CN103983947A - 一种基于超声波的无线定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声波的无线定位系统及方法，属于无线定位领域。所述基于超声波的无线定位系统包括待测点和至少三个固定点，所述固定点的位置是已知的；所有固定点是设置在一个平面上的；所述待测点通过WIFI网络分别向各个固定点发送不同的IP控制指令，固定点在接收到来自WIFI网络的IP控制指令后，向待测点发送超声波。

Description

一种基于超声波的无线定位系统及方法

技术领域

本发明属于无线定位领域，具体涉及一种基于超声波的无线定位系统及方法。

背景技术

当今社会，无线定位技术有多种，因为无线定位的区域范围和使用的场所各有不同，因此无线定位的方式的差别也很大。比如要实现广域范围且精度不高的无线定位，可以选择使用卫星定位。诸如美国GPS定位，俄罗斯“格洛纳斯”定位，以及中国的北斗定位。要实现一个较大范围的区域定位(2-10平方公里)，精度在分米级甚至2厘米以内的定位可以使用差分卫星定位加惯性定位的技术。对于有阻隔的室内环境且要求精度不高的定位，可以采用WLAN加RFID的定位技术。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于超声波的无线定位系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声波的无线定位系统，包括待测点和至少三个固定点，所述固定点的位置是已知的；

所有固定点是设置在一个平面上的；

所述待测点通过WIFI网络分别向各个固定点发送不同的IP控制指令，固定点在接收到来自WIFI网络的IP控制指令后，向待测点发送超声波。

所述待测点上安装有单片机、超声波发射模块和超声波接收模块；

所述单片机对超声波发射模块和超声波接收模块进行管理，并进行数据处理；

所述超声波发射模块用于发射超声波；

所述超声波接收模块用于接收超声波。

所述系统进一步包括数据中心，所述数据中心包括数据库服务器、应用程序服务器和无线交换设备。

数据库服务器中存储基础信息数据和定时采集的位置信息数据，所述基础信息数据包括地图信息、已设置的固定点的坐标信息和IP地址，所述定时采集的位置信息包括待测点的IP地址、每次定位的时间和坐标信息；

数据中心的应用程序服务器为服务端开启监听服务，待测点为客户端；在所述应用程序服务器上建立有B/S程序，用户在终端可通过浏览器实时监测待测点的位置信息和行动轨迹。

待测点和数据中心采用TCP/IP方式进行通信。

待测点和数据中心采用TCP/IP方式进行通信、为确保定位数据的送达，采用的是面向连接的TCP协议进行传送、数据中心的应用程序服务器为服务端开启监听服务，待测点为客户端。

一种基于超声波的无线定位方法，所述方法涉及的实体包括待测点和至少三个固定点，将所有固定点设置在一个平面上，分别使用WIFI网络下不同的IP控制指令，测量出待测点与各个固定点的距离，然后通过这些距离确定待测点的位置。

所述测量出待测点与各个固定点的距离是这样实现的：

第一步：待测点使用WIFI网络向固定点发送IP控制指令，并记录指令发送的时间TIME1。

第二步：固定点在接收到来自WIFI的IP指令后，向待测点发送超声波。

第三步：待测点接收到超声波信号，并记录接收到超声波的时间TIME2。

第四步：待测点计算待测点与该固定点的距离，超声波在空气中的传输速度为：V_空气＝340米/秒。因此两者之间的距离为：S＝V_空气*(TIME2-TIME1)；

对每个固定点重复上面四个步骤，获得待测点与各个固定点的距离。

所述通过这些距离确定待测点的位置是这样实现的：

分别以各个固定点为球心，以测量点到该固定点的距离为半径画球，通过各个球体的交点求得待测点的位置；

对于三个固定点的情况，三个球体相交于两点，所计算的待测点位于固定点所在的平面之下，在得到两个交点的坐标值后，将位于固定点所在平面之上的交点舍弃，剩下的交点的坐标值即为待测点的位置。

所述方法在所述待测点上的单片机设有存储功能和计算功能，求得待测点的位置是通过待测点上的单片机完成的。

所述方法中求得待测点的位置是通过数据中心完成的，即待测点将与固定点的距离数据传送到数据中心，由数据中心完成计算；

每次采集的数据通过所述应用程序服务器进行计算然后将待测点的坐标信息存入数据库服务器中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用超声波的无线定位技术，其适用范围是区域在20*20米的范围且其精度达到3毫米。与现有的定位技术相比较，本发明方法适用的区域范围较小且要求无阻隔，提高了精度，降低了成本，为无线定位技术的应用提供了很好的补充。

附图说明

图1  是定位原理图。

图2  是本发明方法的步骤框图。

图3  是本发明系统的组成结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明的原理如图1所示，超声波定位原理与GPS定位原理类似。在需要进行定位的区域内设置至少三个已知位置的固定点分别为O、E、F。图1中D点为需要被测定位置的点。如果位于D点的待定位物体可以获得线段DE、DF、DO的距离，根据三点定位原理，可以准确得到D点的位置。本文通过不同频率超声波收发的机制测定DE、DO、DF的距离。

已知的多数超声波定位为反射式定位方式来测定发射源和物体之间的距离，如倒车雷达，室内借助墙壁定位等。本文采用的是多发射源的机制，不采用反射方式。现以DE点之间距离测定为例进行说明。

第一步：D点使用WIFI网络向E点发送IP控制指令，并记录指令发送的时间TIME1。

第二部：E点在接收到来自WIFI的IP指令后，向D点发送超声波。

第三部：D点接受到超声波信号，并记录接收到超声波的时间TIME2。

第四步：D点计算DE的距离，超声波在空气中的传输速度为：V_空气＝340米/秒。因此DE之间的距离为：S_DE＝V_空气*(TIME2-TIME1)。

按照以上四步的做法可以分别使用WIFI网络下不同的IP指令测量出S_DO＝DO、S_DF＝DF的距离。所有发射和接收频率都不能相同，以免产生混乱。

分别以O、E、F为球心，S_DO，S_DE，S_DF为半径画球。三个球体相交于两点，进行定位的固定点设置在一个平面，所计算的待检测点D位于固定点之下，在利用公式进行计算后得到两个坐标值，其中一个坐标的Z坐标大于固定点坐标，则将该组坐标信息舍弃，剩下的点即为被定位的D点。

理论上来说通过三个固定点就可以判定图1中D点的位置，但为了提高定位的精度，往往设置的固定点超过三个，原则上固定点越多，测量的精度越高。经过实验设置4个固定点进行定位，精度可达3毫米左右。可以满足一般定位的需要。

D点的设备采用单片机和超声波发射模块和超声波接收模块构成。

三点定位的计算如下：

如图1所示，设定O点的已知坐标为O(x1，y1，z1)，E点的坐标为E(x2，y2，z2)，F点的坐标为F(x3，y3，z3)。未知点D的坐标为D(x，y，z)。设O点到D点的距离为S1，E点到D点的距离为S2，F点到D点的距离为S3。则三个已知点和一个未知点满足下列方程。

(x-x1)²+(y-y1)²+(z-z1)²＝S1²  (1)

(x-x2)²+(y-y2)²+(z-z2)²＝S2²  (2)

(x-x3)²+(y-y3)²+(z-z3)²＝S3²  (3)

求解方程组(1)(2)(3)。可计算出未知点D的坐标值。从而实现定位。进行定位的固定点设置在一个平面，所计算的待检测点D位于固定点之下，在利用公式进行计算后得到两个坐标值，其中一个坐标的Z坐标大于固定点坐标，则将该组坐标信息舍弃。

为了纠正误差，使得对于D点位置的计算更加精确。可加入多个已知固定点的机制。设定第四个已知固定点G的坐标为G(x4，y4，z4)，G点到D点的距离为S4。则满足如下方程：

(x-x4)²+(y-y4)²+(z-z4)²＝S4²  (4)

分别构成方程组(1)(2)(3)、(1)(2)(4)、(1)(3)(4)、(2)(3)(4)。对上述方程组进行求解得到四组D点的坐标值(x’，y’，z’)，(x”，y”，z”)，(x”’，y”’，z”’)，(x””，y””，z””)。则D的实际坐标通过对上述四组坐标值求算术平均得到。如公式(6)、(7)、(8)。

$x=\frac{x^{\′}+x^{\′\′}+x^{\′\′\′}+x^{\′\′\′\′}}{4}---\left(6\right)$

$y=\frac{y^{\′}+y^{\′\′}+y^{\′\′\′}+y^{\′\′\′\′}}{4}---\left(7\right)$

$z=\frac{z^{\′}+z^{\′\′}+z^{\′\′\′}+z^{\′\′\′\′}}{4}---\left(8\right)$

由于超声波传感器很难做到通过频率来区分不提供发射点，所以本发明引入了WIFI机制。使用无线WIFI的最大好处在于，定位点D上的设备可以做到最简。对于D点的位置计算也可由上位机来完成。因为WIFI采用802.1g无线电磁波传送，其传播速度为光速，相对超声波的传送速度，其耗时可以忽略不计。其定位流程如图2所示。

对于D点位置的计算，按照实际需要分为两种方式，第一种是通过D点设备计算D点坐标(这种方式不需要数据中心)。第二种是将与固定点的距离数据传送到上位机。由上位机进行计算。第一种方式需要D点上的单片机系统具有存储和计算功能，如果需要图形化显示还要加载地图信息。如果在实际使用中不能在D点加载高处理性能的计算机系统，则可选择使用第二种方式。定位信息系统的架构如图3所示，用户终端1与无线交换设备8通信，待测点9与无线交换设备8、固定点O2、固定点G3，、固定点F4、固定点E5通信，无线交换设备8与数据库服务器6和应用程序服务器7通信。

数据库中存储基础信息和定时采集的位置信息数据，基础数据包括地图信息；已设置的固定点的坐标信息、IP地址等信息。定时采集的位置信息包括未知点的IP地址、每次定位的时间、坐标信息等。每次采集的数据通过应用程序服务器进行计算然后将待测点的坐标信息存入数据库。应用程序服务器上可建立B/S程序，用户在终端可通过浏览器实时监测待测点的位置信息和行动轨迹。

待测点和数据中心采用TCP/IP方式进行通信、为确保定位数据的送达，采用的是面向连接的TCP协议进行传送、数据中心的应用程序服务器为服务端开启监听服务，待测点为客户端。

超声波的传输距离跟超声波发生器的功率相关，因为超声波的传输距离有限，该系统不适合广域范围的定位。如果待测点的活动范围较大可采用多建立固定点的方法来扩大使用面积。理论上来说只要固定点的设置范围不超过WIFI网络的覆盖范围就可以实现定位，但是在实际应用中，固定点数量的增多也会增加固定点网络性能检测和位置数据计算的负担。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种基于超声波的无线定位系统，其特征在于：所述基于超声波的无线定位系统包括待测点和至少三个固定点，所述固定点的位置是已知的； 

所有固定点是设置在一个平面上的； 

所述待测点通过WIFI网络分别向各个固定点发送不同的IP控制指令，固定点在接收到来自WIFI网络的IP控制指令后，向待测点发送超声波。 

2.根据权利要求1所述的基于超声波的无线定位系统，其特征在于：所述待测点上安装有单片机、超声波发射模块和超声波接收模块； 

所述单片机对超声波发射模块和超声波接收模块进行管理，并进行数据处理； 

所述超声波发射模块用于发射超声波； 

所述超声波接收模块用于接收超声波。 

3.根据权利要求2所述的基于超声波的无线定位系统，其特征在于：所述系统进一步包括数据中心，所述数据中心包括数据库服务器、应用程序服务器和无线交换设备； 

数据库服务器中存储基础信息数据和定时采集的位置信息数据，所述基础信息数据包括地图信息、已设置的固定点的坐标信息和IP地址，所述定时采集的位置信息包括待测点的IP地址、每次定位的时间和坐标信息； 

数据中心的应用程序服务器为服务端开启监听服务，待测点为客户端；在所述应用程序服务器上建立有B/S程序，用户在终端可通过浏览器实时监测待测点的位置信息和行动轨迹。 

4.根据权利要求3所述的基于超声波的无线定位系统，其特征在于：待测点和 数据中心采用TCP/IP方式进行通信。 

5.根据权利要求3所述的基于超声波的无线定位系统，其特征在于：待测点和数据中心采用的是面向连接的TCP协议进行传送。

6.一种基于超声波的无线定位方法，其特征在于：所述方法涉及的实体包括待测点和至少三个固定点，将所有固定点设置在一个平面上，分别使用WIFI网络下不同的IP控制指令，测量出待测点与各个固定点的距离，然后通过这些距离确定待测点的位置。 

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述测量出待测点与各个固定点的距离是这样实现的： 

第一步：待测点使用WIFI网络向固定点发送IP控制指令，并记录指令发送的时间TIME1。 

第二步：固定点在接收到来自WIFI的IP指令后，向待测点发送超声波。 

第三步：待测点接收到超声波信号，并记录接收到超声波的时间TIME2。 

第四步：待测点计算待测点与该固定点的距离，超声波在空气中的传输速度为：V_空气＝340米/秒。因此两者之间的距离为：S＝V_空气*(TIME2-TIME1)； 

对每个固定点重复上面四个步骤，获得待测点与各个固定点的距离。 

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述通过这些距离确定待测点的位置是这样实现的： 

分别以各个固定点为球心，以测量点到该固定点的距离为半径画球，通过各个球体的交点求得待测点的位置； 

对于三个固定点的情况，三个球体相交于两点，所计算的待测点位于固定点所在的平面之下，在得到两个交点的坐标值后，将位于固定点所在平面之上 的交点舍弃，剩下的交点的坐标值即为待测点的位置。 

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法在所述待测点上的单片机设有存储功能和计算功能，求得待测点的位置是通过待测点上的单片机完成的。 

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法中求得待测点的位置是通过数据中心完成的，即待测点将与固定点的距离数据传送到数据中心，由数据中心完成计算； 

每次采集的数据通过所述应用程序服务器进行计算然后将待测点的坐标信息存入数据库服务器中。