CN103308045A - 移动物体在三维空间中的实时位置定位系统和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种移动物体在三维空间中的实时位置定位系统，是通过利用多功能的微型传感器获得运动和位置信息，通过无线通讯技术进行实时地信息交互，通过信息处理单元进行信息的综合测算，最终实时地获得移动物体在三维空间中的准确位置。解决了之前的工业用途惯性导航设备无法低成本和民用化的应用问题，也解决传统卫星导航定位系统无法实现地下、室内等屏蔽环境下的三维空间位置定位问题，还实现了无线传输对位置信息、指令信息、位置信息与上位机应用的实时交互，从而有效提高了位置定位系统的应用范围和用户体验。本发明也提供了移动物体在三维空间中的实时位置定位方法。

Description

移动物体在三维空间中的实时位置定位系统和定位方法

技术领域

本发明涉及一种测算移动物体所在位置的定位系统和定位方法，特别是指利用多功能的微型传感器和无线通讯技术进行综合测算，实时地获得移动物体在三维空间中准确位置的定位方法和定位系统。

背景技术

三维空间的位置定位一直是高新技术研究的制高点，特别是在飞行类工业及其它特殊行业的应用中，都普遍的使用了惯性导航及定位技术来实现三维空间中的位置定位。但目前此类技术都是采用进口或国产的高精度、大尺寸、高成本的捷联惯导模组来实现，对于普通大众电子消费者及航模爱好者等人群，还没有一种简易可行的、低成本可民用的三维空间位置导航定位产品或系统。而目前在地面导航已经实现的二维平面位置定位技术相对成熟，并实现了大规模的民用化，包括GPS卫星导航定位系统、北斗卫星导航定位系统等，但卫星定位系统也有很多缺点，如无法实现高度位置的准确计算，无法实现地下、室内等屏蔽环境下的位置计算。

本发明创作人基于积极创新的精神，通过对微型化的电子传感器芯片、以及无线通讯技术方面进行的深入研究，解决了上述工业用惯性导航模组的大尺寸、高成本、应用性的问题，也解决了卫星导航定位系统无法在三维空间中实现高度位置定位、以及地下室内无法进行位置定位的问题，还解决了位置定位信息实时交互的问题。从而实现了一种微型化的、便携的、低成本的、易于民用普及的三维空间实时位置定位系统，并提出了实现关键技术的方法。

发明内容

本发明涉及一种测算移动物体所在位置的定位系统和定位方法，特别是指利用多功能的微型传感器获得运动和位置信息，通过无线通讯技术进行信息交互，通过信息处理单元进行信息的综合测算，以实时地获得移动物体在三维空间中的准确位置。

本发明采用民用级的微型化传感器实现运动状态和位置信息的测算，在满足一般性精度的要求下，可以较大幅度地降低成本，目前此类传感器已经逐步应用于游戏手柄、遥控器、移动电话等便携式消费电子产品中。采用通用无线通讯传输方式来进行信息传输，可确保信息数据传输的实时性，便于使用者远程实时地查看目标移动物体的所在位置。

本发明的位置定位系统内部主要包含方向传感器、气压传感器、运动传感器、无线通讯模块、信息处理单元。

所述的方向传感器是利用地球自身分布于空间中的磁场来识别磁北方，相应的得出另3个方向，从而建立起平行于地平面方向上的X轴、Y轴平面坐标系。地磁场是一个矢量，对于一个确定的地点来说，此矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持方向传感器与水平面平行，那么方向传感器中的三个轴就和这三个分量一一对应起来，而对于水平方向的两个分量来说，他们的矢量之和总是指向磁北的，因此，利用水平方向的两个分量建立起相互垂直的、平行与水平面的X轴、Y轴平面坐标。地磁北方与地球的物理正北方在我国有5°上下的磁偏角误差，根据各地位置不同，磁偏角数值稍有差别。通过消除磁偏角误差后，就可以得到物理正北方方向，从而也可以得到正东方、正南方、正西方三个方向，完成X轴、Y轴平面坐标系的建立。

所述的高度传感器是利用大气压力的变化来测得某一点位置绝对海拔高度的大气压力传感器。通过测得某一点位置的绝对大气压力数值，可以获得某一地点的垂直海拔高度，从而，通过高度的不同建立起垂直于地球表面的高度方向的Z轴坐标。

所述的运动传感器包含基于重力感应的电子加速度计和基于旋转角度感应的电子陀螺仪。电子加速度计用于计算移动物体在各个方向上的瞬间加速度，通过对这些瞬间加速度进行积分运算可获得瞬间速度，同时，对瞬间速度进行积分运算则可以得到一个较短时间间隔的运动距离，将各个时间间隔的运动距离在各个方向上按时间顺序分布，就可以得到移动物体在三维空间的运行轨迹。电子加速度计的固有缺点就是在移动物体做旋转、拐弯、倾斜等非平面运动时，会受到重力加速度的影响而无法获得比较准确的真实加速度，从而在计算运动距离时出现偏差。通过引入电子陀螺仪来检测这种旋转的变化量，从而获得移动物体的旋转、拐弯、倾斜的角度，通过与电子加速度计综合运算来消除重力在某个角度上的矢量，从而获得最真实的加速度值和最接近实际的运动距离数据。电子陀螺仪的精确角度测量能力还可以帮助方向传感器进行去除环境的干扰，使得方向传感器能够获得更精确的地球磁场数据，去除环境因素如马达、铁块等周边的磁性材料在计算磁场方向时的干扰。

所述的无线通讯模块是利用无线通讯方式将移动物体的运动状态和位置上传给上位机进行应用层的处理，并从上位机获得移动物体的运动初始位置信息和系统误差校准参数。有了初始位置信息，系统就可以通过对三维空间的运动方向、运动距离进行计算、累计，最终获得所需要的最终终点位置信息，完成一次位置定位。

无线通讯模块的传输模式可以是蓝牙、或无线宽带（WIFI）、或无线射频识别（RFID）、或GSM通讯、或GPRS通讯、或3G通讯、或4G通讯之任一种或者其组合应用。根据使用环境的不同和需求的差异来选择最适合的通讯方式。

蓝牙、无线宽带、无线射频识别的通讯方式具有连接便捷、功耗低、使用费用低廉或免费等优势。但在野外或该通讯无效时，则需要利用商用的全球移动通讯系统来进行紧急通讯联络。全球移动通讯系统具有通讯范围广、兼容性高、通讯保障能力强的特点，但也具有通讯资费偏高、功耗较大等弱点，因此可作为紧急联络或备用联络方式。全球移动通讯系统具体包括至少有GSM、或GPRS、或3G、或4G通讯之一种。

所述的信息处理单元是指系统核心处理单元，主要负责各种信息的获取、分析、计算，以及指令信息的处理，是位置定位系统的中枢单元。

所述上位机是指至少包含个人电脑、或个人智能移动终端、或网站服务器之一的，能与位置定位系统建立起无线网络连接的软硬件设备，通过上位机和无线通讯网络，使用者可以实现智能地、远程地、实时地监控、管理位于远端的位置定位系统装置。

上位机根据需求长期存储位置定位系统获得的位置定位信息，以备下一次进行位置定位时，可以将上一次的位置定位信息作为再次定位的初始位置信息。

所述的系统误差校准参数是通过分析前一次位置定位结果与实际位置之间的偏差而均衡出来的系统测量误差，测量出来的误差包括系统自身的累积误差和环境影响的白噪声误差。移动物体的实际位置可以通过GPS位置信息、无线基站位置信息、使用者指定的真实位置信息来确定。系统误差校准参数可存储于上位机，在位置定位系统再次工作时，可传递给信息处理单元作为位置定位测算的校准参数。

本发明的意义在于通过较低成本的MEMS运动传感器实现捷联惯导系统的基本功能，并通过引入方向传感器和气压传感器实现了三维空间的坐标系确立，解决了三维空间里的惯性导航的应用技术难题，也解决了卫星导航定位无法在地下、室内等卫星照射区域进行定位导航的问题。特别的，还设计了无线通讯功能来对位置定位系统进行实时的信息传输，使得用户可以远程的、实时地查看移动物体的位置信息。因此，本发明的位置定位系统和定位方法有较好是实用意义和市场应用价值。

附图说明

图1是本发明的移动物体在三维空间的实时位置定位应用示意图。

图2是本发明的定位系统装置内部功能模块连接框图。

图3是本发明的三维空间坐标系的确立及位置测算方法示意图。 

具体实施方式

本发明具有多种实施例来实现本发明的目的，本公示的实施例是为了验证说明本发明的可行性和举例论证，而不能被认为是依照本公示的实施例来限制本发明的范围。

本发明的实施例是通过将位置定位系统安装在移动的小汽车之上，从而实现在没有卫星定位导航信号的情况下，汽车由地下车库行进至一地面高处，全程都可以被跟踪定位到。但在体现本发明精神的范围内，也可以同样的方式应用于人员、货物、动物、设施设备等多种移动物体的位置定位应用产品之上。

图1为移动的小汽车在三维空间的实时位置定位应用示意图。内置了位置定位系统的小汽车201是可以自由运动的物体，其内置定位系统的装置202通过自由空间的无线通讯方式与上位机102进行信息交互，使用者101可以是车辆监管人员或汽车所有者本人，使用者101通过本发明的定位系统可以实时知道移动的小汽车201的所在位置，即使小汽车201是在地下、室内、或其它可能的地方。

从图1可以看出，本发明的位置定位系统的定位方式是，将可自由移动的小汽车201中安装好本发明的位置定位装置202，并给位置定位装置202预设一个初始位置，或利用上次定位的最后位置作为初始位置，位置定位装置202内部的集成功能模块通过测算移动物体的运动方向、运动加速度等信息，运算出下一个位置点相对于前一个位置点的位置坐标，并不断将新的位置坐标通过无线传输的方式上传给上位机102，这样小汽车的201的所有者或车辆监管人101就可以通过上位机102的客户端界面实时的了解汽车201的最新位置，包括相对于起始点位置的相对坐标和绝对坐标信息，也包括所在位置的高度等信息。

图2是本发明位置定位系统的装置内部功能模块连接框图。位置定位装置202内部包含有：无线通讯模块204、信息处理单元205、方向传感器206、气压传感器207、运动传感器208。外面根据无线通讯功能的不同，还包括一个或多个无线通讯天线部分203。

所述的无线通讯模块204是一个高集成度无线多模通讯模块，在本应用实例中，采用了蓝牙通讯和GSM/GPRS无线通讯相结合的方式，其它可以用相似方式实现的无线通讯方式包有无线宽带、或无线射频识别、或3G通讯、或4G通讯之任一种。蓝牙通讯应用于内置了定位装置202的移动产品与上位机102距离很近，比如当上位机102的使用终端为智能手机或平板电脑等移动办公装置时，无线通讯模块204将通过蓝牙无线传输方式完成与上位机102的通讯，从而实现近距离的低功耗、免通讯资费的便捷式无线通讯连接。当在户外活动时，定位装置202与上位机或监管者相距较远，无法通过短距离的无线通讯方式建立链接，无线通讯模块204则转为采用GSM/GPRS通讯连接方式与上位机102保持紧密的通讯连接。

所述的信息处理单元205，是将各类信息进行综合运算处理、完成位置定位、上传位置信息、接收处理指令信息的核心单元。本发明的实施例中采用嵌入式芯片系统实现信息处理单元205的功能，以满足多个不同传感器实时计算的要求。

所述的方向传感器206是采用微型化的MEMS（微机电系统）三轴电子罗盘传感器芯片来实现，比起其它的方向传感器实现方式，MEMS三轴电子罗盘传感器芯片具有成本较低和尺寸较小的特点，适合消费类产品的集成。通过三个相互垂直轴向的磁力感应测算，可以得到任何一个角度的磁场分量，从而可以确保测得移动物体在任意角度时的磁北方，可以不用限定被测量移动物体的姿态，因此比起单轴磁力感应的传感器要具有应用优势。

所述的气压传感器207是采用微型化的MEMS绝对大气压力传感器芯片实现，可以实现较高性价比的气压测量，通过气压测量可获得某一点位置的海拔高度。

所述的运动传感器208是由微型化的MEMS电子加速度传感器和MEMS陀螺仪组合实现。MEMS电子加速度传感器和MEMS陀螺仪技术成熟，应用广泛，在运动感测的游戏和便携式设备中有较多应用，是最优性价比的运动感测方案。采用MEMS工艺的运动感测元件，相比起传统工艺的器件，还能大大降低系统的功耗，实现节能环保的消费产品应用。本发明的实施例中选用三轴MEMS电子加速度传感器测量移动物体的运动瞬时加速度，通过对瞬时加速度进行积分运算得出瞬间速度，再通过速度与时间的积分则得到一定时间段内移动物体的运动距离，并且通过计算三个不同轴向的运动量，可确保对移动物体进行三维立体空间内的各个方向和各方向上的运动距离都进行有效的测算。本发明的实施例中选用了三轴MEMS陀螺仪来测量移动物在三个相互垂直方向上的旋转角度，用来对三轴加速度传感器测得的运动量进行修正，也用于在方向传感器206工作过程中产生的磁场干扰和误差进行适当的校正。由于三轴加速度传感器和三轴电子罗盘传感器206的方向性，为了实现三轴陀螺仪在三个轴向方向上的旋转角度的准确测量和校正的有效性，需要在装配时确保方向的一致性。

图3是三维空间坐标系的确立及位置测算方法示意图。在301起点位置，通过方向传感器206确定平面坐标，传感器测得的磁北极是N，它与地球物理正北极之间有一个夹角θ₁，θ₁在中国的典型值为5°。因此，我们可以获得物理正北极Y+轴的方向，以及相应的获得正东方X+轴的方向。设定301起点位置海拔与海平面平行，相应的气压传感器207的绝对气压值是101KPa，从而可以建立起301起点位置垂直于地表的Z+轴坐标。

移动物体从301起点位置移动到某一个终点位置302的过程中，通过不间断的测算方向传感器206的移动方向，以及在通过运动传感器205测算在此方向上的移动距离，并经过不断的积分运算，最终得到终点位置302相对于起点位置301（坐标系原点：X=0,Y=0）的距离和方位，在坐标系中的数值可获得终点位置平面坐标为X= -2050米,Y= 5050米。同时，通过气压传感器207可获得终点位置302处的绝对气压值95kPa，从而获得其高度为700米。最终获得移动物体的最终位置302是在原起点位置301偏北5050米、偏西2050米、偏高700米的位置。

进一步，如果信息处理单元205有存储起点位置301的经纬度，或通过无线通讯模块204从上位机获得起点位置301的经纬度信息，则可以通过换算得到终点位置302的经纬度信息。通过将此次计算得到的终点位置302的经纬度信息存储在信息处理单元205，同时通过无线通讯模块204上传给上位机102进行异地存储，以备下次定位时再次作为新的起点位置使用。

由于系统本身的累积误差和环境干扰引起传感器测量误差会引起位置定位测量不够准确。因此，优选的方法是在每次进行位置定位前进行一次自我校准，校准的参数由上一次的系统定位位置和移动物体的实际位置来计算得来，并存储在信息处理单元205，如没有本地存储，则从上位机102实时地获取系统误差校准参数。

Claims (8)

1.一种位置定位系统，用于测算移动物体在三维空间中的所在位置，其特征包括：

（a）内置的方向传感器和高度传感器确定移动物体在三维空间中的坐标；

（b）内置的运动传感器模块用于计算移动物体的运动距离和移动方向；

（c）内置的无线通讯模块负责与上位机完成信息交互；

（d）内置的信息处理单元负责处理各种传感器信息和指令信息。

2.一种位置定位方法，能够测算移动物体在三维空间中的所在位置，其特征在于：

（a）用方向传感器和高度传感器建立起包含X轴、Y轴、Z轴的三维立体坐标系；

（b）通过运动传感器确定移动物体在三维空间坐标系中的运动变化量；

（c）通过无线通讯传输方式与上位机完成数据信息和指令信息交互；

（d）通过信息处理单元完成传感器信息的测算和最终位置的定位和并完成指令信息处理。

3.如权利要求2所述的位置定位方法，其方向传感器是采用三轴电子罗盘，其特征是通过计算三个轴向的磁场强度在X轴和Y轴的分量，计算出目标移动物体的方向。

4.如权利要求2所述的位置定位方法，其高度传感器是采用绝对大气压力传感器，通过测得绝对大气压，计算出目标移动物体在Z轴方向的垂直海拔高度。

5.如权利要求2所述的位置定位方法，其运动传感器包括加速度计和陀螺仪，其特征是可以在任何方向上，通过三个轴向的加速度积分和角速度运算，计算出目标物一定时间间隔内在X轴、Y轴、Z轴方向上的直线运动距离。

6.如权利要求2所述的位置定位方法，其无线通讯方式包括：蓝牙、或无线宽带、或无线射频识别、或GSM通讯、或GPRS通讯、或3G通讯、或4G通讯之任一种或几种的组合。

7.如权利要求2所述的位置定位方法，通过无线传输方式获取到的数据信息包含移动物体在坐标系中的位置定位信息和系统误差的校准参数。

8.如权利要求2所述的位置定位方法，目标移动物体位置定位完成后，还包括以下步骤：

（a）目标移动物体的位置定位信息通过无线传输方式上报给上位机；

（b）上位机计算位置定位信息与目标移动物体的实际位置的误差，从而得出系统误差的校准参数；

（c）目标移动物体再次进行位置定位时，由上位机提供上一次的位置定位信息和本次位置定位的系统误差校准参数。

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