CN105572639B - 一种室内超声波差分定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种室内超声波差分定位方法,所述定位系统结构包括：室内超声波定位系统由中心站、信标节点、定位终端以及参考站四部分。本发明所述室内超声波差分定位方法可以消除由于超声波速度误差、硬件延时误差、安装误差以及其他误差引起的测量伪距误差，从而提高定位解算精度；引入了扩频编码技术可以消除各路超声波信号之间的串扰现象；相对于现有的超声波定位方法而言，通过超声波差分定位方法得到的定位终端的位置信息精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内超声波差分定位方法；将差分定位方法应用于室内超声波定位，用于精确定位室内目标，属于室内定位领域。
背景技术
几年来，导航定位技术成为研究热点，鉴于室外导航定位方法日趋成熟，人们逐渐将研究重点放在室内定位上。在众多室内定位技术中，超声波定位技术作为一种非接触式的检测方法，有着方向性好、纵向分辨率高、对色彩、光照度不敏感等优势，在定位技术中有广泛应用。
超声波定位系统一般由标识、接收器和控制中心组成。控制中心负责时间同步；标识用于发射超声波信号；接收器用于接收并处理信号进行测距，当三个以上接收器收到数据(即伪距)就可以进行三维定位运算，解算出标识位置信息。由于存在超声波速度误差(超声波速度随环境温度变化而变化)、硬件延时误差、安装误差以及其他误差，使得测量伪距与实际距离存在一定的误差，导致解算出的坐标与实际位置信息误差较大。
发明内容
传统的超声波定位方法由于信号串扰、声速、时间同步误差等影响定位精度，针对这一问题，本发明提供了一种室内超声波差分定位方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
室内超声波差分定位系统结构包括：室内超声波定位系统由中心站、信标节点、定位终端以及参考站四部分。
所述室内超声波差分定位方法步骤为：
设布设在屋顶固定位置处的三个信标节点坐标分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，设定参考站位置坐标为(xu,yu,zu)，下标u为参考站标号；
(1)中心站发射射频信号，作为时间同步信号；
(2)参考站和定位终端接收到中心站发送来的时间同步信号后，发射经过伪随机码调制超声波信号；
参考站和定位终端同时发射超声波信号，在信标节点处接收到的超声波信号会存在串扰现象；针对这一问题，该系统采用了扩频编码方式即CDMA：参考站及定位终端分别采用两种不同的伪随机码调制超声波信号并发射；信标节点处，接收并处理超声波信号以区分参考站及定位终端信号达到时间；
(3)安装在室内固定位置处的信标节点接收到中心站发来的时间同步信号后，启动定时器，接收超声波信号，并进行自相关运算以区分参考站及定位终端信号。进行测距，分别得到参考站及定位终端到信标节点k的距离信息ρ′uk,ρ′rk；
上述k为三个信标节点编号，k＝1,2,3；
上述ρ′uk为测得的参考站到信标节点k的距离，ρ′rk为测得的定位终端到信标节点k的距离；
(4)将参考站到信标节点之间距离测量值与标准值通过公式(1)比较得到参考站到信标节点k的测量伪距误差Δuk，Δuk为参考站到信标节点k的测量伪距误差距离；
Δuk＝ρuk-ρ′uk (1)
式中ρuk为参考站到信标节点k的标准距离；
(5)根据第(4)步得到的伪距修正数Δuk通过公式(2)修正定位终端到信标节点之间的测量距离；
ρrk＝ρ′rk+Δuk (2)
(6)当得到定位终端到三个信标节点之间的修正后的伪距测量值，通过公式(3)即可解算出三维坐标，得到更高精度的定位终端位置坐标信息。
由此可知，根据参考站得到目标节点到信标节点的测量伪距修正系数，通过差分方法即可精确测得目标节点的三维坐标(x,y,z)。
表1是本发明定位误差结果对比表。
表1 定位误差结果对比表
本发明的有益效果：室内超声波差分定位方法可以消除由于超声波速度误差、硬件延时误差、安装误差以及其他误差引起的测量伪距误差，从而提高定位解算精度；引入了扩频编码技术可以消除各路超声波信号之间的串扰现象；相对于现有的超声波定位方法而言，通过超声波差分定位方法得到的定位终端的位置信息精度更高。
附图说明
图1是本发明所述室内超声波差分定位系统构成图；
图中：1.信标1 2.信标2 3.信标3 4.信标4 5.定位终端 6.参考站 7.超声波信号8.中心站；
图2是本发明扩频编码方法实现原理图；
图3是本发明具体实施信标节点布设图；
图4是本发明定位误差结果对比图；
图中：A为传统定位误差 B为养分定位误差 横坐标为数据编号，纵坐标为定位误差/㎝。
具体实施方式
为了实现高精度的室内超声波三维定位，本发明提供了一种超声波差分定位方法。下面结合附图对发明的技术方案进行详细的说明：
室内超声波差分定位系统的系统结构组成：
如图1室内超声波定位系统结构组成图，其主要由中心站、信标节点、定位终端以及参考站四部分组成。四部分具体定位步骤如下：
设布设在屋顶固定位置处的三个信标节点坐标分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，设定参考站位置坐标为(xu,yu,zu)，下标u为参考站标号；
(1)中心站发射射频信号，作为时间同步信号；
(2)参考站和定位终端接收到中心站发送来的时间同步信号后，发射经过伪随机码调制超声波信号；
进一步地，为实现室内超声波差分定位方法，该系统采用了扩频编码方式(CDMA)，其具体实现方法如图2所示：
发射端，参考站及定位终端分别采用两种不同的伪随机码调制超声波信号并发射；信标节点处，接收并处理超声波信号以区分参考站及定位终端信号达到时间。其具体实现方法属于本领域公知的现有技术领域这里不做具体介绍。
(3)安装在室内固定位置处的信标节点接收到中心站发来的时间同步信号后，启动定时器，接收超声波信号，并进行自相关运算以区分参考站及定位终端信号。进行测距，分别得到参考站及定位终端到信标节点k的距离信息ρ′uk,ρ′rk；
上述k为三个信标节点编号，k＝1,2,3；
上述ρ′uk为测得的参考站到信标节点k的距离，ρ′rk为测得的定位终端到信标节点k的距离；
(4)将参考站到信标节点之间距离测量值与标准值通过公式(4)比较得到参考站到信标节点k的测量伪距误差Δuk，Δuk为参考站到信标节点k的测量伪距误差距离；
Δuk＝ρuk-ρ′uk (4)
式中ρuk为参考站到信标节点k的标准距离。
(5)根据第(4)步得到的伪距修正数Δuk通过公式(5)修正定位终端到信标节点之间的测量距离；
ρrk＝ρ′rk+Δuk (5)
(6)当得到定位终端到三个信标节点之间的修正后的伪距测量值，通过公式(6)即可解算出三维坐标，得到更高精度的定位终端位置坐标信息。
由此可知，根据参考站得到目标节点到信标节点的测量伪距修正系数，通过差分方法即可精确测得目标节点的三维坐标(x,y,z)。
根据系统构成图进行了具体实施案例：在屋顶1.6m*1.6m的区域布设四个信标节点如图3所示，四个信标节点三维坐标(坐标单位：mm)分别为(0,0,392、5)(1600,0,3925)、(1600,1600,3925)、(0,1600,3925)，地面放置参考站及定位终端，进行室内超声波定位实验，分别采用传统超声波定位方法以及超声波差分定位方法(取正方形区域中心点作为参考点，提取伪距误差修正数)进行定位运算，定位误差表以及误差比较图分别见表1和图4，结合图表可以看出，采用超声波差分定位方法可以更好地提高定位精度，适用于室内精确定位。
表1是本发明定位误差结果对比表。
表1 定位误差结果对比表
上述给出了本发明的一个具体实施案例，室内超声波差分定位方法可以实现室内物体的精确定位。本发明书中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，但本发明并不局限于上述实施方式，在本领域的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 (1)
1.一种室内超声波差分定位方法,其特征在于：定位系统结构包括：室内超声波定位系统由中心站、信标节点、定位终端以及参考站四部分；
所述室内超声波差分定位方法步骤为：
设布设在屋顶固定位置处的三个信标节点坐标分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，设定参考站位置坐标为(xu,yu,zu)，下标u为参考站标号；
(1)中心站发射射频信号，作为时间同步信号；
(2)参考站和定位终端接收到中心站发送来的时间同步信号后，发射经过伪随机码调制超声波信号；
参考站和定位终端同时发射超声波信号，在信标节点处接收到的超声波信号会存在串扰现象；针对这一问题，该系统采用了扩频编码方式即CDMA：参考站及定位终端分别采用两种不同的伪随机码调制超声波信号并发射；信标节点处，接收并处理超声波信号以区分参考站及定位终端信号达到时间；
(3)安装在室内固定位置处的信标节点接收到中心站发来的时间同步信号后，启动定时器，接收超声波信号，并进行自相关运算以区分参考站及定位终端信号。进行测距，分别得到参考站及定位终端到信标节点k的距离信息ρ′uk,ρ′rk；
上述k为三个信标节点编号，k＝1,2,3；
上述ρ′uk为测得的参考站到信标节点k的距离，ρ′rk为测得的定位终端到信标节点k的距离；
(4)将参考站到信标节点之间距离测量值与标准值通过公式(1)比较得到参考站到信标节点k的测量伪距误差Δuk，Δuk为参考站到信标节点k的测量伪距误差距离；
Δuk＝ρuk-ρ′uk (1)
式中ρuk为参考站到信标节点k的标准距离；
(5)根据第(4)步得到的伪距修正数Δuk通过公式(2)修正定位终端到信标节点之间的测量距离；
ρrk＝ρ′rk+Δuk (2)
(6)当得到定位终端到三个信标节点之间的修正后的伪距测量值，通过公式(3)即可解算出三维坐标，得到更高精度的定位终端位置坐标信息；
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