CN104735780B

CN104735780B - 一种室内定位装置和定位方法

Info

Publication number: CN104735780B
Application number: CN201510134488.1A
Authority: CN
Inventors: 谭光; 谢波; 毛成华; 肖钟凯
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: CN104735780A

Abstract

本发明适用于定位技术领域，提供了一种室内定位装置，包括底座、设于底座上的光源、旋转件、驱动电机、旋转外壳及控制器；光源位于旋转外壳敞口中心处；旋转外壳沿纬度方向划分为多个编码圈，编码圈在经度方向划分为多个编码位，每圈中不存在连续两个或两个以上非透光编码位，若干个特定方式排布的编码位构成起始位及结束位；不同编码圈的编码位排布不同；底座设有带卡槽的光耦合器，旋转件设有挡光片，挡光片穿过卡槽一次，光源发生一次频率跳变；还包括用于感应光信号及频率跳变并进行定位的接收端。本发明通过特殊的旋转外壳及跳变光源，结合接收端感应光信号实现定位，结构简洁而定位方法新颖、准确、稳定性好、成本低，适于室内高精度定位。

Description

一种室内定位装置和定位方法

技术领域

本发明属于定位技术领域，特别涉及一种室内定位装置和定位方法。

背景技术

随着科技的进步和社会经济的发展，人们对室内定位服务的需求与日俱增，在一些公共场所，如商场、机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场等，精确的室内定位信息，能够方便用户购物、出行、查找室内目标等；能够对可用空间和库存物资实现高效管理；能够导航警察、消防员、士兵、医务工作人员完成特定的室内任务。智能空间、普适计算等都离不开位置服务，因此室内定位具有广阔的应用前景。GPS虽然在室外定位方面能满足很多应用的需求，但是由于建筑物墙壁、室内物体等对信号的阻挡等，在室内环境中其信号很弱或者没有，因此在室内环境中很难使用GPS来进行定位。

国内外关于室内定位技术的研究比较丰富，根据定位原理有邻近检测、指纹匹配和多边/角度方法等。邻近检测方法将检测到的信号源位置作为定位位置，精度较低。指纹匹配方法利用室内环境中的信号特征匹配能够得到较好的定位精度，但定位结果易受室内多径效应和环境变化等影响，定位结果不稳定，精度不高，且需建立指纹数据库，工作繁琐。而多边/角度方法需要先通过TOA、TDOA、AOA等算法精确测量定位点到参考点的距离/角度等信息，再利用三边测量法等对目标进行定位。如果参考节点位置信息准确、测量距离准确，就可以精确地测得目标节点的位置，但在实际测量中这些数据值会存在误差，影响定位结果。如需室内全覆盖，还需布置大量的参考点，成本较高。

申请号为CN201110054768.3的专利提出了基于RSSI的加权三边定位方法，局限之处在于该方法不能精确测得节点间的距离，从而使定位误差较大。

申请号为CN201210290193.X的专利提出基于矩阵相关的WLAN室内定位方法，局限之处在于采集室内环境特征指纹需要大量的人力物力，且由于室内环境复杂，多径效应明显，无线信号易受影响，定位精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室内定位装置，旨在简化定位装置的结构，且定位精度高，稳定性好，成本低。

本发明是这样实现的，一种室内定位装置，包括底座、设置于所述底座上的光源、旋转件、用于驱动所述旋转件单向匀速旋转的驱动电机，固定于所述旋转件上的旋转外壳、以及用于控制所述光源发生频率跳变的控制器；

所述旋转外壳的横截面为圆形或正多边形，且具有一个圆形或正多边形的敞口，所述光源位于所述敞口的中心处；

所述旋转外壳沿纬度方向划分为多个编码圈，每个编码圈在经度方向相对光源的角度已知；所述编码圈在纬度方向划分为多个编码位，所述编码位在纬度方向相对该编码圈的中心点的角度为360/N度，其中N为一个编码圈中的编码位的数量，在每个编码圈中，若干个编码位为透光状态，且不存在连续两个或多个非透光的编码位，若干个特定方式排布的编码位构成该编码圈的起始位及结束位；

不同编码圈的编码位排布方式不同；

所述底座上还设置具有卡槽的光耦合器，所述旋转件面对所述底座的一侧设有挡光片，所述旋转件带动所述挡光片每穿过卡槽一次，所述控制器控制所述光源发生一次频率跳变；

所述装置还包括接收端，用于放置在待定位点感应光信号及频率跳变点，并根据所述光信号和频率跳变点进行定位。

本发明的另一目的在于提供基于上述室内定位装置的室内定位方法，包括下述步骤：

通过驱动电机驱动旋转件带动旋转外壳旋转，所述旋转外壳由光源投影至待定位点所在水平面的编码光圈也随之旋转；

由位于待定位点的接收端感应光信号，根据其检测的光信号确定其所在的编码光圈数，根据所述编码光圈数以及已知的编码圈在经度方向的角度确定所述待定位点相对所述中心轴的夹角θ；

定义挡光片穿过卡槽时，所述起始位及结束位的末端在待定位点所在水平面上的投影所指的方向为初始方向，由所述接收端检测光源的频率跳变点及所述起始位及结束位的末端，通过检测到所述频率跳变点至检测到所述末端的时段内转过的编码位数目确定所述待定位点相对所述起始方向的夹角ω；

根据所述夹角θ和夹角ω确定待定位点的位置：

当所述光源到待定位点的垂直高度H已知，且所述光源的坐标(x₀,y₀,z₀)已知时，所述待定位点的坐标为：

(x₀+H*tan(θ)*sin(ω),y₀+H*tan(θ)*cos(ω),z₀-H)；

当所述光源到待定位点的垂直高度未知，且所述光源的坐标(x₀,y₀,z₀)已知时，采用两个所述室内定位装置，且两个光源的照射面具有相交区域，待定位点处于该相交区域，所述待定位点的坐标由两个已知的光源坐标和所述夹角θ和夹角ω确定。

本发明实施例提供的定位装置，通过设置特殊结构的旋转外壳，并设计光源频率的跳变规律，通过一个信号接收端感应光信号，即可计算出室内空间某点的坐标，装置结构简洁而定位方法新颖、准确、稳定性好，不需耗费大量人力物力采集指纹等数据，不需设置大量参考点，不易受外界环境影响，精度高且稳定性好，成本低，适用于室内高精度定位。

附图说明

图1是本发明实施例提供的室内定位装置结构图；

图2是本发明实施例提供的室内定位装置的旋转外壳的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的室内定位装置的旋转外壳的俯视结构示意图；

图4是本发明实施例提供的室内定位装置的工作状态示意图；

图5是本发明实施例提供的室内定位装置的旋转外壳的投影示意图；

图6是在预设坐标系中进行定位的示意图；

图7是本发明实施例提供的室内定位装置的接收端结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图1～3，本发明实施例提供一种室内定位装置，该装置具有下述结构：其包括底座1、设置于底座1上的光源2、旋转件3、用于驱动旋转件3单向匀速旋转的驱动电机4、固定于旋转件3上随旋转件3转动的旋转外壳5、以及用于控制光源2发生频率跳变的控制器6。该旋转件3具体可以包括一圆环，旋转外壳5固定在圆环上，可跟随圆环同步转动，旋转外壳5是一轴对称的壳体，其横截面(垂直于中心轴的截面)为圆形或正多边形，且具有一个圆形或正多边形的敞口，光源2恰好位于敞口的中心处，光源2不可转动。旋转外壳5的中心轴穿过其顶点和其敞口的中心点，旋转外壳5以该中心轴为转轴进行单向匀速转动，并且，旋转外壳5每旋转一周，由控制器6控制光源2发生至少一次频率跳变。具体是在底座1上设置具有卡槽的光耦合器7，旋转件3面对底座1的一侧设有挡光片31，旋转件3转动时可带动挡光片31穿过卡槽，挡光片31每穿过卡槽一次，引起光耦合器7状态的改变并触发外部中断，当控制器6检测到中断时，根据当前光源2频率状态来改变光源2的闪烁频率，使光源2发生一次频率跳变。

旋转外壳5采用如下特殊设计：旋转外壳5沿纬度方向划分为若干个编码圈51，即若干个编码圈51是相互平行且沿纬度方向延伸的，每个编码圈51在经度方向相对光源2的角度是已知的。编码圈51又由经度方向的线条再次划分，使每个编码圈51被划分为多个编码位511，每个编码位511在纬度方向相对该编码圈51的中心点的角度也是已知的。每个编码圈51中都有若干个编码位511为透光状态，可以通过开孔的方式或采用透明窗口的方式实现，其他编码位则为不透光状态，并且，每圈中均不存在连续两个或多个非透光的编码位。并且由若干个特定方式排布的编码位511构成了该旋转外壳5的起始位及结束位S。旋转外壳5可以360°转动，因此其起始位和结束位相同，为了便于说明，以下均简称为结束位，在本实施例中，可以在每个编码圈51中设置连续多个(3个、4个、5个等)透光编码位作为结束S，并且不同编码圈51的结束位上下对应不会错开。另外，在不同的编码圈51中，编码位排布方式不同，以区分不同的编码圈51。在本实施例中，可以将透光编码位记为“1”，非透光编码位记为“0”。每个编码圈51都可表示为由“1”和“0”按照一定规律排列的序列，例如上述结束位是连续5个透光编码位，则为“11111”。上述光源2发出的光线经过旋转外壳5投射至室内空间，在旋转外壳5转动的过程中，由设置于待定位点的接收端8感应光信号及频率跳变点，并根据光信号和频率跳变点进行定位。当然，该编码圈51和编码位的划分越精细，定位精度越高。

进一步参考图4～6，该装置的定位原理是这样的，旋转外壳5可以由光源2投影在空间，在待定位点所在的任一水平面内，形成编码光圈52，旋转外壳5转动时，该投影的编码光圈52也同时转动，接收端8所在的编码光圈转动时，接收端8能够检测出光强的变化，得到一系列“1”和“0”组成的信号，该信号即对应了相应的编码圈51，这样可以确定接收端8位于哪个编码光圈52，进而可以确定待定位点相对于中心轴的角度，即待定位点与光源2的连接线和中心轴之间的夹角θ。通过该夹角θ还不足以定位。还要通过频率跳变和结束位进一步计算，具体的，预先定义旋转外壳5的初始方向，定义挡光片31穿过光耦合器7时，结束位的末端在待定位点所在水平面上的投影所指的方向为初始方向D，在确定了接收端8相对该初始方向的角度ω之后，再结合已知的光源2坐标可以确定待定位点的坐标。该角度ω这样获取，当挡光片31穿过光耦合器7的卡槽时，控制器6控制光源2发生频率跳变，或者在旋转外壳5继续转动一个编码位511后发生频率跳变，接收端8可以感应到该频率跳变点，旋转外壳5继续转动，接收端8又可以检测到结束位的末端，在检测到频率跳变点至结束位末端的这段时间内，转过的编码位数量n可以确定。当频率跳变发生在挡光片31穿过卡槽时，ω＝(n-1/2)*β，当频率跳变发生在挡光片31穿过卡槽并继续旋转一个编码位511时，ω＝(n+1/2)*β，β为每个编码位511在纬度方向的角度，β＝360°/N，N为每个编码圈中编码位的数量，例如编码位为48个，则β＝7.5°，还可分为其他数量编码圈，角度β随之改变。

进一步的，在获得上述角度θ和角度ω后，在预设的坐标系下，结合光源2的坐标和光源2至待定位点所在水平面的垂直距离，就可以确定待定位点的坐标。

基于上述结构和原理，本发明进一步提供一种室内定位方法，该方法包括下述步骤：

通过驱动电机4驱动旋转件3带动旋转外壳5旋转，旋转外壳5由光源2投影至待定位点所在水平面的编码光圈52也随之旋转；

由位于待定位点的接收端8感应光信号以确定其所在的编码光圈数，根据编码光圈数以及已知的编码圈51在经度方向的角度确定待定位点相对中心轴的夹角θ；

定义挡光片31穿过光耦合器7时旋转外壳5的结束位的末端在待定位点所在水平面上的投影所指的方向为初始方向，由接收端8检测光源2的频率跳变点及结束位的末端，通过检测到频率跳变点至检测到结束位末端的时段内转过的编码位511数目确定待定位点相对起始方向的夹角ω；

最后，根据夹角θ和夹角ω确定待定位点的位置：

当光源2至待定位点所在水平面的垂直距离H已知，且光源2的坐标(x₀,y₀,z₀)已知时，待定位点的坐标为：

(x₀+H*tan(θ)*sin(ω),y₀+H*tan(θ)*cos(ω),z₀-H)；

当光源2至待定位点所在水平面的垂直距离H未知，且光源2的坐标(x₀,y₀,z₀)已知时，则采用两个定位装置进行定位，并且待定位点处于两个光源2的照射面的相交区域，根据两个定位装置的光源2位置、夹角θ和ω确定待定位点的坐标。

具体的，假设其中一个光源2的位置为A点，另一光源2的位置为C点，待定位点为B点，可确定唯一一条从光源点A连接接收端B的直线，该直线经过旋转外壳5上一点P(x₁,y₁,z₁)，坐标为(x₀+r*sin(θ)*sin(ω),y₀+r*sin(θ)*cos(ω),z₀-r*cos(θ))，还可以确定光源点C连接接收端B的直线，该直线经过旋转外壳上一点Q(x₃,y₃,z₃)，其中r为旋转外壳的已知半径。

已知空间中两点，可建立直线AB的方程L₁：

直线CB的方程L₂：

根据直线方程L₁和L₂可得两直线的公垂线方程L。公垂线方程L计算过程如下：

公垂线方程L的方向向量：

(x_L,y_L,z_L)＝(x₁-x₀,y₁-y₀,z₁-z₀)×(x₃-x₂,y₃-y₂,z₃-z₂)，

即x_L＝(y₁-y₀)·(z₃-z₂)-(y₃-y₂)·(z₁-z₀)，

y_L＝(z₁-z₀)·(x₃-x₂)-(z₃-z₂)·(x₁-x₀)，

y_L＝(x₁-x₀)·(y₃-y₂)-(x₃-x₂)·(y₁-y₀)

L与L1确定一平面V1：

平面法向量(x_V1,y_V1,z_V1)＝(x_L,y_L,z_L)×(x₁-x₀,y₁-y₀,z₁-z₀)，即

x_V1＝y_L·(z₁-z₀)-z_L·(y₁-y₀)，

y_V1＝z_L·(x₁-x₀)-x_L·(z₁-z₀)，

z_V1＝x_L·(y₁-y₀)-y_L·(x₁-x₀)

所以平面V1的方程为：x_V1·(x-x₀)+y_V1·(y-y₀)+z_V1·(z-z₀)＝0

L与L2确定一平面V2：

平面法向量(x_V2,y_V2,z_V2)＝(x_L,y_L,z_L)×(x₃-x₂,y₃-y₂,z₃-z₂)，即

x_V2＝y_L·(z₃-z₂)-z_L·(y₃-y₂)，

y_V2＝z_L·(x₃-x₂)-x_L·(z₃-z₂)，

z_V2＝x_L·(y₃-y₂)-y_L·(x₃-x₂)

所以平面V2的方程为：x_V2·(x-x₂)+y_V2·(y-y₂)+z_V2·(z-z₂)＝0

综上所述，公垂线方程L为

联合方程L₁、L₂和L可计算出接收端8B的坐标。

可以理解，在实际进行定位时，需要确定一坐标系，再确定初始方向，定位坐标亦是在该坐标系下的坐标。如图4和图6，通常，将定位装置的底座1固定在室内天花板上，底座1不能旋转，光源2向下照射覆盖室内空间，旋转外壳5绕其中心轴旋转，中心轴自光源2点起，经过旋转外壳5的顶点且垂直于地面。在三维室内空间中，以室内地面上一墙角点为原点O(0,0,0)建立右手直角坐标系，使X、Y轴与地面上的两条互相垂直的墙角边重合，使Z轴垂直于X、Y轴，且与垂直指向屋顶的墙角边重合，即XOY平面与水平地面重合，Z轴垂直指向屋顶。设置旋转外壳5的初始方向与Y轴方向平行，且指向Y轴正方向。即，当挡光片31穿过光耦合器7时，结束位的末端所指方向为Y轴正方向。光源2坐标(x₀,y₀,z₀)已知。测量过程中，由驱动电机4带动旋转外壳5单向匀速旋转，当旋转外壳5到达初始位置时，挡光片31刚好从光耦合器7卡槽中间通过，此时光耦合器7的状态会发生改变并触发外部中断，当控制器6检测到此中断信号时，按以下规则重新设置光源2的闪烁频率：

如果光源2当前的闪烁频率为第一频率，则将光源2的闪烁频率设置为第二频率；

如果光源2当前的闪烁频率为第二频率，则使旋转外壳5再继续旋转1个编码位所占的角度，然后将光源2的闪烁频率设置为第一频率。

在接收端8检测到频率跳变点以及结束位的末端这段时间内，旋转外壳5转过的编码位数目可以确定，进而可以确定上述夹角ω＝(n-1/2)*β或ω＝(n+1/2)*β，当检测频率由第一频率变为第二频率，ω＝(n-1/2)*β；当检测到频率由第二频率变为第一频率，ω＝(n+1/2)*β。进一步结合夹角θ，就可计算出待定位点的坐标。

在本发明实施例中，每一编码圈51中均不存在连续两个或两个以上非透光的编码位，当光源2发生频率跳变时，如果接收端8恰好在非透光编码位的投影处，则不能检测到频率跳变，此时，如果旋转外壳5继续转动一个编码位后再改变频率，则接收端8就可以位于透光的编码位的投影处，就可以感应到频率跳变。进一步的，本实施例将光源2的工作频率设定为第一频率和第二频率，当挡光片31穿过卡槽时，如果光源2的频率为第一频率，则由控制器6控制光源2跳变为第二频率，如果光源2的频率为第二频率，则由控制器6控制光源2在旋转外壳5继续转动一个编码位511后跳变为第一频率。这样，频率跳变点在两个位置处交替发生，可以保证接收端8能够检测到频率跳变点。

在本发明实施例中，旋转外壳5的形状可以采用半球面形，光源2恰好位于球心处。每个编码圈51在经度方向的角度α都相等，α＝90°/M，M为总编码圈51数，则θ＝(m-1/2)*α，m为接收端8所在的编码光圈52的圈号，圈号自内向外依次为1、2…m…M。每个编码位511在纬度方向的角度β相等，β＝360°/N，N为每圈中编码位511的数目。在其他实施例中，每个编码圈51在经度方向的角度可以不等，分别为α₁、α₂、…α_M，夹角θ＝α₁+α₂+…α_m/2。

在其他实施例中，旋转外壳5可以是以多段折线为母线的旋转面，此时旋转外壳5可视为多个平滑的环形带自两端口处连续对接形成的旋转面结构，每个环形带是一个编码圈51，这种结构中，每个编码圈51在经度方向的角度也可以相等或不等，角度θ同样按照上述方式计算。旋转外壳5还可以是由若干个高度较小，底面积较大的正棱台状的环状面自其开口处连续对接形成的类似旋转面结构。每个编码圈51在经度方向的角度也可以相等或不等，角度θ同样按照上述方式计算。

进一步参考图7，接收端8可以包括一光传感器81，其安装在一个小电路板82上，在该电路板82上还设有处理器83和无线传输模块84等。或者使用具有光传感器的移动设备作为信号接收端。

在本发明实施例中，由于接收端8收到的数据中混合了环境干扰频率、旋转外壳5旋转时产生的多个频率分量以及其他干扰频率等，因此需要通过以下方式进行处理。首先数据通过一个带通滤波器，将小于光源2可用最低频率的信号和大于光源2可用最高频率的信号滤除(在本实施方案中，滤除小于20hz和大于350hz的信号)，然后将滤波后的数据进行时频变换，如小波时频变换、短时傅里叶时频变换(STFT)等(在本实施方案中，使用小波时频变换)，最后从时频变换结果系数中提取出外壳圈编码信息，包括圈号编码、结束位编码以及光源2频率跳变点等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种室内定位装置，其特征在于，包括底座、设置于所述底座上的光源、旋转件、用于驱动所述旋转件单向匀速旋转的驱动电机，固定于所述旋转件上的旋转外壳、以及用于控制所述光源发生频率跳变的控制器；

不同编码圈的编码位排布方式不同；

2.如权利要求1所述的室内定位装置，其特征在于，所述光源的工作频率为第一频率和第二频率，当所述挡光片穿过卡槽时，如果所述光源的频率为第一频率，则由所述控制器控制光源跳变为第二频率，如果所述光源的频率为第二频率，则由所述控制器控制光源在所述旋转外壳继续转动一个编码位后跳变为第一频率。

3.如权利要求1所述的室内定位装置，其特征在于，所述起始位及结束位由至少3个连续的透光编码位构成。

4.如权利要求1所述的室内定位装置，其特征在于，所述旋转外壳的面型为半球面，或者是以多段折线为母线的旋转面，或者是由若干个正棱台状的环状面连续对接形成的面型。

5.如权利要求1至4任一项所述的室内定位装置，其特征在于，每个编码圈在经度方向的角度相等或不等，每个编码位在纬度方向的角度都相等。

6.基于权利要求1所述的室内定位装置的室内定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

由位于待定位点的接收端感应光信号，根据其检测的光信号确定其所在的编码光圈数，根据所述编码光圈数以及已知的编码圈在经度方向的角度确定所述待定位点相对所述旋转外壳的中心轴的夹角θ；

根据所述夹角θ和夹角ω确定待定位点的位置：

(x₀+H*tan(θ)*sin(ω),y₀+H*tan(θ)*cos(ω),z₀-H)；

7.如权利要求6所述的室内定位方法，其特征在于，每个编码圈在经度方向的角度α相等，所述夹角θ为：θ＝(m-1/2)*α，其中，m为所述接收端所在的编码光圈的圈号，所述圈号自内向外依次为1、2…m…M，M为所述旋转外壳的总编码圈数。

8.如权利要求6所述的室内定位方法，其特征在于，每个编码圈在经度方向的角度不相等，所述夹角θ为：θ＝α₁+α₂+…α_m/2，其中，m为所述接收端所在的编码光圈的圈号，所述圈号自内向外依次为1、2…m…M，M为所述旋转外壳的总编码圈数。

9.如权利要求6、7或8所述的室内定位方法，其特征在于，所述夹角ω为：ω＝(n-1/2)*β或ω＝(n+1/2)*β，其中，n为所述接收端检测到频率跳变点至检测到所述起始位及结束位的末端的时段内转过的编码位数目，β为每个编码位在纬度方向的角度；

当频率跳变发生在所述挡光片穿过所述卡槽时，ω＝(n-1/2)*β；

当频率跳变发生在所述挡光片穿过所述卡槽并继续旋转一个编码位时，ω＝(n+1/2)*β。

10.如权利要求9所述的室内定位方法，其特征在于，设定光源在第一频率和第二频率下工作，当挡光片穿过所述卡槽时，若光源频率为第一频率，则控制其跳变为第二频率，若光源频率为第二频率，则控制光源在旋转外壳继续转动一个编码位后跳变为第一频率。