CN106802412A - 一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统及其方法，属于定位技术领域。包括激光发射器、处理模块、无线通信模块、接收装置和发射装置，所述的发射装置上安装有激光发射器和无线通信模块，所述的接收装置上安装有激光接收器和无线通信模块，发射装置包括旋转轴，激光发射器垂直安装于旋转轴上，旋转轴以恒定角速度转动，接收装置包括固定架，激光接收器固定在固定架上端，激光接收器为激光传感器，激光接收器与激光发射器产生的激光束处于同一平面，无线通信模块和激光接收器均与处理模块相连。它可以计算出各装置的实时相对位置(包括相对距离、相对角度和装置朝向)，从而在低成本下达到高精度的近距离移动定位。

Description

一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统及其方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统及其方法。

背景技术

目前，定位技术主要包括绝对位置定位和相对位置定位技术。绝对位置定位主要包括GPS定位技术，但因受限于场地、信号阻挡、精度有限等原因，不适用于近距离定位。相对位置定位涉及多种传感模块，包括接收信号强度指示器(RSSI)、视觉传感器，以及近距离传感器(常见有超声波传感器、激光传感器、红外传感器等)。视觉传感器由于算法计算量较大、设备较昂贵，接收信号强度指示器由于精度不佳，故二者在近距离定位技术中并不常用。近距离(0—5m)移动机器人定位主要使用近距离传感技术，以确定周围移动机器人的相对姿态(距离、角度、朝向等)，使用的传感器原理、性能不同，会使用到不同的硬件结构设计，相应的成本也会不同。现有的主流定位方法主要有超声波模块多点定位法、多红外传感模块定位法和激光测距仪定位法。近距离传感器中，超声波模块有价格低、精度适中的特点，红外模块价格较低，但是覆盖距离较短，且易受环境影响。激光测距仪精度很高，但是设备价格昂贵。

进入中国的PCT发明专利，公开号：CN101680942B，公开日：2013年11月6日，公开了一种组合式无线电和激光定位系统，其包括：地基无线电通信装置网，配置成产生至少一激光束的激光发射器，以及至少一用户单元。每一用户单元包括：配置成接收由至少一地基通信装置发送的至少一测距无线电信号的无线电接收器，配置成接收由激光发射器产生的至少一激光束的激光探测器，以及配置成将包含由至少一测距无线电信号传送的数据组，以及由所述至少一激光束传送的数据组}数据组转换成用户单元的位置坐标的处理器，其中以激光辅助级精度获得所述用户单元的纵坐标组。其不足之处在于，该专利采用激光测距技术，测量距离短，精度不高。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术的近距离激光测距定位系统中成本较高的问题，本发明提供了一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统及其方法。它可以计算出各装置的实时相对位置(包括相对距离、相对角度和装置朝向)，从而在低成本下达到高精度的近距离移动定位。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，包括激光发射器和处理模块，包括无线通信模块、接收装置和发射装置，所述的发射装置上安装有激光发射器和无线通信模块，所述的接收装置上安装有激光接收器和无线通信模块。

优选地，所述的激光接收器为激光传感器。

优选地，所述的发射装置包括旋转轴，激光发射器垂直安装于旋转轴上。

优选地，旋转轴以恒定角速度转动。

优选地，所述的接收装置包括固定架，激光接收器固定在固定架上端。

优选地，激光接收器与激光发射器产生的激光束处于同一平面。

优选地，无线通信模块和激光接收器均与处理模块相连。

优选地，所述的接收装置上安装有三个以上的激光接收器。

一种基于激光及无线技术的近距离移动定位的方法，包括以下步骤：

A、根据以上所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，所述的发射装置上的旋转轴带动激光发射器旋转，激光发射器发射的束状激光周期性扫描平面；

B、激光接收器接收平面内射来的激光，激光接收器被触发，并传输给处理模块，记录下相应的时间t1；

根据不同的激光接收器接收到信号的先后顺序计算出夹角，并利用几何原理计算出激光发射器和激光接收器之间的相对距离；

C、在激光发射器转过360度时，所述的发射装置上的无线通信模块发射信号；

D、所述的接收装置上的无线通信模块接收所述的发射装置上的无线通信模块发射的信号，并传输给处理模块，处理模块记录下接收时间t2，处理模块计算出所述的接收装置相对于发射装置的相对角度；

E、处理模块根据步骤B的相对距离和步骤D的相对角度计算出所述的接收装置相对于发射装置的相对距离；

F、重复步骤A-F，计算出不同的时间下所述的接收装置相对于发射装置的相对距离。

优选地，步骤B和步骤D中，当处理模块判断出接收装置上的激光接收器和无线通信模块接收不到信号时，返回步骤A继续接收发送装置上的激光发射器和无线通信模块，直到收到信号为止。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的激光发射模块安装在发射装置上，激光接收模块安装在接收装置上，各装置上均配置无线通信模块。两装置通过配合，可以计算出各装置的实时相对位置(包括相对距离、相对角度和装置朝向)，从而在低成本下达到高精度的近距离移动定位；

(2)本发明在低成本的条件下，可以完成对装有接收装置的近距离移动物体的定位，所有的信号处理和相对位置的获取都由各个接收装置获得，便于多机器人移动定位和队型控制，有着低成本、高精度、高可靠性、便于编队控制等特点。

附图说明

图1为本发明的发射装置；

图2为本发明的接收装置；

图3为本发明的工作原理图；

图4为本发明的工作流程图。

示意图中的标号说明：

1、激光发射器，2、旋转轴、3、无线通信模块、4、激光接收器、5、处理模块。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例1

针对现有近距离定位系统的激光测距仪价格较高的问题，本发明设计了一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，包括激光发射器1和处理模块5，还包括无线通信模块3、接收装置和发射装置，所述的发射装置上安装有激光发射器1和无线通信模块3，所述的接收装置上安装有激光接收器4和无线通信模块3。

所述的发射装置包括旋转轴2，激光发射器1垂直安装于旋转轴2上，旋转轴2以恒定角速度转动。

所述的接收装置包括固定架，激光接收器4固定在固定架上端，所述的激光接收器4为激光传感器。

激光接收器4与激光发射器1产生的激光束处于同一平面，无线通信模块3和激光接收器4均与处理模块5相连，所述的接收装置上安装有三个以上的激光接收器4，对应地，接收装置的固定架数量与激光接收器4数量相同。

一种基于激光及无线技术的近距离移动定位的方法，包括以下步骤：

A、根据以上所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，所述的发射装置上的旋转轴2带动激光发射器1旋转，激光发射器1发射的束状激光周期性扫描平面；

B、激光接收器4接收平面内射来的激光，激光接收器4被触发，并传输给处理模块5，记录下相应激光接收器4的接收时间，计算出所有激光接收器4的时间平均值，作为接收装置的时间t1；

根据不同的激光接收器4接收到信号的先后顺序计算出夹角，并利用几何原理计算出激光发射器1和激光接收器4之间的相对距离；

当处理模块5判断出接收装置上的激光接收器4接收不到信号时，返回步骤A继续接收发送装置上的激光发射器1发射出来的激光，直到收到信号为止；

C、在激光发射器1转过360度时，所述的发射装置上的无线通信模块3发射信号；

D、所述的接收装置上的无线通信模块3接收所述的发射装置上的无线通信模块3发射的信号，并传输给处理模块5，处理模块5记录下接收时间t2，处理模块5计算出所述的接收装置相对于发射装置的相对角度；

当处理模块5判断出接收装置上的无线通信模块3接收不到信号时，返回步骤C，重复步骤C和D的内容，直到收到信号为止；

E、处理模块5根据步骤B的相对距离和步骤D的相对角度计算出所述的接收装置相对于发射装置的相对距离；

F、重复步骤A-F，计算出不同的时间下所述的接收装置相对于发射装置的相对距离。

实施例2

本实施例的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，与实施例1相似，其中不同之处在于，所述的接收装置上安装有六个激光接收器4，当所述的接收装置上安装有三个激光接收器4时，偶尔会因为触发时间的微小误差(几毫秒)导致角度测量误差，从而造成距离测量的偏差；有极个别的情况，会有激光接收器4因为遮挡等原因无法被触发，此时不能使用算法计算距离(因为算法建立在三角形公式上，触发的激光接收器4不足3个时无法正常构成三角形)。相比于三个激光接收器4，六个激光接收器4可以有效减少遮挡效应，可以保证每次激光扫过时被触发的激光接收器4大于3个，这样可以构成多个三角形，一来可以选择夹角更为合适的三角形来计算，以减小误差，二来可以构成多个三角形，分别计算距离并加权平均可以得到更为精确稳定的结果。

实施例3

本实施例的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，与实施例1相似，其中不同之处在于，激光接收器4为激光传感器，激光传感器是硅光电池，由型号为OSRAMSFH206k的硅光电池改造，并接拼合多个电池板，使其接收角度由之前的30-60度增加到整个环面，可以接收平面内任何角度射来的激光。

与现有技术相比，进步之处在于使用本实例所设计算法，采用相对便宜、精度要求较低的硬件实现了更精确的定位，经过测算，在相对位置100cm处，测量25次的结果为：最大误差为3％，平均误差为0.7％，最大误差为0.8°，均高于现有技术中的最高水平。

见诸文献或其他报道的，为达到同等精度要求选择的硬件，因精度而昂贵，以至发明人想使用都有费用上的压力。而发明人通过后期的算法优化测量结果，导致对器件选择精度要求降低，因而器件便宜较多。

相比其他的近距离定位技术超声波和LRF，本实施例的测量距离较短(<5m)，但比一般的红外测距模块的测量距离长；精度方面，相比LRF技术(此技术的最大测量误差在5m范围内一般<1％)，本实施例的精度(最大误差大约3％，平均误差约0.7％相比于一般的超声波、红外定位模块，本实施例的精度更高。

在机器人近距离定位中，一般的距离范围指1-10米范围内不等，本实施例的定位最大距离为5m，在0-5m范围内均可使用，大于5m不能保证足够的精度。

实施例4

本实施例的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，与实施例1相似，其中不同之处在于，激光传感器通过导线与处理模块5相连，其被固定在支架上。严格的说，激光接收器4应包括激光传感器和固定传感器的架子，但是架子只起固定作用，接收相应的光信号，当激光传感器被触发后，处理模块5记录相应的时间，根据激光传感器接收到信号的先后顺序计算出夹角：当激光传感器被触发后，处理模块5记录相应的时间，根据激光传感器接收到信号的先后顺序得到相应的时间间隔。因为激光发射器1转动角速度已知，故有：两激光传感器夹角＝转动角速度*时间间隔。

利用几何原理计算出激光发射器1和激光接收器4之间的相对距离，发射装置上的无线通信模块3在激光发射器1每转过一周后发射信号，接收装置根据此信号可以计算出其相对于发射装置的相对角度和相对朝向。

相对角度的计算过程为：

当激光扫过激光传感器的波形会有一个跳变(可以看做冲激响应)，此时处理模块5可以捕捉到这个信号，因为处理模块5自带时钟，所以可以记录下这个信号产生时的相应的时间。

本实施例中可以根据6个激光传感器分别记录下的时间算出其平均时间，此时间即可作为接收装置的时间t1。

又因为发射装置上的无线通信模块3在激光发射器1每转过一周后发射信号，此信号被接收装置的无线通信模块3接收到的时间设为t2。

因为激光发射器1旋转的速度是恒定并且已知的，显而易见，当接收装置的激光接收器4处于不同的位置的时候，t1的时间是会变化的，但是t2却是稳定的，由此时间差可以得到其相对角度。

相对距离的计算过程为：

由于夹角大小已知，激光传感器在固定传感器的架子上安装的位置已知，这样对于激光发射器1，任意两激光传感器A、B构成的三角形就是确定的。故套用三角形公式，带入夹角、两激光传感器A、B间的距离、激光器与接收装置中心的距离和角度等已知信息，解三角形，就可以得到三角形任意边长和夹角大小，故可以计算出接收装置中心和激光发射器1之间的距离，即相对距离。相对朝向的计算涉及到相对角度以及相对位置。计算相对位置使用的是传感器之间的角度差，用此角度差和相对角度经计算可以得到相对朝向。相对朝向的计算过程为：

由相对距离的计算过程知，解出三角形之后，就可以得到每个激光传感器与激光发射器1之间的相对距离和角度，如果设定接收装置中心指向某特定激光传感器的这个方向为接收装置的朝向，则由激光发射器1与该特定激光传感器以及接收装置中心这三点构成的三角形就已知，这样就可以得到相对朝向(即激光发射器、接收装置中心、特定激光传感器这三点构成的夹角)。

对上述夹角、相对距离、相对角度、相对朝向的计算过程，具体算例及其结果如下：

取任意两激光传感器A、B，标记激光发射器1为O，由于A、B均在固定架上，故其相对位置关系已知，又因为夹角∠ACB大小已知，这样对于A、B、C三点构成的三角形的形状和大小就是确定的。故套用正余弦公式，带入夹角∠ACB大小，两激光传感器A、B间的距离，A、B与固定架中心C的距离等已知信息，解三角形，就可以得到三角形任意边长和任意夹角大小，这样就可以计算出接收装置中心(固定架中心C)和激光发射器1之间的距离，即相对距离。

本实施例中可以根据6个激光传感器分别记录下的时间算出其平均时间，此时间即可作为接收装置中心(标记为C)的时间t1。又因为发射装置上的无线通信模块3在激光发射器1每转过一周后发射信号，此信号被接收装置的无线通信模块3接收到的时间设为t2。

因为激光发射器1旋转的角速度是恒定并且已知的，显而易见，每当激光发射器1旋转一周后其无线通信模块3发射信号，此旋转周该信号被接收装置的无线通信模块3接收到的时间t2与前一个t2之间的时间差是稳定的。但当接收装置的激光接收器4处于不同的位置的时候，新的t1与前一个t1之间的时间差是不同的。于是，由激光发射器1每转一周内获得的t1和t2之间的时间差，可以计算得到接收装置中心相对于激光发射器1的角度，即相对角度(在图3中，即由接收装置中心(C点)、激光发射器1(O点)与x轴构成的夹角)。

设定接收装置的中心(C点)指向某指定激光传感器(A点)的这个方向为接收装置的朝向。由相对距离的计算过程知，解出三角形之后，就可以得到每个激光传感器与激光发射器1之间的相对距离和相对角度，则由激光发射器1(O点)、接收装置中心(C点)、指定激光传感器(A点)构成的夹角∠ACO可以由计算得到。相对角度在上一步也计算可得。由此，可以计算得到接收装置的相对朝向(在图中，即由指定激光传感器(A点)、接收装置中心(C点)与x轴构成的夹角)。

例如，当接收装置的六边形固定架边长为11.55cm，激光发射器1的转速为120rpm(每秒两转)时，若接收装置上某三个互不相邻的激光接收器(按信号接收顺序标记为D,E,F)接收到信号时的时间差分别为18.06ms、10.14ms，则可计算得到这两个时间差对应的夹角分别为13.0°和7.3°，由此计算可得相对位置为49.84cm。如果t1和t2之间的时间差为125ms，则相对角度为90°。如果指定接收装置中心指向第二个接收到信号的激光发射器B的方向为朝向，可计算得到相对朝向为141.37°。

在图3中，O点为发射装置的激光发射器1，C点为接收装置的几何中心，激光发射器1以恒定角速度转动，当激光扫过激光接收器4时，根据激光发射器1转动的角速度和激光接收器4记录下的时间，可以计算出不同激光接收器4间构成的夹角等位置信息，由此可以计算出接收装置和发射装置间的相对距离；与发射装置的无线信号相对比，接收装置可以计算出其相对于发射装置的相对角度以及其朝向。

因为激光发射器1旋转的角速度足够大，故接收装置可以离散的获得其位置信息，并且保证了一定的精度和刷新速度。

在低成本的条件下，可以完成对装有接收装置的近距离移动物体的定位，所有的信号处理和相对位置的获取都由各个接收装置获得，便于多机器人移动定位和队型控制，有着低成本、高精度、高可靠性、便于编队控制等特点。

实施例5

本实施例的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，如图1所示，旋转轴2在电机的驱动下以一定的角速度旋转，激光发射器1垂直安装于旋转轴2上，当旋转轴2旋转时可以带动激光发射器1水平扫描平面，无线通信模块3安装在发射装置上。

发射装置的激光发射器1在旋转轴2的带动下以恒定角速度转动、激光扫描平面，每当转过激光发射器1转过360度后，由无线通信模块3发出信号，标志新的一周的开始。

如图2所示，激光接收器4固定在固定架上端，与激光发射器1产生的激光束处于同一平面。激光接收器4通过导线与处理模块5相连。无线通信模块3也与处理模块5通过导线相连，处理模块5以及无线通信模块3只需安装在接收装置上即可，并没有相对位置的要求。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，包括激光发射器(1)和处理模块(5)，其特征在于，包括无线通信模块(3)、接收装置和发射装置，所述的发射装置上安装有激光发射器(1)和无线通信模块(3)，所述的接收装置上安装有激光接收器(4)和无线通信模块(3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，其特征在于，所述的激光接收器(4)为激光传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，其特征在于，所述的发射装置包括旋转轴(2)，激光发射器(1)垂直安装于旋转轴(2)上。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，其特征在于，旋转轴(2)以恒定角速度转动。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，其特征在于，所述的接收装置包括固定架，激光接收器(4)固定在固定架上端。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，其特征在于，激光接收器(4)与激光发射器(1)产生的激光束处于同一平面。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，其特征在于，无线通信模块(3)和激光接收器(4)均与处理模块(5)相连。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，其特征在于，所述的接收装置上安装有三个以上的激光接收器(4)。

9.一种基于激光及无线技术的近距离移动定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据权利要求1所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位系统，所述的发射装置上的旋转轴(2)带动激光发射器(1)旋转，激光发射器(1)发射的束状激光周期性扫描平面；

B、激光接收器(4)接收平面内射来的激光，激光接收器(4)被触发，并传输给处理模块(5)，记录下相应激光接收器(4)的接收时间，计算出所有激光接收器(4)的时间平均值，作为接收装置的时间t1；

根据不同的激光接收器(4)接收到信号的先后顺序计算出夹角，并利用几何原理计算出激光发射器(1)和激光接收器(4)之间的相对距离；

C、在激光发射器(1)转过360度时，所述的发射装置上的无线通信模块(3)发射信号；

D、所述的接收装置上的无线通信模块(3)接收所述的发射装置上的无线通信模块(3)发射的信号，并传输给处理模块(5)，处理模块(5)记录下接收时间t2，处理模块(5)计算出所述的接收装置相对于发射装置的相对角度；

E、处理模块(5)根据步骤B的相对距离和步骤D的相对角度计算出所述的接收装置相对于发射装置的相对距离；

F、重复步骤A-F，计算出不同的时间下所述的接收装置相对于发射装置的相对距离。

10.根据权利要求9所述的一种基于激光及无线技术的近距离移动定位的方法，其特征在于，步骤B和步骤D中，当处理模块(5)判断出接收装置上的激光接收器(4)和无线通信模块(3)接收不到信号时，返回步骤A继续接收发送装置上的激光发射器(1)和无线通信模块(3)发出的信号，直到收到信号为止。