专利名称：一种基于超声波的室内三维定位系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于超声波的室内三维定位系统及方法，属于定位导航技术领域。
背景技术：
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。传统的定位方法存在的主要问题是单独的射频定位精度不高；单独的超声波定位覆盖范围小。基于上述原因，本发明提出一种基于超声波的室内三维定位系统和方法，能对室内多目标进行高精度定位。本系统结合射频通信低成本、低功耗的特点和超声波定位精度高的特点，具有定位快速、保密性好和定位精度高等优点。使多目标同时定位或导航的应用成为可能，特别适用于多目标的室内协同工作。
发明内容
为了在室内环境中，同时对多个目标进行高精度三维定位，本发明提供一种基于超声波的室内三维定位系统及方法。一种基于超声波的室内三维定位系统及方法，其特征在于，该系统所需设备和工作步骤如下所需设备如图1所示，系统包括由N个信标组成的信标组1、中心站2和目标节点3。其中，信标组1中的每个信标由射频芯片、单片机和超声波发射器组成；中心站2由射频芯片、单片机和温度传感器组成；目标节点3由射频芯片、TMS320F2812处理器、超声波接收器组成。工作步骤步骤1 测距阶段，采用TDOA算法，即Time Difference Of Arrival算法来计算目标节点3与信标组1中的信标之间的距离，此阶段包括下列步骤步骤1. 1 中心站2通过自身的射频芯片周期性地发射射频信号，该射频信号包含信标组1中的各个信标的编号、对应的空间坐标、当前的室温值。步骤1. 2 信标组1中的每个信标通过自身的射频芯片接收到中心站2发来的射频信号时，启动超声波电路发射已编址的超声波脉冲。步骤1. 3 目标节点3通过自身的射频芯片接收到中心站2发来的射频信号时，目标节点3的TMS320F2812处理器启动定时器，记录初始时刻Ttl，并将中心站2发来的射频信号存到TMS320F2812处理器的存储器里。
步骤1. 4 目标节点3通过自身的超声波接收器接收到信标组1中的第i个信标发射的超声波脉冲时，目标节点3的TMS320F2812处理器启动定时器，记录此时刻为Ti，射频信号的传播速度为C1 = 3X 108m/s，超声波脉冲在常温下的传播速度为c2 = 340m/s。由于C1近似于光速，因此信标组1中的每个信标接收到中心站2发来的射频信号的时刻与目标节点3接收到中心站2发来的射频信号的时刻相同，所以Ti-Ttl即为信标组1中的第i个信标发射的超声波脉冲到达目标节点3的时间。由此得到目标节点3与信标组1中的第i 个信标之间的距离Cli为Cli = (Ti-T0) Xc20步骤2 定位阶段，采用三边定位算法计算目标节点3的空间坐标，具体步骤如下待定位的目标节点3的TMS320F2812处理器判断是否已计算出目标节点3到信标组1中的三个或三个以上不同信标的距离，如果不成功，则放弃本次计算，返回步骤1 ；成功时，根据三边定位方法计算待定位的目标节点3的空间坐标。具体方法为首先建立空间坐标系，选定三个信标，分别记为第一信标、第二信标、第三信标，其中第一信标定为整个空间坐标系的原点，第一信标指向第二信标的方向为X轴正向，第一信标指向第三信标的方向为Y轴正向，第一信标、第二信标、第三信标的空间坐标分别为(0，0，0)、(x，0，0)、(0，y，0)， 其中X，y已知。记待定位的目标节点3为点M，其空间坐标为(X，Y，Z)，点M与第一信标、 第二信标、第三信标的距离分别为C^dyd3，则
'X2 +Y2 +Z2 ^d2l
(X-χγ +Y2 +Z2
2
X2 +(Y-yf +Z2 ^d] 得到目标节点3的空间坐标为
■w^· χ H- d^ d ι
Ji =-
Y =
2x
y2 + d2x-dl
2少
Z = ^d2x-X2-Y2步骤3 修正阶段，对求得的目标节点3的空间坐标(X，Y，Z)采用温度补偿法提高精度。在不同温度下，超声波脉冲传播速度不同，温度补偿法根据这个特点，利用中心站2 的温度传感器对室内环境温度进行实时检测，并将检测数据传送给目标节点3，利用经过多次重复实验得到的室内环境温度和超声波脉冲的传播速度之间的关系，得出当前室温下的超声波脉冲的传播速度，用以修改C2的值，进而得到更高精度的目标节点3的空间坐标。有益效果本发明提出一种基于超声波的室内三维定位系统及方法，该系统是一套无线传感器网络系统，结合射频技术和超声波技术，采用TDOA算法和三边定位算法来精确定位。与现有技术相比，本发明的优点在于提供一种室内定位精度高的定位系统和方法，能达到厘米级的定位精度，同时采用被动式的定位方式，系统能实现多个目标节点的实时定位，使多目标同时定位或导航的应用成为可能，本系统还具有保密性好、低成本、低功耗的优点。
图1是一种基于超声波的室内三维定位系统及方法所需设备构成图。此图也是说明书摘要附图。其中ι为信标组，2为中心站，3为目标节点。图2为三边定位算法的工作原理图。图3为系统的工作流程图。
具体实施例方式一种基于超声波的室内三维定位系统及方法，该系统所需设备和工作步骤如下所需设备如图1所示，系统包括由N个信标组成的信标组1、中心站2和目标节点3。其中，信标组1中的每个信标由射频芯片、单片机和超声波发射器组成；中心站2由射频芯片、单片机和温度传感器组成；目标节点3由射频芯片、TMS320F2812处理器、超声波接收器组成。工作步骤步骤1 测距阶段，采用TDOA算法，即Time Difference Of Arrival算法来计算目标节点3与信标组1中的信标之间的距离，此阶段包括下列步骤步骤1. 1 中心站2通过自身的射频芯片周期性地发射射频信号，该射频信号包含信标组1中的各个信标的编号、对应的空间坐标、当前的室温值。步骤1. 2 信标组1中的每个信标通过自身的射频芯片接收到中心站2发来的射频信号时，启动超声波电路发射已编址的超声波脉冲。步骤1. 3 目标节点3通过自身的射频芯片接收到中心站2发来的射频信号时，目标节点3的TMS320F2812处理器启动定时器，记录初始时刻Ttl，并将中心站2发来的射频信号存到TMS320F2812处理器的存储器里。步骤1. 4 目标节点3通过自身的超声波接收器接收到信标组1中的第i个信标发射的超声波脉冲时，目标节点3的TMS320F2812处理器启动定时器，记录此时刻为Ti，射频信号的传播速度为C1 = 3X 108m/s，超声波脉冲在常温下的传播速度为c2 = 340m/s。由于C1近似于光速，因此信标组1中的每个信标接收到中心站2发来的射频信号的时刻与目标节点3接收到中心站2发来的射频信号的时刻相同，所以Ti-Ttl即为信标组1中的第i个信标发射的超声波脉冲到达目标节点3的时间。由此得到目标节点3与信标组1中的第i 个信标之间的距离Cli为Cli = (Ti-T0) Xc20步骤2 定位阶段，采用三边定位算法计算目标节点3的空间坐标，具体步骤如下待定位的目标节点3的TMS320F2812处理器判断是否已计算出目标节点3到信标组1中的三个或三个以上不同信标的距离，如果不成功，则放弃本次计算，返回步骤1 ；成功时，根据三边定位方法计算待定位的目标节点3的空间坐标。具体方法为首先建立空间坐标系，选定三个信标，分别记为第一信标、第二信标、第三信标，其中第一信标定为整个空间坐标系的原点，第一信标指向第二信标的方向为X轴正向，第一信标指向第三信标的方向为Y轴正向，第一信标、第二信标、第三信标的空间坐标分别为(0，0，0)、(x，0，0)、(0，y，0)， 其中X，y已知。记待定位的目标节点3为点M，其空间坐标为(X，Y，Z)，点M与第一信标、 第二信标、第三信标的距离分别为C^dyd3，则
权利要求
1. 一种基于超声波的室内三维定位系统及方法，其特征在于，该系统所需设备和工作步骤如下所需设备系统包括由N个信标组成的信标组(1)、中心站( 和目标节点(3)；其中， 信标组(1)中的每个信标由射频芯片、单片机和超声波发射器组成；中心站O)由射频芯片、单片机和温度传感器组成；目标节点(3)由射频芯片、TMS320F2812处理器、超声波接收器组成；工作步骤步骤1 测距阶段，采用TDOA算法，即Time Difference Of Arrival算法来计算目标节点( 与信标组(1)中的信标之间的距离，此阶段包括下列步骤步骤1. 1 中心站( 通过自身的射频芯片周期性地发射射频信号，该射频信号包含信标组(1)中的各个信标的编号、对应的空间坐标、当前的室温值；步骤1. 2 信标组(1)中的每个信标通过自身的射频芯片接收到中心站( 发来的射频信号时，启动超声波电路发射已编址的超声波脉冲；步骤1. 3 目标节点(3)通过自身的射频芯片接收到中心站(2)发来的射频信号时，目标节点(3)的TMS320F2812处理器启动定时器，记录初始时刻T。，并将中心站(2)发来的射频信号存到TMS320F2812处理器的存储器里；步骤1. 4 目标节点( 通过自身的超声波接收器接收到信标组(1)中的第i个信标发射的超声波脉冲时，目标节点(3)的TMS320F2812处理器启动定时器，记录此时刻为Ti, 射频信号的传播速度为C1 = 3X108m/s，超声波脉冲在常温下的传播速度为c2 = 340m/s ； 由于C1近似于光速，因信标组(1)中的每个信标接收到中心站( 发来的射频信号的时刻与目标节点(3)接收到中心站(2)发来的射频信号的时刻相同，所以Ti-Ttl即为信标组(1) 中的第i个信标发射的超声波脉冲到达目标节点(3)的时间；由此得到目标节点(3)与信标组(1)中的第i个信标之间的距离Cli为Cli = (Ti-T0) Xc2 ；步骤2:定位阶段，采用三边定位算法计算目标节点( 的空间坐标，具体步骤如下 待定位的目标节点(3)的TMS320F2812处理器判断是否已计算出目标节点(3)到信标组(1)中的三个或三个以上不同信标的距离，如果不成功，则放弃本次计算，返回步骤1 ；成功时，根据三边定位方法计算待定位的目标节点(3)的空间坐标；具体方法为首先建立空间坐标系，选定三个信标，分别记为第一信标、第二信标、第三信标，其中第一信标定为整个空间坐标系的原点，第一信标指向第二信标的方向为X轴正向，第一信标指向第三信标的方向为Y轴正向，第一信标、第二信标、第三信标的空间坐标分别为(0,0,0), (χ, 0,0), (0， y，0)，其中x，y已知；记待定位的目标节点⑶为点M，其空间坐标为(X，Y，Z)，点M与第一信标、第二信标、第三信标的距离分别为C^dyd3，则
全文摘要
本发明提供一种基于超声波的室内三维定位系统及方法，属于定位导航技术领域。此系统是一套无线传感器网络系统，结合射频技术和超声波技术，采用TDOA算法和三边定位算法来精确定位。系统能达到厘米级的定位精度，同时采用被动式的定位方式，能实现多个目标节点的实时定位，使多目标同时定位或导航的应用成为可能。系统还具有保密性好、低成本、低功耗的优点。
文档编号G01S5/30GK102253367SQ201110080920
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者刘丹, 刘智, 杨阳, 王英志, 肖金红, 赵义武 申请人:长春理工大学