CN101149430A - 一种依靠两种不同波速的波在小空间完成平面定位的系统 - Google Patents

Abstract

一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，其设备包括：一个与外围设备非电性连接的，能向系统内各外围设备发射信号或接收系统内各外围设备信号，并能对信号进行处理的信号采集模块；至少4个能识别信号是否存在、信号的类别，以及对相关附属信息加以处理，并把处理好的数据传输给信号采集器的信号接收模块；至少3个将信号发出并能接收信号采集器的识别命令的信号发射模块；若干外围设备和相关计算软件。和现有技术相比，具有操作简单、定位方位全，反应时间短，定位精度高，携带方便，可实现三维定位等优点。

Description

一种依靠两种不同波速的波在小空间完成平面定位的系统

技术领域

本实用新型涉及一种平面定位的系统，特别涉及一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统。

背景技术

目前的定位系统有GPS，GPRS等大型定位系统或激光精确定位系统，以及倒车雷达等局部定位系统。大型定位系统的精度为米级如GPS、GPRS，小型精确定位的精度为微米级或纳米级。但局部定位系统只局限于定向的定位。

为适应全自动录播系统需要，实现对教师在教室内平面上的实时定位的功能。从而实现摄像机对教师进行实时拍摄的效果。现有的技术无法实现这种功能。只能对在讲台上活动的教师进行区域定位。这种办法有几以下几个缺点：

1、教师的活动区域被限制，只能在讲台上活动，否则摄像机就不能拍摄教师；

2、不能对教师进行精确定位。

发明内容

本发明的发明目的是为了提供一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，以解决上述现有技术的缺陷。

本发明的发明目的可以通过以下技术方案来实现。

一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，其设备包括：

一个与外围设备非电性连接的，能向系统内各外围设备发射信号或接收系统内各外围设备信号，并能对信号进行处理的信号采集模块；

至少4个能识别信号是否存在、信号的类别，以及对相关附属信息加以处理，并把处理好的数据传输给信号采集器的信号接收模块；

至少3个将信号发出并能接收信号采集器的识别命令的信号发射模块；

若干外围设备；

相关计算软件。

所述的外围设备包括直角校准器。

一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，其模块结构及数据流向为：

信号采集模块包括电磁波信号接收器、电磁波信号发射器和与电脑通讯的串口通讯模块。电磁波信号接收器采集来自信号接受模块和信号发射模块的电磁波信号；电磁波信号发射器给信号接收模块和信号发射模块发射电磁波信号；串口通讯模块用于把收集来的数据传给电脑做进一步的数据处理。

信号接收模块包括电磁波信号接收器、超声波信号接收器和电磁波信号发射器。电磁波信号接收器接收由信号采集模块和信号发射模块发射来的电磁波信号；超声波信号接收器接收由信号发射模块发射来的超声波信号；电磁波信号发射器通过电磁波信号给信号采集模块发射处理过的超声波信号。

信号发射模块包括电磁波发射器、超声波发射器和电磁波接收器。电磁波发射器用于给信号接收模块和信号采集模块发射电磁波信号；超声波发射器用于给信号接收模块发射超声波信号；电磁波接收器用于接收信号采集模块发射来的电磁波信号。

所述的信号接收模块成矩阵安装到教室的天花板上，并使每两个接收模块间距离小于等于5米。

所述的信号发射模块置于同一水平面，并在直角校准器的3个顶点上，以保证直角校准器上3个发射器的信号能被所有信号接收模块接收到。

一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，其定位的方法为：

A)通过发射源对接收源的定位

在地面确定发射源精确坐标，通过信号发射器分别向信号接收器发射电磁波信号和超声波信号，利用接收到电磁波和超声波两种波的不同时间得到的时间差，计算出发射源和接收源的距离；又已知信号发射器的精确坐标，就可以得到信号接收器在XOY平面上的投影坐标。

B)通过接收源对发射源的定位

在得到各接收源的精确坐标后，通过信号接收器到某个信号发射器间的距离，及信号接收器的坐标利用公式计算得出发射源在XOY平面上的投影坐标。

其定位公式的计算方法为：

已知：A、B、C为接收源，D为发射源。A点坐标为(X₁，Y₁，0)；B为(X₂，Y₂，0)；C为(X₃，Y₃，0)；D为(X，Y，Z)；O为(X，Y，0)

求：X、Y

解：

a²＝z²+(x₁-x)²+(y₁-y)²

b²＝z²+(x₂-x)²+(y₂-y)²

c²＝z²+(x₃-x)²+(y₃-y)²

答：

$x=\left[\begin{array}{c}(a^2-b^2)(y_1-y_3)-(a^2-c^2)(y_1-y_2)-(y_1^2-y_2^2)(y_1-y_3)+(y_1^2-y_3^2)(y_1-y_2)\\ -(x_1^2-x_2^2)(y_1-y_3)+(x_1^2-x_3^2)(y_1-y_2)\end{array}\right]$

$/(-2[(x_1-x_2)(y_1-y_3)-(x_1-x_3)(y_1-y_2)\left]\right)$

$y=\left[\begin{array}{c}(a^2-b^2)(x_1-x_3)-(a^2-c^2)(x_1-x_2)-(x_1^2-x_2^2)(x_1-x_3)+(x_1^2-x_3^2)(x_1-x_2)\\ -(y_1^2-y_2^2)(x_1-x_3)+(y_1^2-y_3^2)(x_1-x_2)\end{array}\right]$

$/(-2[(y_1-y_2)(x_1-x_3)-(y_1-y_3)(x_1-x_2)\left]\right)$

通过本发明技术方案设计而成的依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，利用两种不同波速的波在传播指定的距离时所用的时间的差来计算距离的方法，从而进一步对发射源或接收源进行定位的系统。和现有技术相比，具有有操作简单、定位方位全，反应时间短(一次反应时间小于1秒)，定位精度高(小于10厘米)，携带方便，可实现三维定位等优点。

附图说明

附图1为本发明的模块结构及数据流向示意图(虚线流程为确定系统的数据流程)；

附图2为本发明系统确认流程示意图；

附图3为本发明定位流程示意图；

附图4为本发明安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例进一步说明本发明的特点。

如附图1、附图2和附图3所示，一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，它包括：一个信号采集模块1、信号接收模块2、信号发射模块3，以及相关计算软件和外围设备。

信号采集模块1包括电磁波信号接收器102、电磁波信号发射器103和与电脑通讯的串口通讯模块101。电磁波信号接收器102采集来自信号接受模块2和信号发射模块3的电磁波信号；电磁波信号发射器103给信号接收模块2和信号发射模块3发射电磁波信号；串口通讯模块101用于把收集来的数据传给电脑做进一步的数据处理。

信号接收模块2包括电磁波信号接收器202、超声波信号接收器203和电磁波信号发射器201。电磁波信号接收器202接收由信号采集模块1和信号发射模块3发射来的电磁波信号；超声波信号接收器203接收由信号发射模块3发射来的超声波信号；电磁波信号发射器201通过电磁波信号给信号采集模块1发射处理过的超声波信号。

信号发射模块3包括电磁波发射器301、超声波发射器303和电磁波接收器302。电磁波发射器301用于给信号接收模块2和信号采集模块1发射电磁波信号；超声波发射器303用于给信号接收模块2发射超声波信号；电磁波接收装置302用于接收信号采集器1发射来的电磁波信号。

本发明所述系统使用前要按以下步骤进行系统初始设置：

a)安装好主控机后，在软件中配置好数据通讯的定义。使用端口和通信波特率。

b)将所有接收器上电，通过软件发命令给主控机依次对其写入代号。

c)将所有发射机上电，并处在工作状态，通过软件发命令给主控机依次对其写入代号。

d)通过软件发命令给主控机，使整个系统内的所有设备同时跳频。

e)将所有接收器成矩阵安装到教室的天花板上。2个接收器间距离不得超过5米。

f)找一个合适的位置(保证直角校准器上3个发射器的信号能被所有接收器收到，并且要求3个发射器在同一水平面上)安放好直角校准器。并将3个发射器安装到校准器的3个顶点上。

g)控制软件，通过直角校准器上的3个发射器对天花板上的所有接收器依次定位，并保存在软件的配置文件中。

h)系统测试。

实施例

条件：

某教室的天花板上布置了15个接收器，编号分别为1～15号。每个接收器都有自己的坐标。教室内有一个佩带在教师身上的发射器。

定位过程：

1、由信息采集器发射扫描命令，确定系统内发射器和接收器的个数以及编号。过程如图2。

2、由信息采集器发定位指令，确定对教师身上的发射器进行定位。

3、发射器收到指令后同时发出超声波信号和电磁波信号。

4、接收器接收到2种不同的波，并利用接收到信号的时间差计算出各个接收器到该发射器的实际距离。

5、由软件随机选取3个接收器的编号及其与发射器之间的距离参数，由PC内读取出这3个接收器的精确坐标。

6、将这9个数据(相当于上述计算公式中的x₁，x₂，x₃，y₁，y₂，y₃，a，b，c)代入上述公式，计算后，即可得到x，y的数值，从而得到该发射器在教室这个指定平面的的具体坐标。完成定位。

本系统定位精度可达到1厘米。

Claims (5)

1.一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，包括：一个信号采集模块(1)、至少4个信号接收模块(2)、至少3个信号发射模块(3)，以及相关计算软件和外围设备；

信号采集模块1包括电磁波信号接收器(102)、电磁波信号发射器(103)和与电脑通讯的串口通讯模块(101)；

信号接收模块(2)包括电磁波信号接收器(202)、超声波信号接收器(203)和电磁波信号发射器(201)；

信号发射模块(3)包括电磁波发射器(301)、超声波发射器(303)和电磁波接收器(302)；

电磁波信号接收器(102)采集来自信号接受模块(2)和信号发射模块(3)的电磁波信号；电磁波信号发射器(103)给信号接收模块(2)和信号发射模块(3)发射电磁波信号；串口通讯模块(101)用于把收集来的数据传给电脑做进一步的定位数据处理；

电磁波信号接收器(202)接收由信号采集模块(1)和信号发射模块(3)发射来的电磁波信号；超声波信号接收器(203)接收由信号发射模块(3)发射来的超声波信号；电磁波信号发射器(201)通过电磁波信号给信号采集模块(1)发射处理过的超声波信号；

电磁波发射器(301)用于给信号接收模块(2)和信号采集模块(1)发射电磁波信号；超声波发射器(303)用于给信号接收模块(2)发射超声波信号；电磁波接收装置(302)用于接收信号采集模块(1)发射来的电磁波信号。

2.根据权利要求1所述的一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，其特征在于：所述的定位数据处理方发为：A)在地面确定发射源精确坐标，通过信号发射模块(3)分别向信号接收模块(2)发射电磁波信号和超声波信号，利用接收到电磁波和超声波两种波的不同时间得到的时间差，计算出发射源和接收源的距离；又已知信号发射模块(3)的精确坐标，就可以得到信号接收模块(2)在XOY平面上的投影坐标；B)在得到各接收源的精确坐标后，通过信号接收模块(2)到某个信号发射模块(3)间的距离，及信号接收模块(2)的坐标利用公式计算得出发射源在XOY平面上的投影坐标。

3.根据权利要求1所述的一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，其特征在于：外围设备为直角校准器。

4.根据权利要求1所述的一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，其特征在于：所述的信号接收模块(2)成矩阵安装到教室的天花板上，并使每两个接收模块间距离小于等于5米。

5.根据权利要求1所述的一种依靠两种不同波速的波在小空间内完成平面定位的系统，其特征在于：所述的信号发射模块(3)置于同一水平面，并在直角校准器的3个顶点上，以保证直角校准器上3个信号发射模块(3)发射的信号能被所有信号接收模块接收到。

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