基于超声波的室内定位系统及其定位方法与流程

本发明涉及室内导航定位技术领域，具体涉及基于超声波的室内定位系统及其定位方法。

背景技术：

超声定位系统中比较典型的系统是activebat和cricket系统。其中前者移动节点发射rf信号和us信号，位置固定的信标节点接收rf信号和us信号；cricket系统则相反，信标节点作为信号发射节点，待定位的移动节点用于信号的接收，然后根据rf信号和us信号的到达时间差进行分布式目标定位。

activebat是低功耗，无线室内定位系统，精度可达3cm。利用三角定位法，利用在天花板上嵌入的超声接收器，测量tof。

activebat系统中，中心控制主机集中控制多个接收节点，而待定的移动节点作为发射节点是不可控的，尤其是当移动节点数量较多的情况下，必然会引起各组rf和us信号之间的串扰。从而导致错误的定位，影响系统的稳定性。cricket系统具有很好的可扩展性，但其信标节点采用随机发射信号的方式，仍然不能有效解决信号串扰的问题。

在洪林的硕士毕业论文《移动机器人超声波室内定位系统研究》中提出了十字阵单发射多接收系统，该系统依然要通过同步来解决测距问题。

通过分析目前系统中存在的主要问题包括：

1)系统定位过程中需要同步，一般采用射频同步的方法，增加了系统的复杂度；

2)系统定位采用的是三角定位法，因此需要至少三个信标节点和一个移动节点才能完成定位，增加了系统中信标节点个数，也就意味着成本的增加；

3)射频同步的模式，在公共频段，与wifi等同频，增加了电磁干扰，同时，系统也容易受到电磁干扰的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服以上技术问题，目的在于提供基于超声波的室内定位系统及其定位方法，实现一种结构简单，能准确定位移动物体在室内的位置，能避免电磁干扰的系统及方法的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

基于超声波的室内定位系统，包括位于天花板上的信标节点和位于移动设备上的移动节点，所述信标节点的数量至少为一个，每个信标节点由超声波发射探头s1和超声波发射探头s2组成，每个移动节点包括至少三个超声波接收探头，所述超声波接收探头与接收控制系统连接，其中：

超声波发射探头s1：以时间t为周期，在一个周期内等时间间隔重复发射超声波信号给超声波接收探头；

超声波发射探头s2：以时间t为周期，在一个周期内等时间间隔重复发射超声波信号给超声波接收探头；

超声波接收探头：依次接收超声波发射探头s1和超声波发射探头s2发射的超声波信号，并将超声波信号传输给接收控制系统；

接收控制系统：接收超声波接收探头传输的超声波信号，并处理。进一步的，本发明利用测向的方法来测量移动节点相对信标节点的位置，只需一个信标节点和一个移动节点就可完成定位，每个信标节点由两个超声波发射探头组成，每个移动节点由三个超声波接收探头构成接收面完成接收；相比现有技术，本发明结构更加简单，减少了系统中信标节点个数，有效降低了定位成本。其次，本发明无需发射射频信号，有效避免了系统定位过程中需要同步，采用射频同步的方法增加了系统的复杂度的问题，同时也避免了电磁干扰。超声波发射探头与发射控制系统连接。超声波接收探头与接收控制系统，由接收控制系统处理定位信息，该接收控制系统为现有结构，包括与超声波接收探头依次连接的放大器、bpf、mcu模块等，放大器将超声波接收探头传输的超声波信号进行功率放大后传输给bpf；bpf接收放大器传输的超声波信号，按其所在频率滤波后传输给mcu模块进行处理，mcu模块将超声波信号进行数模转换和回波信号处理后输出移动设备的定位信息。

优选的，超声波发射探头s1和超声波发射探头s2之间的距离为6～8cm。

优选的，当每个移动节点由三个超声波接收探头组成时，三个超声波接收探头围成一个三角形接收阵列。进一步的，三个超声波接收探头可形成任意形状三阵元平面，围成一个三角形接收阵列，三阵元平面在相同孔径的阵列中，具有线阵有较好的定向精度；当阵列孔径越大，其定距精度越高。在无任何目标位置的先验信息时，为避免整个平面的定位精度不会出现某些点特别大的问题，可采用正三角阵。

优选的，当每个移动节点由四个超声波接收探头组成时，四个超声波接收探头位于同一平面，且四个探头中相对的两个探头的连线与另外两个相对的探头的连线相互垂直。进一步的，该结构排列成十字阵列，也可称为正方阵列或圆形阵列，这种阵列的距离参数只有一个，相比现有技术，数据处理起来更加简单。

所述接收控制系统内的存储器采用fifo存储器，所述fifo存储器用于存储超声波接收探头接收的数据，当数据存储满了之后，自动覆盖掉最初始的数据。进一步的，fifo存储器是一种先进先出存储器，采用这样的方式，接收端不用一直进行信号处理，而是等接收到信号超过一定门限之后，表示有发射信号接收到，同时开始进行处理。

基于超声波的室内定位系统的定位方法，包括以下步骤：

a：设定一个信标节点中的两个超声波发射探头分别为s1和s2，以超声波发射探头s1和s2的基线延长线为y轴，在同一水平面上，以基线延长线的法线方向为x轴，以x轴、y轴所在面的垂直线为z轴，x、y、z轴的相交点为圆心o建立一个三维坐标系；

b：所述信标节点以时间间隔t为周期，重复发射超声波信号，一个周期内相邻两次超声波信号发射的间隔时间相等；

c：所述移动节点接收信标节点发射的超声波信号，得到一个周期t内三个超声波信号的到达时间，分别为t11、t12、t13，定义τ1＝t12-t11，τ2＝t13-t12，再根据δτ＝τ1-τ2＝dscosθ/c计算出移动节点的水平角θ；

在上式中，ds为一个信标节点中两个超声波发射探头的间距，c为声速；

d：根据阵列测向理论，测得信标节点到移动节点的俯仰角水平角ψ，以此得到移动设备的姿态角ψ-θ；再根据俯仰角以及信标节点到移动节点的垂直高度h，通过计算得到移动节点距离信标节点在水平面上的投影长度l；

e：已知三维坐标系信标节点中s1和s2坐标为(x0,y0)，再根据方程组x1＝x0+l·cosθ，y1＝y0+l·sinθ计算得到移动节点的坐标为(x1,y1)，以此得到移动设备的位置。进一步的，本发明在定位系统的基础上设计了一种定位方法，开创性的采用测向的方式进行定位。在室内，地面和天花板是平行的，且都是平面的(这个假设很容易成立)，所以移动设备的高度信息是已知的，假设是h。那么定位需要确定的是机器人的坐标位置(x,y)，以及移动设备的姿态信息。为得到以上信息，需要测量三个角度，超声波发射探头到移动设备的俯仰角移动设备的水平角θ、移动设备自身的姿态角ψ-θ。由于位于天花板上超声波发射探头在一个周期内等时间间隔重复发射，在一个周期内移动设备一直在移动，所以安装在移动设备上的超声波接收探头所接收到的三个超声波信号到达的时间不同，通过速度时间公式可得到移动设备的水平角θ，再根据阵列测向理论，测得信标节点到移动节点的俯仰角水平角ψ，以此得到移动设备的姿态角ψ-θ；然后再根据步骤d、e，利用两个探头s1和s2的坐标进行计算，可得到该移动节点中任意一个超声波接收探头的位置坐标，至少三个超声波接收探头构成接收面中的三个位置坐标进行叠加，以此可得到移动设备的准确位置。

所述步骤b中，一个周期内的超声波信号发射具体包括以下步骤：

b1：超声波发射探头s1在t11时刻和t21时刻分别发射超声波信号，并设t11与t21时刻的间隔时间为τ；

b2：当距离t21时刻间隔τ时长时，所述超声波发射探头s2在t31时刻发射超声波信号。进一步的，信标节点中的两个探头s1和s2以时间间隔t为周期，重复发射超声波信号，并且一个周期内相邻两次超声波信号发射的间隔时间相等；由于t11是随机固定的，这样使得每个探头同时发送的概率降低，相邻发射探头同时发射的概率成为小概率事件，从而使得位于移动设备上的移动节点同时接收到多个探头的信号的概率为小概率事件，以此减少了信标节点同步发射的干扰，能够较为准确的确定移动设备在室内的位置。另外，超声波发射探头周期发射编码脉冲串，即超声波信号，每个编码脉冲串包含多个脉冲，采用码分多址技术编码，这样即使当移动设备同时收到多个超声波信号时，通过解码也可以将多个不同的发射信号区分出来，以此可以进一步保证本发明定位的准确性。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于超声波的室内定位系统及其定位方法，只需一个信标节点和一个移动节点，利用测向的方法来测量移动节点相对信标节点的位置，以此确定移动设备的位置，相比现有技术，结构更加简单，减少了系统中信标节点个数，有效降低了定位成本；

2、本发明基于超声波的室内定位系统及其定位方法，无需发射射频信号，有效避免了系统定位过程中采用射频同步的方法增加了系统的复杂度的问题，同时也避免了电磁干扰；

3、本发明基于超声波的室内定位系统及其定位方法，信标节点中的两个探头s1和s2以时间间隔t为周期，重复发射超声波信号，并且一个周期内相邻两次超声波信号发射的间隔时间相等，使得位于移动设备上的移动节点同时接收到多个发射探头的信号的概率为小概率事件，以此减少了信标节点同步发射的干扰，能够较为准确的确定移动设备在室内的位置。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明超声波定位系统示意图；

图2为本发明信标节点发射时序图；

图3为本发明十字接收阵列示意图；

图4为本发明三维坐标系结构图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-天花板，2-地面，3-超声波发射探头，4-超声波接收探头。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1、2所示，本发明基于超声波的室内定位系统，包括位于天花板1上的信标节点和位于移动设备上的移动节点，所述信标节点的数量至少为一个，每个信标节点由超声波发射探头s1和超声波发射探头s2组成，每个移动节点包括至少三个超声波接收探头，所述超声波接收探头与接收控制系统连接，其中：

超声波发射探头s1：以时间t为周期，在一个周期内等时间间隔重复发射超声波信号给超声波接收探头；

超声波发射探头s2：以时间t为周期，在一个周期内等时间间隔重复发射超声波信号给超声波接收探头；

超声波接收探头：依次接收超声波发射探头s1和超声波发射探头s2发射的超声波信号，并将超声波信号传输给接收控制系统；

接收控制系统：接收超声波接收探头传输的超声波信号，并处理。超声波发射探头s1和超声波发射探头s2之间的距离为6cm。所述接收控制系统内的存储器采用fifo存储器，所述fifo存储器用于存储超声波接收探头接收的数据，当数据存储满了之后，自动覆盖掉最初始的数据。

基于超声波的室内定位系统的定位方法，包括以下步骤：

a：设定一个信标节点中的两个超声波发射探头分别为s1和s2，以超声波发射探头s1和s2的基线延长线为y轴，在同一水平面上，以基线延长线的法线方向为x轴，以x轴、y轴所在面的垂直线为z轴，x、y、z轴的相交点为圆心o建立一个三维坐标系；

b：所述信标节点以时间间隔t为周期，重复发射超声波信号，一个周期内相邻两次超声波信号发射的间隔时间相等；

c：所述移动节点接收信标节点发射的超声波信号，得到一个周期t内三个超声波信号的到达时间，分别为t11、t12、t13，定义τ1＝t12-t11，τ2＝t13-t12，再根据δτ＝τ1-τ2＝dscosθ/c计算出移动节点的水平角θ；

在上式中，ds为一个信标节点中两个超声波发射探头的间距，c为声速；

d：根据阵列测向理论，测得信标节点到移动节点的俯仰角水平角ψ，以此得到移动设备的姿态角ψ-θ；再根据俯仰角以及信标节点到移动节点的垂直高度h，通过计算得到移动节点距离信标节点在水平面上的投影长度l；

e：已知三维坐标系信标节点中s1和s2坐标为(x0,y0)，再根据方程组x1＝x0+l·cosθ，y1＝y0+l·sinθ计算得到移动节点的坐标为(x1,y1)，以此得到移动设备的位置。

实施例2

如图1～4所示，本发明基于超声波的室内定位系统，在实施例1的基础上，当每个移动节点由四个超声波接收探头4组成时，四个超声波接收探头4位于同一平面，且四个探头中相对的两个探头的连线与另外两个相对的探头的连线相互垂直。其构成的十字接收阵列如图3所示，其中代表了移动设备正前方的位置。其建立的三维坐标系如图4所示，其中s1、s2为一个信标节点的两个超声波发射探头3；a1、a2、a3、a4为移动节点的4个超声波接收探头4；s'为s1到超声波接收探头4平面的垂直投影；h为超声波发射探头3所在平面与超声波接收探头4构成平面之间的距离；dr为a1与a3之间的间距，a2与a4之间的间距也为dr；ds为两个超声波发射探头3之间的间距；o为十字接收阵列的中心点，也代表了移动设备的位置。

为得到移动设备的位置，那么定位需要确定的是移动设备的坐标位置(x,y)；以及移动设备的姿态信息ψ-θ，即移动设备正前方与y轴的夹角，在三维坐标系中为与y轴的夹角。

所以定位方法如下：

首先利用阵列测向理论，四个超声波发射探头4可测得超声波发射信号到移动设备的俯仰角即os1与z轴的夹角；移动设备的水平角ψ，即os’跟的夹角；由于地面2和天花板1是平行的，测量出信标节点到移动节点的垂直高度h，通过计算得到移动节点距离信标节点在水平面上的投影长度l；

然后超声波发射探头3s1在t11时刻和t21时刻分别发射超声波信号，并设t11与t21时刻的间隔时间为τ；当距离t21时刻间隔τ时长时，超声波发射探头s2在t31时刻也发射超声波信号；

接着移动节点依次接收超声波发射探头3s1、s2发射的超声波信号，得到一个周期t内三个超声波信号的到达时间，分别为t11、t12、t13，定义τ1＝t12-t11，τ2＝t13-t12，再根据δτ＝τ1-τ2＝dscosθ/c计算出移动节点的水平角θ；在上式中，ds为一个信标节点中两个超声波发射探头的间距，c为声速；

最后，因为已知三维坐标系信标节点中s1和s2坐标为(x0,y0)，根据方程组x1＝x0+l·cosθ，y1＝y0+l·sinθ，计算得到一个超声波接收探头4的坐标为(x1,y1)；另外三个超声波接收探头4的坐标也采用同样的计算方法得到，四个点叠加，移动设备的中心点位于四个点的中心，以此可得到移动设备的准确位置。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。