CN104062633B - 一种基于超声波的室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的室内定位系统及方法，该系统包括依次连接的超声波发射单元、超声波接收单元和数据处理单元；该系统实现室内定位的方法：超声波发射单元产生两种不同频率的超声波，并以预定的时间间隔按预定的顺序发送超声波；超声波接收单元接收超声波发射单元发出的超声波，滤除干扰杂波，并将处理后的信号传输至数据处理单元；数据处理单元对超声波接收单元传入的数据进行处理，获得移动物体的三维坐标。本发明通过超声波发射单元的特殊设计，以及时间差的应用，解决了超声波发射端与接收端的时间同步问题，移动物体不需发射信号，仅靠接收信号就能完成定位；定位解算高效，实现了移动物体的空间准确定位。

Description

一种基于超声波的室内定位系统及方法

技术领域

本发明属于室内导航定位技术领域，涉及一种基于超声波的室内定位系统，用于对室内移动物体进行定位，本发明还介绍了该室内定位系统的定位方法。

背景技术

室内定位与导航是指实时地确定移动机器人的方位，并指引其沿正确路线运动。移动机器人的定位方法可分为相对定位方法和绝对定位方法。

相对定位技术主要有航位推测法和惯性导航法，基本思路都是基于测量值的累积，因而无法避免时间漂移问题。随着路径的增长，任何小的误差经过累积都会无限增加。因此，相对定位技术不适合长距离和长时间的准确定位。

绝对定位技术主要有全球定位系统(GPS)和路标定位。目前民用GPS的精度一般在5到10米，用于移动机器人定位时存在近距离定位精度低的问题。路标定位是一种常见的定位技术，路标是具有明显特征的能被机器人传感器识别的特殊物体。根据路标的不同，分为基于自然路标定位和基于人工路标定位。其中人工路标定位技术应用最为成熟。人工路标是指在机器人的工作环境中，人为地设置一些坐标已知的路标，机器人通过对路标的探测来确定自身的位置。移动机器人需要利用传感器才能对路标进行感知以获得环境信息。用于感知的传感器主要分两类：视觉传感器和非视觉传感器。视觉传感器用于获取环境的视觉信息，而非视觉传感器用于获取机器人与周围路标的距离信息。常用的非视觉传感器包括超声波传感器、红外传感器、激光测距仪等等。

激光测距仪的测量结果精度较高，但是由于其高分辨率造成数据处理实时性较差，而且激光测距仪的能源消耗较大。红外线技术通过移动设备在一个预定时间间隔内发射红外线，然后接收这些红外线并利用到达时间算法或到达角度算法计算目标位置，缺点是红外线是直线短距离传播的，容易受太阳光干扰且精确度不是很高。超声波由于其廉价、使用简单、数据处理方便等特点得到了广泛使用，但由于超声波传感器信息量相对较少、遇到障碍物会丢失、受物体反射会造成虚假信号，因此其感知信息存在较大的不确定性。

目前，常见的基于超声波的室内定位技术主要有以下几种方案：

第一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标。采用这种方法定位，如果遇到平面上有障碍物，必然会出现定位坐标错误。

第二种是采用反射式测距法。系统由一个主接收器和若干电子标签组成，主接收器可放置于移动机器人上，各个电子标签放置于室内空间的固定位置。先由上位机发送信号给各个电子标签，电子标签接收到信号后又发射超声波传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到移动机器人之间的距离，并解算出定位坐标。这种方法的缺点是需要采集发射点的时间信号，即需要上位机告知移动机器人发射的时间点。

还有一种常见方法是将超声波的发送端放置于移动机器人上，各个电子标签作为接收端放置于室内空间的固定位置，这样通过在移动机器人上发送超声波，就可以确定各个电子标签到移动机器人之间的距离，并解算出定位坐标。但是通过这种方法，解算的定位坐标信息在上位机上，必须与移动机器人建立通信。

此外，出现了一种新的方法是将超声波与射频技术(或红外线等技术)相结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。这种方法虽然解决了需要采集时间信号的问题，但是使用射频技术必然会增加大量成本。

以上常见超声波的室内定位方法多采用三点测位方式，即测量待测点到三个坐标已知的固定点之间的距离，然后通过距离交会法求解出待测点位的三维坐标。这种方法在理论上，有三个圆相交于一点即移动机器人的位置，但实际上由于测量数据误差的存在，这三个圆并非相交于一点而是三点，给定位坐标带来较大的误差。因此，需要对现有室内定位方法进行改进，设计一种更加合理的室内定位系统和方法，从而减小移动物体的定位误差。

发明内容

针对上述现有超声波室内定位系统的缺陷，本发明的主要目的在于设计一种基于超声波的室内定位系统。本发明的室内定位系统简单可行，设计合理。通过本发明的室内定位系统及创新性的定位方法能够准确的定出移动物体在建立的空间坐标系中的三维坐标。

本发明采取的技术方案是：

一种基于超声波的室内定位系统，其特征在于包括依次连接的超声波发射单元、超声波接收单元和数据处理单元。

所述超声波发射单元，用于产生两种不同频率的超声波，并以预定的时间间隔按预定的顺序发送超声波。

所述超声波接收单元，用于接收超声波发射单元发出的超声波，滤除干扰杂波，并将处理后的信号传输至数据处理单元。

所述数据处理单元，用于对超声波接收单元传入的数据进行处理，获得移动物体的三维坐标。

进一步地，所述超声波发射单元包括超声波发射探头、单片机控制单元、信号传输单元和信号驱动单元。

所述单片机控制单元，含有控制器，用于产生远程控制信号，控制超声波发射探头产生两种不同频率的超声波信号，并控制超声波发射探头发射超声波信号的时间间隔与循环方式。

所述信号传输单元，通过预定的通信协议将单片机控制单元产生的远程控制信号远距离传输给信号驱动单元。

所述信号驱动单元，包含驱动器，用于增强远程控制信号的驱动能力，驱动超声波发射探头发射超声波。

进一步地，所述超声波接收单元包括信号放大单元和信号整形单元。

所述信号放大单元包括超声波接收探头和放大器，超声波接收探头用于接收超声波信号，并将超声波信号转化为同频的电压正弦信号；放大器用于将电压正弦信号进行放大，并将放大后的电压正弦信号传给信号整形单元。

所述信号整形单元，包括比较器，用于将电压正弦信号整形为方波。

进一步地，所述数据处理单元包括温度传感器和单片机处理器。

所述温度传感器，用于实时测量室内温度，并将测得的室内温度传送给单片机处理器。

所述单片机处理器，用于对超声波接收单元传入的数据进行解算，确定移动物体在空间坐标系中的坐标。

进一步地，所述超声波发射探头为若干个，所有超声波发射探头在室内坐标系中位置已知，彼此之间相对位置固定，并构成结构稳定的基线对。

进一步地，所述超声波发射探头中的一个超声波发射探头发射一种频率的超声波，其余的超声波发射探头均发射不同于该频率的超声波。

进一步地，所述超声波发射探头按预定的时间间隔和预定的顺序发射超声波，并按此循环。

进一步地，所述超声波接收单元和数据处理单元均安装在移动物体上。

进一步地，所述超声波发射探头安装在室内的天花板上。

本发明的技术方案进一步包括：

一种基于超声波的室内定位系统的室内定位方法，包括下述步骤：

步骤一、单片机控制单元依次通过信号传输单元和信号驱动单元，控制每个超声波发射探头以预订的时间间隔依次循环发射超声波信号，第一个超声波发射探头发射超声波的频率为f1，其余超声波发射探头发射超声波的频率为f2。

步骤二、超声波接收单元中的超声波接收探头接受传入的两种频率的超声波信号，经放大、整形后传输给单片机处理器。

步骤三，单片机处理器在收到超声波接收单元传来的信号后，开始记时，得到相邻两次超声波到达的时间差，由此时间差得到移动物体到相邻超声波发射探头的距离差；由前两次距离差列出一个方程组，解得移动物体在此坐标系内的坐标；再在另一个空间坐标系内，根据空间中的几何关系，确定出移动物体的坐标。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)本发明通过超声波发射单元的特殊设计，以及时间差的应用，解决了超声波发射端与接收端的时间同步问题，待定位物体(移动物体)不需要发射信号，仅靠接收信号就能完成定位，从而高效的实现了无源定位。

(2)本发明通过高效的定位解算算法，可以确定出移动物体的空间坐标，从而不仅可以定位出地面上的移动物体，也可以定位出空间中的移动物体。

以下将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明系统的结构框图。

图2是本发明系统中超声波发射单元的具体设计方案图。

图3是本发明系统中超声波接收单元与数据处理单元的具体设计方案图。

图4是本发明系统时间差计算分析图。

图5是本发明系统超声波接收端解算定位算法分析图。

具体实施方式

现有室内定位方法普遍存在的技术缺陷是对移动物体(待定位物体)的定位误差较大，定位不准确。为此，本发明对现有室内定位方法进行改进，设计了一种基于超声波的室内定位系统，并对该室内定位系统的室内定位方法进行了介绍。

如图1所示，本发明的室内定位系统包括超声波发射单元、超声波接收单元、数据处理单元三部分。所述三个单元都是单向连接的，即超声波发射单元产生信号，信号经超声波接收单元传输给数据处理单元。进一步地，超声波发射单元产生两种不同频率的超声波信号，经过大气传播后由超声波接收单元收到，并将信号进行放大与整形，传递给数据处理单元，在数据处理单元中通过解算定位算法，确定被移动物体的空间坐标。

三个单元的具体功能描述如下。超声波发射单元，用于产生两种不同频率的超声波，并以预定的时间间隔按预定的顺序发送超声波。超声波接收单元，用于接收超声波发射单元发出的超声波，滤除干扰杂波，并将处理后的信号传输至数据处理单元。数据处理单元，用于对超声波接收单元传入的数据进行处理，获得移动物体的三维坐标。

超声波发射单元的结构组成如图2所示，包括超声波发射探头、单片机控制单元、信号传输单元和信号驱动单元。

超声波发射单元中可以包含多个超声波发射探头，超声波发射探头安装在室内的天花板上或室内较高的位置，所有超声波发射探头处于同一高度，且只有其中的三个超声波发射探头处在同一条直线上。此外，超声波发射探头中的一个超声波发射探头发射一种频率的超声波，其余的超声波发射探头均发射不同于该频率的超声波。

单片机控制单元包含有控制器，用于产生远程控制信号，控制超声波发射探头产生两种不同频率的超声波信号，并控制超声波发射探头发射超声波信号的时间间隔与循环方式。

信号传输单元，通过预定的通信协议将单片机控制单元产生的远程控制信号远距离传输给信号驱动单元。

信号驱动单元包含驱动器，用于增强远程控制信号的驱动能力，驱动超声波发射探头发射超声波。

在图2中，超声波发射单元通过一个控制器，运用MAX485通信协议，将控制信号远距离传输给超声波发射探头，并通过非门的连接增加信号的驱动能力。本发明的室内定位系统可以设置有四路超声波发射单元，每个超声波发射单元分别隔一定时间间隔发射一组超声波，需要说明的是，四路超声波发射单元产生两种不同频率的超声波。超声波的发射是由超声波发射探头实现的，如图2所示，T₁、T₂、T₃、T₄均为超声波发射探头，其中T₁为25K的超声波发射探头，T₂、T₃、T₄皆为40K的超声波发射探头。

超声波接收单元的结构组成包括信号放大单元和信号整形单元，如图3所示。其中，信号放大单元包括超声波接收探头和放大器。超声波接收探头用于接收超声波信号，并将超声波信号转化为同频的电压正弦信号。超声波发射探头为若干个，安装在室内的天花板上或室内较高的位置，所有超声波发射探头在室内坐标系中位置已知，彼此之间相对位置固定，并构成结构稳定的基线对。放大器用于将电压正弦信号进行放大，并将放大后的电压正弦信号传给信号整形单元。所述信号整形单元，包括比较器，用于将电压正弦信号整形为方波。

在图3中，R₁表示25K的超声波接收探头，R₂表示40K的超声波接收探头。R₁与R₂在接收到超声波发射端(超声波发射探头)传来的超声波信号后，将其转化为同频的电压正弦信号。由于超声波发射探头与超声波接收探头的距离较远，导致接收到的信号比较微弱，因此需通过放大器放大到一定幅度，再通过比较器将正弦信号整形为方波信号。整形后的方波信号传输到数据处理单元。

整形后的方波信号传送到MSP430单片机处理器中进行处理，通过定位算法得到移动物体的具体坐标值。由于超声波在空气中的传播速度受温度影响，因此通过温度传感器测得温度，将得到的结果传到MSP430单片机处理器上可算出此时声波在空气中的传播速度v。MSP430单片机处理器在定位后，可以通过与电脑间的串口通信，将定位结果传到PC机上，进行进一步的处理。

从上述描述可以看出，本系统实现定位的基本思路是：在天花板或较高位置安放四个超声波发射探头，其中第一个发射探头发射频率定为f1，其余探头的发射频率选为f2。发射单元使用一个控制器控制发射端的每个探头，以一定的时间间隔依次循环发射超声波，该时间间隔越小，每次定位所需时间越小，但应当大于超声波通过房间对角线所需时间。在移动物体上安放超声波接收单元与数据处理单元。当移动物体接收到第一个发射探头的超声波时，开始进行计时，接收到后面三个探头的超声波的时间分别为t₂、t₃、t₄，从而利用超声波定位解算算法进行解算，解算完后再等待接收第一个探头的超声波作为下一次定位的起始，从而循环进行定位解算。

为了更好地理解本发明室内定位系统的实现室内定位的原理，现结合具体的定位过程进行描述。如图4所示，四个超声波发射探头每隔30ms发一组超声波信号，即T₁先发一组25K的超声波信号，30ms后，T₂发一组40K的超声波信号，过30ms，T₃发一组40K的超声波信号，再过30ms，T₄发一组40K的超声波信号。Δt₁为超声波发射探头T₁发出25K超声波信号到超声波接收探头R₁接收到信号需的时间，Δt₂为超声波发射探头发出40K超声波信号到超声波接收探头R₂接收到信号需的时间，Δt₃为发射端T₃发出40K超声波信号到超声波接收探头R₂接收到信号需的时间，Δt₄为发射端T₄发出40K超声波信号到超声波接收探头R₂接收到信号需的时间。

测量M₁、测量M₂、测量M₃分别是通过MSP430单片机处理器测得的时间值。由图4可知Δt₂-Δt₁＝(M₁-30)ms；Δt₃-Δt₂＝(M₂-30)ms；Δt₄-Δt₃＝(M₃-30)ms。

在如图5所示的空间直角坐标系中，T₁为25K的超声波发射探头，T₂、T₃、T₄分别为40K的超声波发射探头，且相邻超声波发射探头T₁与T₂、T₂与T₃、T₃与T₄的距离皆为2c₁。超声波发射探头T₁、T₂、T₃、T₄位于同一平面上，T₄、T₃所在的直线垂直于T₁、T₂、T₃所在的直线。超声波接收探头R的坐标为(x,y,z)。q₁、q₂、q₃分别表示为RT₃、RR’、RT₄的长度。

a₁为超声波发射探头T₂与T₁到超声波接收探头R的距离差，即图5中的RT₂-RT₁。a₂为超声波发射探头T₃与T₂到超声波接收探头R的距离差，即图5中的RT₃-RT₂。根据双曲线的定义，到两点的距离差为常数的点在双曲线上，由距离差a₁、a₂可以联立两个双曲线方程，得到方程组①，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x-c_1)}^2}{a_1^2}-\frac{y^2}{c_1^2-a_1^2}=1\\ \frac{{(x-{3c}_1)}^2}{a_2^2}-\frac{y^2}{c_1^2-a_2^2}=1\end{array}\right.$ ①

为计算方便，取中间变量

$k=\frac{c_1^2-a_1^2}{c_1^2-a_2^2};a_i=\frac{1}{a_2^2}-\frac{k}{a_1^2};b_i=\frac{-{6c}_1}{a_2^2}+\frac{{2c}_1}{a_1^2}k;c_i=\frac{{9c}_1^2}{a_2^2}-\frac{c_1^2-a_1^2}{a_1^2}k-1$

在由超声波发射探头T₁、T₂、T₃，以及R共同组成的斜平面上，建立新平面直角坐标系xoy’，交点坐标由方程组①得到，设交点坐标(x_i,y_i)，根据a_i不同分两种情况进行讨论：

(1)a_i＝0：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{-c_i}{b_i}\\ y_i=\sqrt{(\frac{{(x_i-c_1)}^2}{a_1^2}-1)*(c_1^2-a_1^2)}\end{array}\right.$

(2)a_i≠0:

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{-b_i-\sqrt{b_i^2-{4a}_i{c}_i}}{{2a}_i}\\ y_i=\sqrt{(\frac{{(x_i-c_1)}^2}{a_1^2}-1)*(c_1^2-a_1^2)}\end{array}\right.$

令a₃为超声波发射探头T₄与T₃到超声波接收探头R的距离差，即图5中的RT₄-RT₃；过R点向T₃、T₄所在的铅垂面作垂线，垂足为R’，则R’T₃＝y_i，直角三角形RR’T₃中

q₂＝4c₁-x₁

$q_1=\sqrt{q_2^2+y_i^2}$

在三角形RT₄T₃中，

q₃＝q₁+a₃

在直角三角形RR’T₄中，

$q_4=\sqrt{q_3^2-q_2^2}$

在三角形T₄R’T₃中，为计算方便，令根据三角形面积公式，面积 $s=\sqrt{(p-q_4)(p-{2c}_1)(p-y_i)}$

$z=\frac{2s}{{2c}_1}$

y_i在顶平面上的投影即为y

$y=\sqrt{y_i^2-z^2}$

x＝x_i

(x,y,z)即是小车在空间坐标系中的坐标。

结合图4与图5所示，T₁为25K的超声波发射探头，T₂、T₃、T₄分别为40K的超声波发射探头，且相邻超声波发射探头T₁与T₂，T₂与T₃，T₃与T₄的距离皆为2c₁。测量开始时，超声波发射单元中的控制器通过控制四个超声波发射探头T₁、T₂、T₃、T₄，使它们每隔30ms发一组超声波信号。T₁先发射25K的超声波信号，超声波接收单元中的25K超声波接收探头R₁在收到超声波信号后，将其转化为相应频率的正弦信号，由于接收到的信号比较微弱，因此经过放大器将其放大到一定幅度，再经过比较器，将信号整形为方波，然后将方波信号接入到单片机的定时器捕获端口，启动定时器计时。T₂接着发射40K的超声波信号，同样接收系统中的40K超声波接收探头R₂在收到超声波信号后，经过放大、整形，将得到的方波信号接入到另外一个定时器捕获端口中。同理，T₃、T₄发出的40K超声波信号与T₂发出的超声波信号经过同样的过程，被送入单片机处理器的定时器捕获端口中。

经过单片机处理器的计算，可以得到测量M₁、测量M₂、测量M₃，从而Δt₂-Δt₁＝(M₁-30)ms，Δt₃-Δt₂＝(M₂-30)ms，Δt₄-Δt₃＝(M₃-30)ms，超声波接收探头到相邻两个超声波发射探头的距离差RT₂-RT₁、RT₃-RT₂、RT₄-RT₃通过以上时间差就可以得到。假设声音在特定温度下的传播速度为v，则RT₂-RT₁＝v*(Δt₂-Δt₁)，RT₃-RT₂＝v*(Δt₃-Δt₂)，RT₄-RT₃＝v*(Δt₄-Δt₃)。

在距离差测出之后，通过解算定位算法，就可以将移动物体在空间坐标系中的坐标求出。

上述给出了本发明的一个具休实施例，单片机控制器可以选择51单片机也可以使用430等具有类似功能的处理器实现。放大器可以用Ti公司的OPA系列也可以使其它公司放大器产品，如ADI公司的差分运放。本领域研究人员可以根据实际条件选择合适的器件。本说明未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

上面结合附图对本发明的实施方式作了说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于超声波的室内定位系统，其特征在于包括依次连接的超声波发射单元、超声波接收单元和数据处理单元；

所述超声波发射单元，用于产生两种不同频率的超声波，并以预定的时间间隔按预定的顺序发送超声波；

所述超声波接收单元，用于接收超声波发射单元发出的超声波，滤除干扰杂波，并将处理后的信号传输至数据处理单元；

所述数据处理单元，用于对超声波接收单元传入的数据进行处理，获得移动物体的三维坐标；

所述超声波发射单元包括超声波发射探头、单片机控制单元、信号传输单元和信号驱动单元；

所述单片机控制单元，含有控制器，用于产生远程控制信号，控制超声波发射探头产生两种不同频率的超声波信号，并控制超声波发射探头发射超声波信号的时间间隔与循环方式；

所述信号传输单元，通过预定的通信协议将单片机控制单元产生的远程控制信号远距离传输给信号驱动单元；

所述信号驱动单元，包含驱动器，用于增强远程控制信号的驱动能力，驱动超声波发射探头发射超声波；

所述超声波接收单元包括信号放大单元和信号整形单元；

所述信号放大单元包括超声波接收探头和放大器，超声波接收探头用于接收超声波信号，并将超声波信号转化为同频的电压正弦信号；放大器用于将电压正弦信号进行放大，并将放大后的电压正弦信号传给信号整形单元；

所述信号整形单元，包括比较器，用于将电压正弦信号整形为方波；

所述数据处理单元包括温度传感器和单片机处理器；

所述温度传感器，用于实时测量室内温度，并将测得的室内温度传送给单片机处理器；

所述单片机处理器，用于对超声波接收单元传入的数据进行解算，确定移动物体在空间坐标系中的坐标；

所述超声波发射探头为若干个，所有超声波发射探头在室内坐标系中位置已知，彼此之间相对位置固定，并构成结构稳定的基线对；

所述超声波发射探头中的一个超声波发射探头发射一种频率的超声波，其余的超声波发射探头均发射不同于该频率的超声波；

所述超声波发射探头按预定的时间间隔和预定的顺序发射超声波，并按此循环；

所述超声波接收单元和数据处理单元均安装在移动物体上；

所述超声波发射探头安装在室内的天花板上；

在天花板或较高位置安放四个超声波发射探头，其中第一个发射探头发射频率定为f1，其余探头的发射频率选为f2；当移动物体接收到第一个发射探头的超声波时，开始进行计时，接收到后面三个探头的超声波的时间分别为t2、t3、t4，利用超声波定位解算算法进行解算，解算完后再等待接收第一个探头的超声波作为下一次定位的起始，从而循环进行定位解算。

2.一种如权利要求1所述基于超声波的室内定位系统的室内定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一、单片机控制单元依次通过信号传输单元和信号驱动单元，控制每个超声波发射探头以预订的时间间隔依次循环发射超声波信号，第一个超声波发射探头发射超声波的频率为f1，其余超声波发射探头发射超声波的频率为f2；

步骤二、超声波接收单元中的超声波接收探头接受传入的两种频率的超声波信号，经放大、整形后传输给单片机处理器；

步骤三，单片机处理器在收到超声波接收单元传来的信号后，开始记时，得到相邻两次超声波到达的时间差，由此时间差得到移动物体到相邻超声波发射探头的距离差；由前两次距离差列出一个方程组，解得移动物体在此坐标系内的坐标；再在另一个空间坐标系内，根据空间中的几何关系，确定出移动物体的坐标。