一种无线、超声波复合定位系统及其定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及定位导航技术领域，特别是一种无线、超声波复合定位系统及其定位 方法。
【背景技术】
[0002] 室内是人类活动最密集，与人类生活生产最相关的场合。室内定位可视为定位技 术与人联系最紧密的一个组成部分，其存在的重要潜在应用，近年来吸引了大量的研究和 关注。室内由于有大量墙体、屏风等障碍存在，多径效应严重，场强分布不均甚至有盲区存 在。人员的频繁移动、电子设备和门窗的开关等也给信号传输带来大量随机，不可测的干扰 和波动。因此针对复杂室内环境的定位技术一直是研究的难点，也是学术界一直关注的热 点问题。
[0003] 室内定位技术大多采用短距无线定位技术，包含WLAN、RFID、蓝牙、UWB等。但总体 而言它们都存在精度差的问题而不能用于机器人定位。当前采用这些技术的定位系统，最 高标称能达到l〇cm，该精度基本上也是使用无线定位技术所能达到的极限精度。
[0004] 现有的超声波定位技术主要存在以下缺陷：（1)超声波传输过程衰减明显；（2)超 声波受多径效应和非视距传播影响。这些缺点导致现在的这些技术基本只能用于无人且环 境较空的场所。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种定位精度高，成本低的无 线、超声波复合定位系统及其定位方法。
[0006] 本发明的技术方案是： 本发明之一种无线、超声波复合定位系统，包括若干个固定位置的信标模块、至少一个 移动定位模块和电子定位平台； 所述信标模块包括： 第一无线收发模块，用于以无线的方式与移动定位模块和/或电子定位平台联络，收 发指令和同步信号； 超声波发射模块，用于发出已编址的超声波信号； 第一智能处理模块，用于处理接收的指令和储存超声波编码，处理同步时序安排； 所述移动定位模块安装于移动体上，包括： 第二无线收发模块，用于负责与信标模块和电子定位平台联络，收发无线同步信号，以 及接收对待接收的超声波信号做出的时序安排； 超声波接收阵列，用于接收来自不同角度的超声波信号； 第二智能处理模块，包括阵列处理模块和中央处理器； 所述阵列处理模块用于将接收的超声波信号放大，根据其信号的强弱自动进行增益 控制，使输出的超声波模拟信号强度保持相对稳定，并将接收到的模拟信号转换成数字信 号； 所述中央处理器用于处理接收到的指令、模块各部分的逻辑关系、做出同步时序安排、 识别编码、储存和分析接收到的超声波数据信息，并将超声波数据会同电子定位平台发送 来的电子地图一起放入计算单元中进行计算处理，得到位置坐标数据； 所述电子定位平台用于构建电子地图，并向移动定位模块发送电子地图，以无线方式 传给移动定位模块进行移动体的调度；还用于协调信标模块和移动定位模块的同步，接收 从各个移动定位模块上传的位置坐标数据。
[0007] 进一步，所述阵列处理模块包括前置放大模块和A/D转换模块； 所述前置放大模块用于将接收的超声波信号放大，根据其信号的强弱自动进行增益控 制，使输出的超声波模拟信号强度保持相对稳定； 所述A/D转换模块用于将检测时间段内的超声波模拟信号连续转换成数字信号并存 储；通过中央处理器扫描采集到的超声波信号幅度，处理该组超声波数据；根据接收到的 超 声波脉冲群的平均幅值，来计算用于判断的阈值；达到判断阈值的点则认为当前测试 的超声波信号到达起始点，否则认为是噪声信号。
[0008] 进一步，所述移动体为机器人或智能车。
[0009] 进一步，所述电子定位平台包括： 搭载电子地图的计算机，用于向移动定位模块发送电子地图； 第三无线收发模块，用于传送电子地图，并发送定位同步信号，协调信标模块和移动定 位模块的时序，接收各个移动定位模块上传的位置坐标数据； 显示器，用于显示电子地图。
[0010] 进一步，所述第一无线收发模块和第二无线收发模块为WIFI模块、蓝牙通信模块 或ZigBee通讯模块。
[0011] 进一步，所述超声波收发阵列为具有至少四个超声波感应元的集成阵列，或由至 少四个独立的超声波传感器分散而成的阵列；所述前置放大模块和A/D转换模块的通道数 量与超声波感应元的数量相对应。
[0012] 本发明之一种根据上述无线、超声波复合定位系统的定位方法，包括以下步骤： (1) 由移动定位模块依据移动体行走的起始坐标数据，结合定位后沿预设的运动轨迹 可能达到的坐标，计算规划出每个可能达到的坐标处所需的至少两个信标模块，依次序分 别呼唤需要的信标模块，被呼唤到的信标模块发送无线信号回应；待呼唤到的信标模块全 部回应后，移动定位模块依次向信标模块发射无线申请定位信号，收到申请定位信号的信 标模块，按照测试时序安排向移动定位模块发射无线同步信号，使信标模块和移动定位模 块配合同步测试； (2) 再由信标模块按时序分别向主测模块发射已编码的超声波信号，同时收到同步信 号的移动定位模块启动数据采集时间窗口 T，实时采集数据并依次存储，根据接收到的超声 波信号的时序，分别标记接收到的时间为T1, T2,。。。,，T1，其中，i与所呼唤信标模块的数量相 同；然后处理计算每个时间段接收到的超声波信号数据段，识别其编码，若接收到多组相同 编码的超声波信号，只取最先到达的一组超声波编码信号，剔除其余杂波，再经计算找到每 个时间段最先到达的此组超声波编码信号的起头时间T/，T2',。。。,，IV ; (3) 计算得到超声波接收阵列与每个信标模块之间的距离Z1Sz1= IV Xc，其中，c为 超声波信号在常温下的传播速度，并修正超声波信号的传播速度c ; (4) 计算得出超声波接收阵列理论中心与每个信标模块的距离L1以及信标模块与超声 波接收阵列理论中心的右旋角γ1;其中，超声波接收阵列理论中心是指超声波接收阵列的 几何中心点；右旋角是指该信标模块与超声波接收阵列理论中心之间的距离直线沿超声波 接收阵列理论中心的中轴线向右旋转所呈的夹角； (5) 由移动定位模块甄选出两路或三路信标模块直线到达超声波接收阵列的超声波信 号，并结合内置的电子地图进行计算处理，即分别收发根据步骤（4)计算得到的超声波接收 阵列理论中心与这两路或三路信标模块之间的距离，并结合这两路或三路信标模块的固定 坐标计算得出机器人的所在位置的二维坐标数据或三维坐标数据； (6) 将所得的二维坐标数据或三维坐标数据无线传送给电子定位平台，生成机器人的 位置信息。
[0013] 进一步，步骤（2 )中，所述实时采集数据包括：将在T1,T2,。。。, T1时刻内分别接收到的 超声波信号根据其信号的强弱自动进行增益控制，输出稳定的超声波幅值动态范围；再将 该超声波模拟信号转换为数字信号并存储。
[0014] 进一步，步骤（2)中，所述处理计算每个时间段接收到的超声波信号数据段包括： 处理转换后的超声波数字信号，计算得到判断阈值，若采集到的超声波信号的幅值达到判 断阈值则认为当前信号为超声波信号，否则认为是噪声信号。
[0015] 进一步，步骤（2)中，所述最先到达的一组超声波编码信号为发射的超声波信号直 线到达超声波接收阵列的信号；其余后面到达的视为杂波，包括多径效应、非视距传播和超 声波反射产生的信号。
[0016] 进一步，步骤（1)中，还包括：当移动体偏离预设的运动轨迹时，仍可根据设于移 动体附近的其它运动轨迹中的信标模块实现自动定位。
[0017] 进一步，步骤（1)中，还包括：由移动定位模块向电子定位平台申请定位，由电子 定位平台查询移动定位模块所呼唤的信标模块是否被其它移动体占用，若已占用，则通知 移动定位模块需间隔某一时间后再动作，间隔时间到后，继续完成后面的定位测试。
[0018] 进一步，步骤（4)中，具体包括：检测超声波接收阵列的不同超声波感应元接收到 的超声波的编码是否相同，若相同则甄选出该编码的信标模块发射的超声波信号到达超声 波感应元时间最短的两路信号，并结合相对应的两个超声波感应元的固定位置和固定角 度，计算得出超声波接收阵列理论中心与信标模块的距离以及该信标模块与超声波接收阵 列理论中心的右旋角；所述超声波接收阵列理论中心与信标模块的距离由如下公式获得，
式中，&、为接收同一编码超声波的两个超声波感应元与信标模块的直线距离，且 &< &，^为超声波感应元与超声波接收阵列理论中心的直线距离，^为两个超声波感应 元之间的直线距离，a为直线与直线s之间的夹角，^为与相对应的超声波感应元到 超声波接收阵列理论中心的直线R与直线^之间的夹角，其中，角度A和直线6·均为超声波 接收阵列的的固定尺寸。
[0019] 所述信标模块与超声波接收阵列理论中心的右旋角由如下公式获得，
式中，媒:为