專利名稱：基于雙紅外系統(tǒng)的室內(nèi)空間定位方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種室內(nèi)空間定位方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
空間定位技術(shù)具有重要的使用價(jià)值。目前，以GPS為代表的室外定位技術(shù)已經(jīng)在 導(dǎo)航/定位等民用、軍用領(lǐng)域取得了較好應(yīng)用。但是，此類技術(shù)存在4個(gè)缺點(diǎn)一，成本高 昂。由于現(xiàn)有全球定位技術(shù)全部依賴于原子鐘這一昂貴計(jì)時(shí)裝置，因此使得這一技術(shù)成本 過高，不適于小范圍低成本定位。二，無法對(duì)室內(nèi)進(jìn)行定位。全球定位系統(tǒng)使用無線電信號(hào)， 其信號(hào)對(duì)水泥等建筑物穿透力較弱，在室內(nèi)無法應(yīng)用。三，民用精度過低。以GPS為例，其民 用精度最高僅為2. 95米左右。四，高精度定位需要在移動(dòng)中進(jìn)行。目前以衛(wèi)星傳輸時(shí)間信 息，得出距離后計(jì)算位置的方式，必須依賴于多普勒效應(yīng)進(jìn)行差分定位才能獲得較高精度， 因此定位點(diǎn)必須不斷移動(dòng)。由上述情晃可知，室外定位技術(shù)無法適用于室內(nèi)的、高精度、低成本定位。因此需 要發(fā)明一種室內(nèi)定位技術(shù)，以滿足封閉環(huán)境內(nèi)的定位需求。該技術(shù)是智能機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等 后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種精度高、成本低的室內(nèi)空間定位方法與系統(tǒng)。本發(fā)明提出的內(nèi)空間定位方法，假設(shè)地面與天花板平行，信號(hào)源與接收端共同位 于地面上，其基本原理是通過測量由信號(hào)源發(fā)射到天花板、再進(jìn)一步反射到接收端的兩束 不同頻率紅外信號(hào)之間的相位差，得到兩束信號(hào)的距離差信息，再進(jìn)一步通過公式計(jì)算，即 得到接收點(diǎn)的坐標(biāo)。該方法包括反射式定位方法和透射式定位方法兩種。根據(jù)“通過不同頻率信號(hào)相位差測量兩反射點(diǎn)到接收端距離差，并進(jìn)一步計(jì)算后 得到坐標(biāo)位置”的基本思路，本發(fā)明的室內(nèi)空間定位系統(tǒng)分為二維平面定位系統(tǒng)和三維平 面定位系統(tǒng)，具體如下反射式定位二維平面定位，系統(tǒng)包括發(fā)射模塊1，接收模塊2，定標(biāo)模塊3，定位模塊4 ；假設(shè)地面與天花板水平，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于地面。由發(fā)射模塊1發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)， 經(jīng)由天花板反射后，被接收端接收模塊2接收。進(jìn)一步，判斷是否已經(jīng)確定了天花板上反射 點(diǎn)、地面上發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo)。如果沒有確定，則由定標(biāo)模塊3對(duì)發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)；如果 已經(jīng)確定，則由定位模塊4根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位。三維定位系統(tǒng)，包括發(fā)射模塊1，接收模塊5，定標(biāo)模塊3，定位模塊6 ；假設(shè)地面與天花板平行，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于地面，接收端水平。由發(fā)射模塊1發(fā)射方 波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由天花板反射后，被接收端接收模塊5接收。進(jìn)一步，判斷是否已經(jīng)確定了 天花板上反射點(diǎn)、地面上發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo)。如果沒有確定，則交由定標(biāo)模塊3對(duì)發(fā)射點(diǎn)、反射 點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)；如果已經(jīng)確定，則交由定位模塊6根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位。透射式定位 二維平面定位，系統(tǒng)包括發(fā)射模塊7，接收模塊2，定位模塊4 ；假設(shè)地面與天花板平行，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于天花板。由發(fā)射模塊7發(fā)射方波調(diào)制信 號(hào)，由接收端接收模塊2進(jìn)行接收。進(jìn)而由定位模塊4根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì) 接收端進(jìn)行定位。三維定位系統(tǒng)，包括發(fā)射模塊7，接收模塊5，定位模塊6 ；假設(shè)地面與天花板平行，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于天花板，接收端(器)水平。由發(fā)射模塊 7發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由天花板反射后，被接收端接收模塊5接收。進(jìn)而由定位模塊6根 據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位。各模塊說明如下所述發(fā)射模塊1，包括信號(hào)調(diào)制模塊(1. 1)和兩個(gè)獨(dú)立的紅外線信號(hào)發(fā)射裝置 (1.2)，后者負(fù)責(zé)將由信號(hào)調(diào)制模塊(1. 1)傳來的方波信號(hào)發(fā)射到空氣中。所述信號(hào)調(diào)制模 塊(1. 1)，其功能是產(chǎn)生兩個(gè)初始相位相同、頻率不同的方波信號(hào)，并以保持發(fā)射端信號(hào)初 始相位相同為標(biāo)準(zhǔn)，間斷性地產(chǎn)生滿足這樣標(biāo)準(zhǔn)的紅外信號(hào)并傳送至紅外線信號(hào)發(fā)射裝置 (1. 2).如圖1所示，a、b分別為信號(hào)調(diào)制模塊(1. 1)所產(chǎn)生的方波信號(hào)。所述紅外線信號(hào) 發(fā)射裝置(1.2)如圖2所示，分為兩個(gè)獨(dú)立的、完全相同的發(fā)射單元，分別接收由信號(hào)調(diào)制 模塊11傳來的方波信號(hào)a、b，并且兩個(gè)單元之間互成角度θ，保證發(fā)射出去的信號(hào)a、b之 間互成角度θ。所述接收模塊2，包括信號(hào)獲取模塊(2. 1)與信號(hào)解析模塊(2. 2)兩部分。信號(hào) 獲取模塊(2. 1)所獲取的初始信號(hào)源，如圖1中信號(hào)c所示，所獲取信號(hào)經(jīng)由信號(hào)解析模塊 (2.2)處理后，得到與信號(hào)a、b相位差對(duì)應(yīng)的一個(gè)值。根據(jù)這個(gè)值，即可獲得兩信號(hào)從發(fā)射 點(diǎn)到接受點(diǎn)所走過的路程差。所述信號(hào)獲取模塊(2. 1)，如圖3所示。其中心點(diǎn)即為目標(biāo)定 標(biāo)點(diǎn)(x，y)，以向量ba所指方向?yàn)榻邮掌髡较?。圓點(diǎn)a、b、c分別各自接收由信號(hào)發(fā)射模 塊1或信號(hào)發(fā)射模塊7傳來的合成信號(hào)，并傳送給各自的信號(hào)解析模塊(2. 2)。所述信號(hào)解析模塊(2. 2)，其功能是通過對(duì)圖1中所示合成信號(hào)c的處理，得到圖 1中信號(hào)a、b在到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)的相位差所對(duì)應(yīng)的參數(shù)。其原理圖如圖4所示，其電路圖如 圖5所示。在圖5中，A輸出經(jīng)過還原的信號(hào)，B輸出路程差的計(jì)數(shù)。這一計(jì)數(shù)并不是直接的 路程差，但與路程差一一對(duì)應(yīng)，在具體實(shí)施時(shí)確定對(duì)應(yīng)比例。所述定標(biāo)模塊3，包括初始化行走控制模塊(3. 1)，距離信息反饋模塊(3. 2)，反 射點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模塊(3. 3)；其功能是確定發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)的坐標(biāo)位置。定標(biāo)必須在接收器與 發(fā)射器重合時(shí)進(jìn)行。在使用發(fā)射模塊7時(shí)，其發(fā)射點(diǎn)位于天花板上，相當(dāng)于使用發(fā)射模塊1 時(shí)的反射點(diǎn)，因此在使用發(fā)射模塊7時(shí)，發(fā)射點(diǎn)位置可以認(rèn)為給定，直接返回預(yù)先安置好的 發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)值，將其作為天花板上兩點(diǎn)坐標(biāo)即可。使用發(fā)射模塊1時(shí)，根據(jù)接收模塊2或接 收模塊5的選擇使用，人為假設(shè)其發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)或(0，0，0)。定標(biāo)模塊3的工作過程 為在接收器、發(fā)射器重合時(shí)，使水平距離信息反饋模塊對(duì)準(zhǔn)發(fā)射點(diǎn)，由初始化行走控制模 塊(3. 1)控制電機(jī)走過位于同一直線上的三段距離，并將這直線視為χ軸，將行進(jìn)方向視為 χ軸正方向。并由距離信息反饋模塊(3.2)返回三段距離的具體值d，2d，3d。距離信息反饋模塊(3. 2)如圖6所示。進(jìn)一步，由反射點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模塊(3. 3)接收從接受模塊2獲得的在行走過程中位于不同位置的距離差信息。在走過的三段線段的四個(gè)端點(diǎn)處獲得由距離 信息傳送模塊送來的距離差信息后，通過如下方程式計(jì)算后，得到反射點(diǎn)位置坐標(biāo)(xl，yl) 與(x2，y2)。其中，Φ為發(fā)射模塊1中兩發(fā)射單元間夾角。Ila2 = (O-X1)2+(O-Y1) 2+h2I2a2 = (O-X2)2+(0-y2) 2+h2Δ Iz = Ilz-I2zIla' 2 = (Cl-X1)2+(O-Y1) 2+h2I2a' 2 = (d-x2)2+(0-y2) 2+h2Δ I/ = Ila' -I2a'Ila"2 = (2d-Xl)2+ (O-Y1) 2+h2I2a"2 = (2d-x2)2+ (0-y2) 2+h2Δ l/=lla"-VIla”，2 = (3d-Xl)2+(O-Y1) 2+h2l2a”，2 = (3d-x2)2+ (0-y2) 2+h2 所述定位模塊4，其功能是將由接收模塊2傳來的信號(hào)相位差信思，經(jīng)由距禹信思 轉(zhuǎn)換模塊(4. 1)轉(zhuǎn)換為距離差信息，并進(jìn)一步經(jīng)由坐標(biāo)計(jì)算模塊(4. 2)計(jì)算后，得到中心點(diǎn) 的位置坐標(biāo)(X，y)和其正方向與χ軸的夾角θ。所述距離信息轉(zhuǎn)換模塊(4. 1)，其功能是 將由接收模塊傳來的相位差信息轉(zhuǎn)換為距離差信息，涉及到具體硬件參數(shù)。所述坐標(biāo)計(jì)算 模塊(4. 2)，在獲得距離差信息后，通過如下方程式計(jì)算后得到當(dāng)前接收器目標(biāo)定標(biāo)點(diǎn)的二 維坐標(biāo)(x，y)。其中Ala，Alb, Alc為兩信號(hào)從天花板兩反射點(diǎn)到接受點(diǎn)a、b、c的距離 差，11a、lib、11c、12a、12b、12c為兩信號(hào)從天花板兩反射點(diǎn)到接受點(diǎn)a、b、c的距離，(xl, yl)，(x2, y2)為天花板反射坐標(biāo)，h為天花板高度。方程式如下Ila2= (Xa-X1)2+(Υ3-Υι) 2+h2I2a2 = (Xa-X2) 2+(ya-y2)2+h2Ala= Ila-I2aIlb2 = (Xb-X1) 2+(yb-yi)2+h2I2b2 = (xb-x2) 2+(yb-y2)2+h2Alb = Ilb-I2bIlc2= (xc-xc)2+(Yc-Y1) 2+h2I2c2= (Xc-X2) 2+(yc-y2)2+h2Alc = Ilc-I2cxa = x+da · cos ( θ + θ a)ya = y+da· sin(0 + 0a)xb = x+db · cos ( θ + θ b)yb = y+db · sin(0 + 0b)xc = x+dc · cos ( θ + θ c)
0 a = 00 b = Ji0 c = 3 Ji /4其中距離差信息由接收模塊2或接收模塊5提供，反射點(diǎn)坐標(biāo)、天花板高度為已知量。這樣，就最終求得了接收器的精確坐標(biāo)信息。所述接收模塊5，包括信號(hào)獲取模塊(5. 1)與信號(hào)解析模塊(5. 2)兩部分。信號(hào) 獲取模塊(5. 1)所獲取的初始信號(hào)源如圖1中信號(hào)c所示，所獲取信號(hào)經(jīng)由信號(hào)解析模塊 (5.2)處理后，得到與信號(hào)a、b相位差對(duì)應(yīng)的一個(gè)值。經(jīng)由這個(gè)值，即可獲得兩信號(hào)從發(fā)射 點(diǎn)到接受點(diǎn)所走過的路程差。所述信號(hào)獲取模塊(5. 1)，如圖7所示。其中心點(diǎn)即為目標(biāo)定 標(biāo)點(diǎn)&，7，11)，以向量1^所指方向?yàn)榻邮掌髡较?。圓點(diǎn)a、b、c、d分別各自接受由信號(hào) 發(fā)射模塊1或信號(hào)發(fā)射模塊7傳來的合成信號(hào)，并傳送給各自的信號(hào)解析模塊(5. 2)。所述 信號(hào)解析模塊與信號(hào)解析模塊(2. 2)完全相同。所述定位模塊6，其功能是將由接受模塊5傳來的信號(hào)相位差信息，經(jīng)由距離信息 轉(zhuǎn)換模塊(6. 1)轉(zhuǎn)換為距離差信息，并進(jìn)一步經(jīng)由坐標(biāo)計(jì)算模塊(6. 2)計(jì)算后，得到中心點(diǎn) 的位置坐標(biāo)(x，y, h)和其正方向與水平面x軸的夾角0。所述距離信息轉(zhuǎn)換模塊(6. 1)， 其功能是將由接收模塊傳來的相位差信息轉(zhuǎn)換為距離差信息，涉及到具體硬件參數(shù)。所述 坐標(biāo)計(jì)算模塊(6. 2)，獲得距離差信息后，通過如下方程式計(jì)算得到當(dāng)前接收器目標(biāo)定標(biāo)點(diǎn) 的三維坐標(biāo)(x，y，z)。其中Ala，Alb, Ale, A Id為兩信號(hào)從天花板兩反射點(diǎn)到接受點(diǎn) a、b、c、d的距離差，11a、lib、11c、lid、12a、12b、12c、12d為兩信號(hào)從天花板兩反射點(diǎn)到 接受點(diǎn)a、b、c、d的距離，(xl，yl)，(x2, y2)為天花板反射坐標(biāo)，h為天花板高度。方程式
如下(注須保持接收水平)
1 2 J-la=(Xa-X!)24(ya-yi)2+h
1 2=(xa"X2)24(ya-y2)2+h
A1=1 -1 J-la J-2a
1 2 lib=(Xb-x》(yb_yi) 2+h
1 2 12b=(xb-x2)24(yb-y2) 2+h
Al,=1 -1
llc2=(Xc-Xi)2—(yc-yi)2+h
12C2=(xc_x2)2—(yc2\ -y)2+h
Al=1 -1 : -"-lc l2c
1 2 J-ld=(Xd-Xi)2—(yd-yi)2+h
l2d2=(xd-X2)24(yd-y2)2+h
Al=1 -1
xa ==x+da cos(e+ e
ya ==y+da sin(e+ e
xb ==x+db cos(e+ 0,
yb ==y+db sin(e+ 0,
xc ==x+dc cos(e+ e yc = y+dc sin( 0 + 0 c)xd = x+dd cos( 0 + 0 d)yd = y+dd. Sin(e + ed)0 a = 00 b = Ji0 c = 3 Ji /40 d = JI /2所述發(fā)射模塊7，包括兩個(gè)獨(dú)立的紅外線信號(hào)發(fā)射裝置(7. 2)，負(fù)責(zé)將由信號(hào)調(diào) 制模塊(7. 1)傳來的方波信號(hào)發(fā)射到空氣中。所述信號(hào)調(diào)制模塊(7. 1)，與信號(hào)調(diào)制模塊 (1.1)完全相同。所述紅外線信號(hào)發(fā)射裝置(7.2)如圖8所示，分為兩個(gè)獨(dú)立的、完全相同 的發(fā)射單元，分別內(nèi)嵌在天花板的同一深度上，接收由信號(hào)調(diào)制模塊(7. 1)傳來的方波信 號(hào)a、b，并各自發(fā)射出去。對(duì)兩個(gè)發(fā)射單元的位置沒有固定要求。本發(fā)明具有成本低、精度高、不需移動(dòng)即可定位等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。在室 內(nèi)智能化應(yīng)用工程中，如智能機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都可獲得該技術(shù)的支持與應(yīng)用。例如， 智能機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境下需要在電量不足時(shí)自主回到充電地點(diǎn)，目前，這一問題難以通過 GPS或圖像識(shí)別等技術(shù)解決，而借助本發(fā)明的室內(nèi)定位技術(shù)可以解決該問題。


圖1為二維系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)圖示。圖2為紅外線信號(hào)發(fā)射裝置(1. 2)圖示。圖3為信號(hào)獲取模塊(2. 1)圖示。圖4為信號(hào)解析模塊(2. 2)的原理圖。圖5為信號(hào)解析模塊(2. 2)電路圖。(其實(shí)質(zhì)是傳統(tǒng)紅外線測距儀的簡化版，即省 去了通過源信號(hào)的輸入并與RS限位器比較后得到相位差的方法，直接捕捉高電平/低電平 的計(jì)數(shù)。以此為依據(jù)，可以得到反射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離差).圖6為距離信息反饋模塊(3.2)圖示。(此模塊負(fù)責(zé)探測水平方向上工作平臺(tái)、接 收模塊2正方向與障礙物的距離)。圖7為信號(hào)獲取模塊(5. 1)圖示。(此模塊負(fù)責(zé)捕捉4個(gè)不同的點(diǎn)處的紅外信號(hào)， 并傳送給模塊(5. 2)以做進(jìn)一步運(yùn)算)。圖8為紅外線信號(hào)發(fā)射裝置(7. 2)圖示。(此模塊負(fù)責(zé)將模塊(1. 1)產(chǎn)生的兩個(gè) 信號(hào)發(fā)送出去。此模塊需要提前安裝，只要得知兩個(gè)發(fā)射裝置間的間距就能定義反射點(diǎn)的 坐標(biāo)，不必使用模塊3)。圖9為本發(fā)明流程圖示。圖10為本發(fā)明各個(gè)模塊組成。
具體實(shí)施例方式下面以二維反射式定位為例，對(duì)本發(fā)明予以說明，使能更好地理解本發(fā)明而非用 來限制本發(fā)明的范圍。其工作原理可分為三部分
第一，(如何得到反射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離差)由信號(hào)調(diào)制模塊1. 1調(diào)制頻率分別 為aKHz與bKHz的方波信號(hào)，并由紅外線信號(hào)發(fā)射裝置1. 2以820nm紅外線為載體發(fā)射出 去，兩束信號(hào)互成角度，射向天花板，進(jìn)行一次反射后，被信號(hào)獲取模塊2. 1的三個(gè)接受點(diǎn) 分將兩束信號(hào)的合成信號(hào)作為單獨(dú)信號(hào)接收，并作為一個(gè)單獨(dú)的信號(hào)由信號(hào)解析模塊2. 2 進(jìn)行處理，處理后可以得到發(fā)射器處兩個(gè)信號(hào)的發(fā)射源到接收器的波的路程的差所對(duì)應(yīng)的 數(shù)值。第二，(如何確定反射點(diǎn)位置)在初始化時(shí)，由初始化行走控制模塊3. 1控制接收 器走過位于同一直線上的三段距離，并由距離信息反饋模塊得出距離的具體值，進(jìn)一步交 由反射點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模塊3. 3進(jìn)行計(jì)算后，得到以下常量天花板的高度、天花板上兩個(gè)反射 點(diǎn)的坐標(biāo)(xl，yl)與(x2, y2)第三，(如何確定目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo))在已知反射點(diǎn)位置、反射點(diǎn)到各個(gè)接收點(diǎn)的距離差 信息之后，首先由距離信息轉(zhuǎn)換模塊4. 1將距離差所對(duì)應(yīng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換為距離差，進(jìn)而使得 坐標(biāo)計(jì)算模塊4. 2得以應(yīng)用反射點(diǎn)到各個(gè)接收點(diǎn)的距離差、反射點(diǎn)位置等信息進(jìn)行計(jì)算， 最終得到目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)的位置(x，y)和接收器正方向ba與x軸的夾角e。
1權(quán)利要求
一種基于雙紅外系統(tǒng)的室內(nèi)空間定位方法，其特征在于，假設(shè)地面與天花板平行，信號(hào)源與接收端共同位于地面上，通過測量由信號(hào)源發(fā)射到天花板、再進(jìn)一步反射到接收端的兩束不同頻率紅外信號(hào)之間的相位差，得到兩束信號(hào)的距離差信息，再進(jìn)一步通過公式計(jì)算，即得到接收點(diǎn)的坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，分為反射式定位方法和透射式定位方法 兩種；每種方法又分為二維平面定位與三維定位兩類；其中(1)反射式定位a、二維平面定位，系統(tǒng)包括發(fā)射模塊1，接收模塊2，定標(biāo)模塊3，定位模塊4；假設(shè)地 面與天花板水平，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于地面，由發(fā)射模塊1發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由天花板反射 后，被接收端接收模塊2接收；進(jìn)一步，判斷是否已經(jīng)確定了天花板上反射點(diǎn)、地面上發(fā)射 點(diǎn)的坐標(biāo)；如果沒有確定，則由定標(biāo)模塊3對(duì)發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)；如果已經(jīng)確定，則由 定位模塊4根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位；b、三維定位系統(tǒng)，包括發(fā)射模塊1，接收模塊5，定標(biāo)模塊3，定位模塊6；假設(shè)地面與 天花板平行，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于地面，接收端水平；由發(fā)射模塊1發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由天 花板反射后，被接收端接收模塊5接收；進(jìn)一步，判斷是否已經(jīng)確定了天花板上反射點(diǎn)、地 面上發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo)；如果沒有確定，則交由定標(biāo)模塊3對(duì)發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)；如果已 經(jīng)確定，則交由定位模塊6根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位；(2)透射式定位a、二維平面定位，系統(tǒng)包括發(fā)射模塊7，接收模塊2，定位模塊4；假設(shè)地面與天花板平 行，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于天花板；由發(fā)射模塊7發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，由接收端接收模塊2進(jìn)行接 收；進(jìn)而由定位模塊4根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位；b、三維定位系統(tǒng)，包括發(fā)射模塊7，接收模塊5，定位模塊6；假設(shè)地面與天花板平行， 信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于天花板，接收端水平；由發(fā)射模塊7發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由天花板反射 后，被接收端接收模塊5接收；進(jìn)而由定位模塊6根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端 進(jìn)行定位。
3.一種基于雙紅外系統(tǒng)的室內(nèi)空間定位系統(tǒng)，其特征在于，分為反射式定位和透射式 定位兩種；每種又分為二維平面定位與三維定位兩類；其中(1)反射式定位a、二維平面定位，系統(tǒng)包括發(fā)射模塊1，接收模塊2，定標(biāo)模塊3，定位模塊4；假設(shè)地 面與天花板水平，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于地面，由發(fā)射模塊1發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由天花板反射 后，被接收端接收模塊2接收；進(jìn)一步，判斷是否已經(jīng)確定了天花板上反射點(diǎn)、地面上發(fā)射 點(diǎn)的坐標(biāo)；如果沒有確定，則由定標(biāo)模塊3對(duì)發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)；如果已經(jīng)確定，則由 定位模塊4根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位；b、三維定位系統(tǒng)，包括發(fā)射模塊1，接收模塊5，定標(biāo)模塊3，定位模塊6；假設(shè)地面與 天花板平行，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于地面，接收端水平；由發(fā)射模塊1發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由天 花板反射后，被接收端接收模塊5接收；進(jìn)一步，判斷是否已經(jīng)確定了天花板上反射點(diǎn)、地 面上發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo)；如果沒有確定，則交由定標(biāo)模塊3對(duì)發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)；如果已 經(jīng)確定，則交由定位模塊6根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位；(2)透射式定位a、二維平面定位，系統(tǒng)包括發(fā)射模塊7，接收模塊2，定位模塊4；假設(shè)地面與天花板平 行，信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于天花板；由發(fā)射模塊7發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，由接收端接收模塊2進(jìn)行接 收；進(jìn)而由定位模塊4根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端進(jìn)行定位；b、三維定位系統(tǒng)，包括發(fā)射模塊7，接收模塊5，定位模塊6；假設(shè)地面與天花板平行， 信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位于天花板，接收端水平；由發(fā)射模塊7發(fā)射方波調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由天花板反射 后，被接收端接收模塊5接收；進(jìn)而由定位模塊6根據(jù)距離差、發(fā)射點(diǎn)、反射點(diǎn)信息對(duì)接收端 進(jìn)行定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙紅外系統(tǒng)的室內(nèi)空間定位系統(tǒng)，其特征在于 所述發(fā)射模塊(1)，包括信號(hào)調(diào)制模塊(1.1)和兩個(gè)獨(dú)立的紅外線信號(hào)發(fā)射裝置(1.2)，后者負(fù)責(zé)將由信號(hào)調(diào)制模塊(1. 1)傳來的方波信號(hào)發(fā)射到空氣中；所述信號(hào)調(diào)制模 塊(1. 1)，其功能是產(chǎn)生兩個(gè)初始相位相同、頻率不同的方波信號(hào)，并傳送至紅外線信號(hào)發(fā) 射裝置(1. 2)，所述紅外線信號(hào)發(fā)射裝置(1. 2)接收由信號(hào)調(diào)制模塊(1. 1)傳來的方波信號(hào) a、b，并互成一定角度發(fā)射；所述接收模塊(2)，包括信號(hào)獲取模塊(2. 1)與信號(hào)解析模塊(2. 2)兩部分；信號(hào)獲取 模塊(2. 1)分為三個(gè)不同的點(diǎn)同時(shí)獲取信號(hào)，經(jīng)由各自的信號(hào)解析模塊(2. 2)處理后，得到 兩信號(hào)從發(fā)射點(diǎn)到三個(gè)接受點(diǎn)所走過的路程差對(duì)應(yīng)的數(shù)值；所述定標(biāo)模塊(3)，包括行走控制模塊(3. 1)，距離信息反饋模塊(3. 2)和反射點(diǎn)坐標(biāo) 計(jì)算模塊(3. 3)，在與發(fā)射模塊(7)同時(shí)使用時(shí)，直接返回預(yù)先安置好的發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)值作為 天花板上兩點(diǎn)坐標(biāo)；在與發(fā)射模塊(1)同時(shí)，假設(shè)其發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)或(0，0，0)，此時(shí) 由初始化行走控制模塊(3. 1)控制電機(jī)走過位于同一直線上的三段距離，并由距離信息反 饋模塊(3. 2)返回三段距離的值，進(jìn)一步由反射點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模塊(3. 3)計(jì)算得到反射點(diǎn)位 置坐標(biāo)(xl，yl)與(x2, y2)；所述定位模塊(4)，包括距離信息轉(zhuǎn)換模塊(41)和坐標(biāo)計(jì)算模塊(4. 2)，其功能是將 由接收模塊2傳來的信號(hào)相位差信息，由距離信息轉(zhuǎn)換模塊(41)轉(zhuǎn)換為距離差信息，并由 坐標(biāo)計(jì)算模塊(4.2)計(jì)算得到中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x，y)和其正方向與x軸的夾角9 ；所述接收模塊(5)，包括信號(hào)獲取模塊(5. 1)與信號(hào)解析模塊(5. 2)兩部分；信號(hào)獲取 模塊(5. 1)分為4個(gè)不同的接收點(diǎn)分別獲取信號(hào)，經(jīng)由信號(hào)各自的解析模塊(5. 2)處理后， 得到兩信號(hào)從發(fā)射點(diǎn)到四個(gè)接收點(diǎn)所走過的路程差對(duì)應(yīng)的數(shù)值；所述定位模塊(6)，包括距離信息轉(zhuǎn)換模塊(6. 1)和坐標(biāo)計(jì)算模塊(6. 2)，其功能是將 由接收模塊(5)傳來的信號(hào)相位差信息，經(jīng)由距離信息轉(zhuǎn)換模塊(6. 1)轉(zhuǎn)換為距離差信息， 并經(jīng)由坐標(biāo)計(jì)算模塊(6. 2)計(jì)算后得到中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x，y，h)和其正方向與水平面x 軸的夾角9 ；所述發(fā)射模塊(7)，包括信號(hào)調(diào)制模塊(7. 1)和兩個(gè)獨(dú)立的紅外線信號(hào)發(fā)射裝置 (7.2)；兩個(gè)獨(dú)立的紅外線信號(hào)發(fā)射裝置(7. 2)，負(fù)責(zé)將由信號(hào)調(diào)制模塊(7. 1)傳來的方波 信號(hào)發(fā)射到空氣中；所述信號(hào)調(diào)制模塊(7. 1)與信號(hào)調(diào)制模塊(1. 1)相同；所述紅外線信 號(hào)發(fā)射裝置(7. 2)，分為兩個(gè)獨(dú)立的、完全相同的發(fā)射單元，分別內(nèi)嵌在天花板的同一深度 上，接收由信號(hào)調(diào)制模塊(7. 1)傳來的方波信號(hào)a、b，并各自發(fā)射出去。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙紅外系統(tǒng)的室內(nèi)空間定位系統(tǒng)，其特征在于所述反射點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模塊(3. 3)計(jì)算反射點(diǎn)位置坐標(biāo)(xl，yl)與(x2，y2)公式如下其中， 為發(fā)射模塊1中兩發(fā)射單元間夾角，
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙紅外系統(tǒng)的室內(nèi)空間定位系統(tǒng)，其特征在于 所述坐標(biāo)計(jì)算模塊(4. 2)，在獲得距離差信息后，通過如下方程式計(jì)算后得到當(dāng)前接收 器目標(biāo)定標(biāo)點(diǎn)的二維坐標(biāo)(x，y)，其中A la, A lb, A lc為兩信號(hào)從天花板兩反射點(diǎn)到接受 點(diǎn)a、b、c的距離差，lla、lib、11c、12a、12b、12c為兩信號(hào)從天花板兩反射點(diǎn)到接受點(diǎn)a、 b、c的距離，(xl，yl)，(x2，y2)為天花板反射坐標(biāo)，h為天花板高度，方程式如下
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙紅外系統(tǒng)的室內(nèi)空間定位系統(tǒng)，其特征在于 所述坐標(biāo)計(jì)算模塊(6. 2)，獲得距離差信息后，通過如下方程式計(jì)算得到當(dāng)前接收器目 標(biāo)定標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x，y，z)；其中Ala，Alb, Ale, A Id為兩信號(hào)從天花板兩反射點(diǎn)到 接受點(diǎn)a、b、c、d的距離差，11a、lib、11c、lid、12a、12b、12c、12d為兩信號(hào)從天花板兩反 射點(diǎn)到接受點(diǎn)a、b、c、d的距離，(xl,yl), (x2,y2)為天花板反射坐標(biāo)，h為天花板高度；方 程式如下
全文摘要
本發(fā)明屬于空間定位技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于雙紅外系統(tǒng)的室內(nèi)空間定位方法與系統(tǒng)。本發(fā)明的定位方法包括反射式定位和透射式定位兩種。假設(shè)地面與天花板平行，信號(hào)源與接收端共同位于地面上，其基本原理是通過測量由信號(hào)源發(fā)射到天花板、再進(jìn)一步反射到接收端的兩束不同頻率紅外信號(hào)之間的相位差，得到兩束信號(hào)的距離差信息，再通過公式計(jì)算，即得到接收點(diǎn)的坐標(biāo)。本發(fā)明的定位系統(tǒng)分為二維平面定位系統(tǒng)和三維平面定位系統(tǒng)。與傳統(tǒng)GPS等室外定位技術(shù)相比，本發(fā)明具有成本低、精度高、不需移動(dòng)即可定位等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。如在智能機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都可獲應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01S17/42GK101858977SQ201010197999
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者張文強(qiáng), 張計(jì)龍, 王星杰 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)