專利名稱：一種反射式室內定位的方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于無線傳感器網絡和定位導航技術領域，具體涉及了ー種反射式室內定位的方法及系統。
背景技術：
關于定位系統，在生活中應用廣泛的是GPS全球定位系統，該系統能在全球范圍內提供精度為數米的定位服務，然而在室內環境下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，并且室內環境中的人、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，為了能夠更好的區分物體，估計位置，需要定位系統提供更高的定位精度，而無線傳感器網絡定位技術恰好能滿足高精度的定位需求。在傳感器網絡中，位置信息對傳感器網絡的檢測活動至關重要，事件發生的位置或獲取信息的節點位置是傳感器節點監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。無線傳感器網絡定位技術在環境監測、機器人導航、火災救援、跟蹤系統等領域都有非常重要的地位，尤其是家庭服務機器人領域，人們需要ー種應用于室內的、能夠對自身物理位置進行精確定位的系統。在室內定位系統中，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的Cricket系統和中國發明專利一種跟蹤多移動目標的室內精確定位方法和自治超聲波室內定位系統、裝置和方法中均有類似應用。麻省理工大學的Cricket系統中，包含若干不相連接的超聲波定位信標發射機，每個超聲波定位信標發射機都包含射頻和超聲波發射器。其工作方式采用了被動檢測方式，在工作期間，各個射頻發射器如果偵聽到清楚的射頻頻道就同時發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干與各個超聲波定位信標發射機建立同步，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，其各個信標發射機要根據其協調機制不斷發射超聲波射頻信號，増加了系統功耗；被動檢測接收機一次只能與ー個信標進行TDOA測距，完成定位至少需要三次TDOA測距，増加了系統完成一次定位的時間，減小了系統定位頻率；對于放在移動物體上的接收機，與不同信標發射機進行TDOA測距，其位置可能發生移動，導致移動目標距離樣本不同歩，從而導致對動態目標的定位精度變差。在一種跟蹤多移動目標的室內精確定位方法中，同樣利用射頻和超聲波的TDOA測距原理，采用徽章主動發射方式，通過位置計算單元實現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，不能實現自定位功能，其結構圖見圖I。自治超聲波室內定位系統、裝置和方法描述了ー種自治超聲波室內定位系統，與Cricket系統相似，采用了被動接收同步信號和超聲波信號的方法，其中定位信標發射裝置被配置為在發射包括同步信息的信號之后按照預定順序以預定時間間隔輪發多個超聲波信號，其中發射超聲波信號的裝置為信標發射裝置上的多個不同位置的超聲波發射器；定位信標接收裝置被配置為在檢測到同步信息之后執行與定位信標發射裝置的時間同步，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射順，根據發射順序來推斷所接收的各個超聲波信號的發射時間，使用所接收到的各個超聲波信號的發射時間和接收時間來計算其相對應的TDOA信息，基于定位信標發射裝置中的各個超聲波發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，但其信標定位發射裝置包括多個在不同位置部署的超聲波發射器，増加了系統的復雜度和部署難度；與Cricket系統類似，在對移動目標定位時會増大定位誤差，其系統結構圖見圖2。
發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明提供ー種反射式室內定位的方法及系統，以達到結構簡單、信標裝置部署密度低、方便實現信標裝置自部署、計算量小、精度高等目的。一種反射式室內定位的方法，該方法包括以下步驟
步驟I :啟動放置在室內地面的信標裝置，各個信標裝置內部的溫度傳感器模塊進行溫度測量，并立即進入射頻信號接收狀態；步驟2 :待定位目標裝置的通信模塊接收到其宿主裝置的定位請求后，向信標裝置發送射頻信號和超聲波信號，其中的射頻信號攜帯待定位目標裝置的身份標識號碼信息；步驟3 :信標裝置初始化，令定時器記錄值為零，并進入實時監測射頻信號狀態當信標裝置接收到射頻信號后，立即檢測接收到射頻信號攜帯的身份標識號碼信息與待定位目標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；若相同則進行一次測距；步驟4 :所有信標裝置在檢測到從待定位目標裝置發送經過屋頂反射的超聲波信號后，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據包，根據信標裝置編號順序依次將數據包通過無線通訊的形式發送給數據收集器，其中的溫度信息為信標裝置在啟動時通過信標裝置內部溫度傳感器模塊測量得到；步驟5 :數據收集器將收到的數據信息傳送給位置計算裝置，位置計算裝置首先根據各個信標裝置的溫度信息計算出室內的平均溫度，然后計算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置的時間信息，計算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各個信標裝置的距離；步驟6 :位置計算裝置根據事先建立的室內坐標系、信標裝置坐標和信標裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標裝置的距離，計算出待定位目標裝置的屋頂平面鏡像點的平面坐標，其與待定位目標裝置具有相同的平面坐標，至此完成一次定位。上述方法中步驟5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為室內平均溫度；所述的根據超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置測得的時間，計算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各信標裝置的距離，其計算公式如下Di = VXTimi+ ε
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；ε為距離補償因子。本發明的反射式室 內定位方法的系統，包括宿主裝置、位置計算裝置和移動裝置，還包括信標裝置、待定位目標裝置和數據收集器，其中信標裝置用于接收射頻信號和經屋頂平面發射的超聲波信號，通過信標裝置內部的處理器測量超聲波信號從待定位目標裝置傳播到信標裝置的到達時間，并將上述時間信息、信標裝置內部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據包發送給數據收集器；待定位目標裝置用于接收宿主裝置發出的定位命令，井向信標裝置發送射頻信號和超聲波信號；數據收集器用于接收從信標裝置發出的射頻信號，并將上述射頻信號發送給位
置計算裝置。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境溫度，并將溫度信息傳遞給信標裝置內部的處理器模塊；超聲波接收模塊用于接收從待定位目標裝置發送的經屋頂平面發射超聲波信號，并將超聲波信號傳遞給信標裝置內部的處理器模塊；信標裝置的處理器模塊用于測量從待定位目標裝置發送的超聲波傳播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的節點編號信息打包成數據包傳遞給射頻模塊；信標裝置的射頻模塊用于接收和發送射頻信號，接收從待定位目標裝置發送的射頻信號，并將射頻信號傳遞給信標裝置內部的處理器模塊；將包含時間信息、溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標裝置編號信息的數據包發送給數據收集器。所述的待定位目標裝置包括待定位目標裝置的射頻模塊、超聲波發射模塊、待定位目標裝置的通信模塊和待定位目標裝置的處理器模塊，其中待定位目標裝置的射頻模塊用于發送射頻信號，將包含有身份標識號碼信息的射頻信號發送給信標裝置；超聲波發射模塊用于發送超聲波信號至信標裝置；待定位目標裝置的通信模塊用于實現待定位目標裝置的處理器模塊與宿主裝置的通信；待定位目標裝置的處理器模塊用于接收宿主裝置定位命令；控制射頻模塊發送射頻信號；控制超聲波模塊發送超聲波信號。所述的數據收集器包括數據收集器的射頻模塊、數據收集器的通信模塊和數據收集器的處理器模塊，其中數據收集器的射頻模塊用于接收從信標裝置發送的包含數據包的射頻信號，并將射頻信號傳遞給數據收集器內部處理器模塊；數據收集器的通信模塊用于實現處理器模塊與位置計算裝置的通信；
數據收集器的處理器模塊接收信標裝置數據包，將時間信息、溫度信息和信標裝置的節點編號信息發送給位置計算裝置。本發明的優點本發明ー種反射式室內定位的方法及系統，其中，信標裝置放置在地面位置，便于實現信標裝置部署，可通過移動機器人等裝置實現自部署；超聲波信號經過平面屋頂的反射后到達信標裝置，超聲波信號在地面的作用范圍擴大一倍，減小了信標裝置的部署密度；數據傳輸均通過無線形式，信標裝置可以獨立工作，系統耦合性弱，便于部署；通過對信號的身份標識號碼(ID)進行識別，増加了系統的抗干擾能力；該系統定位精度高，平均定位誤差小于5cm ;該系統定位速度快，具有較高的定位頻率；信標裝置和待定位目標裝置結構簡單，體積小，方便安裝和攜帯。
圖I為ー種跟蹤多移動目標的室內精確定位方法系統結構圖；圖2為自治超聲波室內定位系統、裝置和方法系統結構圖；圖3為本發明一種實施例的系統組成和工作原理不意圖；圖4為本發明一種實施例的信標裝置感知范圍原理圖；圖5為本發明一種實施例的信標裝置結構框圖；圖6為本發明一種實施例的信標裝置電源模塊電路原理圖；圖7為本發明一種實施例的信標裝置溫度傳感器模塊電路原理圖；圖8為本發明一種實施例的信標裝置處理器模塊電路原理圖；圖9為本發明一種實施例的信標裝置超聲波接收模塊電路原理圖；圖10為本發明一種實施例的待定位目標裝置結構框圖；圖11為本發明一種實施例的待定位目標裝置超聲波發射模塊電路原理圖；圖12為本發明一種實施例的待定位目標裝置、數據收集器電源模塊電路原理圖；圖13為本發明一種實施例的數據收集器結構框圖；圖14為本發明一種實施例反射式室內定位的方法的流程圖；圖15為本發明一種實施例的待定位目標裝置的平面屋頂鏡像與各信標裝置的距離示意圖；圖16為本發明一種實施例的信標裝置工作流程圖；圖17為本發明一種實施例的待定位目標裝置工作流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作進ー步描述。如圖3為本發明一種實施例的系統組成和工作原理示意圖，該系統包括信標裝置、待定位目標裝置、宿主裝置、移動裝置、數據收集器和位置計算裝置。其中，宿主裝置(可以是手持個人計算機機、嵌入式設備或者移動機器人上的處理器，本實施例中采用的是移動機器人上的處理器)通過數據輸出端將定位命令傳遞給的待定位目標裝置數據輸入 端，所述的宿主裝置安裝在移動裝置的一端，待定位目標裝置安裝在移動裝置的另一端。待定位目標裝置向信標裝置發送射頻信號和超聲波信號，所述的超聲波信號由室內屋頂平面反射后，傳遞給信標裝置，信標裝置放置在室內地面(放置位置沒有具體要求)，其位置已事先測量獲得，并將信標裝置的坐標數據保存在位置計算裝置(可以是手持個人計算機或者嵌入式計算機，本實施例中計算裝置采用嵌入式計算機)建立的坐標系中。數據收集器通過數據輸出端將收集到的信標裝置的信息傳遞給位置計算裝置的數據輸入端。在本發明實施例中，為了使待定位目標裝置獲得準確的位置信息，待定位目標裝置需要至少在三個信標裝置的感知范圍內。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，超聲波信號經過屋頂反射后其作用半徑擴大一倍，具體部署方法隨信標裝置的位置不同而不同。圖4為本發明實施例的信標裝置感知范圍原理圖，相對信標裝置放置在天花板的情況而言，超聲波傳感器的感知半徑擴大一倍，部署密度大大降低。例如對于同一塊待定位面積，如果信標裝置在天花板上，定位系統需要100個信標裝置，則本實施例的信標裝置放置在地面只需要25個即可滿足要求。由于待定位目標裝置放置在地面，部署方便，且容易實現信標裝置的動態部署，尤其適合移動機器人在未知區域動態部署定位網絡。圖5為本發明一種實施例的信標裝置結構框圖，本實施例中信標裝置處理器模 塊503中的處理器采用了 TI公司的CC2430型芯片。由于CC2430芯片內嵌ー個高性能的2. 4GHz直接序列擴頻(DSSS)射頻收發器核心，故在本實施例中不再需要単獨的射頻模塊504 ;本實施例超聲波接收模塊505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Pl_5引腳連接超聲波接收電路的輸出端；本實施例溫度傳感器模塊502采用DALLAS公司生產的DS18B20型ー線制數字溫度傳感器，處理器Pl_4引腳連接溫度傳感器模塊502的輸出端；電源模塊501采用美國國家半導體公司的LM7805電源穩壓芯片、美國國家半導體公司的LM1117電源穩壓芯片，并采用7. 2V鋰電池或5節I. 5V電池，通過3. 3V電壓輸出端為信標裝置的處理器模塊503、溫度傳感器模塊502提供工作電壓，通過5V電壓輸出端為超聲波接收模塊505提供工作電壓。圖6為本發明一種實施例的信標裝置電源模塊501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電源穩壓芯片輸出穩定的5V電壓。5V電源其中一路輸出給超聲波接收模塊505中的CX20106A芯片，另一路通過LMl 117電源穩壓芯片輸出穩定的3. 3V電壓,為信標裝置的處理器模塊503和溫度傳感器模塊502提供工作電壓。圖7為本實施例信標裝置溫度傳感器模塊502電路原理圖。該溫度傳感器通過低溫度系數晶振和高溫度系數晶振的計數比較獲得測量溫度，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據傳輸協議輸出測量溫度，將上述測量溫度通過溫度傳感器模塊502的輸出端輸出給處理器CC2430芯片的Pl_4引腳。圖8本發明一種實施例的信標裝置處理器模塊503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、DS18B20測量的溫度信息和信標裝置的編號信息(例三個信標裝置編號信息則分別為I號、2號、3號)打包成數據包，并傳遞給射頻模塊。所述射頻模塊接收信號的工作原理為接收到射頻信號后，經過處理器內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(模數變換器)數字化、自動增益控制、信道的過濾、解擴頻、符號相關和字節同步處理，并且置位幀開始界定符，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503內部CC2430芯片將收到的數據緩沖存入128字節的RX FIFO(接收先入先出)隊列，用戶通過處理器內部的特殊功能寄存器來讀取RX FIFO隊列中的數據，完成射頻信號檢測及數據的接收。射頻信號同樣由處理器模塊503內部的CC2430芯片內的射頻模塊發出，其工作原理為將數據存放在128字節的TX FIFO(發送先入先出)之中，要發送的幀引導序列和幀開始界定符由處理器模塊503內部CC2430芯片內的射頻模塊自動產生，每個符號使用IEEE (電氣和電子工程師協會)802. 15. 4擴展序列擴展為32位碼片序列，輸出到處理器內部DAC中，經過DAC轉換的信號，通過射頻模塊內部模擬低通濾波器送到射頻模塊內部90° I/Q相移升頻轉換混頻器，最后射頻信號通過射頻模塊內部功率放大器饋送到天線將其發送出去。圖9為本發明一種實施例的信標裝置超聲波接收模塊505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505的信號。超聲波接收模塊505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，發射聲壓大 于105dB，接收靈敏度大于-74dB，發射波束角為60°，工作溫度為-40 +80°C，工作電壓為300 500VP-P。為了增加系統的穩定性，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10為本實施例的待定位目標裝置結構框圖，待定位目標裝置的處理器模塊1003中的處理器同樣采用了 TI公司的CC2430型芯片，內嵌ー個高性能的2. 4GHz射頻收發器核心，使用其內嵌射頻模塊取代単獨的射頻模塊；此外，通過處理器CC2430型芯片內部的UART(通用異步接收/發送裝置)實現與宿主裝置的命令通信，取代単獨的通信模塊1005 ;處理器CC2430芯片通過Pl_4引腳向超聲波發射模塊1001發送信號；計算裝置為電源模塊1002提供5V電源，電源模塊1002采用LMl117穩壓芯片，3. 3V輸出端給處理器CC2430芯片提供穩定的3. 3V工作電壓，計算裝置為超聲發射模塊1001提供5V工作電壓。本實施例的待定位目標裝置的處理器模塊1003與信標裝置中的處理器模塊503一祥，均采用了 TI公司的CC2430芯片；通過處理器CC2430芯片的Pl_4 ロ控制超聲波發射模塊1001發送超聲波信號；通過處理器內部的UART (通用異步接收/發送裝置)實現與宿主裝置的命令通信，取代単獨的通信模塊1005 ;通過控制射頻模塊向信標裝置發送射頻信號，其工作原理與信標裝置中的處理器模塊503 —致，在此不再復述。圖11為本發明一種實施例的待定位目標裝置超聲波發射模塊1001電路原理圖。處理器CC2430芯片通過Pl_5引腳控制超聲波發射模塊1001發射超聲波信號。超聲波發射模塊1001同樣采用了訂制的大角度超聲波發射探頭，其中心諧振頻率為40±2. OKHz，發射聲壓大于105dB，接收靈敏度大于_74dB，發射波束角為60°，工作溫度為-40 +80°C，工作電壓為300 500VP-P。處理器CC2430芯片產生20個周期的40KHz方波脈沖，通過Pl_4引腳發送給超聲波發射模塊1001，方波脈沖信號送入超聲波發射模塊1001電路中三極管基板，然后將其脈沖信號加到超聲波發射模塊1001內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射器構成諧振回路，從而使發射器發出超聲波信號。該電路提高了超聲波發射傳感器的瞬間發射功率，且有較低的系統功耗。
圖12為本發明一種實施例的待定位目標裝置、數據收集器電源模塊電路原理圖。由于電源模塊1002與宿主裝置配合使用，所以可從宿主裝置獲得5V電源，待定位裝置的電源電路輸入的5V電源首先通過電容濾波，再通過LMl117穩壓芯片輸出給處理器CC2430芯片穩定的3. 3V工作電壓。宿主裝置為超聲波發射模塊1001提供5V工作電壓。圖13為本發明一種實施例的數據收集器結構框圖。數據收集器內部處理器模塊1302中的處理器同樣采用了 TI公司的CC2430型芯片，此外，通過處理器CC2430型芯片內部的UART (通用異步接收/發送裝置)實現與位置計算裝置的數據通信，取代単獨的通信模塊1304 ;處理器CC2430芯片通過Pl_4引腳向超聲波發射模塊1303發送信號；位置計算裝置為電源模塊1301提供5V電源，電源模塊1301采用LMl117穩壓芯片，3. 3V輸出端給處理器CC2430芯片提供穩定的3. 3V工作電壓。本實施例的數據收集器內部的處理器模塊1302與信標裝置中的處理器模塊503一祥，均采用了 TI公司的CC2430芯片；通過控制射頻模塊接收從信標裝置發送的射頻信 號，其工作原理與信標裝置中的處理器模塊503 —致，在此不再復述。數據收集器內部的電源模塊1301工作原理與待定位目標裝置內部電源模塊1002工作原理相同，在此不再復述。圖14為本發明一種實施例反射式室內定位的方法的流程圖，該方法利用超聲波和射頻技術并基于由信標裝置、待定位目標裝置、宿主裝置、移動裝置、數據收集器和位置計算裝置所構成的系統以實現對室內移動裝置的自定位，包括以下步驟步驟I :啟動放置在室內地面的信標裝置，各個信標裝置內部的溫度傳感器模塊進行溫度測量，并立即進入射頻信號接收狀態；步驟2 :待定位目標裝置的通信模塊接收到其宿主裝置的定位請求后，向信標裝置發送射頻信號和超聲波信號，其中的射頻信號攜帯待定位目標裝置的身份標識號碼信息；步驟3 :信標裝置初始化，令定時器記錄值為零，并進入實時監測射頻信號狀態當信標裝置接收到射頻信號后，立即檢測接收到射頻信號攜帯的身份標識號碼信息與待定位目標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；若相同則進行一次測距；步驟4 :所有信標裝置在檢測到從待定位目標裝置發送經過屋頂反射的超聲波信號后，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據包，根據信標裝置編號順序依次將數據包通過無線通訊的形式發送給數據收集器，其中的溫度信息為信標裝置在啟動時通過信標裝置內部溫度傳感器模塊測量得到；步驟5 :數據收集器將收到的數據信息傳送給位置計算裝置，位置計算裝置首先根據各個信標裝置的溫度信息計算出室內的平均溫度，然后計算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置的時間信息，計算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各個信標裝置的距離；步驟6 :位置計算裝置根據事先建立的室內坐標系、信標裝置坐標和信標裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標裝置的距離，計算出待定位目標裝置的屋頂平面鏡像點的平面坐標，其與待定位目標裝置具有相同的平面坐標，至此完成一次定位。在本實施例中，數據收集器將收集到的數據包發送給位置計算裝置，位置計算裝置獲得的第i個信標裝置所測量的環境溫度Ti,通過對各個信標的測量溫度求均值，獲得環境平均溫度T。具體計算公式如公式(I)，η為收到的信標裝置數據的信標裝置個數，
權利要求
1.一種反射式室內定位的方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟I :啟動放置在室內地面的信標裝置，各個信標裝置內部的溫度傳感器模塊進行溫度測量，并立即進入射頻信號接收狀態； 步驟2 :待定位目標裝置的通信模塊接收到其宿主裝置的定位請求后，向信標裝置發送射頻信號和超聲波信號，其中的射頻信號攜帶待定位目標裝置的身份標識號碼信息；步驟3 :信標裝置初始化，令定時器記錄值為零，并進入實時監測射頻信號狀態當信標裝置接收到射頻信號后，立即檢測接收到射頻信號攜帶的身份標識號碼信息與待定位目標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；若相同則進行一次測距； 步驟4 :所有信標裝置在檢測到從待定位目標裝置發送經過屋頂反射的超聲波信號后，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據包，根據信標裝置編號順序依次將數據包通過無線通訊的形式發送給數據收集器，其中的溫度信息為信標裝置在啟動時通過信標裝置內部溫度傳感器模塊測量得到； 步驟5 :數據收集器將收到的數據信息傳送給位置計算裝置，位置計算裝置首先根據各個信標裝置的溫度信息計算出室內的平均溫度，然后計算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置的時間信息，計算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各個信標裝置的距離； 步驟6:位置計算裝置根據事先建立的室內坐標系、信標裝置坐標和信標裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標裝置的距離，計算出待定位目標裝置的屋頂平面鏡像點的平面坐標，其與待定位目標裝置具有相同的平面坐標，至此完成一次定位。
2.根據權利要求I所述的反射式室內定位的方法，其特征在于步驟5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為室內平均溫度； 所述的根據超聲波在空氣中的傳播速度和各信標裝置測得的時間，計算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各信標裝置的距離，其計算公式如下Di = VXTimi+ ε 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； ε為距離補償因子。
3.實現權利要求I所述的反射式室內定位方法的系統，包括宿主裝置、位置計算裝置和移動裝置，其特征在于還包括信標裝置、待定位目標裝置和數據收集器，其中 信標裝置用于接收從待定位目標裝置發送的射頻信號和經屋頂平面發射的超聲波信號，通過信標裝置內部的處理器測量超聲波信號從待定位目標裝置傳播到信標裝置的到達時間，并將上述時間信息、信標裝置內部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據包發送給數據收集器； 待定位目標裝置用于接收宿主裝置發出的定位命令，并向信標裝置發送射頻信號和超聲波信號；數據收集器用于接收從信標裝置發出的射頻信號，并將上述射頻信號發送給位置計算裝置。
4.根據權利要求3所述的反射式室內定位的系統，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境溫度，并將溫度信息傳遞給信標裝置內部的處理器模塊； 超聲波接收模塊用于接收從待定位目標裝置發送的經屋頂平面發射超聲波信號，并將超聲波信號傳遞給信標裝置內部的處理器模塊； 信標裝置的處理器模塊用于測量從待定位目標裝置發送的超聲波傳播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據包傳遞給射頻模塊； 信標裝置的射頻模塊用于接收和發送射頻信號，接收從待定位目標裝置發送的射頻信號，并將射頻信號傳遞給信標裝置內部的處理器模塊；將包含時間信息、溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標裝置編號信息的數據包發送給數據收集器。
5.根據權利要求3所述的反射式室內定位的系統，其特征在于所述的待定位目標裝置包括待定位目標裝置的射頻模塊、超聲波發射模塊、待定位目標裝置的通信模塊和待定位目標裝置的處理器模塊，其中 待定位目標裝置的射頻模塊用于發送射頻信號，將包含有身份標識號碼信息的射頻信號發送給信標裝置； 超聲波發射模塊用于發送超聲波信號至信標裝置； 待定位目標裝置的通信模塊用于實現待定位目標裝置的處理器模塊與宿主裝置的通信； 待定位目標裝置的處理器模塊用于接收宿主裝置定位命令；控制射頻模塊發送射頻信號；控制超聲波模塊發送超聲波信號。
6.根據權利要求3所述的反射式室內定位的系統，其特征在于所述的數據收集器包括數據收集器的射頻模塊、數據收集器的通信模塊和數據收集器的處理器模塊，其中 數據收集器的射頻模塊用于接收從信標裝置發送的包含數據包的射頻信號，并將射頻信號傳遞給數據收集器內部處理器模塊； 數據收集器的通信模塊用于實現處理器模塊與位置計算裝置的通信； 數據收集器的處理器模塊接收信標裝置數據包，將時間信息、溫度信息和信標裝置編號信息發送給位置計算裝置。
全文摘要
一種反射式室內定位的方法及系統，屬于無線傳感器網絡和定位導航技術領域。該系統包括宿主裝置、位置計算裝置、移動裝置、信標裝置、待定位目標裝置和數據收集器，待定位目標裝置發送射頻信號和超聲波信號，超聲波信號經過平面屋頂的反射到達地面放置的信標裝置，多個信標裝置測量出超聲波到達的時間和環境溫度，并傳輸給數據收集器，數據收集器將收到的數據傳輸給位置計算裝置，位置計算裝置根據事先建好的室內坐標系計算出待定位目標裝置的位置。本發明具有結構簡單、信標裝置部署密度低、方便實現信標裝置自部署、計算量小、精度高等優點。
文檔編號G01S5/18GK102662159SQ20121012476
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月25日 優先權日2012年4月25日
發明者劉鵬達, 吳成東, 張云洲, 程龍, 韓泉城 申請人:東北大學