CN107121667A - 运动目标室内定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种运动目标室内定位方法及系统，该方法包括：接收至少三个安装于室内的发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；在列数属于预设范围时，获取接收的各列超声波信号的接收时长，根据预设的传播速度和接收时长分别获取各列超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值，根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定运动目标的室内定位位置点；在列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取运动目标的预测坐标点，并作为运动目标的室内定位位置点。如此，定位精度高且超声波定位成本低。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，特别是涉及一种运动目标室内定位方法及系统。
背景技术
室内环境无法使用卫星定位，当对室内的目标进行定位、例如对火车或高铁上的工作人员进行定位时，需要采用室内定位技术实现。常用的室内定位技术按照信源本质分，可包括以下3类：第一类为Wi-Fi(无线保真)、iBeacon、Zigbee、UWB(Ultra-wide Bandwidth超宽带)等属于无线电波一类，第二类为激光雷达、红外、LED等属于光波的一类，第三类为超声波室内定位技术。
对于运动目标的室内定位，通常人流密集而且通道长窄(例如火车、高铁)，要求定位精度较高、成本低且抗环境干扰(光、温度、湿度)能力强。上述三类室内定位技术中，无线电波一类适合作为宽松的、对定位精度要求不高的公共场合，应用于对运动目标进行室内定位时，定位精度低；光波一类虽然定位精度高，但是成本也高；超声波进行定位因为容易受温湿度等环境影响、传递速度慢等原因，同样存在定位精度低的问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的室内定位精度低或成本高的问题，提供一种精度高且成本低的运动目标室内定位方法及系统。
一种运动目标室内定位方法，包括：
接收至少三个安装于室内的发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；
在所述列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长；
根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值；
根据所述同步距离值获取所述运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据所述同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定所述运动目标的室内定位位置点；
在所述列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取所述运动目标的预测坐标点，并作为所述运动目标的室内定位位置点。
上述运动目标室内定位方法，可以应用于信号接收装置，信号接收装置接收至少三个安装于室内的发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；在列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长，根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值，根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定运动目标的室内定位位置点，可避免定位的不确定性；在列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取运动目标的预测坐标点，并作为运动目标的室内定位位置点，可实现在信号叠加或干扰情况下的定位。如此，通过采用超声波信号进行定位，针对接收的不同列数的超声波信号采用不同的方式获取室内定位位置点，定位精度高且超声波定位成本低。
一种运动目标室内定位系统，包括信号接收装置、中控器和至少3个安装于室内的发射装置，所述信号接收装置设置于室内的运动目标；
所述中控器控制所述发射装置同步发送超声波信号至所述信号接收装置；
所述信号接收装置接收多个发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；
所述信号接收装置在所述列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长，根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值，根据所述同步距离值获取所述运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据所述同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定所述运动目标的室内定位位置点；
所述信号接收装置在所述列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取所述运动目标的预测坐标点，并作为所述运动目标的室内定位位置点。
上述运动目标室内定位系统，将信号接收装置设置于室内的运动目标，与运动目标一起移动，通过中控器控制安装于室内的发射装置同步发送超声波信号至信号接收装置，信号接收装置接收至少三个发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；在列数属于预设范围时，信号接收装置获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长，根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值，根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定运动目标的室内定位位置点，可避免定位的不确定性；在列数不属于预设范围时，信号接收装置根据预设数量的已存坐标点获取运动目标的预测坐标点，并作为运动目标的室内定位位置点，可实现在信号叠加或干扰情况下的定位。如此，通过采用超声波信号进行定位，针对接收的不同列数的超声波信号采用不同的方式获取室内定位位置点，定位精度高且超声波定位成本低。
附图说明
图1为一实施例中运动目标室内定位方法的流程图；
图2为一实施例中发射装置对应的发射节点、运动目标对应的接收节点的空间部署示意图；
图3为定点的不确定性分析示意图；
图4为盲区示意图；
图5为另一实施例中运动目标室内定位方法的流程图；
图6为关键路径及预设测定点的空间示意图；
图7为选取的AOD三角面的三角关系图；
图8为向量直角坐标分解图；
图9为运动轨迹预测的坐标示意图；
图10为X-Y轴所在面的室内区域划分图；
图11为一实施例中运动目标室内定位系统的结构示意图；
图12为另一实施例中运动目标室内定位系统的连接关系示意图。
具体实施方式
参考图1，一实施例中的运动目标室内定位方法，可以应用于设置于运动目标、与运动目标一起移动的信号接收装置，该方法包括如下步骤。
S110：接收至少三个安装于室内的发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数。
多个发射装置均安装于室内，同步发送超声波信号即为在同一时刻同时发送超声波信号。预设同步周期为多个发射装置同步发送的情况下、完成一轮信号收发需要的时间，可以根据实际需要具体设置，例如预设同步周期为可以43ms(毫秒)。
其中，在预设同步周期内，一个发射装置发送一列超声波信号。具体地，各发射装置发送的超声波信号的频率相同，则各列超声波信号对应的持续时长相等。在一个预设同步周期内，如果接收的同步发送的超声波信号没有叠加或干扰，则接收的超声波信号的列数与发射装置的数量相等；若接收的超声波信号出现叠加或干扰，则接收的超声波信号的列数小于发射装置的数量。
S130：在列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长。
预设范围为列数范围，需保证可以根据满足预设范围的列数对应的超声波信号获取到运动目标的坐标点。具体地，以发射装置所在位置为发射节点、运动目标所在位置为接收节点，根据三角位置测定原则，只需要3个发射节点到接收节点的距离，便可以获得接收节点的坐标点。因此，预设范围需大于或等于3，属于预设范围的列数为大于或等于3。
其中，超声波信号的接收时长指从发射超声波信号的时刻开始，到接收完这列超声波信号所需的时长。具体地，发射装置在发射超声波信号的同时发送红外信号，信号接收装置以接收到红外信号的时刻为起始时刻确定与红外信号同时发送的超声波信号的接收时长。
S150：根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值。
预设的传播速度指超声波信号在室内环境中传播的速度，可以预先存储设置。具体地，根据传播速度和接收时长，可以利用距离公式计算得到对应的发射装置到运动目标的距离。
S170：根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定运动目标的室内定位位置点。
发射装置同步发送超声波信号的情况为发射装置工作在同步模式；同步模式下，存在定位的不确定性，分析如下：
参考图2，以4个发射装置为例，四个发射装置对应的发射节点A、B、C、D构成长方体形，因为长方体具有对称性，在同步模式下，运动目标对应的接收节点O获得的4个超声波信号无法和发射节点(A、B、C、D)匹配，因此无法进行精确定位。比如，如图3所示，接收节点O获得信号为1和9，接收节点O有可能在左边靠近发射节点A，也有可能在右边靠近发射节点B，因此定位具有不确定性。
以其中一个发射装置所在的位置为原点建立坐标系，以平行于地面的一面为X-Y轴所在面，将X-Y轴所在面分为多个区域，目标所在室内区域信息用于指示运动目标所在的位置属于哪个区域。通过在获取同步坐标点后，结合目标所在室内区域信息可确定最终的位置点得到室内定位位置点，可以避免因定位的不确定性引起的定位错误问题。
S180：在列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取运动目标的预测坐标点，并作为运动目标的室内定位位置点。
发射装置工作在同步模式下，发射节点的对称性除了引入定位的不确定性外，还引入了测试盲区，具体分析如下：
发射装置的超声波发射头其特有的发射频率f＝40Khz，由于超声波发射头和信号接收装置的超声波接收头起振惰性存在，所以设计的发射时长至少8个连续方波。信号接收装置的接收电路上，对接收的信号放大、限幅、和滤波。由发射频率得：
由于余波的存在，实测的超声波信号平均时长为0.23ms，对应超声波位移为Δs＝0.23ms×340m/s＝7.82cm。因此，如果让4列超声波信号同时发射在空中互不重叠，让信号接收装置能正确识别，设置有信号接收装置的运动目标到各发射节点间距离差必须大于7.82cm(厘米)。若运动目标到各发射装置间的距离差不足7.82cm，则收到的将是一串叠加长信号。因此在对角线及中线构成的面，存在着7.82cm的空间盲区(如图4所示)，运动目标在盲区范围内会出现接收的超声波信号的列数不属于预设范围的情况。
预设数量可以根据实际需要具体设置，已存坐标点指在此次定位之前存储的前几次定位的坐标点。在接收的超声波信号的列数不属于预设范围时，根据已存坐标点对运动目标的运动轨迹进行预测，得到预测坐标点，可以避免在出现信号叠加或干扰时无法定位的情况。
上述运动目标室内定位方法，可以应用于信号接收装置，信号接收装置接收至少三个安装于室内发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；在列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长，根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值，根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定运动目标的室内定位位置点，可避免定位的不确定性；在列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取运动目标的预测坐标点，并作为运动目标的室内定位位置点，可实现在信号叠加或干扰情况下的定位。如此，通过采用超声波信号进行定位，针对接收的不同列数的超声波信号采用不同的方式获取室内定位位置点，定位精度高且超声波定位成本低。
上述运动目标室内定位方法可应用于轨道交通，例如将发射装置设置于火车或高铁内，工作人员携带信号接收装置，信号接收装置通过接收发射装置发射的超声波信号对工作人员进行实时定位，并将得到的定位信息发送给服务器，定位精度高。
在一实施例中，参考图5，步骤S130之后，步骤S150之前还包括步骤S141至步骤S143。
S141：根据接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长和各个预设测定点对应预设的时间参数，分别获取对应各个预设测定点的运动目标的均方差。
预设测定点为预先室内固定位置处的位置点。同步模式下，一个运动目标接收多列超声波信号。具体地，根据第一个预设测定点的时间参数与多列超声波信号的接收时长可以获取得到第一个均方差，根据第二个预设测定点的时间参数与多列超声波信号的接收时长可以获取得到第二个均方差，如此类推，对应每一个预设测定点，都可得到一个运动目标的均方差。
S142：若查找到多个均方差中小于或等于预设阈值的均方差，则获取所查找的均方差对应预设测定点所对应的更新速度，将获取的更新速度作为预设的传播速度。
预设阈值可根据实际情况具体设置，例如，可以为0.0018。各预设测定点分别对应一个更新速度，可以预先对应存储。均方差小于或等于预设阈值，表示运动目标处于均方差对应的预设测定点处，此时，获取对应预设测定点的更新速度作为预设的传播速度，用于步骤S150进行距离计算。
具体地，若小于或等于预设阈值的均方差有多个，则选取最小的一个作为最终查找到的均方差。
S143：若查找不到小于或等于预设阈值的均方差，则将预设速度作为预设的传播速度。
查找不到小于或等于预设阈值的均方差，表示运动目标的当前位置不属于多个预设测定点中的任一个，此时以预设速度作为预设的传播速度。具体地，预设速度采用一般情况下超声波在空气中的传播速度，为340m/s。
因为温度对超声波信号在空气中的传播速度有比较大的影响，是影响室内定位精度的重要因素之一。传统的超声波室内定位，采用了温度补偿，用近似公式V＝(331.5+0.607T)m/s的补偿算法(此处T为实际温度)，使得超声波系统具有一定的温度补偿能力，然而该补偿方法是有缺陷的：1、影响超声波信号的在空气中传播速度的因素，除了温度还有湿度；2、即使某些定位系统加上湿度传感器，其温湿度传感器因嵌在电路板上，电路板上的热量和封闭的外壳会明显影响温湿度的准确性。因此传统的室内定位的精度无法提高。还有一些传统的定位系统，随机抽取空间点进行初始化采样，对定位系统进行初始化和环境补偿；是随着时间的推移和环境变化，后继需要定期采样和重新初始化一些关键参数，导致后继维护成本增加。本申请中，通过预先设置预设测定点，每一个预设测定点对应一个更新速度，通过步骤S141至步骤S143，在获取接收时长之后、计算同步距离值之前确定传播速度，便于及时更新传播速度，可降低环境干扰(温度/湿度/光等干扰因素)对传播速度的影响，从而提高定位的准确性，同时也可降低硬件成本和后继维护成本。
具体地，继续参考图5，步骤S110之前还包括步骤S101至步骤S104。
S101：建立关键路径，生成关键路径上的多个测定点作为预设测定点。
关键路径为运动目标所使用频率最高的路径，可以根据经验人为给出。在关键路径上选取点多个等间距的点作为预设测定点，预设测定点的选取应避开图4中的盲区；其中，预设测定点的间距可根据所需的定位精度而定，精度越高，间距越小，对应选取的预设测定点的数量越多。例如，参考图6，各预设测定点之间的间距为2.5cm。
S102：分别获取各个预设测定点到各个发射装置的距离得到多个定点距离值。
预设测定点到发射装置的距离可通过采用高精度测距仪(毫米级精度)进行测定。例如，采用高精度测距仪测定各预设测定点Q1、Q2、Q3、...、Qn到四个发射装置对应的发射节点A、B、C、D的距离，得到多个定点距离值组成的矩阵：
其中，n为预设测定点的总数量。在所需定位精度确定的情况下，n的大小取决于实际环境中关键路径的大小，本实施例中，n取9，9个预设测定点构成一个平面，和关键路径垂直。q11表示第1个预设测定点Q1到第一个发射装置的定点距离值，qn4表示第n个预设测定点Qn到第四个发射装置的定点距离值。
S103：分别获取各个预设测定点接收各发射装置发射的超声波信号所需的时长得到多个时间参数。
各预测测定点分别接收各发射装置发射的超声波信号，记录接收所需的时长，多个时长可组成经验时间矩阵：
t11表示第1个预设测定点Q1接收第一个发射装置发送的超声波信号的时长，t14表示第1个预设测定点Q1接收第四个发射装置发送的超声波信号的时长，tn1表示n个预设测定点Qn接收第一个发射装置发送的超声波信号的时长，tn4表示第n个预设测定点Qn接收第四个发射装置发送的超声波信号的时长。
S104：根据同一预设测定点对应的多个定点距离值和多个时间参数获取对应预设测定点的更新速度。
通过在步骤S110之前预先设置预设测定点、获取预设测定点的更新速度，得到预设测定点与更新速度的对应关系，便于后续使用。
具体地，步骤S104包括：
其中，qij为第i个预设测定点到第j个发射装置的定点距离值，tij为第i个预设测定点的接收的第j个发射装置发送的超声波信号所需的时长，vnew为更新速度。
具体地，步骤S141包括：
ri＝tijzj；
其中，m为列数，kj为接收的第j个发射装置同步发送的一列超声波信号的接收时长，zj为第一中间参数，ri为第二中间参数，σi为对应第i个预设测定点的运动目标的均方差。
在一实施例中，预设范围为大于等于3且小于等于4，步骤S150包括步骤(a1)和步骤(a2)。
步骤(a1)：若列数等于3，则根据预设的传播速度和接收的3列超声波信号的接收时长，分别获取3列超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值。
步骤(a2)：若列数等于4，则从4列超声波信号中剔除最大的接收时长对应的超声波信号，根据预设的传播速度和剩下的3列超声波信号的接收时长分别获取对应超声波信号的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值。
接收时长越大，表示对应的发射装置到运动目标的距离越远，剔除掉最大的接收时长对应的超声波信号，即剔除掉距离运动目标最远的发射装置发送的超声波信号。通过根据就近原则选取超声波信号参与定位计算，可简化定位计算的操作。
具体地，步骤S170中，根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点，具体计算方法如下：
结合参考图2和图7，以发射节点A为原点建立直角坐标系，某时刻，接收节点O在ABCD平面上的投影为O’，其坐标为(x’，y’)，取AOD三角平面。
根据：
OD2-y'D2＝OA2-Ay'2；
得：
同理，能获得Ax’的值，从而确定接收节点O的坐标(x’，y’)，即得到运动目标的坐标点。
在一实施例中，预设数量为3个，已存坐标点包括按照时间先后得到的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点。步骤S180包括：
其中，x1、x2、x3分别为第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点的X轴坐标值，x4为预测坐标点的X轴坐标值，y1、y2、y3分别为第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点的Y轴坐标值，y4为预测坐标点的Y轴坐标值。
由于在接收的超声波信号干扰或叠加严重的时候，没办法依据测量的数据确定位置，通过依据前三次定位得到的坐标点进行运动轨迹预测得到预测坐标点，可以保证定位精度。
公式(1)的推到过程为：结合参考图2和图8，以发射节点A作为原点，发射节点到接收节点O的连线得矢量接收节点O的运动看作矢量的运动，的变化分解到直角坐标系中，对应的就是(x，y，z)的变化。因此接收节点O运动轨迹的预测转化为接收节点O在X、Y、Z轴投影的轨迹预测，本申请中忽略Z轴不考虑，预测算法如下：
这里以X轴为例，记录前3次X轴坐标(x1，x2，x3)，在同步模式下，每次测试的周期为预设同步周期Pa，通过算法预测下一时刻x4的位置，如图9所示。第二个坐标的X轴坐标x2处和第三坐标点X轴坐标x3处的速度v1和v2为：
v1＝(x2-x1)/Pa (公式3)；
v2＝(x3-x2)/Pa (公式4)；
因此可认为x2和x3之间的加速度为：
a＝(v2-v1)/Pa (公式5)；
知道了初始速度为v2，加速度为a，时间为Pa，根据计算距离公式得x4的预测值为：
将公式(6)代入公式4和公式5并化简得到公式(1)。
同理，可推导得到公式(2)。
在一实施例中，请继续参考图5，上述运动目标室内定位方法在列数不属于预设范围时，还包括步骤S191至步骤S196。具体地，步骤S191可以在步骤S180之后执行。
S191：发送异步请求信号至中控器，用于中控器控制多个发射装置异步发送超声波信号。
发射装置异步发送超声波信号时，发射装置工作在异步模式，各发射装置轮流发射超声波信号，使得信号接收装置能识别出每列超声波信号所对应的发射装置，因此不存在因为对称性而引入定位的不确定性问题，同时也不存在信号重叠的情况和测试盲区。
S192：接收多个发射装置异步发送的超声波信号，并获取接收的各列异步发送的超声波信号的接收时长。
S193：根据预设的传播速度和各列异步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列异步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到异步距离值。
S194：根据异步距离值获取运动目标的坐标点得到异步坐标点。
具体地，步骤S194的具体计算方法与步骤S170中根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点的方法类似，在此不做赘述。
S195：查找异步坐标点对应所属的室内区域生成目标所在室内区域信息，并存储得到已存的目标所在室内区域信息。
请结合参考图2和图10，将X-Y轴所在面对应的室内区域分为A区、B区、C区、D区四个区域，每一个区域对应一个坐标范围。在因为对称性存在定点的不确定性问题时，计算得到的同步坐标点的X轴的坐标值有可能落在AD区这边，也有可能落在BC区一边，同理，Y轴的坐标值有可能落在AB区这边，也可能落在CD区这边。通过获取异步坐标点，通过比较异步坐标点与各个区域对应的坐标范围，将异步坐标点所属的坐标范围对应的区域作为运动目标所在的区域，并生成目标所在室内区域信息，用于步骤S170进行室内定位位置点的确定。
S196：发送同步请求信号至中控器，用于中控器控制多个发射装置同步发送超声波信号。
存储目标所在室内区域信息后，通过发送同步请求信号至中控器，从而可循环至步骤S110，接收同步发送的超声波信号进行列数检测。
由于超声波信号的传播速度较慢，超声波信号和运动目标的相对运动就会引入不可忽略的误差。按可能引入最大误差的情况来设定条件：超声波信号的传播速度取340m/s，运动目标的运动速度为2m/s，参考图2和4，运动目标所在的接收节点O选取2个典型特征点：接收节点O在M角附近移动或者在长方体中心位置附近运动，分别分析如下：
(1)接收节点O在M角附近运动时：发射装置同步发送超声波信号，假设接收节点O非常靠近M点，满足超声波信号在AM线路上传播所需时间：TAM＝AM÷340＝0.0425s。接收节点O的相对位移为0.0425s×2m/s＝8.5cm，因此引入的误差约为8.5cm。
如果发射装置异步发送超声波信号，那么信号接收装置需要接收完4列超声波信号，才能开始坐标点的运算工作。因此，其引入的误差如下：
和计算TAM同理，计算TBM、TCM、TDM的值，4列超声波信号总耗时为：
TAM+TBM+TCM+TDM
＝0.0425+0.03+0.03+0.009；
＝0.1115s
由此得相对运动引起误差约为0.1115s×2m/s＝22.3cm。
(2)接收节点O在中心轴附近运动时：存在信号叠加的情况，通过发送异步请求信号使中控器控制发射装置异步发送超声波信号；假设接收节点O就处于长方体中心点处，则完整接收完4列超声波信号所需时长：7.23÷340×4＝0.0848s，可认为相对运动误差约为0.0848×2m/s＝16.96cm。如果发射装置同步发送超声波信号，则接收节点O因受到多路信号叠加干扰，会进入步骤S180通过运功轨迹预测获取预测坐标点。
根据上述情况，不管运动目标在M点附近还是在中心点附近运动，因为相对的运动都会引入较大的误差，因此步骤S191至步骤S196只作为运动目标的粗略位置估算，根据估算结果生成目标所在室内区域信息用于辅助同步坐标点确定最终的室内定位位置点，从而进一步提高定位的精度。
参考图11，一实施例中的运动目标室内定位系统，包括中控器210、信号接收装置220和至少3个安装于室内的发射装置230，信号接收装置220设置于室内的运动目标(图未示)。
中控器210控制发射装置230同步发送超声波信号至信号接收装置220。
信号接收装置220接收多个发射装置230同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数。
信号接收装置220在列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长，根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置230到运动目标的距离得到同步距离值，根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定运动目标的室内定位位置点。
信号接收装置220在列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取运动目标的预测坐标点，并作为运动目标的室内定位位置点。
上述运动目标室内定位系统，将信号接收装置220设置于室内的运动目标，与运动目标一起移动，通过中控器210控制安装于室内的发射装置230同步发送超声波信号至信号接收装置220，信号接收装置220接收至少三个发射装置230同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；在列数属于预设范围时，信号接收装置220获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长，根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值，根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定运动目标的室内定位位置点，可避免定位的不确定性；在列数不属于预设范围时，信号接收装置220根据预设数量的已存坐标点获取运动目标的预测坐标点，并作为运动目标的室内定位位置点，可实现在信号叠加或干扰情况下的定位。如此，通过采用超声波信号进行定位，针对接收的不同列数的超声波信号采用不同的方式获取室内定位位置点，定位精度高且超声波定位成本低。
具体地，发射装置230的数量为4个，一方面是增加了系统冗余，即使其中一个发射装置230损坏，系统依然可以正常工作；另一方面，4个发射装置230提供4列超声波信号，在后续计算同步坐标点时，可根据就近原则选取距离运动目标最近的3列信号参与定位计算。
在一实施例中，发射装置230包括超声波发射器(图未示)和红外发射器(图未示)，信号接收装置220包括超声波接收器(图未示)、红外接收器(图未示)和处理器(图未示)。
中控器210控制同一发射装置230的红外发射器和超声波发射器分别同时发送红外信号和超声波信号，红外接收器和超声波接收器分别接收红外信号和超声波信号。
处理器以红外接收器接收到红外信号的时刻为起始时刻、超声波接收器接收到一列超声波信号的时刻为终止时刻，获取接收一列超声波信号的接收时长。
由于红外光同步引入的误差约为11nm，忽略不计，通过采用红外信号确认超声波发射的起始时刻、辅助获取接收时长，准确度高。
在一实施例中，运动目标和信号接收装置220的数量为多个且相等，信号接收装置220还用于在列数不属于预设范围时，发送异步请求信号至中控器210，中控器210还用于根据异步请求信号控制对应的发射装置230异步发送超声波信号，以及用于统计发送异步请求信号的信号接收装置220的数量，在统计的数量大于或等于运动目标的总数量的预设比例时，中控器210控制各信号接收装置对应的发射装置230均异步发送超声波信号。
具体地，预设比例可以为三分之二。发射装置230异步发送超声波信号，可使信号接收装置220根据接收的异步发送的超声波信号获取目标所在室内区域信息并存储。通过中控器210统计发送异步请求信号的信号接收装置220的数量，在统计数量占总数量的比例达到或超过预设比例时控制射装置230均异步发送超声波信号，从而信号接收装置220可重新获取目标所在室内区域信息进行更新。
在一实施例中，中控器还用于计算发射装置230同步发送超声波信号的连续次数，在连续次数达到预设次数时，控制发射装置230异步发送超声波信号。如此，可保证在一定时间内至少有一次发射装置230是异步发送超声波信号的，从而可确保信号接收装置220能根据异步发送的超声波信号间隔更新存储的目标所在室内区域信息，提高定位的精度。
在一实施例中，上述运动目标室内定位系统还包括无线发送装置和无线接收装置，无线发送装置与信号接收装置220一同设置于运动目标，与信号接收装置220连接，无线接收装置设置于与中控器连接；无线发送装置用于将信号接收装置220的异步请求信号或同步请求信号转发至无线接收装置，由无线接收装置转发给中控器210。例如，参考图12，其中，无线节点p指无线接收装置，无线节点q指无线发送装置。
具体地，信号接收装置220在列数属于预设范围时、根据同步距离值获取运动目标的坐标点得到同步坐标点的具体实现方式，以及信号接收装置220在列数不属于预设范围时获取预测坐标点的具体实现方式与上述运动目标室内定位方法中所采用的具体实现方式相同，信号接收装置220具体可以实现上述运动目标室内定位方法中涉及的功能，比如根据均方差确定预设的传播速度、接收异步发送的超声波信号获取目标所在室内区域信息等，在此不做赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种运动目标室内定位方法，其特征在于，包括：
接收至少三个安装于室内的发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；
在所述列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长；
根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值；
根据所述同步距离值获取所述运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据所述同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定所述运动目标的室内定位位置点；
在所述列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取所述运动目标的预测坐标点，并作为所述运动目标的室内定位位置点。
2.根据权利要求1所述的运动目标室内定位方法，其特征在于，在所述列数不属于预设范围时，还包括：
发送异步请求信号至中控器，用于所述中控器控制多个发射装置异步发送超声波信号；
接收多个发射装置异步发送的超声波信号，并获取接收的各列异步发送的超声波信号的接收时长；
根据预设的传播速度和各列异步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列异步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到异步距离值；
根据所述异步距离值获取所述运动目标的坐标点得到异步坐标点；
查找所述异步坐标点对应所属的室内区域生成目标所在室内区域信息，并存储得到已存的目标所在室内区域信息；
发送同步请求信号至所述中控器，用于所述中控器控制多个发射装置同步发送超声波信号。
3.根据权利要求1或2所述的运动目标室内定位方法，其特征在于，所述在所述列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长之后，所述根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值之前，还包括：
根据接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长和各个预设测定点对应预设的时间参数，分别获取对应各个预设测定点的所述运动目标的均方差；
若查找到多个均方差中小于或等于预设阈值的均方差，则获取所查找的均方差对应预设测定点所对应的更新速度，将获取的更新速度作为预设的传播速度；
若查找不到小于或等于所述预设阈值的均方差，则将预设速度作为预设的传播速度。
4.根据权利要求3所述的运动目标室内定位方法，其特征在于，所述接收至少三个发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数之前，还包括：
建立关键路径，生成所述关键路径上的多个测定点作为预设测定点；
分别获取各个预设测定点到各个发射装置的距离得到多个定点距离值；
分别获取各个预设测定点接收各发射装置发射的超声波信号所需的时长得到多个时间参数；
根据同一预设测定点对应的多个定点距离值和多个时间参数获取对应预设测定点的更新速度。
5.根据权利要求4所述的运动目标室内定位方法，其特征在于，还包括以下两项中的至少一项：
所述根据同一预设测定点对应的多个定点距离值和多个时间参数获取对应预设测定点的更新速度包括：
<mrow>
<msub>
<mi>v</mi>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mi>e</mi>
<mi>w</mi>
</mrow>
</msub>
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<mn>1</mn>
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<mi>j</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，qij为第i个预设测定点到第j个发射装置的定点距离值，tij为第i个预设测定点的接收的第j个发射装置发送的超声波信号所需的时长，vnew为所述更新速度；
所述根据接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长和各个预设测定点对应预设的时间参数，分别获取对应各个预设测定点的所述运动目标的均方差，包括：
<mrow>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，m为所述列数，kj为接收的第j个发射装置同步发送的一列超声波信号的接收时长，zj为第一中间参数，ri为第二中间参数，σi为对应第i个预设测定点的所述运动目标的均方差。
6.根据权利要求1或2所述的运动目标室内定位方法，其特征在于，所述预设范围为大于等于3且小于等于4，所述根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值，包括：
若所述列数等于3，则根据预设的传播速度和接收的3列超声波信号的接收时长，分别获取3列超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值；
若所述列数等于4，则从4列超声波信号中剔除最大的接收时长对应的超声波信号，根据预设的传播速度和剩下的3列超声波信号的接收时长分别获取对应超声波信号的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值。
7.根据权利要求1或2所述的运动目标室内定位方法，其特征在于，所述预设数量为3个，所述已存坐标点包括按照时间先后得到的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点，所述根据预设数量的已存坐标点获取所述运动目标的预测坐标点，并作为所述运动目标的室内定位位置点，包括：
<mrow>
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<mi>x</mi>
<mn>4</mn>
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<mo>=</mo>
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<mn>5</mn>
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<mi>y</mi>
<mn>3</mn>
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
</msub>
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<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，x1、x2、x3分别为所述第一坐标点、所述第二坐标点和所述第三坐标点的X轴坐标值，x4为所述预测坐标点的X轴坐标值，y1、y2、y3分别为所述第一坐标点、所述第二坐标点和所述第三坐标点的Y轴坐标值，y4为所述预测坐标点的Y轴坐标值。
8.一种运动目标室内定位系统，其特征在于，包括信号接收装置、中控器和至少3个安装于室内的发射装置，所述信号接收装置设置于室内的运动目标；
所述中控器控制所述发射装置同步发送超声波信号至所述信号接收装置；
所述信号接收装置接收多个发射装置同步发送的超声波信号，并检测预设同步周期内接收的超声波信号的列数；
所述信号接收装置在所述列数属于预设范围时，获取接收的各列同步发送的超声波信号的接收时长，根据预设的传播速度和各列同步发送的超声波信号的接收时长，分别获取各列同步发送的超声波信号对应的发射装置到运动目标的距离得到同步距离值，根据所述同步距离值获取所述运动目标的坐标点得到同步坐标点，并根据所述同步坐标点和已存的目标所在室内区域信息确定所述运动目标的室内定位位置点；
所述信号接收装置在所述列数不属于预设范围时，根据预设数量的已存坐标点获取所述运动目标的预测坐标点，并作为所述运动目标的室内定位位置点。
9.根据权利要求8所述的运动目标室内定位系统，其特征在于，所述发射装置包括超声波发射器和红外发射器，所述信号接收装置包括超声波接收器、红外接收器和处理器；
所述中控器控制同一发射装置的红外发射器和超声波发射器分别同时发送红外信号和超声波信号，所述红外接收器和所述超声波接收器分别接收红外信号和超声波信号；
所述处理器以所述红外接收器接收到所述红外信号的时刻为起始时刻、超声波接收器接收到一列超声波信号的时刻为终止时刻，获取接收一列超声波信号的接收时长。
10.根据权利要求8所述的运动目标室内定位系统，其特征在于，还包括以下两项中的至少一种：
所述中控器还用于计算所述发射装置同步发送超声波信号的连续次数，在所述连续次数达到预设次数时，控制所述发射装置异步发送超声波信号；
所述运动目标和所述信号接收装置的数量为多个且相等，所述信号接收装置还用于在所述列数不属于预设范围时，发送异步请求信号至中控器，所述中控器还用于根据所述异步请求信号控制对应的发射装置异步发送超声波信号，以及用于统计发送异步请求信号的信号接收装置的数量，在统计的数量大于或等于所述运动目标的总数量的预设比例时，所述中控器控制各信号接收装置对应的发射装置均异步发送超声波信号。
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