CN103399683A - 一种电子设备、定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种电子设备、定位方法及系统；所述定位系统包括：电子设备及用于对该电子设备进行操作的操作棒；所述电子设备包括：屏幕；三个或三个以上的全向接收天线，安装在所述电子设备的不同位置上；所述全向接收天线不共线；解算模块，用于测定所述全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置；所述操作棒包括：全向发射天线，固定在该操作棒上，用于发射强度恒定的电磁波。本发明能够在电子设备与操作棒的交互中进行操作棒的定位。

Description

一种电子设备、定位方法及系统

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种电子设备、定位方法及系统。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

无线传感器网络节点定位作为无线传感网络的关键技术之一，主要是基于锚节点与未知节点间的物理距离测量，按照某种定位机制确定布设区中其他节点的位置。

在众多测距方法中，接收信号强度指示(Received Signal StrengthIndicator，简称RSSI)模型测距不仅无需添加额外硬件设备，而且可以用于多种电磁波。因此其方便性、低成本和通用性激发了人们的研究兴趣。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何在电子设备与操作棒的交互中进行操作棒的定位。

为了解决上述问题，本发明提供了一种定位系统，包括：

电子设备及用于对该电子设备进行操作的操作棒；

所述电子设备包括：屏幕；

三个或三个以上的全向接收天线，安装在所述电子设备的不同位置上；所述全向接收天线不共线；

解算模块，用于测定所述全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置；

所述操作棒包括：

全向发射天线，固定在该操作棒上，用于发射强度恒定的电磁波。

可选地，所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为圆极化。

可选地，所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化。

可选地，所述操作棒还包括：

第一惯性测量模块，用于测量所述操作棒的惯性参数并通过所述全向发射天线发送给所述电子设备；

所述电子设备还包括：

第二惯性测量模块，用于测量所述电子设备的惯性参数；

所述解算模块根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置是指：

所述解算模块根据所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数解算出操作棒和电子设备的姿态、速度、位置信息，结合所述接收信号强度值，通过数据融合算法计算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置。

可选地，所述解算模块包括：

采样单元，用于分别测定所述全向接收天线的接收信号强度值；

计算单元，用于根据所述全向接收天线在所述电子设备上的位置及所述接收信号强度值，采用三边定位法或极大似然法定位解算所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置。

可选地，所述解算模块还包括：

滤波单元，用于对所述采样单元测定的接收信号强度值进行滤波后发送给所述计算单元，采用以下任一种滤波方式：均值滤波、中值滤波、高斯滤波、粒子群滤波。

本发明还提供了一种定位方法，用于电子设备对用于操作电子设备的操作棒进行定位；所述方法包括：

所述操作棒上固定的全向发射天线发射强度恒定的电磁波；

测定所述电子设备不同位置上安装的三个或三个以上全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置；所述全向接收天线不共线。

可选地，所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为圆极化。

可选地，所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化。

可选地，所述的方法还包括：

测定所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数；

根据所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数解算出操作棒和电子设备的姿态、速度、位置信息，结合所述接收信号强度值，通过数据融合算法计算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置。

可选地，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置的步骤中，是根据三边定位法或极大似然法进行定位解算。

可选地，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置的步骤前还包括：

对所述接收信号强度值进行滤波；采用以下任一种滤波方式：均值滤波、中值滤波、高斯滤波、粒子群滤波。

本发明还提供了一种电子设备，包括：屏幕；

三个或三个以上的全向接收天线，安装在所述电子设备的不同位置上；所述全向接收天线不共线；

解算模块，用于测定所述全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出信号发射端相对于所述电子设备的空间位置。

可选地，所述全向接收天线的极化方式为圆极化。

可选地，所述全向接收天线的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化。

本发明通过构造架设移动设备上的无线传感网络，实现触控笔与平板之间相对位置的定位，提供了一种立体交互操控的定位方法；本技术方案可使用wifi天线作为测量节点的传感器，成本低廉，容易实现。

附图说明

图1为实施例一的定位系统的示意图；

图2为实施例一中对接收信号强度值进行均值滤波的流程示意图；

图3为实施例一中对接收信号强度值进行中值滤波的流程示意图；

图4为实施例二中进行定位解算的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一、一种定位系统，如图1所示，包括电子设备11及用于对该电子设备进行操作的操作棒12；

所述电子设备11包括：屏幕；

三个或三个以上的全向接收天线13，安装在所述电子设备11的不同位置上并且不共线；

解算模块，用于测定所述全向接收天线13的接收信号强度值(比如但不限于RSSI值)，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒12相对于所述电子设备11的空间位置；

所述操作棒12包括：

全向发射天线14，固定在该操作棒12上，用于发射强度恒定的电磁波；较佳地，所述电磁波为连续波或者脉冲波。

本实施例中，所述操作棒12上的全向发射天线14可通过电池供电；所述全向发射天线14可固定在所述操作棒12上一固定的、可清楚辨识的部位；根据该部位的空间位置，就能确定所述操作棒12其它部位的空间位置。所述操作棒12上一固定的、可清楚辨识的部位可以但不限于为所述操作棒12的头部，保证所述全向发射天线14在头部外侧的半空间内，其三维方向图接近球面。

本实施例中，所述全向接收天线13的位置可以均匀分布在所述电子设备11中所述屏幕所在平面的外围边界上，比如但不限于如图1所示分布在屏幕所在平面的左边缘中间、右边缘中间、下边缘中间。所述全向接收天线13在电子设备11面板外侧的半空间内，其三维方向图接近球面，以保证所述全向接收天线13的接受信号强度值与所述全向接收天线13和所述全向发射天线14之间的距离呈确定的相关关系，而与所述全向发射天线14的方位无关。

本实施例中，所述操作棒12可以但不限于为一触控笔，所述电子设备11可以但不限于为一屏幕为触控屏的平板电脑或手机，并且所述屏幕既可以是用于显示二维(2D)平面图像的2D屏幕，也可以是用于显示三维(3D)立体图像或可实现2D/3D共融显示的3D屏幕；所述解算模块可以但不限于包括基于RSSI的定位算法的解算芯片，可集成在所述电子设备11中。

本实施例的一种实施方式中，所述全向接收天线13及全向发射天线14的极化方式为圆极化。

本实施例的另一种实施方式中，所述全向接收天线13及全向发射天线14的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化，可排除极化的不同对接收信号强度值的影响。

本实施例的一种实施方式中，所述全向接收天线13及全向发射天线14为相同的天线，如所述全向发射天线14与所述全向接收天线13的工作频率相同，最好天线性能一致，如工作频带相同，以减少定位解算的计算量。

本实施例的一种实施方式中，所述全向接收天线13可以但不限于为WI-FI天线，工作频率可以但不限于为2.4G或5.8G。

本实施例的一种实施方式中，所述解算模块具体可以包括：

采样单元，用于分别测定所述电子设备11上各全向接收天线13的接收信号强度值；

存储单元，用于保存三个或三个以上全向接收天线的接收信号强度值；

滤波单元：用于对所述采样单元测定的接收信号强度值进行滤波并发送给计算单元，可采用的滤波算法有均值滤波、中值滤波、高斯滤波、粒子群滤波等；由于采样时存在较大的模型误差问题，滤波是为了确保接收信号强度值和待测物体间的距离呈单调函数关系；

计算单元，用于根据所述全向接收天线13在所述电子设备11上的位置、所述三个或三个以上全向接收天线滤波后的接收信号强度值，计算所述操作棒12相对于所述电子设备11的空间位置；计算空间位置时可采用的算法有三边定位法、极大似然估计等。

其中，所述参考点的接收信号强度值属于出厂设置参数。参考点的位置可以任选，最好位于电子设备11屏幕所在一侧的空间中，可以但不限于是位于垂直于所述屏幕且通过所述屏幕中心的直线上的点；也可以是位于垂直于所述屏幕且通过所述屏幕边线中点的直线上的点；还可以是为位于垂直于所述屏幕且通过所述屏幕顶点的直线上的点。

因操作棒12一般位于电子设备11中屏幕所在一侧的空间里，所述解算模块还可以用于舍弃定位解算出的空间位置中位于与电子设备11屏幕相对一侧的空间位置；所述解算模块还可以保存并输出所述操作棒12相对于所述电子设备11的空间位置。

下面具体说明滤波单元对接收信号强度值进行滤波的两种算法。

第一种是均值滤波，如图2所示，包括步骤201～210。

201、系统初始化，设置一个长度为n(n是正整数)的先入先出(First InputFirst Output，简称FIFO)数组用于记录此前数次采样得到的接收信号强度值。

202、先读取n个接收信号强度值并顺次放入FIFO数组中。

203、从全向接收天线读取一个新的接收信号强度值。

204、设i＝1。

205、判断i是否小于n，如果是，则进行步骤206；如果不是则进行步骤208。

206、令FIFO[i-1]＝FIFO[i](即：最前面的接收信号强度值FIFO[0]被移出FIFO数组)。

207、将i加1的结果作为更新后的i(即：i＝i+1)，返回步骤205。

208、将步骤203中所读取的接收信号强度值放入FIFO数组的末尾(即：放入FIFO[n-1])。

209、对FIFO数组中所有的接收信号强度值求均值；执行步骤210并返回步骤203(即：进入下一次采样)。

210、将求得的均值作为当前时刻滤波后的接收信号强度值nowRSSI输出。

第二种是中值滤波，如图3所示，包括步骤301～311。

301、系统初始化，设置一个长度n为奇数的先入先出(FIFO)数组用于记录此前数次采样得到的接收信号强度值。

302、先读取n个接收信号强度值并顺次放入FIFO数组中。

303、从全向接收天线读取一个新的接收信号强度值。

304、设i＝1。

305、判断i是否小于n，如果是，则进行步骤306；如果不是则进行步骤308。

306、令FIFO[i-1]＝FIFO[i](即：最前面的接收信号强度值FIFO[0]被移出FIFO数组)。

307、将i加1的结果作为更新后的i(即i＝i+1)，返回步骤305。

308、将步骤303中所读取的接收信号强度值放入FIFO数组的末尾(即：放入FIFO[n-1])。

309、对FIFO数组中所有的接收信号强度值排序(单调上升或者下降)。

310、将位于序列正中间的接收信号强度值作为当前时刻滤波后的接收信号强度值nowRSSI；执行步骤310并返回步骤303(即：进入下一次采样)。

311、输出当前时刻滤波后的接收信号强度值nowRSSI。

下面具体说明计算单元进行空间位置计算的具体过程。

首先，分别利用电子设备上的各全向接收天线的接收信号强度值计算全向发射天线与该全向接收天线的距离dr，所依据的数学模型为：

$P_r\left(d_r\right)=P\left(d_0\right)-10n\log \left(\frac{d_r}{d_0}\right)+X_{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

式中：

d_r表示待测定的全向接收天线和全向发射天线之间的实际距离；

d₀表示已知的参考距离；

P_r(d_r)表示全向接收天线实际收到的接收信号强度值(经过RSSI滤波后的输出值，单位dBm)；

P(d₀)表示当全向发射天线位于全向接收天线距离d₀位置时，全向接收天线收到的接收信号强度值(单位dBm)；

n为信道衰减指数，一般取2～4；

X_σ是均值为零，标准差为σ的高斯随机变量，表示测量误差(单位dBm)。

其中距离d_r按照下式计算：

利用接收信号强度值测距必须预先知道参考点的距离d₀和接收信号强度值P(d₀)，以及信道衰减指数n，这几个参数和具体使用的硬件节点及无线信号传播环境密切相关，需在出厂前模拟应用环境进行多次测量进行标定，例如：

参考点的接收信号强度值P(d₀)的测量：

在距离全向接收天线d₀位置的某点上放置全向发射天线(需与实际操作棒上的全向发射天线完全相同)，全向发射天线正向对准全向接收天线，并以与发射功率相同的功率发射电磁信号，连续测量全向接收天线的接收信号强度值多次，取平均值作为参考点的接收信号强度值P(d₀)；

考虑到实际天线并非完美的全向天线，可选取若干个位置不同的参考点(例如，以全向接收天线为球心，d₀为半径的球面上的若干个点，点数≥3，两两夹角(对于球心)≥30°)，分别测定各全向接收天线对应不同位置参考点的接收信号强度值，取平均值作为参考距离d₀时的接收信号强度值P(d₀)，以期消除天线方向图并非完美的球形对测距带来的影响。更进一步地，可以使全向发射天线的正向与全向接收天线的正向形成夹角(≤60°)，测量发射、接收方向具有不同夹角时的接收信号强度值，取平均值作为参考距离d₀时的信号强度P(d₀)。

信道衰减指数n的测量：

全向发射天线(需与实际触控笔端的全向发射天线完全相同)依次距离全向接收天线不同的距离，全向发射天线正向对准全向接收天线，以与发射功率相同的功率发射电磁信号，连续测量全向接收天线的接收信号强度值，进行滤波后按回归模型，即上式(1)计算信道衰减指数n。

当定位算法选择为基于概率密度的方法时，还需预先知道测量误差X_σ的标准差σ，X_σ是均值为零、标准差为σ的高斯随机变量，σ可通过固定参考距离d₀时，连续大量采集接收信号强度值P(d₀)，统计P(d₀)的概率密度函数得到。

接下来根据计算得到的全向发射天线与电子设备上各全向接收天线的距离，通过三边定位法、极大似然法等方法确定全向发射天线相对于电子设备的空间位置；由于全向发射天线在操作棒上的位置是固定的，因此也就可以确定操作棒各部位相对于电子设备的空间位置：

先按如下方式建立坐标系：以屏幕的中心点为原点O，向左为x轴正向，向前为y轴正向，垂直屏幕向外为z轴正向，全向接收天线的坐标分别为P1(x1，y1，z1)，P2(x2，y2，z2)，...，Pm(xm，ym，zm)，当所有全向接收天线均安装在屏幕所在平面上时，有z1＝z2＝z3＝...＝zm；

采用极大似然法(要求全向接收天线的数量m＞3个)的例子中，定位过程如下：

若全向接收天线的数量m＞3个(不含3个)，可以采用极大似然法来计算全向发射天线的位置：

若有m(m＞3)个全向接收天线，与全向发射天线的距离分别是d1，d2，d3，...，dm；

设全向发射天线的坐标为(x，y，z)，则有

从上述方程组的第二个方程开始，依次减去第一个方程，得到

上述方程组可用线性方程组表示为：

记为

$X=\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right),$

$b=\left(\begin{array}{c}{x2}^2-{x1}^2+{y2}^2-{y1}^2+{z2}^2-{z1}^2+{d2}^2-{d2}^2\\ {\mathrm{xm}}^2-{x1}^2+{\mathrm{ym}}^2-{y1}^2+{\mathrm{zm}}^2-{z1}^2+{d1}^2-{\mathrm{dm}}^2\end{array}\right)$

方程组可表示为AX＝b；

当z1，z2，z3，...，zm不全相等时，即z2-z1，z3-z1，...，zm-z1不全为零时，全向发射天线的坐标可按 ${(\tilde{x},\tilde{y}\tilde{z})}^T={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b$ 计算；

当z1＝z2＝z3＝...＝zm时，上述方程组中无含z的项，方程组变为

$X=\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right),$

按

计算得到全向发射天线坐标的x，y值，将x，y值代回第一个方程组的第一个方程(x-x1)²+(y-y1)²+(z-z1)²＝d1²中计算z值，需注意因操作棒一般位于电子设备屏幕所在一侧，z的值需取正值。

采用基于概率密度的加权质心方法的例子中，定位过程如下：

若全向接收天线的数量m≥3个(含3个)，可以采用基于概率密度的加权质心方法来计算全向发射天线的位置：

A、选定测量误差项X_σ的置信水平，据此确定置信区间，可按照正态分布的经验法则来确定置信区间：真实值位于μ±σ的范围内的概率为68.3％，真实值位于μ±2σ的范围内的概率为95.4％，真实值位于μ±3σ的范围内的概率为99.7％。此处测量误差项X_σ的期望μ＝0；

B、分别计算各全向接收天线测量误差项X_σ置信区间内对应的距离的最小值与最大值：设X_σ的置信区间为[-θ，θ]，则对应的距离区间为：

记全向接收天线Pi(xi，yi，zi)对应的距离最大值为

待定位的全向发射天线位于以全向接收天线Pi为中心、边长为2di_max的正方体区域内，正方体的坐标表示为： $\left\{\begin{array}{c}|x-\mathrm{xi}|\≤{\mathrm{di}}_{\max }\\ |y-\mathrm{yi}|\≤{\mathrm{di}}_{\max }\\ |z-\mathrm{zi}|\≤{\mathrm{di}}_{\max }\end{array}\right.;$

C、计算各全向接收天线对应的正方体的重合区域，取其z＞0的部分，该区域记为立方体V：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{1\≤i\≤m}{\max }(\mathrm{xi}-{\mathrm{di}}_{\max })\≤x\≤\underset{1\≤j\≤m}{\min }(\mathrm{xj}+{\mathrm{dj}}_{\max })\\ \underset{1\≤i\≤m}{\max }(\mathrm{yi}-{\mathrm{di}}_{\max })\≤y\≤\underset{1\≤j\≤m}{\min }(\mathrm{yj}+{\mathrm{dj}}_{\max })\\ \max (\underset{1\≤i\≤m}{\max }(\mathrm{zi}-{\mathrm{di}}_{\max }),0)\≤z\≤\underset{1\≤j\≤m}{\min }(\mathrm{zj}+{\mathrm{dj}}_{\max })\end{array}\right.$

若各全向接收天线对应的正方体的交集为空，则回到第1步，提高置信水平，扩大置信区间，扩大各正方体的边界；

D、在立方体V内，沿x、y、z方向分别等间距分成a-1、b-1、c-1段，连同立方体V的端点，取出a*b*c个网格点；例如：立方体V的区域是[-10，-8，0]×[6，12，10]，欲从中等间距地取出5*5*3个点，则在x方向以4为间隔、y方向以5为间隔、z方向以5为间隔划分网格，取网格的交点(x，y，z)作为下一步计算的数据点，其中x∈{-10，-6，-2，2，6}，y属于{-8，-3，2，7，12}，z∈{0，5，10}；

E、对上一步取出的a*b*c个点，记点P(s，t，r)的坐标为(x_s，y_t，z_r)(1≤s≤a，1≤t≤b，1≤r≤c)，分别计算点P(s，t，r)到各全向接收天线Pi的距离di_(s，t，r)：

${\mathrm{di}}_{s,\mathrm{tr}}=\sqrt{{(x_s-\mathrm{xi})}^2+{(y_t-y_i)}^2+{(z_r-\mathrm{zi})}^2}$

F、按概率密度计算点P(s，t，r)的权值

按式

$\tilde{w}(s,t,r)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{p}_1(s,t,r)$

计算，式中ρi(s，t，r)是对于全向接收天线Pi、全向发射天线处于点P(s，t，r)位置上的概率，按式

$p_i(s,t,r)=\frac{\exp [-{[P_r\left(d_i\right)-P\left(d_0\right)+10n\log \left(\frac{{\mathrm{di}}_{s,t,r}}{d_0}\right)]}^2/2{\mathrm{\σ}}^2]}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}$

计算，式中d₀与P(d₀)分别为参考点的距离和接收信号强度值，di_s，t，r为第5步计算得到的点P(s，t，r)到全向接收天线Pi的距离，P_r(d_i)是全向接收天线Pi实际测得的接收信号强度值，σ为高斯随机变量X_σ(均值为零)的标准差；

G、根据权值

计算实际全向发射天线所在位置的坐标(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{s=1}^a{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^b{\mathrm{\Σ}}_{r=1}^c\tilde{w}(s,t,r)X_s}{{\mathrm{\Σ}}_{s=1}^a{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^b{\mathrm{\Σ}}_{r=1}^c\tilde{w}(s,t,r)}\\ y=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{s=1}^a{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^b{\mathrm{\Σ}}_{r=1}^c\tilde{w}(s,t,r)y_t}{{\mathrm{\Σ}}_{s=1}^a{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^b{\mathrm{\Σ}}_{r=1}^c\tilde{w}(s,t,r)}\\ z=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{s=1}^a{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^b{\mathrm{\Σ}}_{r=1}^c\tilde{w}(s,t,r)z_r}{{\mathrm{\Σ}}_{s=1}^a{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^b{\mathrm{\Σ}}_{r=1}^c\widetilde{w\underset{}{}(s,t,r)}}\end{array}\right.$

本实施例的一种实施方式中，所述操作棒还可以包括：

第一惯性测量模块，用于测量所述操作棒的惯性参数并通过所述全向发射天线发送给所述电子设备；

所述电子设备还可以包括：

第二惯性测量模块，用于测量所述电子设备的惯性参数；

所述解算模块根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置可以是指：

所述解算模块根据所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数解算出操作棒和电子设备的姿态、速度、位置信息，结合所述接收信号强度值，通过数据融合算法计算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置。

所述第一惯性测量模块/第二测量模块包括下述部件中的任一个或其任意组合：

陀螺仪，用于测定所述操作棒的角速度；

加速度计，用于测定所述操作棒的加速度；

磁力计，用于测定所述操作棒的磁偏角。

从而，通过测量所述操作棒及电子设备的角速度、加速度(磁场强度可选)，经由姿态、导航计算可解算出两者各自的姿态、速度、位置信息，结合测量获得的接收信号强度值，通过数据融合技术，可精确计算所述操作棒相对于所述电子设备的位置信息。而数据融合算法可选择扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)等。下面以扩展卡尔曼滤波算法为例说明。

数据融合算法可选择扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)等。

一个定位解算所述操作棒相对于电子设备的空间位置的具体例子如下，以扩展卡尔曼滤波(EKF)为例；将一发多收天线系统测得的接收信号强度值作为EKF的系统测量值构建测量方程，将由IMU测量值解算出来的速度、位置作为系统状态估计值构建状态预测方程；

在实际应用中，亦可将由天线系统接收信号强度值解算得到的位置作为系统状态估计值来构建状态预测方程，而将IMU测量值作为系统测量值来构建测量方程。

一、系统初始化：电子设备与操作棒的传感器坐标轴方向一致，初始位置一致，完成各传感器的初始化；

二、系统状态预测：

2.1从电子设备的陀螺仪、加速度计(磁力计)测得的角速度、加速度(磁场强度)可解算出电子设备相对地理参考系的姿态、速度、位置信息，用

表示从电子设备到地理参考系的方向余弦矩阵，[ax_A，ay_A，az_A]表示电子设备上的加速度计测得的加速度，[vx_A，vy_A，vz_A]表示电子设备相对地理参考系的速度，[x_A，y_A，z_A]表示电子设备相对地理参考系的位置(坐标)；

2.2从操作棒的陀螺仪、加速度计(磁力计)测得的角速度、加速度(磁场强度)可解算出操作棒相对地理参考系的姿态、速度、位置信息，用表示从触控笔到地理参考系的方向余弦矩阵，[ax_B，ay_B，az_B]表示操作棒上的加速度计测得的加速度，[vx_B，vy_B，vz_B]表示操作棒相对地理参考系的速度，[x_B，y_B，z_B]表示操作棒相对地理参考系的位置(坐标)；

2.3计算从操作棒坐标系到电子设备坐标系的方向余弦矩阵：

$C_E^A=C_n^A*C_E^n={\left(C_A^n\right)}^{-1}*C_E^n={\left(C_A^n\right)}^T*C_E^n;$

2.4计算操作棒相对于电子设备坐标系的加速度：

$[\mathrm{ax},\mathrm{ay},\mathrm{az}]=C_E^A*{\mathrm{ax}}_B,{\mathrm{ay}}_B,{\mathrm{az}}_B]-[{\mathrm{ax}}_A,{\mathrm{ay}}_{A,}{\mathrm{az}}_A];$

2.5计算操作棒相对于电子设备坐标系的速度：

$[\mathrm{vx},\mathrm{vy},\mathrm{vz}]={\left(C_A^n\right)}^T*\left(\right[{\mathrm{vx}}_E,{\mathrm{vy}}_E,,{\mathrm{vz}}_E]-[{\mathrm{vx}}_{A,}{\mathrm{vy}}_A,{\mathrm{vz}}_A\left]\right);$

2.6计算操作棒相对于电子设备坐标系的位置：

$[x,y,z]={\left(C_A^n\right)}^T*\left(\right[x_E,y_E,z_E]-[x_A,y_{A,}{z}_A\left]\right);$

2.7在k时刻的系统状态使用X(k)＝[x，y，z，vx，vy，vz]^T表示，系统状态预测方程可表示为：

X(k+1)＝ΦX(k)+Ψu(k)+Γw(k)

其中，u(k)＝[ax，ay，az]^T为控制量，见2.4；

w(k)为3*1的向量，为零均值的过程激励噪声，在物理意义上为IMU读数解算得到的加速度的噪声，具有协方差矩阵Q(k)；

其它各量含义如下(下式中T表示采样周期)：

$\mathrm{\Φ}=\left[\begin{array}{cc}{I}_3& T*I_3\\ O_3& I_3\end{array}\right],$ $\mathrm{\Ψ}=\mathrm{\Γ}=\left[\begin{array}{c}\frac{T^2}{2}*I_3\\ T*I_3\end{array}\right]$

2.8在k时刻的测量值Z(k)＝[P₁，P₂，...，P_n]^T，式中Pi为第i个全向接收天线的接收信号强度值，RSSI系统测量值的估值

可以由IMU的位置估值

得到，下式中d₀、P(d₀)为参考点的距离、接收信号强度值，n为信道衰减指数，(x_i，y_i，z_i)为第i个全向接收天线的坐标：

令：

记H为h(X)对X＝[x，y，z，vx，vy，vz]^T的雅克比矩阵：

测量方程可以表示为：

Z(k)＝h(X)+v(k)

其中，v(k)为m*1的向量，为零均值的测量噪声，在物理意义上为信号传播过程中的噪声，具有协方差矩阵R(k)；

2.9EKF的全部更新过程如下：

2.9.1更新k+1时间的状态预测值：

X(k+1|k)＝ΦX(k|k)+Ψu(k)

上式中，X(k+1|k)是利用k时刻的状态来对k+1时刻的预测值，X(k|k)是k时刻的最优值，u(k)是k时刻的加速度值(视作系统的控制量)；

2.9.2更新预测方程的协方差估计值：

P(k+1|k)＝ΦP(k|k)Φ^T+TQ(k)Γ^T

上式中，P(k+1|k)是X(k+1|k)的协方差矩阵，P(k|k)是X(k|k)的协方差矩阵，Q(k)是过程激励噪声的协方差矩阵；

2.9.3更新k+1时刻的卡尔曼增益：

Kg(k+1)＝P(k+1k)H(k+1)^T[H(k+1)P(k+1|k)H(k+1)^T+R(k)]^-1

上式中，Kg(k+1)是k+1时间的卡尔曼增益，H(k+1)是k+1时刻的h(X)对X＝[x，y，z，vx，vy，vz]^T的雅克比矩阵，R(k)是测量噪声的协方差矩阵；

2.9.4更新k+1时间的最优化估计值：

X(k+1|k+1)＝X(k+1|k)+Kg(k+1)[Z(k+1)-h(X(k+1|k))]

上式中，X(k+1|k+1)是k+1时刻的最优值，Z(k+1)是k+1时刻全向接收天线测得的接收信号强度值，h(X(k+1|k))是根据X(k+1|k)估计的的接收信号强度值，h(X)的计算式见2.8；

从而通过k+1时刻的X(k+1|k+1)＝[x，y，z，vx，vy，vz]^T式中的x，y，z获得k+1时刻所述操作棒相对于电子设备的空间位置。

2.9.5更新k+1时刻的状态最优值的协方差矩阵：

P(k+1|k+1)＝(I-Kg(k+1)H(k+1))P(k+1|k)

该协方差矩阵用于下一次k+1时刻系统状态的更新，即k自增1返回步骤2.9.1。

实施例二、一种定位方法，用于电子设备对用于操作电子设备的操作棒进行定位；所述方法包括：

所述操作棒上固定在预定位置的全向发射天线发射强度恒定的电磁波；较佳地，该电磁波为连续波或者脉冲波；

测定所述电子设备不同位置上安装的三个或三个以上全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置；所述全向接收天线不共线。

本实施例的一种实施方式中，所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为圆极化。

本实施例的另一种实施方式中，所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化，可排除极化的不同对接收信号强度值的影响。

本实施例的一种实施方式中，所述全向接收天线及全向发射天线为相同的天线，如所述全向发射天线与所述全向接收天线的工作频率相同，最好天线性能一致，如工作频带相同，以减少定位解算的计算量。

本实施例的一种实施方式中，所述全向接收天线可以但不限于为WI-FI天线，工作频率可以但不限于为2.4G或5.8G。

本实施例的一种实施方式中，所述方法还可以包括：

测定所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数；

根据所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数解算出操作棒和电子设备的姿态、速度、位置信息，结合所述接收信号强度值，通过数据融合算法计算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置。

本实施例的一种实施方式中，测定所述电子设备不同位置上安装的三个或三个以上全向接收天线的接收信号强度值的步骤如图4所示，可以包括步骤401～404。

401、分别测定电子设备上各全向接收天线的接收信号强度值；

402、对所述接收信号强度值进行滤波；可采用的滤波算法有均值滤波、中值滤波、高斯滤波、粒子群滤波等；

403、根据所述全向接收天线在所述电子设备上的位置、预存的所述三个或三个以上参考点的接收信号强度值、及滤波后的接收信号强度值，计算所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置；计算空间位置时可采用的算法有三边定位法、极大似然估计和区域质心等。

因操作棒一般位于电子设备中屏幕所在一侧的空间里，步骤403后还可以包括：

404、舍弃定位解算出的空间位置中与电子设备屏幕相对一侧的空间位置。

具体滤波、计算空间位置的细节可参见实施例一。

实施例三、一种电子设备，包括：屏幕；

三个或三个以上的全向接收天线，安装在所述电子设备的不同位置上；所述全向接收天线不共线；

解算模块，用于测定所述全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出信号发射端相对于所述电子设备的空间位置。

本实施例的一种实施方式中，所述全向接收天线的极化方式为圆极化。

本实施例的另一种实施方式中，所述全向接收天线的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化。

本实施例的一种实施方式中，所述全向接收天线可以但不限于为WI-FI天线，工作频率可以但不限于为2.4G或5.8G。

本实施例的其它实现细节可参照实施例一及其各种实施方式。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种定位系统，包括：

电子设备及用于对该电子设备进行操作的操作棒；

所述电子设备包括：屏幕；

其特征在于，所述电子设备还包括：

三个或三个以上的全向接收天线，安装在所述电子设备的不同位置上；所述全向接收天线不共线；

解算模块，用于测定所述全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置；

所述操作棒包括：

全向发射天线，固定在该操作棒上，用于发射强度恒定的电磁波。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为圆极化。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述操作棒还包括：

第一惯性测量模块，用于测量所述操作棒的惯性参数并通过所述全向发射天线发送给所述电子设备；

所述电子设备还包括：

第二惯性测量模块，用于测量所述电子设备的惯性参数；

所述解算模块根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置是指：

所述解算模块根据所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数解算出操作棒和电子设备的姿态、速度、位置信息，结合所述接收信号强度值，通过数据融合算法计算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置。

5.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述解算模块包括：

采样单元，用于分别测定所述全向接收天线的接收信号强度值；

计算单元，用于根据所述全向接收天线在所述电子设备上的位置及所述接收信号强度值，采用三边定位法或极大似然法定位解算所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置。

6.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述解算模块还包括：

滤波单元，用于对所述采样单元测定的接收信号强度值进行滤波后发送给所述计算单元，采用以下任一种滤波方式：均值滤波、中值滤波、高斯滤波、粒子群滤波。

7.一种定位方法，用于电子设备对用于操作电子设备的操作棒进行定位；所述方法包括：

所述操作棒上固定的全向发射天线发射强度恒定的电磁波；

测定所述电子设备不同位置上安装的三个或三个以上全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置；所述全向接收天线不共线。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为圆极化。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述全向接收天线及全向发射天线的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

测定所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数；

根据所述操作棒的惯性参数及电子设备的惯性参数解算出操作棒和电子设备的姿态、速度、位置信息，结合所述接收信号强度值，通过数据融合算法计算出所述操作棒相对于电子设备的空间位置。

11.如权利要求7～10中任一项所述的方法，其特征在于：

根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置的步骤中，是根据三边定位法或极大似然法进行定位解算。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，根据该接收信号强度值定位解算出所述操作棒相对于所述电子设备的空间位置的步骤前还包括：

对所述接收信号强度值进行滤波；采用以下任一种滤波方式：均值滤波、中值滤波、高斯滤波、粒子群滤波。

13.一种电子设备，包括：屏幕；

其特征在于，还包括：

三个或三个以上的全向接收天线，安装在所述电子设备的不同位置上；所述全向接收天线不共线；

解算模块，用于测定所述全向接收天线的接收信号强度值，根据该接收信号强度值定位解算出信号发射端相对于所述电子设备的空间位置。

14.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于：

所述全向接收天线的极化方式为圆极化。

15.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于：

所述全向接收天线的极化方式为在空间中均匀分布的三维线极化。

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