CN106291455A - 基于运动状态信息的定位装置及方法 - Google Patents

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李智
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Abstract

公开了一种基于运动状态信息的定位装置及方法。定位装置包括第一装置。第一装置发射或接收超宽带定位信号，并测量第一装置的运动状态信息。定位装置利用超宽带定位信号获得第一装置的初始位置信息，并利用第一装置的运动状态信息修正第一装置的初始位置信息。本发明利用了待定位装置自身的运动状态信息对定位结果进行修正，提高了定位精度，且可在定位信号质量差或接收不到定位信号的情况下，实现对待定位装置位置信息的预测。此外，利用待定位装置的运动状态信息，还可以对其实现如体感检测、动作捕捉等其他功能。

Description

基于运动状态信息的定位装置及方法
技术领域
本公开涉及定位领域，更具体地，本公开涉及位置信息的修正。
背景技术
短距离、高精度室内定位技术在城市密集区域和室内封闭空间应用非常广泛。现有的定位系统只能得到目标的二维或三维位置信息，而不能得到目标自身的平动信息，这使得上述定位系统在无人机定位及状态监测、定位人员体感检测、捕捉动作和位置的体感游戏等领域无法应用。
此外，在一些复杂的定位环境中，目标的定位精度很容易受到诸如非视距传播、空间遮挡、信号强度弱、噪声、杂波等环境因素的影响。因此，在如何定位的基础上实时获取目标的运动状态信息，以及如何利用辅助信息对目标的定位信息进行修正，成为了本领域研究人员亟需解决的问题。
发明内容
依据本发明的一个方面，提出了一种定位装置。该定位装置包括第一装置。第一装置发射或接收超宽带定位信号，并测量第一装置的运动状态信息；其中，定位装置利用超宽带定位信号获得第一装置的初始位置信息，并利用第一装置的运动状态信息修正第一装置的初始位置信息。
依据本发明的另一个方面，提出了一种定位方法。该定位方法包括：利用第一装置发射或接收超宽带定位信号来获取第一装置的初始位置信息；测量第一装置的运动状态信息；以及利用第一装置的运动状态信息修正初始位置信息。
本发明利用了待定位装置自身的运动状态信息对定位结果进行修正，提高了定位精度，且可在定位信号质量差或接收不到定位信号的情况下，实现对待定位装置位置信息的预测。此外，利用待定位装置的运动状态信息，还可以对其实现如体感检测、动作捕捉等其他功能。
附图说明
图1给出依据本发明一个实施例的定位系统100的示意图；
图2给出依据本发明另一个实施例的定位系统200的示意图；
图3给出依据本发明另一个实施例的定位系统300的示意图；
图4给出依据本发明另一个实施例的定位系统400的示意图；
图5给出依据本发明一个实施例的待定位装置内部结构500的示意图；
图6给出依据本发明一个实施例的定位方法600的流程图；
图7给出依据本发明一个实施例的定位信息修正方法700的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。下面某些实施例中所述的定位信号可以是超宽带信号、调频信号、脉冲信号等无线信号。
图1给出依据本发明一个实施例的定位系统100的示意图。如图1所示，该定位系统100示例性地包括定位基站BSi和BS(i+1)以及待定位装置MS，其中，定位基站BSi和BS(i+1)的三维位置已知。在一个实施例中，所述定位基站BSi和BS(i+1)是地理上固定的。
定位系统100利用定位基站BSi和BS(i+1)与待定位装置MS间传输定位信号S来解算待定位装置MS的初始位置信息。定位信号S的传输方式包括：待定位装置MS发射定位信号，定位基站BSi和BS(i+1)接收定位信号；或者，定位基站BSi和BS(i+1)发射定位信号，待定位装置MS接收定位信号；或者，定位基站BSi和BS(i+1)与待定位装置MS采用应答方式，相互发射和接收定位信号。定位信号的传输方式并不限制本发明，只要能够达到解算待定位装置MS初始位置信息的效果即可。
图1所示实施例以待定位装置MS发射定位信号S，定位基站BSi和BS(i+1)接收定位信号S为例，对定位系统100工作原理进行说明。如图1所示，待定位装置MS发射定位信号S，定位基站BSi和BS(i+1)接收定位信号S，并记录定位信号S到达其自身的时间信息以用于解算待定位装置MS的初始位置信息。以定位信号为超宽带信号作为优选的实施例，超宽带信号是时域上的窄脉冲，具有良好的时间分辨力，适用于利用定位信号的到达时间信息获取待定位装置MS位置信息的定位算法，且具有较高的定位精度。所述时间信息可以是定位信号S到达各定位基站的时刻，也可以是定位信号S到达各定位基站的时间差，进而使用TOA(Time of Arrival，到达时间)或TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)定位算法解算待定位装置MS的初始位置信息。定位算法的选择取决于定位系统中各装置的时钟同步情况，此处不做详细说明。
在本实施例所述的定位系统100中，待定位装置MS还测量自身的运动状态信息，以修正待定位装置MS的初始位置信息。所述待定位装置MS的运动状态信息包括其自身的速度、加速度、空间运动角度中的一个或多个。所述空间运动角度指的是待定位装置MS某一时刻相对于某一初始姿态的三维方向的变化角度，即方向角、俯仰角和滚转角。这里需要注意的是，在对待定位装置MS进行定位以及测量其速度和加速度时，选取的是待定位装置MS上的某一参考点作为点目标，而在测定待定位装置MS的空间运动角度时需要考虑其形状特征。
图2给出依据本发明一个实施例的定位系统200的示意图。该定位系统200示例性地包括定位基站BSi和BS(i+1)以及待定位装置MS，其中，定位基站BSi和BS(i+1)的三维位置已知。在一个实施例中，所述定位基站BSi和BS(i+1)是地理上固定的。
图2与图1所示实施例相区别的地方在于，图2所示实施例以定位基站BSi和BS(i+1)分别发射定位信号Si和S(i+1)，待定位装置MS接收定位信号Si和S(i+1)为例，对定位系统200工作原理进行说明。如图2所示，定位基站BSi和BS(i+1)分别发射定位信号Si和S(i+1)，待定位装置MS接收定位信号Si和S(i+1)，并记录定位信号Si和S(i+1)到达其自身的时间信息以用于解算待定位装置MS的初始位置信息。所述时间信息可以是定位信号Si和S(i+1)到达待定位装置MS的时刻，也可以是定位信号Si和S(i+1)到达待定位装置MS的时间差。
图3给出依据本发明另一个实施例的定位系统300的示意图。如图3所示，该定位系统300示例性地包括定位基站BS1、BS2和BS3以及待定位装置MS，其中，定位基站BS1、BS2和BS3的三维位置已知。在一个实施例中，所述定位基站BS1、BS2和BS3是地理上固定的。
待定位装置MS发射定位信号S，定位基站BS1、BS2和BS3接收定位信号S，并记录定位信号S到达其自身的时间信息以用于解算待定位装置MS的初始位置信息。图3所示的定位系统300中包含三个定位基站，其中任意两个定位基站和待定位装置MS的组合都构成图1所示实施例中的定位系统100，与图1所示实施例相同的部分这里不再描述。
定位基站的个数取决于定位算法和定位维度，例如，在一个实施例中，采用TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)定位算法对目标进行二维定位，则至少需要三个定位基站。又例如，在一个实施例中对目标进行三维定位，则至少需要四个定位基站。
图4给出依据本发明另一个实施例的定位系统400的示意图。如图4所示，定位系统400相比于图3所示的定位系统300还包括了定位处理器LP。定位系统400中定位基站和待定位装置的个数并不用于限制本发明。在一个实施例中，也可在图1所示实施例的基础上添加定位处理器LP。
在图4所示实施例中，定位基站BS1、BS2和BS3将各自记录的定位信号S到达自身的时间信息传送至定位处理器LP，待定位装置MS将自身测得的运动状态信息传送至定位处理器LP，上述信息的传输路径可以为真空、大气、线缆、水域的一种或多种。在一个实施例中，定位基站BS1、BS2和BS3向定位处理器LP传送的信息还包括各自的位置信息。在另一个实施例中，定位处理器LP预存定位基站BS1、BS2和BS3的位置信息。
定位处理器LP利用定位信号S到达定位基站的时间信息及定位基站的位置信息解算待定位装置MS的初始位置信息，并利用待定位装置MS自身的运动状态信息对初始位置信息进行修正。
本领域技术人员应当理解，定位处理器LP是一个功能模块，在另一个实施例中，定位处理器LP可以集成到某一个或多个定位基站或待定位装置中，以实现对待定位装置的位置解算和位置修正。
由上述分析可知，根据本发明的技术方案，待定位装置MS测量自身的运动状态信息，定位系统利用上述运动状态信息对待定位装置MS的定位结果进行修正，提高了定位精度，且可在定位信号质量差或定位基站接收不到定位信号的情况下，实现对待定位装置位置信息的预测。以定位信号为超宽带信号作为优选的实施例，超宽带信号是时域上的窄脉冲，具有良好的时间分辨力，适用于利用定位信号的到达时间信息获取待定位装置MS位置信息的定位算法，且具有较高的定位精度，利用本发明公开的方法对初始位置信息进行修正后，会在超宽带信号质量较差时同样取得较高的定位精度。此外，定位系统获取了待定位装置MS的运动状态信息，可以针对待定位装置实现定位以外的其他功能，例如，体感检测、动作捕捉、姿态获取等。十分适用于虚拟现实、体感游戏等应用场景中。
图5给出依据本发明一个实施例的待定位装置内部结构500的示意图。如图5所示，待定位装置包括定位信号产生模块501、天线502、运动状态信息获取模块503以及数据传输模块504。其中定位信号产生模块501产生定位信号S，并将其传输至天线502，天线502将接收到的定位信号S传播至空间中。在一个实施例中，定位信号S为超宽带信号，相应的，定位信号产生模块501应为超宽带脉冲产生模块。运动状态信息获取模块503包括加速度计5031、陀螺仪5032和磁力计5033，以获取待定位装置MS的运动状态信息。在另一个实施例中，运动状态信息获取模块503可以根据系统需要，包括加速度计5031、陀螺仪5032和磁力计5033中的一个或多个。运动状态信息获取模块503将获取到的待定位装置MS的运动状态信息传输至数据传输模块504，数据获取模块504根据系统需要，将运动状态信息进行传输。
图6给出依据本发明一个实施例的定位方法600的流程图。定位方法包括如下步骤：
步骤601：待定位装置MS发射或接收定位信号S，以获取待定位装置MS的初始位置信息。
其中，获取初始位置信息的方法已经在图1所示实施例中详细说明，此处不再重复。
步骤602：待定位装置MS测量自身的运动状态信息。
其中，运动状态信息包括待定位装置MS的速度、加速度和空间运动角度中的一个或多个。
步骤603：定位系统利用待定位装置MS的运动状态信息修正初始位置信息。修正方法会在图7所示实施例中具体说明。
图7给出依据本发明一个实施例的定位信息修正方法700的流程图。定位信息修正方法包括如下步骤：
步骤701：定位系统得到待定位装置MS的初始位置信息。
步骤702：定位系统利用待定位装置MS运动状态信息中的空间运动角度，将运动状态信息中的速度和/或加速度映射到与待定位装置MS初始位置信息相同的坐标系中。
步骤703：定位系统将映射好的速度和/或加速度信息用于卡尔曼滤波算法中，以修正待定位装置MS位置信息的原始测量值。
在一个实施例中，步骤701、步骤702、步骤703可以在定位处理器LP中完成。
本领域技术人员应当理解，本实施例示例性的给出了一种利用待定位装置MS的运动状态信息修正位置信息原始测量值的一种方法，即卡尔曼滤波算法，在另一实施例中，也可使用其他算法对原始测量值进行修正。
如以上所提到的，虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多改变。由此，本发明的范围不由优选实施例的公开所限制。而是，应当完全参考随后的权利要求来确定本发明。

Claims (13)

1.一种定位装置，包括：
第一装置，发射或接收超宽带定位信号，并测量第一装置的运动状态信息；
其中，定位装置利用超宽带定位信号获得第一装置的初始位置信息，并利用第一装置的运动状态信息修正第一装置的初始位置信息。
2.如权利要求1所述的定位装置，还包括第二装置和第三装置，其中，第二装置和第三装置与第一装置配套地接收或发射超宽带定位信号以供定位装置获取第一装置的初始位置信息。
3.如权利要求2所述的定位装置，包括：
第一装置，发射超宽带定位信号；
第二装置，接收超宽带定位信号，并记录超宽带定位信号到达自身的时间信息；以及
第三装置，接收超宽带定位信号，并记录超宽带定位信号到达自身的时间信息；
其中，定位装置利用超宽带定位信号到达第二装置和第三装置的时间信息以及第二装置和第三装置的位置信息解算第一装置的初始位置信息。
4.如权利要求3所述的定位装置，其中，定位装置利用TDOA或TOA算法解算第一装置的初始位置信息。
5.如权利要求2所述的定位装置，还包括第四装置，其中，第四装置与第一装置配套地接收或发射超宽带定位信号以供定位装置获取第一装置的初始位置信息。
6.如权利要求1所述的定位装置，其中，第一装置的运动状态信息包括第一装置的速度、加速度和空间运动角度中的一个或多个。
7.如权利要求1所述的定位装置，其中，第一装置包括：
定位信号产生模块，产生超宽带定位信号；
天线，接收定位信号产生模块传送的超宽带定位信号，并发射至空间；
运动状态信息获取模块，包括加速度计、陀螺仪、磁力计中的一个或多个，以获取第一装置的运动状态信息；以及
数据传输模块，从运动状态信息获取模块接收第一装置的运动状态信息，并进行传输。
8.一种定位方法，包括：
利用第一装置发射或接收超宽带定位信号来获取第一装置的初始位置信息；
测量第一装置的运动状态信息；以及
利用第一装置的运动状态信息修正初始位置信息。
9.如权利要求8所述的定位方法，包括：
利用第一装置发射超宽带定位信号；
记录超宽带定位信号到达一个或多个装置的时间信息；以及
利用超宽带定位信号到达一个或多个装置的时间信息以及一个或多个装置的位置信息解算第一装置的初始位置信息。
10.如权利要求9所述的定位方法，其中，解算第一装置初始位置信息的算法包括TOA或TDOA。
11.如权利要求8所述的定位方法，其中，第一装置的运动状态信息包括第一装置的速度、加速度和空间运动角度中的一个或多个。
12.如权利要求11所述的定位方法，还包括：
利用第一装置的空间运动角度，将第一装置的速度和/或加速度映射到与初始位置信息相同的坐标系中。
13.如权利要求12所述的定位方法，还包括：
将映射好的速度和/或加速度用于卡尔曼滤波算法中，以修正第一装置初始位置信息。
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