一种基于无线光频通信技术的实物保护高精度定位系统的制作方法

1.本发明涉及无线光频通信的技术领域，具体是指一种基于无线光频通信技术的实物保护高精度定位系统。


背景技术：

2.无线光频通信设备具有良好的电磁兼容性，不会对周围电磁设备正常运行造成干扰，设备内部进行电磁屏蔽设计，屏蔽外部电磁干扰；但是在强电磁干扰环境和电磁屏蔽环境可以实现通信，重要物资、核材料库、具有电磁引信的武器库等的设备防护、定位手段还不完善，小范围移动无法实时查找位置，无线光频高精度定位系统在实物保护方面可以提供完整的解决方案。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种针对电磁要求较严格的，被定位设备、物料安全等级较高的场所，被定位物料或设备出现位移后产生报警、服务器软件实时显示位置变化，对贵重物品的定位起到关键的作用的基于无线光频通信技术的实物保护高精度定位系统。
4.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于无线光频通信技术的实物保护高精度定位系统，包括定位系统接收机，用于完成空间定位信息获取，平面位置标定，为服务器系统管理软件直接提供定位数据；无线光频高精度定位发射器，用于内部存储物料基本信息，通过定位物料信息牌将定位数据发送到自由空间，供定位系统接收机识别、解码；服务器系统管理软件，用于接收来自定位系统接收机上传的平面位置坐标，软件展示界面进行位置查看、展示，所述定位系统接收机包括准直光学天线、窄带滤波器、定位处理器模块、二自由度云台、壳体及信号传输线缆，所述准直光学天线包括高通滤波透镜及光学导向管，所述窄带滤波器包括窄带滤光片及支架，所述壳体包括壳体上盖及壳体下盖，所述定位处理器模块设置在壳体上盖与壳体下盖之间，所述支架设置在定位处理器模块与壳体上盖之间，所述支架与二自由度云台固定连接并将定位处理器模块及壳体下盖固定在二自由度云台上，所述窄带滤光片设置在壳体上盖与支架之间，所述壳体上盖与壳体下盖卡接连接并将窄带滤光片卡紧在支架上，所述高通滤波透镜设置在光学导向管上，所述光学导向管设置在壳体上盖上；
5.所述无线光频高精度定位发射器包括螺丝、发射器上壳体、墨水屏幕、控制板、锂电池、发射器下壳体及螺帽，所述控制板设置在发射器上壳体及发射器下壳体之间，所述墨水屏幕设置在发射器上壳体与控制板之间，所述锂电池设置在控制板与发射器下壳体至今，所述发射器上壳体与发射器下壳体通过螺丝与螺帽配合固定。
6.进一步地，所述高通滤波透镜将可见光波段滤除，滤除定位背景噪声，降低进入光学导向管的初始能量；所述天线准直光学导向管使进入的空间光信号光路传输过程中无损耗照射到窄带滤波器；所述窄带滤光片使用高温粒子蒸镀工艺，通过高温粒子蒸镀介质膜，
基底选用k9玻璃，成品滤光片设计中心波长940nm，滤除高于940nm波长的部分光波，使接收机定位处理单元接到背景噪声较小的光信号。
7.进一步地，所述定位处理器模块包括前端接收模块无线光频采集单元和运动控制模块舵机控制单元，所述前端接收模块无线光频采集单元由光电接收单元、光信号检测、信号处理单元、mcu调制解调单元及通信接口组成，所述运动控制模块舵机控制单元由数据采集模块、数据处理模块、角度控制模块、服务器通讯模块及调试系统模块组成。
8.采用以上结构后，本发明具有如下优点：具有良好的电磁兼容性，适用于重要核物资、武器在位监测、保护；适用于电磁盲区和电磁敏感区物料定位；体积小，重量轻，较长工作时间，具有极强的抗干扰能力和无故障工作时间，可靠性高。
附图说明
9.图1是本发明窄带滤光片带宽图。
10.图2是本发明前端接收模块无线光频采集单元的原理框图。
11.图3是本发明电路管理pd供电图。
12.图4是本发明光电接收单元原理图。
13.图5是本发明无线光频高精度定位信号发射单元原理框图。
14.图6是本发明电源管理单元led供电图。
15.图7是本发明无线光频高精度定位发射器发射单元图。
16.图8是本发明led灯珠中心波长图。
17.图9是本发明无线光频高精度定位发射器原理框图。
18.图10是本发明运动控制模块舵机控制框图。
19.图11是本发明程序流程图。
20.图12是本发明定位系统接收机分解图。
21.图13是本发明无线光频高精度定位发射器结构图分解图。
22.如图所示：1、高通滤波透镜，2、光学导向管，3、壳体上盖，4、窄带滤光片，5、支架，6、定位处理器模块，7、壳体下盖，8、二自由度平台，9、信号传输线缆，10、螺丝， 11、发射器上壳体，12、墨水屏幕，13、控制板，14、锂电池，15、发射器下壳体，16、螺帽。
具体实施方式
23.在本发明的描述中，需要说明的是，在本文中术语“上”、“下”、“内”、“顶端”、“竖直”、“水平”、“两侧”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“放置”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以使固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，还可以是机械连接，又或者是通过中间媒介间接相连。对于本领域的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
26.如附图1-13所示，本发明在具体实施时，一种基于无线光频通信技术的实物保护
高精度定位系统，包括定位系统接收机，用于完成空间定位信息获取，平面位置标定，为服务器系统管理软件直接提供定位数据；无线光频高精度定位发射器，用于内部存储物料基本信息，通过定位物料信息牌将定位数据发送到自由空间，供定位系统接收机识别、解码；服务器系统管理软件，用于接收来自定位系统接收机上传的平面位置坐标，软件展示界面进行位置查看、展示，如附图12所示，所述定位系统接收机包括准直光学天线、窄带滤波器、定位处理器模块6、二自由度云台8、壳体及信号传输线缆9，所述准直光学天线包括高通滤波透镜1及光学导向管2，所述窄带滤波器包括窄带滤光片4及支架5，所述壳体包括壳体上盖 3及壳体下盖7，所述定位处理器模块6设置在壳体上盖3与壳体下盖7之间，所述支架5 设置在定位处理器模块6与壳体上盖3之间，所述支架5与二自由度云台8固定连接，并将定位处理器模块6及壳体下盖7固定在二自由度云台8上，所述窄带滤光片4设置在壳体上盖3与支架5之间，所述壳体上盖3与壳体下盖7卡接连接，并将窄带滤光片4卡紧在支架 5上，所述高通滤波透镜1设置在光学导向管2上，所述光学导向管2设置在壳体上盖3上；所述服务器系统管理软件用来实现物料入库统计、定位发射器分配、场景布防、场景撤防、出库、地图管理、物料分布查询功能，入库设备和物料进行在位监测，首次入库在系统中形成具体位置分布图，系统中完全识别到新入库物料，开始进入布防阶段，在地图上展示出物料所处的位置，布防阶段物料位置发生变化服务器系统管理软件进行报警，地图展示界面显示出移动位置，移动的距离。
27.如附图13所示，所述无线光频高精度定位发射器包括螺丝10、发射器上壳体11、墨水屏幕12、控制板13、锂电池14、发射器下壳体15及螺帽16，所述控制板13设置在发射器上壳体11及发射器下壳体15之间，所述墨水屏幕12设置在发射器上壳体11与控制板13 之间，所述锂电池14设置在控制板13与发射器下壳体15之间，所述发射器上壳体11与发射器下壳体15通过螺丝10与螺帽16配合固定，所述无线光频高精度定位发射器是一种定位系统信源端，该终端定位发射器结构简单，制造成本低，方便安装，适用于集中度高的物料设备定位需求，发射器固定在被定位物体，具有唯一id，发射到自由空间，原理框图如附图5所示；定位信号发射单元，两种供电方式：ac220v转dc12v适配器供电和12v电池供电，设备电池供电时启用低功耗功能，增加工作时长，电源管理部分将dc12v点转换为系统需要的6v、5v和3.3v给编码调制单元供电；dc12v接入设备，由电源管理单元，将12v转为dc6v为发射led供电，led使用欧司朗红外940nm led，芯片成熟，出货稳定，功率大可满足不同距离的要求，可扩展性高，经过可调式线性稳压管为led灯珠供电，减少噪声，无线光频信号发射单元通过滤波器滤除直流分量，得到响应较好的信号频谱，设计电压跟随器起到缓冲和隔离的作用，对通信信号不会造成影响，发射电路多种触发方式，可通过mcu直接驱动，可以通过dac驱动，编码调制部分在mcu内部完成，选用168mhz 主频，性能较高，满足近距离低速率通信需求，如附图6-7所示；发射端发射灯珠最大功率 5w，940nm，频谱曲线如附图8所示，集中在930-960附近，此波长范围在室内背景环境中较少，940nm波长不属于大气窗口，太阳光经过大气层相应波长会部分滤除，环境光影响较小；无线光频高精度定位发射器编码调制单元存储定位物料信息，使用8b/10b信道编码技术，对数码流进行相应的处理，8b/10b编码将待发送的8位数据转换成10位代码组，保证直流平衡，以及足够密集的电平转换，调制技术选用ook调制技术，以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭，本系统通过mcu控制定位数据的发送，mcu控制直流分量经过r203，数据流经过r207将定位数据加载到直流分
量，控制mos通断，驱动 led，通过led灯珠发送到自由空间，如附图9所示。
28.所述高通滤波透镜1将可见光波段滤除，滤除定位背景噪声，降低进入光学导向管的初始能量；所述光学导向管2使进入的空间光信号光路传输过程中无损耗照射到窄带滤波器；所述窄带滤光片4使用高温粒子蒸镀工艺，通过高温粒子蒸镀介质膜，基底选用k9玻璃，成品滤光片设计中心波长940nm，实测结果如附图1所示，滤除高于940nm波长的部分光波，使接收机定位处理单元接到背景噪声较小的光信号。
29.所述定位处理器模块包括前端接收模块无线光频采集单元和运动控制模块舵机控制单元，所述前端接收模块无线光频采集单元由光电接收单元、光信号检测、信号处理单元、 mcu调制解调单元及通信接口组成，原理框图如附图2所示；所述运动控制模块舵机控制单元由数据采集模块、数据处理模块、角度控制模块、服务器通讯模块及调试系统模块组成，原理框图如附图10所示；所述前端接收模块无线光频采集单元由dc12v供电，电源管理单元将dc12v通过可调式线性稳压器ldo转化成dc10v和dc3.3v为处理单元供电，且其供电图，如附图3所示；所述光电接收单元设有多种供电接口，通过跳线选择不同接口，预留多种接收器接口，适应不同定位要求，本产品使用si pin光电二极管接收器，信号通过电压跟随器传送到增益控制单元，根据信号强度调节放大倍数，如附图4所示。
30.本发明调节原理：前端接收模块无线光频采集单元中mcu调制解调部分，负责定位算法和数据处理功能，信号经过放大传输到mcu，由于信号分布在自由空间，周围环境干扰，环境光反射等诸多背景噪声，经过增益控制单元后背景噪声共同被放大；高精度定位功能的实现，通过物理层和软件层两方面设计，物理层滤波使用窄带滤光片滤除部分背景噪声，通过1阶前置运放2阶主放大，得到带有少量背景噪声能量域高的原始信号，定位信号不稳定，定位精度
±
25cm，受到周围环境光变化影响较大；软件层高精度定位技术结合数字滤波技术dft、能量二分法、冒泡排序法等基本算法，可见光能量场偏向算法efda(vlc energy field deviation algorithm)，将采集到的原始数据进行数字滤波，初次滤波将太阳光噪声、房间内照明噪声、反射噪声滤除，二次滤波通过多次采样降低系统内部噪声，将无线光频定位误差降到
±
3cm，得到空间内定位信号能量场分布模型，封装成数字化模型块，建立内部私有协议，留出通信接口供定位执行机构进行定位调用；
31.数据处理部分通过调用接口，与前端接收模块无线采集单元通信，按照内部私有协议调用能量场数字化模型块数据，以数字化模型块数据为运动依据，进行二维角度控制，实现水平与垂直分辨率0.1度的精确控制，转动过程中循环调用可见光前端探测能量场分布模型，使用能量二分法快速定位被侧物体范围，锁定范围逐步逼近对执行机构进行无限偏向最大能量信号调整，得到定位物体坐标，服务器通讯部分负责与后台服务器的数据交互，当定位点确定后系统将发送当前位置到服务器；调试部分可帮助使用者或开发者更好的操作或掌控当前系统的运行状态，在安装时可以帮助安装人员进行调试定位，称为零点校准，同时也是在系统内部建立周围空间的定位模型。
32.定位原理：定位发射器由单个波长940nm led作为发射光源，自由空间内定位发射器无限接近于点光源，建立点光源光线衰减空间模型，空气中对光线存在折射、吸收、散射，和尘埃对光的影响在短距离影响很小，建立模型对大气影响进行忽略，点光源在发射角范围内均匀衰减，光线随着发射距离衰减，光能量小于定位系统接收机光灵敏度要求界限，即为本系统可定位识别范围，定位系统接收机在定位范围内接收器和点光源无限接近于直
线，光学导向管传导的光能量越强，定位系统实时检测接收到的光能量进行调整云台角度，数据库比对找到能量最大点坐标，如附图11所示。
33.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。