專利名稱：超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)鑒別及數(shù)據(jù)重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域，具體涉及一種超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)鑒別及數(shù)據(jù)重構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
在幼兒園、高爾夫球場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、戰(zhàn)場(chǎng)、醫(yī)院、物流基地等工作環(huán)境中，越來越多地需要自主導(dǎo)引車跟隨目標(biāo)行人的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行人的實(shí)時(shí)跟隨任務(wù)。通過自主導(dǎo)引車負(fù)重或裝載物資等應(yīng)用，自主導(dǎo)引車可以大大減輕或完全替代需要人為參與的兒童看護(hù)、高爾夫球包車、機(jī)場(chǎng)行李搬運(yùn)、戰(zhàn)場(chǎng)物資運(yùn)輸、醫(yī)院病人看護(hù)、物流運(yùn)輸?shù)确敝厝蝿?wù)。因此，目標(biāo)行人的精確實(shí)時(shí)定位在眾多民用和軍用場(chǎng)合顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用需求。當(dāng)前，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)引主要采用電磁導(dǎo)弓丨、視覺導(dǎo)引和激光導(dǎo)引等。電磁導(dǎo)引需要預(yù)先鋪設(shè)路標(biāo)，行走路徑固定，路徑改變困難，很難處理交叉路徑，成本較高，定位精度較低；視覺導(dǎo)引可以 方便地改變路徑，制造成本低，定位精度較高，但是依然需要預(yù)設(shè)路標(biāo)，行走路徑固定，交叉路徑處理困難，且僅適用于可視條件下；激光導(dǎo)引方式無需路徑設(shè)定，然而依然存在需預(yù)設(shè)路標(biāo)，制造成本較高等缺點(diǎn)。超寬帶無線定位技術(shù)具有路徑方式自由、交叉路徑處理容易、路徑改變與環(huán)境無關(guān)、毫米級(jí)高精度定位等優(yōu)點(diǎn)，可有效克服障礙物遮擋、定位精度低等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)鑒別及數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶無線電波傳播路徑上的環(huán)境狀態(tài)識(shí)別，而且在無線電波傳播路徑上障礙物有效識(shí)別后，可以消除超寬帶無線定位中由于無線電波傳播途徑上障礙物引入的測(cè)量誤差，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行人的精確定位。本發(fā)明采用低功耗單片機(jī)MSP430作為基于超寬帶無線定位的目標(biāo)行人實(shí)時(shí)定位與自主導(dǎo)引車的跟隨控制的主處理器。低功耗單片機(jī)MSP430處理系統(tǒng)包括微處理器模塊、電源模塊、無線定位模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、以及基于可編程邏輯器件的計(jì)算機(jī)視覺快速處理模塊。具體實(shí)現(xiàn)方法是
(I)將低功耗單片機(jī)MSP430系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)寄存器初始化、變量初始化、車載無線接收基站初始化。(2)目標(biāo)行人打開身上佩戴的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，該標(biāo)簽立即開始工作，發(fā)射無線電波。(3)車載計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)通過圖像處理、特征提取與立體匹配等，實(shí)現(xiàn)無線電波傳播路徑上環(huán)境的狀態(tài)識(shí)別，獲得主要障礙物的屬性，從而估計(jì)出非視距傳播誤差，完成精確的目標(biāo)行人與車載無線接收基站之間的距離信息提取。(4)低功耗單片機(jī)MSP430根據(jù)基于TDOA的無線定位模型，可精確獲得目標(biāo)行人與自主導(dǎo)引車之間的距離信息。將該距離信息發(fā)送給自動(dòng)導(dǎo)引車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引車實(shí)時(shí)跟隨目標(biāo)行人的動(dòng)作。(5)重復(fù)進(jìn)行步驟(2)、(3)和(4)，完成基于超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)鑒別及數(shù)據(jù)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行人的實(shí)時(shí)跟隨。本發(fā)明基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival, TD0A)的方法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行人和自主導(dǎo)引車之間的距離信息。信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的方法可以有效的抵消信號(hào)經(jīng)過相同反射體而引入的測(cè)距誤差。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行人的三維坐標(biāo)定位，本發(fā)明采用了四個(gè)車載無線接收基站，安裝在自主導(dǎo)引車上。目標(biāo)行人佩戴的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，間隔固定時(shí)間向四個(gè)車載無線接收基站發(fā)送定位信號(hào)，接收基站通過無線電波傳播路徑的非視距傳播狀態(tài)及數(shù)據(jù)重構(gòu)，通過無線定位模型求解，即可實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)行人的三維定位坐標(biāo)。本發(fā)明中，車載無線接收基站均只有接收功能，有效地避免了相互間發(fā)射干擾。目標(biāo)信任佩戴的移動(dòng)節(jié) 點(diǎn)標(biāo)簽僅為發(fā)射節(jié)點(diǎn)，在目標(biāo)行人需要自主導(dǎo)引車服務(wù)時(shí)開始工作。本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，來辨識(shí)超寬帶無線電波傳播路徑上環(huán)境的信息，是否存在障礙物或沒有障礙物，從而消除障礙物帶來的無線電波傳播時(shí)間計(jì)算帶來的定位誤差，解決了傳統(tǒng)基于傳播信號(hào)的殘差進(jìn)行加權(quán)估計(jì)帶來的定位不確定性和低精度缺陷。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)定位技術(shù)需要固定路徑的缺點(diǎn)，能夠主動(dòng)識(shí)別無線電波傳播路徑上的環(huán)境狀態(tài)，通過無線定位模型實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行人的實(shí)時(shí)定位與跟蹤控制。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)成本低，實(shí)用性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)在多種應(yīng)用場(chǎng)合下，諸如幼兒園、高爾夫球場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、戰(zhàn)場(chǎng)、醫(yī)院、物流基地等工作環(huán)境的行人跟蹤。
具體實(shí)施例方式基于超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)識(shí)別及數(shù)據(jù)重構(gòu)系統(tǒng)采用低功耗單片機(jī)MSP430作為智能控制器，采用四個(gè)車載無線接收基站以及目標(biāo)行人佩戴的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，可以實(shí)時(shí)獲得自主導(dǎo)引車與目標(biāo)行人之間的距離。當(dāng)超寬帶無線電波的傳播路徑上存在障礙物時(shí)，通過基于可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)視覺快速處理算法來完成障礙物的辨識(shí)。具體實(shí)現(xiàn)方法是
(I)將低功耗單片機(jī)MSP430系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)寄存器初始化、變量初始化、車載無線接收基站初始化。低功耗單片機(jī)MSP430作為自主導(dǎo)引車的主控制器，和四個(gè)車載無線接收基站進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)記錄四個(gè)車載無線接收基站捕獲無線電波的時(shí)刻，從而計(jì)算得到四個(gè)車載無線接收基站與目標(biāo)行人之間的無線電波傳輸?shù)男盘?hào)到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival, Τ0Α)，可以獲得四個(gè)車載無線接收基站與目標(biāo)行人之間的距離。根據(jù)無線定位模型，低功耗單片機(jī)MSP430可以推導(dǎo)出自主導(dǎo)引車與目標(biāo)行人之間的距離信息，作為自主導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)控制的輸入控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)引車的實(shí)時(shí)跟隨控制。因此，必須在系統(tǒng)運(yùn)行的初始階段，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行所需的寄存器、距離信息基站等參數(shù)進(jìn)行初始化，保證多路傳感器數(shù)據(jù)的正確檢測(cè)。(2)目標(biāo)行人打開身上佩戴的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，該標(biāo)簽立即開始工作，發(fā)射無線電波。當(dāng)目標(biāo)行人需要自主導(dǎo)引車進(jìn)行跟隨動(dòng)作時(shí)，直接打開身上佩戴的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽的電源開關(guān)，標(biāo)簽開始工作，自動(dòng)向外發(fā)射無線電波。當(dāng)車載無線接收基站收到該無線電波時(shí)，即可獲得目標(biāo)行人與自主導(dǎo)引車之間的距離信息。當(dāng)目標(biāo)行人不需要自主導(dǎo)引車進(jìn)行跟隨動(dòng)作時(shí)，直接關(guān)閉移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽的電源開關(guān)即可，自主導(dǎo)引車將自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)。(3)車載計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)通過圖像處理、特征提取與立體匹配等，實(shí)現(xiàn)無線電波傳播路徑上環(huán)境的狀態(tài)識(shí)別，獲得主要障礙物的屬性，從而估計(jì)出非視距傳播誤差，完成精確的目標(biāo)行人與車載無線接收基站之間的距離信息提取。視距傳播是得到準(zhǔn)確的信號(hào)特征測(cè)量值的必要條件。設(shè)定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽和第個(gè)車載無線接收基站之間的TOA測(cè)量值和距離分別為
h、，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽與第個(gè)和第J個(gè)車載無線接收基站之間的TDOA和距離差分別為％、& ,c為無線電波傳播速度，則纟和纟1可表不為
權(quán)利要求
1.超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)鑒別及數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟(I)將低功耗單片機(jī)MSP430系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)寄存器初始化、變量初始化、車載無線接收基站初始化； 步驟(2)目標(biāo)行人打開身上佩戴的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，該標(biāo)簽立即開始工作，發(fā)射無線電波； 步驟(3)車載計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)通過圖像處理、特征提取與立體匹配，實(shí)現(xiàn)無線電波傳播路徑上環(huán)境的狀態(tài)識(shí)別，獲得主要障礙物的屬性，從而估計(jì)出非視距傳播誤差，完成精確的目標(biāo)行人與車載無線接收基站之間的距離信息提?。? 步驟(4)低功耗單片機(jī)MSP430根據(jù)基于TDOA的無線定位模型，可精確獲得目標(biāo)行人與自主導(dǎo)引車之間的距離信息；將該距離信息發(fā)送給自動(dòng)導(dǎo)引車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引車實(shí)時(shí)跟隨目標(biāo)行人的動(dòng)作； 步驟(5)重復(fù)進(jìn)行步驟(2)、步驟(3)和步驟(4)，完成基于超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)鑒別及數(shù)據(jù)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行人的實(shí)時(shí)跟隨。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)鑒別及數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，其特征在于所述的自主導(dǎo)引車安裝四個(gè)車載無線接收基站，車載無線接收基站均只有接收功能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超寬帶無線定位的非視距傳播狀態(tài)鑒別及數(shù)據(jù)重構(gòu)方法。本發(fā)明中車載無線接收基站收到目標(biāo)行人佩戴的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽所發(fā)射的無線電波，獲得目標(biāo)行人與自主導(dǎo)引車之間的距離信息。車載計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線電波傳播路徑上環(huán)境的狀態(tài)識(shí)別，從而估計(jì)出非視距傳播誤差，完成精確的目標(biāo)行人與車載無線接收基站之間的距離信息提取。低功耗單片機(jī)MSP430根據(jù)基于TDOA的無線定位模型，獲得目標(biāo)行人與自主導(dǎo)引車之間的距離信息。將該距離信息發(fā)送給自動(dòng)導(dǎo)引車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引車實(shí)時(shí)跟隨目標(biāo)行人的動(dòng)作。本發(fā)明能夠主動(dòng)識(shí)別無線電波傳播路徑上的環(huán)境狀態(tài)，通過無線定位模型實(shí)現(xiàn)目標(biāo)行人的實(shí)時(shí)定位與跟蹤控制。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102932739SQ20121044972
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者張懷相, 戴國(guó)駿 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)