CN105629221A - 一种物流车无线红外超声联合测距定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种的基于无线、红外和超声联合的主从式定位与导航系统，与倒GPS定位系统类似，该系统能够以较小的功耗、简单的冲突控制方式获得较高的定位精度。该系统由定位节点、待定位的移动节点、中心调度管理站组成。定位节点用来接收红外、超声波信号，并用无线收发控制模块来发送所测距离信息；移动节点发射红外、超声波信号，由无线模块来接收定位节点发送来的距离信息；中心调度管理站用于管理协调各节点协同工作，防止碰撞的出现。该系统红外和超声信号采用自然空分多址、时分多址的控制方法来管理移动节点，用此种方法大幅减少信号间的碰撞，从而减少信号间的相互干扰。定位空间被划分成多个区域，每个区域保证少三个以上(含3个)的定位节点就能保证移动节点能精确地获得其位置信息。

Description

一种物流车无线红外超声联合测距定位系统

一、技术领域

本发明涉及一种无人驾驶物流车定位系统，该系统涉及一种无线、红外和超声联合测距定位技术。

二、背景技术

自主导引物流车(AutononlouSGuideVellicle，AGV)是现代化物流系统的重要运输工具，在港口、码头和仓库等领域中的有广泛应用。自主导引物流车的核心技术是物流车的定位与导航技术，其研究越来越受到重视。

现有的定位系统包括GPS、北斗定位系统、移动网络定位等等，已经得到广泛的应用，但是以上技术在室内无法应用，定位技术精度也无法满足室内无人驾驶物流车导航需要求。随着技术的发展，室内定位技术受到广泛的重视，现有的室内定位方法包括利用无线电、超声波、红外、超宽带等媒介，采用TOA(TimeofArrival)、TDOA(TimeDifferenceofArrival)、AOA(AngleofArrival)、RSSI(ReceivedSignalStrengthIndictor)等方法来实现定位服务。

本发明讨论的主要是类似物流车等园区移动节点的测距与定位系统。在这种定位系统中的节点分为两类：定位节点和移动节点。定位节点事先被布置好，数量多，定位节点接收移动节点发出的红外编码信号、超声脉冲信号，并通过无线网络把所测“移动节点与定位节点的距离”发送到移动节点；移动节点发射红外编码脉冲信号和超声脉冲信号，并通过无线网络接收多个定位节点所测“定位节点与移动节点距离”信息，这些信息加以处理就可确定移动节点的位置。

现有很多超声定位系统(如：专利号为CN1841086A的超声定位系统)多数是采用定位节点发射超声脉冲，移动节点接收超声脉冲，在此类定位系统中，一般定位节点很多，移动节点少，往往移动节点可能同时收到多个定位节点发出超声脉冲信号，而形成干扰，所以需要设计复杂的分时或码分防碰撞编码算法，解决多个超声脉冲相互干扰的问题。同时，一个定位节点不论覆盖区内是否有移动节点，所有定位节点需要不停地间断发射超声信号，能耗很大。

而本专利所设计的系统，超声脉冲信号是从移动节点发出，正需要多个定位节点同时接收到同一移动节点发出的红外、超声脉冲信号，为防止一个定位节点同时接收多个移动节点发出的红外、超声测距脉冲信号，要求移动节点的红外、超声信号覆盖范围较小。当一个覆盖区内只有一个移动节点时，就不存在信号冲突，覆盖区外的移动节点可以同时发射红外和超声脉冲信号，而不会相互干扰；当同一覆盖区内多于一个移动节点时，简单通过无线网调度分时发射红外超声信号即可。所以大大简化碰撞算法，提高了红外超声信道的利用效率。

定位节点所测得的距离数据通过无线网络发给移动节点，无线网络信号的冲突问题有很多现成技术可利用。因需要传输的距离数据的量很少，只要一个园区内移动节点数量相对较少，该问题很容易解决。也可以降低无线发射功率和接收灵敏度，把无线网作用域控制在比红外超声作用域稍大区域，在一个园区内，即便有多个移动节点，也可进一步降低无线网信道碰撞几率。

与专利号CN1841086A所设计的超声定位系统比较，利用本专利所设计的系统，对红外和超声信号采用自然空分多址覆盖，无需采用信道随机碰撞检测的方法，大大简化了定位节点和移动节点软硬件发杂度。

本专利主要探讨超声定位系统在三维空间中的位置，其中一个维度(高度是固定的)，实际已转化为二维平面问题，本专利超声定位系统一个超声覆盖区的定位范围在几十米的局部范围内，定位精度可达厘米级。

三、发明内容

本发明针对现有园区自主导引物流车的定位与导航技术定位测距精度不高、专利号CN1841086A所设计的超声定位系统软硬件设计复杂和能耗效率不高等问题，提出了一种基于无线、红外和超声联合的主从式定位与导航系统。该系统包括：一个中心调度控制站，若干定位节点和待测位置坐标的移动节点。中心控制调度站负责调度移动节点发送超声脉冲信号的时刻，以防止同一时刻多个移动节点在同一区域内发射超声脉冲信号，从而产生信号冲突的情况。

在本发明所设计的系统中，移动节点发射红外超声脉冲信号，多个定位节点接收红外超声信号。定位节点通过计算红外超声信号到达的时间差结合温度补偿的因素，计算出其与移动节点的距离，并将该距离信息通过无线网络发送到待定位的移动节点。对红外和超声信号采用自然空分多址覆盖，无需采用信道随机碰撞检测的方法，大大简化了定位节点和移动节点软硬件发杂度。

在本发明中，针对定位节点同时接收多个不同移动节点发射的红外超声信号引起的定位信息冲突的问题，提出了一种解决方案。该方案内容如下所述：将移动节点的红外，超声信号覆盖范围控制在较小的范围内。当一个覆盖区内只有一个移动节点时，就不存在信号冲突，覆盖区外的移动节点可以同时发射红外和超声脉冲信号，而不会相互干扰；当同一覆盖区内多于一个移动节点时，简单通过无线网调度分时发射红外超声信号即可。此种方法大大简化碰撞算法，提高了红外超声信道的利用效率。

四、附图说明

图1物流车无线红外超声联合测距定位系统结构图；

图2物流车无线红外超声联合测距定位系统平面布局图；

图3定位系统移动节点与定位节点几何关系图；

图4定位节点分布平面示意图；

图5红外超声复合收发器收发立体角计算示意图。

五、具体实施方法

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施实例，对本发明进行进一步详细说明，为了便于说明，仅示出了与本发明实施实例相关的部分。应当理解，此处所描写的具体实施实例，仅仅用于解释本发明，并不用以限制本发明。

本发明设计的定位测距系统中的硬件平台为具有红外、超声波信号收发功能和无线电通信功能的节点。说明书附图1显示出了具体的系统整体框图。中心调度管理站由无线收发模块和控制管理模块组成。定位节点由无线收发器、红外接收器和超声接收器组成。移动节点由无线收发器、红外发射器和超声发射器组成。移动节点和定位节点的位置关系如说明书附图2和图3所示。说明书附图4、图5给出了定位节点分布平面示意图、红外超声复合收发器收发立体角计算示意图。

测距和定位的具体步骤

(1)移动节点发射红外编码脉冲信号和超声脉冲信号，覆盖区域内定位节点接收到红外信号后开始启动计时器计时，当接收到超声脉冲信号后停止计时。通过计算时延差并考虑到温度补偿因素就算出距离；

(2)定位节点根据接收到的红外编码信号，确定移动节点的地址码编码信息，并将距离信息发送到相应的移动节点；

(3)移动节点接收3个或3个以上定位节点发送来的距离数据(如说明书附图3中的D1,D2,D3,…等)，根据多圆相交定位法，移动节点就可以算出自己所处空间位置坐标。

定位节点的设置原则

定位节点的分布如说明书附图4所示，定位节点的设置应符合以下原则：

(1)定位系统中参与定位的3个或3个以上定位节点不能位于同一直线上；

(2)在设定的定位空间内，一个移动节点至少处于3个定位节点的辐射区域内(例如说明书附图4中的移动节点A在定位节点1,2,3,4,5,6的覆盖范围，移动节点B则在定位节点3,4,5,6的覆盖范围)。

实际应用中定位节点分布的位置和安装密度应根据实际实际情况和红外超声辐射角来确定。

多址信号防碰撞方法

中心调度管理站通过无线网络获取整个园区内移动节点的位置信息并存储起来，统一协调控制各个移动节点发射红外超声脉冲信号的时刻，以减少由信号冲突引起的脉冲信号间的相互干扰。

无线网络信号的防碰撞方法可以采用如WI-FI、ZigBee等现成技术。因需要传输的数据量很少，只要一个园区内移动节点数量相对较少，该问题很容易解决。也可以降低无线发射功率和接收灵敏度，把无线网作用域控制在比红外超声作用域稍大区域，在一个园区内，即便有多个移动节点，也可进一步降低无线网信道碰撞几率。

超声红外收发角的确定

为增加节点红外、超声覆盖范围，红外收发器、超声收发器均由多个探测器或发射器复合而成。如说明书附图5所示，若定位节点高度H为4～5米，水平间距L为4～5米，宽度为6～7米，只要收发器立体角α、β大于120度就可覆盖完全说明书附图4所示连续区域。

Claims (6)

1.一种用于物流车的无线红外超声联合测距定位系统，该系统包括以下几部分：(1)多个定位节点，用来接收红外脉冲信号和超声脉冲信号，联合测定距离，通过无线网络将距离信息给发送给待定位的移动节点；(2)若干个待定位的移动节点，可以发射红外脉冲信号和超声脉冲信号，通过无线网络接收定位节点发送回来距离信息，再根据多圆相交定位法计算出移动节点自身所在的空间绝对位置；(3)一个中心管理站，负责对移动节点发信时间进行分时调度管理，红外和超声信号发送与接收采用自然空分多址覆盖、分时发射等调度方法来防止信号干扰。

2.如权利1所要求的定位测距系统，待定位移动节点主动发射红外、超声脉冲信号，而定位节点接收移动节点发射的红外、超声脉冲信号。

3.如权利1所要求的测距定位系统，定位节点通过接收到的红外编码信号来判别移动节点的地址编号，通过测量同时发射的红外脉冲、超声脉冲到达时间差，结合温度补偿因素，确定其与移动节点的距离，根据接收到的地址信息通过无线网络将距离信息发送回待定位的移动节点。

4.如权利1所要求的定位系统，待定位移动节点通过发射红外信号来告知所在区域的定位节点准备开始接受移动节点发送的超声脉冲信号，并且告知发射信号的移动节点的地址码信息(每个移动节点发送的红外信号所携带的地址码各不相同)。

5.如权利1所要求的测距定位系统，中心调度管理站利用现有的成熟的无线网络规划管理算法，对移动节点发送红外、超声信号实行统一管理调度，避免信号碰撞带来的信号干扰的产生。

6.如权利1-5所描述的测距定位系统，在同一红外超声有效覆盖区域内，分布的定位节点数不少于3个，又不多于6个。