CN102944889A - 一种传感器辅助定位终端进行定位的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传感器辅助定位终端进行定位的系统及方法，其系统包括GPS定位单元、主控器、无线通信单元和传感器单元，传感器单元由至少一个传感器组成，传感器分别通过总线与主控器连接。其方法包括一个在GPS定位单元无法正常工作的情况下，利用陀螺仪、加速计、磁力仪和高度计等传感器辅助手持移动终端进行定位的步骤。本发明在GPS定位单元无法正常工作的情况下，利用陀螺仪、加速计、磁力仪和高度计等传感器实时采集终端运动状态及位置信息以辅助终端进行定位，计算方法简单实用，定位误差小、定位准确度较高，可有效保证服务器始终能通过定位终端获取被控移动物的位置信息，可广泛适用于智能手机定位，手机增值服务及安防等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器辅助定位终端进行定位的系统及方法。
背景技术
GPS全球定位系统是一种成熟而广泛的应用，其基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据计算出接收机的精确位置信息。但是，GPS定位系统的使用有其具体局限性，如在卫星信号微弱，或者因环境限制无法获取足够卫星信息等情况下，则无法完成定位。
具备GPS功能的手持终端利用卫星信号进行实时定位并上报主控台，在卫星信号极弱或无法获取卫星信号的隧道、高架桥下，城市高建筑群、峡谷、树林等环境中，会出现“失锁”的情况，GPS无法工作，使得主控台对手持终端位置信息的实时监控无法正常进行，移动终端属于“失踪”状态，不便于实时监控和管理，而且可能存在一定安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可在GPS定位单元无法正常工作的情况下，利用陀螺仪、加速计、磁力仪和高度计等传感器实时采集终端运动状态及位置信息以辅助终端进行定位的，计算方法简单实用，定位误差小、定位准确度较高，可有效保证服务器始终能获取被控手持移动终端位置信息的传感器辅助定位终端进行定位的系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种传感器辅助定位终端进行定位的系统，定位终端固定安装于被控移动物上，定位终端包括GPS定位单元、主控器和无线通信单元，GPS定位单元由GPS天线和GPS定位模块组成，无线通信单元由通信天线和移动通信模块组成，GPS定位模块的一端连接GPS天线，另一端与主控器相连；移动通信模块的一端连接通信天线，另一端与主控器相连，它还包括传感器单元，传感器单元由至少一个传感器组成，各传感器分别通过总线与主控器连接，总线优选为I2C总线。
传感器单元由陀螺仪、加速计、磁力仪和高度计组成。
一种传感器辅助定位终端进行定位的方法，它包括以下步骤：
A：GPS定位单元根据接收的卫星定位数据计算处理得到定位终端的经纬度信息；
B：经纬度信息经主控器转发给移动通信单元；
C：移动通信单元将经纬度信息由移动通信网络发送至服务器；
它还包括一个在GPS定位单元无法正常工作的情况下，传感器单元辅助定位终端进行定位的步骤。
本发明所述的传感器单元辅助定位终端进行定位的步骤包括以下步骤：
a：传感器单元根据各传感器采集的终端状态信息计算处理得到定位终端实时的立体空间位置信息；
b：立体空间位置信息经主控器转发给移动通信单元；
c：移动通信单元将立体空间位置信息由移动通信网络发送至服务器。
步骤a包括以下子步骤：
S1：将定位终端固定安装在被控移动物上并进行校准；
S2：参考磁力仪标识的南北极方向建立坐标系，以失锁点作为坐标原点；
S3：获取定位终端失锁前的运动速度；
S4：校准磁力仪，使磁力仪的原始位置与定位终端的运动方向一致；
S5：失锁后，取从坐标原点到位置f1的一小段距离，将定位终端在这一小段距离内做的运动近似为直线运动，由磁力仪读出其经度偏移角度；
S6：由加速度计读出定位终端在位置f1的加速度值，结合失锁前的运动速度及这一小段距离的运动时间，得出定位终端实际运动距离，再结合坐标原点的经纬度信息，计算出位置f1的经纬度信息；
S7：依据陀螺仪和磁力仪的测量结果判断终端是否做近似直线运动，在做近似直线运动过程中，陀螺仪不断检测终端与原运动方向的偏向，作为一个随时间递增的累积角度偏移量，磁力仪不断检测终端与地理南北极的偏向，根据原运动方向计算得到终端与原运动方向的偏向，作为一个随时间变化的瞬态角度偏移量，当累积角度偏移量和瞬态角度偏移量同时达到一定阀值时，判定终端不再做近似直线运动；
S8：将被判断为不再做近似直线运动的位置f2作为下一小段距离近似直线运动的起点，定位终端在位置f1到位置f2之间运动仍为近似直线运动，根据步骤S2～S6所记载的方法计算出位置f2的经纬度信息；
S9：以位置f2作为坐标原点建立同样的坐标系，根据步骤S2～S8所记载的方法，直到计算获得失锁过程中定位终端所有位置的经纬度信息为止；
S10：由高度计采集定位终端所处环境的大气压强，以海平面作为参考点，计算得到定位终端所处的海拔高度信息；
S11：计算获得定位终端的经纬度和高度的立体空间信息。
获取定位终端失锁前的运动速度的方法包括以下两种方式：
SS1：取失锁前运动路径上的一小段，近似认为是直线运动，通过已知的GPS位置信息计算出这一小段路径的两个端点之间的实际距离，结合这已知的这一小段路径的时间差，计算得到该一小段路径内定位终端的运动速度，对所有的小段路径求出的运动速度取平均值，得到定位终端失锁前的运动速度；
SS2：依靠汽车自身的速度检测系统将定位终端失锁前的运动速度上报给定位终端。
汽车自身的速度检测系统向定位终端上报数据的数据传输方式包括USB、BT或WIFI。
本发明的有益效果是：在GPS定位单元无法正常工作的情况下，利用陀螺仪、加速计、磁力仪和高度计等传感器实时采集终端运动状态及位置信息以辅助终端进行定位，计算方法简单实用，定位误差小、定位准确度较高，可有效保证服务器始终能通过定位终端获取被控移动物的位置信息，可广泛适用于智能手机增值服务及安防等领域。
附图说明
图1为传感器辅助定位终端进行定位的系统的结构示意框图；
图2为手持移动终端运动坐标图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种传感器辅助定位终端进行定位的系统，包括GPS定位单元、主控器和无线通信单元，GPS定位单元由GPS天线和GPS定位模块组成，无线通信单元由通信天线和移动通信模块组成，GPS定位模块的一端连接GPS天线，另一端与主控器相连；移动通信模块的一端连接通信天线，另一端与主控器相连；无线通信单元和GPS定位单元均可采用高通平台QSC7X/8X系列。
它还包括传感器单元，传感器单元由陀螺仪、加速计、磁力仪和高度计组成，陀螺仪可采用ST的L3G4200D，加速计可采用ST的LIS3DH，磁力仪可采用Freescale的MAG3100，高度计可采用Freescale的MPL3115A2。各传感器分别通过I2C总线与主控器连接，各个传感器不断采集终端的实时状态，通过I2C总线上报给无线通信单元，由主控器分析并计算终端的运动情况，结合GPS定位单元获得的定位信息，计算当前终端的位置，发送到服务器上。
一种传感器辅助定位终端进行定位的方法，它包括以下步骤：
A：GPS定位单元根据接收的卫星定位数据计算处理得到定位终端的经纬度信息；
B：经纬度信息经主控器转发给移动通信单元；
C：移动通信单元将经纬度信息由移动通信网络发送至服务器；
它还包括一个在GPS定位单元无法正常工作的情况下，传感器单元辅助定位终端进行定位的步骤。
传感器单元辅助定位终端进行定位的步骤包括以下步骤：
a：传感器单元根据各传感器采集的终端状态信息计算处理得到定位终端实时的立体空间位置信息；
b：立体空间位置信息经主控器转发给移动通信单元；
c：移动通信单元将立体空间位置信息由移动通信网络发送至服务器。
步骤a包括以下子步骤：
S1：将定位终端固定安装在被控移动物上并进行校准；
S2：参考磁力仪标识的南北极方向建立坐标系，以失锁点作为坐标原点；
S3：获取定位终端失锁前的运动速度，获取定位终端失锁前的运动速度的方法包括以下两种方式：
SS1：取失锁前运动路径上的一小段，近似认为是直线运动，通过已知的GPS位置信息计算出这一小段路径的两个端点之间的实际距离，结合这已知的这一小段路径的时间差，计算得到该一小段路径内定位终端的运动速度，对所有的小段路径求出的运动速度取平均值，得到定位终端失锁前的运动速度；
SS2：依靠汽车自身的速度检测系统将定位终端失锁前的运动速度上报给定位终端，汽车自身的速度检测系统向定位终端上报数据的数据传输方式包括USB、BT或WIFI；
S4：校准磁力仪，使磁力仪的原始位置与定位终端的运动方向一致；
S5：失锁后，取从坐标原点到位置f1的一小段距离，将定位终端在这一小段距离内做的运动近似为直线运动，由磁力仪读出其经度偏移角度；
S6：由加速度计读出定位终端在位置f1的加速度值，结合失锁前的运动速度及这一小段距离的运动时间，得出定位终端实际运动距离，再结合坐标原点的经纬度信息，计算出位置f1的经纬度信息；
S7：依据陀螺仪和磁力仪的测量结果判断终端是否做近似直线运动，在做近似直线运动过程中，陀螺仪不断检测终端与原运动方向的偏向，作为一个随时间递增的累积角度偏移量，磁力仪不断检测终端与地理南北极的偏向，根据原运动方向计算得到终端与原运动方向的偏向，作为一个随时间变化的瞬态角度偏移量，当累积角度偏移量和瞬态角度偏移量同时达到一定阀值时，判定终端不再做近似直线运动；
S8：将被判断为不再做近似直线运动的位置f2作为下一小段距离近似直线运动的起点，定位终端在位置f1到位置f2之间运动仍为近似直线运动，根据步骤S2～S6所记载的方法计算出位置f2的经纬度信息；
S9：以位置f2作为坐标原点建立同样的坐标系，根据步骤S2～S8所记载的方法，直到计算获得失锁过程中定位终端所有位置的经纬度信息为止；
S10：由高度计采集定位终端所处环境的大气压强，以海平面作为参考点，计算得到定位终端所处的海拔高度信息；
S11：计算获得定位终端的经纬度和高度的立体空间信息。
如图2所示，S代表定位终端，其从起始点a开始运动，O点GPS“失锁”（GPS定位单元不再工作，由传感器辅助定位），b点GPS重新工作。坐标系的建立参考磁力仪标识的南北极，位置O为原点，X轴代表地理经度，Y轴代表地理纬度。在位置O之前由GPS定位单元定位经纬度，S运动轨迹用实体线标识，在O时由于GPS无法正常工作，S出现位置漂移或进入“失锁”状态，无法得到O点与b点之间的位置，其实际运动轨迹用虚线标识。箭头方向为S瞬时运动方向，即终端运动方向。
步骤1，先考虑O点之前的运动情况，要利用已知运动轨迹计算出S的平均速度；由于S不规则运动，取其中一小段，如图位置d，e之间，可近似认为是直线运动，可通过已知GPS定位单元获取的位置信息计算出d，e两点的实际距离，并且时间差已知，即可计算出S的速度；重复取多段可近似直线的轨迹，分别计算出其运动速度，将所有速度取平均值，可得出S在较长时间内的平均速度v（同时可采用另一种速度值获取方法：依靠汽车自身的速度检测系统，将汽车平均速度报给终端，数据传输方式可采用USB或短距离无线网络如BT，WIFI）。
步骤2，考虑O点后S的运动状态由传感器采集。磁力仪必需经过校准，使磁力仪的原始位置（南北极方向）与手持终端及汽车车体方向一致，同时通过校准排除上述整个系统的地磁误差，这样在车体方向改变时，磁力仪可得出车体运行方向与地理南北极的角度信息，可建立起坐标参考系。O点后S沿OA方向做近似直线运动，由磁力仪读出其与纬度偏移量为角度n，在此运动过程中，由前面得出的v，由加速计得到计入误差量的速度为v±△v乘以运动时间，得到实际运动距离，结合已知O点“失锁”时的经纬度信息，已知了上述条件，可计算出在S的实时经纬度信息。近似直线运动的判断依据由陀螺仪和磁力仪共同提供，在此运动过程中，陀螺仪不断检测S与原运动方向OA的偏向，作为一个随时间递增的累积角度偏移量n1；磁力仪不断检测S与地理南北极的偏向，因已知原OA角度n，则可得到其S与原运动方向OA的偏向，作为一个随时间变化的瞬态角度偏移量n2；当n1和n2同时满足达到一定值（此处可设为10o），可认为S不再做近似直线运动；在运动到临界位置f2时，偏移量n1，n2同时到达15o。O和f2之间的经纬度由前述方法求得。
考虑f2之后S的运动，此时将f2作为坐标原点建立同样的坐标系，方法和步骤2相同，直到下一个临界位置点f3，之间的经纬度计算方法和各种应用条件不变。根据运算结果可描绘出S的运动轨迹，直到S到达位置b，GPS进入正常工作状态。
加速计作为判断S是否保持运动的条件，在O点之前加速计得到的时间平均值和O点之后得到的时间平均值比较，根据步骤1得到的速度v，计入误差量△v得到O点后的相对速度为v±△v。
高度计采集所处环境的大气压强，以海平面作为参考点，计算得到实际的海拔高度。可用来判断S所处位置的实时海拔高度和路况信息。
综上可得到手持移动终端S的经纬度和高度的立体空间信息。
Claims (8)
1.一种传感器辅助定位终端进行定位的系统，定位终端固定安装于被控移动物上，定位终端包括GPS定位单元、主控器和无线通信单元，GPS定位单元由GPS天线和GPS定位模块组成，无线通信单元由通信天线和移动通信模块组成，GPS定位模块的一端连接GPS天线，另一端与主控器相连；移动通信模块的一端连接通信天线，另一端与主控器相连，其特征在于：它还包括传感器单元，传感器单元由至少一个传感器组成，各传感器分别通过总线与主控器连接。
2.根据权利要求1所述的一种传感器辅助定位终端进行定位的系统，其特征在于：所述的传感器单元由陀螺仪、加速计、磁力仪和高度计组成。
3.根据权利要求1所述的一种传感器辅助定位终端进行定位的系统，其特征在于：所述的总线为I2C总线。
4.一种传感器辅助定位终端进行定位的方法，它包括以下步骤：
A：GPS定位单元根据接收的卫星定位数据计算处理得到定位终端的经纬度信息；
B：经纬度信息经主控器转发给移动通信单元；
C：移动通信单元将经纬度信息由移动通信网络发送至服务器；
其特征在于：它还包括一个在GPS定位单元无法正常工作的情况下，传感器单元辅助定位终端进行定位的步骤。
5.根据权利要求4所述的一种传感器辅助定位终端进行定位的方法，其特征在于：所述的传感器单元辅助定位终端进行定位的步骤包括以下步骤：
a：传感器单元根据各传感器采集的终端状态信息计算处理得到定位终端实时的立体空间位置信息；
b：立体空间位置信息经主控器转发给移动通信单元；
c：移动通信单元将立体空间位置信息由移动通信网络发送至服务器。
6.根据权利要求5所述的一种传感器辅助定位终端进行定位的方法，其特征在于：所述的步骤a包括以下子步骤：
S1：将定位终端固定安装在被控移动物上并进行校准；
S2：参考磁力仪标识的南北极方向建立坐标系，以失锁点作为坐标原点；
S3：获取定位终端失锁前的运动速度；
S4：校准磁力仪，使磁力仪的原始位置与定位终端的运动方向一致；
S5：失锁后，取从坐标原点到位置f1的一小段距离，将定位终端在这一小段距离内做的运动近似为直线运动，由磁力仪读出其经度偏移角度；
S6：由加速度计读出定位终端在位置f1的加速度值，结合失锁前的运动速度及这一小段距离的运动时间，得出定位终端实际运动距离，再结合坐标原点的经纬度信息，计算出位置f1的经纬度信息；
S7：依据陀螺仪和磁力仪的测量结果判断终端是否做近似直线运动，在做近似直线运动过程中，陀螺仪不断检测终端与原运动方向的偏向，作为一个随时间递增的累积角度偏移量，磁力仪不断检测终端与地理南北极的偏向，根据原运动方向计算得到终端与原运动方向的偏向，作为一个随时间变化的瞬态角度偏移量，当累积角度偏移量和瞬态角度偏移量同时达到一定阀值时，判定终端不再做近似直线运动；
S8：将被判断为不再做近似直线运动的位置f2作为下一小段距离近似直线运动的起点，定位终端在位置f1到位置f2之间运动仍为近似直线运动，根据步骤S2～S6所记载的方法计算出位置f2的经纬度信息；
S9：以位置f2作为坐标原点建立同样的坐标系，根据步骤S2～S8所记载的方法，直到计算获得失锁过程中定位终端所有位置的经纬度信息为止；
S10：由高度计采集定位终端所处环境的大气压强，以海平面作为参考点，计算得到定位终端所处的海拔高度信息；
S11：计算获得定位终端的经纬度和高度的立体空间信息。
7.根据权利要求6所述的一种传感器辅助定位终端进行定位的方法，其特征在于：所述的获取定位终端失锁前的运动速度的方法包括以下两种方式：
SS1：取失锁前运动路径上的一小段，近似认为是直线运动，通过已知的GPS位置信息计算出这一小段路径的两个端点之间的实际距离，结合这已知的这一小段路径的时间差，计算得到该一小段路径内定位终端的运动速度，对所有的小段路径求出的运动速度取平均值，得到定位终端失锁前的运动速度；
SS2：依靠汽车自身的速度检测系统将定位终端失锁前的运动速度上报给定位终端。
8.根据权利要求7所述的一种传感器辅助定位终端进行定位的方法，其特征在于：所述的汽车自身的速度检测系统向定位终端上报数据的数据传输方式包括USB、BT或WIFI。
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