一种基于红外线的室内定位方法及系统与流程

本发明涉及一种室内定位技术，尤其涉及一种基于红外线的室内定位方法及系统

背景技术：

在开阔的室外环境，全球定位系统(globalpositioningsystem，简称gps)能够提供非常精确的定位信息。但是，在工农业生产、军事国防中，有时需要在室内环境进行定位和监测。例如，在机器人、移动车、安全防护、矿井作业环境需要准确的室内定位信息来实现空间上的高效控制。与室外环境相比，室内环境受到建筑物结构、内部布局及其他人为限制因素的影响，对室内现有的定位系统，如gps定位系统等，在精确度乃至有效性造成影响，尤其是gps信号无法穿透房间的建筑材料，很多时候在室内进行定位时，难以获取到精确的位置信息乃至无法定位。

专门的室内定位技术，例如基于红外线、红外线、射频等传输技术的室内定位技术旨在为室内定位提供可靠的解决方案。其中，基于红外线的室内定位技术相比较来说，体积小，性价比较高，电路简单，能有效抗电磁干扰，对于发送数据量不是很大、定位范围较小的情况下，用红外线通讯更为合适。现有的基于红外线的室内定位方法及系统，多采用两点定位的方法，无法测定对象的三维坐标，且仅进行两点定位，很容易会因为障碍物的遮挡而无法让两个红外线接收端都收到红外线，导致定位失败。另外，发射端需通过射频等其他传输技术向控制器传输红外线发射时间等信息，也增加了定位方法及系统的复杂性

故此，如何改进现有基于红外线的室内定位方法及系统，能够确定对定位对象的三维坐标，有效减少障碍物对定位的影响，同时以合适的途径传输发射端的发射信息，以减小定位方法及系统的复杂性，是目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于红外线的室内定位方法及系统，能确定对定位对象的三维坐标，并减少障碍物对定位的影响，同时将移动发射端的发射信息调制进红外线中，无需移动发射端与控制器通讯。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于红外线的室内定位方法，包括：

移动发射端发射调制红外线；

红外线接收端组接收调制红外线，并向控制器传输信号数据；

所述控制器根据信号数据计算所述移动发射端的位置。

作为上述方案的改进，所述移动发射端发射调制红外线的步骤，包括：

记录红外线发射时刻；

将包含红外线发射时刻信息的电信号调制成红外线；

发射调制红外线。

作为上述方案的改进，所述红外线接收端组接收调制红外线，并向所述控制器传输信号数据的步骤，包括：

接收调制红外线；

记录接收时刻；

解调红外线并记录解调的红外线发射时刻；

向所述控制器传输红外线发射时刻、接收时刻。

作为上述上述方案的改进，所述控制器根据信号数据计算移动发射端的位置的步骤，包括：

当向所述控制器传输信号数据的所述红外线接收端数量大于或等于3个，根据接收到的信号数据及预设规则计算所述移动发射端的位置；

当向所述控制器传输信号数据的所述红外线接收端数量小于3个，显示错误提示。

相应地，本发明还公开了一种基于红外线的室内定位系统，用于实现上述基于红外线的室内定位方法，包括：

移动发射端，用于发射调制红外线；

红外线接收端组，用于接收调制红外线，并向控制器传输信号数据；

控制器，用于根据信号数据及预设规则计算移动发射端的位置。

作为上述方案的改进，所述移动发射端包括：

发射信息记录模块，用于记录红外线发射时刻；

发射信息调制模块，用于将包含红外线发射时刻信息的电信号调制成红外线；

发射模块，用于发射调制红外线。

作为上述方案的改进，所述红外线接收端组包含至少4个红外线接收端，所述红外线接收端包括：

接收模块，用于接收调制红外线；

接收信息记录模块，用于记录红外线接收时刻；

发射信息解调模块，用于解调红外线并记录解调的红外线发射时刻；

传输模块，用于向所述控制器传输红外线接收时刻、所述红外线接收端的id信息及红外线发射时刻。

作为上述方案的改进，所述控制器包括：

运算模块，用于当向所述控制器传输信号数据的所述红外线接收端数量大于或等于3个时，根据接收到的信号数据及预设规则计算所述移动发射端的位置；

错误提示模块，用于当向所述控制器传输信号数据的所述红外线接收端数量小于3个，显示错误提示。

作为上述方案的改进，所述红外线接收端组与所述控制器连接；

所述红外线接收端组按照特定位置关系进行安装。

作为上述方案的改进，所述特定位置关系，包括：

所述红外线接收端组的所有红外线接收端处于同一平面，且任意三个红外线接收端的位置相互连线均能形成三角形。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明基于红外线的室内定位方法及系统，能确定对定位对象的三维坐标，并减少障碍物对定位的影响，同时将移动发射端的发射信息调制进红外线中，无需移动发射端与控制器通讯。

具体来说，红外线接收端组包含四个红外线接收端，由于四个红外线接收端在同一个平面且任意三个红外线接收端连线均为三角形，因此，只要其中任意三个红外线接收端接收到信息，就可通过红外线发射时刻、该三个红外线接收端的接收时刻以及该三个红外线接收端的相互距离计算移动发射端到该三个红外线接收端的距离，进而唯一地确定移动发射端的三维上的位置，而且即使有一个红外线接收器因障碍物遮挡红外线而未能接收到移动发射端发射的红外线，只要其余三个红外线接收端能接收到红外线，仍然能进行定位，提高了定位方法及系统的稳健性。

另外，移动发射端将反映红外线发射时间等信息的电信号调制成红外线进行发射，无需移动发射端通过其他传输技术，如射频、蓝牙等，向控制器传输红外线发射时间，简化了定位方法及系统。

附图说明

图1是本发明基于红外线的室内定位方法的总体流程图；

图2是移动发射端发射调制红外线的具体步骤流程图；

图3是红外线接收端组接收红外线信号，并向控制器传输信号数据的步骤流程图；

图4是控制器根据信号数据计算移动发射端的位置的步骤流程图；

图5是控制器根据三个红外线接收端传输的信号数据计算移动发射端的位置的实施例示意图；

图6是本发明基于红外线的室内定位系统的总体结构示意图；

图7是本发明基于红外线的室内定位系统的移动发射端功能模块示意图；

图8是本发明基于红外线的室内定位系统的红外线接收端组的实施例功能模块示意图；

图9是本发明基于红外线的室内定位系统的控制器功能模块示意图；

图10是本发明基于红外线的室内定位系统所述红外线接收端组特定位置关系的实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

图1是本发明基于红外线的室内定位方法的总体流程图，包括：

s100、移动发射端发射调制红外线；

s200、红外线接收端组接收调制红外线，并向控制器传输信号数据；

s300、控制器根据信号数据计算移动发射端的位置。

需要说明的是，基于红外线的室内定位方法通过记录红外线发射时刻以及各红外线接收端接收到的时刻，计算红外线从移动发射端传播到各红外线接收端的时间，然后结合红外线速度(光速)不变的原理，计算红外线从移动发射端传播到各红外线接收端的距离，也就是移动发射端到各红外线的距离。当红外线接收器的数量为三个，且三个红外线接收器处于同一平面但不在同一直线，即三个红外线接收器相互连线形成三角形，可以通过移动发射端到各红外线接收端地距离，以及各红外线接收端相互距离，唯一确定移动发射端地三维位置。

下面对本发明基于红外线的室内定位方法进行具体说明。

如图2所示，移动发射端发射调制红外线(s100)的具体步骤包括：

s101、记录红外线发射时刻；

s102、将包含红外线发射时间信息的电信号调制成红外线；

s103、发射调制红外线。

红外线的发射时刻是重要的参数。一些室内定位方法通过射频、蓝牙等传输技术直接向控制器传输红外线的发射时刻，这样的传输方法虽然简单直接，但是却要在移动发射端安装射频、蓝牙等信号的发射设备，控制器端也要安装相应的接收装置，不同类型的信号传输可能影响红外线信号，造成“信号噪声”，也增加了定位装置的复杂程度。本发明基于红外线的室内定位方法采取另一种传输方法。如图2所示，每次移动发射端发射红外线时，先记录红外线发射时刻，然后将红外线发射时刻的电信号调制成红外线，使得发射出去的红外线本身携带了重要信息，无需再另外再发射其他信号，将发生红外线及信号传输结合在一起，减少了“信号噪声”，也降低了定位装置的复杂程度。

如图3所示，红外线接收端组接收红外线信号，并向控制器传输信号数据的步骤(s200)，包括：

s201、接收调制红外线；

s202、记录接收时刻；

s203、解调红外线并记录解调的红外线发射时刻；

s204、向控制器传输红外线发射时刻、接收时刻。

需要说明的是，实际运作过程中，红外线接收端组的各个红外线接收端是独立进行上述步骤。

比如红外线接收端组200包含了四个红外线接收端，分别是第一红外线接收端、第二红外线接收端、第三红外线接收端及第四红外线接收端。当移动发射端100发射调制红外线时，则红外线接收端组200有如下过程：

第一红外线接收端接收调制红外线，记录第一接收时刻，解调红外线并记录红外线发射时刻，向控制器传输红外线发射时刻、第一接收时刻；

第二红外线接收端接收调制红外线，记录第二接收时刻，解调红外线并记录红外线发射时刻，向控制器传输红外线发射时刻、第二接收时刻；

第三红外线接收端接收调制红外线，记录第三接收时刻，解调红外线并记录红外线发射时刻，向控制器传输红外线发射时刻、第三接收时刻；

第四红外线接收端接收调制红外线，记录第四接收时刻，解调红外线并记录红外线发射时刻，向控制器传输红外线发射时刻、第四接收时刻。

虽然各红外线接收端都解调并向控制器传输红外线发射时刻造成了重复传输。但是，由于障碍物等原因，实际定位时可能有部分红外线接收端未能接收到红外线，进而无法向控制器传输红外线发射时刻，一律设置所有红外线接收端都传输红外线发射时刻可以最大程度防止上述问题发生。

如图4所示，控制器根据信号数据计算移动发射端的位置的步骤(s300)，包括：

s301、当向控制器传输信号数据的红外线接收端数量大于或等于3个，根据接收到的信号数据及预设规则计算移动发射端的位置；

s302、当向控制器传输信号数据的红外线接收端数量小于3个，显示错误提示。

上述步骤无时间上的先后顺序，控制器判断向其传输信号数据的红外线接收端数量是否大于或等于3个，如果是，可以根据其中三个红外线接收端传输的信号数据计算移动发射端的位置。比如图5的情况，第一红外线接收端、第二红外线接收端、第三红外线接收端、第四红外线接收端分别位于a、b、c、d四点，四个点在同一个平面内，其中，a点位于坐标轴原点，b点位于z轴、d点位于y轴，ab、bc、cd、da的长度均为1米，移动发射端处于e点。当移动发射端在t1时刻向四个红外线接收端发射调制红外线，第一红外线接收端、第二红外线接收端、第三红外线接收端、第四红外线接收端分别于t2、t3、t4及t5接收到信号，控制器可以选择t1、t2、t3、t5分别计算移动发射端到第一红外线接收端、第二红外线接收端及第三红外线接收端的距离，计算公式如下：

sea＝c×(t2－t1)

seb＝c×(t3－t1)

sed＝c×(t5－t1)

其中，sea为移动发射端到第一红外线接收端的距离，seb为移动发射端到第二红外线接收端的距离，sed为移动发射端到第四红外线接收端的距离，c为光速。

假设此时算得sea、seb及sed分别时1米、米、米，则移动发射端的位置(e点)的坐标为(0,1,0)。控制器可以选择t2、t3、t4及t5中任意三个参数，结合t1计算移动发射端的位置，不限于上述参数组合。

当向控制器传输信号数据的红外线接收端数量小于3个，显示错误提示。错误提示本发明基于红外线的室内定位方法至少要有三个红外线接收端传输的信号数据才能计算移动发射端的位置。如前所述，由于有时红外线会被障碍物遮挡，使得部分红外线接收端无法接收到红外线，接收到红外线接收端的数量不足三个的时候，控制器会发出错误提示，告知用户定位失败。

本发明还公开了一种基于红外线的室内定位系统，如图6所示，包括：

移动发射端100，用于发射调制红外线；

红外线接收端组200，用于接收调制红外线，并向控制器传输信号数据；

控制器300，用于根据信号数据及预设规则计算移动发射端的位置。

如图7所示，移动发射端100包括：

发射信息记录模块101，用于记录红外线发射时刻；

发射信息调制模块102，用于将包含红外线发射时刻信息的电信号调制成红外线；

发射模块103，用于发射调制红外线。

红外线接收端组200包含至少4个红外线接收端，每个红外线接收端还包括若干功能模块。比如，如图8所示，第一红外线接收端210是红外线接收端组200的其中一个红外线接收端，其包括：

接收模块211，用于接收调制红外线；

接收信息记录模块212，用于记录红外线接收时刻；

发射信息解调模块213，用于解调红外线并记录解调的红外线发射时刻；

传输模块214，用于向控制器300传输红外线接收时刻、红外线接收端的id信息及红外线发射时刻。

如图9所示，控制器300包括：

运算模块301，用于在向控制器传输信号数据的红外线接收端数量大于或等于3个，根据接收到的信号数据及预设规则计算移动发射端的位置；

错误提示模块302，用于在向控制器传输信号数据的红外线接收端数量小于3个，显示错误提示。

需要说明的是，控制器300的运算模块301判断向其传输信号数据的红外线接收端数量是否大于或等于3个，如果是，可以随机根据其中三个红外线接收端传输的信号数据计算移动发射端的位置。比如图5的情况，第一红外线接收端、第二红外线接收端、第三红外线接收端、第四红外线接收端分别位于a、b、c、d四点，四个点在同一个平面内，其中，a点位于坐标轴原点，b点位于z轴、d点位于y轴，ab、bc、cd、da的长度均为1米，移动发射端处于e点。当移动发射端在t1时刻向四个红外线接收端发射调制红外线，第一红外线接收端、第二红外线接收端、第三红外线接收端、第四红外线接收端分别于t2、t3、t4及t5接收到信号，控制器可以选择t1、t2、t3、t5分别计算移动发射端到第一红外线接收端、第二红外线接收端及第三红外线接收端的距离，计算公式如下：

sea＝c×(t2－t1)

seb＝c×(t3－t1)

sed＝c×(t5－t1)

其中，sea为移动发射端到第一红外线接收端的距离，seb为移动发射端到第二红外线接收端的距离，sed为移动发射端到第四红外线接收端的距离，c为光速。

假设此时算得sea、seb及sed分别时1米、米、米，则移动发射端的位置(e点)的坐标为(0,1,0)。控制器可以选择t2、t3、t4及t5中任意三个参数，结合t1计算移动发射端的位置，不限于上述参数组合。

当向控制器传输信号数据的红外线接收端数量小于3个，控制器300的错误提示模块302显示错误提示。本发明基于红外线的室内定位方法至少要有三个红外线接收端传输的信号数据才能计算移动发射端的位置。如前所述，由于有时红外线会被障碍物遮挡，使得部分红外线接收端无法接收到红外线，接收到红外线接收端的数量不足三个的时候，控制器会发出错误提示，告知用户定位失败。

红外线接收端组200与控制器300连接；

红外线接收端组200按照特定位置关系进行安装。

特定位置关系，包括：

红外线接收端组200的所有红外线接收端处于同一平面，且其中任意三个红外线接收端连线均能形成三角形。

比如，红外线接收端组200包括第一红外线接收端210、第二红外线接收端220、第三红外线接收端230及第四红外线接收端240，则红外线接收端组200按照下列位置关系规则进行安装：第一红外线接收端310、第二红外线接收端320、第三红外线接收端330及第四红外线接收端340处于同一平面中，且任意三个红外线接收端连线均能形成三角形。

下面结合图10对上述位置规则进行具体描述。在一个长方体房间内，第一红外线接收端310、第二红外线接收端320、第三红外线接收端330及第四红外线接收端340安装在墙壁上，四个红外线接收端连线构成矩形，这样，上述任意三个红外线接收端连线均能构成三角形。由于只要三个处于同一平面，同时不在同一直线的红外线接收端就能实现定位，任何一个红外线接收端未能接收到红外线，仍有其余三个红外线接收端保证定位成功，增强了定位系统的稳健性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。