CN106125071A - 一种室内无线定位装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种室内无线定位装置，包括控制装置和与其相连接的无线扫描装置、接收装置、被探测物，所述被探测物放置在被探测区域内，并在被探测区域建立空间坐标系，在收到无线扫描装置发射的探测信号后能够应答无线电波信号；所述接收装置用于接收和识别所述无线电波应答信号；所述控制装置用于采集数据并根据数据对被探测物进行运算定位。所述装置结构简单，利用本发明及其定位方法，精度高，成本低；所述无线扫描装置可以选择具有较强穿透性的电磁波，不会出现被遮挡，而无法探测的情况。

Description

一种室内无线定位装置及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位装置，尤其是涉及一种室内无线定位装置及定位方法。

背景技术

随着VR应用的发展，除了感知用户的操作，对用户位置及各部位的精确探测会进一步加强应用与用户的互动，实现更加真实的VR。此外，精准的室内定位也有很多其它的应用场景。

当前的室内精准定位，有些会使用昂贵，高性能的动态捕捉系统，有些采用附着电池驱动的接收装置，在重量，体积等方面影响用户的体验。

发明内容

本发明提供了一种室内无线定位装置及定位方法，所述无线定位装置采用电磁波发射的定向特性及穿透性，结合扫描技术，即可实现在空间内的精确定位。无论是在成本方面，还是在使用便捷方面都有很大的提高。其技术方案如下所述：

一种室内无线定位装置，包括控制装置和与其相连接的无线扫描装置、接收装置、被探测物，所述被探测物放置在被探测区域内，在收到无线扫描装置发射的探测信号后能够应答无线电波信号；所述接收装置用于接收和识别所述无线电波应答信号；所述控制装置用于采集数据并根据数据对被探测物进行运算定位；并在被探测区域建立空间坐标系，所述无线扫描装置包括安装在被探测区域周边的发射器，所述发射器包括发射装置和与其相连接的旋转装置，所述发射装置围绕所述旋转装置设置的旋转轴进行旋转，所述发射装置能够在一个可约束的方向发射无线电磁波，所述约束的无线电波形成绕旋转轴旋转的扫描平面，所述发射装置旋转到某个已知角度的扫描平面与被探测区域相交区域上的所有位置的被探测物都能收到探测信号；根据各发射器在空间坐标系的安装位置和旋转方向、各发射器探测到被探测物时的扫描平面的参考角度，能够判断出被探测物的位置。

所述发射装置经过旋转轴的某个固定方向的扫描平面被确定为基准平面，所述被探测物所在扫描平面与基准平面的夹角将被用于定位计算，所述扫描平面与基准平面夹角角度的获取能够通过角度传感器获得、或通过使用时间特征的计算获得。

所述被探测物收到探测信号后，通过发射或反射包含其自身特征的无线电波应答信号，所述应答信号能够被接收装置所接收，并从中识别出被探测物的相关信息，所述自身特征包括被探测物选用的材料、应答基带频率，编码方式；所述相关信息包括被探测物的类别、编号。

在被探测区域的周边放置若干位置固定不变的应答装置做为监测点，所述应答装置在收到无线扫描装置发射的探测信号后能够应答无线电波信号并被接收装置获取，用于动态边界识别和位置较正，误差消除。

所述被探测区域的两侧安装有两个旋转轴平行但不重叠的发射器，在二维定位时，旋转轴要与探测平面垂直。

进一步的，三维定位时，在探测区域外至少设置有三个发射器，其中至少有两个发射器的旋转轴平行但不重叠(和二维定位要求相同)，至少有一个发射器旋转轴与前两个发射器的旋转轴不平行(通常会采用垂直的方式)。

根据上述室内无线定位装置实现的定位方法，包括下列步骤：

(1)所述控制装置控制无线扫描装置的发射器发射探测信号；

(2)被探测物在收到发射信号时应答反馈信号；

(3)接收装置收到应答信号，提取相关信息，获得被探测物相对设定的发射器，其所处的扫描平面与基准平面的夹角；

(4)根据各发射器相对于空间坐标系的安装位置和旋转方向、各发射器探测到被探测物时的平面相对于本身基准平面的角度，计算得出被探测物的位置。

本发明结构简单，且精度高，成本低；所述无线扫描装置可以选择具有较强穿透性的电磁波，不会出现被遮挡，而无法探测的情况。

附图说明

图1是发射器从转向基准线开始转到被探测物方向时的测量示意图；

图2是利用三角公式对被探测物定位的示意图；

图3是监测点设置在被探测区域外的探测示意图；

图4是室内无线定位装置的结构示意图；

图5是无线扫描装置的安装示意图。

具体实施方式

在本发明中，有几个基本对象：无线扫描装置、接收装置、控制装置和被探测物。

所述无线扫描装置包括安装在被探测区域周边的发射器，所述发射器包括发射装置和与其相连接的旋转装置，所述发射装置围绕所述旋转装置设置的旋转轴进行旋转，所述发射装置能够在一个可约束的方向发射无线电磁波，所述约束的无线电波形成绕旋转轴旋转的扫描平面，所述发射装置旋转到某个已知角度的扫描平面与被探测区域相交区域上的所有位置的被探测物都能收到探测信号。

无线扫描装置能够集中在某一个很窄的方向上持续发射形成波束扇面，并在水平或垂直方向按固定速度360度旋转。

被探测物则需要能够反射或应答发送的电磁波，通常需要在被探测物上附着铝箔或类似RFID Tag的电子标签。

接收装置、控制装置作为接收及处理装置，能够接收和识别被探测物反射(或应答)的信号，并根据接收时间计算结果。

所述发射器的发射装置会以旋转轴为原点360度旋转扫描。如图1所示，在理论上，假设发射装置旋转一周的时间是T，以转到一个特定的方向定为0度(这个方向我们定为基准线)，每次从转向基准线开始，转到探测物方向时的时间是t，那么被探测物和基准线之间的夹角是：

角度＝360*t/T

一套发送、接收部件只能测量被探测物的一个角度，为了实现平面定位，需要在被探测物的运动范围外部两个固定位置(A,B)放置两套发射器。如图2所示，通过三角公式，已知三角形的一条边，及该边上的两个夹角，即可确定三角形。从而运算出被探测物的平面坐标。

设定两个发射器A和B，被探测点D。

任一点P在坐标系的位置表示为(Xp,Yp)。

已知：

点位置是A(Xa,Ya)和B(Xb,Yb)，

AB与AD的夹角是α，

旋转轴与平面垂直，经过A点，

AB为0度线。

设定逆时针方向为正方向，

BA与BD的夹角是β，

旋转轴与平面垂直，经过B点，

AB为0度线。

顺时针方向为正方向，

那么D点的坐标公式：

Xd＝(tanβ*(Xb–Xa)–tanα*tanβ*(Yb–Ya))/(tanα+tanβ)+Xa；

Yd＝(tanβ*(Yb–Ya)+tanα*tanβ*(Xb–Xa))/(tanα+tanβ)+Yb；

可见，两组(或多组)旋转轴平行的发射器只得获得水平面的坐标，当需要三维定位时，还需要在探测区域外安装与之前的发射器旋转轴不平行的发射器，通常旋转轴会与前两个发射器的旋转轴垂直，使得旋转方向为垂直方向，这样就可以测量出被探测物在垂直平面的坐标。结合水平平面坐标，从而得出被探测物在立体空间的三维坐标。(在两个点的3D探测会将盲区面缩减到盲区线。)

当进行三维探测时，增加第三个发射器，位置放置在C，满足条件(旋转轴不能以与前两个发射器的旋转轴平行。)的方式非常多，这里只写了最简单的情况：

任一点P在坐标系的位置表示为(Xp,Yp,Zp)，

AB的设置与二维相同。设C扫描到D时获得的角度为γ，其取值意义为：

C点坐标为(Xc,Yc,Zc)，

C的旋转轴与坐标系X轴平行，

以(Y＝Yc)为0度平面，

角度正方向为按YZ平面的逆时针方向。(右手规则)

D点的Z坐标公式：(XY与二维相同)

Zd＝(Yd–Yc)*tanγ+Zc。

实际的探测系统一定会有多个发射部件(至少两个)，每个发射器都有相对应的接收器。但接收部件并不一定和发送部件一一对应。只要接收器能够接收和处理不同的反射或应答信息即可。通常系统会采用高频信号，使用相同的载波频率，通过调制不同的信息来区分不同的发射端或被探测物，因此实际情况可以只需要一个接收和处理部件。有没有成本需求的情况下，也可以为每个发射部件对应一个单独的接收装置，这些部件使用不同的载波频率，从而避免数据冲突引起的精度损失。

当在探测空间的被探测物只有一个时，可以采用在被探测物上贴上铝箔的方案。铝箔在有无线电波经过时，会按原信号直接反射无线电波。因此只需让接收器解析属于哪个发射源，即可完成单探测物的2D/3D定位。

当在活动空间内多个被探测物，需要同时进行多点探测时，接收装置需要有能力识别是哪个探测物的应答，这时就不能使用简单的反射方式了。需要在每个被控测物中附着微型的电波接收和发送装置(电子标签)，它们在接收到扫描电波后，不是直接反射，而是能够主动发送有差异的应答信号。通常是载波叠加可区分的模拟或数字调制信息。

在实际应用中，我们可以加强发射电波的功率。这样电子标签可以直接从接收的无线电波获得的能量，驱动其发送应答信号。其电子工作原理和RFID一样。负载信息的调制解调方案也可以参考RFID相关规范。

实际应用中，会遇到各种情况产生误差，下面的一些手段可以针对不同情况有效的消除误差。

如图2所示，当被探测物落在经过AB两点的直线上时，是无法确定正确位置的，经过AB两点的直线范围被称为探测盲点。发射器的设置应避免其落入被探测物的运动空间范围内。但如果不能完全避免，我们可以在另一个位置(C)放置第三个发射器，这样我们可以分别用AB,BC,AC来计算被探测物的位置，得到三组数据。当被探测物落到某个盲区时，我们可以忽略该结果。其余有效的结果在理论应该是重叠的，实际会有偏差，但综合多组结果，会减少这些测量误差，获得更精确的定位结果。

基准线的检测装置误差影响角度测量准确性。除了检测装置本身的测量误差，它还受到检测位置的影响。我们已知检测装置本身的物理误差是f，监测点到旋转中心轴的距离是d,而实际被探测物(最远探测位置)到中心轴的距离为D，那么被探测物的

实际(最大)误差＝f*D/d

将基准线的监测点和发射部件集成在一起，就会出现(d<<D)，其结果是误差被严重放大。所以在有条件的情况下，尽可能采用让基准线监测点距离旋转轴更远一些。

此外，在实际测量中，还会遇到一些问题，影响测量精度：

(1)旋转电机的机械稳定性；

(2)发射天线转向基准线时的检测精度；

(3)从无线电波发射开始，到被探测物接收后的反射或应答，再到接收装置接收，到控制装置开始获取时间计算，产生的延迟误差。

除了靠发射装置本身的电子检测手段，基准线的监测点也完全可以用另一种方式来实现，如图3所示，监测点即和被探测物使用相同的铝箔和电子标签来实现，用监测点作为角度的参照点。实际上发射天线并不是360全部有意义的，如果我们分别在被探测区域3的两端放置发射部件(圆形AB)，和参照点(菱形XY)。假设发射部件是顺时针方向旋转，只要探测空间落在三角形XOY区域内，那么无论是A还是B，一定会先探测到X，接着是探测到被探测物，最后探测到Y。我们只需把AX或BX对待成基准线，就可以达到实际误差小于(f)的精度，角度计算公式中的360度和T也可以分别用角XAY(或XBY)的度数，以及T(x->y)来替换。

只要处理流程一致，这种方案还可以忽略(或抵消)接收和处理延时产生的误差。并且最大程度的避免机械旋转周期震动带来的误差。

针对发射点A，其实际探测角度(XAY)要大于有效角度(MAY)，但如果在M或N位置架设参照点将会对实际被探测物的检测产生干扰，不适用于铝箔反射方案。

如果参照点使用的是电子标签，由于调制信息能够区分是不是被探测物，以及是哪个参照点，因此不需要考虑顺序问题。所以可以XY之间设置多个参照点，这能够减少发射器旋转电机的非均速带来的误差，进一步提升精度。

根据以上推论，如图4和图5所示，无线扫描装置将实现一个单探测物的室内空间定位功能，使用3D发射器设备1和3D发射器设备2，每个3D发射器的构成包括水平发射器11、垂直发射器12，所述水平发射器11、垂直发射器12分别通过步进电机15和步进电机16进行旋转，基准线13和基准线14分别设置在步进电机15和步进电机16上。

无线扫描装置的接收和处理总控制台包括接收装置4和接收装置5，分别用于接收水平和垂直方向的数据，并将数据传送到控制装置6，所述控制装置6通常是PC机等智能电子设备，能够与3D发射器设备之间进行通讯。

所述控制装置6在本装置中有以下几个主要功能：

(1)构建统一的同步时钟；

(2)构建和设置统一的空间坐标；

(3)控制3D发射器的运行；

(4)接收发射器的信号并处理，计算出被探测物的空间位置；

(5)在3D发射器和位置设置过程中，负责各参数(位置)输入。

无线扫描装置的安装位置示意图如图5所示，所述发射器1和发射器2安装在被探测区域3的周边，所述发射器的水平方向的发射器旋转方向相同，所述垂直方向的发射器旋转方向相同。

所述被探测物采用类似RFID标签的应答装置，所述两个发射器与被探测区域3的垂直距离相同，投影在被探测区域的相对的两端。

应用时，所述控制装置与发射器构建统一的同步时钟，构建和设置统一的空间坐标；

控制发射器的发射装置旋转，同时进行信号发射，监测点和被探测物将信号反射到接收装置；

所述接收装置将探测到监测点和被探测物时发射器的角度数据传送到控制装置；

所述控制装置通过步骤(3)中的角度数据，以及发射器之间的距离、发射器和被探测区域之间的距离，得到被探测物在被探测区域的空间位置信息。

Claims (6)

1.一种室内无线定位装置，包括控制装置和与其相连接的无线扫描装置、接收装置、被探测物，所述被探测物放置在被探测区域内，在收到无线扫描装置发射的探测信号后能够应答无线电波信号；所述接收装置用于接收和识别所述无线电波应答信号；所述控制装置用于采集数据并根据数据对被探测物进行运算定位；并在被探测区域建立空间坐标系，其特征在于：所述无线扫描装置包括安装在被探测区域周边的发射器，所述发射器包括发射装置和与其相连接的旋转装置，所述发射装置围绕所述旋转装置设置的旋转轴进行旋转，所述发射装置能够在一个可约束的方向发射无线电磁波，所述约束的无线电波形成绕旋转轴旋转的扫描平面，所述发射装置旋转到某个已知角度的扫描平面与被探测区域相交区域上的所有位置的被探测物都能收到探测信号；根据各发射器在空间坐标系的安装位置和旋转方向、各发射器探测到被探测物时的扫描平面的参考角度，能够判断出被探测物的位置。

2.根据权利要求1所述的室内无线定位装置，其特征在于：所述发射装置经过旋转轴的某个固定方向的扫描平面被确定为基准平面，所述被探测物所在扫描平面与基准平面的夹角将被用于定位计算，所述扫描平面与基准平面夹角角度的获取能够通过角度传感器获得、或通过使用时间特征的计算获得。

3.根据权利要求1所述的室内无线定位装置，其特征在于：所述被探测物收到探测信号后，通过发射或反射包含其自身特征的无线电波应答信号，所述应答信号能够被接收装置所接收，并从中识别出被探测物的相关信息，所述自身特征包括被探测物选用的材料、应答基带频率，编码方式；所述相关信息包括被探测物的类别、编号。

4.根据权利要求1所述的室内无线定位装置，其特征在于：在被探测区域的周边放置若干位置固定不变的应答装置做为监测点，所述应答装置在收到无线扫描装置发射的探测信号后能够应答无线电波信号并被接收装置获取，用于动态边界识别和位置较正，误差消除。

5.根据权利要求1所述的室内无线定位装置，其特征在于：所述被探测区域的两侧安装有两个旋转轴平行但不重叠的发射器，在二维定位时，旋转轴要与探测平面垂直；当进行三维定位时，需要在探测区域外安装第三个发射器，旋转轴应与前两个发射器的旋转轴不平行。

6.根据权利要求1-5任一所述的室内无线定位装置的定位方法，包括下列步骤：

(1)所述控制装置控制无线扫描装置的发射器发射探测信号；

(2)被探测物在收到发射信号时应答反馈信号；

(3)接收装置收到应答信号，提取相关信息，获得被探测物相对设定的发射器，其所处的扫描平面与基准平面的夹角；

(4)根据各发射器相对于空间坐标系的安装位置和旋转方向、各发射器探测到被探测物时的平面相对于本身基准平面的角度，计算得出被探测物的位置。