CN105785317A - 一种空间定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间定位系统，该系统包括至少三个信标和至少一个定位终端；信标分布设置在待定位空间中，用于产生低频电磁场；每个定位终端接收多个信标产生的低频电磁场，并根据接收到的至少三个信标产生的低频电磁场数据，计算定位终端的空间位置。同时，本发明还公开了一种空间定位方法，有效地克服了现有的定位方案实施复杂度高、部署成本高、定位误差大、定位信息更新延迟等缺陷，通过较廉价的方案，实现室内大范围的精确实时跟踪，且对环境要求较宽松，无金属、磁场干扰即可，显著地提高了空间定位方案在不同的环境场景中的适用性。

Description

一种空间定位系统及方法

技术领域

本发明涉及空间定位技术，尤其涉及一种空间定位系统及方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展以及智能终端的逐渐普及，基于位置服务(LocationBasedService，LBS)的应用已经在许多领域为生产和生活提供了便捷体验，成为了社会生活的重要组成部分。在无遮挡的开放环境中，利用GPS卫星信号和通信基站信号实现定位，已经成为业界常用方式。然而，采用GPS卫星信号和通信基站信号定位的稳定性差，其容易受到信号遮挡与信号覆盖等因素的影响，同时GPS卫星信号和通信基站信号定位的误差往往达到几米，甚至数十米，无法满足精准定位的需求。

随着普适计算和分布式通信技术的深入研究，室内无线通信与网络技术得到快速发展，为基于无线局域网(WirelessLocalAreaNetworks，WLAN)、蓝牙及无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)的空间定位技术提供了可能性。然而，基于WLAN、WSN等网络的室内空间定位技术也存在网络建设投入成本较高、网络部署时间较长，无法满足高精度定位需求等弊端。因此，如何快速、准确、便捷、经济地实现空间定位，是基于位置服务在室内空间大规模应用过程中亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间定位系统及方法，解决现有的空间定位技术方案中存在的实现成本高、精度低等问题，以及克服现有定位技术对场地要求、距离限制等的局限。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种空间定位系统，包括至少三个信标和至少一个定位终端；信标分布设置在待定位空间中，用于产生低频电磁场；每个定位终端接收多个信标产生的低频电磁场，并根据接收到的至少三个信标产生的低频电磁场数据，计算定位终端的空间位置。

优选的，多个信标之间采用无线方式或有线方式进行通信，形成自组网网络。

优选的，多个信标以预设时序轮流产生具有相同频率的、强度已知的低频电磁场；或多个信标同时产生具有不同频率的、强度已知的低频电磁场。

优选的，定位终端通过无线方式建立与所述自组网网络的连接；定位终端在接收低频电磁场的同时，从所述自组网网络中获取当前发射低频电磁场的信标的标识。

优选的，在空间定位系统初始化时，所有信标在所述自组网网络的临时主机的协调下，依次测量自身与其他信标之间的距离。

优选的，每个信标包括发射线圈、线圈驱动电路、信号处理电路、微控制器和电源模块，其中线圈驱动电路和信号处理电路均与发射线圈相接，线圈驱动电路、信号处理电路和电源模块均与微控制器相连；每个定位终端包括接收线圈、信号处理电路、微控制器、电源模块和无线通信电路；接收线圈与信号处理电路相连；信号处理电路、电源模块和无线通信电路均与微控制器相连。

优选的，每个信标还包括无线通信电路，无线通信电路与微控制器相连。

优选的，信标中的发射线圈为三个正交方式固定的线圈；定位终端中的接收线圈为三个正交方式固定的线圈。

优选的，在定位终端中的接收线圈和/或信标中的发射线圈中心设置有一个铁氧体磁芯。

优选的，每个信标中的三个线圈采用相同频率分时发射低频电磁波。

优选的，每个信标中的三个线圈同时发射不同频率的低频电磁波。

优选的，所述定位终端还包括运动传感器。

相应的，本发明还提供一种空间定位方法，包括：在待定位空间中，预先设置多个信标，用于产生低频电磁场；定位终端接收所述多个信标产生的低频电磁场，并根据接收到的多个信标产生的低频电磁场数据，确定定位终端所在的空间位置。

优选的，多个信标之间采用无线方式或有线方式进行通信，形成自组网网络；每个信标在发射低频电磁场的同时，将该信标ID发布到所述自组网网络中。

优选的，自组网网络形成后，所有信标在所述自组网网络的临时主机的协调下，依次测量自身与其他信标之间的距离，建立空间坐标系，同时确定每个信标在所述空间坐标系中的坐标。

优选的，定位终端通过无线方式建立与所述自组网网络的连接；定位终端在接收低频电磁场的同时，从所述自组网网络中获取当前发射低频电磁场的信标的标识。

优选的，多个信标以预设时序轮流产生具有相同频率的、强度已知的低频电磁场；或多个信标同时产生具有不同频率的、强度已知的低频电磁场。

优选的，所述根据接收到的多个信标产生的低频电磁场数据，确定定位终端所在的空间位置，具体为：根据所述定位终端接收到的所述多个信标产生的低频交变电磁场强度，确定所述终端与所述多个信标之间的距离；根据所述定位终端与所述多个信标之间的距离，确定所述终端在所述空间坐标系中的坐标。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的技术方案有效地克服了现有的定位方案实施复杂度高、部署成本高、定位误差大、定位信息更新延迟等缺陷，通过较廉价的方案，实现室内大范围的精确(毫米级)，实时跟踪，且对环境要求较宽松(无金属，磁场干扰即可)，显著地提高了空间定位方案在不同的环境场景中的适用性。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例空间定位系统的一种结构示意图；

图2为本发明实施例中的信标的一种部署方式示意图；

图3为本发明实施例中信标的一种结构示意图；

图4为本发明实施例中发射线圈/接收线圈结构示意图一；

图5为本发明实施例中发射线圈/接收线圈结构示意图二；

图6为本发明实施例定位终端的一种结构示意图；

图7为本发明实施例中信标发射线圈的一种发射时序图；

图8为定位器按图7发射电磁场时，定位终端的接收线圈所接收到的波形示意图；

图9为本发明实施例中的定位终端的电磁信号处理电路结构示意图一；

图10为本发明实施例中的定位终端的电磁信号处理电路结构示意图二；

图11为本发明实施例中的定位终端的电磁信号处理电路结构示意图二；

图12为本发明实施例信标轮询示意图一；

图13为本发明实施例信标轮询示意图二；

图14为本发明实施例空间定位方法流程示意图。

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作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。

由于本发明空间定位系统及方法，涉及多点定位原理及低频电磁场测距原理，下面简单介绍一下这两个原理：

多点定位原理：空间几何中，四面体是一种稳定的结构，已知底面三个顶点ABC坐标和第四个顶点P到底面三个顶点的距离，那么第四个顶点P的坐标解只有两个，此时，如果假定第四个顶点P只在底面之上，或者增加一个不在底面ABC上的点D，则可以确定P点最终的坐标。

低频电磁场测距原理：根据毕-萨-拉定律和法拉第电磁感应定律推导而来，根据这两个定律可以推导出低频电磁场在空间传播时的衰减规律，可以较精准的得出磁场发射源和磁场接收端之间的物理距离，本结论在学术上已经经过反复证明，属于已知技术，所以推导过程和公式不在本文中进行详述。

实施例一

空间定位系统

本发明实施例空间定位系统，包括至少三个信标和至少一个定位终端，参见图1，为本发明实施例空间定位系统的一种结构示意图，图1中，标号2表示信标，1表示定位终端，多个信标分布设置在待定位空间中，构成一个信标阵列，信标用于产生低频电磁场；每个定位终端接收多个信标产生的低频电磁场，并根据接收到的至少三个信标产生的低频电磁场数据，计算定位终端的空间位置。本发明实施例中，定位终端可以是移动设备，例如智能手机、智能可穿戴设备，无线游戏手柄等，此处不作限定。

本发明实施例，信标的放置并没有特殊要求，只需要将信标大致均匀地放置在活动区域内，保证活动范围中有三个信标能够进行信号覆盖即可。信标可以放置在地面，也可以悬空放置，如图2所示的信标部署方法，阴影部分区域为三个信标信号均可覆盖区域，该区域为有效定位区域。

参见图3，为本发明实施例中信标的一种结构示意图，包括发射线圈21、线圈驱动电路24、信号处理电路22、微控制器23、无线通信电路25和电源模块26，其中线圈驱动电路24和信号处理电路22均与发射线圈21相接，线圈驱动电路24、信号处理电路22、无线通信电路25和电源模块26均与微控制器23相连；信标中的发射线圈31为三个正交方式固定的线圈，发射线圈结构可参考图4。微控制器23通过运行控制程序，控制线圈驱动电路24和无线通信电路25。线圈驱动电路24可驱动三个正交方式安装的线圈，产生各方向均匀的低频电磁场，同时线圈驱动电路24可闭环控制电磁波发射强度，其可以被设计为具有过流、过热、金属检测等保护功能。

具体实施时，若信标之间设置为通过有线方式相连时，则图3中的无线通信电路25可取消；若信标阵列被设计为集中供电时，则每个信标中的电源模块26亦可取消。

在上述技术方案中，为了减小线圈体积，同时方便线圈缠绕，可以选择在信标发射线圈中心设置一个正方形或圆形的铁氧体磁芯，如图5所示。但需要说明的是：信标作为电磁场发射设备，当发射电磁场强度过大时，因为有磁芯的存在，可能会导致磁饱和，进而造成整个空间定位系统感知度的降低。

参见图6，为本发明实施例中定位终端中定位装置的结构示意图，该定位装置包括：接收线圈31、信号处理电路32、微控制器33、电源模块34和无线通信电路35；接收线圈31与信号处理电路32相连；信号处理电路32、电源模块34和无线通信电路35均与微控制器33相连。定位终端中的接收线圈31为三个正交方式固定的线圈，接收线圈结构同样可参考图4。信号处理电路32将接收线圈接31收到的波形进行放大和滤波，处理成方便微控制器33采样的电压波形。电源模块34可以采用电池或AC适配器电源供电，并对电池进行充电。微控制器33通过运行程序指令，控制无线通信电路35。

同样，在上述技术方案中，为了减小线圈体积，增加磁导率，同时方便线圈缠绕，优选在定位终端中的接收线圈中心设置一个正方形或圆形的铁氧体磁芯，如图5所示。需要说明的是：接收线圈的圈数不宜过多也不宜过少，定位终端中的定位装置灵敏度与线圈圈数关系呈抛物线的关系。

下面，介绍本发明定位空间系统的工作原理：

在本发明实施例中，每一个信标具有唯一的信标标识，多个信标之间采用无线方式或有线方式进行通信，形成自组网网络，该自组网网络可称为信标网络，其中无线方式包括蓝牙、WIFI、NFC和\或ZigBee等，无线通信采用高频电磁波进行通信连接，载波频率大于信标产生的用于定位的低频电磁场的频率。自组网后，会给每个信标分配一个网内序号，并统计信标总数，随机将一个信标分配为临时主机，用于协调工作。信标组成的网络是动态的，可以随时增加删除节点，网络内的状态信息随时被分发到每个信标节点上，即使临时主机信标节点被删除，剩余的信标节点仍会依据存储的状态信息重新组网，重新随机分配一个信标作为临时主机。

信标放置完毕后，所有信标在所述自组网网络的临时主机的协调下，依次测量自身与其他信标之间的距离，建立空间坐标系，同时确定每个信标在所述空间坐标系中的坐标。测量方法如下：

1号信标工作在接收模式，其他信标依次发射低频电磁信号，1号信标根据接收的低频电磁信号强度逐一计算与其它信标之间的距离，并将结果发布到信标网络中；2号信标以同样方式依次测量与其它信标之间的距离，测量完成后，2号信标将测量到的其与1号信标之间的距离D21与1号信标测量到的其与2号信标之间的距离D12进行平均，得到1号信标与2号信标之间的距离并广播到信标网络，同时将2号信标测量的与其它信标之间的距离发布到信标网络。以此类推，完成对空间区域内所有信标的测距，确定带定位空间区域内任意两个信标之间的距离，从而根据空间区域内部署的多个信标的相对位置关系，建立空间坐标系，确定每一个信标在该空间坐标系中的坐标。

定位终端进入待定位空间后，首先通过无线方式建立与信标网络的连接；定位终端在接收低频电磁场的同时，从所述信标网络中获取当前发射低频电磁场的信标的标识。

本发明实施例中，多个信标以预设时序轮流产生具有相同频率的、强度已知的低频电磁场；或多个信标同时产生具有不同频率的、强度已知的低频电磁场。

信标电磁场发射与定位终端电磁场检测的方法包括如下几种，以下方法可以任意组合或动态应用到实际系统中。

方法1：本方法适用信标节点数量较少的场合。

多个信标以预设时序轮流产生具有相同频率的、强度已知的低频电磁场，其中每个信标的三个线圈采用相同频率分时发射低频电磁场，分时发射时序图可参考图7，图7中，A0号线圈、A1号线圈和A2号线圈是构成信标发射线圈的三个线圈，其驱动频率一致。

本发明实施例中，当信标中的三个线圈按图7时序发射电磁场时，定位终端接收到的电磁场信号如图8所示，图8中S00、S10、S20分别为三个接收线圈接收到A0号发射线圈的信号强度；S01、S11、S21分别为三个接收线圈接收到A1号发射线圈的信号强度；S02、S12、S22分别为三个接收线圈接收到A2号发射线圈的信号强度。

当信标中的三个线圈按图7时序发射电磁场时，定位终端中的接收电路结构，可参考图9，接收线圈与预设容值的电容构成串联或并联谐振电路，使谐振电路的谐振点与信标产生的低频电磁场的频率相同，以耦合到最大的信号强度。接收线圈接收到的信号经放大器放大后，供高速AD采样，然后通过DSP处理采样数据，计算出图8中示出的9个信号的强度值。此种方式使用的元件数量少，因此受元件精度影响小，批量生产一致性较好。其中DSP是数字信号处理，英文为：DigitalSignalProcessing；AD指模数转换器。

图9电路中，用到了高速AD和DSP，为了降低成本，可使用一部分模拟电路来处理信号，以降低对AD采样速率和运算速率的要求，因此，图9电路可以用图10电路来替代，图10电路中，通过模拟电路将接收到的信号波形的包络提取出来，供AD采样，因此可大大降低AD的采样速率，同时电磁传感器中的微控制器MCU可直接利用采样结果来进行距离的计算。

另外图10中，低速AD采样时间节点的确定可通过软件对AD采样的序列进行分析。基本思路如下：当三路AD采样的值均为0，持续时间超过1/2脉宽时，可确认当前时刻为空闲状态；任意一路AD采集到值有变化时，开始计时采样。同样的，为了降低处理器的运算压力，可以用模拟电路生成采样时钟，将三路包络检测后的信号相加进行适当放大，通过比较器与一个预先设置号的阈值电压比较，得出的方波信号便是采样时钟信号。处理器检测到上升沿时开始计时采样。

方法2：本方法适用于信标节点数量很多的场合，可适当增加检测刷新率。

多个信标以预设时序轮流产生低频电磁场，其中每个信标中的三个线圈同时发射不同频率的低频电磁场。本方法可适当增加定位检测的刷新率，适用于信标数量很多的场合。这种情况下，定位终端的接收线圈接收到的是信号混合在一起的，需要进行滤波处理，将三个频率的信号提取出来，分别测量其强度，实现电路可参考图11。其中滤波器拐点频率f0等于0号发射线圈的频率，f1等于1号发射线圈的频率，f2等于2号发射线圈的频率；低通滤波器的拐点频率远远小于上述三个频率：10*fa<f0<f1<f2。

方法3：

为了缩短信标轮询发射的时间，不同信标之间的发射频率也可以不同。发射时，不同频率的信标可以分在一组同时发射，这样可以大大缩短信标轮询发射一次的时间。本方法适合场地大，定位要求高，且数据刷新率高的场合。

常规轮询图参考图12所示，常规信标轮询方法轮询一次的时间为：M×ΔT；不同频率的信标分在一组同时发射时，轮询图可参考图13所示，多发射频率信标轮询一次的时间：M×ΔT/n，n为每一组信标数量。

在上述技术方案中，由于磁场定位的刷新率不足以满足实时性需求，优选方案为：在定位终端中设置运动传感器，运动传感器检测定位终端的运动数据，利用运动数据对定位终端的空间位置进行修正计算，对定位数据刷新率进行弥补，每次通过电磁场定位后再重新校准输出定位坐标。通过这种混合的方式可以以更低成本和简单的硬件方案来实现较高的定位数据刷新频率。运动传感器可以为IMU惯性传感器、加速度传感器、陀螺仪中的一种或多种。当本发明实施例的定位器被安装在其他智能终端上使用时，该运动传感器可以借用智能终端上的运动传感器。

本发明实施例的空间定位系统，特别适用于各种室内定位，对环境大小无限制，当环境大时，只需要增加信标数量，扩大信标阵列覆盖范围即可。

实施例二

空间定位方法

参见图14，为本发明空间定位方法流程示意图，包括如下步骤：

S101：在待定位空间中，预先设置多个信标，用于产生低频电磁场；

S102：定位终端接收所述多个信标产生的低频电磁场；

S103：根据接收到的多个信标产生的低频电磁场数据，确定定位终端所在的空间位置。

本发明实施例中，多个信标之间采用无线方式或有线方式进行通信，形成自组网网络；自组网网络形成后，所有信标在所述自组网网络的临时主机的协调下，依次测量自身与其他信标之间的距离，建立空间坐标系，同时确定每个信标在所述空间坐标系中的坐标。自组网组网方式及信标阵列初始化测距方法，可参考本发明实施例空间定位系统中的具体描述。

每个信标在发射低频电磁场的同时，将该信标ID发布到所述自组网网络中。定位终端进入待定位空间后，先通过无线方式建立与所述自组网网络的连接，定位终端在接收低频电磁场的同时，从所述自组网网络中获取当前发射低频电磁场的信标的标识。

信标电磁场发射与定位终端电磁场检测的方法可参考本发明实施例空间定位系统中的具体描述，再此不赘述。

本发明实施例中，根据低频电磁场测距原理，已知定位终端接收到的低频电磁场强度和信标发射的低频电磁场强度，则可计算出定位终端与发射信标之间的距离。然后根据每个信标与定位终端之间的距离，以及信标在所述空间坐标系中的坐标，利用多点定位原理，可计算出定位器在所述空间坐标系中的坐标。进一步地，根据在待定位空间区域中部署信标时，信标在空间区域中的位置，通过坐标系变换可以得到定位终端在空间区域中的真实位置。

优选的，本发明实施例空间定位方法，在电磁场定位结果刷新的间隙，可用加速度计，陀螺仪、IMU惯性传感器等运动传感器来检测定位终端的运动轨迹，输出定位数据。每次通过电磁场定位后再重新校准输出的定位坐标。通过这种混合的方式可以以更低成本和简单的硬件方案来实现较高的定位数据刷新频率。

本发明实施例中的空间定位方法和空间定位系统属于对应关系，部分技术特征在空间定位系统中详细描述后，在空间定位方法中就简单带过，可互相参考。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (18)

1.一种空间定位系统，其特征在于，该系统包括至少三个信标和至少一个定位终端；信标分布设置在待定位空间中，用于产生低频电磁场；每个定位终端接收多个信标产生的低频电磁场，并根据接收到的至少三个信标产生的低频电磁场数据，计算定位终端的空间位置。

2.如权利要求1所述的空间定位系统，其特征在于，多个信标之间采用无线方式或有线方式进行通信，形成自组网网络。

3.如权利要求2任一项所述的空间定位系统，其特征在于：

多个信标以预设时序轮流产生具有相同频率的、强度已知的低频电磁场；或多个信标同时产生具有不同频率的、强度已知的低频电磁场。

4.如权利要求3所述的空间定位系统，其特征在于，定位终端通过无线方式建立与所述自组网网络的连接；定位终端在接收低频电磁场的同时，从所述自组网网络中获取当前发射低频电磁场的信标的标识。

5.如权利要求4所述的空间定位系统，其特征在于，在空间定位系统初始化时，所有信标在所述自组网网络的临时主机的协调下，依次测量自身与其他信标之间的距离。

6.如权利要求1至5任一项所述的空间定位系统，其特征在于：每个信标包括发射线圈、线圈驱动电路、信号处理电路、微控制器和电源模块，其中线圈驱动电路和信号处理电路均与发射线圈相接，线圈驱动电路、信号处理电路和电源模块均与微控制器相连；每个定位终端包括接收线圈、信号处理电路、微控制器、电源模块和无线通信电路；接收线圈与信号处理电路相连；信号处理电路、电源模块和无线通信电路均与微控制器相连。

7.如权利要求6所述的空间定位系统，其特征在于，每个信标还包括无线通信电路，无线通信电路与微控制器相连。

8.如权利要求6所述的空间定位系统，其特征在于，信标中的发射线圈为三个正交方式固定的线圈；定位终端中的接收线圈为三个正交方式固定的线圈。

9.如权利要求8所述的空间定位系统，其特征在于，在定位终端中的接收线圈和/或信标中的发射线圈中心设置有一个铁氧体磁芯。

10.如权利要求8或9所述的空间定位系统，其特征在于，每个信标中的三个线圈采用相同频率分时发射低频电磁波。

11.如权利要求8或9所述的空间定位系统，其特征在于，每个信标中的三个线圈同时发射不同频率的低频电磁波。

12.如权利要求1至5任一项所述的空间定位系统，其特征在于，所述定位终端还包括运动传感器。

13.一种空间定位方法，其特征在于，包括：

在待定位空间中，预先设置多个信标，用于产生低频电磁场；

定位终端接收所述多个信标产生的低频电磁场，并根据接收到的多个信标产生的低频电磁场数据，确定定位终端所在的空间位置。

14.如权利要求13所述的空间定位方法，其特征在于，多个信标之间采用无线方式或有线方式进行通信，形成自组网网络；每个信标在发射低频电磁场的同时，将该信标ID发布到所述自组网网络中。

15.如权利要求14所述的空间定位方法，其特征在于，自组网网络形成后，所有信标在所述自组网网络的临时主机的协调下，依次测量自身与其他信标之间的距离，建立空间坐标系，同时确定每个信标在所述空间坐标系中的坐标。

16.如权利要求15所述的空间定位方法，其特征在于，定位终端通过无线方式建立与所述自组网网络的连接；定位终端在接收低频电磁场的同时，从所述自组网网络中获取当前发射低频电磁场的信标的标识。

17.如权利要求12至16任一项所述的空间定位方法，其特征在于：多个信标以预设时序轮流产生具有相同频率的、强度已知的低频电磁场；或多个信标同时产生具有不同频率的、强度已知的低频电磁场。

18.如权利要求17所述的空间定位方法，其特征在于，所述根据接收到的多个信标产生的低频电磁场数据，确定定位终端所在的空间位置，具体为：

根据所述定位终端接收到的所述多个信标产生的低频交变电磁场强度，确定所述终端与所述多个信标之间的距离；

根据所述定位终端与所述多个信标之间的距离，确定所述终端在所述空间坐标系中的坐标。