CN1841086A

CN1841086A - 定位系统和减少超声信号冲突的方法

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Publication number: CN1841086A
Application number: CNA2005100625456A
Authority: CN
Inventors: 余旭文; 魏强; 张玲
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: CN1841086B

Abstract

公开了一种定位系统，其能够最大限度的减少定位信息的冲突，并且根据位置信息来最优化发射参数设置，提高定位效果并减少节点能量消耗。该系统包括：多个定位节点，用于发送其位置信息、超声波信号和无线电信号；至少一个接受节点；中央控制器，该中央控制器包括：无线电通信装置，用于与各个定位节点进行无线电通信；区域划分装置，其根据通过无线电通信装置接收的各个定位节点的位置信息来将定位节点划分成多个区域；排序装置，其对分别属于同一区域的各个定位节点按照位置关系进行排序；其中定位节点按照排序装置排定的顺序向所述接受节点发送其位置信息、超声波信号和无线电信号；接受节点根据所述定位节点发送的位置信息、超声波信号和无线电信号确定自己的位置。

Description

定位系统和减少超声信号冲突的方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术，具体涉及一种定位系统和在该定位系统中基于定位节点位置信息减少超声波信号冲突的方法。

背景技术

现有的定位系统包括GPS，移动网络定位等等，已经得到广泛的应用，但是以上技术在室内无法应用。随着技术的发展，室内定位技术受到广泛的重视，现有的室内定位方法包括利用无线电、超声波、红外、超宽带等媒介、采用TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、RSSI(Received Signal Strength Indictor)和RSSI(Received Signal Strength Indictor)等方法来实现定位服务。

本发明讨论的主要是主从式定位系统。在这种定位网络系统中结点的地位并不是完全平等，节点被分为两类：定位节点(beacon)和移动节点。定位节点事先被布置好，并不间断的发送本节点的位置信息和定位信息(如超声波等)，移动节点通过接受这些信息加以处理，就能够确定自己的位置。

但是，如果各个定位节点同时发射定位信息，就很容易造成定位信息的彼此冲突。如何解决这个问题是提高定位系统性能的一个重要因素。

目前解决的方法包括采用随机检测接入的方法、或者所有的节点独立发射、通过接受端的识别来处理(参考文献1：Nissanka B.Priyantha，AnitChakraborty，Hari Balakrishnan，The Cricket Location-Support system，Proc.6th ACM MOBICOM，Boston，MA，August 2000)、或者对超声波脉冲进行载波的方法(参见文献2：MicroPatent Report US 6317386B1 METHOD OFINCREASING THE CAPACITY AND ADDRESSING RATE OF ANLTRASONIC LOCATION SYSTEM，AT&T)。

图10(a)示出了随机发射出现的无法判断情况，如果定位节点同时发射定位信息，就很容易造成定位信息的彼此冲突，从而使接受端无法正确判断。对此，参考文献1的方法假设发射的时间和间隔比较大，发生无法分辨的情况并不常见，从而可以接受完全随机发射，不考虑节点间协调的问题。但是实际上由于发生重叠的可能性比较大，由此造成的错误认知是导致本方法错误率上升的重要原因。虽然在参考文献1中阐述了如何用统计分析的方法来区分哪些是正确的(射频信号，超声信号)对，如何去除显然错误的信号对，但是由于有些信号对在原理上是无法区分的，所以必然会导致距离的错误计算，在定位节点相对密集的时候问题更加严重。

参考文献2利用超声波载波信号来分辨哪个是正确的到达信号，但是这样会增加硬件成本和复杂度，并且受到室内多径效应的影响比较大。采用对信道随机碰撞检测的方法虽然可以较好的处理信号冲突问题，但是完全的随机检测效率不高。

并且以上方法均没有考虑到定位节点的位置已经确定而且已知，这是可以利用的信息，可以用于有效避免信号的冲突、错误检测和系统地发射参数的优化。

这些方法处理的时候可能造成定位响应时间的不确定，带来系统误差等，而且并没有充分利用到定位节点的位置信息为确定且已知的特点。

发明内容

本发明针对的是基于TDOA的主从式定位系统。定位节点发射射频信号和另外一种速度较低的信号(如声波，超声波等)，接受节点通过测量它们到达的时间差别，来决定定位节点与接受节点的距离，进而确定它们的位置。但是，在TDOA方法中，定位节点如果同时发射定位信息，就很容易造成定位信息的彼此冲突，从而使接受端无法正确判断。

本发明提出的方法充分利用定位节点的位置已经确定而且可以通过中央控制器获得的特点，利用这些信息减少甚至消除信息冲突，提高系统的定位精度，并提高系统的节能效果。

在本发明的一个方面，提出了一种定位系统，包括：多个定位节点，用于发送其位置信息、超声波信号和无线电信号；至少一个接受节点；中央控制器，该中央控制器包括：无线电通信装置，用于与各个定位节点进行无线电通信；区域划分装置，其根据通过无线电通信装置接收的各个定位节点的位置信息来将定位节点划分成多个区域；排序装置，其对属于同一区域的各个定位节点按照位置关系进行排序；其中定位节点按照排序装置排定的顺序向所述接受节点发送其位置信息、超声波信号和无线电信号；接受节点根据所述定位节点发送的位置信息、超声波信号和无线电信号确定自己的位置。

在本发明的另一方面，提出了一种在定位系统中减少超声波信号冲突的方法，所述定位系统包括多个定位节点、至少一个接受节点、和中央控制器，所述方法包括步骤：定位节点向中央控制器发送其位置信息；中央控制器根据各个定位节点的位置信息将定位节点划分成多个区域；中央控制器对属于同一区域的各个定位节点按照位置关系进行排序；定位节点按照排定的顺序向所述接受节点发送其位置信息、超声波信号和无线电信号；接受节点根据所述定位节点发送的位置信息、超声波信号和无线电信号确定自己的位置。

采用本发明上述的系统和方法，能够最大限度的减少定位信息的冲突，并且根据位置信息来最优化发射参数设置，提高定位效果并减少节点能量消耗。

附图说明

图1示出了在本发明的系统中使用的节点的结构框图；

图2示出了本发明的超声波测距的示意图；

图3示出了本发明的主从式定位系统的结构框图；

图4示出了本发明的主从式定位系统中的中央控制器的结构框图；

图5是区域划分的示意图，其中将节点划分成A、B和C三个区域；

图6是对划分在同一区域中的定位节点排序的示意图；

图7示出了本发明的在定位系统中减少超声波信号冲突的方法的流程图；

图8示出了本发明的设置参数的流程图；

图9是在不同密度的区域设置不同的参数的示意图；

图10(a)示出了随机发射出现的无法判断情况；以及

图10(b)示出了本发明中顺序发送的情况。

具体的实施方式

以下对照附图以具体实施例的方式对本发明的方法进行详细的说明。在基于TDOA的主从式定位系统中，本发明中使用的硬件平台为具有超声波通信功能和无线电通信功能的节点，图1示出了该节点的结构框图。

如图1所示，节点包括：用于存储数据的存储器模块10、与存储器模块连接的控制器模块11、与外部进行超声波通信的超声波通信模块13、与外部进行无线电通信的无线电通信模块14、用于将来自超声波通信模块13和无线电通信模块14的模拟信号转换成数字信号并发送给控制器模块11的A/D转换模块12。

为实现传感器网络节点的定位，首先要得到该网络中给节点的位置信息。而要确定给节点的位置，根据三角定位方法，需要知道3个已知位置的固定节点和未知节点同固定节点之间的距离。本设计的中心内容为如何使用无线信号的方法准确测定未知节点和固定节点之间的距离。

图2示出了本发明的超声波测距的示意图。在超声波TDOA测距中，假设发送节点为超声波和无线信号发射端，而接受节点为接收端，则测距过程如下：

a)发送节点同时发射无线电同步信号和超声波测距信号；

b)接受节点接收到无线信号开始计时，记下初始时间T_s；

c)接受节点接收到超声波测距信号，记下接受时间T_e，然后计算超声波传输时间T_D＝T_e-T_s；

d)通过以下公式计算求得发送节点和接受节点之间的距离D，其中V_sound是超声波的速度：

D＝T_D×V_sound (1)

换句话说，定位节点发射射频信号和另外一种速度较低的信号(如超声波等)，接受节点通过测量它们到达的时间差别，来决定定位与接受节点的距离。

在本发明的主从式的定位系统中，发送节点发送本节点的位置信息、无线电同步信息和超声波信息，接受节点通过TDOA计算到发送节点的距离，只要计算三个或以上距离，就可以确定自己的位置，作为导航或者定位管理所用。

图3示出了本发明的主从式定位系统的结构框图。在本发明中，通过采用现有的技术，确定定位节点本身的位置，并传送给中央控制器。中央控制器用这些位置信息来优化网络的性能，以帮助提高网络的定位效果。

如图4所示，本发明的定位系统中，中央控制器包括：无线电通信单元41，用于与各个定位节点进行无线电通信；区域划分单元42，其根据通过无线电通信单元41接收的各个定位节点的位置信号来将定位节点划分成多个区域；排序单元43，其对属于同一区域的各个定位节点按照位置关系进行排序。

在区域划分之后，区域划分单元42向划分到同一区域的定位节点发送区域标识信息，例如，向图5中的A区域中的定位节点发送标识信息1，向B区域中的定位节点发送标识信息2，向C区域中的定位节点发送标识信息3。

在排序单元43中，根据区域中的各个定位节点之间的位置关系排序，并将排定的顺序发送给区域中的节点。例如，在图6中，向区域A中的定位节点依次发送序号11、12、13、14和15，向B区域中的定位节点依次发送序号21、22、23、24、25和26。

然后，在定位过程中，A区域中的定位节点按照上述顺序向接受节点发送位置信号，在收到至少三个定位节点的位置信息后，接受节点计算出自己的位置。

注意到，为了达到有效的定位效果，发送定位信息的频率并不需要很高，如果采用的是超声定位的方法，由试验证明在平均每个节点发射时间间隔为(800-1000毫秒+随机间隔)的情况下，仍然可以达到较好的定位效果，因此通过有序发射的方式能减少定位信息的冲突。但是由于网络的规模不确定，在整个网络有序发送实际上并不可行。这样会导致定位响应时间的不确定性。

但是，一个大范围的网络根据位置信息，可以划分为一些较小的区域，有效地而正确地区域划分是实施下一步算法的重要基础。

本发明建议的区域划分的原则是临近聚集，并建议10～20个定位节点为一组，两个定位节点之间距离2-5米。因为在定位信息发射功率下超声有效传播时间大约是25-30毫秒，也就是说在按照现有的发射频率，一个小区域内的节点容量上限可以达到30个，它们采用有序发送信息方式，基本可以满足通常的要求，而基本上不会发生定位信息的重叠。通常建议10-20个为一个区域比较合适。

在把大区域划分成小区域之后，每个小区域内因为节点数目比较小，容易形成一种有序的定位信息发送机制，从而有效的减少定位信息冲突的发生。

具体的，采用类似传递轮循的方法作为有序发送的例子：

本节点位置信息

下一个定位节点的地址信息

间隔时间(通常大于30毫秒)

节点N发送的射频信息包括本节点位置信息、下一个定位节点的地址信息，以及间隔时间，其通常大于等于30毫秒。然后发射出超声波定位信号。

下一个节点接收到前一节点发送的信号后，启动定时器，在达到间隔时间后，发射相应的无线电和超声波定位信息。

图10(b)示出了本发明的基于位置的有序发送的示意图。与图10(a)相比，本发明通过按照预定的顺序发送位置信息，避免了超声波信号的冲突，提高了测距的精度，并减小了定位节点的能量消耗。

图7示出了本发明的在定位系统中减少超声波信号冲突的方法的流程图。

S701：各个定位节点向中央控制器发送各自的位置信息；

S702：中央控制器中的无线电通信单元41接受来自定位节点的位置信息；

S703：区域划分单元42根据各个定位节点的位置信息将定位节点划分成多个区域，并通过无线电通信单元41将各个区域的标识符发送给该区域中的定位节点；

S704：排序单元43按照属于同一区域的定位节点之间的位置关系对其进行排序，并且将排序结果发送给该区域中的定位节点；

S705：同一区域中的定位节点按照所述顺序依次向接受节点发送其位置信号。

通过这种方式，可以大大降低节点发送定位信息发生错误的概率，从而提高系统的性能。

考虑到定位网络和传感器网络中，定位节点的分布有时候并不是人工布置的，即使是人工布置由于环境的关系，各处的定位节点的布设情况也不可能完全相同。在已经获得定位节点的信息后，根据网络节点的分布情况，在不同位置或不同区域的节点采用不同的发送参数，从而最大限度的优化网络。

具体的，本发明中根据网络的位置分布密度，确定不同区域节点的发射参数.在划分区域后，各个区域的节点密度不同。因此，可以在中央控制器中增加一个参数设置单元(未示出)，其根据区域划分单元42划分的各个区域的密度大小，设置定位节点的发射频率和发射间隔时间。

如果采用相同的发射频率：在节点过于密集的区域：是一种能量的浪费，反而可能造成各种超声波的混杂，降低系统的精度和准确度；而在节点相对稀疏的区域：接受节点在一定的时间内可能得不到足够的定位消息，从而必须等待足够多的信息到达，从而降低系统的反应时间，并提高系统的错误率。所以在不同的区域采取同样的发射频率是不合适的。

图8示出了本发明的设置参数的流程图。

S801：同时考虑系统的定位延迟要求和能量消耗要求，确定一个节点密度与发射间隔时间的参考值，即，如果系统要求延迟小，则将发射间隔时间的参考值确定为较小，例如15ms，如果系统的能量消耗要求小，则把区域中的节点密度的参考值确定为较大，例如0.5个节点/平方米。

S802：按照各个定位节点之间的距离分割区域，计算区域的密度值；

S803：比较计算的区域的密度值与节点密度的参考值，修正发射间隔时间。如图9所示，在定位节点相对密集的区域B，定位信息发射频率可以相对比较低；在节点稀疏的区域A，则提高定位信息发射频率。

这样，根据系统的能量和精度要求，确定最优的发送密度。在节点相对密集的区域，定位信息发射频率可以相对比较低；在节点稀疏的地方则反之。从而降低了冲突的频率，并能够最大限度的提高节能效果。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1、一种定位系统，包括：

多个定位节点，用于发送其位置信息、超声波信号和无线电信号；

至少一个接受节点；

中央控制器，该中央控制器包括：

无线电通信装置，用于与各个定位节点进行无线电通信；

区域划分装置，其根据通过无线电通信装置接收的各个定位节点的位置信息来将定位节点划分成多个区域；

排序装置，其对属于同一区域的各个定位节点按照位置关系进行排序；

其中定位节点按照排序装置排定的顺序向所述接受节点发送其位置信息、超声波信号和无线电信号；

接受节点根据所述定位节点发送的位置信息、超声波信号和无线电信号确定自己的位置。

2、如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述中央控制器还包括参数设置装置，其根据区域划分装置划分的各个区域的密度大小，设置定位信息发射频率和发射间隔时间。

3、如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述区域划分装置通过所述无线电通信装置将划分的各个区域的标识信息发送给定位节点。

4、如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述排序装置通过所述无线电通信装置向属于同一区域的定位节点发送顺序信息。

5、如权利要求1-4之一所述的定位系统，其特征在于，每个所述划分的区域中包括10～20个定位节点。

6、如权利要求1-4之一所述的定位系统，其特征在于，同一区域中两个定位节点之间距离为2-5米。

7、如权利要求1所述的定位系统，其特征在于：

接受节点计算从接受无线电同步信号到接收到超声波信号之间的超声波传输时间；

接受节点通过把超声波传输时间乘以超声波速度来计算出其与定位节点之间的距离；

接受节点依据至少三个定位节点的位置和与其之间的距离，用三角定位方法来确定自己的位置。

8、如权利要求2所述的定位系统，其特征在于，在定位节点密度大的区域，所述参数设置装置把定位信息发射频率设置得较低，在定位节点密度小的区域，把定位信息发射频率设置得较高。

9、如权利要求2所述的定位系统，其特征在于，在定位节点密度大的区域，所述参数设置装置把发射间隔时间设置得较大，在定位节点密度小的区域，把定位发射间隔时间设置得较小。

10、如权利要求8或9所述的定位系统，其特征在于，所述间隔时间大于等于30毫秒。

11、一种在定位系统中减少超声波信号冲突的方法，所述定位系统包括多个定位节点、至少一个接受节点、和中央控制器，所述方法包括步骤：

定位节点向中央控制器发送其位置信息；

中央控制器根据各个定位节点的位置信息将定位节点划分成多个区域；

中央控制器对属于同一区域的各个定位节点按照位置关系进行排序；

定位节点按照排定的顺序向所述接受节点发送其位置信息、超声波信号和无线电信号；

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括步骤：

中央控制器根据划分的各个区域的密度大小，设置定位信息发射频率和发射间隔时间。

13、如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括步骤：

将划分的各个区域的标识信息发送给定位节点。

14、如权利要求11所述的定位系统，其特征在于，还包括步骤：

向属于同一区域的定位节点发送顺序信息。

15、如权利要求11-14之一所述的方法，其特征在于，每个所述划分的区域中包括10～20个定位节点。

16、如权利要求11-14之一所述的方法，其特征在于，同一区域中两个定位节点之间距离为2-5米。

17、如权利要求11所述的方法，其特征在于：

18、如权利要求12所述的方法，其特征在于，在定位节点密度大的区域，把定位信息发射频率设置得较低，在定位节点密度小的区域，把定位信息发射频率设置得较高。

19、如权利要求12所述的方法，其特征在于，在定位节点密度大的区域，把发射间隔时间设置得较大，在定位节点密度小的区域，把定位发射间隔时间设置得较小。

20、如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述间隔时间大于等于30毫秒。