CN108333576B - 一种旋转式测距验证装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种旋转式测距验证装置及验证方法，包括依次设置于边长为a的正六边形框架的六个顶点的高精度距离传感单元T1‑T6，测距装置设置于正六边形框架的中心位置，目标设置于通过正六边形的中心且垂直于正六边形框架平面的延长线上，正六边形框架的六个边分别设置导轨H1‑H6，驱动单元，用于驱动高精度距离传感单元T1‑T6沿着正六边形框架的六个边设置的导轨H1‑H6按顺时针的方向移动，能够实现对测距验证装置进行预先验证修正，提供验证数据进行研究分析，从而可以有效提高测距精度，减低成本提高效率。

Description

一种旋转式测距验证装置及方法
技术领域
本发明涉及无线测距领域，具体涉及一种旋转式测距验证装置及验证方法。
背景技术
目前无线测距的方式有很多种，每一种测距方式都存在其自身的有点，但是在复杂多变的环境下，不同的测距方式会受到各种因素的影响后，降低测距的精度，尤其对于一些需要精确测距的情况下，实现高精度的距离测量变的也越来越重要。
无线测距技术是实现无线定位、导航等实际应用的基础，如果能够准确的测定距离，那么就可以实现高精度的定位和导航等，因此其受到越来越收到诸多行业的高度关注，应用需求遍及众多行业领域。
无线测距技术的基础是距离测量装置和方法的准确，并且由于工艺等诸多因素的影响，同一类或者同一批的测距装置中有些存在缺陷，测量精度差，如果能够提前选出质量优异的测距装置则可以提高测量精度、并且淘汰存在缺陷的测距装置，节约成本，提高效率，然而目前现有技术中的没有专门针对测距装置或其传感器及方法进行实际应用前有效验证的装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实现对测距验证装置进行预先验证修正，提供验证数据进行研究分析，从而可以有效提高测距精度，减低成本提高效率的旋转式测距验证装置及验证方法。
本发明提供了一种旋转式测距验证装置，包括依次设置于边长为a的正六边形框架的六个顶点的高精度距离传感单元T1-T6，其中六个顶点的位置坐标已知，分别记为C1(x1，y1，z1),C2(x2， y2，z2),C3(x3，y3，z3),C4(x4，y4，z4),C5(x5，y5，z5),C1(x6，y6，z6)；
测距装置设置于正六边形框架的中心位置，其位置坐标记为O(x',y',z')；
目标设置于通过正六边形的中心且垂直于正六边形框架平面的延长线上，位置坐标记为M(x， y，z)；
正六边形框架的六个边分别设置导轨H1-H6；
驱动单元，用于驱动高精度距离传感单元T1-T6沿着正六边形框架的六个边设置的导轨H1-H6 按顺时针的方向移动；
其中，高精度距离传感单元为高精度超声波距离传感单元或高精度激光距离传感单元，或两者的组合。
其中，还包括存储器，用于存储测量或计算数据。
本发明还提供了利用旋转式测距验证装置的测距验证方法，依次包括如下步骤：
(1)初始化旋转式测距验证装置，将测距装置设置于正六边形框架的中心位置，目标设置于通过正六边形的中心且垂直于正六边形框架平面的延长线上；
(2)将高精度距离传感单元T1、T3、T5分为第一组，T2、T4、T6为第二组，第一组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T3、T5到目标的直线距离L11，L31， L51，第二组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T2、T4、T6到目标的直线距离L21，L41，L61；
通过公式
Figure BDA0001188864800000021
分别得到中心位置到目标的距离D11，D21，D31，D41，D51，D61，其中i 为对应高精度距离传感单元的编号；
分别求出D11和D41，D21和D51，D31和D61的平均值D1，D2，D3作为第一组测量数据；
(3)将高精度距离传感单元T1、T2、T3分为第三组，T4、T5、T6为第四组，第三组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T2、T3到目标的直线距离L12，L22， L32，第四组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T4，T5、T6到目标的直线距离L42，L52，L62，通过公式
Figure BDA0001188864800000022
分别得到中心位置到目标的距离D12，D22，D32，D42， D52，D62，再分别求出D12，D22和D32，D42，D52和D62的平均值D4，D5作为第二组测量数据；
(4)利用驱动单元驱动高精度距离传感单元T1-T6分别沿着正六边形框架的六个边设置的导轨H1-H6按顺时针的方向移动；
(5)将高精度距离传感单元T1、T3、T5分为第一组，T2、T4、T6为第二组，第一组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T3、T5到目标的直线距离L13，L33， L53，第二组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T2、T4、T6到目标的直线距离L23，L43，L63；
通过公式
Figure BDA0001188864800000023
分别得到中心位置到目标的距离D13，D23，D33，D43，D53，D63，其中i 为对应高精度距离传感单元的编号；
分别求出D13和D43，D23和D53，D33和D63的平均值D7，D8，D9作为第三组测量数据；
(6)再将高精度距离传感单元T1、T2、T3分为第三组，T4、T5、T6为第四组，第三组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T2、T3到目标2的直线距离L14， L24，L34，第四组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T4，T5、T6到目标2的直线距离L44，L54，L64，通过公式
Figure BDA0001188864800000024
分别得到中心位置到目标的距离D14，D24， D34，D44，D54，D64，再分别求出D14，D24和D34，D44，D54和D64的平均值D10，D11作为第四组测量数据；
(7)利用高精度距离传感单元T1、T3、T5的位置处的坐标C1(x1，y1，z1),C3(x3，y3，z3),C5(x5， y5，z5)和到目标的直线距离L11，L31，L51，计算得到目标的位置坐标M1(x11，y11，z11)，再利用高精度距离传感单元T2、T4、T6的位置处的坐标C2(x2，y2，z2),C4(x4，y4，z4),C6(x6，y6，z6)和到目标的直线距离L21，L41，L61，计算得到目标的位置坐标M2(x22，y22，z22)；
(8)将M1(x11，y11，z11)和M2(x22，y22，z22)对应的坐标求平均值后得到目标的位置坐标M (x，y，z)；
利用高精度距离传感单元T1和T4的已知坐标C1(x1，y1，z1)和C4(x4，y4，z4)计算得到测距装置的位置坐标O(x',y',z')；
利用目标的位置坐标M(x，y，z)和测距装置O的位置坐标O(x',y',z')，通过距离公式得到计算距离D6，作为第五组测量数据；
(9)通过测距装置测量得到其到目标的距离D，判断误差是否满足预设的阈值，如果大于等于阈值，则认为测距装置测量不准确，不满足测距要求，如果小于阈值，则认为测距装置测量准确，满足测距要求。
其中，测距装置测量得到其到目标的距离D的具体方法为TOA方法或RSSI方法。
其中，判断误差是否满足预设的阈值的具体方法为计算误差率W是否满足预设的阈值:
Figure BDA0001188864800000031
Figure BDA0001188864800000032
其中，阈值为0.01。
其中，还包括步骤(7)，将D11，D21，D31，D41，D51，D61，D12，D22，D32，D42，D52，D62以及第一、第二、第三组测量数据进行存储。
本发明的旋转式测距验证装置及测距验证方法，可以实现：
1)能够实现对测距验证装置进行预先验证修正，提供验证数据进行研究分析；
2)有效提高测距精度，减低成本，提高效率；
3)不但利用多种方式得到距离数据，测量数据丰富，还可将测量数据进行存储留备研究分析，供；
4)装置结构简单，并且利用多种数学模型进行计算，方式简单，效率高；
5)利用轨道实现高精度距离传感单元的位置可变，从而有效的有规律的改变验证环境，具有一定的随机性，提高了验证的准确率，并且转换后的结构依然保持正六边形的结构，减小了计算难度。
附图说明
图1为旋转式测距验证装置结构示意图
图2为正六边形框架及距离传感单元设置变化结构示意图
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种旋转式测距验证装置1，如图1、2所示，通过旋转式测距验证装置1对目标2进行距离测量，实现对位于O点的距离测量传感装置的准确率验证，从而对距离测量传感装置即时进行校正，并且将测量数据进行大数据处理、存储，提供研究分析的测量数据，从而有效的提高测距精度。
如图2所示，旋转式测距验证装置1包括依次设置于边长为a的正六边形框架的六个顶点的高精度距离传感单元T1-T6，其中六个顶点的位置坐标已知，分别记为C1(x1，y1，z1),C2(x2，y2， z2),C3(x3，y3，z3),C4(x4，y4，z4),C5(x5，y5，z5),C1(x6，y6，z6),测距装置O位于正六边形框架的中心位置，记为O(x',y',z')，目标2设置于通过正六边形框架的中心且垂直于正整六边形框架平面的延长线上，位置坐标记为M(x，y，z)；正六边形框架的六个边分别设置导轨3，分别记为H1-H6，其中利用驱动单元，能够驱动高精度距离传感单元T1-T6沿着正六边形框架的六个边的导轨3移动，驱动单元优选为步进电机。
首先，将高精度距离传感单元T1、T3、T5分为第一组，T2、T4、T6为第二组，第一组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T3、T5到目标的直线距离L11，L31， L51，第二组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T2、T4、T6到目标的直线距离L21，L41，L61，通过公式
Figure BDA0001188864800000041
分别得到中心位置到目标2的距离D11，D21，D31， D41，D51，D61，其中i为对应高精度距离传感单元的编号。对于同一直线上的两个距离传感单元的数据具有对称性，因此分别求出D11和D41，D21和D51，D31和D61的平均值D1，D2，D3作为第一组测量数据。
其次，正六边形具有空间的对称性，T1、T2、T3和T4、T5、T6对称，因此将高精度距离传感单元T1、T2、T3分为第三组，T4、T5、T6为第四组，第三组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T2、T3到目标2的直线距离L12，L22，L32，第四组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T4，T5、T6到目标2的直线距离L42，L52，L62，通过公式
Figure BDA0001188864800000042
分别得到中心位置到目标2的距离D12，D22，D32，D42，D52，D62，再分别求出D12，D22和D32，D42，D52和D62的平均值D4，D5作为第二组测量数据。
通常情况，设备会因外各种因素产生误差，而且往往这些误差如果是一个相对稳定的数值，不容易被发现，因此为了更好的验证，可以变换测距验证装置的结构，从而具有一定的随机性，有助于数据的验证。因此，本发明的正六边形框架的六个边分别设置导轨3，分别记为H1-H6，其中利用驱动单元，通过改变高精度距离传感单元T1-T6的位置，来实现验证环境的变换，从而提高验证的精度。
具体的，利用驱动单元驱动高精度距离传感单元T1-T6沿着对应的导轨作顺时针方向移动，因为这种转动方式使得移动后的高精度距离传感单元T1-T6依然位于一边长为a的正六边形的顶点，高精度距离传感单元T1-T6距离中心的距离依然为a，因此既保证了运算的简化，又保证了测距验证装置的结构变化，从而可以依然利用正六边形的性质，移动后的结构如图2所示。
那么移动后，依然将高精度距离传感单元T1、T3、T5分为第一组，T2、T4、T6为第二组，第一组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T3、T5到目标的直线距离L13，L33，L53，第二组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T2、T4、 T6到目标的直线距离L23，L43，L63，通过公式
Figure BDA0001188864800000051
分别得到中心位置到目标2的距离D13， D23，D33，D43，D53，D63，其中i为对应高精度距离传感单元的编号。对于同一直线上的两个距离传感单元的数据具有对称性，因此分别求出D13和D43，D23和D53，D33和D63的平均值D7，D8，D9作为第三组测量数据。
同样，再将高精度距离传感单元T1、T2、T3分为第三组，T4、T5、T6为第四组，第三组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T2、T3到目标2的直线距离L14， L24，L34，第四组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T4，T5、T6到目标2的直线距离L44，L54，L64，通过公式
Figure BDA0001188864800000052
分别得到中心位置到目标2的距离D14，D24， D34，D44，D54，D64，再分别求出D14，D24和D34，D44，D54和D64的平均值D10，D11作为第四组测量数据。
然后，利用高精度距离传感单元T1、T3、T5的位置处的坐标C1(x1，y1，z1),C3(x3，y3，z3),C5(x5， y5，z5)和到目标的直线距离L11，L31，L51，计算得到目标的位置坐标M1(x11，y11，z11)，再利用高精度距离传感单元T2、T4、T6的位置处的坐标C2(x2，y2，z2),C4(x4，y4，z4),C6(x6，y6，z6)和到目标的直线距离L21，L41，L61，计算得到目标的位置坐标M2(x22，y22，z22)，将M1(x11，y11，z11)和 M2(x22，y22，z22)对应的坐标求平均值后得到目标的位置坐标M(x，y，z)；利用高精度距离传感单元T1和T4的已知坐标C1(x1，y1，z1)和C4(x4，y4，z4)计算得到测距装置O的位置坐标O(x',y',z')，利用目标的位置坐标M(x，y，z)和测距装置O的位置坐标O(x',y',z')，通过距离公式得到计算距离D6。
最后通过测距装置O测量得到其到目标2的距离D，其中测量的方式不受限制，根据其自身的测量方式确定，例如可以是TOA方式、RSSI方式等。判断误差是否满足预设的阈值，如果大于等于阈值，则认为测距装置O不准确，不满足测距要求，可以进行调试更换，如果小于阈值，则认为测距装置O准确，满足测距要求。其中判断误差是否满足预设的阈值的具体方法为计算误差率:
Figure BDA0001188864800000053
Figure BDA0001188864800000054
如果误差率W1和W2同时满足预设的阈值，则认为测距装置O准确，满足测距要求，如果有其中一个不满足或同时不满足预设的阈值，则认为测距装置O不准确，不满足测距要求。
最后通过测距装置O测量得到其到目标2的距离D，其中测量的方式不受限制，根据其自身的测量方式确定，例如可以是TOA方式、RSSI方式等。判断误差是否满足预设的阈值，如果大于等于阈值，则认为测距装置O不准确，不满足测距要求，可以进行调试更换，如果小于阈值，则认为测距装置O准确，满足测距要求。其中判断误差是否满足预设的阈值的具体方法为计算误差率:
Figure BDA0001188864800000061
Figure BDA0001188864800000062
此外，考虑到成本，性能等因素，高精度距离传感单元可以根据实际情况进行选择，例如高精度超声波距离传感单元，高精度激光距离传感单元等。
本发明中对于距离的测量具有较多的测量和计算数据，对于测距装置验证完毕后，可以将测量和计算数据进行存储，提供研究分析的理论数据。本发明中对于距离的测量具有较多的测量和计算数据，对于测距装置验证完毕后，可以将测量和计算数据进行存储，提供研究分析的理论数据，此外需要说明书的是，本发明中的参数部分可以通过直接设置、测量的方式获取，其他参数可以通过计算或其他本领域公知的方式获得，尤其是误差率的取值依据本领域的合理方式，例如取正数等，本发明是在合理的预期下完成，任何不适用的参数、公式、方案都应排除。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (9)

1.一种旋转式测距验证装置，其特征在于：包括依次设置于边长为a的正六边形框架的六个顶点的高精度距离传感单元T1-T6，其中六个顶点的位置坐标已知，分别记为C1(x1，y1，z1),C2(x2，y2，z2),C3(x3，y3，z3),C4(x4，y4，z4),C5(x5，y5，z5),C6(x6，y6，z6)；
测距装置设置于正六边形框架的中心位置，其位置坐标记为O(x',y',z')；
目标设置于通过正六边形的中心且垂直于正六边形框架平面的延长线上，位置坐标记为M(x，y，z)；
正六边形框架的六个边分别设置导轨H1-H6；
驱动单元，用于驱动高精度距离传感单元T1-T6沿着正六边形框架的六个边设置的导轨H1-H6按顺时针的方向移动。
2.如权利要求1所述的旋转式测距验证装置，其特征在于：高精度距离传感单元为高精度超声波距离传感单元或高精度激光距离传感单元，或两者的组合。
3.如权利要求1所述的旋转式测距验证装置，其特征在于：还包括存储器，用于存储测量或计算数据。
4.如权利要求1所述的旋转式测距验证装置，其特征在于：驱动单元为步进电机。
5.一种利用上述权利要求1-4任一项所述的旋转式测距验证装置的测距验证方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
(1)初始化旋转式测距验证装置，将测距装置设置于正六边形框架的中心位置，目标设置于通过正六边形的中心且垂直于正六边形框架平面的延长线上；
(2)将高精度距离传感单元T1、T3、T5分为第一组，T2、T4、T6为第二组，第一组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T3、T5到目标的直线距离L11，L31，L51，第二组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T2、T4、T6到目标的直线距离L21，L41，L61；
通过公式
Figure FDA0003072753280000011
分别得到中心位置到目标的距离D11，D21，D31，D41，D51，D61，其中i为对应高精度距离传感单元的编号；
分别求出D11和D41，D21和D51，D31和D61的平均值D1，D2，D3作为第一组测量数据；
(3)将高精度距离传感单元T1、T2、T3分为第三组，T4、T5、T6为第四组，第三组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T2、T3到目标的直线距离L12，L22，L32，第四组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T4，T5、T6到目标的直线距离L42，L52，L62，通过公式
Figure FDA0003072753280000021
分别得到中心位置到目标的距离D12，D22，D32，D42，D52，D62，再分别求出D12，D22和D32，D42，D52和D62的平均值D4，D5作为第二组测量数据；
(4)利用驱动单元驱动高精度距离传感单元T1-T6分别沿着正六边形框架的六个边设置的导轨H1-H6按顺时针的方向移动；
(5)将高精度距离传感单元T1、T3、T5分为第一组，T2、T4、T6为第二组，第一组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T3、T5到目标的直线距离L13，L33，L53，第二组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T2、T4、T6到目标的直线距离L23，L43，L63；
通过公式
Figure FDA0003072753280000022
分别得到中心位置到目标的距离D13，D23，D33，D43，D53，D63，其中i为对应高精度距离传感单元的编号；
分别求出D13和D43，D23和D53，D33和D63的平均值D7，D8，D9作为第三组测量数据；
(6)再将高精度距离传感单元T1、T2、T3分为第三组，T4、T5、T6为第四组，第三组高精度距离传感单元通过TOA方法分别测得高精度距离传感单元T1、T2、T3到目标的直线距离L14，L24，L34，第四组高精度距离传感单元通过RSSI方法分别测得高精度距离传感单元T4，T5、T6到目标的直线距离L44，L54，L64，通过公式
Figure FDA0003072753280000023
分别得到中心位置到目标的距离D14，D24，D34，D44，D54，D64，再分别求出D14，D24和D34，D44，D54和D64的平均值D10，D11作为第四组测量数据；
(7)利用高精度距离传感单元T1、T3、T5的位置处的坐标C1(x1，y1，z1),C3(x3，y3，z3),C5(x5，y5，z5)和到目标的直线距离L11，L31，L51，计算得到目标的位置坐标M1(x11，y11，z11)，再利用高精度距离传感单元T2、T4、T6的位置处的坐标C2(x2，y2，z2),C4(x4，y4，z4),C6(x6，y6，z6)和到目标的直线距离L21，L41，L61，计算得到目标的位置坐标M2(x22，y22，z22)；
(8)将M1(x11，y11，z11)和M2(x22，y22，z22)对应的坐标求平均值后得到目标的位置坐标M(x，y，z)；
利用高精度距离传感单元T1和T4的已知坐标C1(x1，y1，z1)和C4(x4，y4，z4)计算得到测距装置的位置坐标O(x',y',z')；
利用目标的位置坐标M(x，y，z)和测距装置O的位置坐标O(x',y',z')，通过距离公式得到计算距离D6，作为第五组测量数据；
(9)通过测距装置测量得到其到目标的距离D，判断误差是否满足预设的阈值，如果大于等于阈值，则认为测距装置测量不准确，不满足测距要求，如果小于阈值，则认为测距装置测量准确，满足测距要求。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：测距装置测量得到其到目标的距离D的具体方法为TOA方法或RSSI方法。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：判断误差是否满足预设的阈值的具体方法为计算误差率W1和W2是否满足预设的阈值:
Figure FDA0003072753280000031
Figure FDA0003072753280000032
如果误差率W1和W2同时满足预设的阈值，则认为测距装置准确，满足测距要求，如果有其中一个不满足或同时不满足预设的阈值，则认为测距装置不准确，不满足测距要求。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：阈值为0.01。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括步骤(10)，将D11，D21，D31，D41，D51，D61，D12，D22，D32，D42，D52，D62，D13，D23，D33，D43，D53，D63，D14，D24，D34，D44，D54，D64以及第一、第二、第三、第四、第五组测量数据进行存储。
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