一種室內超聲波差分定位方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種室內超聲波差分定位方法;將差分定位方法應用于室內超聲波定 位，用于精確定位室內目標，屬于室內定位領域。
【背景技術】
[0002] 幾年來，導航定位技術成為研究熱點，鑒于室外導航定位方法日趨成熟，人們逐漸 將研究重點放在室內定位上。在眾多室內定位技術中，超聲波定位技術作為一種非接觸式 的檢測方法，有著方向性好、縱向分辨率高、對色彩、光照度不敏感等優(yōu)勢，在定位技術中有 廣泛應用。
[0003] 超聲波定位系統(tǒng)一般由標識、接收器和控制中心組成?？刂浦行呢撠煏r間同步;標 識用于發(fā)射超聲波信號；接收器用于接收并處理信號進行測距，當三個以上接收器收到數(shù) 據（即偽距)就可以進行三維定位運算，解算出標識位置信息。由于存在超聲波速度誤差(超 聲波速度隨環(huán)境溫度變化而變化）、硬件延時誤差、安裝誤差以及其他誤差，使得測量偽距 與實際距離存在一定的誤差，導致解算出的坐標與實際位置信息誤差較大。
【發(fā)明內容】
[0004] 傳統(tǒng)的超聲波定位方法由于信號串擾、聲速、時間同步誤差等影響定位精度，針對 這一問題，本發(fā)明提供了一種室內超聲波差分定位方法。
[0005] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案：
[0006] 室內超聲波差分定位系統(tǒng)結構包括:室內超聲波定位系統(tǒng)由中心站、信標節(jié)點、定 位終端以及參考站四部分。
[0007] 所述室內超聲波差分定位方法步驟為：
[0008]設布設在屋頂固定位置處的三個信標節(jié)點坐標分別為（Xi，yi，zi)，（X2，y2，Z2)， (X3，y3，Z3)，設定參考站位置坐標為(xu，yu，zu)，下標U為參考站標號；
[0009] (1)中心站發(fā)射射頻信號，作為時間同步信號；
[0010] (2)參考站和定位終端接收到中心站發(fā)送來的時間同步信號后，發(fā)射經過偽隨機 碼調制超聲波信號；
[0011]參考站和定位終端同時發(fā)射超聲波信號，在信標節(jié)點處接收到的超聲波信號會存 在串擾現(xiàn)象;針對這一問題，該系統(tǒng)采用了擴頻編碼方式即CDMA:參考站及定位終端分別采 用兩種不同的偽隨機碼調制超聲波信號并發(fā)射;信標節(jié)點處，接收并處理超聲波信號以區(qū) 分參考站及定位終端信號達到時間；
[0012] (3)安裝在室內固定位置處的信標節(jié)點接收到中心站發(fā)來的時間同步信號后，啟 動定時器，接收超聲波信號，并進行自相關運算以區(qū)分參考站及定位終端信號。進行測距， 分別得到參考站及定位終端到信標節(jié)點k的距離信息
[0013] 上述k為三個信標節(jié)點編號，k = l，2,3;
[0014] 上述P'k為測得的參考站到信標節(jié)點k的距離，P'rkS測得的定位終端到信標節(jié)點 k的距離；
[0015] (4)將參考站到信標節(jié)點之間距離測量值與標準值通過公式（1)比較得到參考站 到信標節(jié)點k的測量偽距誤差△ Uk，A uk為參考站到信標節(jié)點k的測量偽距誤差距離；
[0016] Auk = Puk-P/uk (1)
[0017] 式中puk為參考站到信標節(jié)點k的標準距離；
[0018] (5)根據第(4)步得到的偽距修正數(shù)Auk通過公式(2)修正定位終端到信標節(jié)點之 間的測量距離；
[0019] Prk = P/rk+Auk (2)
[0020] (6)當?shù)玫蕉ㄎ唤K端到三個信標節(jié)點之間的修正后的偽距測量值，通過公式(3)即 可解算出三維坐標，得到更高精度的定位終端位置坐標信息。
[0022]由此可知，根據參考站得到目標節(jié)點到信標節(jié)點的測量偽距修正系數(shù)，通過差分 方法即可精確測得目標節(jié)點的三維坐標(X，y，z)。
[0023] 表1是本發(fā)明定位誤差結果對比表。
[0024] 表1定位誤差結果對比表
[0026]本發(fā)明的有益效果:室內超聲波差分定位方法可以消除由于超聲波速度誤差、硬 件延時誤差、安裝誤差以及其他誤差引起的測量偽距誤差，從而提高定位解算精度；引入了 擴頻編碼技術可以消除各路超聲波信號之間的串擾現(xiàn)象;相對于現(xiàn)有的超聲波定位方法而 言，通過超聲波差分定位方法得到的定位終端的位置信息精度更高。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明所述室內超聲波差分定位系統(tǒng)構成圖；
[0028]圖中：1.信標1 2.信標2 3.信標3 4.信標4 5.定位終端6.參考站7.超聲 波信號8.中心站；
[0029]圖2是本發(fā)明擴頻編碼方法實現(xiàn)原理圖；
[0030]圖3是本發(fā)明具體實施信標節(jié)點布設圖；
[0031 ]圖4是本發(fā)明定位誤差結果對比圖；
[0032] 圖中：A為傳統(tǒng)定位誤差B為養(yǎng)分定位誤差橫坐標為數(shù)據編號，縱坐標為定位 誤差/cm〇
【具體實施方式】
[0033] 為了實現(xiàn)高精度的室內超聲波三維定位，本發(fā)明提供了一種超聲波差分定位方 法。下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細的說明：
[0034] 室內超聲波差分定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結構組成：
[0035] 如圖1室內超聲波定位系統(tǒng)結構組成圖，其主要由中心站、信標節(jié)點、定位終端以 及參考站四部分組成。四部分具體定位步驟如下：
[0036]設布設在屋頂固定位置處的三個信標節(jié)點坐標分別為（Xi，yi，zi)，（X2，y2，Z2)， (X3，y3，z3)，設定參考站位置坐標為(Xu，yu，zu)，下標U為參考站標號；
[0037] (1)中心站發(fā)射射頻信號，作為時間同步信號；
[0038] (2)參考站和定位終端接收到中心站發(fā)送來的時間同步信號后，發(fā)射經過偽隨機 碼調制超聲波信號；
[0039] 進一步地，為實現(xiàn)室內超聲波差分定位方法，該系統(tǒng)采用了擴頻編碼方式(CDMA)， 其具體實現(xiàn)方法如圖2所示：
[0040] 發(fā)射端，參考站及定位終端分別采用兩種不同的偽隨機碼調制超聲波信號并發(fā) 射;信標節(jié)點處，接收并處理超聲波信號以區(qū)分參考站及定位終端信號達到時間。其具體實 現(xiàn)方法屬于本領域公知的現(xiàn)有技術領域這里不做具體介紹。
[0041 ] (3)安裝在室內固定位置處的信標節(jié)點接收到中心站發(fā)來的時間同步信號后，啟 動定時器，接收超聲波信號，并進行自相關運算以區(qū)分參考站及定位終端信號。進行測距， 分別得到參考站及定位終端到信標節(jié)點k的距離信息
[0042] 上述k為三個信標節(jié)點編號，k = l，2,3;
[0043] 上述P'k為測得的參考站到信標節(jié)點k的距離，測得的定位終端到信標節(jié)點 k的距離；
[0044] (4)將參考站到信標節(jié)點之間距離測量值與標準值通過公式(4)比較得到參考站 到信標節(jié)點k的測量偽距誤差△ Uk，A uk為參考站到信標節(jié)點k的測量偽距誤差距離；
[0045] Auk = Puk-P/uk (4)
[0046 ]式中puk為參考站到信標節(jié)點k的標準距離。
[0047] (5)根據第(4)步得到的偽距修正數(shù)Auk通過公式(5)修正定位終端到信標節(jié)點之 間的測量距離；
[0048] Prk = P7rk+Auk (5)
[0049] (6)當?shù)玫蕉ㄎ唤K端到三個信標節(jié)點之間的修正后的偽距測量值，通過公式(6)即 可解算出三維坐標，得到更高精度的定位終端位置坐標信息。
[0051]由此可知，根據參考站得到目標節(jié)點到信標節(jié)點的測量偽距修正系數(shù)，通過差分 方法即可精確測得目標節(jié)點的三維坐標(X，y，Z)。
[0052]根據系統(tǒng)構成圖進行了具體實施案例：在屋頂1.6m*l.6m的區(qū)域布設四個信標節(jié) 點如圖3所示，四個信標節(jié)點三維坐標(坐標單位:mm)分別為(0，0，392、5) (1600，0，3925)、 (1600，1600，3925)、（0，1600，3925)，地面放置參考站及定位終端，進行室內超聲波定位實 驗，分別采用傳統(tǒng)超聲波定位方法以及超聲波差分定位方法(取正方形區(qū)域中心點作為參 考點，提取偽距誤差修正數(shù))進行定位運算，定位誤差表以及誤差比較圖分別見表1和圖4， 結合圖表可以看出，采用超聲波差分定位方法可以更好地提高定位精度，適用于室內精確 定位。
[0053]表1是本發(fā)明定位誤差結果對比表。
[0054] 表1定位誤差結果對比表
[0057] 上述給出了本發(fā)明的一個具體實施案例，室內超聲波差分定位方法可以實現(xiàn)室內 物體的精確定位。本發(fā)明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技 術。
[0058] 上面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作了說明，但本發(fā)明并不局限于上述實施方 式，在本領域的技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出 各種變化。
【主權項】
1. 一種室內超聲波差分定位方法，其特征在于:所述定位系統(tǒng)結構包括:室內超聲波定 位系統(tǒng)由中屯、站、信標節(jié)點、定位終端W及參考站四部分； 所述室內超聲波差分定位方法步驟為： 設布設在屋頂固定位置處的Ξ個信標節(jié)點坐標分別為(xi，yi，zi)，（X2，y2，Z2)，（X3，y3, Z3)，設定參考站位置坐標為(Xu，yu，Zu)，下標U為參考站標號； (1) 中屯、站發(fā)射射頻信號，作為時間同步信號； (2) 參考站和定位終端接收到中屯、站發(fā)送來的時間同步信號后，發(fā)射經過偽隨機碼調 制超聲波信號； 參考站和定位終端同時發(fā)射超聲波信號，在信標節(jié)點處接收到的超聲波信號會存在串 擾現(xiàn)象;針對運一問題，該系統(tǒng)采用了擴頻編碼方式即CDMA:參考站及定位終端分別采用兩 種不同的偽隨機碼調制超聲波信號并發(fā)射;信標節(jié)點處，接收并處理超聲波信號W區(qū)分參 考站及定位終端信號達到時間； (3) 安裝在室內固定位置處的信標節(jié)點接收到中屯、站發(fā)來的時間同步信號后，啟動定 時器，接收超聲波信號，并進行自相關運算W區(qū)分參考站及定位終端信號。進行測距，分別 得到參考站及定位終端到信標節(jié)點k的距離信息p/ uk，p/ rk; 上述k為Ξ個信標節(jié)點編號，k = 1，2，3; 上述i/uk為測得的參考站到信標節(jié)點k的距離，為測得的定位終端到信標節(jié)點k的距 離； (4) 將參考站到信標節(jié)點之間距離測量值與標準值通過公式（1)比較得到參考站到信 標節(jié)點k的測量偽距誤差Δ uk，Δ uk為參考站到信標節(jié)點k的測量偽距誤差距離；(1) 式中Puk為參考站到信標節(jié)點k的標準距離； (5) 根據第(4)步得到的偽距修正數(shù)Auk通過公式(2)修正定位終端到信標節(jié)點之間的 測量距離；(2) (6) 當?shù)玫蕉ㄎ唤K端到Ξ個信標節(jié)點之間的修正后的偽距測量值，通過公式(3)即可解 算出Ξ維坐標，得到更高精度的定位終端位置坐標信息。陽： 由此可知，根據參考站得到目標節(jié)點到信標節(jié)點的測量偽距修正系數(shù)，通過差分方法 即可精確測得目標節(jié)點的Ξ維坐標(X，y，Z)。
【專利摘要】一種室內超聲波差分定位方法,所述定位系統(tǒng)結構包括：室內超聲波定位系統(tǒng)由中心站、信標節(jié)點、定位終端以及參考站四部分。本發(fā)明所述室內超聲波差分定位方法可以消除由于超聲波速度誤差、硬件延時誤差、安裝誤差以及其他誤差引起的測量偽距誤差，從而提高定位解算精度；引入了擴頻編碼技術可以消除各路超聲波信號之間的串擾現(xiàn)象；相對于現(xiàn)有的超聲波定位方法而言，通過超聲波差分定位方法得到的定位終端的位置信息精度更高。
【IPC分類】G01S5/26
【公開號】CN105572639
【申請?zhí)枴緾N201610004447
【發(fā)明人】熊劍, 周先贊, 楊祖華, 郭杭, 林舟杰, 馬號, 徐江穎, 楊歡
【申請人】南昌大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年1月6日