CN105807255A - 声音无线电协同定位装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声音无线电协同定位装置及其方法，包括定位系统和由若干个信标单元组成的信标组，定位系统和若干个信标单元通过通讯连接，定位系统包括无线电接收模块、第一声音接收模块和信标识别模块，信标单元包括无线电发射模块、声音发射模块和第二声音接收模块，信标单元被触发时同时发射无线电信号、声音信号，定位系统接收各信标单元的无线电信号、声音信号，并通过信标识别模块对接收到的无线电信号和声音信号进行识别以对信标单元完成定位。本发明设备制作简单，大幅降低产品成本；体积小，安装位置灵活，对环境适应性好，受环境影响极小，通过声音信号和无线电信号的协同识别可广泛应用于室内外可移动设备之上。

Description

声音无线电协同定位装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种定位技术，尤其是指一种声音无线电协同定位装置及其方法。
背景技术
目前的定位技术大多依赖旋转式激光测距仪，选择这类设备成本高昂，体积大，对环境要求高，比如对玻璃等透光型物体就无法检测等。
发明内容
为了解决现有定位技术成本高昂、体积大且对环境要求高的问题，本发明提出了一种声音无线电协同定位装置及其方法，结构简单，应用简便，通过声音信号和无线电信号的协同识别可以有效实现空间内的定位。
本发明所采用的技术方案是：一种声音无线电协同定位装置，包括定位系统和由若干个信标单元组成的信标组，所述的定位系统和若干个信标单元通过通讯连接，所述的定位系统包括无线电接收模块、第一声音接收模块和信标识别模块，所述的信标单元包括无线电发射模块、声音发射模块和第二声音接收模块，所述的信标单元被触发时通过无线电发射模块发射无线电信号、通过声音发射模块发射声音信号，无线电信号包含无线识别码、声音信号包含声音识别码，第二声音接收模块用于检测其他信标单元的声音信号，所述的定位系统通过无线电接收模块接收各信标单元的无线电信号、通过第一声音接收模块接收各信标单元的声音信号，并通过信标识别模块对接收到的无线电信号和声音信号进行识别以对信标单元完成定位。
作为优选，所述的无线电发射模块的发射频率为315MHz或433MHz或2.4GHz。
作为优选，所述的声音发射模块为蜂鸣器或扬声器。
作为优选，所述的第二声音接收模块为麦克风或声呐接收器。
本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上面所述的声音无线电协同定位装置的声音无线电协同定位方法，设定每个信标单元的工作半径为Rmax，信标单元依次标记为B0、B1、B2、…、Bn，其中n≥0，n为整数，步骤如下：
a)对信标单元B0进行主动触发，信标单元B0通过自身的声音发射模块发射包含声音识别码的声音信号、通过自身的无线电发射模块发射包含无线识别码的无线电信号；
b)按编号顺序由信标单元Bn依次检测信标单元Bn-1的声音信号，其中n≥1，若信标单元Bn的第二声音接收模检测到信标单元Bn-1发出的声音信号后立刻发射包含无线识别码的无线电信号和包含声音识别码的声音信号；
c)信标单元B0检测各个组内信标单元发射的无线电信号，当检测到最后一个信标单元发射的无线电信号后等待一个为常数的时间间隔Tmax后，通过无线电发射模块发射新一轮的包含无线识别码的无线电信号；
d)时间序列的生成：定位系统通过无线电接收模块接收各信标单元的无线电信号、通过第一声音接收模块接收各信标单元的声音信号，并通过信标识别模块对接收到的无线电信号和声音信号进行识别，定位系统接收到信标单元Bn发射的无线电信号的时间为Wn，生成无线电信号序列{W0，W1，……，Wn}；定位系统接收到信标单元Bn发射的声音信号的时间为Sn，生成声音信号序列{S0，S1，……，Sn}；
e)定位系统通过接收到无线电信号以及对应的声音信号的时间差来确定通过接收到无线电信号以及对应的声音信号的时间差来确定自己与该信标的距离与各信标单元的距离，获得定位系统相对于信标单元的坐标位置。
无线电信号的速度相比定位空间范围非常大可以认为发出到接受几乎没有时间差，因此本发明的定位系统通过接收信标组的信号，通过接收到无线电信号以及对应的声音信号的时间差来确定自己与该信标的距离，特点在于信标的位置不需要预先确定，信标数量配置任意。
作为优选，所述的步骤a中，信标单元B0内置有定时器，信标单元B0的主动触发方式为通过内置的定时器按时间序列触发。
作为优选，所述的步骤c中，时间间隔Tmax为声音传递Rmax距离所需时间的10至20倍。
作为优选，所述的步骤e中，所述的步骤e中，定位系统与信标单元Bn的距离为：Ln＝Vsound·(Sn-Wn)；信标单元Bn与信标单元Bn-1的距离Dn为：Dn＝Vsound·(Wn-Wn-1)；信标单元B0和信标单元Bn的距离D0为：D0＝Vsound·(W0(next)-Tmax-Wn)；其中Vsound为音速，Sn为定位系统接收到信标单元Bn发射的声音信号的时间，Wn为定位系统接收到信标单元Bn发射的无线电信号的时间，W0(next)为定位系统接收到信标单元B0发射的新一轮的无线电信号的时间，Tmax为常数的时间间隔。
作为一种优选，所述的步骤e中，当信标单元的数量为两个时，信标单元B0所在位置为坐标原点即坐标(X0＝0,Y0＝0)，信标单元B1所在位置为x轴正向上一点(X1＝D1,Y1＝0)，则定位系统所在位置的坐标为：
( X p o s = - L 1 2 - L 0 2 - D 1 2 2 D 1 , Y p o s = ± - L 1 4 + 2 L 0 2 L 1 2 + 2 D 1 2 L 1 2 - L 0 4 + 2 D 1 2 L 0 2 - D 1 4 2 D 1 ) ,
其中，L0为定位系统与信标单元B0的距离，L1为定位系统与信标单元B1的距离，D1为信标单元B1与信标单元B0的距离。
作为另一种优选，所述的步骤e中，当信标单元的数量为三个时，信标平面平行于地面且高度为H，信标单元B0、信标单元B1、信标单元B2的坐标分别为(0,0,H)、(A,0,H)、(0,A,H)，则定位系统所在位置的坐标为：
( X p o s = - L 1 2 - L 0 2 - A 2 2 A , Y p o s = - L 2 2 - L 0 2 - A 2 2 A , Z p o s = ± - L 2 4 + 2 L 0 2 L 2 2 + 2 A 2 L 2 2 - L 1 4 + 2 L 0 2 L 1 2 + 2 A 2 L 1 2 - 2 L 0 4 - 2 A 4 2 D 1 + H )
其中，L0为定位系统与信标单元B0的距离，L1为定位系统与信标单元B1的距离，L2为定位系统与信标单元B2的距离，D1为信标单元B1与信标单元B0的距离。
本发明的有益效果是：设备制作简单，大幅降低产品成本；体积小，安装位置灵活，对环境适应性好，受环境影响极小，通过声音信号和无线电信号的协同识别可广泛应用于室内外可移动设备之上。
附图说明
图1是本发明的一种结构框图；
图2是本发明坐标定位计算的示意图。
图中，1-定位系统，2-信标单元，11-无线电接收模块，12-第一声音接收模块，13-信标识别模块，21-无线电发射模块，22-声音发射模块，23-第二声音接收模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，一种声音无线电协同定位装置，包括定位系统1和由两个信标单元2组成的信标组，定位系统和两个信标单元通过通讯连接，定位系统包括无线电接收模块11、第一声音接收模块12和信标识别模块13，信标单元包括无线电发射模块21、声音发射模块22和第二声音接收模块23。
信标单元被触发时课通过无线电发射模块发射无线电信号、通过声音发射模块发射声音信号，其中无线电信号包含无线识别码、声音信号包含声音识别码；无线电发射模块的发射频率为315MHz或433MHz或2.4GHz；声音发射模块为蜂鸣器或扬声器；第二声音接收模块为麦克风或声呐接收器，第二声音接收模块用于检测其他信标单元的声音信号。
定位系统通过无线电接收模块接收各信标单元的无线电信号、通过第一声音接收模块接收各信标单元的声音信号，并通过信标识别模块对接收到的无线电信号和声音信号进行识别以对信标单元完成定位。
设定每个信标单元的工作半径为Rmax，信标单元依次标记为B0、B1、B2、…、Bn，其中n≥0，n为整数，基于上述的声音无线电协同定位方法步骤如下：
a)对信标单元B0进行主动触发，信标单元B0通过自身的声音发射模块发射包含声音识别码的声音信号、通过自身的无线电发射模块发射包含无线识别码的无线电信号。其中，信标单元B0内置有定时器，信标单元B0的主动触发方式为通过内置的定时器按时间序列触发。
b)按编号顺序由信标单元Bn依次检测信标单元Bn-1的声音信号，其中n≥1，若信标单元Bn的第二声音接收模检测到信标单元Bn-1发出的声音信号后立刻发射包含无线识别码的无线电信号和包含声音识别码的声音信号。
c)信标单元B0检测各个组内信标单元发射的无线电信号，当检测到最后一个信标单元发射的无线电信号后等待一个为常数的时间间隔Tmax后，通过无线电发射模块发射新一轮的包含无线识别码的无线电信号。其中，时间间隔Tmax为声音传递Rmax距离所需时间的10至20倍。
d)时间序列的生成：定位系统通过无线电接收模块接收各信标单元的无线电信号、通过第一声音接收模块接收各信标单元的声音信号，并通过信标识别模块对接收到的无线电信号和声音信号进行识别，定位系统接收到信标单元Bn发射的无线电信号的时间为Wn，生成无线电信号序列{W0，W1，……，Wn}；定位系统接收到信标单元Bn发射的声音信号的时间为Sn，生成声音信号序列{S0，S1，……，Sn}；
e)定位系统通过接收到无线电信号以及对应的声音信号的时间差来确定通过接收到无线电信号以及对应的声音信号的时间差来确定自己与该信标的距离与各信标单元的距离，获得定位系统相对于信标单元的坐标位置。
设在本发明所在空间内的声音音速为Vsound，两个声音序列之间的；无线电速度为光速，在有限的定位空间内，同一无线电信号从发射到接收的时间差可以忽略不计。
因此，定位系统与信标单元Bn的距离为：Ln＝Vsound·(Sn-Wn)；信标单元Bn与信标单元Bn-1的距离Dn为：Dn＝Vsound·(Wn-Wn-1)；信标单元B0和信标单元Bn的距离D0为：D0＝Vsound·(W0(next)-Tmax-Wn)；其中Vsound为音速，Sn为定位系统接收到信标单元Bn发射的声音信号的时间，Wn为定位系统接收到信标单元Bn发射的无线电信号的时间，W0(next)为定位系统接收到信标单元B0发射的新一轮的无线电信号的时间，Tmax为常数的时间间隔。
如图2所示，Pos为定位系统所在位置，当信标单元的数量为两个时，信标单元B0所在位置为坐标原点即坐标(X0＝0,Y0＝0)，信标单元B1所在位置为x轴正向上一点(X1＝D1,Y1＝0)，则定位系统所在位置的坐标为：
( X p o s = - L 1 2 - L 0 2 - D 1 2 2 D 1 , Y p o s = ± - L 1 4 + 2 L 0 2 L 1 2 + 2 D 1 2 L 1 2 - L 0 4 + 2 D 1 2 L 0 2 - D 1 4 2 D 1 ) ,
其中，L0为定位系统与信标单元B0的距离，L1为定位系统与信标单元B1的距离，D1为信标单元B1与信标单元B0的距离。以上运算过程省略。
该定位计算结果包括两个对x轴呈镜像分布的点。在实际应用中可以规定定位系统的活动场地为y轴正坐标区域，即信标单元B0、信标单元B1及定位系统三点依次构成的三角形为右手性，并且由此确定的z轴朝上。另一种实际应用可以规定定位系统侧远离x轴的方向为y正向，Pos可以在运动中通过多次定位序列以及自身姿态信息确定坐标系以及位置。在实际应用中定位者的运动可以约束在三点构成的平面上(比如均在平整表面)，也可以把信标置于定位系统活动平面外的固定位置，比如定位系统活动平面外与之平行的距离已知的平面上，此时在定位系统运动平面上的坐标系及其坐标可以通过信标平面和活动平面的距离重新映射及解算。
实施例2
实施例2的信标单元的数量为三个即分别为B0、B1和B2，其他与实施例1相同。
如图2所示，Pos为定位系统所在位置，三个信标单元摆放依序号构成右手性三角形，z轴朝上。设信标单元B0所在位置为坐标原点，信标单元B1位置为x轴正向上一点，信标单元B2位于xy平面(信标平面)的(y正向一侧)。如果定位系统被约束在信标平面运动，则可以通过多组信标对进行多次定位并综合结果进行最佳估计以提高精度。
当使用三个信标时，依据信标分布确定定位者在三维空间的坐标。通常解坐标可能不唯一，与信标所在平面呈镜像分布，此时根据先验约束条件确定定位结果。比如将信标架在空中，如图2所示，信标平面平行于地面且高度为H，信标单元B0、信标单元B1、信标单元B2的坐标分别为(0,0,H)、(A,0,H)、(0,A,H)。
则定位系统所在位置的坐标为：
( X p o s = - L 1 2 - L 0 2 - A 2 2 A , Y p o s = - L 2 2 - L 0 2 - A 2 2 A , Z p o s = ± - L 2 4 + 2 L 0 2 L 2 2 + 2 A 2 L 2 2 - L 1 4 + 2 L 0 2 L 1 2 + 2 A 2 L 1 2 - 2 L 0 4 - 2 A 4 2 D 1 + H )
其中，L0为定位系统与信标单元B0的距离，L1为定位系统与信标单元B1的距离，L2为定位系统与信标单元B2的距离，D1为信标单元B1与信标单元B0的距离。以上运算过程省略。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声音无线电协同定位装置，其特征在于：包括定位系统和由若干个信标单元组成的信标组，所述的定位系统和若干个信标单元通过通讯连接，所述的定位系统包括无线电接收模块、第一声音接收模块和信标识别模块，所述的信标单元包括无线电发射模块、声音发射模块和第二声音接收模块，
所述的信标单元被触发时通过无线电发射模块发射无线电信号、通过声音发射模块发射声音信号，无线电信号包含无线识别码、声音信号包含声音识别码，第二声音接收模块用于检测其他信标单元的声音信号，
所述的定位系统通过无线电接收模块接收各信标单元的无线电信号、通过第一声音接收模块接收各信标单元的声音信号，并通过信标识别模块对接收到的无线电信号和声音信号进行识别以对信标单元完成定位。
2.根据权利要求1所述的声音无线电协同定位装置，其特征在于：所述的无线电发射模块的发射频率为315MHz或433MHz或2.4GHz。
3.根据权利要求1所述的声音无线电协同定位装置，其特征在于：所述的声音发射模块为蜂鸣器或扬声器。
4.根据权利要求1所述的声音无线电协同定位装置，其特征在于：所述的第二声音接收模块为麦克风或声呐接收器。
5.一种基于权利要求1至4任意一项所述的声音无线电协同定位装置的声音无线电协同定位方法，其特征在于：设定每个信标单元的工作半径为Rmax，信标单元依次标记为B0、B1、B2、…、Bn，其中n≥0，n为整数，步骤如下：
a)对信标单元B0进行主动触发，信标单元B0通过自身的声音发射模块发射包含声音识别码的声音信号、通过自身的无线电发射模块发射包含无线识别码的无线电信号；
b)按编号顺序由信标单元Bn依次检测信标单元Bn-1的声音信号，其中n≥1，若信标单元Bn的第二声音接收模检测到信标单元Bn-1发出的声音信号后立刻发射包含无线识别码的无线电信号和包含声音识别码的声音信号；
c)信标单元B0检测各个组内信标单元发射的无线电信号，当检测到最后一个信标单元发射的无线电信号后等待一个为常数的时间间隔Tmax后，通过无线电发射模块发射新一轮的包含无线识别码的无线电信号；
d)时间序列的生成：定位系统通过无线电接收模块接收各信标单元的无线电信号、通过第一声音接收模块接收各信标单元的声音信号，并通过信标识别模块对接收到的无线电信号和声音信号进行识别，定位系统接收到信标单元Bn发射的无线电信号的时间为Wn，生成无线电信号序列{W0，W1，……，Wn}；定位系统接收到信标单元Bn发射的声音信号的时间为Sn，生成声音信号序列{S0，S1，……，Sn}；
e)定位系统通过接收到无线电信号以及对应的声音信号的时间差来确定通过接收到无线电信号以及对应的声音信号的时间差来确定自己与该信标的距离与各信标单元的距离，获得定位系统相对于信标单元的坐标位置。
6.根据权利要求5所述的声音无线电协同定位方法，其特征在于：所述的步骤a中，信标单元B0内置有定时器，信标单元B0的主动触发方式为通过内置的定时器按时间序列触发。
7.根据权利要求5所述的声音无线电协同定位方法，其特征在于：所述的步骤c中，时间间隔Tmax为声音传递Rmax距离所需时间的10至20倍。
8.根据权利要求5所述的声音无线电协同定位方法，其特征在于：所述的步骤e中，
定位系统与信标单元Bn的距离为：Ln＝Vsound·(Sn-Wn)；
信标单元Bn与信标单元Bn-1的距离Dn为：Dn＝Vsound·(Wn-Wn-1)；
信标单元B0和信标单元Bn的距离D0为：D0＝Vsound·(W0(next)-Tmax-Wn)；
其中Vsound为音速，Sn为定位系统接收到信标单元Bn发射的声音信号的时间，Wn为定位系统接收到信标单元Bn发射的无线电信号的时间，W0(next)为定位系统接收到信标单元B0发射的新一轮的无线电信号的时间，Tmax为常数的时间间隔。
9.根据权利要求8所述的声音无线电协同定位方法，其特征在于：所述的步骤e中，当信标单元的数量为两个时，信标单元B0所在位置为坐标原点即坐标(X0＝0,Y0＝0)，信标单元B1所在位置为x轴正向上一点(X1＝D1,Y1＝0)，则定位系统所在位置的坐标为：
( X p o s = - L 1 2 - L 0 2 - D 1 2 2 D 1 , Y p o s = ± - L 1 4 + 2 L 0 2 L 1 2 + 2 D 1 2 L 1 2 - L 1 4 + 2 D 1 2 L 0 2 - D 1 4 2 D 1 ) ,
其中，L0为定位系统与信标单元B0的距离，L1为定位系统与信标单元B1的距离，D1为信标单元B1与信标单元B0的距离。
10.根据权利要求8所述的声音无线电协同定位方法，其特征在于：所述的步骤e中，当信标单元的数量为三个时，信标平面平行于地面且高度为H，信标单元B0、信标单元B1、信标单元B2的坐标分别为(0,0,H)、(A,0,H)、(0,A,H)，则定位系统所在位置的坐标为：
( X p o s = - L 1 2 - L 0 2 - A 2 2 A , Y p o s = - L 2 2 - L 0 2 - A 2 2 A , Z p o s = ± - L 2 4 + 2 L 0 2 L 2 2 + 2 A 2 L 2 2 - L 1 4 + 2 L 0 2 L 1 2 + 2 A 2 L 1 2 - 2 L 0 4 - 2 A 4 2 D 1 + H )
其中，L0为定位系统与信标单元B0的距离，L1为定位系统与信标单元B1的距离，L2为定位系统与信标单元B2的距离，D1为信标单元B1与信标单元B0的距离。
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