CN105738905B - 一种减少盲区的室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种减少盲区的室内定位系统及方法，包括第一传感器组，第二传感器组，数据处理器，数据处理器与第一传感器组、第二传感器组连接，数据处理器与上位机连接。本发明解决了待测物体需要佩戴额外的装配，使用不方便的问题。该方法是一种低成本，实用的超声波无线传感器室内定位的布局及算法。无需待定位目标佩戴额外装置，使用方便，而且覆盖范围大。

Description

一种减少盲区的室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及室内定位测量领域，特别是涉及一种减少盲区的室内定位系统及方法。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，人们的生活越来越离不开定位技术。由于GPS在室内以及其他多遮挡的环境下，定位会出现较大的偏差，因此室内定位成为了一个研究热点。无线定位的原理是向移动节点或多个已知位置坐标的参考节点发送定位信号，通过距离测量算法获得定位信号的角度或信号强度，再根据定位算法获得相应的定位参数，就能获得移动节点在空间的位置。

超声波是指振动频率大于20KHz的声波，具有振幅小，波长短，方向性集中等特点。超声波传感器价格低廉，测量精度高，易于安装和使用已广泛用于定位系统。

超声波传感器测距原理是通过IO口向超声波传感器提供一个10us以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到接收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。超声波在空气中的传播速度为v，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：

S＝v·Δt/2

目前利用超声波技术进行室内定位最多的形式是在空间的某些固定位置上设立超声波发射装置，待测物体上设立接收器(反之亦可)分别测量待测物体到各发射点的距离，经过计算后便可得到待测物体的位置。这样一来，待测物体需要佩戴额外的装配，使用不方便。

该方法提出一种低成本，实用的超声波无线传感器室内定位的布局及算法。无需待定位目标佩戴额外装置，使用方便，而且覆盖范围大。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少盲区的室内定位系统及方法，解决了待测物体需要佩戴额外的装配，使用不方便的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种减少盲区的室内定位系统，包括第一传感器组，第二传感器组，数据处理器，数据处理器与第一传感器组、第二传感器组连接，数据处理器与上位机连接；第一传感器组包括不少于两个超声波传感器、第二传感器组不少于两个超声波传感器。

可选的，还包括WIFI模块，WIFI模块与数据处理器连接，减少盲区的室内定位系统通过WIFI模块与上位机连接。

可选的，第一传感器组包括四个超声波传感器、第二传感器组包括四个超声波传感器。

可选的，第一传感器组和第二传感器组的超声波传感器之间角度可以调节。

可选的，超声波传感器包括超声波反射器和超声波接收器。

可选的，减少盲区的室内定位系统用于三维空间定位。

一种减少盲区的室内定位方法，其特征在于，包括第一传感器组，第二传感器组，数据处理器，所述数据处理器与第一传感器组、第二传感器组连接，数据处理器与上位机连接；所述第一传感器组包括第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器，所述第二传感器组包括第五超声波传感器、第六超声波传感器、第七超声波传感器、第八超声波传感器所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器、所述第四超声波传感器之间的角度为30度，所述第五超声波传感器、所述第六超声波传感器、所述第七超声波传感器、所述第八超声波传感器之间的角度为30度，所述方法包括:

以所述第一传感器组为原点，所述第一传感器组与所述第二传感器组连线为纵轴，建立直角坐标系，待测物在第一象限内；

所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器、所述第四超声波传感器依次发射信号，直到有被测物体反射被接收后，停止轮询，得到从所述发出超声波到接收到所述返回超声波所用时间t_1o；

所述第五超声波传感器、所述第六超声波传感器、所述第七超声波传感器、所述第八超声波传感器依次发射信号，直到有被测物体反射被接收后，停止轮询，得到从所述发出超声波到接收到所述返回超声波所用时间t_2o；

根据公式

计算获得待测物体在所述直角坐标系的坐标；

其中，L_1o为待测物到第一传感器组的距离，L_2o为待测物到第二传感器组的距离，t_1o为第一传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，t_2o为第二传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，v为超声波在空气中的传播速度，y₂为第一传感器组到第二传感器组的距离，x为待测物在所述直角坐标系横坐标，y为待测物在所述直角坐标系纵坐标。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明使用两个传感器组，解决了待测物体需要佩戴额外装配问题，使用方便的问题，每个传感器组包括多个成一定角度的超声波传感器轮流工作，提高了室内定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种减少盲区的室内定位系统的实施例的结构示意图；

图中1.上位机，2.数据处理器，3.第一传感器组，4.第一传感器组；

图2为本发明的一种减少盲区的室内定位方法的实施例的示意图；

图3为本发明的一种减少盲区的室内定位方法的实施例的算法模型图。

图4为本发明的一种减少盲区的室内定位方法的实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种减少盲区的室内定位系统与方法，解决了待测物体需要佩戴额外的装配，使用方便的问题，提高了室内定位精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种减少盲区的室内定位系统的实施例的结构示意图。如图1所示，该定位系统包括：第一传感器组(3)，第二传感器组(4)，数据处理器(2)，数据处理器(2)与第一传感器组(3)、第二传感器组(4)连接，数据处理器(2)与上位机(1)连接。还包括WIFI模块，WIFI模块与数据处理器连接，减少盲区的室内定位系统通过WIFI模块与上位机连接。第一传感器组(3)包括四个超声波传感器、第二传感器组包括四个超声波传感器。第一传感器组(3)和第二传感器组(4)的超声波传感器之间角度可以调节。超声波传感器包括超声波反射器和超声波接收器。

图4为本发明的一种减少盲区的室内定位方法的实施例的流程图，一种减少盲区的室内定位方法，方法包括:

步骤401：以第一传感器组为原点，第一传感器组与第二传感器组连线为纵轴，建立直角坐标系，待测物在第一象限内；

步骤402：第一传感器组发射超声波，接收待测物体返回超声波，得到从发出超声波到接收到返回超声波所用时间t_1o；

步骤403：第二传感器组发射超声波，接收待测物体返回超声波，得到从所述发出超声波到接收到返回超声波所用时间t_2o；

步骤404：获得待测物体在直角坐标系的坐标，计算公式：

其中，L1o为待测物到第一传感器组的距离，L2o为待测物到第二传感器组的距离，t1o为第一传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，t2o为第二传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，v为超声波在空气中的传播速度，y2为第一传感器组到第二传感器组的距离，x为待测物在直角坐标系横坐标，y为待测物在直角坐标系纵坐标。

一种减少盲区的室内定位方法，方法包括:

步骤1：以第一传感器组为原点，第一传感器组与第二传感器组连线为纵轴，建立直角坐标系，待测物在第一象限内；

第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器之间的角度为30度，第五超声波传感器、第六超声波传感器、第七超声波传感器、第八超声波传感器之间的角度为30度，

步骤2：第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器依次发射信号，直到有被测物体反射被接收后，停止轮询，得到从发出超声波到接收到返回超声波所用时间t1o；

步骤3：第五超声波传感器、第六超声波传感器、第七超声波传感器、第八超声波传感器依次发射信号，直到有被测物体反射被接收后，停止轮询，得到从发出超声波到接收到返回超声波所用时间t2o；

步骤4：获得待测物体在直角坐标系的坐标，计算公式：

其中，L1o为待测物到第一传感器组的距离，L2o为待测物到第二传感器组的距离，t1o为第一传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，t2o为第二传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，v为超声波在空气中的传播速度，y2为第一传感器组到第二传感器组的距离，x为待测物在直角坐标系横坐标，y为待测物在直角坐标系纵坐标。

该方法提出的定位需要在参考节点1和2分别放置四对超声波传感器，每对传感器包括一个接收器和一个发射器。超声波传感器角度均为30°，因此每个参考节点放置四对传感器将能覆盖全部区域，而且有重合部分，避免了有些区域覆盖不到的问题，减少了盲区。传感器放置以及覆盖的布局示意图如图2所示：

由图2可知，不管待测物体在哪，参考节点1和参考节点2均能将发射的超声波被待测物体返回后接收。

整个定位过程为：对参考节点1和参考节点2的传感器分别标号为①②③④，⑤⑥⑦⑧，在定位过程中，只有一个传感器发射信号，另外七个都不发射，参考节点1从标号①开始发射，若没有被待测物体返回，则标号②开始发射，直到经待测物体反射被接收后，参考节点1的其他标号传感器不再轮询发射，由此可得到参考节点1到待测物体的距离。参考节点2同理，从标号⑤开始发射，得到参考节点2到待测物体的距离。

假设参考节点1的坐标为(0,0)，参考节点2的坐标为(0,)，算法模型如图3所示：

超声波在当前室内环境下的声速为v，目标物为O，参考节点1和参考节点2的超声波传感器发射，经过待测物体O反射后所传输的路径分别为，传输的时间分别为,，则超声波沿各路径传输所经过的距离用公式表示为：

由此可知参考节点1，待测物体O和参考节点2组成的三角形的三边长度，根据公式

可得待测物体的坐标为：

该方法采用高精度的超声波作为定位算法的测距技术，利用超声波反射的特性，提出了一种基于超声波测量路径的定位算法，利用TOA定位算法测出超声波反射路径的传输距离，建立已知三边的定位算法。该定位过程无需待测物体佩戴额外的装配，覆盖范围较大，使用方便，易于扩展，在空间内增加非共面节点即可拓展至三维定位空间。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种减少盲区的室内定位系统，其特征在于，包括第一传感器组，第二传感器组，数据处理器，所述数据处理器与所述第一传感器组、所述第二传感器组连接，所述数据处理器与上位机连接；所述上位机通过计算所述第一传感器组和所述第二传感器组到待测物的距离实现待测物定位；所述第一传感器组包括不少于两个超声波传感器、所述第二传感器组包括不少于两个超声波传感器；

所述第一传感器组包括四个超声波传感器、所述第二传感器组包括四个超声波传感器；所述超声波传感器包括超声波反射器和超声波接收器；

所述第一传感器组和第二传感器组的所述超声波传感器之间角度可调；

所述定位过程如下：

对第一传感器组和第二传感器组的传感器分别进行标号，第一传感器组分别标号1、2、3、4，第二传感器组分别标号5、6、7、8，在定位过程中，只有一个传感器发射信号，另外七个都不发射，第一传感器组从标号为1的传感器开始发射，若没有被待测物体返回，则标号为2的传感器开始发射，直到经待测物体反射被接收后，第一传感器组的其他标号传感器不再轮询发射，由此可得到第一传感器组到待测物体的距离；第二传感器组从标号为5的传感器开始发射，得到第二传感器组到待测物体的距离。

2.根据权利要求1所述一种减少盲区的室内定位系统，其特征在于，还包括WIFI模块，所述WIFI模块与所述数据处理器连接，所述减少盲区的室内定位系统通过WIFI模块与上位机连接。

3.根据权利要求1所述一种减少盲区的室内定位系统，其特征在于，所述减少盲区的室内定位系统用于三维空间定位。

4.一种减少盲区的室内定位方法，其特征在于，所述方法应用于减少盲区的室内定位系统，所述定位系统包括第一传感器组，第二传感器组，数据处理器，所述数据处理器与第一传感器组、第二传感器组连接，所述减少盲区的室内定位系统与上位机连接；所述第一传感器组包括不少于两个超声波传感器、所述第二传感器组包括不少于两个超声波传感器；所述方法包括:

以第一传感器组为原点，第一传感器组与第二传感器组连线为纵轴，建立直角坐标系，待测物在第一象限内；

对第一传感器组和第二传感器组的传感器分别进行标号，在定位过程中，只有一个传感器发射信号，另外七个都不发射，第一传感器组从标号为1的传感器开始发射，若没有被待测物体返回，则标号为2的传感器开始发射，直到经待测物体反射被接收后，第一传感器组的其他标号传感器不再轮询发射，由此可得到第一传感器组到待测物体的距离；第二传感器组从标号为5的传感器开始发射，得到第二传感器组到待测物体的距离；

获得所述第一传感器组发射超声波到接收所述待测物体返回超声波所用时间t_1o；

获得所述第二传感器组发射超声波到接收所述待测物体返回超声波所用时间t_2o；

根据公式

计算获得待测物体在所述直角坐标系的坐标；

其中，L_1o为待测物到第一传感器组的距离，L_2o为待测物到第二传感器组的距离，t_1o为第一传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，t_2o为第二传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，v为超声波在空气中的传播速度，y₂为第一传感器组到第二传感器组的距离，x为待测物在所述直角坐标系横坐标，y为待测物在所述直角坐标系纵坐标。

5.一种减少盲区的室内定位方法，其特征在于，包括第一传感器组，第二传感器组，数据处理器，所述数据处理器与第一传感器组、第二传感器组连接，所述数据处理器与上位机连接；所述第一传感器组包括第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器，所述第二传感器组包括第五超声波传感器、第六超声波传感器、第七超声波传感器、第八超声波传感器所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器、所述第四超声波传感器之间的角度为30度，所述第四超声波传感器与所述第五超声波传感器平行，所述第五超声波传感器、所述第六超声波传感器、所述第七超声波传感器、所述第八超声波传感器之间的角度为30度，所述方法包括:

以所述第一传感器组为原点，所述第一传感器组与所述第二传感器组连线为纵轴，建立直角坐标系，待测物在第一象限内；

所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器、所述第四超声波传感器依次发射信号，直到有被测物体反射被接收后，停止轮询，得到从所述发出超声波到接收到所述返回超声波所用时间t_1o；

所述第五超声波传感器、所述第六超声波传感器、所述第七超声波传感器、所述第八超声波传感器依次发射信号，直到有被测物体反射被接收后，停止轮询，得到从所述发出超声波到接收到所述返回超声波所用时间t_2o；

根据公式

计算获得待测物体在所述直角坐标系的坐标；

其中，L_1o为待测物到第一传感器组的距离，L_2o为待测物到第二传感器组的距离，t_1o为第一传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，t_2o为第二传感器组从发出超声波到接收到返回超声波所用时间，v为超声波在空气中的传播速度，y₂为第一传感器组到第二传感器组的距离，x为待测物在所述直角坐标系横坐标，y为待测物在所述直角坐标系纵坐标。

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