CN106058417A - 一种基于阵列天线实现自动跟随的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，包括自动跟随设备和被跟随目标，所述自动跟随设备上设置有马达驱动模块、M个天线和M个通讯模块，M≥4，所述M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布，每个天线分别连接了各自的通讯模块，所述通讯模块连接了中心控制模块，所述中心控制模块还与马达驱动模块连接，所述马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随目标的方向运动。
Description
技术领域
本发明涉及自动跟随技术领域，具体涉及一种基于阵列天线实现自动跟随的系统和方法。
背景技术
目前无线网络中的自动跟随技术，有基于超声波测距技术，也有基于2.4G无线测距技术，基本都是根据自动跟随设备上多个无线模块天线各自与被跟随目标上无线模块天线的距离来确定自动跟随设备与被跟随目标的距离，以及两者之间的角度关系，再通过控制自动跟随设备上的电机来控制自动跟随设备向被跟随目标移动。主要包括以下两种方案：
1、自动跟随设备上有1个2.4G无线收发模块，且同一水平面上布置8个超声发送喇叭，而被跟随目标上有1个2.4G无线收发模块和1个超声接收喇叭。自动跟随设备通过2.4G无线收发模块发送2.4G信号给被跟随目标，并通过超声发送喇叭发出超声信号，被跟随目标收到2.4G信号后，判断50ms内是否接收到超声信号，若有则计算距离并通过2.4G无线收发模块发送距离结果，若无则通过2.4G无线收发模块发送超时结果。如申请号为201410497205.5的中国实用新型专利所述。超声模块角度是45度，发送完一遍，只有1~2个超声能得到具体距离，其他都因为角度覆盖不到而接收超时。根据这1~2个超声距离，可以大概确定自动跟随设备与被跟随目标的距离和角度。
此种方案存在以下问题：首先容易受到障碍物影响；第二，容易受到其他超声波设备影响；第三，覆盖范围小，自动跟随设备与被跟随目标只能在超声波的有效距离4m内才能探测到；第四，被跟随目标无线收发模块需要长时间工作，功耗大。
2、自动跟随设备上有多个2.4G无线模块及天线，而被跟随目标上有1个2.4G无线模块及天线。被跟随目标发送2.4G信号，自动跟随设备上多个2.4G无线模块接收信号，根据接收的信号强度，换算成距离，再根据自动跟随设备上多个2.4G无线模块与被跟随目标的距离，确定自动跟随设备与被跟随目标的距离和角度关系，如专利号CN201410092270所述。
此种方案存在以下问题：根据信号强度算距离，而信号强度受到发送信号功率、天气、传输路径的干扰比较大，因此定位精度较差。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，采用的技术方案如下：
一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，包括自动跟随设备和被跟随目标，所述自动跟随设备上设置有马达驱动模块、M个天线和M个通讯模块，M≥4，所述M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布，每个天线分别连接了各自的通讯模块，所述通讯模块连接了中心控制模块，所述中心控制模块还与马达驱动模块连接，所述马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随目标的方向运动。
作为优选，所述自动跟随设备前面设有若干个超声波模块。
作为优选，所述中心控制模块设置在自动跟随设备上。
作为优选，所述M=6，6个天线在同一水平面上间隔60度均匀分布。
作为优选，所述M=8，8个天线在同一水平面上间隔45度均匀分布。
作为优选，自动跟随设备上的天线为定向天线。
作为优选，所述被跟随设备包括互相连接的通讯模块和天线。
作为优选，所述通讯模块为Zigbee模块或蓝牙模块或wifi模块。
本发明的一种基于阵列天线实现自动跟随的系统的工作过程包括如下步骤：
S1.在自动跟随设备上设置M个天线，M≥4，并使这M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布 ；
S2.被跟随目标定时发送信息，所发送的信息包含自身的ID号；
S3.自动跟随设备通过天线接收被跟随设备的信息，天线接收信息后通过通讯模块发送给中心控制模块，所发送的信息包含被跟随设备的ID号及信号强度；
S4.中心控制模块接收代表不同信号接收方向的通讯模块传来的信息，按照ID号筛选出同个被跟随目标在不同接收方向上的信号强度值，并把信号强度值按照矢量方式进行求和运算，计算结果的矢量方向则代表此时被跟随目标相对于自动跟随设备的方向A1；
S5.通过马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随设备的方向A1前进，直到自动跟随设备与被跟随设备的距离小于设定阈值则暂停跟随。
作为优选，本发明的基于阵列天线实现自动跟随的系统还包括以下步骤：
S51.对同一ID号的被跟随设备发送的信息，将相邻的L个天线接收到的信号强度值求和，L≤M,并筛选出其中的最大值，记为Esum1，Esum1大小与此时该被跟随设备与自动跟随设备的距离反相关；
S52.间隔设定的时间间隔后，重新获取此时被跟随目标相对于自动跟随设备的方向A2及Esum2，通过马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随设备的方向A2前进；
S53. 重复52，直到Esum2超过设定的阈值；
S54. 通过自动跟随设备上的的超声波模块获取自动跟随设备与被跟随设备之间的距离，当距离小于设定的阈值时，则使自动跟随设备暂停跟随。
作为优选，步骤S51中，将相邻的3个天线接收到的信号强度值求和，并筛选出其中的最大值，记为Esum1。
将相邻的3个天线接收到的信号强度值求和，求得的实际值与被跟随设备和自动跟随设备之间的距离最为接近。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明采用阵列天线，可以测量出无线信号来自哪个方向以及无线信号强度的大小，采用“信号的方向“信息来定位，因此定位参考点发送信号功率变化、路径传输损耗对定位几乎没影响。
2、本发明中，被跟随目标是周期性信息发送者，被跟随目标每次发送完信息即可进入休眠状态，使得系统的功耗极低，使用2节5号干电池即可工作半年以上。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的自动跟随设备的结构示意图；
图3是本发明的信号强度矢量分解示意图；
图4是本发明的总矢量和的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
实施例：
如图1及图2所示，一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，包括自动跟随设备和被跟随目标，所述自动跟随设备上设置有马达驱动模块、M个天线和M个通讯模块，M≥4，所述M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布，每个天线分别连接了各自的通讯模块，所述通讯模块连接了中心控制模块，所述中心控制模块还与马达驱动模块连接，所述马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随目标的方向运动。
所述自动跟随设备前面设有若干个超声波模块，所述超声波模块用于测量出其前方方向的障碍物距离。
所述中心控制模块设置在自动跟随设备上。
所述M=6，6个天线在同一水平面上间隔60度均匀分布。
自动跟随设备上的天线为定向天线。
所述被跟随设备包括互相连接的通讯模块和天线。
所述通讯模块为Zigbee模块。
本发明的一种基于阵列天线实现自动跟随的系统的工作过程包括如下步骤：
S1.在自动跟随设备上设置M个天线，M≥4，并使这M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布 ；
S2.被跟随目标定时发送信息，所发送的信息包含自身的ID号；
S3.自动跟随设备通过天线接收被跟随设备的信息，天线接收信息后通过通讯模块发送给中心控制模块，所发送的信息包含被跟随设备的ID号及信号强度；
S4.中心控制模块接收代表不同信号接收方向的通讯模块传来的信息，按照ID号筛选出同个被跟随目标在不同接收方向上的信号强度值，并把信号强度值按照矢量方式进行求和运算，得到总矢量和E，总矢量和E的方向则代表此时被跟随目标相对于自动跟随设备的方向A1；
具体计算方法如下：
如图3及图4所示，假设从正前方开始逆时针方向上的6个通讯模块接收到的同个被跟随设备的信号强度分别为E1、E2、E3、E4、E5、E6，把6个信号强度分解到X轴、Y轴上再分别求和（正前方为X轴正方向、正左方为Y轴正方向）。
X轴上矢量和计算公式为：
Ex = E1-E4+（E2+E6-E3-E5）*cos60°
= E1-E4+（E2+E6-E3-E5）/2
Y轴上矢量和计算公式为：
Ey = （E2+E3-E5-E6）*sin60°
= （E2+E3-E5-E6）*/2
假设总矢量和的方向与X轴的夹角为A（单位：度），A的计算公式分以下几种情况：
情况1：Ey=0，Ex>0
A = 0
情况2：Ey=0，Ex<0
A = 180
情况3：Ey>0，Ex=0
A = 90
情况4：Ey<0，Ex=0
A = 270
情况5：Ey≠0，Ex≠0
A = atan(Ey/Ex)*180/π。
S5.通过马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随设备的方向A1前进，直到自动跟随设备与被跟随设备的距离小于设定阈值则暂停跟随。
本发明的基于阵列天线实现自动跟随的系统还包括以下步骤：
S51.对同一ID号的被跟随设备发送的信息，将相邻的L个天线接收到的信号强度值求和，并筛选出其中的最大值，记为Esum1，Esum1大小与此时该被跟随设备与自动跟随设备的距离反相关，本实施例中，L=3；
S52.间隔设定的时间间隔后，重新获取此时被跟随目标相对于自动跟随设备的方向A2及Esum2，通过马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随设备的方向A2前进；
S53. 重复52，直到Esum2超过设定的阈值；
S54. 通过自动跟随设备上的的超声波模块获取自动跟随设备与被跟随设备之间的距离，当距离小于设定的阈值时，则使自动跟随设备暂停跟随。
本实施例的步骤S51中，将相邻的3个天线接收到的信号强度值求和。
Claims (10)
1.一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，包括自动跟随设备和被跟随目标，其特征在于，所述自动跟随设备上设置有马达驱动模块、M个天线和M个通讯模块，M≥4，所述M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布，每个天线分别连接了各自的通讯模块，所述通讯模块连接了中心控制模块，所述中心控制模块还与马达驱动模块连接，所述马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随目标的方向运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，其特征在于，所述自动跟随设备前面设有若干个超声波模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，其特征在于，所述中心控制模块设置在自动跟随设备上。
4.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，其特征在于，所述M=6，6个天线在同一水平面上间隔60度均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，其特征在于，自动跟随设备上的天线为定向天线。
6.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，其特征在于，所述被跟随设备包括互相连接的通讯模块和天线。
7.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线实现自动跟随的系统，其特征在于，所述通讯模块为Zigbee模块或蓝牙模块或wifi模块。
8.一种基于阵列天线实现自动跟随的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在自动跟随设备上设置M个天线，M≥4，并使这M个天线在同一水平面上间隔360/M度均匀分布 ；
S2.被跟随目标定时发送信息，所发送的信息包含自身的ID号；
S3.自动跟随设备通过天线接收定位参考点的信息，天线接收信息后通过通讯模块发送给中心控制模块，所发送的信息包含被跟随目标的ID号及信号强度；
S4.中心控制模块接收代表不同信号接收方向的通讯模块传来的信息，按照ID号筛选出同个被跟随目标在不同接收方向上的信号强度值，并把信号强度值按照矢量方式进行求和运算，计算结果的矢量方向则代表此时被跟随目标相对于自动跟随设备的方向A1；
S5.通过马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随设备的方向A1前进，直到自动跟随设备与被跟随设备的距离小于设定阈值则暂停跟随。
9.根据权利要求8所述的一种基于阵列天线实现自动跟随的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S51.对同一ID号的被跟随设备发送的信息，将相邻的L个天线接收到的信号强度值求和，L≤M,并筛选出其中的最大值，记为Esum1，Esum1大小与此时该被跟随设备与自动跟随设备的距离反相关；
S52.间隔设定的时间间隔后，重新获取此时被跟随目标相对于自动跟随设备的方向A2及Esum2，通过马达驱动模块驱动自动跟随设备往被跟随设备的方向A2前进；
S53. 重复S52，直到Esum2超过设定的阈值；
S54. 通过自动跟随设备上的的超声波模块获取自动跟随设备与被跟随设备之间的距离，当距离小于设定的阈值时，则使自动跟随设备暂停跟随。
10.根据权利要求8所述的一种基于阵列天线实现自动跟随的方法，其特征在于，步骤S51中，将相邻的3个天线接收到的信号强度值求和，并筛选出其中的最大值，记为Esum1。
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