專利名稱：一種室內(nèi)自定位的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種室內(nèi)自定位的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
說到定位系統(tǒng)，大家首先想到的是在生活中應(yīng)用廣泛的GPS全球定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在全球范圍內(nèi)提供精度為數(shù)米的定位服務(wù)，然而在室內(nèi)環(huán)境下GPS信號受到建筑物的影響信號嚴重衰減，定位精度變差，甚至不能進行定位服務(wù)，并且室內(nèi)環(huán)境中的人、物體等目標一般為米級大小，顯然GPS的定位精度不能滿足要求，為了能夠更好的區(qū)分物體，估計位置，需要定位系統(tǒng)提供更高的定位精度，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)恰好能滿足高精度的定位需求。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的檢測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點監(jiān)測消息中所包含的重要信息，這是進一步采取措施和做出決策的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、機器人導(dǎo)航、火災(zāi)救援、跟蹤系統(tǒng)等領(lǐng)域都有非常重要的地位，尤其是家庭服務(wù)機器人領(lǐng)域，人們需要一種應(yīng)用于室內(nèi)的、能夠?qū)ψ陨砦锢砦恢眠M行精確定位的系統(tǒng)。在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，人們常常使用超聲波信號，利用超聲波信號的到達時間來估算位置的原理在麻省理工大學(xué)的Cricket系統(tǒng)和中國發(fā)明專利一種跟蹤多移動目標的室內(nèi)精確定位方法和自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法中均有類似應(yīng)用。麻省理工大學(xué)的Cricket系統(tǒng)中，包含若干不相連接的超聲波定位信標發(fā)射機，每個超聲波定位信標發(fā)射機都包含射頻和超聲波發(fā)射器。其工作方式采用了被動檢測方式，在工作期間，各個射頻發(fā)射器如果偵聽到清楚的射頻頻道就同時發(fā)射射頻和超聲波信號，被動檢測接收機首先將接收到的射頻信號用于與各個超聲波定位信標發(fā)射機建立同步，然后接收超聲波信號，從而使用TDOA(到達時間差)方式來測量其自身與發(fā)射機之間的距離，當接收到多于3個TDOA樣本時接收機就可以估算其自身位置。但是，其各個信標發(fā)射機要根據(jù)其協(xié)調(diào)機制不斷發(fā)射超聲波射頻信號，增加了系統(tǒng)功耗；被動檢測接收機一次只能與一個信標進行TDOA測距，完成定位至少需要三次TDOA測距，增加了系統(tǒng)完成一次定位的時間，減小了系統(tǒng)定位頻率；對于放在移動物體上的接收機，與不同信標發(fā)射機進行TDOA測距，其位置可能發(fā)生移動，導(dǎo)致移動目標距離樣本不同步，從而導(dǎo)致對動態(tài)目標的定位精度變差。在一種跟蹤多移動目標的室內(nèi)精確定位方法中，同樣利用射頻和超聲波的TDOA測距原理，采用徽章主動發(fā)射方式，通過位置計算單元實現(xiàn)了對多個移動徽章的跟蹤，但其中描述徽章不能獲得自身的位置信息，不能實現(xiàn)自定位功能，其結(jié)構(gòu)圖見圖I。自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法描述了一種自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)，與Cricket系統(tǒng)相似，采 用了被動接收同步信號和超聲波信號的方法，其中定位信標發(fā)射裝置被配置為在發(fā)射包括同步信息的信號之后按照預(yù)定順序以預(yù)定時間間隔輪發(fā)多個超聲波信號，其中發(fā)射超聲波信號的裝置為信標發(fā)射裝置上的多個不同位置的超聲波發(fā)射器；定位信標接收裝置被配置為在檢測到同步信息之后執(zhí)行與定位信標發(fā)射裝置的時間同步，基于所獲得的同步時間來確定接收到的各個超聲波信號的發(fā)射順，根據(jù)發(fā)射順序來推斷所接收的各個超聲波信號的發(fā)射時間，使用所接收到的各個超聲波信號的發(fā)射時間和接收時間來計算其相對應(yīng)的TDOA信息，基于定位信標發(fā)射裝置中的各個超聲波發(fā)射器的位置和所計算得到的TDOA信息序列來確定定位信標接收裝置自己的位置，但其信標定位發(fā)射裝置包括多個在不同位置部署的超聲波發(fā)射器，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和部署難度；與Cricket系統(tǒng)類似，在對移動目標定位時會增大定位誤差，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種室內(nèi)自定位方法及系統(tǒng)，以達到系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、定位快速、計算量小、高精度的目的。一種室內(nèi)自定位的方法，包括以下步驟步驟I :啟動放置在天花板的信標裝置，各個信標裝置內(nèi)部的溫度傳感器模塊進行溫度測量，并進入射頻信號接收狀態(tài)；步驟2 :自定位裝置的通信模塊接收從計算裝置發(fā)送的定位請求；步驟3 :自定位裝置向信標裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號，其中射頻信號攜帶自定位裝置的身份標識號碼信息；步驟4:信標裝置接收到射頻信號后，檢測接收到射頻信號攜帶的身份標識號碼信息與自定位裝置的身份標識號碼信息是否相同，若不相同則放棄，返回等待射頻接收狀態(tài)；若相同則進行一次測距；步驟5 :所有信標裝置在檢測到從自定位裝置發(fā)送的超聲波信號后，記錄超聲波到達時間，并將信標裝置編號、時間信息和溫度信息打包成數(shù)據(jù)包，根據(jù)信標裝置編號順序依次將數(shù)據(jù)包通過無線通訊的形式發(fā)送給自定位裝置，其中的溫度信息為信標裝置在啟動時通過信標裝置內(nèi)部溫度傳感器模塊測量得到；步驟6 :自定位裝置根據(jù)各信標裝置獲得的溫度信息計算出室內(nèi)的平均溫度，然后計算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置的時間信息，計算出各信標裝置與自定位裝置的距離；步驟7 :自定位裝置將計算得到的各個信標裝置與自定位裝置的距離數(shù)據(jù)傳輸給計算裝置，計算裝置根據(jù)事先建立的室內(nèi)坐標系、信標裝置坐標和各信標裝置與自定位裝置的距離，計算出移動裝置的平面坐標，完成一次定位。步驟6所述的計算出超聲波在空氣中的傳播速度,其計算公式如下V = 331. 5+0. 607T式中V為超聲波在空氣中的傳播速度；T為室內(nèi)平均溫度；步驟6所述的根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置的時間信息，計算出各信標裝置與自定位裝置的距離，其計算公式如下Di = VX Timi+ e 式中=Di為各信標裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標裝置的距離；Timi為超聲波信號從待定位目標裝置傳播到達各個信標裝置的時間；
e為距離補償因子。所述一種室內(nèi)自定位系統(tǒng)，包括計算裝置和移動裝置，還包括信標裝置和自定位裝置，其中信標裝置用于接收射頻信號和超聲波信號，通過信標裝置內(nèi)部處理器測量超聲波信號從發(fā)出到到達信標裝置的時間，并將上述時間信息、信標裝置內(nèi)部的溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標裝置編號信息打包成數(shù)據(jù)包發(fā)送給自定位裝置；自定位裝置用于接收計算裝置發(fā)出的定位命令，并向信標裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號；接收從各個信標裝置發(fā)送的射頻信號，所述射頻信號包含數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的時間信息、溫度信息和信標裝置編號信息計算出自定位裝置與信標裝置距離，將距離 信息發(fā)送給計算裝置。所述的信標裝置包括溫度傳感器模塊、超聲波接收模塊、信標裝置的處理器模塊和信標裝置的射頻模塊，其中溫度傳感器模塊用于測量環(huán)境溫度，并將溫度信息傳遞給信標裝置內(nèi)部處理器模塊；超聲波接收模塊用于接收從自定位裝置發(fā)送的超聲波信號，并將超聲波信號傳遞給信標裝置內(nèi)部的處理器模塊；信標裝置的處理器模塊用于測量從自定位裝置發(fā)送的超聲波到達信標裝置的時間，并將上述時間信息、溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標裝置編號信息打包成數(shù)據(jù)包，傳遞給射頻模塊；信標裝置的射頻模塊用于接收和發(fā)送射頻信號，接收從自定位裝置發(fā)送的射頻信號，并將射頻信號傳遞給信標裝置內(nèi)部處理器模塊；通過無線通訊將包含上述數(shù)據(jù)包的射頻信號發(fā)送給自定位裝置。所述的自定位裝置包括自定位裝置的射頻模塊、超聲波發(fā)射模塊、通信模塊和自定位裝置的處理器模塊，其中自定位裝置的射頻模塊用于接收和發(fā)送射頻信號，接收從信標裝置發(fā)送的射頻信號，并將射頻信號傳遞給自定位裝置內(nèi)部處理器模塊；通過無線通訊將包含有身份標識號碼信息的射頻信號發(fā)送給信標裝置；超聲波發(fā)射模塊用于發(fā)送超聲波信號，通過無線通訊方式將超聲波信號傳遞給信標裝置；通信模塊用于實現(xiàn)處理器模塊與計算裝置的通信；自定位裝置的處理器模塊用于接收計算裝置定位命令；控制射頻模塊發(fā)送射頻信號；控制超聲波模塊發(fā)送超聲波信號；接收信標裝置發(fā)送的射頻信號，所述的射頻信號包含數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)的時間信息、溫度信息和信標裝置編號信息計算出自定位裝置與信標裝置距離，將距離信息發(fā)送給計算裝置。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明一種室內(nèi)自定位的方法及系統(tǒng)，上述系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對自身裝置進行定位，不需要連接器和與之連接的位置計算單元；能夠在室內(nèi)環(huán)境中工作；數(shù)據(jù)傳輸均通過無線形式，裝置可以獨立工作，系統(tǒng)耦合性弱，便于部署；通過對信號的身份標識號碼(ID)識另IJ，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力；定位精度高，平均定位誤差小于3cm;移動目標定位精度與靜止目標相同，定位速度快，具有較高的定位頻率；信標裝置和自定位裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，方便安裝和攜帶。


圖I為一種跟蹤多移動目標的室內(nèi)精確定位方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明一種實施例的系統(tǒng)組成和工作原理不意圖；圖4為本發(fā)明一種實施例的信標裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖5為本發(fā)明一種實施例的信標裝置電源模塊電路原理圖；圖6為本發(fā)明一種實施例的信標裝置溫度傳感器模塊電路原理圖； 圖7為本發(fā)明一種實施例的信標裝置處理器模塊電路原理圖；圖8為本發(fā)明一種實施例的信標裝置超聲波接收模塊電路原理圖；圖9為本發(fā)明一種實施例的自定位裝置系統(tǒng)框圖；圖10為本發(fā)明一種實施例的自定位裝置超聲波發(fā)射模塊電路原理圖；圖11為本發(fā)明一種實施例的自定位裝置電源模塊電路原理圖；圖12為本發(fā)明一種實施例的室內(nèi)自定位方法的流程圖；圖13為本發(fā)明一種實施例的信標裝置工作流程圖；圖14為本發(fā)明一種實施例的自定位裝置工作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步描述。如圖3為本發(fā)明一種實施例的系統(tǒng)組成和工作原理示意圖，該系統(tǒng)包括信標裝置、自定位裝置、計算裝置和移動裝置。本實施例中，信標裝置放置在室內(nèi)天花板上(放置的位置沒有具體要求)，信標裝置的位置已事先進行測量獲得，并將信標裝置的坐標數(shù)據(jù)保存在計算裝置(可以是手持個人計算機、嵌入式設(shè)備或者移動機器人上的處理器，本實施例中計算裝置采用移動機器人上的處理器)建立的室內(nèi)坐標系中。計算裝置的數(shù)據(jù)輸入輸出端與自定位裝置的數(shù)據(jù)輸出輸入端相連接，所述的計算裝置安裝在移動裝置的一端，自定位裝置安裝在移動裝置的另一端，本實施例中移動裝置采用移動機器人。在本發(fā)明實施例中，為了使自定位裝置獲得準確的位置信息，自定位裝置需要至少在三個信標裝置的感知范圍內(nèi)。射頻信號的感知范圍一般可以充滿整個房間，故其感知范圍可忽略不計，而超聲波信號一般具有一定的作用角度，故要保證在其作用角度內(nèi)有三個信標裝置。具體部署方法隨信標裝置的位置不同而不同。圖4為本發(fā)明一種實施例的信標裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本實施例中信標裝置處理器模塊403中的處理器采用了 TI公司的CC2430型芯片；由于CC2430芯片內(nèi)嵌一個高性能的
2.4GHz直接序列擴頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心，故在本實施例中不再需要單獨的射頻模塊404 ;本實施例超聲波接收模塊405的超聲波接收電路采用了 SONY公司的CX20106A型紅外線接收電路專用集成芯片，處理器通過Pl_5引腳接收來自超聲波接收模塊405的信號；本實施例溫度傳感器模塊402采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20型一線制數(shù)字溫度傳感器，處理器通過Pl_4引腳接收來自溫度傳感器模塊402的信號；電源模塊401采用美國國家半導(dǎo)體公司的LM7805電源穩(wěn)壓芯片、美國國家半導(dǎo)體公司的LM1117電源穩(wěn)壓芯片，并采用7. 2V鋰電池或5節(jié)I. 5V電池，通過3. 3V電壓輸出端為處理器模塊403、溫度傳感器模塊402提供工作電壓，通過5V電壓輸出端為超聲波接收模塊405提供工作電壓。圖5為本發(fā)明一種實施例的信標裝置電源模塊401電路原理圖，本實施例采用
7.2V鋰電池輸入電源，首先通過電容進行濾波，再通過LM7805電源穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的5V電壓。5V電源其中一路輸出給超聲波接收模塊405中的CX20106A芯片，另一路通過LM1117電源穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的3. 3V電壓，為處理器模塊403、溫度傳感器模塊402提供工作電壓。圖6為本發(fā)明一種實施例的信標裝置溫度傳感器模塊402電路原理圖。該溫度傳感器通過低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振的計數(shù)比較獲得測量溫度，并通過斜率累加器補償和修正測溫過程中的非線性，最終通過簡單的一線制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議輸出測量溫度，將上述測量溫度通過溫度傳感器模塊402的輸出端輸出給處理器CC2430芯片的Pl_4引腳。
圖7為本發(fā)明一種實施例的信標裝置處理器模塊403電路原理圖，本實施例中處理器采用了 TI公司的CC2430芯片；通過處理器內(nèi)部的16位定時器測量超聲波信號的到達時間，并將上述時間信息、溫度傳感器模塊402測量的溫度信息和信標裝置編號信息(例三個信標裝置編號信息則分別為I號、2號、3號)打包成數(shù)據(jù)包傳遞給射頻模塊。其射頻模塊接收信號的工作原理為接收到射頻信號后，經(jīng)過處理器內(nèi)部的低噪聲放大器放大，并且將收到的同相信號和正交相位信號降頻轉(zhuǎn)換為中頻信號，過濾掉殘余在中頻信號中的I/Q(同相正交)信號后，放大中頻信號，然后通過ADC(模數(shù)變換器)數(shù)字化、自動增益控制、信道的過濾、解擴頻、符號相關(guān)和字節(jié)同步等處理，并置位幀開始界定符，處理器可以通過幀開始界定符判斷是否接收到射頻信號。處理器模塊403內(nèi)部CC2430芯片將收到的數(shù)據(jù)緩沖存入128字節(jié)的RX FIFO (接收先入先出)隊列，用戶通過處理器內(nèi)部的特殊功能寄存器來讀取RX FIFO隊列中的數(shù)據(jù)，完成射頻信號檢測及數(shù)據(jù)的接收。射頻信號同樣由處理器模塊403內(nèi)部的CC2430芯片內(nèi)的射頻模塊發(fā)出，其工作原理為將數(shù)據(jù)存放在128字節(jié)的TX FIF0(發(fā)送先入先出)之中，要發(fā)送的幀引導(dǎo)序列和幀開始界定符由處理器模塊內(nèi)部CC2430芯片內(nèi)的射頻模塊自動產(chǎn)生，每個符號使用IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)802. 15. 4擴展序列擴展為32位碼片序列，輸出到處理器內(nèi)部DAC中，經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換的信號，通過射頻模塊內(nèi)部模擬低通濾波器送到射頻模塊內(nèi)部90° I/Q相移升頻轉(zhuǎn)換混頻器，最后射頻信號通過射頻模塊內(nèi)部功率放大器饋送到天線將其發(fā)送出去。圖8為本發(fā)明一種實施例的信標裝置超聲波接收模塊405電路原理圖，處理器通過Pl_5引腳接收來自超聲波接收模塊405的信號。超聲波接收模塊405中的超聲波接收探頭采用了訂制的大角度超聲波接收探頭，其中心諧振頻率為40±2. OKHz，發(fā)射聲壓大于105dB，接收靈敏度大于_74dB，發(fā)射波束角為60°，工作溫度為-40 +80°C，工作電壓為300 500VP-P。為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本實施例超聲波接收電路采用了 SONY公司的CX20106A型紅外線接收電路專用集成芯片，信號通過芯片內(nèi)部的前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路后，將信號傳遞給處理器CC2430芯片。圖9為本發(fā)明一種實施例的自定位裝置系統(tǒng)框圖，其中處理器模塊903中的處理器同樣采用了 TI公司的CC2430型芯片，內(nèi)嵌一個高性能的2. 4GHz射頻收發(fā)器核心，使用其內(nèi)嵌射頻模塊取代單獨的射頻模塊；此外，通過處理器CC2430型芯片內(nèi)部的UART(通用異步接收/發(fā)送裝置)實現(xiàn)與計算裝置的數(shù)據(jù)和命令通信，取代單獨的通信模塊905 ;處理器CC2430芯片通過P14引腳向超聲波發(fā)射模塊901發(fā)送信號；計算裝置為電源模塊902提供5V電源，電源模塊902采用LMl117穩(wěn)壓芯片，3. 3V輸出端給處理器CC2430芯片提供穩(wěn)定的3. 3V工作電壓，計算裝置為超聲波發(fā)射模塊901提供5V工作電壓。實施例的自定位裝置處理器模塊903與信標裝置中的處理器模塊403 —樣，均采用了 TI公司的CC2430芯片；通過處理器CC2430芯片的Pl_4 口控制超聲波發(fā)射模塊901發(fā)送超聲波信號；通過處理器內(nèi)部的UART(通用異步接收/發(fā)送裝置)實現(xiàn)與計算裝置的數(shù)據(jù)和命令通信，取代單獨的通信模塊905 ;通過控制射頻模塊接收和發(fā)送射頻信號，其工作原理與信標裝置中的處理器模塊403 —致，在此不再復(fù)述。圖10為本發(fā)明一種實施例的自定位裝置超聲波發(fā)射模塊901電路原理圖。處理器CC2430芯片通過P15引腳控制超聲波發(fā)射模塊901發(fā)射超聲波信號。超聲波發(fā)射模塊901同樣采用了訂制的大角度超聲波發(fā)射探頭，其中心諧振頻率為40±2. OKHz，發(fā)射聲壓 大于105dB，接收靈敏度大于-74dB，發(fā)射波束角為60°，工作溫度為-40 +80°C，工作電壓為300 500VP-P。處理器CC2430芯片產(chǎn)生20個周期的40KHz方波脈沖，通過P14引腳發(fā)送給超聲波發(fā)射模塊901，接收到的方波脈沖信號送入超聲波發(fā)射模塊901電路中三極管基極，然后將其脈沖信號加到超聲波發(fā)射模塊901內(nèi)部的高頻升壓變壓器進行電壓信號的放大，使電壓幅值增加到300V，高頻升壓變壓器的次級線圈與發(fā)射器構(gòu)成諧振回路，從而使發(fā)射器發(fā)出超聲波信號。該電路提高了超聲發(fā)射傳感器的瞬間發(fā)射功率，且有較低的系統(tǒng)功耗。圖11為本發(fā)明一種實施例的自定位裝置電源模塊902電路原理圖。由于電源模塊902與計算裝置配合使用，所以可從計算裝置獲得5V電源，電源模塊902電路輸入的5V電源首先通過電容濾波，再通過LM1117穩(wěn)壓芯片輸出給處理器CC2430芯片穩(wěn)定的3. 3V工作電壓。計算裝置為超聲波發(fā)射模塊901提供5V工作電壓。圖12為本發(fā)明一種實施例的室內(nèi)自定位的方法的流程圖。一種室內(nèi)自定位的方法，包括以下步驟步驟I :啟動放置在天花板的信標裝置，各個信標裝置內(nèi)部的溫度傳感器模塊進行溫度測量，并進入射頻信號接收狀態(tài)；步驟2 :自定位裝置的通信模塊接收從計算裝置發(fā)送定位請求；步驟3 :自定位裝置向信標裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號(射頻信號和超聲波信號同時發(fā)送)，其中射頻信號攜帶自定位裝置的身份標識號碼信息；步驟4:信標裝置接收到射頻信號后，檢測接收到射頻信號攜帶的身份標識號碼信息與自定位裝置的身份標識號碼信息是否相同，若不相同則放棄，返回等待射頻接收狀態(tài)執(zhí)行步驟4 ;若相同則進行一次測距，執(zhí)行步驟5 ；步驟5 :所有信標裝置在檢測到從自定位裝置發(fā)送的超聲波信號后，記錄超聲波到達時間，并將信標裝置編號、時間信息和溫度信息打包成數(shù)據(jù)包，根據(jù)信標裝置編號順序依次將數(shù)據(jù)包通過無線通訊的形式發(fā)送給自定位裝置，其中的溫度信息為信標裝置在啟動時通過信標裝置內(nèi)部溫度傳感器模塊測量得到；步驟6 :自定位裝置根據(jù)各信標裝置獲得的溫度信息計算出室內(nèi)的平均溫度，然后計算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置的時間信息，計算出各信標裝置與自定位裝置的距離；步驟7 :自定位裝置將計算得到的各個信標裝置與自定位裝置的距離數(shù)據(jù)傳輸給計算裝置，計算裝置根據(jù)事先建立的坐標系、信標裝置坐標和各信標裝置與自定位裝置的距離，計算出移動裝置的平面坐標，完成一次定位。在本實施例中，自定位裝置內(nèi)部處理器獲得的第i個信標裝置所測量的環(huán)境溫度Ti,通過對各個信標的測量溫度求均值，獲得環(huán)境平均溫度T。具體計算公式如公式(1)，n為收到的信標裝置數(shù)據(jù)的信標裝置個數(shù)
權(quán)利要求
1.一種室內(nèi)自定位的方法，其特征在于包括以下步驟 步驟I:啟動放置在室內(nèi)天花板的信標裝置，各個信標裝置內(nèi)部的溫度傳感器模塊進行溫度測量，并進入射頻信號接收狀態(tài)； 步驟2 :自定位裝置的通信模塊接收從計算裝置發(fā)送的定位請求； 步驟3 :自定位裝置向信標裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號，其中射頻信號攜帶自定位裝置的身份標識號碼信息； 步驟4 :信標裝置接收到射頻信號后，檢測接收到射頻信號攜帶的身份標識號碼信息與自定位裝置的身份標識號碼信息是否相同，若不相同則放棄，返回等待射頻接收狀態(tài)；若相同則進行一次測距； 步驟5 :所有信標裝置在檢測到從自定位裝置發(fā)送的超聲波信號后，記錄超聲波到達時間，并將信標裝置編號、時間信息和溫度信息打包成數(shù)據(jù)包，根據(jù)信標裝置編號順序依次將數(shù)據(jù)包通過無線通訊的形式發(fā)送給自定位裝置，其中的溫度信息為信標裝置在啟動時通過信標裝置內(nèi)部溫度傳感器模塊測量得到； 步驟6 :自定位裝置根據(jù)各信標裝置獲得的溫度信息計算出室內(nèi)的平均溫度，然后計算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置的時間信息，計算出各信標裝置與自定位裝置的距離； 步驟7 :自定位裝置將計算得到的各個信標裝置與自定位裝置的距離數(shù)據(jù)傳輸給計算裝置，計算裝置根據(jù)事先建立的室內(nèi)坐標系、信標裝置坐標和各信標裝置與自定位裝置的距離，計算出移動裝置的平面坐標，完成一次定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種室內(nèi)自定位的方法，其特征在于步驟6所述的計算出超聲波在空氣中的傳播速度，其計算公式如下V = 331. 5+0. 607T 式中V為超聲波在空氣中的傳播速度； T為室內(nèi)平均溫度； 所述的根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置的時間信息，計算出各信標裝置與自定位裝置的距離，其計算公式如下Di = VXTimi+ e 式中=Di為各信標裝置的屋頂平面鏡像與自定位目標裝置的距離； Timi為超聲波信號從待定位目標裝置傳播到達各個信標裝置的時間； ￡為距離補償因子。
3.采用權(quán)利要求I所述一種室內(nèi)自定位系統(tǒng)，包括計算裝置和移動裝置，其特征在于還包括信標裝置和自定位裝置，其中 信標裝置用于接收射頻信號和超聲波信號，通過信標裝置內(nèi)部處理器測量超聲波信號從發(fā)出到到達信標裝置的時間，并將上述時間信息、信標裝置內(nèi)部的溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標裝置編號信息打包成數(shù)據(jù)包； 自定位裝置用于接收計算裝置發(fā)出的定位命令，并向信標裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號；接收從各個信標裝置發(fā)送的射頻信號，所述射頻信號包含數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的時間信息、溫度信息和信標裝置編號信息計算出自定位裝置與信標裝置距離，將距離信息發(fā)送給計算裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種室內(nèi)自定位系統(tǒng)，其特征在于所述的信標裝置包括溫度傳感器模塊、超聲波接收模塊、信標裝置的處理器模塊和信標裝置的射頻模塊，其中 溫度傳感器模塊用于測量環(huán)境溫度，并將溫度信息傳遞給信標裝置內(nèi)部處理器模塊； 超聲波接收模塊用于接收從自定位裝置發(fā)送的超聲波信號，并將超聲波信號傳遞給信標裝置內(nèi)部的處理器模塊； 信標裝置的處理器模塊用于測量從自定位裝置發(fā)送的超聲波到達信標裝置的時間，并將上述時間信息、溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標裝置編號信息打包成數(shù)據(jù)包，傳遞給射頻模塊； 信標裝置的射頻模塊用于接收和發(fā)送射頻信號，接收從自定位裝置發(fā)送的射頻信號，并將射頻信號傳遞給信標裝置內(nèi)部處理器模塊；通過無線通訊將包含上述數(shù)據(jù)包的射頻信號發(fā)送給自定位裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種室內(nèi)自定位系統(tǒng)，其特征在于所述的自定位裝置包括自定位裝置的射頻模塊、超聲波發(fā)射模塊、通信模塊和自定位裝置的處理器模塊，其中 自定位裝置的射頻模塊用于接收和發(fā)送射頻信號，接收從信標裝置發(fā)送的射頻信號，并將射頻信號傳遞給自定位裝置內(nèi)部處理器模塊；通過無線通訊將包含有身份標識號碼信息的射頻信號發(fā)送給信標裝置； 超聲波發(fā)射模塊用于發(fā)送超聲波信號，通過無線通訊將超聲波信號傳遞給信標裝置； 通信模塊用于實現(xiàn)處理器模塊與計算裝置的通信； 自定位裝置的處理器模塊用于接收計算裝置定位命令；控制射頻模塊發(fā)送射頻信號；控制超聲波模塊發(fā)送超聲波信號；接收信標裝置發(fā)送的射頻信號，所述的射頻信號包含數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)的時間信息、溫度信息和信標裝置編號信息計算出自定位裝置與信標裝置距離，將距離信息發(fā)送給計算裝置。
全文摘要
一種室內(nèi)自定位的方法及系統(tǒng)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括計算裝置、移動裝置、信標裝置和自定位裝置。其中自定位裝置發(fā)出同步射頻信號和超聲波信號，多個信標裝置測量出超聲到達的時間和環(huán)境溫度，并傳輸給自定位裝置，自定位裝置根據(jù)超聲波的傳播速度計算出自定位裝置與各信標裝置的距離，并將數(shù)據(jù)傳輸給計算裝置，計算裝置根據(jù)事先建好的室內(nèi)坐標計算出自定位裝置的位置。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、定位快速、抗干擾能力強、功耗低、計算量小、精度高等特點。
文檔編號G01S5/18GK102645645SQ20121012404
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者劉鵬達, 吳成東, 張云洲, 程龍, 韓泉城 申請人:東北大學(xué)