一種高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽的制作方法
【專利摘要】一種高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽，主要包括6個(gè)模塊：電池模塊、穩(wěn)壓模塊、MCU模塊、羅經(jīng)模塊、無(wú)線模塊、超聲波信號(hào)功放模塊。其中，電池、穩(wěn)壓模塊用于供電。當(dāng)上位機(jī)呼叫標(biāo)簽后，MCU模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給超聲波信號(hào)功放模塊，將電壓信息進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)發(fā)聲；同時(shí)，MCU會(huì)與羅經(jīng)模塊進(jìn)行通訊，然后MCU將接收的羅經(jīng)信息通過無(wú)線模塊傳遞給上位機(jī)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于定位精度達(dá)到10cm，定位時(shí)間在30ms內(nèi)。主要用于GPS定位無(wú)法覆蓋的室內(nèi)定位如地下室、煤礦地下定位，以及需要極高精度定位的方面。
【專利說明】一種高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及定位標(biāo)簽，特別涉及一種室內(nèi)移動(dòng)物體的高精度快速度的定位標(biāo) 簽。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，普通定位技術(shù)（如GPS定位）的覆蓋范圍仍然存在一定的局限性，定位精度 也不高。GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電訊號(hào)太微弱，以至于無(wú)法穿透絕大部分的建筑物，所以對(duì)于 室內(nèi)定位誤差較大。藍(lán)牙定位、光跟蹤定位成本太高，而且定位的位置誤差不太理想。高精 度聲學(xué)定位技術(shù)可以解決以上不足，聲學(xué)標(biāo)簽定位原理是基于空氣中的超聲波傳播速度， 所以精度高且快速穩(wěn)定，器件成本也比較低，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可用于室內(nèi)移動(dòng)物體的高 精度定位方面。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種基于超聲波測(cè)量技術(shù)的，針對(duì)室內(nèi)貨物的高精度、 快速度的定位標(biāo)簽。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型高精度聲學(xué)定位標(biāo)簽使用了 6個(gè)模塊：電池模塊、 穩(wěn)壓模塊、MCU模塊、羅經(jīng)模塊、無(wú)線模塊、超聲波信號(hào)功放模塊。電池模塊采用鋰電池供電， 供電電壓為5V電池容量為400mAh。電池模塊供電給穩(wěn)壓模塊，穩(wěn)壓模塊為MCU提供穩(wěn)定 的3. 3V電壓。當(dāng)上位機(jī)通過無(wú)線模塊呼叫標(biāo)簽后，MCU模塊開始把存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)的超聲 波數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的DMA (Direct Memory Access直接內(nèi)存存?。┌l(fā)送給超聲波信號(hào)功放模 塊。超聲波信號(hào)功放模塊是由LM4881芯片、變壓器和超聲波發(fā)送器組成。功放輸出接變壓 器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行電壓放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)聲，最后將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)出；同時(shí)，MCU通過 I2C總線與羅經(jīng)模塊進(jìn)行通訊，接收羅經(jīng)數(shù)據(jù)，然后MCU將這些信息通過無(wú)線模塊傳遞給上 位機(jī)，以上所有過程都在30ms內(nèi)完成，且定位精度能達(dá)到10cm。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005] 圖1是本實(shí)用新型的總體方框圖；
[0006] 圖2是本實(shí)用新型的軟件流程圖；
[0007] 圖3是本實(shí)用新型的穩(wěn)壓模塊電路原理圖；
[0008] 圖4是本實(shí)用新型的MCU電路原理圖；
[0009] 圖5是本實(shí)用新型的羅經(jīng)電路原理圖；
[0010] 圖6是本實(shí)用新型的羅經(jīng)參數(shù)計(jì)算定位圖；
[0011] 圖7是本實(shí)用新型的無(wú)線模塊的電路原理圖；
[0012] 圖8是本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)功放模塊的電路原理圖；

【具體實(shí)施方式】
[0013] 如圖1所示，本實(shí)用新型高精度聲學(xué)定位標(biāo)簽中含有6個(gè)模塊，電池模塊、穩(wěn)壓模 塊、MCU模塊、羅經(jīng)模塊、無(wú)線模塊、超聲波信號(hào)功放模塊。這6個(gè)模塊中MCU是主控制單元， 它控制協(xié)調(diào)其他模塊來共同完成各種功能。軟件流程圖見圖2。
[0014] 當(dāng)電壓通過電池端輸入后，由于系統(tǒng)需要穩(wěn)定的3. 3V的供電電壓，其值要求當(dāng)輸 入電壓變化時(shí)它保持不變，所以采用了 TPS77333DGK芯片，該芯片可以將不穩(wěn)定的輸入電 壓穩(wěn)定在3. 3V，具體電路如圖3所示。
[0015] 本實(shí)用新型需要長(zhǎng)時(shí)間脫離電源單獨(dú)工作，就要求功耗盡可能低，現(xiàn)采用超低功 耗MCU-MSP430F151，具體電路如圖4所示。在發(fā)送聲學(xué)信號(hào)時(shí)，要求在2ms內(nèi)發(fā)送1500個(gè) 12位數(shù)據(jù)，普通的DA模塊無(wú)法達(dá)到這個(gè)速度，現(xiàn)采用MCU中的DMA模塊，可快速精確的傳 送出信號(hào)。Μ⑶內(nèi)部的I2C模塊、SPI模塊用來完成與無(wú)線模塊及羅經(jīng)模塊的通訊。通過通 訊，MCU對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，完成定位需求。
[0016] 在測(cè)量羅經(jīng)參數(shù)來確定目標(biāo)的朝向技術(shù)上，采用了 HMC5883芯片，具體電路如圖5 所示。其中DRDY管腳是信號(hào)準(zhǔn)備好管腳，可用于對(duì)MCU中斷。SDA管腳的連接用于HMC5883 和MCU進(jìn)行I2C通訊。HMC5883可分別在同一時(shí)刻測(cè)出3組16位數(shù)據(jù)，計(jì)算如下：
[0017] 如圖6,坐標(biāo)系的Χ、Υ軸在水平面內(nèi)，X軸為前進(jìn)方向，Υ軸垂直于X軸向右，Ζ軸 沿重力方向向下，從磁北方向順時(shí)針到X軸的夾角即為方位角α。俯仰角φ為羅盤縱軸 與水平面之間的夾角，滾轉(zhuǎn)角Θ為羅盤Ζ軸與過X軸的鉛垂面之間的夾角。當(dāng)羅盤不水平 時(shí)，測(cè)得重力加速度g在羅盤三軸方向的分量分別為Ax，Ay，Αζ，則根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系可求得俯 仰角和滾轉(zhuǎn)角為：
[0018] =arcsin " g "
[0019] =;ircsin ? ^-1 L 8 J
[0020] 此時(shí)，磁傳感器測(cè)出的地磁場(chǎng)在羅盤三軸方向的分量為Hx，Hy，HZ，由坐標(biāo)關(guān)系得 水平方向磁分量：
[0021] Hx = Hxcos+Hzsin
[0022] Hy = Hxsin sin+Hzsin cos
[0023] 在無(wú)線通信方面，選擇了 CC1100芯片，其電路如圖7所示。電路圖中管腳SI用于 數(shù)據(jù)的輸入，CLK是時(shí)鐘輸入，S0數(shù)據(jù)輸出，CSN用于芯片選擇。以上四個(gè)管腳均是串行配 置接口，與MCU相連，用于SPI通訊。通過配置使用SI、CLK、CSN，可控制芯片的通訊在空閑、 休眠、RX/TX三種狀態(tài)。⑶00與⑶02是CC1101的常規(guī)數(shù)字輸出控制腳。在CC1101與MCU 通信時(shí)，GD00作為數(shù)據(jù)輸入，GD02作為數(shù)據(jù)輸出。需要對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位時(shí)，先由上位機(jī)通過 無(wú)線發(fā)送定位命令，標(biāo)簽接收，然后標(biāo)簽通過無(wú)線模塊將測(cè)得的羅經(jīng)和加速度數(shù)據(jù)傳給采 樣板。采樣板在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳給電腦終端。無(wú)線通信采用433MHZ頻率通信，發(fā)送數(shù)據(jù) 速率為76. 8KHZ，與MCU通過SPI通訊。
[0024] MCU將聲學(xué)電信號(hào)傳給超聲波信號(hào)功放模塊，功放模塊中LM4881芯片進(jìn)行信號(hào)放 大，并對(duì)后端電路提供驅(qū)動(dòng)。LM4881為AB類功放，選擇AB類功放是綜合考慮了功放的功能 及價(jià)格。其實(shí)現(xiàn)電路如圖8所示。圖中AUDI0IN正是MCU傳給LM4881的聲學(xué)信號(hào)，與之對(duì) 應(yīng)的是LM48810UT則是LM4881將放大后的信號(hào)再傳回給MCU。經(jīng)功放放大后的信號(hào)再經(jīng)過 變壓器進(jìn)一步放大，放大后的信號(hào)經(jīng)超聲波發(fā)送器向外傳送。為了獲得較大的發(fā)送功率，選 擇了 1:30的變壓器，這些功率輸出都由超聲波信號(hào)功放模塊驅(qū)動(dòng)。
[0025] 上述的實(shí)施實(shí)例僅僅是對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)實(shí)用新型 的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)方案前提下，本領(lǐng)域中普通工程技術(shù)人 員對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，本 實(shí)用新型請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。
【權(quán)利要求】
1. 高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽中含有6個(gè)模塊，電池模塊、穩(wěn)壓模塊、MCU模塊、羅經(jīng) 模塊、無(wú)線模塊、超聲波信號(hào)功放模塊，其特征是超聲波信號(hào)功放模塊是由LM4881芯片、變 壓器和超聲波發(fā)送器組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽,其特征是所述的電池模塊采 用鋰電池供電，供電電壓為5V電池容量為400mAh。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽,其特征是所述的穩(wěn)壓模塊采 用TPS77333DGK芯片，將電壓穩(wěn)定在了 3. 3V。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽，其特征是所述的MCU模塊采 用超低功耗的MSP430F151單片機(jī)，并使用了其中的DMA模塊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽，其特征是所述的羅經(jīng)模塊采 用HMC5883芯片，并對(duì)其進(jìn)行I2C通訊，配置使用其中的羅經(jīng)確定方向的功能。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽,其特征是所述的無(wú)線模塊采 用TI公司的CC1101芯片，并對(duì)其進(jìn)行了 SPI通訊，控制發(fā)送和接收無(wú)線信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度室內(nèi)移動(dòng)物體定位標(biāo)簽，其特征是所述的超聲波信號(hào) 功放模塊采用了 LM4881芯片、1:30的小體積變壓器和超聲波發(fā)送器，傳送超聲波信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01S13/74GK203870249SQ201320731940
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】吳玉肖, 李宇笛, 張超, 王冠男 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)