CN108731669A - 定位终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定位终端。一种定位终端，包括惯性传感器模块、入射光角度传感器模块、输出频率大于或等于100Hz的相对运动信息测量模块和处理器，惯性传感器模块和处理器相连接，入射光角度传感器模块和处理器相连接，相对运动信息测量模块和处理器相连接，惯性传感器模块获取并输出定位对象的姿态信息至处理器，入射光角度传感器模块接收并输出外部的可见光信号以及可见光入射角度至处理器，相对运动信息测量模块获取并输出定位对象的运动信息至处理器，处理器根据定位对象的姿态信息、可见光入射角度以及定位对象的运动信息，确定并输出定位对象的定位信息。上述定位终端，相比较传统的采用激光雷达等高端传感器制造的定位终端成本低廉。

Description

定位终端

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，特别是涉及一种定位终端。

背景技术

室内定位技术广泛应用于现代社会的生产生活中，比如自动化仓储物流机器人的定位、智能超市购物车定位以及大型室内场景中人员的定位等。

基于可见光通信的可见光定位技术，首先利用经过改造升级的可见光定位信标，发送携带有定位参考信息的可见光信号，再由定位终端经摄像头或者光电二极管接收并解调得到相关信息，经过几何计算或指纹匹配得到定位对象的2D(dimension，维度)或3D位置坐标。

可见光定位技术也应用于移动机器人定位领域，传统的移动机器人定位手段为采用激光雷达等高端传感器实现高精度定位，激光雷达传感器指的是利用激光技术进行测量的传感器，它的价格昂贵，基于激光雷达等高端传感器制造的传统的定位终端的成本过高。

发明内容

基于此，有必要针对传统的定位终端成本过高的问题，提供一种定位终端。

一种定位终端，包括惯性传感器模块、入射光角度传感器模块、输出频率大于或等于100Hz(赫兹)的相对运动信息测量模块和处理器，惯性传感器模块和处理器相连接，入射光角度传感器模块和处理器相连接，相对运动信息测量模块和处理器相连接；

惯性传感器模块获取并输出定位对象的姿态信息至处理器，入射光角度传感器模块接收并输出外部的可见光信号以及可见光入射角度至处理器，相对运动信息测量模块获取并输出定位对象的运动信息至处理器，处理器根据定位对象的姿态信息、可见光入射角度以及定位对象的运动信息，确定并输出定位对象的定位信息。

在其中一个实施例中，入射光角度传感器模块包括光电二极管阵列，光电二极管阵列中的相邻光电二极管的间距小于或等于第一阈值。

在其中一个实施例中，入射光角度传感器模块还包括跨阻放大器、低通滤波器、模数转换器以及直流偏置补偿模块；

光电二极管阵列与跨阻放大器相连接，低通滤波器的一端与跨阻放大器相连接，低通滤波器的另一端与模数转换器相连接，直流偏置补偿模块与跨阻放大器相连接。

在其中一个实施例中，光电二极管阵列为根据光电二极管的接收信号强度之比，确定可见光入射角度的光电二极管阵列。

在其中一个实施例中，光电二极管的接收信号强度的计算公式为：

X＝A*B*C*D；

其中，X为光电二极管的接收信号强度，A为可见光信号的信标的发射光功率，B为可见光信号的信标的出射角度增益，C为由可见光信号的传播距离确定的强度衰减，D为光电二极管的入射角度增益。

在其中一个实施例中，当光电二极管到可见光信号的信标的距离，与光电二极管相邻放置的间距之比大于第二阈值时，相邻两个光电二极管的接收信号强度之比等于光电二极管的入射角度增益之比。

在其中一个实施例中，惯性传感器模块包括加速度计和陀螺仪，加速度计与处理器相连接，陀螺仪与处理器相连接。

在其中一个实施例中，定位终端还包括通信接口，通信接口与处理器相连接，通信接口用于输出定位对象的定位信息。

在其中一个实施例中，定位对象的运动信息包括瞬时线速度和角速度。

在其中一个实施例中，定位对象的定位信息包括定位对象的位置坐标和偏航角。

上述定位终端，首先通过惯性传感器模块确定定位对象的姿态信息，通过入射光角度传感器模块确定定位对象的可见光信号和可见光入射角度，通过相对运动信息测量模块确定定位对象的运动信息，然后通过处理器根据定位对象的姿态信息、可见光信号、可见光入射角度，以及定位对象的运动信息，确定并输出定位对象的定位信息。采用惯性传感器模块、入射光角度传感器模块、相对运动信息测量模块以及处理器组合的定位终端，相比较传统的采用激光雷达等高端传感器制造的定位终端成本低廉，同时也能够实现对移动机器人的准确定位。

附图说明

图1为本申请定位终端其中一个实施例的装置结构图；

图2为本申请定位终端其中一个实施例的装置结构图；

图3为本申请定位终端其中一个实施例的光电二极管角度测量原理示意图；

图4为本申请定位终端其中一个实施例的装置结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本申请。应该理解的是，本申请的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

深入研究发现传统的定位终端需要采用激光雷达等高端传感器，虽然能够实现高精度的定位，但制造成本高，基于此，在本申请中，提供了一种包括惯性传感器模块、入射光角度传感器模块、输出频率大于或等于100Hz的相对运动信息测量模块以及处理器的定位终端，本申请的定位终端，相比较传统的定位终端，制造成本低，而且能够通过处理器根据更新频率快的定位对象的运动信息、惯性传感器输出的定位对象的姿态信息以及入射光角度传感器模块输出的可见光信号和可见光入射角度，确定定位对象的定位信息，实现高频率的定位更新，实现对移动机器人的准确定位。

一种定位终端，如图1所示包括惯性传感器模块100、入射光角度传感器模块200、输出频率大于或等于100Hz的相对运动信息测量模块300和处理器400，惯性传感器模块100和处理器400相连接，入射光角度传感器模块200和处理器400相连接，相对运动信息测量模块300和处理器400相连接；

惯性传感器模块100获取并输出定位对象的姿态信息至处理器400，入射光角度传感器模块200接收并输出外部的可见光信号以及可见光入射角度至处理器400，相对运动信息测量模块300获取并输出定位对象的运动信息至处理器400，处理器400根据定位对象的姿态信息、可见光入射角度以及定位对象的运动信息，确定并输出定位对象的定位信息。

具体的，惯性传感器模块100指的是包括多种惯性传感器单元的模块，惯性传感器模块100主要用于获取并输出定位对象的姿态信息至处理器400。姿态信息指的是定位对象在指定坐标系中的姿态，在本方案中，因为使用的是惯性传感器模块，指定坐标系即为惯性传感器模块对应的地球导航坐标系。惯性传感器模块100包括惯性传感器，本申请的方案中采用的是MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)传感器。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。MEMS传感器作为获取信息的关键器件，对各种传感装置的微型化起着巨大的推动作用，已在太空卫星、运载火箭、航空航天设备、飞机、各种车辆及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。

入射光角度传感器模块200指的是包括入射光角度传感器单元的模块，入射光角度传感器模块200主要用于检测角度，在本方案中，入射光角度传感器模块200主要用于接收并输出外部的可见光信号以及可见光入射角度至处理器400。常见的入射光角度传感器包括基于光电二极管阵列的入射光角度传感器，在入射光角度传感器中，光电二极管阵列中相邻光电二极管的距离小于或等于第一阈值，且法向量相同。相对运动信息测量模块300用于测量定位对象的运动信息，相对运动信息测量模块300的定位对象的运动信息的更新频率的范围为10Hz～100Hz。相对运动信息测量模块300在更新频率范围内能及时更新定位对象的运动信息，并以大于或等于100Hz的频率输出定位对象的运动信息，使处理器400接收到更新频率快的定位对象的运动信息，从而实现高频率的定位更新，实现准确定位。常用的相对运动信息测量模块有里程计，里程计通常通过安装在定位对象的车轮上的光电编码器记录定位对象的运动过程，从而估计其位置。处理器400指的是超大规模的集成电路，是装置的运算核心和控制核心，实现装置中的数据处理。在本方案中，处理器400主要用于解析所接收的入射光角度传感器模块200的可见光信号，根据解析的可见光信号确定可见光信号的信标的位置、接收惯性传感器模块100输出的定位对象的姿态信息、接收入射光角度传感器模块200输出的可见光入射角度以及接收相对运动信息测量模块300输出的定位对象的运动信息，实现入射光角度传感器模块200、惯性传感器模块100以及相对运动信息测量模块300的数据信息的融合，根据入射光角度传感器模块200、惯性传感器模块100以及相对运动信息测量模块300的数据信息，确定并输出定位对象的定位信息。

上述定位终端，首先通过惯性传感器模块确定定位对象的姿态信息，通过入射光角度传感器模块确定定位对象的可见光信号和可见光入射角度，通过相对运动信息测量模块确定定位对象的运动信息，然后通过处理器根据定位对象的姿态信息、可见光信号、可见光入射角度，以及定位对象的运动信息，确定并输出定位对象的定位信息。采用惯性传感器模块、入射光角度传感器模块、相对运动信息测量模块以及处理器组合的定位终端，相比较传统的采用激光雷达等高端传感器制造的定位终端成本低廉，同时也能够实现对移动机器人的准确定位。

在其中一个实施例中，如图2所示，入射光角度传感器模块200包括光电二极管阵列202，光电二极管阵列202中的相邻光电二极管的间距小于或等于第一阈值。

具体的，第一阈值可根据需要自行设定。光电二极管阵列包括至少两个光电二极管。光电二极管是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性，它是一种把光信号转换成电信号的光电传感器件。光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。在本实施例中，光电二极管阵列中的光电二极管的间距小于或等于第一阈值，且法向量相同。举例说明，第一阈值可以为5毫米，光电二极管阵列中包括两个光电二极管，两个光电二极管的视场角不同，因此具有不同的角度增益特性。在光学仪器中，视场角指的是以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。两个光电二极管的输出光电流的差异跟可见光的入射角度有关，并且这个关系具有确定性，只要经过校准即可获取入射角信息。

在其中一个实施例中，如图2所示，入射光角度传感器模块200还包括跨阻放大器204、低通滤波器206、模数转换器208以及直流偏置补偿模块210；

光电二极管阵列202与跨阻放大器204相连接，低通滤波器206的一端与跨阻放大器204相连接，低通滤波器206的另一端与模数转换器208相连接，直流偏置补偿模块210与跨阻放大器204相连接。

具体的，跨阻放大器204是光学传感器(如光电二极管)的前段放大器，用于将传感器的输出电流转换为电压。低通滤波器206是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。模数转换器208是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件，通常的模数转换器208是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。

在入射光角度传感器模块200中，跨阻放大器204将光电二极管的光电流转换为电压信号。较强的环境背景光，尤其是直流成分，会造成接收电路饱和，从而无法接收有效的可见光信号，为消除此影响，在入射光角度传感器模块200中引入一个直流偏置补偿模块210，可以根据背景直流光的大小动态的调整跨阻放大器204输出直流偏置，使其稳定在设定值。低通滤波器206用于滤除环境背景光中的高频成分，滤波后的模拟电压信号通过模数转换器转换成数字信号，通过通信接口传输至中央处理器。

在其中一个实施例中，光电二极管阵列202为根据光电二极管的接收信号强度之比，确定可见光入射角度的光电二极管阵列。

具体的，可见光入射角度与光电二极管的接收信号强度之比之间存在对应的映射关系，当可见光入射角度在一定范围内时，该映射是一一对应的，可见光入射角度可由光电二极管的接收信号强度之比确定。

在其中一个实施例中，光电二极管的接收信号强度的计算公式为：

X＝A*B*C*D；

其中，X为光电二极管的接收信号强度，A为可见光信号的信标的发射光功率，B为可见光信号的信标的出射角度增益，C为由可见光信号的传播距离确定的强度衰减，D为光电二极管的入射角度增益。

举例说明，如图3所示，可见光信号的信标为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)灯，θ₁和θ₂为LED灯发射光线的出射角，φ₁和φ₂为相应的两个光电二极管接收光线的入射角，l₁和l₂为LED灯到两个光电二极管的距离，为光电二极管的平面法向量。根据直射信道下光源辐射模型有以下方程:

RSS₁＝P₀A_t(θ₁)α(l₁)A_r1(φ₁)；

RSS₂＝P₀A_t(θ₂)α(l₂)A_r2(φ₂)；

其中，P₀为LED灯发射光功率，A_t(θ)为LED灯出射角度增益，α(l)为传播距离引起的强度衰减，A_r(φ)为光电二极管的入射角度增益。

在其中一个实施例中，当光电二极管到可见光信号的信标的距离，与光电二极管相邻放置的间距之比大于第二阈值时，相邻两个光电二极管的接收信号强度之比等于光电二极管的入射角度增益之比。

其中，第二阈值可根据需要自行设定。当光电二极管到可见光信号的信标的距离，与光电二极管相邻放置的间距之比大于第二阈值时，近似有θ₁＝θ₂＝θ，φ₁＝φ₂＝φ，l₁＝l₂＝l。则可以得到公式：

光电二极管的入射角度增益A_r(φ)跟视场角相关，具有不同视场角的光电二极管具有不同的入射角度增益，因此函数β(φ)实现了从入射角φ到两光电二极管接收信号强度之比RSS_ratio的映射。当入射角在一定范围内时，该映射是一一对应的，因此可以通过RSS_ratio反过来计算出入射角度。通过传感器参数校准，将入射角和RSS_ratio离散化存储为表格，实际使用时只需要根据RSS_ratio查找表即可获取入射角度。

在其中一个实施例中，如图4所示惯性传感器模块100包括加速度计102和陀螺仪104，加速度计102与处理器400相连接，陀螺仪104与处理器400相连接。

具体的，加速度计102指的是测量运载体线加速度的仪表。加速度计102由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个一自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善系统的动态品质。陀螺仪104是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。陀螺仪的主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内，再通过在转子中心轴上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕平面两轴作自由运动。

在其中一个实施例中，如图4所示，定位终端还包括通信接口500，通信接口500与处理器400相连接，通信接口500用于输出定位对象的定位信息。

具体的，通信接口500是指中央处理器和标准通信子系统之间的接口。中央处理器与标准通信子系统之间进行通讯时，要求通信的双方都采用一个标准接口，使它们可以方便地连接起来进行通信。RS-232-C(Recommeded Standard，推荐标准)接口(又称EIA(Electronic Industry Association，美国电子工业协会)RS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备和数据通讯设备之间串行二进制数据交换接口技术标准”。

在其中一个实施例中，定位对象的运动信息包括瞬时线速度和角速度。

具体的，线速度指的是物体上任一点对定轴作圆周运动时的速度。它的一般定义是质点(或物体上各点)作曲线运动(包括圆周运动)时所具有的即时速度。它的方向沿运动轨道的切线方向，故又称切向速度。它是描述作曲线运动的质点运动快慢和方向的物理量。物体上各点作曲线运动时所具有的即时速度，其方向沿运动轨道的切线方向。角速度是描述物体转动或一质点绕另一质点转动的快慢和转动方向的物理量，它指的是以弧度为单位的圆,在单位时间内所走的弧度。

在其中一个实施例中，定位对象的定位信息包括定位对象的位置坐标和偏航角。

具体的，定位对象的位置坐标包括平面位置坐标信息和水平航向角。平面位置坐标用于表示点的平面位置。国内一般采用以高斯-克吕格投影分带的中央子午线为纵轴和赤道的投影为横轴的高斯-克吕格平面直角坐标系,简称高斯平面坐标系。坐标纵轴为x,自原点向北为正，坐标横轴为y,自原点向东为正，点的平面坐标为(x,y)。偏航角指的是机体轴在水平面上的投影与地轴之间的夹角，可由陀螺仪测量的数据积分后得到。

下面通过一个具体的实施例来说明定位终端的工作过程。

在各个模块初始化完成之后，首先由惯性传感器模块获取并输出定位对象的姿态信息至处理器，再由入射光角度传感器模块接收并输出外部的可见光信号以及可见光入射角度至处理器，处理器解析可见光信号中包含的数据包，恢复可见光信标的ID(identification，身份)和校验码，利用校验码对ID做校验，若校验成功，则将此可见光信号确定为有效信号，并通过预置的可见光信标数据库查询不同ID所对应信标的位置信息，同时利用相对运动信息测量模块获取并输出定位对象的运动信息至处理器，当入射光角度传感器模块成功接收并输出至少四个来自不同的可见光信标的有效信号至处理器时，处理器可根据定位对象的姿态信息、可见光信号以及可见光入射角度，通过三角定位，得到定位对象的坐标信息和偏航角，再结合接收到的定位对象的运动信息，确定并输出定位对象的定位信息。

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)

1.一种定位终端，其特征在于，包括惯性传感器模块、入射光角度传感器模块、输出频率大于或等于100Hz的相对运动信息测量模块和处理器，所述惯性传感器模块和所述处理器相连接，所述入射光角度传感器模块和所述处理器相连接，所述相对运动信息测量模块和所述处理器相连接；

所述惯性传感器模块获取并输出定位对象的姿态信息至所述处理器，所述入射光角度传感器模块接收并输出外部的可见光信号以及可见光入射角度至所述处理器，所述相对运动信息测量模块获取并输出定位对象的运动信息至所述处理器，所述处理器根据所述定位对象的姿态信息、所述可见光入射角度以及所述定位对象的运动信息，确定并输出定位对象的定位信息。

2.根据权利要求1所述的定位终端，其特征在于，所述入射光角度传感器模块包括光电二极管阵列，所述光电二极管阵列中的相邻光电二极管的间距小于或等于第一阈值。

3.根据权利要求2所述的定位终端，其特征在于，所述入射光角度传感器模块还包括跨阻放大器、低通滤波器、模数转换器以及直流偏置补偿模块；

所述光电二极管阵列与所述跨阻放大器相连接，所述低通滤波器的一端与所述跨阻放大器相连接，所述低通滤波器的另一端与所述模数转换器相连接，所述直流偏置补偿模块与所述跨阻放大器相连接。

4.根据权利要求2所述的定位终端，其特征在于，所述光电二极管阵列为根据所述光电二极管的接收信号强度之比，确定所述可见光入射角度的光电二极管阵列。

5.根据权利要求4所述的定位终端，其特征在于，所述光电二极管的接收信号强度的计算公式为：

X＝A*B*C*D；

其中，X为所述光电二极管的接收信号强度，A为所述可见光信号的信标的发射光功率，B为所述可见光信号的信标的出射角度增益，C为由所述可见光信号的传播距离确定的强度衰减，D为所述光电二极管的入射角度增益。

6.根据权利要求5所述的定位终端，其特征在于，当所述光电二极管到所述可见光信号的信标的距离，与所述光电二极管相邻放置的间距之比大于第二阈值时，所述相邻两个光电二极管的接收信号强度之比等于所述光电二极管的入射角度增益之比。

7.根据权利要求1所述的定位终端，其特征在于，所述惯性传感器模块包括加速度计和陀螺仪，所述加速度计与所述处理器相连接，所述陀螺仪与所述处理器相连接。

8.根据权利要求1所述的定位终端，其特征在于，还包括通信接口，所述通信接口与所述处理器相连接，所述通信接口用于输出定位对象的定位信息。

9.根据权利要求1所述的定位终端，其特征在于，所述定位对象的运动信息包括瞬时线速度和角速度。

10.根据权利要求1所述的定位终端，其特征在于，所述定位对象的定位信息包括定位对象的位置坐标和偏航角。