CN102135609B - 一种便携式定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种便携式定位系统，该系统通过将其信号覆盖区域根据与信号发射子系统的距离远近划分为不同的子区域，并通过存储子系统存储不同子区域的信息，同时让信号发射子系统在不同子区域内发射不同的信号，然后通过控制子系统根据信号接收子系统在信号覆盖区域内接收到的不同信号以确定其所在的子区域。本发明便携式定位系统具有简单、定位准确的优点，可广泛运用于移动机器人领域，如充电座与移动机器人之间的定位以及移动机器人的避障应用等。

Description

一种便携式定位系统

技术领域

本发明涉及定位系统，特别是一种用于移动平台的便携式定位系统。

背景技术

目前的定位技术有多种，如使用全球定位系统(GPS定位系统、中国的北斗星系统等)对自身在地球上的位置进行一定精度的定位；或者在原来已经确定的位置上，利用惯性导航系统推算出一段时间后的目标所在位置，但上述定位方法复杂且不适用于一些领域的应用，如在家用移动清洁机器人系统中的清洁机器人与其对应的充电座之间的定位：由于清洁机器人并不知道其与充电座的相对位置，因此不适合使用惯性导航系统；此外，清洁机器人运动的空间相对较小，也不适合使用全球定位系统。中国专利申请号为03115924.9揭示了一种红外自动定向系统，但在该申请文献中仅揭示了如何确定发射器与接收器的相对方向，而无法确定发射器与接收器的相对距离，因此无法对目标进行有效定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种简单且定位准确的便携式定位系统。

本发明所要解决的技术问题由以下技术方案予以解决。

一种便携式定位系统，包括有信号发射子系统、信号接收子系统、存储子系统及控制子系统，所述信号发射子系统用于发射信号束以形成一定的信号覆盖区域；所述信号覆盖区域根据与信号发射器子系统的相对距离的远近被划分为至少两个子区域；所述信号发射子系统在信号覆盖区域的不同子区域内发送不同的信号；所述存储子系统用于存储每个子区域的信息；所述信号接收子系统在信号覆盖区域内接收发射子系统发射的信号；所述控制子系统根据信号接收子系统接收到的信号以确定其所在的子区域。

所述信号发射子系统的发射器只有一个发射头，所述发射头在一定周期内发射不同的信号束以在信号覆盖区域内形成不同的子区域。

所述信号发射子系统的发射器包括两个或两个以上的发射头，所述发射头发射不同的信号束以在信号覆盖区域内形成不同的子区域。

所述发射器发射的信号包括红外信号、超声波信号及电磁波信号。

所述信号束形成的信号覆盖区域的在水平面的投影形状为直线型、矩形、扇形或圆形。

所述发射器为红外信号发射器，所述红外信号发射器使用不同强度的红外信号交替发射以在信号覆盖区域内形成不同的子区域。

所述红外信号经过红外屏蔽罩构成的红外发射光线通道后发射，以将其约束成较小发散角度的信号束。

所述信号发射子系统包括多个在同一平面的红外信号发射器，所述多个红外信号发射器发射的信号形成一个信号平面。

所述信号发射子系统包括多个在立体空间的红外信号发射器，所述多个红外信号发射器发射的信号形成一个信号空间。

所述每个红外信号发射器发射的红外信号形成的信号覆盖区域的平面形状为直线型或矩形，所述红外信号之间彼此平行。

与现有技术相比，本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明揭示了一种便携式定位系统，该系统通过将其信号区域根据与信号发射子系统的距离远近划分为不同子区域，并通过存储子系统存储不同子区域信息，同时让信号发射子系统在不同子区域内发射不同的信号，然后通过控制子系统根据信号接收子系统在信号覆盖区域内接收到的不同信号以确定其所在的子区域。本发明便携式定位系统具有简单、定位准确的优点。

附图说明

图1是本发明实施例1中的信号发射子系统及其信号覆盖区域的示意图；

图2是图1中发射器的结构示意图；

图3是图1中信号发射子系统的电路原理图；

图4是图1中的多个发射器组成的信号平面示意图；

图5是图1中的多个发射器组成的信号空间示意图；

图6是图5的信号覆盖区域在水平面的投影示意图；

图7是本发明实施例2中的信号发射子系统及其信号覆盖区域的示意图；

图8是图7中发射器的结构示意图；

图9是图7中的多个发射器组成的信号平面示意图；

图10是图7中的多个发射器组成的信号空间示意图；

图11是图10中发射器信号没有重叠时信号覆盖区域的在水平面的投影示意图；

图12是图10中发射器信号重叠时信号覆盖区域的在水平面的投影示意图；

图13是本发明实施例3中的信号发射子系统及其信号覆盖区域的示意图；

图14是图13的信号覆盖区域在水平面的投影示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明便携式定位系统进行进一步详细说明。

本发明便携式定位系统包括信号发射子系统、信号接收子系统、存储子系统以及控制子系统。信号发射子系统用于发射信号束以形成一定的信号覆盖区域，其中，信号发射子系统发射的信号优选为红外信号，当然也可采用超声波信号、激光信号、电磁波信号等，或者上述同时使用上述几个信号中的两个或多个信号；信号覆盖区域的投影形状优选为直线型或宽度较小的矩形(实施例1)，也可采用扇形(实施例2)、圆形(实施例3)，这里的投影形状指的是信号覆盖区域在沿水平面的垂直投影形状；该信号覆盖区域根据与信号发射器子系统的相对距离的远近被划分为至少两个子区域；信号发射子系统在信号覆盖区域的不同子区域发送不同的信号，不同信号之间的差异可通过信号强度、波长、频率等特征进行区分；存储子系统用于存储每个子区域的信息，每个子区域的信息包括诸如该子区域的地址、相对发射系统的距离和方向等信息；信号接收子系统在信号覆盖区域内接收发射子系统发射的信号；控制子系统根据信号接收子系统接收到的信号以确定其所在的子区域。

实施例1：

请参考图1至图6，为本发明的一个较佳实施例。如图1所示，本实施例中的便携式定位系统的信号发射子系统1使用只有一个发射头的红外信号发射器2，该红外信号发射器2发射的红外信号形成的信号覆盖区域大致呈直线型(或者是宽度相对较小的矩形)，并相对红外信号发射器2的距离D1、D2、D3、D4、D5从近到远依次区分为5个不同的子区域：子区域10、子区域11、子区域12、子区域13及子区域14，当然，也可根据实际需要将该信号覆盖区域划分为其他数目的子区域。

请参考图2，为了将红外信号约束成较小发散角度的信号束以使信号覆盖区域大致呈直线型(或者是宽度相对较小的矩形)，本发明的红外信号发射器采用了如图2所示的结构：红外信号发射器2发出的红外信号通过红外屏蔽罩(未标示)构成的红外发射光线通道3后，再发射形成信号覆盖区域，这样就可使得其信号覆盖区域大致呈直线型(或者是宽度相对较小的矩形)，为了使红外信号发射器在工作时发射的红外信号与环境中的红外光区分开来，本实施例中的红外信号使用38KHz的载波信号进行调制。

下面详细说明红外信号覆盖区域子区域的划分原理：请参考图3，为本实施例的电路原理图。通过调节DAC的电压以调节红外发射管的电流，从而调节所发出的信号范围大小。由于本实施例的信息覆盖区域有五个子区域，因此选用五种电压，使其信号覆盖区域分别是子区域10，子区域10与子区域11的合并区域，子区域10、子区域11和子区域12的合并区域，子区域10、子区域11、子区域12和子区域13的合并区域，子区域10、子区域11、子区域12、子区域13和子区域14的合并区域。便携式定位系统的红外信号发射器在一定时间的周期内交替发射这五种不同强度的红外信号，每个红外信号的信号覆盖范围不同，同时使用38KHz的载波信号进行调制；每种强度的红外信号使用一种方法调制一个身份信息在其中，如使用一个固定的频率500Hz，利用有信号表示1，无信号表示0，发射一串二进制数据，同时，存储子系统将该二进制数据与其对应的地址信息存储。红外信号发射器2根据五种不同电压所发射的红外信号的覆盖范围从小到大依次为S0、S1、S2、S3、S4；因此，可以用一个5位的二进制数据对其覆盖范围进行区分：在子区域10可以收到所有信号S0～S4，信号接收子系统接收到的代码为11111，在子区域11可以收到信号S1～S4，信号接收子系统接收到的代码为01111；在子区域12可以收到信号S2～S4，信号接收子系统接收到的代码为00111；在子区域13可以收到信号S3～S4，信号接收子系统接收到的代码为00011；在子区域14只能收到信号S4，信号接收子系统接收到的代码为00001。控制子系统根据信号接收子系统接收到的信息并与存储子系统中的信息进行匹配，从而可准确知道接收子系统所在的子区域。

当然，在上述红外信号覆盖区域子区域的划分中，可让5种不同强度的信号使用具有5个发射头的红外信号发射器2分别进行发射，也可达到同样的效果。

请参考图4，为图1中信号发射子系统的进一步运用，图4中采用了7个红外发射器，为了避免信号之间相互干扰，这7个红外信号发射器发射的红外信号彼此平行，因此在同一个平面内形成一个信号覆盖区域，并将其划分为10～14、20～24、30～34、40～44、50～54、60～64、70～74共35个子区域，这样形成了一个二维坐标信息平面。这种方案主要应用在地面运动的移动平台的定位，如清洁机器人的路径规划及避障的应用中。

请参考图5、图6，为图1中信号发射子系统1的再进一步运用，如图5所示，本方案采用了3X7共21个在三维空间发射红外信号的红外发射器，图6为图5中的信号覆盖区域在水平面的投影图，在图中可以看出，3个标号为E1、E2、E3的红外信号发射器发射的红外信号通过红外屏蔽罩(未标示)构成的红外发射光线通道后形成在水平面投影的形状为直线型(宽度相对较小的矩形)的信号覆盖区域，而且这些红外信号之间彼此平行并形成了一个三维的信号覆盖区域，将空间划分为110～174、210～274、310～374等多个不同的子区域。这种方案主要应用在三维空间中的定位，如无人操作飞机的应用中。

实施例2：

请参考图7至图12，为本发明的第二实施例。

如图7、图8所示，本实施例中的便携式定位系统的信号发射子系统1的红外信号发射器2发射的红外信号形成的信号覆盖区域大致呈扇形，并相对红外信号发射器2的距离D1、D2、D3、从近到远依次区分为3个不同的子区域：子区域10、子区域11、子区域12，当然，也可根据实际需要将该信号覆盖区域划分为其他数目的子区域。为了将红外信号约束成较小发散角度的信号束以使红外信号形成平面形状为扇形的信号覆盖区域，本实施例中的发射器采用了如图8所示的结构。本实施例的信号覆盖区域子区域的划分原理实施例1基本相同，详细请参考实施例1中的描述。

如图9所示，为图7中的信号发射子系统1的形成的信号平面的示意图，其原理及运用范围与实施例1中图4的描述大体相同。

如图10、图11所示，分别为图7中的信号发射子系统1的形成的信号空间示意图及其信号覆盖区域在水平面的投影示意图，在图11中，3个标号为E1、E2、E3的红外信号发射器发射的信号彼此之间没有重叠，其原理及运用范围与实施例1中图5、图6的描述大体相同。

如图12所示，为图10中红外信号发射器的红外信号彼此重叠时信号覆盖区域在水平面的投影示意图，从图中可以看出，图中有3个标号为E1、E2及E3红外发射器及标号为D1、D2的两个不同的距离；利用有信号表示1，无信号表示0，3个红外发射器的信号覆盖区域可以用一个3位的二进制数据进行区分；利用在D1距离内表示1，在D1范围以外表示0，可以将用1位二进制数据进行区分，图12中的各子区域的及其对应的4位二进制数据如下：

图中的子区域     4位二进制数据

子区域110        1001

子区域111        1101

子区域112        0101

子区域113        0111

子区域114        0011

子区域210        1000

子区域211        1100

子区域212        1110

子区域213        0110

子区域214        0010

备注：4位二进制数据第1、2、3位代表是否能接收到E1、E2、E3发出的信号；第4位代表是否在D1距离内。

实施例3：

清参考图13至图14，为本发明的第三实施例，本实施例中的便携式定位系统的信号发射子系统1的信号发射器2发射的信号形成的信号覆盖区域大致呈圆形，并相对信号发射器2的距离D1、D2、D3、从近到远依次区分为3个不同的子区域：子区域10、子区域11、子区域12，三个子区域构成了一个平面信号覆盖区域，并且每个子区域的沿水平面的投影形状都为环形。当然，如实施例1、实施例2中的一样，可在具体运用中增加多个信号发射器以形成信号空间。本方案比较简单，可用于一些对定位精度不高的应用中。

本发明便携式定位系统的信号发射子系统和信号接收子系统是分离的，因此可广泛运用在移动平台的定位中。如在移动机器人系统中的充电站上安装信号发射子系统，在移动机器人上安装信号接收子系统，当移动机器人电量不足需要前往充电站进行充电时，在接收到充电站上的信号发射子系统发出的信号后，移动机器人可以根据其信号马上确定充电站的具体位置，可以更快的找到充电站充电；又如在移动机器人系统的避障应用中，可以在障碍物或需要保护的物体上安装信号发射子系统，在移动机器人上安装信号接收子系统，在接收到信号发射子系统发出的信号后，可使移动机器人有效避开障碍物或远离需要保护的物体。

此外，信号发射子系统信号覆盖区域的子区域划分也可通过其他方式实现，例如使用多种信号，通过信号之间的种类不同及信号覆盖范围不同将信号覆盖区域划分为多个子区域，也可以达到同样的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种便携式定位系统，包括有信号发射子系统、信号接收子系统、存储子系统及控制子系统，其特征在于：

所述信号发射子系统用于发射信号束以形成一定的信号覆盖区域；

所述信号覆盖区域根据与信号发射器子系统的相对距离的远近被划分为至少两个子区域；

所述信号发射子系统在信号覆盖区域的不同子区域内发送不同的信号；

所述存储子系统用于存储每个子区域的信息，所述每个子区域的信息包括该子区域的地址及相对信号发射子系统的距离和方向，所述每个子区域的信息与信号发射子系统发射至该子区域的信号相对应；

所述信号接收子系统在信号覆盖区域内接收发射子系统发射的信号；

所述控制子系统根据信号接收子系统接收到的信号以确定其所在的子区域；

其中，

所述信号发射子系统的发射器包括两个或两个以上的红外信号发射器，所述多个红外信号发射器发射不同的信号束以在信号覆盖区域内形成不同的子区域；

所述多个红外信号发射器位于同一平面以使其发射的信号形成一个信号平面，或所述多个红外信号发射器位于立体空间内以使其发射的信号形成一个信号空间。

2.如权利要求1所述的便携式定位系统，其特征在于：

所述信号束形成的信号覆盖区域在水平面的投影形状为直线型、矩形、扇形或圆形。

3.如权利要求2所述的便携式定位系统，其特征在于：

所述红外信号发射器使用不同强度的红外信号交替发射以在信号覆盖区域内形成不同的子区域。

4.如权利要求3所述的便携式定位系统，其特征在于：

所述红外信号经过红外屏蔽罩构成的红外发射光线通道后发射，以将其约束成较小发散角度的信号束。

5.如权利要求4所述的便携式定位系统，其特征在于：

所述每个红外信号发射器发射的红外信号形成的信号覆盖区域的沿水平面的投影形状为直线型或矩形，所述红外信号之间彼此平行。

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