次取值为1-N,其中,n、N为自然数且N≥3。

本发明还可以用于定位具有一定移动速度的物体。对移动物体进行定位时,应根据物体的移动速度设定同步器的同步信号发射频率。应注意的是,此时应依照存储顺序选取最新存储的至少三个具有不同ID的数据。

实施例1

本实施例中包括紧密相连的区域A和区域B,如图4所示,跨区域超声定位系统包括一个接收器6和设置在区域A和区域B中任一区域内的一个同步器5和四个发射器1、2、3和4。发射器数量的设置要保证能覆盖本区域的所有范围,同时,发射器的数量越多,定位结果越准确。

步骤一:确定接收器所属区域

区域A中的4个发射器和区域B中的4个发射器广播各自的蓝牙信号;接收器扫描上述8个蓝牙信号;基于接收器中预设的所有发射器的蓝牙信号Mac地址,接收器将扫描到的蓝牙信号按区域进行分类;接收器将A区域的4个蓝牙信号强度相加后除以A区域发射器数量4,得到A区域的蓝牙信号强度平均值X;接收器将B区域的4个蓝牙信号强度相加后除以B区域发射器数量4,得到B区域的蓝牙信号强度平均值Y;通过比较X与Y的大小,确定具有最大蓝牙信号强度平均值的区域为接收器所属区域。本实施例中,如X>Y,则认为接收器所属区域为A区域。

步骤二:确定接收器在A区域中的位置

在A区域中

1)、同步器发射带有A区域ID和第一发射器ID的第一同步信号;A区域中的第一发射器和接收器同时接收该第一同步信号;第一发射器接收该第一同步信号的同时发送超声波;接收器接收该第一同步信号的同时启动计时器;接收器接收到超声波时停止计时器;计时器记录时间为T1;第一发射器与接收器距离S1=T1*v,v为超声波传播速度。

2)、同步器发射带有A区域ID和第二发射器ID的第二同步信号;A区域中的第二发射器和接收器同时接收该第二同步信号;第二发射器接收该第二同步信号的同时发送超声波;接收器接收该第二同步信号的同时启动计时器;接收器接收到超声波时停止计时器;计时器记录时间为T2;第二发射器与接收器距离S2=T2*v,v为超声波传播速度。

3)、同步器发射带有A区域ID和第三发射器ID的第三同步信号;A区域中的第三发射器和接收器同时接收该第三同步信号;第三发射器接收该第三同步信号的同时发送超声波;接收器接收该第三同步信号的同时启动计时器;接收器接收到超声波时停止计时器;计时器记录时间为T3;第三发射器与接收器距离S3=T3*v,v为超声波传播速度。

4)、同步器发射带有A区域ID和第四发射器ID的第四同步信号;A区域中的第四发射器和接收器同时接收该第四同步信号;第四发射器接收该第四同步信号的同时发送超声波;接收器接收该第四同步信号的同时启动计时器;接收器接收到超声波时停止计时器;计时器记录时间为T4;第四发射器与接收器距离S4=T4*v,v为超声波传播速度。

5)、接收器将上述S1-S4数据存入数据缓存区;读取各个数据的ID;如果上述4个ID均不同,则应用上述四个数据基于多点定位算法计算接收器的位置;如果上述4个ID中有三个互不相同,则应用具有不同ID的三个数据基于多点定位算法计算接收器的位置;如果上述4个ID中互不相同的ID数量小于三个,无法进行定位,重新开始定位过程。

本实施例中,同步器包括MCU控制器和RF射频模块;发射器包括MCU控制器、蓝牙广播模块、RF射频模块和超声发射模块;接收器包括MCU控制器、蓝牙扫描模块、RF射频模块和超声接收模块。

本实施例中,待定位区域为方形空间区域,4个发射器分别设置于方形空间区域的四个上角且通过对角度进行调整来最大限度的覆盖整个区域。本实施例中,超声发射模块和超声接收模块选用超声换能器,其中,每个发射器中超声发射模块包括7个超声换能器,呈上下两排分布(上排3个,下排4个);接收器的超声接收模块包括6个超声换能器,呈均匀环状分布。由于超声换能器的波束角约为60°±10°,这种设置方式能在保证装置体积的前提下,最大限度的覆盖整个区域,实现良好的定位效果。

应注意的是,发射器和接收器的具体设置要结合区域形状和大小,以最大限度的覆盖为目的,并不仅限于本实施例中的设置方式。

作为优选地,接收器还包括定位数据转发模块,用于将定位数据通过WIFI、蓝牙或Zigbee等通讯方式发出。

实施例2

其他同实施例1,接收器上设有温度检测模块,用于获取当前温度。在进行第n发射器与接收器距离计算时,Sn=Tn*v,式中v为根据当前温度确定的超声波传播速度。通过引入温度检测模块,对超声波传播速度进行实时更新,能够有效避免温度对超声波传播速度影响带来的误差,提高定位精度。

实施例3

其他同实施例1或2,对于具有一定的移动速度的接收器进行定位时,根据接收器的移动速度对同步器发送同步信号的频率进行调节,同时,进行多点定位算法计算接收器位置时,按照数据存入缓存区域的时间,选取最后存入的至少三个数据进行计算。

应注意的是,本实施例中适用于慢速移动的接收器,移动速度过快将导致不同时刻获得的位置数据不统一而无法进行精确定位。

显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

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