一种多基站空间定位方法和系统与流程

本发明涉及空间定位技术领域，更具体地，涉及一种多基站空间定位方法和系统。

背景技术：

随着信息技术与无线通信技术的发展与普及，人们对定位和导航的需求日益增大。全球定位系统(GPS)是目前应用最为广泛的定位技术，能够满足人们在室外定位的需求。但是当GPS接收机在室内工作时，信号强度受建筑物的影响而大大降低，接收机无法进行定位。

为了实现室内定位，相关方案例如通过室内全球定位系统(GPS，Global Positioning System)、红外线、蓝牙定位、WIFI定位、RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)定位、双目定位等技术进行定位感知。然而，相关室内定位方案的成本较高、设备配置复杂且定位精度不足，无法满足人们在虚拟现实交互、增强现实交互、室内机器人导航等方面的需求。且在一些大空间的范围内，进行定位，尤其是多目标的定位尤其困难。

技术实现要素：

本发明提供一种解决上述问题的多基站空间定位方法和系统，通过对空间中的定位基站进行组网，达到应用于多个目标、大范围的应用目的。

根据本发明的一个方面，提供一种多基站空间定位方法，包括以下步骤：

S1、分别测得空间中每两个基站的相对位置；

S2、建立空间坐标系，得到空间中每个基站在空间坐标系中的坐标；

S3、根据待定位设备在空间中某个基站坐标系中的坐标，得到待定位设备在空间中任一基站坐标系中的坐标及空间坐标系中的绝对坐标。

作为优选的，所述步骤S1具体包括：

S11、分别测得同一待定位设备分别在相邻两个基站坐标系中的坐标；

S12、通过坐标转换得到其中一个基站坐标系与另一个基站坐标系的转换关系；

S13、重复步骤S11至S12，得到空间中每相邻两个坐标系的相对位置。

作为优选的，所述空间中多个定位基站对应的基站坐标系各轴方向相同，通过平移计算得到空间中每两个基站坐标系的相对位置。

作为优选的，所述空间中各个基站之间的坐标系互相有倾角时，空间坐标系中待定位设备在两个基站中的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，两个基站相对于大地坐标系的倾角分别为(α₁，β₁，γ₁)和(α₂，β₂，γ₂)，则可求得其中一个基站相对于另一个基站基站的旋转角(α,β,γ)＝(α₂-α₁,β₂-β₁,γ₂-γ₁)，则一个基站相对于另一个基站的坐标(x0,y0,z0)可由下式求得：

(x₀,y₀,z₀)^T＝(x₁,y₁,z₁)^T-R(α，β，γ)*(x₂,y₂,z₂)^T

作为优选的，所述测得同一待定位设备在相邻两个基站坐标系中的坐标的方法具体包括：

通过超声波测距方法测得待测点到基站坐标系坐标原点的距离；

通过旋转平面激光扫描测角方法，分别测得待测点与基站坐标系中两条坐标轴的垂直线与所述两条坐标轴组成平面的夹角；

计算得出待测点在基站坐标系中的坐标。

作为优选的，所述步骤S2中，以空间中其中一个基站为坐标原点，建立空间坐标系，所述空间坐标系与该基站坐标系重合。

一种多基站空间定位系统，包括至少两个用于发送定位信号的定位基站和至少一个接收定位信号的待定位设备，所述每个定位基站都设有基站坐标系，所述空间内设有空间坐标系，所述至少两个定位基站在空间中的信号覆盖区域相互重叠且不完全重合。

作为优选的，所述定位基站包括两个，所述两个定位基站分别位于空间的前方和后方，定位信号相对发送，信号覆盖空间相互重叠且不完全重合。

作为优选的，所述定位基站包括三个，所述三个定位基站中两个位于空间后方、一个位于空间前方，或两个位于空间前方、一个位于空间后方；所述三个基站的定位信号相对发送，信号覆盖区域相互重叠且不完全重合。

作为优选的，所述至少两个定位基站，其中一个定位基站为主基站，其余定位基站为从基站，以主基站的基站坐标系作为空间坐标系。

本申请提出一种多基站空间定位方法，通过对空间中的各个基站建立基站坐标系，并对整个空间建立空间坐标系，通过计算的到空间中各个基站间的相对位置，进而可以得到一个基站中任一点在其他任一基站坐标系中的坐标和在空间坐标系中的绝对坐标，从而可以实现大空间里的精确定位。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例中旋转平面激光扫描测角方法示意图；

图3是本发明实施例2的系统结构框图；

图4是本发明实施例3的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

图1示出了一种多基站空间定位方法，包括以下步骤：

S1、分别测得空间中每两个基站的相对位置。

每个基站都设有各自独立的识别码ID，各个基站间通过识别码ID进行识别和区分；识别码可以为发射的不同频率的超声波、声波、红外光、可见光、频率等标识，也可是对其进行调制的码字设置。各个基站的作用范围可以是规则的球型或扇形，也可以是非规则的形状，每相邻的两个基站作用范围有重叠；

测试的方法为多种，本实施例中具体描述两种测试的方法。

第一种测试方法：各个基站的坐标系方向不相同时，各个基站可通过相互发送信号知道彼此在空间中的位置和倾角。具体过程为：

每个基站上都包含有定位信号接收单元，通过接收其他基站发出的定位信号，计算得到自身相对于其他基站的坐标。

每个基站上都包含有倾角测量单元，可测得其自身相对于大地坐标系的倾角。

所述空间中各个基站之间的坐标系互相有倾角时，空间坐标系中待定位设备在两个基站中的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，两个基站相对于大地坐标系的倾角分别为(α₁，β₁，γ₁)和(α₂，β₂，γ₂)，则可求得其中一个基站相对另一个基站基站的旋转角(α,β,γ)＝(α₂-α₁,β₂-β₁,γ₂-γ₁)，则一个基站相对于另一个基站的坐标(x0,y0,z0)可由下式求得：

(x₀,y₀,z₀)^T＝(x₁,y₁,z₁)^T-R(α，β，γ)*(x₂,y₂,z₂)^T

以此用该方法，即可得到每相邻两个基站的位置关系。

第二种测试方法：各个基站的坐标系方向相同时，通过待定位设备在每两个相邻基站的坐标来推导出这两个相邻基站的位置。

具体地步骤包括：

S11、分别测得同一待定位设备分别在相邻两个基站坐标系中的坐标；

S12、通过坐标转换得到其中一个基站坐标系中任一点的坐标到另一个基站坐标系的转换关系；

S13、待测点位置在空间内移动，并重复步骤S11至S12，得到空间中每相邻两个坐标系的相对位置。

根据同一待定位设备相对于两个基站的坐标(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)，得到第一基站和第二基站的相对位置关系。因各个基站坐标系的方向统一设置，各个基站坐标系间是平移关系，则通过平移计算得到P2基站的坐标位置相对于P1基站的坐标位置为：(x1-x2,y1-y2,z1-z2)。

这两种测试方式中待定位设备坐标的测得可以通过光学+超声波方式，也可以通过全光学信号测量、超声波测量或无线信号测量等方式实现；

在本实施例中，采用光学和超声波共同测量待定位设备在第一基站坐标系中的坐标，所述步骤S11具体包括：

通过超声波测距方法测得待定位设备到第一基站P1坐标系坐标原点的距离；

通过旋转平面激光扫描测角方法，测得待定位设备相对于第一基站P1坐标系的空间角度；

通过待定位设备在第一基站P1坐标系中的空间角度以及到第一基站P1坐标系坐标原点的距离，计算得出待测点在第一基站坐标系中的坐标。

在本实施例中，如图2所示，所述旋转平面激光扫描测角方法包括：

在基站设置围绕基站坐标系x轴旋转的第一旋转激光平面，围绕y轴旋转的第二旋转激光平面，在待定位设备A设置待定位设备；使待定位设备与基站同步基准时刻；

第一旋转激光平面在第一参考时刻t1’围绕x轴旋转发送第一激光平面信号；第二旋转激光平面在第二参考时刻t2’围绕y轴旋转发送第二激光平面信号；

待定位设备检测第一激光平面信号、第二激光平面信号，并分别记录接收到第一激光平面信号的第一时刻t1、接收到第二激光平面信号的第二时刻t2；

根据第一旋转激光平面的旋转速度w1和第一时刻与第一参考时刻的时间差t1-t1’，得到第一旋转激光平面旋转的角度α＝(t1-t1’)*w1；根据第二旋转激光平面的旋转速度w2和第二时刻与第二参考时刻的时间差t2-t2’，得到第二旋转激光平面旋转的角度β＝(t2-t2’)*w2；所述第一旋转激光平面的旋转角度即为待测点A到x轴的垂线与xoy平面的夹角，所述第一旋转激光平面的旋转角度即为待定位设备A到y轴的垂线与xoy平面的夹角β。

根据以下计算方法得到待定位设备相对于第一基站P1的坐标(x1、y1、z1)：

x₁tanβ＝y₁tanα＝z₁

x₁²+y₁²+z₁²＝L²

式中，(x1，y1，z1)为待定位设备A在第一基站坐标系中的坐标，L为待定位设备到基站坐标系坐标原点距离；对上方程组求解即可得到待定位设备A在对应基站坐标系中的坐标值。

同理，计算得到该待定位设备相对于相邻的第二基站P2的坐标(x2、y2、z2)。

S2、建立空间坐标系，得到空间中每个基站在空间坐标系中的坐标。

具体地，在本实施例里中多个基站可区分为一个主基站和若干个从基站，以主基站的坐标系作为空间坐标系，根据S1步骤得到的每两基站的坐标关系，得到其他从基站在空间坐标系的位置。

如能直接通过S1步骤得到每个从基站相对于主基站的位置，则直接得到每个从基站在空间坐标系中的坐标；如不能直接通过S1步骤得到每个从基站相对于主基站的位置，例如，以P1为主基站，P2、P3为从基站，只能得到P2基站相对于P1基站的坐标位置和第三基站P3相对于P2基站的坐标位置，则根据P2基站相对于P1基站的坐标位置和第三基站P3相对于P2基站的坐标位置，进行进一步转化则可得到P3基站的坐标位置相对于P1基站的坐标位置。以此类推，可得到每个从基站相对于主基站在空间坐标系中的坐标。

S3、根据目标在空间中某个基站坐标系中的坐标，得到目标在空间中任一基站坐标系中的坐标及空间坐标系中的绝对坐标。

对于空间中各个基站的坐标系之间互相有倾角的情况，则可用下述方法确定待定位设备在大空间中的位置。

若其相对于从基站P2的坐标为(x₂,y₂,z₂)，基站P2相对于基站P1的坐标为(x0,y0,z0)，基站P1与基站P2相对于大地坐标系的倾角分别为(α₁，β₁，γ₁)和(α₂，β₂，γ₂)，基站P2相对于基站P1的旋转角(α，β，γ)＝(α₂-α₁，β₂-β₁，γ₂-γ₁)，则该待定位设备相对于主基站P1的坐标(x₁,y₁,z₁)可通过以下公式求得：

(x₁,y₁,z₁)^T＝R(α，β，γ)*(x₂,y₂,z₂)^T+(x₀,y₀,z₀)^T

其中：

对于空间中所有基站的坐标系方向统一的情况，坐标转换和定位更加快捷。具体的，设待定位设备在从基站P2的坐标系中的坐标为(xA,yA,zA)，则：待定位设备在主基站P1坐标系中的坐标为：(xA+x1-x2,yA+y1-y2,zA+z1-z2)。以此可以将待定位设备相对于任一个从基站的坐标转化为相对于主基站P1的坐标，从而实现在大空间内的定位。

在使用过程中，通过各个基站间的相互位置，用待定位设备在其中一个基站中的位置可得到该待定位设备在任一个基站中的位置和整个空间坐标系中的位置，从而实现对空间定位进行扩展，实现多个目标在大空间的统一定位。

在本实施里中，还可以包括多个待定位设备，通过上述方法均可实现其在以P1为主基站、P2、P3等基站为从基站的大空间内的定位，通过将各待定位设备在该大空间内的定位信息传输到终端，例如VR游戏中，即可实现多人大空间互动游戏。

实施例2

图3示出了本发明的多基站空间定位系统，包括：至少两个在空间坐标系中的定位基站和至少一个待定位设备；所述定位基站用于发送定位信号，所述定位基站在空间中的信号覆盖区域相互重叠且不完全重合；所述待定位设备用于接收上述至少1个定位基站发送的定位信号，并根据上述实施例1中的方法进行空间定位。

具体地，如图3所示，空间的前方和后方各有一个定位基站，每个定位基站都有一个基站坐标系，定位基站向空间内发送定位信号，例如超声波信号和激光信号。假定位于前方的定位基站为主基站，则以前方的定位基站的坐标系为空间坐标系，主基站向空间后方发送约120度范围内的定位信号。位于后方的定位基站为从基站，向空间前方发送约120度范围内的定位信号，前后定位基站的信号相互重叠但不完全重合。待定位设备位于空间内，可使用实施例一的定位方法确定主基站和从基站的位置。当待定位设备位于主基站的信号覆盖区时，可直接得到待定位设备的在主基站的基站坐标系中的位置和在空间坐标系中的位置；当待定位位于从基站的信号覆盖区时，可得到其在从基站的坐标系中的位置，并转化为相对于主基站的坐标系，即空间坐标系中的坐标位置。

实施例3

如图4所示，空间的前方有一个定位基站，后方有两个定位基站，每个定位基站都有一个基站坐标系，三个基站向空间内部发送定位信号，例如超声波信号和激光信号。假定位于前方的定位基站为主基站，，则以前方的定位基站的坐标系为空间坐标系，向空间后方发送约120度范围内的定位信号，位于后方的两个定位基站为从基站，成一定倾角放置，向空间前方发送约120度范围内的定位信号，三个定位基站的信号相互重叠但不完全重合。待定位设备位于空间内，可使用实施例一的定位方法确定主基站和从基站的位置。当待定位设备位于主基站的信号覆盖区时，可直接得到待定位设备在主基站的基站坐标系中的位置和在空间坐标系中的位置；当待定位位于从基站的信号覆盖区时，可得到其相对于从基站的坐标位置，并转化为相对于主基站的坐标系，即空间坐标系中的坐标位置。

以上实施例2和实施例3仅为解释本发明的技术方案，而不是对本发明的限制，在具体实施时，还可以是4个定位基站、5个定位基站等，定位基站在空间内的放置位置也可以是其他方式，主基站和从基站的设定也可以是其他方式，只要能实现本发明的发明意图即可。

本申请提出一种多基站空间定位方法，通过对空间中的各个基站建立基站坐标系，并对整个空间建立空间坐标系，通过计算的到空间中各个基站间的相对位置，进而可以得到一个基站中任一点在其他任一基站坐标系中的坐标和在空间坐标系中的绝对坐标，可应用到空间导航和信息传输中，在传输数据中寻找并选择最近基站进行数据传输。

本申请提出的多基站空间定位系统，通过多基站的设置，使待定位设备的移动范围更大，而且解决了部分待定位设备使用时只能面向基站，一旦转身或者有障碍物的情况下，就无法获得定位信号的问题。且本申请的多基站空间定位系统还可用于多目标定位，获得每个待定位设备的绝对坐标后，再传输到外接设备中，例如VR设备、无人机设备,即可得到大空间多目标的定位。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。