室内超声波三维定位系统的制作方法

本实用新型涉及导航定位技术领域，尤其涉及一种室内超声波三维定位系统。

背景技术：

室内定位是指在室内环境中实现对室内人员、物体进行位置定位，目前的室内定位技术主要是采用红外线技术、ZigBee技术、无线蓝牙技术、射频识别技术、超宽带技术和光跟踪技术。

然而，采用目前的定位方法对室内人员、物体进行定位不仅容易受到室内复杂环境的影响，定位稳定性差，而且总体成本高。

由此，有必要提出一种受外界环境影响小，定位准确性高的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种成本低、安装使用方便、抗电磁干扰能力强、不受外界环境因素影响和时间信息直观的室内超声波三维定位系统，旨在克服现有室内定位技术中信息误差大、时间反应慢的缺点。

为实现上述目的，本实用新型是这样实现的，本实用新型提供一种室内超声波三维定位系统，包括信标端和目标节点，所述信标端包括原点信标和节点信标组，所述节点信标组包括两个节点信标，所述原点信标及所述两个节点信标布置于同一平面；

所述原点信标用于向所述目标节点发送定位超声波，按预定的时间间隔向所述目标节点及两个节点信标发送红外光同步信号；

所述两个节点信标用于接收所述原点信标发送的红外光同步信号，并向所述目标节点发送定位超声波；

所述目标节点用于接收所述原点信标发送的定位超声波、红外光同步信号、以及所述两个节点信标发送的定位超声波，并获得所述目标节点的三维坐标。

本实用新型的进一步的技术方案是，所述原点信标与所述两个节点信标呈等腰直角三角形布置于同一平面。

本实用新型的进一步的技术方案是，所述原点信标包括第一控制器、第一超声波发生传感器、第一超声波发射电路以及红外光同步信号发生器，所述第一超声波发射电路及红外光同步信号发生器分别与所述第一控制器连接，所述第一超声波发射电路与所述第一超声波发生传感器连接；其中，所述第一控制器用于控制所述第一超声波发生传感器、第一超声波发射电路向所述节点信标及目标节点发送定位超声波，控制所述红外光同步信号发生器按预定的时间间隔向所述目标节点及两个节点信标发送红外光同步信号；

所述节点信标组中的每一个节点信标包括第二控制器、第二超声波发生传感器、第二超声波发射电路以及第一红外光同步信号接收器，所述第二超声波发射电路及红外光同步信号接收器分别与所述第二控制器连接，所述第二超声波发射电路与所述第二超声波发生传感器连接；其中，所述第二控制器用于根据所述第一红外光同步信号接收器接收到的红外光同步信号控制所述第二超声波发生传感器、第二超声波发射电路向所述目标节点发送定位超声波；

所述目标节点包括第三控制器、两个超声波接收器、对应于所述两个超声波接收器的两个超声波检测电路以及第二红外光同步信号接收器，所述两个超声波接收器间隔设置；

所述两个超声波检测电路、第二红外光同步信号接收器分别与所述第三控制器连接，所述两个超声波接收器分别与所述两个超声波检测电路中对应的超声波检测电路连接。

本实用新型的进一步的技术方案是，所述目标节点还包括与外界应用主机连接的通信模块，所述通信模块与所述第三控制器连接，所述通信模块用于将所述三维坐标发送至所述外界应用主机。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提出的室内超声波三维定位系统通过原点信标向目标节点发送定位超声波，按预定的时间间隔向目标节点及两个节点信标发送红外光同步信号，两个节点信标接收到同步信号后，向目标节点发送定位超声波，目标节点接收到原点信标及两个节点信标发送的定位超声波后，获得目标节点的三维坐标，克服了现有室内定位技术中信息误差大、时间反应慢的缺点，另外，使用超声波定位技术，具有成本低、安装使用方便、抗电磁干扰能力强、不受外界环境因素影响和时间信息直观等优点。

附图说明

图1是本实用新型提出的室内超声波三维定位系统较佳实施例的结构示意图；

图2是本实用新型提出的室内超声波三维定位系统较佳实施例采用三边定位算法三维定位的原理示意图；

图3是本实用新型提出的室内超声波三维定位系统较佳实施例原点信标的功能模块示意图；

图4是本实用新型提出的室内超声波三维定位系统较佳实施例节点信标的功能模块示意图；

图5是本实用新型提出的室内超声波三维定位系统较佳实施例目标节点的功能模块示意图。

附图标号：

目标节点-10；

第三控制器-101；

超声波接收器-102；

超声波检测电路-103；

第二红外光同步信号接收器-104；

通信模块-105；

原点信标-20；

第一控制器-201；

第一超声波发生传感器-202；

第一超声波发射电路-203；

红外光同步信号发生器-204；

节点信标-30；

第二控制器-301；

第二超声波发生传感器-302；

第二超声波发射电路-303；

第一红外光同步信号接收器-304。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的主要解决方案是：本实用新型通过原点信标向目标节点发送定位超声波，按预定的时间间隔向目标节点及两个节点信标发送红外光同步信号，两个节点信标接收到同步信号后，向目标节点发送定位超声波，目标节点接收到原点信标及两个节点信标发送的定位超声波后，获得目标节点的三维坐标，克服了现有室内定位技术中信息误差大、时间反应慢的缺点，另外，使用超声波定位技术，具有成本低、安装使用方便、抗电磁干扰能力强、不受外界环境因素影响和时间信息直观等优点。

目前的室内定位方法对室内人员、物体进行定位不仅容易受到室内复杂环境的影响，定位稳定性差，而且总体成本高。

由此，本实用新型提出一种受外界环境影响小，定位准确性高的室内超声波三维定位系统。

具体地，请参照图1至图5，本实用新型较佳实施例提出一种室内超声波三维定位系统。

本实用新型较佳实施例提出的室内超声波三维定位系统，包括信标端和目标节点10，其中，所述信标端包括原点信标20和节点信标组，所述节点信标组包括两个节点信标30，所述原点信标20及所述两个节点信标30布置于同一平面。

为了便于计算所述原点信标20、两个节点信标30相互之间的距离，本实施例将所述原点信标20及两个节点信标30布置为倒立的等腰直角三角形。

所述原点信标20用于向所述目标节点10发送定位超声波，按预定的时间间隔向所述目标节点10及两个节点信标30发送红外光同步信号；

所述两个节点信标30用于接收所述原点信标20发送的红外光同步信号，并向所述目标节点10发送定位超声波；

所述目标节点10用于接收所述原点信标发送的定位超声波、红外光同步信号、以及所述两个节点信标30发送的定位超声波，并计算出所述原点信标 20以及所述两个节点信标30与所述目标节点10的距离，根据所述距离计算出所述目标节点10的三维坐标。

需要说明的是，为了区分所述原点信标20和两个节点信标30，便于所述目标节点10区分并计算所述原点信标20以及所述两个节点信标30与所述目标节点10的距离，可以预先对所述原点信标20及两个节点信标30进行32Bits 地址编码和8Bits控制编码。

比如，所述原点信标20首先发送红外光同步信号和定位超声波信号至所述目标节点10，所述目标节点10接收到红外光同步信号后，开始计时，计算定位超声波到达所述目标节点10的时间，并根据定位超声波到达所述目标节点10的时间T₁和超声波的波速C计算出所述原点信标20与所述目标节点10的距离l,计算公式为：l＝C*T₁(C为超声波在室温下的传播速度)；然后，在间隔 50ms后，发送红外光同步信号至所述两个节点信标30中的第一节点信标30，所述第一节点信标30接收到红外光同步信号后，发送定位超声波至所述目标节点10，此时，所述目标节点10接收到所述第一节点信标30发送的定位超声波的时间为T₂，其中，T₂＝T₁-50ms，由此根据定位超声波到达所述目标节点 10的时间T₂和超声波的波速C计算出所述原点信标20与所述目标节点10的距离m；最后，再次间隔50ms后，发送红外光同步信号至所述两个节点信标30 中的第二节点信标30，所述第二节点信标30接收到红外光同步信号后，发送定位超声波至所述目标节点10，此时，所述目标节点10接收到所述第二节点信标30发送的定位超声波的时间为T₃，其中，T₃＝T₁-100ms，由此根据定位超声波到达所述目标节点10的时间T₃和超声波的波速C计算出所述原点信标20 与所述目标节点10的距离n。

可以理解的是，由于对所述原点信标20、第一节点信标30以及第二个进行了32Bits地址编码和8Bits控制编码，因此，所述目标节点10能准确区分所述原点信标20、第一节点信标30和第二节点信标30。

如图2所示，所述目标节点10计算出所述原点信标20、第一节点信标30、第二节点信标30与所述目标节点10的距离l、m、n后，根据三边定位算法计算出所述目标节点10的三维坐标M(X，Y，Z)，其中，图2中的点1对应原点信标20，点2对应第一节点信标30，点3对应第二节点信标30。所述三边定位算法如下：

值得提出的是，由于光的速度远大于超声波的波速，所以在室内环境下，可以用红外光作为同步信号，由此克服现有室内定位技术中信息误差大、时间反应慢的确定，从而提高定位的准确性。

由此，本实施例提出的室内超声波三维定位系统通过原点信标20向目标节点10发送定位超声波，按预定的时间间隔向目标节点10及两个节点信标30 发送红外光同步信号，两个节点信标30接收到同步信号后，向目标节点10发送定位超声波，目标节点10接收到原点信标20及两个节点信标30发送的定位超声波后，计算出原点信标20以及两个节点信标30与目标节点10的距离，根据距离计算出目标节点10的三维坐标，克服了现有室内定位技术中信息误差大、时间反应慢的缺点，另外，使用超声波定位技术，具有成本低、安装使用方便、抗电磁干扰能力强、不受外界环境因素影响和时间信息直观等优点。

进一步的，所述原点信标20包括第一控制器201、第一超声波发生传感器202、第一超声波发射电路203以及红外光同步信号发生器204，所述第一超声波发射电路203及红外光同步信号发生器204分别与所述第一控制器201 连接，所述第一超声波发射电路203与所述第一超声波发生传感器202连接；其中，所述第一控制器201用于控制所述第一超声波发生传感器202、第一超声波发射电路203向所述节点信标30及目标节点10发送定位超声波，控制所述红外光同步信号发生器204按预定的时间间隔向所述目标节点10及两个节点信标30发送红外光同步信号；

所述节点信标30组中的每一个节点信标30包括第二控制器301、第二超声波发生传感器302、第二超声波发射电路303以及第一红外光同步信号接收器304，所述第二超声波发射电路303及红外光同步信号接收器分别与所述第二控制器301连接，所述第二超声波发射电路303与所述第二超声波发生传感器302连接；其中，所述第二控制器301用于根据所述第一红外光同步信号接收器304接收到的红外光同步信号控制所述第二超声波发生传感器302、第二超声波发射电路303向所述目标节点10发送定位超声波；

所述目标节点10包括第三控制器101、两个超声波接收器102、对应于所述两个超声波接收器102的两个超声波检测电路103以及第二红外光同步信号接收器104，所述两个超声波接收器102间隔设置；

所述两个超声波检测电路103、第二红外光同步信号接收器104分别与所述第三控制器101连接，所述两个超声波接收器102分别与所述两个超声波检测电路103中对应的超声波检测电路103连接；其中，所述第三控制器101 用于在所述第二红外光同步信号接收器104接收到红外光同步信号后计算出定位超声波到达所述目标节点10的时间，根据定位超声波到达所述目标节点 10的时间计算出所述原点信标20以及两个节点信标30与所述目标节点10的距离，根据所述距离计算出所述目标节点10的三维坐标。

需要强调的是，当所述目标节点10为两个目标节点10时，因为超声波的传输需要一定的时间，虽然两个目标节点10的实际位置不一样，但间隔 50ms发送的超声波仍然可能会出现第一个时间点与第二个时间点同时到达所述两个目标节点10的超声波传感器，而不能区分所述目标节点10。本实施例中每个目标节点10实用两个超声波接收器，由于两个超声波接收器的位置有所区别，所以能区分开此特殊情况。具体实施时，为了进一步区分不同的目标节点10，也可以对不同的目标节点10进行32Bits地址编码。

另外，所述目标节点10还包括与外界应用主机连接的通信模块105，其中，所述通信模块105可以选用蓝牙通讯模块，所述通信模块105与所述第三控制器101连接，所述通信模块105用于将所述目标节点10的三维坐标或地址编码发送至所述外界应用主机，也可以将所述目标节点10的三维坐标和地址编码一起发送至外界应用主机，所述外界应用主机根据地址编码来区别不同的目标节点10。

综上所述，本实用新型提出的室内超声波三维定位系统通过原点信标向目标节点发送定位超声波，按预定的时间间隔向目标节点及两个节点信标发送红外光同步信号，两个节点信标接收到同步信号后，向目标节点发送定位超声波，目标节点接收到原点信标及两个节点信标发送的定位超声波后，计算出原点信标以及两个节点信标与目标节点的距离，根据距离计算出目标节点的三维坐标，克服了现有室内定位技术中信息误差大、时间反应慢的缺点，另外，使用超声波定位技术，具有成本低、安装使用方便、抗电磁干扰能力强、不受外界环境因素影响和时间信息直观等优点。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。