CN201594136U - 室内定位感知系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种定位系统，尤其涉及一种室内定位系统。本实用新型的室内定位感知系统，包括射频信号发射器、控制器、超声波接收器、微处理器，射频信号发射器、控制器、超声波接收器分别与微处理器电气连接；射频信号发射器与控制器之间以及控制器与超声波接收器之间无线通信。本装置结构简单、成本低，且定位精度高，可广泛应用在各种室内定位领域。

Description

室内定位感知系统

技术领域

本实用新型涉及一种定位系统，尤其涉及一种室内定位系统。

背景技术

现今人们越来越需要各种位置服务，其应用大部分都是用于户外定位。随着技术的不断发展，计算能力不断增强以及硬件越来越小型化，用户可以随时随地使用它们，室内位置服务也变得越来越重要。

随着通信业务和数据业务的快速增加，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，如医院、机场、会展大厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场等环境中，常常需要确定各种人员在室内的位置。但是受定位时间、定位精度以及室内复杂环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地使用。

室内定位可以用于智能环境以及人机交互过程中。机器人做家务，必须能够准确辨别自己的方位，否则机器人将不能很好地完成主人安排的家务。与那些在户外工作的机器人不同，在室内活动的家用机器人无法接收到全球定位系统GPS发出的微弱的卫星信号，因此使得人们设计出的这类机器人不能够很好的满足需要。

随着移动设备和网络技术的发展，位置服务在我们的生活中越来越重要。只有开发出性能优越的室内定位感知系统，位置服务才能够全面、完整的实现。

目前，室外大多都利用GPS进行定位，室外定位系统很好地满足了室外定位的需要。但是在进行室内进行定位时，由于信号穿透建筑物的墙壁后，信号强度变得非常弱，并且室内障碍物较多，环境比较复杂，因此室外定位系统在用于室内定位时，定位的精度不能满足用户的需求，甚至不能进行定位。

随着计算机软硬件技术的发展，目前国内外已经开发出了一些室内定位感知系统的雏形，存在着一些室内定位技术的试验方案，但是它们的解决问题的侧重点不同，具体如下：

1.室内GPS定位感知技术：GPS定位系统在室外定位时，可以很好地满足人们的需要，但是当GPS在室内工作时，由于信号受建筑物以及室内环境中各种物体的影响，信号变得非常弱，要想达到与室外一样的信号强度是非常困难的。为了得到较高的信号灵敏度，就需要增加大量的辅助设备，A-GPS(Assisted-GPS)技术为这个问题的解决提供了可能性。但是，室内环境比较小，一般不会超过10米的长度，为了很好地区分被定位的物体，定位精度必须非常高，但是室内GPS定位系统在定位时，仅可达到5m～30m的定位精度，其定位精度不能够较好地满足室内定位的要求。

2.红外线技术：红外线技术通过在一定的时间间隔内发射红外线信号，然后红外线接收器接收这些红外线，按照到达时间算法或到达角度算法计算被定位物体的位置。红外线是直线、短距离传播信号，容易受太阳光干扰且精确度不是很高，很难应用在室内定位感知系统中。该系统要求被定位物体与红外线发射器之间线性可视，这就把它的应用局限到了仅室内的范围且须保证所监测的目标是不透明的。在使用红外线定位时，需要在每个房间以及走廊安装红外线接收器，造价比较高。红外线定位技术也被应用于机器人系统，通过固定的红外线摄像机和很多红外线发光设备协同工作，达到定位的目的。但是红外线不能够穿透障碍物，并且定位精度差，其配备要求比较复杂。

3.蓝牙技术(Bluetooth)：该技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点、点到多点的话音和数据业务。可以实现不同设备之间的短距离无线互联。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，就可以获得用户的位置信息，实现利用蓝牙技术定位的目的。使用蓝牙技术实现室内定位的缺点是目前蓝牙器件和设备价格比较昂贵，传播距离较短，且容易受噪声干扰。

4.基于WLAN的室内定位技术：使用无线局域网技术实现室内定位，需要在室内区域安装适量的无线基站，并且这些基站的位置是已知的。通过使用一组相互间可以通信的基站，并且通过测量它们之间接收信号强度指示(RSSI：Received Signal Strength Indicator)、信号到达角度(AOA：Angle of Arrival)、信号到达时间差(TDOA：Time Difference of Arrival)或者信号到达时间(TOA)，来进行用户的定位。在该系统中，每个用户和固定的一组基站进行通信，基站通过测得的RSSI或者TOA、AOA来计算用户的位置。这类系统可以利用现有的无线局域网设备，只需要几个基站。该系统的缺点是设备费用比较高，并且所有的设备必须支持无线局域网标准，定位精度不是很高。

实用新型内容

本实用新型的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种室内定位感知系统，其基于超声波和射频技术结合，室内定位效果好。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：其包括射频信号发射器、控制器、超声波接收器、微处理器，射频信号发射器、控制器、超声波接收器分别与微处理器电气连接；射频信号发射器与控制器之间以及控制器与超声波接收器之间无线通信。

控制器包括射频信号接收器和超声波发射器。射频信号发射器与超声波接收器之间通过RS485总线通信。射频信号发射器与微处理器之间通过RS232串口通信。

因为室内空间是一个多人协作的空间，其定位系统应该能跟踪多个对象，准确地区分其身份，实现多目标跟踪。在该系统中，射频信号发射器能够发射多个射频编码信号，在每一时刻发射一种唯一标识的射频信号。射频信号发射器定期向每个控制器发送射频信号。因为每一个控制器只接收唯一标识的射频信号，只有射频信号发射器发送的射频信号与控制器接收的信号标识相同时，控制器才发送超声波信号。

把超声波接收器固定在室内的天花板上，而控制器放置在需要定位的目标物内。根据TDOA或者TOA算法进行测距。需要计算控制器发出的超声波到达超声波接收器的时间，这就需要控制器和超声波接收器的同步。这里使用射频信号实现超声波的收发同步。

为了实现准确的定位，需要计算出从超声波发射到超声波接收这一段时间间隔。假设射频在空气中传播需要的时间为t₀，超声波在空气中的传播时间为t₁，超声波的速度为V，那么控制器到超声波接收器的距离为：d＝Vt₁。

这里V为超声波的速度，在实际使用时，并不能得到t₀、t₁的准确值，但是可以得到t₀+t₁。在正常的室内温度和湿度情况下，超声波的速度340m/s，射频速度3X10⁸m/s。由于射频速度远大于超声波的速度，可以认为射频信号短距离传输所需的时间为零，射频信号发射器向控制器发射射频信号，同时通过总线通知超声波接收器准备接收数据，以此实现超声波收发同步。

从超声波接收器获得距离数据后，如何计算出目标的坐标位置涉及到一个定位算法的问题。TOA测距技术一般是利用信号到达超声波接收器所需要的时间，根据时间来确定节点之间的距离。本系统利用射频和超声波传播速度不同，通过检测超声波信号到超声波接收器的时间，通过时间对到信号源的距离进行计算。基于已知的信号传播速度，可直接把时间转化为距离。由于射频的速度非常快，这里可以使用TOA算法进行定位。

射频信号发射器采用F05R型号。射频信号接收器采用J04V型号。超声波发射器包括压电陶瓷超声传感器，其采用TCT40-16T型号。超声波接收器包括压电陶瓷超声传感器，其采用TCT40-16R型号。微处理器采用ATMEGA48型号。

本装置结构简单、成本低，且定位精度高，可广泛应用在各种室内定位领域。

附图说明

图1为本实用新型的模块结构示意图；

图2为本实用新型的平面坐标示意图；

图3为本实用新型的三维坐标示意图；

图4为本实用新型的超声波发射器原理图；

图5为本实用新型的超声波接收器原理图；

图6为本实用新型的射频信号发射器原理图；

图7为本实用新型的射频信号接收器原理图；

图8为本实用新型的通信总线原理图；

图9为本实用新型的微处理器原理图。

具体实施方式

本装置包括射频信号发射器、控制器、超声波接收器、微处理器，射频信号发射器、控制器、超声波接收器分别与微处理器电气连接；射频信号发射器与控制器之间以及控制器与超声波接收器之间无线通信。

控制器包括射频信号接收器和超声波发射器。射频信号发射器与超声波接收器之间通过RS485总线通信。射频信号发射器与微处理器之间通过RS232串口通信。射频信号发射器采用F05R型号。射频信号接收器采用J04V型号。微处理器采用ATMEGA48型号。

超声波发射器选用TCT40-16T型号的的压电陶瓷超声传感器。

超声波发射器的原理图如图4所示，由微处理器产生40KHz的方波，送到超声波发射器的SOUT端口，并通过后面的CD4049型号的芯片IC3对40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。

三极管Q1采用9014型号，其构成振荡放大器，微处理器输出的振荡信号经过芯片IC3的放大推动超声波传感器发出超声波。

超声波接收器的电路原理图如图5所示。超声波接收器采用与发射配对的TCT40-16R型号的压电陶瓷超声传感器，主要完成的功能是将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC5A、IC5B以及IC6B放大比较。超声波接收器的输出端SIN产生由高电平跳变为低电平的脉冲信号，作为中断信号送给微处理器进行进一步处理。

为使所测的距离足够大，超声波接收端电路必须进行多级放大。超声波传感器接收到微弱的信号，经过交流耦合到放大器IC5A进行放大，其放大倍数为：I1＝R8/R7＝40。放大后的信号经过交流耦合到放大器IC5B进行进一步放大，其放大倍数为I2＝R10/R9＝40。总的放大倍数为：I＝I1*I2＝1600。经过两级放大之后，对接收到的微弱信号进行1600倍的放大，然后信号再送给放大器IC6B，输出信号被微处理器接收，最后由微处理器进行进一步处理。

射频信号发射器主要完成射频信号的发射，具体的射频编码工作由微处理器进行处理。射频发射采用315/433MHz频段的F05R型射频信号发射器芯片J3，原理图如图6所示。由微处理器产生射频编码，输出给芯片J3的第三引脚，然后由芯片J3进行处理发射；第四引脚在应用时，可以外接天线，增强发射效果。

射频信号接收器主要完成射频信号的接收，具体的射频解码工作由微处理器进行处理。射频信号接收器采用J04V型号芯片J2，原理图7所示。

芯片J2接收到射频信号之后，传送给微处理器的引脚PD3，由微处理器进行解码。

射频信号发射器与超声波接收器之间通过RS485总线通信，接线方式为总线式拓朴结构，在同一总线上一般可以挂接多达32个结点。在RS485总线通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。在进行通信的过程中，需要在通信双方的异步串行收发控制器(USART)之间增加一芯片IC4。

芯片IC4的特性是：采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。

如图8所示，芯片IC4的第一引脚与微处理器的引脚PD0/RXD相连，用于接收数据。芯片IC4的第四引脚与微处理器的引脚PD1/TXD相连，用于发送数据。芯片IC4的引脚DE、RE短接与微处理器的PC5口相连。当R/T端为高电平时，芯片IC4用于发送数据，R/T端为低电平时，用于接收数据。

微处理器是整个硬件系统的核心部件，如图9所示，负责控制超声波的发送和接收，以及射频信号的发射和接收。

可以通过微处理器产生40kHz的方波信号驱动超声波的发射，超声波发射电路与微处理器的引脚PD6相连。超声波接收电路与微处理器的引脚PD2相连，当接收到超声波时，产生外部中断，微处理器转入中断处理。

射频信号发射器与微处理器的引脚PD3相连，微处理器产生芯片J3所需要的脉冲，传送给芯片J3，然后射频信号发射出去。射频信号接收器与微处理器的引脚PD3相连，微处理器对所接收的编码脉冲进行解码。

微处理器通过RS232串口与射频信号发射器进行通信，负责接收数据，然后将接收到的数据进行处理并计算出控制器的坐标。

为了实现准确的定位，需要计算出从超声波发射到超声波接收这一段时间间隔。假设射频在空气中传播需要的时间为t₀，超声波在空气中的传播时间为t₁，超声波的速度为V，那么发射节点到接收节点的距离为：d＝Vt₁。

这里V为超声波的速度，在实际使用时，并不能得到t₀、t₁的准确值，但是可以得到t₀+t₁。在正常的室内温度和湿度情况下，超声波的速度340m/s，射频速度3X10⁸m/s。由于射频速度远大于超声波的速度，可以认为射频信号短距离传输所需的时间为零，控制节点向发射节点发射射频信号，同时通过总线通知接收节点准备接收数据，以此实现超声波收发同步。

在二维位置测量中，选择离对象最近的两个超声波接收节点所接收的距离信息，假设A、B节点距离超声波发射节点最近，如图2所示：

如果A、B两点之间的距离为m，接收节点B的坐标为(0，0)，接收节点A的坐标为(0，m)。设超声波发射节点O的坐标为(x，y)，发射节点O到接收节点A所用的时间为t₁，到接收节点B所用的时间为t₂，则：|OA|＝Vt₁，|OB|＝Vt₂。

根据两点之间的距离公式可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{vt}}_1=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-m)}^2}\\ {\mathrm{vt}}_2=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}\end{array}\right.$

对方程组中的两个公式进行求解，可以得到：

$y=\frac{{\left({\mathrm{vt}}_2\right)}^2-{\left({\mathrm{vt}}_1\right)}^2+m^2}{2m}$

$x=\sqrt{{\left({\mathrm{vt}}_2\right)}^2-y^2}$

在三维位置测量中，发射节点的坐标用三个值进行表示，假设为(x，y，z)。A点的坐标为(0，0，h)，B点的坐标为(0，m，h)，C点的坐标为(n，0，h)，D点的坐标为(n，m，h)。测得发射节点到接收节点A的时间为t₁，发射节点到接收节点B的时间为t₂，发射节点到接收节点C的时间为t₃，发射节点到接收节点D的时间为t₄，如图3所示：

可以求得，|EA|＝Vt₁，|EB|＝Vt₂，|EC|＝Vt₃，|ED|＝Vt₄，实际上，选取三个超声波接收节点就可以计算发射节点E的三维坐标。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{vt}}_1=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2+{(z-h)}^2}\\ {\mathrm{vt}}_2=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-m)}^2+{(z-h)}^2}\\ {\mathrm{vt}}_3=\sqrt{{(x-n)}^2+{(y-0)}^2+{(z-h)}^2}\\ {\mathrm{vt}}_4=\sqrt{{(x-n)}^2+{(y-m)}^2+{(z-h)}^2}\end{array}\right.$

从上面的方程组中选取其中三个方程式就可以求得超声波发射节点E的三维坐标。

$x=\frac{{\left({\mathrm{vt}}_1\right)}^2-{\left({\mathrm{vt}}_3\right)}^2+n^2}{2n}$

$y=\frac{{\left({\mathrm{vt}}_1\right)}^2-{\left({\mathrm{vt}}_2\right)}^2+m^2}{2m}$

$z=h-\sqrt{{\left({\mathrm{vt}}_1\right)}^2-x^2-y^2}$

求得超声波发射节点的三维坐标，不仅可以确定发射节点的平面坐标，而且还可以确定发射节点的高度位置变化。例如在确定人坐下这个动作时，可以根据发射节点的Z坐标，判断出高度的变化，可以确定其是否坐下这个动作。

Claims (9)

1.一种室内定位感知系统，其特征在于包括射频信号发射器、控制器、超声波接收器、微处理器，射频信号发射器、控制器、超声波接收器分别与微处理器电气连接；射频信号发射器与控制器之间以及控制器与超声波接收器之间无线通信。

2.根据权利要求1所述的室内定位感知系统，其特征在于控制器包括射频信号接收器和超声波发射器。

3.根据权利要求2所述的室内定位感知系统，其特征在于射频信号发射器与超声波接收器之间通过RS485总线通信。

4.根据权利要求3所述的室内定位感知系统，其特征在于射频信号发射器与微处理器之间通过RS232串口通信。

5.根据权利要求3所述的室内定位感知系统，其特征在于射频信号发射器采用F05R型号。

6.根据权利要求3所述的室内定位感知系统，其特征在于射频信号接收器采用J04V型号。

7.根据权利要求3所述的室内定位感知系统，其特征在于超声波发射器包括压电陶瓷超声传感器，其采用TCT40-16T型号。

8.根据权利要求3所述的室内定位感知系统，其特征在于超声波接收器包括压电陶瓷超声传感器，其采用TCT40-16R型号。

9.根据权利要求3所述的室内定位感知系统，其特征在于微处理器采用ATMEGA48型号。

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