一種無線、超聲波復(fù)合定位系統(tǒng)及其定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種無線、超聲波復(fù)合定位系統(tǒng)及其定位 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 室內(nèi)是人類活動最密集，與人類生活生產(chǎn)最相關(guān)的場合。室內(nèi)定位可視為定位技 術(shù)與人聯(lián)系最緊密的一個(gè)組成部分，其存在的重要潛在應(yīng)用，近年來吸引了大量的研究和 關(guān)注。室內(nèi)由于有大量墻體、屏風(fēng)等障礙存在，多徑效應(yīng)嚴(yán)重，場強(qiáng)分布不均甚至有盲區(qū)存 在。人員的頻繁移動、電子設(shè)備和門窗的開關(guān)等也給信號傳輸帶來大量隨機(jī)，不可測的干擾 和波動。因此針對復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的定位技術(shù)一直是研究的難點(diǎn)，也是學(xué)術(shù)界一直關(guān)注的熱 點(diǎn)問題。
[0003] 室內(nèi)定位技術(shù)大多采用短距無線定位技術(shù)，包含WLAN、RFID、藍(lán)牙、UWB等。但總體 而言它們都存在精度差的問題而不能用于機(jī)器人定位。當(dāng)前采用這些技術(shù)的定位系統(tǒng)，最 高標(biāo)稱能達(dá)到l〇cm，該精度基本上也是使用無線定位技術(shù)所能達(dá)到的極限精度。
[0004] 現(xiàn)有的超聲波定位技術(shù)主要存在以下缺陷：（1)超聲波傳輸過程衰減明顯；（2)超 聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)在的這些技術(shù)基本只能用于無人且環(huán) 境較空的場所。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種定位精度高，成本低的無 線、超聲波復(fù)合定位系統(tǒng)及其定位方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 本發(fā)明之一種無線、超聲波復(fù)合定位系統(tǒng)，包括若干個(gè)固定位置的信標(biāo)模塊、至少一個(gè) 移動定位模塊和電子定位平臺； 所述信標(biāo)模塊包括： 第一無線收發(fā)模塊，用于以無線的方式與移動定位模塊和/或電子定位平臺聯(lián)絡(luò)，收 發(fā)指令和同步信號； 超聲波發(fā)射模塊，用于發(fā)出已編址的超聲波信號； 第一智能處理模塊，用于處理接收的指令和儲存超聲波編碼，處理同步時(shí)序安排； 所述移動定位模塊安裝于移動體上，包括： 第二無線收發(fā)模塊，用于負(fù)責(zé)與信標(biāo)模塊和電子定位平臺聯(lián)絡(luò)，收發(fā)無線同步信號，以 及接收對待接收的超聲波信號做出的時(shí)序安排； 超聲波接收陣列，用于接收來自不同角度的超聲波信號； 第二智能處理模塊，包括陣列處理模塊和中央處理器； 所述陣列處理模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強(qiáng)弱自動進(jìn)行增益 控制，使輸出的超聲波模擬信號強(qiáng)度保持相對穩(wěn)定，并將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號； 所述中央處理器用于處理接收到的指令、模塊各部分的邏輯關(guān)系、做出同步時(shí)序安排、 識別編碼、儲存和分析接收到的超聲波數(shù)據(jù)信息，并將超聲波數(shù)據(jù)會同電子定位平臺發(fā)送 來的電子地圖一起放入計(jì)算單元中進(jìn)行計(jì)算處理，得到位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)； 所述電子定位平臺用于構(gòu)建電子地圖，并向移動定位模塊發(fā)送電子地圖，以無線方式 傳給移動定位模塊進(jìn)行移動體的調(diào)度；還用于協(xié)調(diào)信標(biāo)模塊和移動定位模塊的同步，接收 從各個(gè)移動定位模塊上傳的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0007] 進(jìn)一步，所述陣列處理模塊包括前置放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊； 所述前置放大模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強(qiáng)弱自動進(jìn)行增益控 制，使輸出的超聲波模擬信號強(qiáng)度保持相對穩(wěn)定； 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將檢測時(shí)間段內(nèi)的超聲波模擬信號連續(xù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存 儲；通過中央處理器掃描采集到的超聲波信號幅度，處理該組超聲波數(shù)據(jù)；根據(jù)接收到的 超 聲波脈沖群的平均幅值，來計(jì)算用于判斷的閾值；達(dá)到判斷閾值的點(diǎn)則認(rèn)為當(dāng)前測試 的超聲波信號到達(dá)起始點(diǎn)，否則認(rèn)為是噪聲信號。
[0008] 進(jìn)一步，所述移動體為機(jī)器人或智能車。
[0009] 進(jìn)一步，所述電子定位平臺包括： 搭載電子地圖的計(jì)算機(jī)，用于向移動定位模塊發(fā)送電子地圖； 第三無線收發(fā)模塊，用于傳送電子地圖，并發(fā)送定位同步信號，協(xié)調(diào)信標(biāo)模塊和移動定 位模塊的時(shí)序，接收各個(gè)移動定位模塊上傳的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)； 顯示器，用于顯示電子地圖。
[0010] 進(jìn)一步，所述第一無線收發(fā)模塊和第二無線收發(fā)模塊為WIFI模塊、藍(lán)牙通信模塊 或ZigBee通訊模塊。
[0011] 進(jìn)一步，所述超聲波收發(fā)陣列為具有至少四個(gè)超聲波感應(yīng)元的集成陣列，或由至 少四個(gè)獨(dú)立的超聲波傳感器分散而成的陣列；所述前置放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的通道數(shù) 量與超聲波感應(yīng)元的數(shù)量相對應(yīng)。
[0012] 本發(fā)明之一種根據(jù)上述無線、超聲波復(fù)合定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟： (1) 由移動定位模塊依據(jù)移動體行走的起始坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合定位后沿預(yù)設(shè)的運(yùn)動軌跡 可能達(dá)到的坐標(biāo)，計(jì)算規(guī)劃出每個(gè)可能達(dá)到的坐標(biāo)處所需的至少兩個(gè)信標(biāo)模塊，依次序分 別呼喚需要的信標(biāo)模塊，被呼喚到的信標(biāo)模塊發(fā)送無線信號回應(yīng)；待呼喚到的信標(biāo)模塊全 部回應(yīng)后，移動定位模塊依次向信標(biāo)模塊發(fā)射無線申請定位信號，收到申請定位信號的信 標(biāo)模塊，按照測試時(shí)序安排向移動定位模塊發(fā)射無線同步信號，使信標(biāo)模塊和移動定位模 塊配合同步測試； (2) 再由信標(biāo)模塊按時(shí)序分別向主測模塊發(fā)射已編碼的超聲波信號，同時(shí)收到同步信 號的移動定位模塊啟動數(shù)據(jù)采集時(shí)間窗口 T，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并依次存儲，根據(jù)接收到的超聲 波信號的時(shí)序，分別標(biāo)記接收到的時(shí)間為T1, T2,。。。,，T1，其中，i與所呼喚信標(biāo)模塊的數(shù)量相 同；然后處理計(jì)算每個(gè)時(shí)間段接收到的超聲波信號數(shù)據(jù)段，識別其編碼，若接收到多組相同 編碼的超聲波信號，只取最先到達(dá)的一組超聲波編碼信號，剔除其余雜波，再經(jīng)計(jì)算找到每 個(gè)時(shí)間段最先到達(dá)的此組超聲波編碼信號的起頭時(shí)間T/，T2',。。。,，IV ; (3) 計(jì)算得到超聲波接收陣列與每個(gè)信標(biāo)模塊之間的距離Z1Sz1= IV Xc，其中，c為 超聲波信號在常溫下的傳播速度，并修正超聲波信號的傳播速度c ; (4) 計(jì)算得出超聲波接收陣列理論中心與每個(gè)信標(biāo)模塊的距離L1以及信標(biāo)模塊與超聲 波接收陣列理論中心的右旋角γ1;其中，超聲波接收陣列理論中心是指超聲波接收陣列的 幾何中心點(diǎn)；右旋角是指該信標(biāo)模塊與超聲波接收陣列理論中心之間的距離直線沿超聲波 接收陣列理論中心的中軸線向右旋轉(zhuǎn)所呈的夾角； (5) 由移動定位模塊甄選出兩路或三路信標(biāo)模塊直線到達(dá)超聲波接收陣列的超聲波信 號，并結(jié)合內(nèi)置的電子地圖進(jìn)行計(jì)算處理，即分別收發(fā)根據(jù)步驟（4)計(jì)算得到的超聲波接收 陣列理論中心與這兩路或三路信標(biāo)模塊之間的距離，并結(jié)合這兩路或三路信標(biāo)模塊的固定 坐標(biāo)計(jì)算得出機(jī)器人的所在位置的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)或三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)； (6) 將所得的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)或三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)無線傳送給電子定位平臺，生成機(jī)器人的 位置信息。
[0013] 進(jìn)一步，步驟（2 )中，所述實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)包括：將在T1,T2,。。。, T1時(shí)刻內(nèi)分別接收到的 超聲波信號根據(jù)其信號的強(qiáng)弱自動進(jìn)行增益控制，輸出穩(wěn)定的超聲波幅值動態(tài)范圍；再將 該超聲波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲。
[0014] 進(jìn)一步，步驟（2)中，所述處理計(jì)算每個(gè)時(shí)間段接收到的超聲波信號數(shù)據(jù)段包括： 處理轉(zhuǎn)換后的超聲波數(shù)字信號，計(jì)算得到判斷閾值，若采集到的超聲波信號的幅值達(dá)到判 斷閾值則認(rèn)為當(dāng)前信號為超聲波信號，否則認(rèn)為是噪聲信號。
[0015] 進(jìn)一步，步驟（2)中，所述最先到達(dá)的一組超聲波編碼信號為發(fā)射的超聲波信號直 線到達(dá)超聲波接收陣列的信號；其余后面到達(dá)的視為雜波，包括多徑效應(yīng)、非視距傳播和超 聲波反射產(chǎn)生的信號。
[0016] 進(jìn)一步，步驟（1)中，還包括：當(dāng)移動體偏離預(yù)設(shè)的運(yùn)動軌跡時(shí)，仍可根據(jù)設(shè)于移 動體附近的其它運(yùn)動軌跡中的信標(biāo)模塊實(shí)現(xiàn)自動定位。
[0017] 進(jìn)一步，步驟（1)中，還包括：由移動定位模塊向電子定位平臺申請定位，由電子 定位平臺查詢移動定位模塊所呼喚的信標(biāo)模塊是否被其它移動體占用，若已占用，則通知 移動定位模塊需間隔某一時(shí)間后再動作，間隔時(shí)間到后，繼續(xù)完成后面的定位測試。
[0018] 進(jìn)一步，步驟（4)中，具體包括：檢測超聲波接收陣列的不同超聲波感應(yīng)元接收到 的超聲波的編碼是否相同，若相同則甄選出該編碼的信標(biāo)模塊發(fā)射的超聲波信號到達(dá)超聲 波感應(yīng)元時(shí)間最短的兩路信號，并結(jié)合相對應(yīng)的兩個(gè)超聲波感應(yīng)元的固定位置和固定角 度，計(jì)算得出超聲波接收陣列理論中心與信標(biāo)模塊的距離以及該信標(biāo)模塊與超聲波接收陣 列理論中心的右旋角；所述超聲波接收陣列理論中心與信標(biāo)模塊的距離由如下公式獲得，
式中，&、為接收同一編碼超聲波的兩個(gè)超聲波感應(yīng)元與信標(biāo)模塊的直線距離，且 &< &，^為超聲波感應(yīng)元與超聲波接收陣列理論中心的直線距離，^為兩個(gè)超聲波感應(yīng) 元之間的直線距離，a為直線與直線s之間的夾角，^為與相對應(yīng)的超聲波感應(yīng)元到 超聲波接收陣列理論中心的直線R與直線^之間的夾角，其中，角度A和直線6·均為超聲波 接收陣列的的固定尺寸。
[0019] 所述信標(biāo)模塊與超聲波接收陣列理論中心的右旋角由如下公式獲得，
式中，媒:為