基于测距的无锚节点式定位方法、系统和设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于测距的无锚节点式定位方法、系统和设备，能够在无锚节点的情况下，实现对目标物体的快速、准确定位。该方法在定位设备上安装信号屏蔽结构，该信号屏蔽结构能够约束入射信号的方向，使得仅有一个方向上的入射信号强度最大；获取距离信息时，定位设备和辅助定位设备采用无线测距方案实现；获取方向信息时，令定位目标发送射频信号；定位设备进行空间移动，捕获所述射频信号并实时获取射频信号强度，当射频信号强度达到最大时，定位设备中信号屏蔽结构所约束的入射信号方向即为定位目标方向。
【专利说明】基于测距的无锚节点式定位方法、系统和设备
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电子通讯技术和无线自组网【技术领域】，尤其涉及具有测距和测方向功能的无锚节点式定位方法、系统和设备。
【背景技术】
[0002]位置信息对于监测活动至关重要，如儿童监护、矿井人员定位、老年人看护、家畜管理等应用领域。其中位置信息包括距离和方向。
[0003]目前的目标物体定位方法一般需要位置已知的节点(锚节点)和网络系统的配合，按照是否基于测距进行分类，则包括基于距离的定位方案和距离无关的定位方案。
[0004]基于距离的定位方案是通过测量相邻节点间的实际距离或者方位进行定位。具体过程分为三个阶段:第一阶段是测距阶段，未知节点首先测量到邻近节点的距离或者角度，然后进一步计算到邻近信标节点的距离或者方位；第二阶段是定位阶段，未知节点在计算出到达三个或者三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或者极大似然估计法测量位置节点的坐标；第三阶段是修正阶段，对求得的节点的坐标进行求精，提高定位精度，减少误差。在基于距离的定位中，测量节点间的距离和方位时采用的方法有基于到达时间(TOA)、基于到达时间差(TDOA)、基于接收信号强度指示(RSSI)、基于到达角度(AOA)等，因此距离的定位可分为:基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等。基于距离的定位能够实现精确定位，但往往对无线传感器节点的硬件要求高。
[0005]距离无关的定位方案无需测量节点间的绝对距离或方位，其利用节点的网络拓扑，节点之间的连通性，来实现节点的定位，其降低了节点硬件的要求，但是定位的误差也相应增加。
[0006]可见，无论是基于距离的定位方案还是距离无关的定位方案，都是基于多节点参与的网络化部署实现的。但是在很多种实际应用场景下，节点部署稀疏，或者是没有位置已知的节点存在，则无法实现定位。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提供了一种基于测距的无锚节点式定位方法、系统和设备，能够在无锚节点的情况下，获取目标相对定位设备的距离和方向，实现对目标物体的快速、准确定位。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的:
[0009]所述一种无锚节点式定位方法具体为:在定位设备上安装信号屏蔽结构，该信号屏蔽结构能够约束入射信号的方向，使得仅有一个方向上的入射信号强度最大；
[0010]获取距离信息时，定位设备和辅助定位设备采用无线测距方案实现；
[0011]获取方向信息时，令定位目标发送射频信号；定位设备进行空间移动，捕获所述射频信号并实时获取射频信号强度，当射频信号强度达到最大时，定位设备中信号屏蔽结构所约束的入射信号方向即为定位目标方向。
[0012]优选地，所述信号屏蔽结构为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体；接收所述射频信号的无线接收模块布置于所述腔体内部；当射频信号强度达到最大时，所述信号屏蔽结构的敞口方向正对定位目标。
[0013]优选地，所述无线测距方案采用红外测距方案、超声波测距方案、射频信号测距方案、近场电磁信号测距方案。
[0014]优选地，所述射频信号测距方案包括基于接收信号强度RSSI的测距方案、基于信号传播时间TOA的测距方案、基于时间差TDOA的测距方案、基于往返时间RTOF的测距方案、基于接收信号相位差rooA的测距方案。
[0015]其中，所述射频信号测距方案采用的信号可以为Zigbee信号、W1-Fi信号、有源RFID信号、超宽带UWB信号和线性调频扩频CSS信号中的一种或几种。
[0016]本发明提供的无锚节点式定位系统，包括定位设备和辅助定位设备；
[0017]所述定位设备中设有信号屏蔽结构，该信号屏蔽结构为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体；所述定位设备还包括处理模块、第一无线测距模块和无线接收模块；无线接收模块设置于所述腔体内部；
[0018]所述辅助定位设备中包括无线发送模块和第二无线测距模块；
[0019]所述第一无线测距模块和所述第二测距模块配合完成测距，从而获得定位信息中的距离信息；
[0020]所述无线发送模块发送射频信号；所述无线接收模块捕获所述射频信号并实时获取射频信号强度；
[0021]所述处理模块将所述无线接收模块获取的射频信号强度进行显示，用于指示是否获得定位信息中的方向信息；当射频信号强度达到最大时，定位设备中信号屏蔽结构的敞口方向正对定位目标。
[0022]优选地，所述定位设备包括外壳和电路板，信号屏蔽结构的敞口设置于外壳的一个端面上；所述处理模块、第一无线测距模块和无线接收模块设置在该电路板上；电路板一端穿入信号屏蔽结构的腔体内部，第一无线测距模块和无线接收模块布置于电路板位于腔体内部的部分上。
[0023]当测距也采用射频信号时，优选地，所述无线接收模块采用所述第一无线测距模块的射频信号接收功能实现，所述无线发送模块采用所述第二无线测距模块的射频信号发送功能实现。
[0024]其中，所述信号屏蔽结构采用能够吸收或反射所述射频信号的材料制成，或者在信号屏蔽结构的腔内壁涂覆能够吸收或反射所述射频信号的涂层实现。
[0025]本发明提供的无锚节点式定位设备，包括信号屏蔽结构、处理模块、第一无线测距模块和无线接收模块；
[0026]所述信号屏蔽结构为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体；所述无线接收模块设置于所述腔体内部；
[0027]所述第一无线测距模块与定位目标上携带的测距模块配合完成测距，从而获得定位信息中的距离信息；
[0028]所述无线接收模块捕获定位目标发送的射频信号，并获取射频信号强度；
[0029]所述处理模块将所述无线接收模块获取的射频信号强度进行显示，用于指示是否获得定位信息中的方向信息；当射频信号强度达到最大时，所述信号屏蔽结构的敞口方向正对定位目标。
[0030]有益效果:
[0031](I)本发明采用了信号屏蔽结构，令信号强度与方向相关联，通过转动定位设备可以引起接收信号的强度变化，当信号最强时，定位目标正对定位设备的信号发射窗口。因此不需要锚节点，就能够实现定位和跟踪。而且实现简单，定位结果可靠、定位速度快。
[0032](2)信号屏蔽结构可以为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体，该种信号屏蔽结构的实现方式十分简单，而且有效，能够达到定位的要求。
[0033](3)设计电路板一端部穿入信号屏蔽结构的腔体内部，将第一无线测距模块和无线接收模块一起布置于电路板位于腔体内部的部分上，这种设计方案巧妙的安排了电路板与信号屏蔽结构的位置关系，最大限度的减小定位设备的体积，便于手持。
[0034](4)本发明的测距方案灵活，当测距和测向采用相同信号类型时，测距模块和无线模块可以合并为一个模块实现，从而减小了设备体积，有利于定位设备和辅助设备的小型化。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1为基于测距的无锚节点式定位系统的示意图。
[0036]图2为基于测距的无锚节点式定位设备的原理图。
[0037]图3为基于测距的无锚节点式定位设备的组成结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]本发明提供了一种无锚节点式定位方案，所述定位包括测距和测向两个方面，测距就是定位设备和定位目标的距离测试，测向就是确定目标物体相对于定位设备的方向。本方案的基本思想是:在定位设备上设计信号屏蔽结构，该信号屏蔽结构能够约束入射信号的方向，使得仅有一个方向上的入射信号强度最大。令定位目标发送用于测向的射频信号，通过定位设备在空间移动探测，可以通过判断接收射频信号的强度是否为最大，来确定定位目标的方向，从而获得了定位信息的方向分量，当射频信号强度达到最大时，定位设备中信号屏蔽结构所约束的入射信号方向即为定位目标方向。而定位信息的距离分量可以通过现有的无线测距方案实现。
[0039]可见，本发明采用了信号屏蔽结构，令信号强度与方向相关联，通过转动定位设备可以引起接收信号的强度变化，当信号最强时，定位目标正对定位设备的信号发射窗口。因此不需要锚节点，就能够实现定位和跟踪。而且实现简单，定位结果可靠、定位速度快。
[0040]在实现时，信号屏蔽结构可以为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体；接收射频信号的无线接收模块布置于所述腔体内部；当射频信号强度达到最大时，所述信号屏蔽结构的敞口方向正对定位目标。该种信号屏蔽结构的实现方式十分简单，而且有效，能够达到定位的要求。
[0041]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0042]为了实现上述方案，本发明提供了一种无锚节点式定位的系统，如图1所示，该系统包括定位设备22和辅助定位设备21。定位设备22可以设计为手持设备，用于确定定位目标相对于自身的距离和方向；辅助定位设备22携带于定位目标，用于协助定位设备实现定位。
[0043]图2为定位设备的结构原理图。如图2所示，定位设备包括信号屏蔽结构、处理模块、第一无线测距模块和无线接收模块。
[0044]信号屏蔽结构为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体，无线接收模块置于腔体内部。信号屏蔽结构采用能够吸收或反射所述无线信号的材料制成，或者在信号屏蔽结构的腔内壁涂覆能够吸收或反射所述无线信号的涂层实现。
[0045]第一无线测距模块与定位目标上的相应测距模块配合进行测距，第一无线测距模块位于信号屏蔽结构内部或外部，但如果测距方案所采用的信号的强度会受到信号屏蔽结构的影响，则也需要将第一无线测距模块布置在信号屏蔽结构的腔体内部。
[0046]无线接收模块捕获所述射频信号并实时获取射频信号强度。目前，无线接收模块普遍集成无线信号接收强度指示功能，其参数信息基本反映来自通讯对方无线信号强度的数字量化。
[0047]处理模块用于将所述无线接收模块获取的射频信号强度进行显示，用于指示是否获得定位信息中的方向信息。处理模块还将第一无线测距模块获取的测距结果进行显示。
[0048]当定位设备的无线接收模块正对定位目标时，定位设备无线信号接收性能最佳，这时无线信号接收强度最强。当定位设备的无线接收模块偏离定位目标时，定位设备无线信号接收性能减弱，这可由无线信号接收强度减弱体现出来。通过设计本信号屏蔽装置，并移动定位设备，观察定位设备的无线信号接收强度变化，可以获取目标物体相对于定位设备的方向。
[0049]优选地，信号屏蔽结构的腔体结构可以为漏斗形，也可以为类似漏斗形的多面体，还可以为具有底面的腔体结构，都能够实现本发明目的。如图3就示出了一种左右两个斜侧面和上下两个平面构成的类似三角形的腔体结构。处理模块、第一无线测距模块和无线接收模块布置在电路板12上，电路板12设置于外壳11内。信号屏蔽结构的敞口设置于外壳11的一个端面上，电路板12—端部穿入信号屏蔽结构的腔体内部，第一无线测距模块和无线接收模块一起布置于电路板位于腔体内部的部分上。这种设计方案巧妙的安排了电路板与信号屏蔽结构的位置关系，最大限度的减小定位设备的体积，便于手持。
[0050]辅助定位设备中包括无线发送模块和第二无线测距模块。其中，无线发送模块发送射频信号，与定位设备中的无线接收模块配合完成测向；第一无线测距模块与定位设备中的第二测距模块配合完成测距，从而获得定位信息中的距离信息和方向信息。
[0051]本发明的测距方案比较灵活，可以采用基于射频信号的测距，也可以采用基于红夕卜、超声波的测距，还可以采用基于近场电磁信号NFER的测距。其中，基于射频信号的测距方案有采用单独射频信号实现的，也有采用射频信号+超声波实现的。而射频信号测距方案有具体包括:基于接收信号强度(RSSI)的测距方案、基于信号传播时间(TOA)的测距方案、基于时间差(TDOA)的测距方案、基于往返时间(RTOF)的测距方案、基于接收信号相位差(TOOA)的测距方案。射频信号测距方案采用的信号包括Zigbee信号、W1-Fi信号、有源RFID信号、超宽带UWB信号和线性调频扩频CSS信号。
[0052]其中，接收信号强度(RSSI)测距法，通过信号在传播中的衰减来估计设备之间的距离。但是信道由于受到多径衰减和非视距阻挡的影响，具有时变特性，严重偏离无线信道传输模型，这样根据接收到的信号强度估计距离有很大的误差。只有在空旷干扰较少的环境下，基于接收信号强度的测距在特定的距离范围内的才具有实用价值。而且，如果采用该方法，则必须要先进行方向定位，找到信号强度最大的方向，然后再确定距离，以保证定位精度。
[0053]信号传播时间/时间差/往返时间(T0A/TD0A/RT0F)测距法，分别通过测量两设备间无线信号传播的时间、不同类型的无线信号在同一对设备之间的传播时间差、设备间无线信号往返的时间来确定设备之间的距离。但是，基于信号传播时间/往返时间方法的测距精度由时间差的测量精度决定，时间差的精度由参考时钟决定。因此，高精度的距离测量需要高精度的参考时钟，或者是需要高精度的时钟同步。对于低成本、低带宽、无参考时钟的无线传感器网络节点来说，获得高精度的时钟本身就是一个挑战。如果采用通常的射频信号传播时间来测量距离需要高精度时钟，对于低成本的应用不是很可行方案；而使用譬如超声波等低速传播速率信号进行测距，对时钟精度要求较低，是比较切实可行的方案。
[0054]线性调频扩频(CSS)测距法运用窄脉冲进行精确的双向到达时间测算，可实现室内或室外环境1-3米的测距精度，对于一般的应用来说，完全可以满足需求。
[0055]其中，定位目标和定位设备之间的测距优先采用基于线性调频扩频(CSS)的信号传播时间(TOA)方法。其采用线性调频扩频CSS技术，并基于时间测量机制，在时间测量精度3-4ns的情况下，距离测量精度可达到1-1.2米，而在实际使用中，由于射频前端多路径干扰、时间偏差等原因影响，通过滤波处理，测距误差可控制在1-3米；在测量距离上，OdBm的发射功率最大传输距离可达到100m，且只要无线信号达到，就可利用信号测距。当在其射频前端采用功率放大器并选择合适的天线，室外2000-3000米的应用距离测量不会存在问题，同时其测距特性也不会因为增加功率放大器而有所变化。CSS技术在进行测距时，也可以进行无线信息的传输。
[0056]此外，超宽带(UWB)技术由于具有抗噪声和抗干扰能力强、多径分辨率高、穿透能力强、通信容量大、定位精度高等众多优点，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为未来无线定位技术中极具潜力的技术。在室内和室外大约有6厘米的定位精度,对于定位而言,其缺点就是其传输和定位距离一般在1m范围内。超宽带技术在进行无线信息传输的同时就完成了相关测距。
[0057]超声波技术具有技术较为简单、成本较低等优点，但是容易受到环境因素的影响。其在室内和室外大约有2-3厘米的定位精度，对于定位而言，其缺点就是其定位距离一般在1m范围内。超声波收发器之间不能进行信息的传输，只能进行测距，如要无线信号的传输,还需添加射频收发单元。
[0058]因此，当测距信号与测向信号相同，也为射频信号时，定位设备中的无线接收模块可以采用第一无线测距模块的射频信号接收功能实现，也就是说，采用一个第一无线测距模块就可以实现测距和用于测向的无线信号接收。同理，辅助定位设备中的无线发送模块也可以采用第二无线测距模块的射频信号发送功能实现，也就是说，采用一个第二无线测距模块就可以实现测距和用于测向的无线信号发送，从而减小了设备体积，有利于定位设备和辅助设备的小型化。
[0059]本发明方案可用于室内环境和室外环境的目标物体实时定位和跟踪。定位和跟踪距离可从几米至几千米。其具体应用根据定位距离远近可分为:
[0060]针对测距范围在10米以内场景可选用超声波、超宽带技术(UWB)以及线性调频扩频技术(CSS)等方案中的一种；由于基于超声波、超宽带(UWB)以及线性调频扩频(CSS)的测距技术是较为成熟方案，本专利就不详说。
[0061]针对测距范围在10米以上场景优选线性调频扩频技术(CSS)方案。
[0062]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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。
【权利要求】
1.一种无锚节点式定位方法，其特征在于，包括:在定位设备上安装信号屏蔽结构，该信号屏蔽结构能够约束入射信号的方向，使得仅有一个方向上的入射信号强度最大； 获取距离信息时，定位设备和辅助定位设备采用无线测距方案实现； 获取方向信息时，令定位目标发送射频信号；定位设备进行空间移动，捕获所述射频信号并实时获取射频信号强度，当射频信号强度达到最大时，定位设备中信号屏蔽结构所约束的入射信号方向即为定位目标方向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号屏蔽结构为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体；接收所述射频信号的无线接收模块布置于所述腔体内部；当射频信号强度达到最大时，所述信号屏蔽结构的敞口方向正对定位目标。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线测距方案采用红外测距方案、超声波测距方案、射频信号测距方案、近场电磁信号测距方案。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述射频信号测距方案包括基于接收信号强度RSSI的测距方案、基于信号传播时间TOA的测距方案、基于时间差TDOA的测距方案、基于往返时间RTOF的测距方案、基于接收信号相位差Η)0Α的测距方案。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述射频信号测距方案采用的信号为Zigbee信号、W1-Fi信号、有源RFID信号、超宽带UWB信号和线性调频扩频CSS信号中的一种或几种。
6.一种无锚节点式定位系统，其特征在于，包括定位设备和辅助定位设备； 所述定位设备中设有信号屏蔽结构，该信号屏蔽结构为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体；所述定位设备还包括处理模块、第一无线测距模块和无线接收模块；无线接收模块设置于所述腔体内部； 所述辅助定位设备中包括无线发送模块和第二无线测距模块； 所述第一无线测距模块和所述第二测距模块配合完成测距，从而获得定位信息中的距离信息； 所述无线发送模块发送射频信号；所述无线接收模块捕获所述射频信号并实时获取射频信号强度； 所述处理模块将所述无线接收模块获取的射频信号强度进行显示，用于指示是否获得定位信息中的方向信息；当射频信号强度达到最大时，定位设备中信号屏蔽结构的敞口方向正对定位目标。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述定位设备包括外壳(11)和电路板(12)，信号屏蔽结构的敞口设置于外壳(11)的一个端面上；所述处理模块、第一无线测距模块和无线接收模块设置在该电路板(12)上；电路板(12) —端穿入信号屏蔽结构的腔体内部，第一无线测距模块和无线接收模块布置于电路板位于腔体内部的部分上。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，当测距也采用射频信号时，所述无线接收模块采用所述第一无线测距模块的射频信号接收功能实现，所述无线发送模块采用所述第二无线测距模块的射频信号发送功能实现。
9.如权利要求6或7或8所述的系统，其特征在于，所述信号屏蔽结构采用能够吸收或反射所述射频信号的材料制成，或者在信号屏蔽结构的腔内壁涂覆能够吸收或反射所述射频信号的涂层实现。
10.一种无锚节点式定位设备，其特征在于，包括信号屏蔽结构、处理模块、第一无线测距模块和无线接收模块； 所述信号屏蔽结构为仅对一个方向敞口、对其他方向信号均屏蔽的腔体；所述无线接收模块设置于所述腔体内部； 所述第一无线测距模块与定位目标上携带的测距模块配合完成测距，从而获得定位信息中的距离信息； 所述无线接收模块捕获定位目标发送的射频信号，并获取射频信号强度； 所述处理模块将所述无线接收模块获取的射频信号强度进行显示，用于指示是否获得定位信息中的方向信息；当射频信号强度达到最大时，所述信号屏蔽结构的敞口方向正对定位目标。
【文档编号】G01S5/02GK104185273SQ201410425826
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】方震, 赵湛, 杜利东, 陈帝良, 徐志红, 王东辉 申请人:中国科学院电子学研究所