一种基于旋转机构的室内定位装置及方法与流程

本发明涉及无线通信领域，具体是一种基于旋转机构的室内定位装置及方法。

背景技术：

随着无线通信技术的不断发展与应用，基于位置的服务需求越来越多，位置信息感知技术得到了广泛关注。目前全球定位系统(gps)较好的解决了在室外定位的相关问题，并得到了广泛应用。但gps定位信号较难穿透建筑材料，使得gps在室内环境中定位精度较低，无法满足室内位置服务的要求。

室内定位是指在室内环境中，利用无线通信技术，通过位置已知的无线节点对待定位节点进行定位的过程。目前，常用的室内定位主要有红外、蓝牙、rfid及zigbee等技术。这些定位技术主要依据接收信号强度、信号到达时间(toa)、信号到达时间差(tdoa)和信号到达角(aoa)等。由于基于信号强度的定位方法可以直接测量信号强度得到节点间的距离，不需要外加设备，操作简单，但室内环境复杂，接收信号强度受多径干扰较大，这严重制约着基于信号强度的定位方法的应用。toa和tdoa两种方法都需要外加高精度设备才能保证定位精度，应用成本较大。aoa方法依赖于具有天线阵列的智能天线，这种天线能够测量信号到达的角度，该方法定位精度较高，但复杂的天线阵列开销较大。

因此，在降低室内定位技术的应用成本的同时保证定位精度是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于旋转机构的室内定位装置，其特征在于，主要包括：无线通信模块、n路定向天线、n路开关、旋转机构、电源和待定位节点。

所述无线通信模块产生无线通信信号。所述无线通信模块通过所述n路定向天线与所述待定位节点进行通信。

所述无线通信模块产生n路开关选通控制信号。所述无线通信模块通过所述n路开关选通控制信号控制所述n路开关的导通与关断。

所述无线通信模块产生旋转控制信号。所述无线通信模块通过所述旋转控制信号控制所述旋转机构转动。

所述n路定向天线整体架设在所述旋转机构上。

进一步，所述n≥1。

所述n路定向天线相互独立。所述n路定向天线分别向不同方向辐射信号。

所述n路定向天线在任意时刻有且仅有一路天线工作。

所述n路开关的通断控制所述n路定向天线的工作状态。

所述n路开关接收n路开关选通控制信号。所述n路开关根据n路开关选通控制信号导通指定的电路。

所述旋转机构接收旋转控制信号。所述旋转机构转动所述旋转控制信号指定的角度。

所述旋转机构带动所述n路定向天线旋转。

所述电源为所述无线通信模块、所述旋转机构和所述n路开关供电。

所述待定位节点接收所述无线通信信号。

进一步，所述待定位节点位于室内。

一种使用基于旋转机构的室内定位装置的方法，主要包括以下步骤：

1)在室内设定m个位置。在设定的m个位置上放置基于旋转机构的室内定位装置。

进一步，所述m≥2。

2)设定地面上方，与地面平行且距离地面高度h米的平面p为定位计算平面。

将基于旋转机构的室内定位装置设为锚节点，并将锚节点向平面p进行垂直投影得到的投影点设为锚投影点。

将空间中的m个锚节点向平面p进行垂直投影，在平面p得到m个锚投影点，设定其中一个锚节点1的锚投影点1为坐标原点。将除锚节点1外的任意锚节点2在平面p的锚投影点设为锚投影点2，其中锚节点1与锚节点2的连线不与平面p垂直。将同时通过锚投影点1与锚投影点2的直线设为坐标系的横轴x。将p平面中，通过坐标原点且与所述的横轴x垂直的直线设为坐标系的纵轴y。

设定待定位节点向平面p垂直投影的投影点为待定位投影点。

设定所述待定位投影点与每一个锚投影点的连线为li。li和所述横轴x的夹角为定位角δi。

i为任意锚投影点。i≤m。

经过所述锚节点且与锚节点辐射信号方向相同的直线向平面p进行垂直投影得到投影直线，将所述投影直线与坐标系横轴x的夹角设定为信号辐射投影方向角。

3)每一个锚节点的所述无线通信模块发出n路开关选通控制信号。所述n路开关选通控制信号控制所述n路开关顺序导通所述n路定向天线。

4)所述n路定向天线导通后立即向所述待定位节点发送带有当前锚节点信号辐射投影方向角信息的数据包。

5)锚节点的n路天线均导通过一次后，所述锚节点通过旋转控制信号控制所述旋转机构转动θ(0＜θ≤360/n)角度。

6)所述待定位节点接收各锚节点发送的数据包。所述待定位节点保存数据包中的角度值和接收信号强度值。

7)重复步骤3至步骤6，当锚节点的所述旋转机构(4)转动角度的累计总和与n的乘积，达到或者超过定位扫描角时，所述锚节点完成一次定位扫描；

8)当所述锚节点完成一次定位扫描后，清零所述旋转机构(4)的转动角度，根据所述待定位节点保存的接收信号强度值，找出最大接收信号强度值对应的数据包a。取出所述数据包a中的角度值。对所有角度取平均值，即得到所述定位角δi。

9)当获取到m个锚节点的定位夹角δi后，根据定位夹角δ1和δ2，测量得到锚投影点1和锚投影点2之间的距离l。利用公式(1)得到锚投影点1和所述待定位投影点之间的距离l1。公式(1)表示如下：

式中，l为锚投影点1和锚投影点2之间的距离。δ1为锚投影点1对应的定位夹角。δ2为锚投影点2对应的定位夹角。sinδ1为定位夹角δ1的正弦值。sinδ2为定位夹角δ2的正弦值。

根据公式(1)可以得到所述待定位投影点在所述定位计算平面p中的坐标(x,y)。横坐标如公式(2)所示。纵坐标如公式(3)所示。

式中，l为锚投影点1和锚投影点2之间的距离。sinδ2为定位夹角δ2的正弦值。cosδ1为定位夹角δ1的余弦值。sin(δ1+δ2)为定位夹角δ1加上定位夹角δ2后的正弦值。

式中，l为锚投影点1和锚投影点2之间的距离。sinδ2为定位夹角δ2的正弦值。sinδ1为定位夹角δ1的正弦值。sin(δ1+δ2)为定位夹角δ1加上定位夹角δ2后的正弦值。

获得除锚投影点1和锚投影点2以外的锚投影点定位信息。通过获得的定位信息修正定位结果。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。当所有锚节点完成定位扫描后，通过分析待定位节点接收到的信号强度值，可以得出锚投影点和待定位投影点连线li与定位坐标横轴x的夹角，进而利用定位夹角与锚投影点间已知的距离信息确定待定位节点在定位计算平面中的位置。

该方法利用定向天线信号传输具有强方向性的特点测量定位夹角，极大限度避免了无线信号传播中多径干扰、墙壁等因素对最终定位结果的影响，保证了该定位系统较高的定位精度。同时，该定位装置结构简单，各功能部件成本较低，方便使用，降低了定位功能的应用成本。

附图说明

图1为装置模块图。

图2为定位方法示意图。

图中：无线通信模块、n路定向天线、n路开关、旋转机构、电源和待定位节点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参加图1，一种基于旋转机构的室内定位装置，其特征在于，主要包括：包括无线通信模块1、n路定向天线2、n路开关3、旋转机构4、电源5和待定位节点6。

所述无线通信模块1产生无线通信信号。所述无线通信模块1通过所述n路定向天线2与所述待定位节点6进行通信。

所述无线通信模块1产生n路开关选通控制信号。所述无线通信模块1通过所述n路开关选通控制信号控制所述n路开关3的导通与关断。

所述无线通信模块1产生旋转控制信号。所述无线通信模块1通过所述旋转控制信号控制所述旋转机构4转动。

进一步，无线通信模块1具有成本廉价、建设工程周期短、适应性好、扩展性好等优点。

无线通信模块1支持数据透明传输和域名解析功能，能支持各家组态软件和用户自行开发软件系统。

所述n路定向天线2整体架设在所述旋转机构4上。

进一步，所述n≥1。所述n路定向天线2是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。采用所述n路定向天线2的目的是增加辐射功率的有效利用率，增加保密性，以及增强信号强度增加抗干扰能力。

另外，n路定向天线2可以改善微蜂窝覆盖范围内某些建筑物的室内覆盖。

所述n路定向天线2相互独立。所述n路定向天线2分别向不同方向辐射信号。

所述n路定向天线2在任意时刻有且仅有一路天线工作。

优选的，所述n路定向天线2在任意时刻只有一路天线工作，可以避免多路定向天线的相互干扰，也方便所述待定位节点6接收和保存相应的数据包，避免出现数据交叉，可以提高对所述待定位节点6定位的准确性。

所述n路开关3的通断控制所述n路定向天线2的工作状态。

所述n路开关3接收n路开关选通控制信号。所述n路开关3根据n路开关选通控制信号导通指定的电路。

进一步，所述n路开关3又称多路选择器或数据选择器。在多路数据传送过程中，所述n路开关3是能够根据需要选择其中任意一路的电路。

所述旋转机构4接收旋转控制信号。所述旋转机构4转动所述旋转控制信号指定的角度。

所述旋转机构4带动所述n路定向天线2旋转。

所述电源5为所述无线通信模块1、所述旋转机构4和所述n路开关3供电。

所述待定位节点6接收所述无线通信信号。

进一步，所述待定位节点6位于室内。

实施例2：

一种采用1至3项权利要求中任一项所述装置实现基于旋转机构的室内定位的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

1)在室内设定m个位置。在设定的m个位置上放置基于旋转机构的室内定位装置。

进一步，所述m≥2。

优选的，可以根据室内面积大小、空间利用率、墙体材料等决定m的数值。在选定m个位置时，尽可能的均匀分布在整个室内，从而得到更加全面的定位信息，提高对所述待定位节点6定位的准确性。

2)设定地面上方，与地面平行且距离地面高度h米的平面p为定位计算平面。

将基于旋转机构的室内定位装置设为锚节点，并将锚节点向平面p进行垂直投影得到的投影点设为锚投影点。

进一步，所述锚节点是指位置已知的节点。

将空间中的m个锚节点向平面p进行垂直投影，在平面p得到m个锚投影点，设定其中一个锚节点1的锚投影点1为坐标原点。将除锚节点1外的任意锚节点2在平面p的锚投影点设为锚投影点2，其中锚节点1与锚节点2的连线不与平面p垂直。将同时通过锚投影点1与锚投影点2的直线设为坐标系的横轴x。将p平面中，通过坐标原点且与所述的横轴x垂直的直线设为坐标系的纵轴y。

优选的，选定坐标原点时，可以根据m个装置的空间分布情况进行选择。

设定待定位节点向平面p垂直投影的投影点为待定位投影点。

设定所述待定位投影点与每一个锚投影点的连线为li。li和所述横轴x的夹角为定位角δi。

i为任意锚投影点。i≤m。

经过所述锚节点且与锚节点辐射信号方向相同的直线向平面p进行垂直投影得到投影直线，将所述投影直线与坐标系横轴x的夹角设定为信号辐射投影方向角。

3)接通电源后，每一个锚节点的所述无线通信模块1发出n路开关选通控制信号。所述n路开关选通控制信号控制所述n路开关3顺序导通所述n路定向天线2。

4)所述n路定向天线导通后立即向所述待定位节点发送带有当前锚节点信号辐射投影方向角信息的数据包。

进一步，所述数据包中主要包括当前锚节点信号辐射投影方向角信息和待定位节点接收信息时的信号强度值。

5)锚节点的n路天线均导通过一次后，所述锚节点通过旋转控制信号控制所述旋转机构4转动θ(0＜θ≤360/n)角度。

6)所述待定位节点6接收各锚节点发送的数据包。所述待定位节点6保存数据包中的角度值和接收信号强度值。

7)重复步骤3至步骤6，当锚节点的所述旋转机构(4)转动角度的累计总和与n的乘积，达到或者超过定位扫描角时，所述锚节点完成一次定位扫描；

8)当所述锚节点完成一次定位扫描后，清除所述旋转机构(4)的转动角度，根据所述待定位节点保存的接收信号强度值，找出最大接收信号强度值对应的数据包a。取出所述数据包a中的角度值。对所有角度取平均值，即得到所述定位角δi。

9)当获取到m个锚节点的定位夹角δi后，根据定位夹角δ1和δ2，测量得到锚投影点1和锚投影点2之间的距离l。利用公式(1)得到锚投影点1和所述待定位投影点之间的距离l1。公式(1)表示如下：

式中，l为锚投影点1和锚投影点2之间的距离。δ1为锚投影点1对应的定位夹角。δ2为锚投影点2对应的定位夹角。sinδ1为定位夹角δ1的正弦值。sinδ2为定位夹角δ2的正弦值。

根据公式(1)可以得到所述待定位投影点在所述定位计算平面p中的坐标(x,y)。横坐标如公式(2)所示。纵坐标如公式(3)所示。

式中，l为锚投影点1和锚投影点2之间的距离。sinδ2为定位夹角δ2的正弦值。cosδ1为定位夹角δ1的余弦值。sin(δ1+δ2)为定位夹角δ1加上定位夹角δ2后的正弦值。

式中，l为锚投影点1和锚投影点2之间的距离。sinδ2为定位夹角δ2的正弦值。sinδ1为定位夹角δ1的正弦值。sin(δ1+δ2)为定位夹角δ1加上定位夹角δ2后的正弦值。

获得除锚投影点1和锚投影点2以外的锚投影点定位信息。通过获得的定位信息修正定位结果。