CN106197396B - 一种基于光学信号发射和接收的定位导引系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学信号发射和接收的定位导引系统和方法，包括发射器阵列、接收器阵列、上位机、接收器阵列信息收发装置和发射器阵列信息收发装置。其中，上位机规划移动路径、方向和停止位置；发射器阵列位于规划路径或定位中心线的发射器发射光学信号，接收器阵列比较收到信号接收器位置与其定位中心线或规划路径获得移动端位置偏差；比较规划停止位置与移动端定位中心确定移动端停止位置偏差；由接收到的光学信号差异确定移动端移动方向，与规划方向比较得到移动端方向偏差；移动端根据位置偏差、方向偏差、停止位置偏差控制自身移动路径、方向、停止位置，实现按规划移动或停止。本方法降低了定位系统的成本，提高了其环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种基于光学信号发射和接收的定位导引系统及方法，尤其适合于移动路径相对固定的自主导航设备。
背景技术
现有基于光学信号的定位导引系统与方法，普遍而言，定位精度低，算法复杂，要么需要高精度的时间测量，要么需要复杂算法，由此导致高成本，造成部署困难、环境适应性差。
红外线室内定位导引方法，其原理是，红外线标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收器，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。
视觉导航定位导引方法是对对行驶区域的环境进行图像处理和智能学习，实现定位导引。中国专利公告号CN201410504875.5，一种室内视觉定位系统及方法，提供了一种通过双摄像机实现定位场所地图构建和基于地图点、线、面、距离实现快速定位方法，其优点是精度较高，缺点是对复杂环境的识别能力、学习能力有待提高，需要复杂的图像处理识别算法实现特定标识的识别和导引。
激光定位导引定位方法较精确，在地面无需其它辅助定位设施，行驶路径可以灵活多变，适合多种现场环境。中国专利公告号CN201410049482.X，无反射板激光自车及其导航方法主导航AGV小车及其导航方法，提供了一种无需安装反射板即可实现激光导航的AGV小车的定位和避障的无反射激光自主导航AGV小车，其缺点是需要激光扫描和地图数据，设备复杂，算法量大，实时性差，成本较高。
LED定位导引方法，其原理是通过往天花板上的LED灯具发出像莫斯电报密码一样的闪烁信号，再由用户智能手机照相机接收并进行检测，而且用户不需要将手机相机对准某一个特定方向，亦可以接收到反馈过来的直接光源信号，定位精度可以在1米之内。LED定位需要改造LED灯具，增加芯片，增加成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于光学信号发射和接收的定位导引系统及方法。
本发明的一个目的是提供一种基于光学信号发射和接收的定位导引系统，包括发射器阵列、接收器阵列、上位机、接收器阵列信息收发装置和发射器阵列信息收发装置；发射器阵列由2个或2个以上发射器组成，接收器阵列由2个或2个以上接收器组成，发射器阵列的任意一个发射器发射的光学信号接收器阵列只有部分接收器能接收到；上位机规划移动路径、移动方向与停止位置。
发射器阵列为固定端时，发射器阵列控制其位于规划路径上的发射器发射光学信号，发送给移动端的前进移动光学信号和后退移动光学信号不同。
与之对应的接收器阵列为移动端，比较接收到光学信号的接收器位置与其定位中心线，获得接收器阵列位置偏差信息；根据接收的光学信号的差异确定规划移动方向和规划停止位置；比较自身移动方向与规划移动方向，获得自身方向偏差；比较自身定位中心与规划停止位置，获得停止位置偏差。
发射器阵列为移动端时，发射器阵列控制其位于定位中心线上的发射器发射光学信号，在自身前进方向与后退方向发射光学信号不同。
与之对应的接收器阵列为固定端，比较接收到光学信号的接收器位置与规划路径，获得发射器阵列的位置偏差；根据接收到的光学信号的差异确定发射器阵列移动方向与定位中心位置；比较发射器阵列移动方向与规划移动方向，获得发射器阵列方向偏差；比较规划停止位置与发射器阵列定位中心位置获得发射器阵列停止位置偏差；接下来通过发射器阵列信息收发装置和接收器阵列信息收发装置将发射器阵列位置偏差信息、方向偏差信息与停止位置偏差信息发送给发射器阵列。
移动端带倾角传感器、方位传感器、距离传感器和速度传感器。
发射器阵列发射的光学信号是调制后信号。
与现有基于光学信号定位导引系统相比，本发明的有益效果为：本发明无论室外还是室内都可以实现高精度定位导引，不需要采用高精度的时间测量装置或昂贵的图像处理装置，降低了定位导引系统的成本，提高了定位导引系统的环境适应性。
本发明的另外一个目的是提供一种基于光学信号发射和接收的定位导引方法，实现移动路径相对固定的设备的定位导引。
接收器阵列位于需要定位导引目标上时，包括以下步骤：
A：上位机规划移动路径、移动方向和停止位置，并将其发送给发射器阵列；
B：发射器阵列控制位于规划路径上的发射器发射光学信号；
C：接收器阵列比较接收到光学信号的接收器位置与其定位中心线，获得自身位置偏差；根据接收信号的差异确定规划移动方向和规划停止位置；比较自身移动方向与规划移动方向，获得自身方向偏差；比较自身定位中心与规划停止位置，获得自身停止位置偏差；
D：接收器阵列将位置偏差信息、方向偏差信息、停止位置偏差信息、倾角信息、方位信息、速度信息、位移信息输入需要定位导引目标的驱动控制系统，实现接收器阵列收到信号的接收器的位置与其定位中心线重合、移动方向与规划移动方向一致、停止位置与规划停止位置相同，从而实现需要定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在规划位置停止的目的。
发射器阵列位于需要定位导引目标上时，包括以下步骤：
A：上位机规划移动路径、移动方向和停止位置，并将其发送给接收器阵列；
B：发射器阵列控制位于其定位中心线上的发射器发射光学信号，且控制在其前进方向与后退方向上发射不同的光学信号；
C：接收器阵列比较接收到光学信号的接收器位置与规划路径，获得发射器阵列位置偏差；根据接收到信号的差异确定发射器阵列移动方向与定位中心位置；比较发射器阵列移动方向与规划移动方向，获得发射器阵列方向偏差；比较规划停止位置与发射器阵列定位中心位置获得发射器阵列停止位置偏差；
D：接收器阵列通过发射器阵列信息收发装置和接收器阵列信息收发装置将发射器阵列位置偏差信息、方向偏差信息与停止位置偏差信息发送给发射器阵列；
E：发射器阵列将位置偏差信息、方向偏差信息、停止位置偏差信息、倾角信息、方位信息、速度信息、位移信息输入需要定位导引目标的驱动控制系统，实现接收器阵列收到信号的接收器的位置与规划路径重合、发射器阵列移动方向与规划移动方向一致、发射器阵列停止位置与规划停止位置相同，从而实现需要定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在规划位置停止的目的。
与现有基于光学信号定位导引方法相比,本发明的有益效果为：不需要复杂的算法或精密测量装置就可以实现被定位端的定位导引，降低了定位导引系统的成本，提高了定位导引系统的环境适应性。
附图说明
图1是接收器阵列位于需要定位导引目标的系统结构示意图
图2是发射器阵列位于需要定位导引目标的系统结构示意图
图中，100，发射器阵列；1001，不发射光学信号的发射器；1002，发射光学信号的发射器；1003，上位机规划的路径；1004，发射器阵列定位中心线；101，接收器阵列；1011，未接收到光学信号的接收器；1012，接收到光学信号的接收器；1013，接收器阵列定位中心线；102，上位机；103，发射器阵列信息收发装置；104，接收器阵列信息收发装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明就行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的第一种实施方式涉及一种定位导引系统，如图1所示，包含发射器阵列100、接收器阵列101、上位机102、发射器阵列信息收发装置103和接收器阵列信息收发装置104，其中接收器阵列位于需要定位导引目标上。
具体而言，上位机通过发射器阵列信息收发装置和接收器阵列信息收发装置给发射器阵列发送规划路径1003、规划移动方向和规划停止位置信息；发射器阵列控制规划路径上的发射器1002发射光学信号，并控制位于规划路径前进方向与后退方向发射不同的光学信号，为接收器阵列停止发射特定的光学信号；接收器阵列中有些接收器1012接收到信号，有些接收器1011未接收到信号；比较接收到信号的接收器位置与接收器阵列定位中心线1013，获得接收器阵列位置偏差；根据接收信号的差异确定规划移动方向和规划停止位置；比较接收器阵列移动方向与规划移动方向，获得接收器阵列方向偏差；比较接收器阵列定位中心与规划停止位置，获得接收器阵列停止位置偏差。
接收器阵列将位置偏差信息、方向偏差信息、停止位置偏差信息、倾角信息、方位信息、速度信息、位移信息输入需要定位导引目标的驱动控制系统，实现接收器阵列收到信号的接收器的位置与其定位中心线重合、移动方向与规划移动方向一致、停止位置与规划停止位置相同，从而实现需要定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在规划位置停止的目的。
接收器阵列把自身的相对位置、倾角、方位等信息通过接收器阵列信息收发装置和发射器阵列信息收发装置发送到上位机；上位机获得需要定位导引目标的相对位置、倾角、方位、移动距离、速度等信息。
本发明的第二种实施方式涉及一种定位导引系统，如图2所示，包含发射器阵列100、接收器阵列101、上位机102、发射器阵列信息收发装置103和接收器阵列信息收发装置104，其中发射器阵列位于需要定位导引目标上。
具体而言，上位机通过接收器阵列信息收发装置给接收器阵列发送规划路径1003、规划移动方向和规划停止位置信息；发射器阵列控制位于其定位中心线1004上的发射器1002发射光学信号，且在其前进方向和后退方向上发射不同的光学信号；接收器阵列中有些接收器1012接收到信号，有些接收器1011未接收到信号；
比较接收到光学信号的接收器位置与规划路径，获得发射器阵列的位置偏差；根据接收到信号的差异确定发射器阵列移动方向与定位中心位置；比较发射器阵列移动方向与规划移动方向，获得发射器阵列方向偏差；比较规划停止位置与发射器阵列定位中心位置获得发射器阵列停止位置偏差。
接收器阵列通过发射器阵列信息收发装置和接收器阵列信息收发装置将发射器阵列位置偏差信息、方向偏差信息与停止位置偏差信息发送给发射器阵列；发射器阵列将位置偏差信息、方向偏差信息、停止位置偏差信息、倾角信息、方位信息、速度信息、位移信息输入需要定位导引目标的驱动控制系统，实现接收器阵列收到信号的接收器的位置与规划路径重合、发射器阵列移动方向与规划移动方向一致、发射器阵列移动停止位置与规划停止位置相同，从而实现需要定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在规划位置停止的目的。
发射器阵列将自身的相对位置、倾角、方位等信息通过接收器阵列信息收发装置和发射器阵列信息收发装置发送到上位机；上位机获得需要定位导引目标的相对位置、倾角、方位、移动距离、速度等信息。
本发明的第三种实施方式涉及一种定位导引方法，其中接收器阵列位于需要定位导引目标上，如图1所示，具体包含以下步骤：
A：上位机规划移动路径、移动方向和停止位置，并将其发送给发射器阵列；
B：发射器阵列控制位于规划路径上的发射器发射光学信号；
C：接收器阵列比较接收到光学信号的接收器位置与其定位中心线，获得自身位置偏差；根据接收信号的差异确定规划移动方向和规划停止位置；比较自身移动方向与规划移动方向，获得自身方向偏差；比较自身定位中心与规划停止位置，获得自身停止位置偏差；
D：接收器阵列将位置偏差信息、方向偏差信息、停止位置偏差信息、倾角信息、方位信息、速度信息、位移信息输入需要定位导引目标的驱动控制系统，实现接收器阵列收到信号的接收器的位置与其定位中心线重合、移动方向与规划移动方向一致、停止位置与规划停止位置相同，从而实现需要定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在规划位置停止的目的；E：接收器阵列把自身的相对位置、倾角、方位等信息通过接收器阵列信息收发装置和发射器阵列信息收发装置发送到上位机；上位机获得需要定位导引目标的相对位置、倾角、方位、移动距离、速度等信息。
本发明的第四种实施方式涉及一种定位导引方法，其中发射器阵列位于需要定位导引目标上，如图2所示，具体包含以下步骤：
A：上位机规划移动路径、移动方向和停止位置，并将其发送给接收器阵列；
B：发射器阵列控制位于其定位中心线上的发射器发射光学信号，且控制在其前进方向与后退方向上发射不同的光学信号；
C：接收器阵列比较接收到光学信号的接收器位置与规划路径，获得发射器阵列位置偏差；根据接收到信号的差异确定发射器阵列移动方向与定位中心位置；比较发射器阵列移动方向与规划移动方向，获得发射器阵列方向偏差；比较规划停止位置与发射器阵列定位中心位置获得发射器阵列停止位置偏差；
D：接收器阵列通过接收器阵列信息收发装置和发射器阵列信息收发装置将发射器阵列位置偏差信息、方向偏差信息与停止位置偏差信息发送给发射器阵列；
E：发射器阵列将位置偏差信息、方向偏差信息、停止位置偏差信息、倾角信息、方位信息、速度信息、位移信息输入需要定位导引目标的驱动控制系统，实现接收器阵列收到信号的接收器的位置与规划路径重合、发射器阵列移动方向与规划移动方向一致、发射器阵列移动停止位置与规划停止位置相同，从而实现需要定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在规划位置停止的目的；
F：发射器阵列将自身的相对位置、倾角、方位等信息通过接收器阵列信息收发装置和发射器阵列信息收发装置发送到上位机；上位机获得需要定位导引目标的相对位置、倾角、方位、移动距离、速度等信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应不含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于光学信号发射和接收的定位导引系统，其特征在于，包括发射器阵列、接收器阵列、上位机、接收器阵列信息收发装置和发射器阵列信息收发装置；所述发射器阵列由2个或3个以上发射器组成，所述接收器阵列由2个或3个以上接收器组成，发射器阵列的任意一个发射器发射的光学信号，接收器阵列只有部分接收器能接收到；所述上位机规划移动路径、移动方向与停止位置；
发射器阵列为固定端时，所述发射器阵列信息收发装置接收上位机规划信息，发射器阵列控制其位于规划路径上的发射器发射光学信号，发送给移动端的前进移动光学信号和后退移动光学信号不同；
与之对应的接收器阵列为移动端，比较接收到光学信号的接收器位置与接收器阵列定位中心线，获得接收器阵列的位置偏差信息；根据接收的光学信号的差异确定规划移动方向和规划停止位置；比较自身移动方向与规划移动方向，获得自身方向偏差；比较自身定位中心与规划停止位置，获得停止位置偏差；
发射器阵列为移动端时，发射器阵列控制其位于定位中心线上的发射器发射光学信号，在自身前进方向与后退方向发射光学信号不同；
与之对应的接收器阵列为固定端，通过所述接收器阵列信息收发装置接收上位机规划信息，比较接收到光学信号的接收器位置与规划路径，获得发射器阵列位置偏差；根据接收到的光学信号的差异确定发射器阵列移动方向与定位中心位置；比较发射器阵列移动方向与规划移动方向，获得发射器阵列方向偏差；比较规划停止位置与发射器阵列定位中心位置获得发射器阵列停止位置偏差；接下来通过发射器阵列信息收发装置和接收器阵列信息收发装置将发射器阵列位置偏差信息、方向偏差信息与停止位置偏差信息发送给发射器阵列；
进一步的，
接收器阵列位于需要定位导引目标上时，定位方法包含以下步骤：
A：上位机规划移动路径、移动方向和停止位置，并将其发送给发射器阵列；
B：发射器阵列控制位于规划路径上的发射器发射光学信号；
C：接收器阵列比较接收到光学信号的接收器位置与接收器阵列定位中心线，获得自身位置偏差；根据接收信号的差异确定规划移动方向和规划停止位置；比较自身移动方向与规划移动方向，获得自身方向偏差；比较自身定位中心与规划停止位置，获得自身停止位置偏差；
D：接收器阵列将位置偏差信息、方向偏差信息、停止位置偏差信息、倾角信息、方位信息、速度信息、位移信息输入需要定位导引目标的驱动控制系统，实现接收器阵列收到信号的接收器的位置与接收器阵列定位中心线重合、移动方向与规划移动方向一致、停止位置与规划停止位置相同，从而实现需要定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在规划位置停止的目的；
发射器阵列位于需要定位导引目标上时，定位方法包含以下步骤：
A：上位机规划移动路径、移动方向和停止位置，并将其发送给接收器阵列；
B：发射器阵列控制位于发射器阵列定位中心线上的发射器发射光学信号，且控制在其前进方向与后退方向上发射不同的光学信号；
C：接收器阵列比较接收到光学信号的接收器位置与规划路径，获得发射器阵列的位置偏差；根据接收到信号的差异确定发射器阵列移动方向与定位中心位置；比较发射器阵列移动方向与规划移动方向，获得发射器阵列方向偏差；比较规划停止位置与发射器阵列定位中心位置获得发射器阵列停止位置偏差；
D：接收器阵列通过发射器阵列信息收发装置和接收器阵列信息收发装置将发射器阵列位置偏差信息、方向偏差信息与停止位置偏差信息发送给发射器阵列；
E：发射器阵列将位置偏差信息、方向偏差信息、停止位置偏差信息、倾角信息、方位信息、速度信息、位移信息输入需要定位导引目标的驱动控制系统，实现接收器阵列收到信号的接收器的位置与规划路径重合、发射器阵列移动方向与规划移动方向一致、发射器阵列停止位置与规划停止位置相同，从而实现需要定位导引目标按上位机规划路径和方向移动、在规划位置停止的目的。
2.如权利要求1所述的定位导引系统，其特征在于，所述移动端带倾角传感器、方位传感器、距离传感器和速度传感器。
3.如权利要求1所述的定位导引系统，其特征在于，所述发射器阵列发射的光学信号是调制后信号。
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