本發(fā)明涉及室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)及其定位方法。

背景技術(shù)：

超聲定位系統(tǒng)中比較典型的系統(tǒng)是activebat和cricket系統(tǒng)。其中前者移動節(jié)點發(fā)射rf信號和us信號，位置固定的信標(biāo)節(jié)點接收rf信號和us信號；cricket系統(tǒng)則相反，信標(biāo)節(jié)點作為信號發(fā)射節(jié)點，待定位的移動節(jié)點用于信號的接收，然后根據(jù)rf信號和us信號的到達(dá)時間差進行分布式目標(biāo)定位。

activebat是低功耗，無線室內(nèi)定位系統(tǒng)，精度可達(dá)3cm。利用三角定位法，利用在天花板上嵌入的超聲接收器，測量tof。

activebat系統(tǒng)中，中心控制主機集中控制多個接收節(jié)點，而待定的移動節(jié)點作為發(fā)射節(jié)點是不可控的，尤其是當(dāng)移動節(jié)點數(shù)量較多的情況下，必然會引起各組rf和us信號之間的串?dāng)_。從而導(dǎo)致錯誤的定位，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。cricket系統(tǒng)具有很好的可擴展性，但其信標(biāo)節(jié)點采用隨機發(fā)射信號的方式，仍然不能有效解決信號串?dāng)_的問題。

在洪林的碩士畢業(yè)論文《移動機器人超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)研究》中提出了十字陣單發(fā)射多接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)依然要通過同步來解決測距問題。

通過分析目前系統(tǒng)中存在的主要問題包括：

1)系統(tǒng)定位過程中需要同步，一般采用射頻同步的方法，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度；

2)系統(tǒng)定位采用的是三角定位法，因此需要至少三個信標(biāo)節(jié)點和一個移動節(jié)點才能完成定位，增加了系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點個數(shù)，也就意味著成本的增加；

3)射頻同步的模式，在公共頻段，與wifi等同頻，增加了電磁干擾，同時，系統(tǒng)也容易受到電磁干擾的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服以上技術(shù)問題，目的在于提供基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)及其定位方法，實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡單，能準(zhǔn)確定位移動物體在室內(nèi)的位置，能避免電磁干擾的系統(tǒng)及方法的目的。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括位于天花板上的信標(biāo)節(jié)點和位于移動設(shè)備上的移動節(jié)點，所述信標(biāo)節(jié)點的數(shù)量至少為一個，每個信標(biāo)節(jié)點由超聲波發(fā)射探頭s1和超聲波發(fā)射探頭s2組成，每個移動節(jié)點包括至少三個超聲波接收探頭，所述超聲波接收探頭與接收控制系統(tǒng)連接，其中：

超聲波發(fā)射探頭s1：以時間t為周期，在一個周期內(nèi)等時間間隔重復(fù)發(fā)射超聲波信號給超聲波接收探頭；

超聲波發(fā)射探頭s2：以時間t為周期，在一個周期內(nèi)等時間間隔重復(fù)發(fā)射超聲波信號給超聲波接收探頭；

超聲波接收探頭：依次接收超聲波發(fā)射探頭s1和超聲波發(fā)射探頭s2發(fā)射的超聲波信號，并將超聲波信號傳輸給接收控制系統(tǒng)；

接收控制系統(tǒng)：接收超聲波接收探頭傳輸?shù)某暡ㄐ盘?，并處理。進一步的，本發(fā)明利用測向的方法來測量移動節(jié)點相對信標(biāo)節(jié)點的位置，只需一個信標(biāo)節(jié)點和一個移動節(jié)點就可完成定位，每個信標(biāo)節(jié)點由兩個超聲波發(fā)射探頭組成，每個移動節(jié)點由三個超聲波接收探頭構(gòu)成接收面完成接收；相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)更加簡單，減少了系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點個數(shù)，有效降低了定位成本。其次，本發(fā)明無需發(fā)射射頻信號，有效避免了系統(tǒng)定位過程中需要同步，采用射頻同步的方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度的問題，同時也避免了電磁干擾。超聲波發(fā)射探頭與發(fā)射控制系統(tǒng)連接。超聲波接收探頭與接收控制系統(tǒng)，由接收控制系統(tǒng)處理定位信息，該接收控制系統(tǒng)為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，包括與超聲波接收探頭依次連接的放大器、bpf、mcu模塊等，放大器將超聲波接收探頭傳輸?shù)某暡ㄐ盘栠M行功率放大后傳輸給bpf；bpf接收放大器傳輸?shù)某暡ㄐ盘?，按其所在頻率濾波后傳輸給mcu模塊進行處理，mcu模塊將超聲波信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和回波信號處理后輸出移動設(shè)備的定位信息。

優(yōu)選的，超聲波發(fā)射探頭s1和超聲波發(fā)射探頭s2之間的距離為6～8cm。

優(yōu)選的，當(dāng)每個移動節(jié)點由三個超聲波接收探頭組成時，三個超聲波接收探頭圍成一個三角形接收陣列。進一步的，三個超聲波接收探頭可形成任意形狀三陣元平面，圍成一個三角形接收陣列，三陣元平面在相同孔徑的陣列中，具有線陣有較好的定向精度；當(dāng)陣列孔徑越大，其定距精度越高。在無任何目標(biāo)位置的先驗信息時，為避免整個平面的定位精度不會出現(xiàn)某些點特別大的問題，可采用正三角陣。

優(yōu)選的，當(dāng)每個移動節(jié)點由四個超聲波接收探頭組成時，四個超聲波接收探頭位于同一平面，且四個探頭中相對的兩個探頭的連線與另外兩個相對的探頭的連線相互垂直。進一步的，該結(jié)構(gòu)排列成十字陣列，也可稱為正方陣列或圓形陣列，這種陣列的距離參數(shù)只有一個，相比現(xiàn)有技術(shù)，數(shù)據(jù)處理起來更加簡單。

所述接收控制系統(tǒng)內(nèi)的存儲器采用fifo存儲器，所述fifo存儲器用于存儲超聲波接收探頭接收的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲滿了之后，自動覆蓋掉最初始的數(shù)據(jù)。進一步的，fifo存儲器是一種先進先出存儲器，采用這樣的方式，接收端不用一直進行信號處理，而是等接收到信號超過一定門限之后，表示有發(fā)射信號接收到，同時開始進行處理。

基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟：

a：設(shè)定一個信標(biāo)節(jié)點中的兩個超聲波發(fā)射探頭分別為s1和s2，以超聲波發(fā)射探頭s1和s2的基線延長線為y軸，在同一水平面上，以基線延長線的法線方向為x軸，以x軸、y軸所在面的垂直線為z軸，x、y、z軸的相交點為圓心o建立一個三維坐標(biāo)系；

b：所述信標(biāo)節(jié)點以時間間隔t為周期，重復(fù)發(fā)射超聲波信號，一個周期內(nèi)相鄰兩次超聲波信號發(fā)射的間隔時間相等；

c：所述移動節(jié)點接收信標(biāo)節(jié)點發(fā)射的超聲波信號，得到一個周期t內(nèi)三個超聲波信號的到達(dá)時間，分別為t11、t12、t13，定義τ1＝t12-t11，τ2＝t13-t12，再根據(jù)δτ＝τ1-τ2＝dscosθ/c計算出移動節(jié)點的水平角θ；

在上式中，ds為一個信標(biāo)節(jié)點中兩個超聲波發(fā)射探頭的間距，c為聲速；

d：根據(jù)陣列測向理論，測得信標(biāo)節(jié)點到移動節(jié)點的俯仰角水平角ψ，以此得到移動設(shè)備的姿態(tài)角ψ-θ；再根據(jù)俯仰角以及信標(biāo)節(jié)點到移動節(jié)點的垂直高度h，通過計算得到移動節(jié)點距離信標(biāo)節(jié)點在水平面上的投影長度l；

e：已知三維坐標(biāo)系信標(biāo)節(jié)點中s1和s2坐標(biāo)為(x0,y0)，再根據(jù)方程組x1＝x0+l·cosθ，y1＝y(tǒng)0+l·sinθ計算得到移動節(jié)點的坐標(biāo)為(x1,y1)，以此得到移動設(shè)備的位置。進一步的，本發(fā)明在定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種定位方法，開創(chuàng)性的采用測向的方式進行定位。在室內(nèi)，地面和天花板是平行的，且都是平面的(這個假設(shè)很容易成立)，所以移動設(shè)備的高度信息是已知的，假設(shè)是h。那么定位需要確定的是機器人的坐標(biāo)位置(x,y)，以及移動設(shè)備的姿態(tài)信息。為得到以上信息，需要測量三個角度，超聲波發(fā)射探頭到移動設(shè)備的俯仰角移動設(shè)備的水平角θ、移動設(shè)備自身的姿態(tài)角ψ-θ。由于位于天花板上超聲波發(fā)射探頭在一個周期內(nèi)等時間間隔重復(fù)發(fā)射，在一個周期內(nèi)移動設(shè)備一直在移動，所以安裝在移動設(shè)備上的超聲波接收探頭所接收到的三個超聲波信號到達(dá)的時間不同，通過速度時間公式可得到移動設(shè)備的水平角θ，再根據(jù)陣列測向理論，測得信標(biāo)節(jié)點到移動節(jié)點的俯仰角水平角ψ，以此得到移動設(shè)備的姿態(tài)角ψ-θ；然后再根據(jù)步驟d、e，利用兩個探頭s1和s2的坐標(biāo)進行計算，可得到該移動節(jié)點中任意一個超聲波接收探頭的位置坐標(biāo)，至少三個超聲波接收探頭構(gòu)成接收面中的三個位置坐標(biāo)進行疊加，以此可得到移動設(shè)備的準(zhǔn)確位置。

所述步驟b中，一個周期內(nèi)的超聲波信號發(fā)射具體包括以下步驟：

b1：超聲波發(fā)射探頭s1在t11時刻和t21時刻分別發(fā)射超聲波信號，并設(shè)t11與t21時刻的間隔時間為τ；

b2：當(dāng)距離t21時刻間隔τ時長時，所述超聲波發(fā)射探頭s2在t31時刻發(fā)射超聲波信號。進一步的，信標(biāo)節(jié)點中的兩個探頭s1和s2以時間間隔t為周期，重復(fù)發(fā)射超聲波信號，并且一個周期內(nèi)相鄰兩次超聲波信號發(fā)射的間隔時間相等；由于t11是隨機固定的，這樣使得每個探頭同時發(fā)送的概率降低，相鄰發(fā)射探頭同時發(fā)射的概率成為小概率事件，從而使得位于移動設(shè)備上的移動節(jié)點同時接收到多個探頭的信號的概率為小概率事件，以此減少了信標(biāo)節(jié)點同步發(fā)射的干擾，能夠較為準(zhǔn)確的確定移動設(shè)備在室內(nèi)的位置。另外，超聲波發(fā)射探頭周期發(fā)射編碼脈沖串，即超聲波信號，每個編碼脈沖串包含多個脈沖，采用碼分多址技術(shù)編碼，這樣即使當(dāng)移動設(shè)備同時收到多個超聲波信號時，通過解碼也可以將多個不同的發(fā)射信號區(qū)分出來，以此可以進一步保證本發(fā)明定位的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)及其定位方法，只需一個信標(biāo)節(jié)點和一個移動節(jié)點，利用測向的方法來測量移動節(jié)點相對信標(biāo)節(jié)點的位置，以此確定移動設(shè)備的位置，相比現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)構(gòu)更加簡單，減少了系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點個數(shù)，有效降低了定位成本；

2、本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)及其定位方法，無需發(fā)射射頻信號，有效避免了系統(tǒng)定位過程中采用射頻同步的方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度的問題，同時也避免了電磁干擾；

3、本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)及其定位方法，信標(biāo)節(jié)點中的兩個探頭s1和s2以時間間隔t為周期，重復(fù)發(fā)射超聲波信號，并且一個周期內(nèi)相鄰兩次超聲波信號發(fā)射的間隔時間相等，使得位于移動設(shè)備上的移動節(jié)點同時接收到多個發(fā)射探頭的信號的概率為小概率事件，以此減少了信標(biāo)節(jié)點同步發(fā)射的干擾，能夠較為準(zhǔn)確的確定移動設(shè)備在室內(nèi)的位置。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明超聲波定位系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明信標(biāo)節(jié)點發(fā)射時序圖；

圖3為本發(fā)明十字接收陣列示意圖；

圖4為本發(fā)明三維坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)圖。

附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的零部件名稱：

1-天花板，2-地面，3-超聲波發(fā)射探頭，4-超聲波接收探頭。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實施例1

如圖1、2所示，本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括位于天花板1上的信標(biāo)節(jié)點和位于移動設(shè)備上的移動節(jié)點，所述信標(biāo)節(jié)點的數(shù)量至少為一個，每個信標(biāo)節(jié)點由超聲波發(fā)射探頭s1和超聲波發(fā)射探頭s2組成，每個移動節(jié)點包括至少三個超聲波接收探頭，所述超聲波接收探頭與接收控制系統(tǒng)連接，其中：

超聲波發(fā)射探頭s1：以時間t為周期，在一個周期內(nèi)等時間間隔重復(fù)發(fā)射超聲波信號給超聲波接收探頭；

超聲波發(fā)射探頭s2：以時間t為周期，在一個周期內(nèi)等時間間隔重復(fù)發(fā)射超聲波信號給超聲波接收探頭；

超聲波接收探頭：依次接收超聲波發(fā)射探頭s1和超聲波發(fā)射探頭s2發(fā)射的超聲波信號，并將超聲波信號傳輸給接收控制系統(tǒng)；

接收控制系統(tǒng)：接收超聲波接收探頭傳輸?shù)某暡ㄐ盘?，并處理。超聲波發(fā)射探頭s1和超聲波發(fā)射探頭s2之間的距離為6cm。所述接收控制系統(tǒng)內(nèi)的存儲器采用fifo存儲器，所述fifo存儲器用于存儲超聲波接收探頭接收的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲滿了之后，自動覆蓋掉最初始的數(shù)據(jù)。

基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟：

a：設(shè)定一個信標(biāo)節(jié)點中的兩個超聲波發(fā)射探頭分別為s1和s2，以超聲波發(fā)射探頭s1和s2的基線延長線為y軸，在同一水平面上，以基線延長線的法線方向為x軸，以x軸、y軸所在面的垂直線為z軸，x、y、z軸的相交點為圓心o建立一個三維坐標(biāo)系；

b：所述信標(biāo)節(jié)點以時間間隔t為周期，重復(fù)發(fā)射超聲波信號，一個周期內(nèi)相鄰兩次超聲波信號發(fā)射的間隔時間相等；

c：所述移動節(jié)點接收信標(biāo)節(jié)點發(fā)射的超聲波信號，得到一個周期t內(nèi)三個超聲波信號的到達(dá)時間，分別為t11、t12、t13，定義τ1＝t12-t11，τ2＝t13-t12，再根據(jù)δτ＝τ1-τ2＝dscosθ/c計算出移動節(jié)點的水平角θ；

在上式中，ds為一個信標(biāo)節(jié)點中兩個超聲波發(fā)射探頭的間距，c為聲速；

d：根據(jù)陣列測向理論，測得信標(biāo)節(jié)點到移動節(jié)點的俯仰角水平角ψ，以此得到移動設(shè)備的姿態(tài)角ψ-θ；再根據(jù)俯仰角以及信標(biāo)節(jié)點到移動節(jié)點的垂直高度h，通過計算得到移動節(jié)點距離信標(biāo)節(jié)點在水平面上的投影長度l；

e：已知三維坐標(biāo)系信標(biāo)節(jié)點中s1和s2坐標(biāo)為(x0,y0)，再根據(jù)方程組x1＝x0+l·cosθ，y1＝y(tǒng)0+l·sinθ計算得到移動節(jié)點的坐標(biāo)為(x1,y1)，以此得到移動設(shè)備的位置。

實施例2

如圖1～4所示，本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，在實施例1的基礎(chǔ)上，當(dāng)每個移動節(jié)點由四個超聲波接收探頭4組成時，四個超聲波接收探頭4位于同一平面，且四個探頭中相對的兩個探頭的連線與另外兩個相對的探頭的連線相互垂直。其構(gòu)成的十字接收陣列如圖3所示，其中代表了移動設(shè)備正前方的位置。其建立的三維坐標(biāo)系如圖4所示，其中s1、s2為一個信標(biāo)節(jié)點的兩個超聲波發(fā)射探頭3；a1、a2、a3、a4為移動節(jié)點的4個超聲波接收探頭4；s'為s1到超聲波接收探頭4平面的垂直投影；h為超聲波發(fā)射探頭3所在平面與超聲波接收探頭4構(gòu)成平面之間的距離；dr為a1與a3之間的間距，a2與a4之間的間距也為dr；ds為兩個超聲波發(fā)射探頭3之間的間距；o為十字接收陣列的中心點，也代表了移動設(shè)備的位置。

為得到移動設(shè)備的位置，那么定位需要確定的是移動設(shè)備的坐標(biāo)位置(x,y)；以及移動設(shè)備的姿態(tài)信息ψ-θ，即移動設(shè)備正前方與y軸的夾角，在三維坐標(biāo)系中為與y軸的夾角。

所以定位方法如下：

首先利用陣列測向理論，四個超聲波發(fā)射探頭4可測得超聲波發(fā)射信號到移動設(shè)備的俯仰角即os1與z軸的夾角；移動設(shè)備的水平角ψ，即os’跟的夾角；由于地面2和天花板1是平行的，測量出信標(biāo)節(jié)點到移動節(jié)點的垂直高度h，通過計算得到移動節(jié)點距離信標(biāo)節(jié)點在水平面上的投影長度l；

然后超聲波發(fā)射探頭3s1在t11時刻和t21時刻分別發(fā)射超聲波信號，并設(shè)t11與t21時刻的間隔時間為τ；當(dāng)距離t21時刻間隔τ時長時，超聲波發(fā)射探頭s2在t31時刻也發(fā)射超聲波信號；

接著移動節(jié)點依次接收超聲波發(fā)射探頭3s1、s2發(fā)射的超聲波信號，得到一個周期t內(nèi)三個超聲波信號的到達(dá)時間，分別為t11、t12、t13，定義τ1＝t12-t11，τ2＝t13-t12，再根據(jù)δτ＝τ1-τ2＝dscosθ/c計算出移動節(jié)點的水平角θ；在上式中，ds為一個信標(biāo)節(jié)點中兩個超聲波發(fā)射探頭的間距，c為聲速；

最后，因為已知三維坐標(biāo)系信標(biāo)節(jié)點中s1和s2坐標(biāo)為(x0,y0)，根據(jù)方程組x1＝x0+l·cosθ，y1＝y(tǒng)0+l·sinθ，計算得到一個超聲波接收探頭4的坐標(biāo)為(x1,y1)；另外三個超聲波接收探頭4的坐標(biāo)也采用同樣的計算方法得到，四個點疊加，移動設(shè)備的中心點位于四個點的中心，以此可得到移動設(shè)備的準(zhǔn)確位置。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。