CN110873862A - 一种预定空间内的定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种预定空间内的定位系统和方法。N个次超声发射单元；N个次超声发射单元中的每一个次超声发射单元，分别用于发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，其中N为至少为3的正整数；主超声发射单元，用于发射包含主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号；其中主超声发射单元和N个次超声发射单元位于预定空间内的同一平面；N个次超声发射单元分别位于正多边形的顶点，主超声发射单元布置于正多边形的中心；主超声发射单元的布置点架设有第一六棱台，主超声发射单元布置于第一六棱台上；每个次超声发射单元的布置点架设有各自的第二六棱台，每个次超声发射单元分别布置于各自布置点的各自的第二六棱台上。

Description

一种预定空间内的定位系统和方法

技术领域

本发明实施方式涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种预定空间内的定位系统和方法。

背景技术

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如楼宇、机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。

还有，室外小范围如有多栋厂房的工厂、公司，社区，建筑群等，需要确定移动终端或其持有者、设施的位置信息，GPS等定位技术无法精确到某栋具体的建筑。关于室内定位技术，专家学者提出了许多解决方案，如A-GPS定位技术、声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。

除了以上提及的定位技术，还有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析、磁场以及信标定位等。此外，还有基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位等。目前很多技术还处于研究试验阶段，如基于磁场压力感应进行定位的技术。以上各种定位技术各有优缺点，但并不意味着这些技术就应该因其优点而全面使用或者因其缺点而被抛弃。无论现有技术中的何种定位手段，都难以在室内楼层之间定位上保持精确度，而且如何同时保持使用的方便性以及成本低廉性，都或多或少存在着缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明实施方式提出一种预定空间内的定位系统和方法。

本发明实施方式的技术方案如下：

一种预定空间内的定位系统，包括：

N个次超声发射单元；所述N个次超声发射单元中的每一个次超声发射单元，分别用于发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，其中N为至少为3的正整数；

主超声发射单元，用于发射包含所述主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号；

其中所述主超声发射单元和所述N个次超声发射单元位于所述预定空间内的同一平面；所述N个次超声发射单元分别位于正多边形的顶点，所述主超声发射单元布置于所述正多边形的中心；所述主超声发射单元的布置点架设有第一六棱台，所述主超声发射单元布置于所述第一六棱台上；每个次超声发射单元的布置点架设有各自的第二六棱台，每个次超声发射单元分别布置于各自布置点的各自的第二六棱台上。

在一个实施方式中，所述第一六棱台的下底面固定在所述预定空间的天花板上；

所述主超声发射单元包括M个超声发射器，其中M为至少为2的正整数；所述M个超声发射器中的一个超声发射器，布置在所述第一六棱台的上底面；剩余的(M-1)个超声发射器，布置在所述第一六棱台的侧面。

在一个实施方式中，所述剩余的(M-1)个超声发射器布置在所述六棱台的相邻侧面上,其中每个相邻侧面布置一个超声发射器。

在一个实施方式中，所述第二六棱台的下底面固定在所述预定空间的天花板上；所述次超声发射单元包括K个超声发射器，其中K为至少为2的正整数；所述K个超声发射器布置在所述第二六棱台的相邻侧面上，其中所述K个超声发射器布置到的相邻侧面分别朝向所述第一六棱台。

在一个实施方式中，所述主超声发射单元的布置点架设的第一六棱台与每个次超声发射单元的布置点架设的第二六棱台，具有相同的尺寸。

在一个实施方式中，所述第一六棱台和所述第二六棱台的侧面与下底面的夹角范围为[30度，60度]。

在一个实施方式中，所述预定空间为静态空间或可移动的空间；所述静态空间包括下列中的至少一个：楼宇、机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井、教室；所述可移动的空间包括下列中的至少一个：地铁、火车、汽车、飞机或轮船。

一种预定空间内的定位方法，该方法适用于定位系统，该定位系统包括：N个次超声发射单元，其中N为至少为3的正整数；主超声发射单元；其中所述主超声发射单元和所述N个次超声发射单元位于所述预定空间内的同一平面；所述N个次超声发射单元分别位于正多边形的顶点，所述主超声发射单元布置于所述正多边形的中心；所述主超声发射单元的布置点架设有第一六棱台，所述主超声发射单元布置于所述第一六棱台上；每个次超声发射单元的布置点架设有各自的第二六棱台，每个次超声发射单元分别布置于各自布置点的各自的第二六棱台上；该方法包括：

所述N个次超声发射单元中的每一个次超声发射单元分别发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，主超声发射单元发射包含所述主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号；

智能终端接收主超声定位信号和次超声定位信号，基于所述主超声定位信号和次超声定位信号确定所述智能终端在预定空间内的相对坐标。

在一个实施方式中，所述主超声发射单元包括M个超声发射器，其中M为至少为2的正整数；所述次超声发射单元包括K个超声发射器，其中K为至少为2的正整数；该方法还预先包括：

将所述第一六棱台的下底面固定在所述预定空间的天花板上，将第二六棱台的下底面固定在所述预定空间的天花板上；

将主超声发射单元的M个超声发射器中的一个超声发射器，布置在所述第一六棱台的上底面，将主超声发射单元的剩余的(M-1)个超声发射器，布置在所述第一六棱台的侧面；

将次超声发射单元的K个超声发射器布置在所述第二六棱台的相邻侧面上，其中所述K个超声发射器所布置到的相邻侧面分别朝向所述第一六棱台。

一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机可读指令，该计算机可读指令用于执行如权利要求上所述的预定空间内的定位方法。

从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，N个次超声发射单元；N个次超声发射单元中的每一个次超声发射单元，分别用于发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，其中N为至少为3的正整数；主超声发射单元，用于发射包含主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号；其中主超声发射单元和N个次超声发射单元位于预定空间内的同一平面；N个次超声发射单元分别位于正多边形的顶点，主超声发射单元布置于正多边形的中心；主超声发射单元的布置点架设有第一六棱台，主超声发射单元布置于第一六棱台上；每个次超声发射单元的布置点架设有各自的第二六棱台，每个次超声发射单元分别布置于各自布置点的各自的第二六棱台上。可见，本发明实施方式针对次超声发射单元和主超声发射单元均采用了六棱台布置方式。超声信号呈锥形发射出来，该布置方式可以增强边缘信号强度。

而且，考虑到超声信号指向性强的特点，这种独特的六棱台布置方式可以在保证组内信号覆盖质量的前提下可以尽量减少相邻组间的信号干扰，保证多组发射装置覆盖范围内无信号盲点，该布置方式还能增加信号传播距离。

附图说明

图1为根据本发明实施方式的预定空间内的定位系统结构图。

图2为根据本发明实施方式的预定空间内的室内相对定位示意图。

图3为根据本发明实施方式的预定空间内的室内精确定位示意图。

图4为根据本发明实施方式的预定空间内的定位系统的布置示意图。

图5为根据本发明实施方式的六棱台结构图。

图6为根据本发明实施方式的超声定位信号组示意图。

图7为根据本发明实施方式的预定空间内的定位方法流程图。

图8为根据本发明实施方式的定位系统的示范性布置示意图。

图9为根据本发明实施方式的定位系统的示范性布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。

室内地图定位作为室外地图的“最后一公里”，受到国内外广泛的关注。随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对室内定位与室内导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如楼宇、大型商场、机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。然而，受定位时间、定位精度、复杂室内环境、环境中各种干扰因素等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。在一个实施方式中，本发明的室内声波定位有三个已知位置的信号发射单元即可定位被定位设备，但是只有在同一时间测定被定位设备和三个信号发射单元之间的距离才可以定位，要实现同步必须要有统一的时间基准。在声波测距时，在三维空间坐标系中，只有在同一时间测定三个距离才可定位，即物体A与每个信号发射单元具有同步时钟时，才能准确测出地面被测物体A在坐标系中的具体位置。如果测得物体A到信号发射单元1间的距离，那么A点位于以信号发射单元1为中心，以所测得距离为半径的圆球上。若同时测得点A到另两个信号发射单元2，3的距离，则该点A处在三圆球相交的两个点上。由于声波信号发射具有指向性，点A只能位于三个发射单元声波发射方向。已知发射单元的位置又已同时测定到三个信号发射单元1，2，3的距离，即可进行定位。然而，因为声波在空气中传播会产生误差，可能导致传播时间不同步。为了使得传播数据同步，本发明引入第四个发射单元提供时间数据。

在一个实施方式中，本发明的定位方式可以采用至少四个(优选为四个)时钟同步的信号发射单元，被定位设备与信号发射单元无需同步时钟，其中三个信号发射单元用于坐标定位，一个信号发射单元作为时钟校准。由于被定位设备位置的唯一性，四个信号发射单元不能同时在一个圆上，而且四个信号发射单元的位置为已知。即，本发明的预定空间内定位可以包括确定一个点的三维坐标以及实现同步这四个未知参数，通过测定到至少4个信号发射单元的距离对被定位设备进行定位。本发明实施方式提出的精确预定空间内定位方法。该方法50米范围内定位精度可达7毫米。本发明的预定空间内定位需要声波信号发射时没有障碍物阻挡，声波传输过程中的或多或少会有多镜反射，会影响定位精度。本室内定位方法在50米范围内定位精度均为7毫米，不会因为小范围精度增高或者范围大精度变小。

图1为根据本发明实施方式的预定空间内的定位系统结构图。

如图1所示，该系统包括：n个(n为至少为四的自然数)声波信号发射单元(或超声波信号发射单元)，分别布置在预定空间内的不同固定位置处且不位于同一个圆上，分别用于发射声波信号(或超声波信号)；所述至少四个声波信号发射单元时间同步；被定位设备，位于所述预定空间内且不与所述至少四个声波信号发射单元时间同步，用于接收所述至少四个声波信号发射单元发射的声波信号，分别确定与所述至少四个声波信号发射单元的测量距离，并基于与所述至少四个声波信号发射单元的测量距离计算所述被定位设备在所述预定空间内的相对位置。

信号发射单元可以安装在插座、电灯等可以提供电源的设备上，也可以根据需要安装，这样较容易获得信号发射单元的位置信息，该位置信息保存在对应的信号发射单元中。

在一个实施方式中，预定空间为具有多个楼层的室内空间，而且在每一个楼层都分别布置所述定位系统；或，所述预定空间为具有一个楼层的室内空间，在该楼层中布置所述定位系统；或，所述预定空间为具有多个楼层的室内空间，而且在至少一个楼层中布置所述定位系统。

在一个实施方式中，声波信号发射单元为四个；被定位设备具有钟差V_to；

被定位设备，用于基于下列公式计算被定位设备在预定空间内的坐标(x、y、z)；还用于基于所述公式计算所述钟差V_to：

[(x₁-x)²+(y₁-y)²+(z₁-z)²]^1/2+c(V_t1-V_t0)＝d1；

[(x₂-x)²+(y₂-y)²+(z₂-z)²]^1/2+c(V_t2-V_t0)＝d2；

[(x₃-x)²+(y₃-y)²+(z₃-z)²]^1/2+c(V_t3-V_t0)＝d3；

[(x₄-x)²+(y₄-y)²+(z₄-z)²]^1/2+c(V_t4-V_t0)＝d4；

其中：

(x、y、z)为被定位设备在预定空间内的坐标；(x₁、y₁、z₁)为第一个声波信号发射单元在预定空间内的坐标；(x₂、y₂、z₂)为第二个声波信号发射单元在预定空间内的坐标；(x₃、y₃、z₃)为第三个声波信号发射单元在预定空间内的坐标；(x₄、y₄、z₄)为第四个声波信号发射单元在预定空间内的坐标；d1为被定位设备与第一个声波信号发射单元的测量距离；d2为被定位设备与第二个声波信号发射单元的测量距离；d3为被定位设备与第三个声波信号发射单元的测量距离；d4为被定位设备与第四个声波信号发射单元的测量距离；V_t1为第一个声波信号发射单元的钟差；V_t2为第二个声波信号发射单元的钟差；V_t3第三个声波信号发射单元的钟差；V_t4为第四个声波信号发射单元的钟差；C为声波在空气中的传播速度。

在一个实施方式中，该系统还包括：转发信号单元，布置在预定空间内的固定位置处或预定空间外的固定位置处，用于接收GPS定位信号以确定所述转发信号单元的GPS坐标；至少四个声波信号发射单元，用于从转发信号单元接收所述GPS定位信号，并分别基于与转发信号单元的预定位置关系确定各自的GPS坐标；被定位设备，用于基于在所述预定空间内的相对位置以及所述至少四个声波信号发射单元的GPS坐标，确定所述被定位设备的GPS坐标。优选地，GPS坐标包括经度、纬度和大地高。在一个实施方式中，所述被定位设备为具有麦克风的移动终端，所述移动终端包括下列中的至少一个：功能手机、个人数字助理、平板电脑或智能手机，等等。

图2为根据本发明实施方式的预定空间内的室内相对定位示意图。如图2所示，预定空间内(如室内)的任意位置安装四个信号发射单元a,b,c,d，这四个信号发射单元a,b,c,d不能在同一个圆上。预定空间内某一点作为坐标原点O，四个信号发射单元a,b,c,d在这个坐标系中的坐标，即为已知的a(x1,y1,z1)，b(x2,y2,z2)，c(x3,y3,z3)，d(x4,y4,z4)，将四个信号发射单元a,b,c,d对应的位置信息写入各自信号发射单元a,b,c,d中。假定被定位设备e的当前坐标为e(x,y,z)。信号发射单元a,b,c,d可以持续不断的发出声波定位信号，声波定位信号中可以包含位置信息、信号发射单元的精确发送时间、指令信号和定位信号以及其他信息。被定位设备e进入室内定位范围时，接收到信号发射单元a,b,c,d发射的声波。被定位设备e与信号发射单元的测量距离为d，其中d＝(T2-T1)×C；C为声波在空气中的传播速度；声波信号的接收时间点为T2，从声波信号中解析出的发送时间点为T1。T1即为信号发射单元侧的声波信号发射时间；T2即为被定位设备e侧的声波信号接收时间。被定位设备e分别计算：与信号发射单元a的测量距离ae；与信号发射单元b的测量距离be；与信号发射单元c的测量距离ce；与信号发射单元d的测量距离de。其中：ae＝(T2a-T1a)×C；C为声波在空气中的传播速度；信号发射单元a发送的声波信号进一步包含信号发射单元a侧的声波信号发送时间点T1a，被定位设备e通过解析该声波信号可以获取T1a；T2a为被定位设备e记录的、针对信号发射单元a发出的声波信号的接收时间点。be＝(T2b-T1b)×C；C为声波在空气中的传播速度；信号发射单元b发送的声波信号进一步包含信号发射单元b侧的声波信号发送时间点T1b，被定位设备e通过解析该声波信号可以获取T1b；T2b为被定位设备e记录的、针对信号发射单元b发出的声波信号的接收时间点。ce＝(T2c-T1c)×C；C为声波在空气中的传播速度；信号发射单元c发送的声波信号进一步包含信号发射单元c侧的声波信号发送时间点T1c，被定位设备e通过解析该声波信号可以获取T1c；T2c为被定位设备e记录的、针对信号发射单元c发出的声波信号的接收时间点。de＝(T2d-T1d)×C；C为声波在空气中的传播速度；信号发射单元d发送的声波信号进一步包含信号发射单元d侧的声波信号发送时间点T1d，被定位设备e通过解析该声波信号可以获取T1d；T2da为被定位设备e记录的、针对信号发射单元d发出的声波信号的接收时间点。

声波测距的前提条件是发射声波的设备与接收声波的设备时钟要同步，才能测得声波在空气中行走的时间，进而得到声波在空气中行走的距离，即为两设备之间的距离。不过，本发明中信号发射单元a,b,c,d与被定位设备e不要求同步，四个信号发射单元a,b,c,d本身保持时间同步，故引入一个时延参数V_to，用以计算被定位设备e的位置信息。ae为信号发射单元a与被定位设备e的测量距离；be为信号发射单元b与被定位设备e的测量距离；ce为信号发射单元c与被定位设备e的测量距离；de为信号发射单元d与被定位设备e的测量距离。这样，计算被定位设备e的坐标即转化为数学计算。已知：四点坐标a(x1,y1,z1)，b(x2,y2,z2)，c(x3,y3,z3)，d(x4,y4,z4)，ae＝d1；be＝d2；ce＝d3；de＝d4；

求e点坐标e(x,y,z)：

方程式：

[(x₁-x)²+(y₁-y)²+(z₁-z)²]^1/2+c(V_t1-V_t0)＝d1；

[(x₂-x)²+(y₂-y)²+(z₂-z)²]^1/2+c(V_t2-V_t0)＝d2；

[(x₃-x)²+(y₃-y)²+(z₃-z)²]^1/2+c(V_t3-V_t0)＝d3；

[(x₄-x)²+(y₄-y)²+(z₄-z)²]^1/2+c(V_t4-V_t0)＝d4；

上述四个方程式中(x、y、z)为待测点e在坐标系中的坐标，Vt0为被定位设备e的接收机的钟差；(x、y、z)和V_t0为未知参数。(x1，y1，z1)为信号发射单元a在坐标系中的坐标，(x2，y2，z2)为信号发射单元b在坐标系中的坐标，(x3，y3，z3)为信号发射单元c在坐标系中的坐标，(x4，y4，z4)为信号发射单元d在坐标系中的坐标；d1，d2，d3，d4分别为信号发射单元a，b，c，d到被定位设备之间的测量距离；V_t1为第一个声波信号发射单元的钟差；V_t2为第二个声波信号发射单元的钟差；V_t3为第三个声波信号发射单元的钟差；V_t4为第四个声波信号发射单元的钟差；C为声音在空气中传播的速度。(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)，(x4，y4，z4)，V_t1，V_t2，V_t3，V_t4和C均为已知；d1，d2，d3和d4也可以观测得到。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标(x、y、z)和接收机的钟差V_to。可见，即使被定位设备与信号发射单元不保持时间同步，本发明也可以实现针对被定位设备在预定空间的相对定位。通过引入GPS信号，本发明还可以实现被定位设备在预定空间的精确定位。GPS是迄今为止最为成功的定位系统，但是在定位和导航时必须捕捉到至少四颗卫星的信号才可以。在室内几乎捕捉不到四颗卫星的信号，所以GPS基本不能用于室内定位和导航。本发明根据图1和图2所示的预定空间内定位原理，提出一种解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题，最终定位物体当前所处的位置，解决GPS定位“最后一公里”的问题。

本发明实施方式提出一种基于GPS和声波相结合的预定空间内定位方法，主要由四颗及以上GPS卫星、转发信号单元、四个及以上室内定位设备单元、室内被定位设备组成。方法如下：GPS卫星：GPS卫星定位系统由24颗高约2万千米的卫星网络组成，这24颗卫星分布在6个均匀配置的轨道上。卫星这样的分布，主要是为了在地球表面任一地点均可同时接收到4颗以上卫星信号。转发信号单元：布置在预定空间内或预定空间外(如建筑物的外围)某个固定位，转发信号单元对应于该转发信号单元所在地理位置信息的位置标识值；转发信号单元可以接收GPS信号，转发信号单元能转发GPS信息。室内定位系统：每个楼层均装有一套图1和图2所示的定位系统，定位系统由四个信号发射单元(即室内定位单元)组成，四个信号发射单元安装于各楼层的固定位置，其所在地理位置信息均为已知，接收由转发信号单元发出的GPS信息，发送声波定位信号给被定位设备。安装信号发射单元后，设置每个信号发射单元所在地理位置信息的位置标识值。被定位设备：当被定位设备移动到某个位置，接收由信号发射单元发送的声波信号。被定位设备可以有麦克风，用于接收定信号发射单元发送的声波信号。声波信号包括发射单元所在地理位置经纬度信息和海拔信息。GPS可以测定地面点大地经纬度和大地高，卫星定位是在地心空间大地直角坐标系中进行的，这一坐标系和地心大地坐标系可以通过几何关系互相转换。与GPS定位不同的是，本发明上述室内定位系统是得到相对位置，室内四个信号发射单元固定安装在某个位置，选定一个点作为坐标原点，则可以得到四个信号发射单元在该坐标系中的坐标。对于多个楼层的建筑物的室内定位，每个楼层都安装有一个或多个定位系统，对这多套室内定位系统，可以设定同一个点作为室内定位系统的坐标原点O。一般的，室内定位系统的坐标原点可以选为转发信号单元的安装位置。GPS定位的坐标系有大地直角坐标系和地心大地坐标系两种，这两种坐标系可以通过几何关系相互转换。选定较容易测得经纬度和大地高的点作为室内定位系统坐标系的原点，该坐标系和大地直角坐标系或者和地心大地坐标系都可以通过几何关系相互转换。如果能把上述室内定位系统的坐标系转换到卫星定位的坐标系中，也能得到室内被测点的大地经纬度和大地高，由此可以通过GPS来进行室内定位。

具体地，本发明的室内定位和导航方案描述如下：第一步：测得转发信号单元的经纬度和大地高：转发信号单元安装在建筑物室外的固定位置，可以通过GPS测得转发信号单元的经纬度和大地高。第二步：室内定位系统的各个信号发射单元安装位置固定，与转发信号单元相对位置固定，可以计算出室内各信号发射单元对应的地理位置标识值。第三步：计算室内被定位设备的经纬度和大地高：GPS卫星、转发信号单元、室内定位用的信号发射单元的相对位置关系已知，通过上述室内精确定位方法，计算可以得到室内被定位设备的经纬度和大地高。

图3为根据本发明实施方式的预定空间内的室内精确定位示意图。地球表面的GPS接收机的位置是相对于地球而言的，因此，要描述GPS接收机的位置，需要采用固联于地球上随同地球转动的坐标系，即地球坐标系作为参照系。地球坐标系有两种几何表达形式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。地球直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林威治子午圈的交点(即0经度方向)，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系(即指向东经90度方向)。地球大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合。两种坐标系在定位系统中经常交叉使用，可以通过几何关系进行相互转换。图3中，转发信号单元A(x5,y5,z5)可以通过GPS系统测得。室内定位单元的各信号发射单元的位置固定，相对于转发信号单元的位置已知，通过几何算法，可以得到各信号发射单元的地理位置。由上可知，(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)，

(x5,y5,z5)均为已知，通过上述基于声波的室内精确定位方法，可以得到被定位设备的地理位置(x,y,z)，该地理位置信息为经纬度和大地高。综上所述，GPS定位的“最后一公里”，即室内定位和导航得到解决。四星定位还可以应用于室内机器人的定位，如扫地机器人通过精确的室内定位形成室内地图，然后规划有效的扫地路径，提高扫地效率。也可以应用到航行中的海轮的各个楼层内的相对定位和绝对定位，还可以应用到高速旅行中的高铁的各个车厢内的相对定位和绝对定位，等等。本发明实施方式的定位技术还可以用于多媒体智能设备文件传输。多媒体智能设备上的两个声波接收器之间的距离大于7mm时，室内定位系统能精确测得两个声波接收器的位置，得到智能设备的指向，当智能设备转向某个角度，可以向这个角度覆盖的智能设备传输文件及其他操作。

在图1-3中，详细描述了采用至少4个声波信号发射单元的技术方案。实际上，本领域技术人员可以意识到，如果不考虑传播时间不同步问题，利用三个已知位置的信号发射单元即可定位被定位设备。

基于上述描述，本发明还提出了一种基于六棱台结构的定位系统。该定位系统包括：N个次超声发射单元；N个次超声发射单元中的每一个次超声发射单元，分别用于发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，其中N为至少为3的正整数；主超声发射单元，用于发射包含主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号；其中主超声发射单元和N个次超声发射单元位于预定空间内的同一平面；N个次超声发射单元分别位于正多边形的顶点，主超声发射单元布置于所述正多边形的中心；主超声发射单元的布置点架设有第一六棱台，主超声发射单元布置于第一六棱台上；每个次超声发射单元的布置点架设有各自的第二六棱台，每个次超声发射单元分别布置于各自布置点的各自的第二六棱台上。其中：这N个次超声发射单元和主超声发射单元构成一组，可以在云端保存这N个次超声发射单元与该主超声发射单元的标识以及标识之间的对应关系。

智能终端接收该组发出的超声定位信号，包括主超声定位信号和至少三个次超声定位信号。主超声定位信号中包括定位信息和主超声发射单元ID信息，次超声定位信号中包括定位信息和次超声发射单元ID信息。该组定位信号由该组的各个超声发射器同时发出。

在一个实施方式中，第一六棱台的下底面固定在预定空间的天花板上；主超声发射单元包括M个超声发射器，其中M为至少为2的正整数；M个超声发射器中的一个超声发射器，布置在所述第一六棱台的上底面；剩余的(M-1)个超声发射器，布置在所述第一六棱台的侧面。在一个实施方式中，剩余的(M-1)个超声发射器布置在六棱台的相邻侧面上,其中每个相邻侧面布置一个超声发射器。其中，M个超声发射器中的每一个超声发射器，分别用于发射包含主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号。

在一个实施方式中，第二六棱台的下底面固定在预定空间的天花板上；次超声发射单元包括K个超声发射器，其中K为至少为2的正整数；K个超声发射器布置在第二六棱台的相邻侧面上，其中K个超声发射器布置到的相邻侧面分别朝向所述第一六棱台。K个超声发射器中的每一个超声发射器，分别用于发射包含次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号。而且，各个次超声发射单元所包含的超声发射器的数目，可以相同，也可以不相同。

在一个实施方式中，主超声发射单元的布置点架设的第一六棱台与每个次超声发射单元的布置点架设的第二六棱台，具有相同的尺寸。优选的，第一六棱台和第二六棱台的侧面与下底面的夹角范围为[30度，60度]。

图4为根据本发明实施方式的预定空间内的定位系统的布置示意图。在图4中，定位系统包括一个主超声发射单元和6个次超声发射单元；其中主超声发射单元布置于各个次超声发射单元的中心，优选地，各个次超声发生单元布置于正六边形的各个顶点，主发射单元布置于正六边形的中心点处。图4布局可保证UPPC定位覆盖面积最大化。

图5为根据本发明实施方式的六棱台结构图。图5所示的六棱台既可以用于布置主超声发射单元，还可以用于布置次超声发射单元。也就是说，在主超声发射单元的布置点设置图5所示的六棱台，并且在每个次超声发射单元的布置点同样设置图5所示的六棱台。

主超声发射单元包括一或多个超声发射器。主超声发射单元的一个超声发射器布置于如图5所示的六棱台的上底面，用于发射主超声定位信号；主超声发射单元的其余超声发射器布置于该六棱台的侧面，同样用于发射主超声定位信号。布置在上底面上的超声发射器和布置在侧面的超声发射器发射的主定位信号，均包含定位信息和主发射单元ID。优选的，承载主超声发射单元的六棱台下底面布置在天花板上。

次超声发射单元以主超声发射单元为中心布置于主超声发射单元的周围。每个次超声发射单元均包括至少两个超声发射器。每个次超声发射单元的超声发射器分别布置在该次超声发射单元对应的六棱台的相邻侧面上，各个超声发射器布置到的相邻侧面分别朝向主超声发射单元的六棱台。优选的，承载次超声发射单元的六棱台下底面同样布置在天花板上。次超声发射单元的超声发射器用于发射次超声定位信号，该次超声定位信号包括定位信息和次超声发射单元的标识。

该系统还可以包含控制器，用于控制主超声发射单元和次超声发射单元中所有超声发射器按预设频率同时发射主超声定位信号或次超声定位信号。

定位系统布置于室内，用于发射超声定位信号，每个超声发射单元中的超声发射器所发射的超声定位信号包含有自身超声发射单元的ID信息，每个超声发射单元的ID是唯一的。云端存储各个超声发射单元ID和相对坐标，预存室内地图，共享室内环境中各个智能终端相对坐标。

智能终端，用于接收一组超声定位信号，该组超声定位信号包括一个主超声定位信号和至少3个次超声定位信号，基于该组定位信号计算智能终端相对坐标，图6为根据本发明实施方式的超声定位信号组示意图。

主超声定位信号是由定位系统中主超声发射单元发出，第一次定位信号等至少三个次定位信号是由定位系统中各个次超声发射单元发出。各个次发射单元布置于主超声发射单元周围，主超声发射单元布置于各个次超声发射单元中心点处。主超声发射单元中的各个超声发生器布置于一个六棱台上，六棱台下底面固定于室内天花板上，上底面布置一个超声发射器，其余六个侧面根据超声需要覆盖的范围选择布置超声发射器，例如在室内空旷处，可以在六棱台侧面布置多个超声发射器。

在主超声发射单元周围布置多个次超声发生单元。每个次超声发射单元中的各个超声发射器同样布置于一个六棱台上，该六棱台下底面同样固定于天花板上，靠近主超声发射单元的两个侧面布置超声发射器，各个发射器有条件的布置于一个六棱台上，可以有效的扩大超声覆盖范围。

基于该组定位信号计算智能终端相对坐标的体步骤为：

(1)、智能终端基于CDMA技术解析出主超声发射单元ID，并计算出主超声定位信号到达智能终端的延迟时间t0；

(2)、智能终端基于主超声发射单元ID和CDMA技术计算出各个次超声定位信号的各自信噪比(SNR)，选择SNR最大的三个次超声定位信号分别记为第一次定位信号、第二次定位信号和第三次定位信号；

(3)、智能终端基于CDMA技术分别计算第一次定位信号到达智能终端的第一延迟时间t₁，第二次定位信号到达智能终端的第二延迟时间t₂，第三次定位信号到达智能终端的第三延迟时间t₃；

(4)、智能终端基于主超声发射单元ID向云端获取发射第一次定位信号的次超声发射单元相对坐标(x₁，y₁，z₁)、发射第二次定位信号的次超声发射单元相对坐标(x₂，y₂，z₂)、发射第三次定位信号的次超声发射单元相对坐标(x₃，y₃，z₃)和发射主超声定位信号的主超声发射单元相对坐标(x₀，y₀，z₀)；

(5)、基于各个延迟时间t₀、t₁、t₂、t₃和各个相对坐标(x₀，y₀，z₀)、(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)利用TDOA算法计算智能终端的相对坐标(x_c，y_c，z_c)。计算公式如下：

(t_i-t₀)*v＝d_i，c-d_0，c

d_i，c＝[(x_i-x_c)²+(y_i-y_c)²+(z_i-z_c)²]^1/2

d_0，c＝[(x₀-x_c)²+(y₀-y_c)²+(z₀-z_c)²]^1/2

其中i＝1，2，...，6。v为声波在空气中的传播速度是常数340m/s，通过上述方程组可以解出智能终端的相对坐标(x_c，y_c，z_c)。智能终端将相对坐标(x_c，y_c，z_c)发送到云端，云端将该相对坐标对应到室内地图中，并将该相对地图共享给室内环境中智能终端。

云端还用于基于目标位置和当前所处位置，规划路径，并将路径发送给智能终端实现室内智能导航。

当室内面积较大，需安装多个定位系统。当智能终端处于两个定位系统的信号重叠区域内，智能终端有可能接收到来自不同定位系统的多组定位信号。此时，智能终端在解析定位系统中主超声发射单元ID时，会先计算出每个主超声发射单元所发送的主超声定位信号的信噪比，选择信噪比较大的那一组定位信号计算智能终端的相对位置。

可见，本发明实施方式针对次超声发射单元和主超声发射单元均采用了六棱台布置方式。而且，考虑到超声信号指向性强的特点，这种独特的六棱台布置方式可以在保证组内信号覆盖质量的前提下可以尽量减少相邻组间的信号干扰；超声信号呈锥形发射出来，该布置方式可以增强边缘信号强度，保证多组发射装置覆盖范围内无信号盲点，该布置方式还能增加信号传播距离。

图7为根据本发明实施方式的预定空间内的定位方法流程图。该方法适用于定位系统，该定位系统包括：N个次超声发射单元，其中N为至少为3的正整数；主超声发射单元；其中所述主超声发射单元和所述N个次超声发射单元位于所述预定空间内的同一平面；N个次超声发射单元分别位于正多边形的顶点，所述主超声发射单元布置于所述正多边形的中心；主超声发射单元的布置点架设有第一六棱台，所述主超声发射单元布置于所述第一六棱台上；每个次超声发射单元的布置点架设有各自的第二六棱台，每个次超声发射单元分别布置于各自布置点的各自的第二六棱台上。

该方法包括：

步骤701：将用于承载主超声发射单元的第一六棱台的下底面固定在预定空间的天花板上，而且将用于承载次超声发射单元的第二六棱台的下底面固定在预定空间的天花板上。其中，次超声发射单元的数目为至少三个，相应的第二六棱台的数目也为至少三个，每个次超声发射单元对应于一个第二六棱台。而且，各个第二六棱台布置于第一六棱台周围，第一六棱台布置于各个第二六棱台的中心点处。

步骤702：将主超声发射单元的M个超声发射器中的一个超声发射器，布置在第一六棱台的上底面，将主超声发射单元的剩余的(M-1)个超声发射器，布置在第一六棱台的侧面；将每个次超声发射单元的K个超声发射器布置在各自的第二六棱台的相邻侧面上，其中K个超声发射器所布置到的相邻侧面分别朝向第一六棱台，其中M和K都是至少为2的正整数。

步骤703：每个次超声发射单元的每个超声发射器分别发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，主超声发射单元的每个超声发射器发射包含主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号。

步骤704：智能终端接收主超声定位信号和次超声定位信号，基于所述主超声定位信号和次超声定位信号确定所述智能终端在预定空间内的相对坐标。

在上述流程中，这N个次超声发射单元和主超声发射单元构成一组，即属于同一个定位系统。在云端保存这N个次超声发射单元与该主超声发射单元的标识以及标识之间的对应关系。

当智能终端处于至少两个定位系统的信号重叠区域内，智能终端有可能接收到来自不同定位系统的多组定位信号。此时，智能终端在解析定位系统中主超声发射单元ID时，会先计算出两个主超声发射单元所发送的主超声定位信号的信噪比，选择信噪比较大的那一组定位信号计算智能终端的相对位置。

N个次超声发射单元中的每一个次超声发射单元分别发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，主超声发射单元发射包含所述主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号；

智能终端接收主超声定位信号和次超声定位信号，基于所述主超声定位信号和次超声定位信号确定所述智能终端在预定空间内的相对坐标。

图8为根据本发明实施方式的定位系统的示范性布置示意图。

在图8中，01为室内环境天花板，02和05为不同布置形状的定位系统，其中定位系统02具有如上所述的正六边形状(即包含一个位于中心的主超声发射单元和位于正六边形顶点的6个次超声发射单元)，而定位系统05位于天花板的角落位置，具有不规则形状。

03为定位系统02中的次发射单元，04为定位系统02中的主发射单元，如上图中所示，在室内环境面积较大叫宽广的地方可以大范围有规律布置定位系统，在边角或者天花板不好布置的地方，可以随意改变定位系统形状和减少各个次超声发生单元的数量。这样的布置方法可以保证需要定位、导航的室内环境超声定位信号无死角地覆盖。

图9为根据本发明实施方式的定位系统的示范性布置示意图。

如图9中所示：01为室内环境天花板，02、05为定位系统，06为智能终端，07为云端。实现定位的实施步骤为：

第一步：在室内环境中布置多个具有正六边形的定位系统02和多个具有不规则形状的定位系统05；定位系统02布置在天花板中央位置；定位系统05布置在天花板的角落。

第二步：智能终端06确定出一组超声定位信号。比如，智能终端06接收到来自不同定位系统的多组定位信号。智能终端计算出每个定位系统的主超声发射单元所发送的主超声定位信号的信噪比，选择信噪比较大的那一组定位信号计算智能终端的相对位置。

第三步：智能终端06基于CDMA技术解析出主超声发射单元ID，并计算出主定位信号到达智能终端的延迟时间t_0；

第四步：智能终端06基于主发射单元ID和CDMA技术计算出该组中各个次超声定位信号的各自信噪比SNR，选择SNR最大的三个次超声定位信号分别记为第一次定位信号、第二次定位信号和第三次定位信号；

第五步：智能终端06基于CDMA技术分别计算第一次定位信号到达智能智能终端的第一延迟时间t_1，第二次定位信号到达智能终端的第二延迟时间t_2，第三次定位信号到达智能终端的第三延迟时间t_3；

第六步：智能终端06基于主发射单元ID向云端07获取发射第一次定位信号的次超声发射单元相对坐标(x_1,y_1,z_1)、发射第二次定位信号的次超声发射单元相对坐标(x_2,y_2,z_2)、发射第三次定位信号的次超声发射单元相对坐标(x_3,y_3,z_3)和发射主定位信号的主发射单元相对坐标(x_0,y_0,z_0)；

基于各个延迟时间t_0,t_1,t_2,t_3和各个相对坐标(x_0,y_0,z_0)、(x_1,y_1,z_1)、(x_2,y_2,z_2)、(x_3,y_3,z_3)利用TDOA算法计算智能终端的相对坐标(x_c,y_c,z_c)。

第七步：智能终端06将相对坐标(x_c,y_c,z_c)发送到云端07，云端07将该相对坐标对应到室内地图中，并将该相对地图共享给室内环境中智能终端。

第八步：云端07根据智能终端06发送的目标位置信息和06当前位置信息，规划导航路径，并将该导航路径发送给智能终端06。

综上所述，本发明实施方式针对次超声发射单元和主超声发射单元均采用了六棱台布置方式。超声信号呈锥形发射出来，该布置方式可以增强边缘信号强度。

而且，考虑到超声信号指向性强的特点，这种独特的六棱台布置方式可以在保证组内信号覆盖质量的前提下可以尽量减少相邻组间的信号干扰，保证多组发射装置覆盖范围内无信号盲点，该布置方式还能增加信号传播距离

各实施方式中的硬件模块可以以机械方式或电子方式实现。例如，一个硬件模块可以包括专门设计的永久性电路或逻辑器件(如专用处理器，如FPGA或ASIC)用于完成特定的操作。硬件模块也可以包括由软件临时配置的可编程逻辑器件或电路(如包括通用处理器或其它可编程处理器)用于执行特定操作。至于具体采用机械方式，或是采用专用的永久性电路，或是采用临时配置的电路(如由软件进行配置)来实现硬件模块，可以根据成本和时间上的考虑来决定。

本发明还提供了一种机器可读的存储介质，存储用于使一机器执行如上述方法的指令。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施方式的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。此外，还可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作。还可以将从存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施方式中任一实施方式的功能。

用于提供程序代码的存储介质实施方式包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机或云上下载程序代码。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预定空间内的定位系统，其特征在于，包括：

N个次超声发射单元；所述N个次超声发射单元中的每一个次超声发射单元，分别用于发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，其中N为至少为3的正整数；

主超声发射单元，用于发射包含所述主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号；

其中所述主超声发射单元和所述N个次超声发射单元位于所述预定空间内的同一平面；所述N个次超声发射单元分别位于正多边形的顶点，所述主超声发射单元布置于所述正多边形的中心；所述主超声发射单元的布置点架设有第一六棱台，所述主超声发射单元布置于所述第一六棱台上；每个次超声发射单元的布置点架设有各自的第二六棱台，每个次超声发射单元分别布置于各自布置点的各自的第二六棱台上。

2.根据权利要求1所述的预定空间内的定位系统，其特征在于，所述第一六棱台的下底面固定在所述预定空间的天花板上；

所述主超声发射单元包括M个超声发射器，其中M为至少为2的正整数；所述M个超声发射器中的一个超声发射器，布置在所述第一六棱台的上底面；剩余的(M-1)个超声发射器，布置在所述第一六棱台的侧面。

3.根据权利要求2所述的预定空间内的定位系统，其特征在于，

所述剩余的(M-1)个超声发射器布置在所述六棱台的相邻侧面上,其中每个相邻侧面布置一个超声发射器。

4.根据权利要求1所述的预定空间内的定位系统，其特征在于，所述第二六棱台的下底面固定在所述预定空间的天花板上；所述次超声发射单元包括K个超声发射器，其中K为至少为2的正整数；所述K个超声发射器布置在所述第二六棱台的相邻侧面上，其中所述K个超声发射器布置到的相邻侧面分别朝向所述第一六棱台。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的预定空间内的定位系统，其特征在于，

所述主超声发射单元的布置点架设的第一六棱台与每个次超声发射单元的布置点架设的第二六棱台，具有相同的尺寸。

6.根据权利要求5所述的预定空间内的定位系统，其特征在于，

所述第一六棱台和所述第二六棱台的侧面与下底面的夹角范围为[30度，60度]。

7.根据权利要求6所述的预定空间内的定位系统，其特征在于，所述预定空间为静态空间或可移动的空间；所述静态空间包括下列中的至少一个：楼宇、机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井、教室；所述可移动的空间包括下列中的至少一个：地铁、火车、汽车、飞机或轮船。

8.一种预定空间内的定位方法，其特征在于，该方法适用于定位系统，该定位系统包括：N个次超声发射单元，其中N为至少为3的正整数；主超声发射单元；其中所述主超声发射单元和所述N个次超声发射单元位于所述预定空间内的同一平面；所述N个次超声发射单元分别位于正多边形的顶点，所述主超声发射单元布置于所述正多边形的中心；所述主超声发射单元的布置点架设有第一六棱台，所述主超声发射单元布置于所述第一六棱台上；每个次超声发射单元的布置点架设有各自的第二六棱台，每个次超声发射单元分别布置于各自布置点的各自的第二六棱台上；该方法包括：

所述N个次超声发射单元中的每一个次超声发射单元分别发射包含各自的次超声发射单元的标识信息的次超声定位信号，主超声发射单元发射包含所述主超声发射单元的标识信息的主超声定位信号；

智能终端接收主超声定位信号和次超声定位信号，基于所述主超声定位信号和次超声定位信号确定所述智能终端在预定空间内的相对坐标。

9.根据权利要求8所述的预定空间内的定位方法，所述主超声发射单元包括M个超声发射器，其中M为至少为2的正整数；所述次超声发射单元包括K个超声发射器，其中K为至少为2的正整数；该方法还预先包括：

将所述第一六棱台的下底面固定在所述预定空间的天花板上，将第二六棱台的下底面固定在所述预定空间的天花板上；

将主超声发射单元的M个超声发射器中的一个超声发射器，布置在所述第一六棱台的上底面，将主超声发射单元的剩余的(M-1)个超声发射器，布置在所述第一六棱台的侧面；

将次超声发射单元的K个超声发射器布置在所述第二六棱台的相邻侧面上，其中所述K个超声发射器所布置到的相邻侧面分别朝向所述第一六棱台。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其中存储有计算机可读指令，该计算机可读指令用于执行如权利要求8所述的预定空间内的定位方法。

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