CN109407079A - 一种基于姿态传感器校准的区域定位装置及方法 - Google Patents

一种基于姿态传感器校准的区域定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及跟踪监控系统技术领域，涉及一种基于姿态传感器校准的区域定位装置及方法。该装置包括：基站单元，其用于对以基站单元为中心的特定区域进行信号覆盖，该基站单元包括基站电源模块，基站CPU模块、基站通信模块、低频信号发射模块，所述的低频信号发射模块包括三根低频信号发射天线；跟踪单元，其设于跟踪对象处，该跟踪单元包括跟踪单元电源模块、跟踪单元六轴传感器模块、跟踪单元CPU模块、跟踪单元通信模块、低频信号接收模块，所述的低频信号接收模块包括一根低频信号接收天线。该方法基于该装置实现。本发明能够较佳地实现定位功能。

Description

一种基于姿态传感器校准的区域定位装置及方法
技术领域
本发明涉及定位装置技术领域，具体地说，涉及一种基于姿态传感器校准的区域定位装置及方法。
背景技术
现有的基于低频信号的定位检测方案中，大多使用基站发射低频125K信号，跟踪单元接收到该低频信号则认为进入基站信号覆盖的区域，该区域大小一般为以基站为圆心，半径3-6米的圆形区域，该种方案只能粗略判断跟踪单元的所处的大概区域，没法精确定位跟踪单元的在该区域内的具体位置。
还有一种利用类似技术在特殊的管道场景中，判断跟踪单元在管道中的具体位置，核心控制要求基站设备的125K天线与跟踪单元的天线保持完全的平行，实施及使用过程中要求比较高，无法运用到更多的通用场合中。
发明内容
本发明提供了一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其解决现有技术中定位不精确及操作复杂等技术问题。
一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其包括：
基站单元，其用于对以基站单元为中心的特定区域进行信号覆盖，该基站单元包括基站电源模块，基站CPU模块、基站通信模块、低频信号发射模块，所述的低频信号发射模块包括三根低频信号发射天线；
跟踪单元，其设于跟踪对象处，该跟踪单元包括跟踪单元电源模块、跟踪单元六轴传感器模块、跟踪单元CPU模块、跟踪单元通信模块、低频信号接收模块，所述的低频信号接收模块包括一根低频信号接收天线。
作为优选，所述的基站电源模块用于给基站单元供电，基站CPU模块用于数据的储存、计算和比对，基站通信模块用于和跟踪单元进行数据传输，低频信号发射模块用于发射信号对特定区域进行覆盖，所述的低频信号发射模块的三根低频信号发射天线保持平行且在同一水平面内，天线成三角形放置。
作为优选，所述的跟踪单元电源模块用于给跟踪单元供电，跟踪单元六轴传感器模块用于获取低频信号接收天线与水平面的倾角以及朝向数据，跟踪单元CPU模块用于数据的储存，跟踪单元通信模块用于和基站单元进行数据传输，低频信号接收模块用于接收低频信号发射模块的信号。
作为优选，所述的基站单元可设有基站六轴传感器模块，用于实时获取基站单元的低频信号发射天线与水平面的倾角以及朝向信息。
作为优选，所述的跟踪单元六轴传感器模块的轴的朝向安装时应与低频信号接收天线方向保持一致，且处于同一个平面。
本发明的一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其原理是实际的使用过程中，基站发射天线发出的固定功率的信号，在跟踪单元中接收天线接收到的信号强弱，除了相对的距离变化关系外，与基站和跟踪单元的天线姿态也有非常大的关系，于是提出基于六轴传感器（三轴加速度传感器，三轴地磁传感器）实时补偿由于基站及跟踪单元的姿态变化，导致的跟踪单元接收到的信号变化。尤其是运动及活动中的跟踪单元，使得跟踪单元接收到的信号强弱变化在姿态补偿之后，只与跟踪单元和基站设备之间的距离存在关系，再结合三角定位技术，实现在一个特定区域内精确定位的功能。
基于上述的任一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，本发明还提供了一种跟踪监控方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的一种基于姿态传感器校准的区域定位方法，其包括如下步骤：（1）安装基站，基站单元获取低频信号发射天线与水平面的倾角和朝向数
据，并储存在基站CPU模块中；
（2）基站CPU模块根据步骤（1）获得的数据以及低频信号接收天线接收信号的强度计算出低频信号接收天线分别和三根低频信号发射天线的距离关系；
（3）根据步骤（2）获得的低频信号接收天线分别和三根低频信号发射天线的距离以及三根低频信号发射天线与水平面的倾角和朝向数据，计算出低频信号接收天线和基站单元的绝对位置关系，并制作成低频信号接收天线的强度值和与基站位置以及与水平面的倾角和朝向的关系的比对表储存在基站CPU模块中；
（4）将跟踪单元设于跟踪对象处，当跟踪对象进入基站信号覆盖区域时，获取跟踪单元的低频信号接收天线的强度值以及与水平面的倾角和朝向数据，，对比步骤（3）制作的比对表即可获得跟踪对象的位置。
作为优选，基站单元采用基站通信模块周期性发射低频信号；跟踪单元进入信号覆盖区域内接收到基站单元发射的低频信号后，跟踪单元将六轴传感器获取的低频信号接收天线与水平面的倾角和朝向的数据并通过跟踪单元通信模块发送给基站单元；基站单元的基站通信模块接收到跟踪单元发送的低频信号接收天线的姿态数据后发送给基站CPU模块进行数据计算。
作为优选，基站通信模块和跟踪单元通信模块通过2.4G或433M信号进行通信。
本发明中，跟踪单元只工作在基站单元低频信号覆盖的部分范围内，在该范围内，接收天线接收到的信号强度只与设备间的距离、与水平面的倾角和朝向相关，接收天线位置与信号强度的关系及计算方法如下：
接收天线接收的信号强度与接收天线和发射天线的距离和角度相关，而一旦接收天线和发射天线的平行（即角度为0或180度）时，则可认为信号强度只与两者的距离相关，接收信号的强度和天线的距离x的关系函数为f(x)；当发射天线与接收天线不是平行时，假设发射天线与接收天线在相同的距离情况下，彼此间的夹角变化将会在接收天线端测出不同的大小信号强度，设接收天线与发射天线的夹角为α（0°<=α<=90°）， α = 0 度时，此时两天线平行，得到最大信号强度；当α=90度时，此时信号强度最弱，为0。根据理论模型，或者实际测算，设在发射和接收天线距离不变的情况下，接收信号的强度与天线夹角的变化的关系函数为f(α)；通过如上的分析，在一定的条件范围内，接收天线所接收到的信号强度受天线间的距离和夹角共同影响。接收天线的信号强度 B= f(x)* f(α)。如果能将任何一个角度的影响给补偿到平行时的信号强度值，则之后的信号强度值只是与距离相关，f(x) = B/ f(α)。实际上，不同的信号强度值与距离的关系可以测算绘表得出，在实际的使用中，只需要测算出信号强度值，根据表就可以得到基站与跟踪单元的距离值。如果在基站上不同位置安装三根天线（天线之间的距离已知），分别发送信号，跟踪单元分别计算出到三根天线之间的距离，就可以根据三角定位算法，得出跟踪单元相对基站的绝对位置。
本发明的一种基于姿态传感器校准的区域定位方法，安装好基站后，可根据上述原理计算出低频信号接收天线和基站单元的位置关系，并制作成低频信号接收天线的强度值与基站位置以及与水平面的倾角和朝向的关系的比对表，在后期的定位过程中只需要获取跟踪单元中低频信号接收天线接收的信号强度以及与水平面的倾角和朝向数据，就可以得到跟踪对象的位置，做到快速、准确的定位。
附图说明
图1为实施例1的系统框图；
图2为实施例1中的基站单元的系统框图；
图3为实施例1中的跟踪单元的系统框图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其包括：
基站单元，其用于对以基站单元为中心的特定区域进行信号覆盖，该基站单元包括基站电源模块，基站CPU模块、基站通信模块、低频信号发射模块，所述的低频信号发射模块包括三根低频信号发射天线；
跟踪单元，其设于跟踪对象处，该跟踪单元包括跟踪单元电源模块、跟踪单元六轴传感器模块、跟踪单元CPU模块、跟踪单元通信模块、低频信号接收模块，所述的低频信号接收模块包括一根低频信号接收天线。
其中，所述的基站电源模块用于给基站单元供电，基站CPU模块用于数据的储存、计算和比对，基站通信模块用于和跟踪单元进行数据传输，低频信号发射模块用于发射信号对特定区域进行覆盖，所述的低频信号发射模块的三根低频信号发射天线保持平行且在同一水平面内，天线成三角形放置。
其中，所述的跟踪单元电源模块用于给跟踪单元供电，跟踪单元六轴传感器模块用于获取低频信号接收天线与水平面的倾角以及朝向数据，跟踪单元CPU模块用于数据的储存，跟踪单元通信模块用于和基站单元进行数据传输，低频信号接收模块用于接收低频信号发射模块的信号。
其中，所述的基站单元可设有基站六轴传感器模块，用于实时获取基站单元的低频信号发射天线与水平面的倾角以及朝向信息。
其中，所述的跟踪单元六轴传感器模块的轴的朝向安装时应与低频信号接收天线方向保持一致，且处于同一个平面。
基于本实施例的一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，本实施例还提供了一种基于姿态传感器校准的区域定位方法。
本实施例的一种基于姿态传感器校准的区域定位方法，其包括如下步骤：
（1）安装基站，基站单元获取低频信号发射天线与水平面的倾角和朝向数据，并储存在基站CPU模块中；
（2）基站CPU模块根据步骤（1）获得的数据以及低频信号接收天线接收信号的强度计算出低频信号接收天线分别和三根低频信号发射天线的距离关系；
（3）根据步骤（2）获得的低频信号接收天线分别和三根低频信号发射天线的距离以及三根低频信号发射天线与水平面的倾角和朝向数据，计算出低频信号接收天线和基站单元的绝对位置关系，并制作成低频信号接收天线的强度值与基站位置以及与水平面的倾角和朝向的关系的比对表储存在基站CPU模块中；
（4）将跟踪单元设于跟踪对象处，当跟踪对象进入基站信号覆盖区域时，获取跟踪单元的低频信号接收天线的强度值以及与水平面的倾角和朝向数据，对比步骤（3）制作的比对表即可获得跟踪对象的位置。
其中，基站单元采用基站通信模块周期性发射低频信号；跟踪单元进入信号覆盖区域内接收到基站单元发射的低频信号后，跟踪单元将六轴传感器获取的低频信号接收天线与水平面的倾角和朝向的数据并通过跟踪单元通信模块发送给基站单元；基站单元的基站通信模块接收到跟踪单元发送的低频信号接收天线的数据后发送给基站CPU模块进行数据计算。
其中，基站通信模块和跟踪单元通信模块通过2.4G或433M信号进行通信。
结合图2所示，基站单元包括基站电源模块、基站六轴传感器模块、基站CPU模块、基站通信模块、低频信号发射模块，其中，基站六轴传感器模块不是必须的，如果基站单元安装基站六轴传感器模块，则可以实时获取基站单元低频信号发射天线与水平面的倾角以及朝向数据，如果基站单元没有安装基站六轴传感器模块，只需在基站安装好后，低频信号发射天线与水平面的倾角以及朝向数据事先录入基站中，一旦基站位置调整，则重新录入，因此，基于低成本考虑，无需再每个基站都安装基站六轴传感器模块。
结合图3所示，跟踪单元包括跟踪单元电源模块、跟踪单元六轴传感器模块、跟踪单元CPU模块、跟踪单元通信模块、低频信号接收模块。
本实施例中跟踪单元的低频信号接收天线采用一根，在活动过程中有可能出现与基站单元的低频信号发射天线垂直的情况，此时的信号强度为0，无法计算距离信息，解决的方法是在跟踪单元采用三根低频信号接收天线成立体放置，这样在使用过程中不可能出现三跟低频信号接收天线的信号强度都为0的情况，计算时只需取信号最强的那根天线进行计算即可。
本实施例中，基站通信模块和跟踪单元通信模块均采用2.4G通信模块。
本实施例中，低频信号发射模块和低频信号接收模块均采用125K通信模块。
本实施例中基站单元与跟踪单元的通信流程如下：
1、基站单元的低频信号发射模块发射125K（低功率信号）的射频广播信号；此处可以理解的是，低频信号发射模块发射的信号强度及覆盖范围能够根据需求进行调节；
2、跟踪单元的低频信号接收模块接收到信号后将信号的强度值通过跟踪单元通信模块发送给基站单元；
3、基站单元的基站通信模块接收跟踪单元发送的信号强度值并将之反馈给基站CPU模块。
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 (8)

1.一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其特征在于：包括：
基站单元，其用于对以基站单元为中心的特定区域进行信号覆盖，该基站单元包括基站电源模块，基站CPU模块、基站通信模块、低频信号发射模块，所述的低频信号发射模块包括三根低频信号发射天线；
跟踪单元，其设于跟踪对象处，该跟踪单元包括跟踪单元电源模块、跟踪单元六轴传感器模块、跟踪单元CPU模块、跟踪单元通信模块、低频信号接收模块，所述的低频信号接收模块包括一根低频信号接收天线。
2.根据权利要求1所述的一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其特征在于：所述的基站电源模块用于给基站单元供电，基站CPU模块用于数据的储存、计算和比对，基站通信模块用于和跟踪单元进行数据传输，低频信号发射模块用于发射信号对特定区域进行覆盖，所述的低频信号发射模块的三根低频信号发射天线保持平行且在同一水平面内，天线成三角形放置。
3.根据权利要求1所述的一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其特征在于：所述的跟踪单元电源模块用于给跟踪单元供电，跟踪单元六轴传感器模块用于获取低频信号接收天线与水平面的倾角以及朝向数据，跟踪单元CPU模块用于数据的储存，跟踪单元通信模块用于和基站单元进行数据传输，低频信号接收模块用于接收低频信号发射模块的信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其特征在于：所述的基站单元可设有基站六轴传感器模块，用于实时获取基站单元的低频信号发射天线与水平面的倾角以及朝向信息。
5.根据权利要求3所述的一种基于姿态传感器校准的区域定位装置，其特征在于：所述的跟踪单元六轴传感器模块的轴的朝向安装时应与低频信号接收天线方向保持一致，且处于同一个平面。
6.一种基于姿态传感器校准的区域定位方法，其包括如下步骤：
（1）安装基站，基站单元获取低频信号发射天线与水平面的倾角和朝向数据，并储存在基站CPU模块中；
（2）基站CPU模块根据步骤（1）获得的数据以及低频信号接收天线接收信号的强度计算出低频信号接收天线分别和三根低频信号发射天线的距离关系；
（3）根据步骤（2）获得的低频信号接收天线分别和三根低频信号发射天线的距离以及三根低频信号发射天线与水平面的倾角和朝向数据，计算出低频信号接收天线和基站单元的绝对位置关系，并制作成低频信号接收天线的强度值与基站位置以及与水平面的倾角和朝向的关系的比对表储存在基站CPU模块中；
（4）将跟踪单元设于跟踪对象处，当跟踪对象进入基站信号覆盖区域时，获取跟踪单元的低频信号接收天线的强度值以及与水平面的倾角和朝向数据，对比步骤（3）制作的比对表即可获得跟踪对象的位置。
7.根据权利要求6所述的一种基于姿态传感器校准的区域定位方法，其特征在于：基站单元采用基站通信模块周期性发射低频信号；跟踪单元进入信号覆盖区域内接收到基站单元发射的低频信号后，跟踪单元将六轴传感器获取的低频信号接收天线与水平面的倾角和朝向的数据并通过跟踪单元通信模块发送给基站单元；基站单元的基站通信模块接收到跟踪单元发送的低频信号接收天线的数据后发送给基站CPU模块进行数据计算。
8.根据权利要求7所述的一种基于姿态传感器校准的区域定位方法，其特征在于：基站通信模块和跟踪单元通信模块通过2.4G或433M信号进行通信。
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