CN117782067A - 定位装置、定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位装置、定位系统及定位方法。根据本发明实施例的定位装置包括：第一发射源，用于在第一方向上形成第一磁场；以及第二发射源，用于在第二方向上形成第二磁场，其中，所述第一方向与所述第二方向相交；所述第一磁场和所述第二磁场叠加形成用于定位的复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。根据本发明实施例的定位装置、定位系统及定位方法，能够准确地实现定位。

Description

定位装置、定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，特别涉及一种定位装置、定位系统及定位方法。

背景技术

卫星定位系统(GPS)的出现极大的提升了人们在科学、工业、农业等相关领域的追踪、导航和救援方面的效率。但随着城市的发展，高层楼宇、商场和地下室等场景，对定位也有越来越强烈的需求。但是，这些场景通常没有GPS信号或仅有较弱的GPS信号，并且由于多径效应、信号干扰等的存在，GPS无法实现室内精确定位的问题。

为了解决上述问题，出现了多种新的室内定位技术，例如基于无线保真(WirelessFidelity，Wi-Fi)的方法、基于基站的方法、基于射频识别(Radio FrequencyIdentification，RFID)的方法、基于蓝牙(BlueTooth)的方法等。但是现有的室内定位技术往往存在着各种不同的缺陷，目前尚未有特别出色的解决方案。

因此，希望能有一种新的定位装置、定位系统及定位方法，能够解决上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种定位装置、定位系统及定位方法，特别是一种采用低频交流磁场解决室内定位问题的方案，从而准确地实现定位。

根据本发明的一方面，提供一种定位装置，包括：

第一发射源，用于在第一方向上形成第一磁场；以及

第二发射源，用于在第二方向上形成第二磁场，

其中，所述第一方向与所述第二方向相交；

所述第一磁场和所述第二磁场叠加形成用于定位的复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

可选地，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向的交点为定位原点；

所述特征量表征与所述定位原点之间的距离和/或方向。

可选地，所述第一发射源包括第一发射器和第一螺线管；所述第一螺线管沿所述第一方向设置；

所述第一发射器向所述第一螺线管提供第一频率的交流驱动信号以形成所述第一磁场；所述第一频率介于1赫兹至20赫兹之间；

所述第二发射源包括第二发射器和第二螺线管；所述第二螺线管沿所述第二方向设置；

所述第二发射器向所述第二螺线管提供第二频率的交流驱动信号以形成所述第二磁场；所述第二频率介于1赫兹至20赫兹之间。

可选地，所述定位装置还包括：

接收模块，所述接收模块接收所述复合磁场，并根据所述接收模块所处位置处的复合磁场的特征量，运算得到所述接收模块所处位置处与所述第一发射源和所述第二发射源之间的距离和/或方向。

可选地，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向的交点为定位原点；

所述接收模块包括：

三轴正交磁通门；

与所述三轴正交磁通门相连接的三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于调节俯仰角和偏航角，以使所述三轴正交磁通门的三个轴分别指向所述第一方向、所述第二方向、与所述第一方向和所述第二方向相交且垂直的第三方向。

可选地，所述接收模块包括：

运算单元，所述运算单元根据所述接收模块所处位置处的复合磁场的特征量，运算得到所述接收模块所处位置处与所述第一发射源和所述第二发射源之间的距离和/或方向，

其中，所述运算单元的运算包括去除低频趋势(包括去除数据的直流和线性项等)、数字滤波(器)、快速傅里叶变换提取信号中的至少一种。

可选地，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向的交点为定位原点；采用数学模型表征所述复合磁场；

所述接收模块包括：

运算单元，所述运算单元根据所述数学模型运算得到对应于所述第一发射源的第一位置和对应于所述第二发射源的第二位置，并根据所述第一位置和所述第二位置得到第三位置，

其中，所述第三位置表征所述接收模块所处位置处与所述定位原点间的距离和方位。

根据本发明的另一方面，提供一种定位系统，包括：

三轴正交磁通门，用于接收复合磁场；

与所述三轴正交磁通门相连接的三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于调节俯仰角和偏航角，以使所述三轴正交磁通门的三个轴分别指向第一方向、第二方向、与所述第一方向和所述第二方向相交且垂直的第三方向；以及

运算单元，与所述三轴正交磁通门相连接以获取所述复合磁场的特征量，并根据所述特征量运算得到定位，

其中，在所述第一方向上形成的第一磁场和在所述第二方向上形成的第二磁场叠加形成所述复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

根据本发明的又一方面，提供一种定位方法，包括：

在第一方向上形成第一磁场；

在第二方向上形成第二磁场，其中，所述第一方向和所述第二方向相交；

所述第一磁场和所述第二磁场叠加形成用于定位的复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

根据本发明的再一方面，提供一种定位方法，包括：

调节俯仰角和偏航角，以使三轴正交磁通门的三个轴分别指向第一方向、第二方向、与所述第一方向和所述第二方向相交且垂直的第三方向；

通过所述三轴正交磁通门接收复合磁场；

根据所述复合磁场的特征量运算得到定位，

其中，在所述第一方向上形成的第一磁场和在所述第二方向上形成的第二磁场叠加形成所述复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

本发明实施例提供的定位装置、定位系统及定位方法，不同方向的第一磁场和第二磁场叠加形成复合磁场，根据复合磁场不同位置处的不同的特征量，可以精确地实现定位。

进一步地，根据第一发射源和第二发射源形成的复合磁场进行定位，无需GPS的参与，能够精确地实现室内的定位。

进一步地，通过螺线管形成低频交流的第一磁场和第二磁场，进而形成用于定位的复合磁场，装置的结构简单、易于实现。

进一步地，通过三轴加速度计和三轴陀螺仪调节俯仰角和偏航角，通过三轴正交磁通门接收复合磁场，消除了角度误差、偏离误差和累计误差等，得到的数据更加准确，定位更加精准。

进一步地，通过运算去除低频趋势，进行数字滤波，通过快速傅里叶变换提取信号，能够去除噪声，得到的定位结果更加准确。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的定位装置的装置示意图；

图2示出了根据本发明实施例的定位装置的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的数学模型的表达方式；

图4示出了根据本发明实施例的定位系统的装置示意图；

图5示出了根据本发明实施例一的定位方法的方法流程图；

图6示出了根据本发明实施例二的定位方法的方法流程图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

图1示出了根据本发明实施例的定位装置的装置示意图。如图1所示，根据本发明实施例的定位装置包括第一发射源100和第二发射源200。

具体地讲，第一发射源100用于在第一方向上形成第一磁场。第二发射源200用于在第二方向上形成第二磁场。其中，第一方向与第二方向相交。可选地，在第一方向上形成第一磁场是指，第一磁场的两个磁极间的连线方向与第一方向一致；在第二方向上形成第二磁场是指，第二磁场的两个磁极间的连线方向与第二方向一致。

第一磁场和第二磁场叠加形成用于定位的复合磁场，复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。复合磁场的特征量可以是磁场线、磁标势、磁矢势、磁感应强度等中的至少一种。可选地，复合磁场的特征量用于定位。

可选地，第一方向垂直于第二方向，第一方向和第二方向的交点为定位原点。(不同位置处复合磁场的)特征量表征与定位原点之间的距离和/或方向。

在本发明的可选实施例中，如图1所示，定位装置还包括接收模块300。接收模块300接收复合磁场，并根据接收模块300所处位置处的复合磁场的特征量，运算得到接收模块300所处位置处与第一发射源100和第二发射源200之间的距离和/或方向。根据接收模块300所处位置处与第一发射源100和第二发射源200之间的距离和/或方向，便可确定接收模块300的相对位置，从而实现定位。可选地，接收模块300可以是一个独立的器件或者是与其它部分集成在一起。接收模块300例如安装在无人驾驶车上、或是集成在无人驾驶车上，用于无人驾驶车(在室内)的定位。接收模块300也可以安装/集成在移动终端(手机等)上，用于携带者的室内定位。当然，如本申请所述的接收模块300也可以使用在其他的场景下，例如应用在任何需要定位/寻找方向的设备上。

图2示出了根据本发明实施例的定位装置的结构示意图。如图2所示，在根据本发明实施例的定位装置中，第一发射源包括第一发射器(图中未示出)和第一螺线管101，第二发射源包括第二发射器(图中未示出)和第二螺线管201。图2中示出的螺线管的缠绕方式仅为一个示例，螺线管的缠绕方向、缠绕间距等，可以根据实际情况进行设置。

具体地讲，第一螺线管101沿第一方向设置(即第一螺线管101的长度方向与第一方向重合)，第一发射器向第一螺线管101提供第一频率的交流驱动信号以形成第一磁场。第一频率例如为低频，可以是介于1赫兹至20赫兹之间。

第二螺线管201沿第二方向设置(即第二螺线管201的长度方向与第二方向重合)，第二发射器向第二螺线管201提供第二频率的交流驱动信号以形成第二磁场。第二频率例如为低频，可以是介于1赫兹至20赫兹之间。其中，第一方向垂直于第二方向，第一方向和第二方向的交点为定位原点。

在本发明的可选实施例中，接收模块包括三轴正交磁通门以及与三轴正交磁通门相连接的三轴加速度计和三轴陀螺仪。三轴加速度计和三轴陀螺仪用于调节俯仰角和偏航角，以使三轴正交磁通门的三个轴分别指向第一方向、第二方向、与第一方向和第二方向相交且垂直的第三方向。可选地，磁通门(fluxgate magnetometer)是一种测量磁场强度和方向的仪器。它基于磁通门效应，利用磁场对材料磁导率的影响来测量磁场。磁通门由两个磁性材料组成，通常是硬磁性材料。这两个材料之间有一个空隙，通过空隙中的磁场来测量外部磁场。当外部磁场施加在磁通门上时，磁场会使得磁性材料的磁化方向发生变化，从而改变磁通门的磁导率。通过测量磁通门中的磁导率变化，可以确定外部磁场的强度和方向。

可选地，接收模块包括运算单元。运算单元根据接收模块所处位置处的复合磁场的特征量，运算得到接收模块所处位置处与第一发射源和第二发射源之间的距离和/或方向。其中，运算单元的运算包括去除低频趋势(例如包括去除数据的直流和线性项等)、数字滤波、快速傅里叶变换提取信号等中的至少一种。

可选地，第一方向垂直于第二方向，第一方向和第二方向的交点为定位原点。采用数学模型表征复合磁场。接收模块包括运算单元。运算单元根据数学模型运算得到对应于第一发射源的第一位置和对应于第二发射源的第二位置，并根据第一位置和第二位置得到第三位置。其中，第三位置表征接收模块所处位置处与定位原点间的距离和方位。

结合图2所示，在本发明的一个具体实施例中，定位装置可以用于室内定位。具体地，在室内建筑的一个位置放置第一螺线管101和第二螺线管201(发射模块)。第一螺线管101和第二螺线管201是两根正交的螺线管，第一螺线管101指向东方向(第一方向)，第二螺线管201指向北方向(第二方向)。第一螺线管101和第二螺线管201可以(在低频交流信号发射器的驱动下)发射低频磁信号。第一螺线管101发射的信号频率可以自由设置，设置范围为例如在[1,20]赫兹内可选。第一螺线管201发射的信号频率可以自由设置，设置范围为例如在[1,20]赫兹内可选。发射模块(第一螺线管101和第二螺线管201)位置的坐标通常是可以轻易获得的，可以记成[X0 Y0 Z0]；这里X方向可以定义为东方向，Y方向可以定义为北方向，Z方向可以定义为天方向。可选地，第一螺线管101的一端和第二螺线管201的一端相连接，连接位置处记为[X0 Y0Z0]。接收装置(模块)可以采用集成方式，将三轴正交磁通门、三轴陀螺仪、三轴加速度计组合，通过高位AD采样，对传感器数据进行分析，通过三轴加速度计和三轴陀螺仪调节俯仰角和偏航角，使得三轴磁通门分别指向X方向、Y方向和Z方向，即磁通门坐标系与磁放射源坐标系重合。调整完成后，对采集到的磁通门AD数据进行处理，首先去除低频趋势，去除数据的直流和线性项；然后采用快速傅里叶变换的方法把信号提取出来；信号是两个频率的信号，分别求解出来。

螺线管的数学模型(磁场模型)可以写成图3所示的形式。通过解方程的方法可以用螺线管的磁场反解相对位置，两个螺线管求出两组解为[X1,Y1,Z1][X2,Y2,Z2]。将上述两个解取平均即为相对位置；[X3,Y3,Z3]。发射模块的坐标是已知的[X0,Y0,Z0]，则设备此时的位置为[X0+X3,Y0+Y3,Z0+Z3]，实现定位。进一步地，在想去的目标位置也是已知的，设为[X5,Y5,Z5]的情况下，目标位置与定位得到的位置间的距离为[X5-X3-X0,Y5-Y3-Y0,Z5-Z3-Z0]。通常在寻找位置的时候Z方向我们并不需要关心，这时候前往目标位置的前进方向坐标就是[X5-X3-X0,Y5-Y3-Y0]。通过这个坐标我们就可以知道相对方位，陀螺仪可以求出当前的方位，结合相对方位就知道如何向目标位置移动。

需要说明的是，根据本发明实施例的定位装置可以是仅包括形成复合磁场的发射模块部分(第一发射源和第二发射源等)，也可以是在包括发射模块部分的基础上，还包括接收复合磁场的接收模块。当然，根据本发明的另一方面，还提供一种仅包括接收复合磁场的接收模块的定位系统。发射模块部分和接收模块相对独立，二者可以是两个独立的器件，独立的作为产品进行生产、销售；发射模块部分和接收模块也可以作为一个整体的产品进行生产、销售。

图4示出了根据本发明实施例的定位系统的装置示意图。如图4所示，根据本发明实施例的定位系统包括三轴正交磁通门301、三轴加速度计302、三轴陀螺仪303和运算单元304。

具体地讲，三轴正交磁通门301用于接收复合磁场。

三轴加速度计302和三轴陀螺仪303与三轴正交磁通门301相连接，用于调节俯仰角和偏航角，以使三轴正交磁通门301的三个轴分别指向第一方向、第二方向、以及(分别)与第一方向和第二方向相交且垂直的第三方向。其中，在所述第一方向上形成的第一磁场和在所述第二方向上形成的第二磁场叠加形成所述复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

运算单元304与三轴正交磁通门301相连接以获取符合磁场的特征量，并根据特征量运算得到定位。可选地，运算得到定位的具体方案可参照上文对应描述的部分。

根据本发明实施例的定位系统，可以作为独立的产品/部件，安装/集成在手机、无人车等有定位、导航需求的装置上。在定位系统处于复合磁场下、且获取了磁场模型的情况下，定位系统可以精准地实现定位。

图5示出了根据本发明实施例一的定位方法的方法流程图。根据本发明实施例一的定位方法例如用于如上所述的定位装置。如图5所示，根据本发明实施例一的定位方法包括以下步骤：

在步骤S101中，在第一方向上形成第一磁场；

在第一方向上形成第一磁场，即第一磁场的两个磁极间的连线方向与第一方向一致。

在步骤S102中，在第二方向上形成第二磁场；

在第二方向上形成第二磁场，即第二磁场的两个磁极间的连线方向与第二方向一致。其中，所述第一方向和所述第二方向相交。

在步骤S103中，第一磁场和第二磁场叠加形成用于定位的复合磁场。

第一磁场和第二磁场叠加形成用于定位的复合磁场，复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。可选地，第一磁场和第二磁场形成后，便(自动)叠加形成了复合磁场。

图6示出了根据本发明实施例二的定位方法的方法流程图。根据本发明实施例二的定位方法例如用于如上所述的定位系统。如图6所示，根据本发明实施例二的定位方法包括以下步骤：

在步骤S201中，调节俯仰角和偏航角，以使三轴正交磁通门的三个轴分别指向第一方向、第二方向、与所述第一方向和所述第二方向相交且垂直的第三方向；

通过三轴加速度计和三轴陀螺仪调节俯仰角和偏航角，以使三轴正交磁通门的三个轴分别指向第一方向、第二方向、以及与第一方向和第二方向相交且垂直的第三方向。

在步骤S202中，通过三轴正交磁通门接收复合磁场；

通过三轴正交磁通门接收复合磁场。其中，在第一方向上形成的第一磁场和在第二方向上形成的第二磁场叠加形成所述复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

在步骤S203中，根据复合磁场的特征量运算得到定位。

根据复合磁场的特征量运算得到定位。可选地，运算得到定位的具体方案可参照上文对应描述的部分。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种定位装置，包括：

第一发射源，用于在第一方向上形成第一磁场；以及

第二发射源，用于在第二方向上形成第二磁场，

其中，所述第一方向与所述第二方向相交；

所述第一磁场和所述第二磁场叠加形成用于定位的复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

2.根据权利要求1所述的定位装置，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向的交点为定位原点；

所述特征量表征与所述定位原点之间的距离和/或方向。

3.根据权利要求2所述的定位装置，其中，所述第一发射源包括第一发射器和第一螺线管；所述第一螺线管沿所述第一方向设置；

所述第一发射器向所述第一螺线管提供第一频率的交流驱动信号以形成所述第一磁场；所述第一频率介于1赫兹至20赫兹之间；

所述第二发射源包括第二发射器和第二螺线管；所述第二螺线管沿所述第二方向设置；

所述第二发射器向所述第二螺线管提供第二频率的交流驱动信号以形成所述第二磁场；所述第二频率介于1赫兹至20赫兹之间。

4.根据权利要求1所述的定位装置，其中，所述定位装置还包括：

接收模块，所述接收模块接收所述复合磁场，并根据所述接收模块所处位置处的复合磁场的特征量，运算得到所述接收模块所处位置处与所述第一发射源和所述第二发射源之间的距离和/或方向。

5.根据权利要求4所述的定位装置，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向的交点为定位原点；

所述接收模块包括：

三轴正交磁通门；

与所述三轴正交磁通门相连接的三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于调节俯仰角和偏航角，以使所述三轴正交磁通门的三个轴分别指向所述第一方向、所述第二方向、与所述第一方向和所述第二方向相交且垂直的第三方向。

6.根据权利要求4所述的定位装置，其中，所述接收模块包括：

运算单元，所述运算单元根据所述接收模块所处位置处的复合磁场的特征量，运算得到所述接收模块所处位置处与所述第一发射源和所述第二发射源之间的距离和/或方向，

其中，所述运算单元的运算包括去除低频趋势、数字滤波、快速傅里叶变换提取信号中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的定位装置，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向的交点为定位原点；采用数学模型表征所述复合磁场；

所述接收模块包括：

运算单元，所述运算单元根据所述数学模型运算得到对应于所述第一发射源的第一位置和对应于所述第二发射源的第二位置，并根据所述第一位置和所述第二位置得到第三位置，

其中，所述第三位置表征所述接收模块所处位置处与所述定位原点间的距离和方位。

8.一种定位系统，包括：

三轴正交磁通门，用于接收复合磁场；

与所述三轴正交磁通门相连接的三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于调节俯仰角和偏航角，以使所述三轴正交磁通门的三个轴分别指向第一方向、第二方向、与所述第一方向和所述第二方向相交且垂直的第三方向；以及

运算单元，与所述三轴正交磁通门相连接以获取所述复合磁场的特征量，并根据所述特征量运算得到定位，

其中，在所述第一方向上形成的第一磁场和在所述第二方向上形成的第二磁场叠加形成所述复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

9.一种定位方法，包括：

在第一方向上形成第一磁场；

在第二方向上形成第二磁场，其中，所述第一方向和所述第二方向相交；

所述第一磁场和所述第二磁场叠加形成用于定位的复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。

10.一种定位方法，包括：

调节俯仰角和偏航角，以使三轴正交磁通门的三个轴分别指向第一方向、第二方向、与所述第一方向和所述第二方向相交且垂直的第三方向；

通过所述三轴正交磁通门接收复合磁场；

根据所述复合磁场的特征量运算得到定位，

其中，在所述第一方向上形成的第一磁场和在所述第二方向上形成的第二磁场叠加形成所述复合磁场，所述复合磁场在不同位置处具有不同的特征量。