一种基于超声波测距的室内定位系统

1.本实用新型涉及室内定位技术领域，特别涉及一种基于超声波测距的室内定位系统。


背景技术：

2.以gps为代表的室外定位技术已经相当成熟，然而身处于室内时，由于gps信号需要穿透建筑，室内定位继续依靠gps等室外定位技术则将使定位结果失去可靠性，定位精度很难保证，gps定位结果因多径效应和信号遮蔽而急剧恶化。常使用的室内定位技术包含uwb技术、wi-fi技术、蓝牙技术、rfid技术等，但是多数室内定位技术设备成本颇高。目前超声波技术已经相当成熟，超声波模块的生产成本也相当低廉，且超声波具有指向性好的特性，非常适合应用到室内定位当中。
3.1989年至1992年间，olivetti实验室开发了最早的室内定位系统之一——基于红外线的active badges定位系统，但是由于存在很大的缺陷没有被推广开来。随后，at&t实验室在其基础上设计出了基于超声波的active bat系统，采用toa算法，处理至少三组的数据便可实现定位，且误差可控制在3~4cm左右。相较西方国家，国内的室内定位技术研究较迟，技术也不够成熟，但是已经有了很大的进步和创新，2011年，北京理工大学的王军政等人应用卡尔曼滤波的量程自适应测量法设计了一款便于调控的超声波测距系统。2013年，南京信息工程大学的张永宏等人去除了超声波信号中的噪音。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种基于超声波测距的室内定位系统，实现了室内环境的精确定位，并且具备低成本、少盲区的系统优越性，结构简易，定位灵活。
5.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种基于超声波测距的室内定位系统，包括：固定基站和移动端定位节点，固定基站固定安装在室内顶部，移动端定位节点设置在室内中；
7.所述固定基站包括有第一主控mcu，第一主控mcu分别与第一无线通信模块、第一超声波发射及接收模块、第一电源模块之间电性连接，并处理各个模块的数据信息；
8.所述移动端定位节点包括有第二主控mcu，第二主控mcu分别与第二无线通信模块、第二超声波发射及接收模块、转向舵机模块、电子指南针模块、第二电源模块之间电性连接，并处理各个模块的数据信息使得移动端节点完成定位；
9.其中，所述第一无线通信模块与第二无线通信模块之间通信连接，使得移动端定位节点在定位需求时与固定基站匹配；第二超声波发射及接收模块安装在转向舵机上，使得通过转向舵机的转向使第二超声波发射及接收模块向不同方向发射超声波；第二超声波发射及接收模块与第一超声波发射及接收模块之间通过超声波通信连接，实现测距；电子指南针模块用于获取方向信息。
10.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
11.进一步地，所述移动端定位节点还包括温度传感器，温度传感器与第二主控mcu之间电性连接。
12.进一步地，所述移动端定位节点还包括wifi通信模块，wifi通信模块与第二主控mcu之间电信连接，且wifi通信模块与pc端通信连接。
13.进一步地，所述第一超声波发射及接收模块和第二超声波发射及接收模块的频率大小均为40khz。
14.本实用新型的有益效果是：本技术通过舵机与第二超声波发射及接收模块的结合，并且同时借助电子指南针模块获得了移动端定位节点在空间内的距离和方向信息，极大缩减了定位系统的定位盲区，与现有的多点定位相比，该系统对基站的依赖更少。本技术采用的模块大多较为常规，因此整个系统的搭建和运行成本十分低廉。因此本技术系统结构简单，定位灵活，在搭建方面对技术的要求不高。
附图说明
15.图1是本实用新型固定基站和移动端定位节点分位置分布示意图。
16.图2是本实用新型固定基站各模块连接关系示意图。
17.图3是本实用新型移动端定位节点各模块连接关系示意图。
18.图4是本实用新型转向舵机连接关系示意图。
19.图5是本实用新型实施例中移动端定位节点a与固定基站b的位置定位关系示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图详细说明本实用新型。
21.本技术的主要技术方案为：
22.一种基于超声波测距的室内定位系统，包括：固定基站和移动端定位节点，固定基站固定安装在室内顶部，移动端定位节点设置在室内中；
23.固定基站包括有第一主控mcu，第一主控mcu分别与第一无线通信模块、第一超声波发射及接收模块、第一电源模块之间电性连接，并处理各个模块的数据信息；
24.移动端定位节点包括有第二主控mcu，第二主控mcu分别与第二无线通信模块、第二超声波发射及接收模块、转向舵机模块、电子指南针模块、第二电源模块之间电性连接，并处理各个模块的数据信息使得移动端节点完成定位；
25.其中，第一无线通信模块与第二无线通信模块之间通信连接，使得移动端定位节点在定位需求时与固定基站匹配；第二超声波发射及接收模块安装在转向舵机上，使得通过转向舵机的转向使第二超声波发射及接收模块向不同方向发射超声波；第二超声波发射及接收模块与第一超声波发射及接收模块之间通信连接，实现测距；电子指南针模块用于获取方向信息。
26.进一步，移动端定位节点还包括温度传感器，温度传感器与第二主控mcu之间电性连接；以使第二主控mcu通过温度信息对第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块之间检测的距离进行修正（例如以常温为界限，每增加一摄氏度将测量的距离增加1公分，每减少一摄氏度将测量的距离减少1公分）
27.进一步，移动端定位节点还包括wifi通信模块，wifi通信模块与第二主控mcu之间电信连接，且wifi通信模块与pc端通信连接，用于将第二主控mcu中的数据信息传输给pc端。
28.进一步，第一超声波发射及接收模块和第二超声波发射及接收模块的频率大小为40khz。
29.进一步，移动端定位节点还包括第三超声波发射及接收模块，第三超声波发射及接收模块与另外一个移动端定位节点的第三超声波发射及接收模块通过超声波通信连接，实现移动端定位节点彼此之间的距离测定；
30.其中，移动端定位节点彼此之间的第二无线通信模块通信连接，以实现彼此之间的第二主控mcu数据交互。
31.进一步，第三超声波发射及接收模块的频率大小为80khz。
32.本技术系统的具体实施方案如下：
33.参考图1-图3。固定基站由如下内容构成：lora无线通信模块（第一无线通信模块）、40khz超声波接收模块、40khz超声波发射模块（接收和发射组合成第一超声波发射及接收模块）、第一电源模块、单片机——第一主控mcu。其中，40khz超声波发射和接收模块为常规定位服务，lora负责与移动节点通信，接收来自移动节点的定位指令。
34.参考图1-图3。移动端节点由如下内容构成：电子指南针模块、转动舵机、80khz超声波发射模块、40khz超声波发射模块、80khz超声波接收模块、40khz超声波接收模块（其中，40khz的发射和接收组合成第二超声波发射及接收模块，80khz的发射和接收组合成第三超声波发射及接收模块）、lora无线通信模块（第二无线通信模块，负责与固定基站之间的通信）、wifi通信模块（负责将定位数据汇总发送给pc端）、温度传感器、第二电源模块、单片机——第二主控mcu。其中，40khz超声波接收与发射模块负责参与常规定位模式。电子指南针可以标明该节点的朝向，与舵机相结合参与方向的确定。80khz超声波发射和接收模块负责参与伙伴定位模式。lora模块负责与固定基站和其他移动节点进行通信。温度传感器负责参与测距的修正。wi-fi模块负责将定位信息上传到服务器。
35.常规定位模式：任何处在四个固定基站测距范围内的移动端定位节点均可采用常规定位模式。在常规定位模式下，首先由移动端定位节点发出定位请求，请求通过lora模块发送给固定基站，每次请求携带可能处在附近的固定定位基站的编号，指定该固定定位基站节点进入等待状态。其中，每个固定基站和移动端定位节点均有唯一的编号指定。固定基站通过自身的lora模块收到指令后立即进入等待状态，使得固定基站和移动端定位节点匹配完成。
36.参考图4-图5。匹配完成后，移动端定位节点通过转向舵机和第二超声波发射及接收模块的配合，寻找固定基站，以实现定位。具体为：移动端定位节点上的舵机每次转动一个角度后通过第二超声波发射及接收模块发送一次超声波信号，等待一个超时时间，当超时发生时仍未收到固定基站的回应说明固定基站不处在当前舵机所指向的方向，则继续旋转一个角度，旋转的角度为超声波发射模块发射超声波的夹角（第二超声波发射及接收模块发射的超声波是一个广角范围，转向舵机的旋转角度也是这个广角），然后重复上一个操作，继续发送超声波信号并等待。当该移动节点发射超声波信号并且在超时周期内收到固定基站超声波模块的应答后，计量中间等待的时间以及根据当时环境温度对超声波测距进
行修正就可以得到移动节点与该固定基站之间的距离，并且可以根据当时舵机转动的角度、电子指南针的指向获得该固定节点所在移动节点的方向（例如，舵机每次都是以电子指南针所指的正南为起始方向，每次顺时针转动一个角度，这样当有超声波信号返回时就知道超声波相对于正南的探测方向了），然后指定下一个处在附近的基站，重复上述完整的测距流程测得距离和方向。在舵机完成360
°
旋转后仍没有超声波应答则说明指定固定基站不处在有效测距范围内，于是跳过该固定基站，继续指定下一次固定基站；通过两个及以上的固定基站实现移动端定位节点的位置确定。
37.进一步补充的是，只通过一个固定基站对移动端定位节点的位置寻找并不准确，因此通过多个可以获得较好的定位结果。具体为：参考图5。由上述内容可知，可以使舵机每次都是以电子指南针所指的正南为起始方向，每次顺时针转动一个角度，这样当有超声波信号返回时就知道超声波相对于正南的探测方向了。在图5的实施例中，正好在起始的正南方向搜寻到返回信号。这时由于固定基站的位置是固定的，且由超声波测距知道移动端定位节点距离该固定基站的距离，因此可以得知，移动端定位节点必定在图5中的圆上（图中圆的直径就是所探测的距离）。结合超声波的探测方向（该实施例为正南）、以及超声波的探测广角，可以得知移动端定位节点所在的两个极限位置（如图5中的a1和a2），即移动端定位节点必然在a1或a2或a1和a2之间这条劣弧上，因为只有在这些位置才能得到返回信号。这时采用同样的方式定位另外一个匹配的固定基站，之间的交点就是移动端定位节点的位置。以此实现根据固定基站的位置确定移动节点的位置。
38.其中，在移动端定位节点得知与附近两个固定基站之间的距离和方向信息后即可完成一次定位，图5中，α为移动端定位节点超声波发射模块的发射夹角，在常规定位模式下认为图5中的b为固定基站处在的位置，a处在a1到a2之间的劣弧上，a在图中未标出，可以根据几何知∠a1ba2也等于α。当移动节点a与一个固定基站b完成一次测距和方向测量后，可以得知a处在从a1到a2之间的劣弧上，当移动节点与两个固定节点完成距离和方向测量后，可能处在的位置为两条劣弧的交点。也可以采取与附近四个固定基站之间进行测距，通过四点定位法完成定位。应当意识到的是，此处完成定位的方式不止一种，只要是根据已经测得的距离和方向信息完成定位均可。该常规模式下，由于移动节点可以得知自身与基站之间的距离和方向，并且利用电子指南针可以得知自身朝向，综合这几个信息可以利用更少的基站完成定位，极大缩小了定位盲区。
39.本技术还提供了除常规定位模式以外的伙伴定位模式，这种模式下需要用到第三超声波发射及接收模块。在上述常规定位模式下，如果附近可用定位基站不足，可以启动伙伴定位模式，借助附近已知位置的其他移动节点进一步缩小目标移动节点处在的区域。伙伴模式下，由于附近固定基站不足，所以如果有处在测距范围内的位置已知的其他移动节点，这些移动节点可以参与辅助定位，将这些节点称为辅助定位节点。当附近不存在其他辅助定位节点时无法完成伙伴定位。当无法完成一次完整的常规定位时，目标移动节点将会激活伙伴定位模式，在该模式下，首先该目标移动节点已经完成了与附近可定位固定基站的交互，目标移动节点进而通过lora向可能处在附近的其他移动节点发出请求，请求发出后，舵机每旋转一个角度80khz超声波发射/接收模块（第三超声波发射及接收模块）发射一次超声波，此时舵机旋转的角度为80khz超声波发射/接收模块发射覆盖的角度，超声波发射后，该目标移动节点等待一个超时周期，当等待超时时认为辅助定位节点不在当前舵机
所指向的方向，舵机继续旋转，然后发射超声波并等待，如此重复，当舵机旋转360
°
后仍未收到回应，则说明辅助定位节点不在附近，继续指定下一个辅助定位节点。如果指定的辅助定位节点自身位置也处于未知状态，该辅助定位节点将会做出否定的回应，于是目标移动节点跳过该节点。当完成对附近其他移动节点的请求和定位后，目标移动节点可以根据已知信息再次尝试定位。在该模式下，移动节点的定位盲区为动态变化的，但是总会小于常规定位模式下的定位盲区，这就是该模式对常规定位模式的补充作用。
40.其中，80khz超声波接收/发射模块安装方式为水平安装，目的是为伙伴定位服务；40khz超声波接收/发射模块采取斜向上的方向安装，目的是为常规定位模式服务，尽可能对准固定基站的接收模块。
41.需要注意的是，实用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
42.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。