專利名稱：一種定位裝置、系統(tǒng)及定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及定位技術，特別涉及一種定位裝置、系統(tǒng)以及定位方法。
背景技術：
目前，各種各樣的定位技術已被廣泛用于室內導航、舞臺定位、及存儲管理等多個領域中。主流的定位技術主要包括無線定位技術、視覺定位技術以及傳感器定位技術。無線定位技術具體包括紅外線定位、超聲波定位、射頻識別(RFID)定位、紫蜂 (ZigBee)定位以及無線局域網(wǎng)的WiFi定位等多種定位技術。其中，紅外線定位可以實現(xiàn)較高的定位精確度，但是難以識別對被測對象。超聲波定位可實現(xiàn)較高的定位精確度并且能夠實現(xiàn)多目標識別，但是在有霧環(huán)境下或被測對象被覆蓋的情況下其應用將受到限制。RFID定位使用網(wǎng)格理論實現(xiàn)被測對象的定位和識別，但其定位精確度只有1米左右。 ZigBee技術被廣泛應用于定位領域，們其定位精確度也只有50厘米左右。而WiFi定位的定位精確度更是大于1米。視覺定位技術通過電荷耦合元件(CCD)或CMOS攝像頭捕獲圖像并對捕獲的圖像進行處理來實現(xiàn)被測對象的定位和識別。通常，視覺定位技術可以獲得較高的定位精確度， 但是在被測對象被覆蓋的情況下其應用也將受到限制。傳感器定位技術可以利用微動開關、紅外感應開關或振動傳感器實現(xiàn)定位。雖然， 通過傳感器定位技術可以得到精確度較高的位置信息，但是，由于通過傳感器定位技術很難區(qū)分被檢測物體的不同，因此無法完成被測對象的識別。

發(fā)明內容
鑒于現(xiàn)有的各種定位方法所存在的問題，本發(fā)明的實施例分別提供了一種定位裝置、系統(tǒng)和定位方法，不僅可以實現(xiàn)精確度較高的定位，并且受環(huán)境的影響非常小。本發(fā)明實施例提供的定位裝置包括一個線圈陣列，包括M行N列線圈，其中，M和N均為自然數(shù)；一個感抗檢測單元，用于檢測所述線圈陣列中每個線圈的感抗；以及，一個定位單元，用于判斷所述線圈陣列中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化，如果所述線圈陣列中一個線圈的感抗發(fā)生變化，則確定所述線圈陣列所在的定位區(qū)域中存在一個定位標簽，并根據(jù)所述感抗發(fā)生變化的線圈的位置確定所述定位標簽的位置。在根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的定位裝置中，所述定位單元進一步用于根據(jù)預設的定位標簽的磁導率和/或幾何形狀與線圈的感抗變化之間的關系識別所述定位標簽。本發(fā)明實施例提供的定位系統(tǒng)包括至少一個定位標簽；以及，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的定位裝置。本發(fā)明實施例提供的定位方法包括為M行N列線圈陣列中的每個線圈接通交流電流；
檢測所述線圈陣列中每個線圈的感抗；以及，判斷所述線圈陣列中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化，如果所述線圈陣列中一個線圈的感抗發(fā)生變化，則確定所述線圈陣列所在的定位區(qū)域中存在一個定位標簽，并根據(jù)所述感抗發(fā)生變化的線圈的位置確定所述定位標簽的位置。在根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的定位方法中，進一步包括根據(jù)預設的定位標簽的磁導率和/或幾何形狀與線圈的感抗變化之間的關系識別所述定位標簽。本發(fā)明實施例所述的定位裝置和系統(tǒng)具有結構簡單、成本低、使用壽命長、速度快以及受環(huán)境影響小等特點。本發(fā)明實施例所述的定位方法具有成本低、速度快以及受環(huán)境影響小等特點。另外，由于本發(fā)明實施例所提供的定位方案的定位精確度依賴于線圈陣列的線圈密度，因此，可以低成本地實現(xiàn)精確度較高的定位。


圖1顯示了當交流電流在線圈中流動時在靠近線圈的導體上感應出渦流的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的定位裝置的內部結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的定位系統(tǒng)的示意圖；圖4為本發(fā)明一實施例中的感抗檢測模塊的內部結構示意圖；圖5為本發(fā)明實施例提供的定位方法的流程圖。
具體實施例方式當將導體置于變化的磁場中或導體在固定不變的磁場中運動時，導體上就會產生感應電流。這種感應電流在導體上是閉合的，稱為渦流。同理，當交流電流在一個線圈中流動時，由于電磁感應的作用，在線圈中產生的磁場將會在靠近線圈的導體上感應出渦流。更進一步的，在導體上感應出的渦流的幅度和相位將會反過來影響線圈的感抗。圖1顯示了當交流電流在線圈中流動時在靠近線圈的導體上感應出渦流的示意圖。從圖1可以看出， 當交流電流在線圈11中流動時，靠近線圈11的導體12上感應出渦流13，且渦流13的幅度和相位將反過來影響線圈11的感抗。另外，通過研究發(fā)現(xiàn)，存在多種因素可以影響在導體上感應出的渦流，其中最主要的因素包括導體的磁導率以及導體的幾何形狀。也即，具有不同磁導率和/或幾何形狀的導體在變化的磁場中將感應出不同的渦流。其中，導體的磁導率與導體上感應出的渦流電流之間呈現(xiàn)正比例線性關系，導體的磁導率越大，導體上感應出的渦流電流將越大?；谏鲜鲅芯拷Y果，本發(fā)明提供了一種基于渦流理論的定位方案，通過檢測線圈的感抗變化判斷線圈所在的定位區(qū)域中是否存在導體，并完成對導體的定位。更進一步的， 本發(fā)明實施例提供的定位方案還可根據(jù)線圈感抗的變化推導出導體的特性，例如磁導率以及幾何形狀等，從而完成對導體的識別。具體而言，本發(fā)明的實施例提供了一種利用渦流理論實現(xiàn)被測對象的定位和識別的定位裝置。圖2顯示了本發(fā)明實施例所述的定位裝置的內部結構示意圖。如圖2所示， 本發(fā)明實施例所述的定位裝置包括線圈陣列21、感抗檢測單元22以及定位單元23。其中，線圈陣列21包括M行N列線圈，M和N均為自然數(shù)。線圈陣列21中線圈的個數(shù)以及各線圈的大小可以根據(jù)定位精度、定位區(qū)域、定位裝置的尺寸以及定位時間等要求來決定。例如，線圈的大小越大定位精度就會越差，線圈的個數(shù)越多定位的區(qū)域就會越大，線圈的大小越大、個數(shù)越多定位裝置的尺寸也會越大。感抗檢測單元22用于檢測線圈陣列21中每個線圈的感抗。定位單元23用于根據(jù)感抗檢測單元22的檢測結果，通過判斷線圈陣列21中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化來判斷線圈陣列21所在的定位區(qū)域中是否存在定位標簽，并確定定位標簽的位置，從而定位被測對象。即判斷線圈陣列21中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化，如果線圈陣列21中一個線圈的感抗發(fā)生變化，則確定線圈陣列21所在的定位區(qū)域中存在一個定位標簽，并根據(jù)感抗發(fā)生變化的線圈的位置確定定位標簽的位置，從而定位被測對象。更進一步的，定位單元23還可以用于根據(jù)線圈感抗的變化識別定位標簽。由于只有導體可以在變化的磁場中產生渦流，因此，在本發(fā)明的實施例中，上述定位標簽由導體制成。為了定位和識別不同的被測對象，可以制作具有不同磁導率和/或不同幾何形狀的導體作為被測對象的定位標簽，并將定位標簽放置于被測對象之上。這樣，當攜帶定位標簽的被測對象移動至線圈陣列21所在的定位區(qū)域中時，定位單元23即可根據(jù)感抗檢測單元22的檢測結果，通過判斷線圈陣列21中一個或多個線圈的感抗變化，確定定位標簽的存在并根據(jù)感抗發(fā)生變化的線圈的位置定位各定位標簽，也即定位被測對象。更進一步的，由于在定位標簽的磁導率和/或幾何形狀確定的情況下，渦流效應所引起的線圈感抗的變化也是確定的，因此，可以預先建立每個定位標簽的磁導率和/或幾何形狀與該標簽所引起的線圈的感抗變化之間的關系，這樣定位單元23就可以根據(jù)上述關系以及線圈陣列21中某一個或幾個線圈的感抗變化識別出各對應的定位標簽，從而識別各被測對象。圖3顯示了本發(fā)明實施例提供的定位系統(tǒng)的示意圖，該定位系統(tǒng)中包括上述的定位裝置以及多個定位標簽。如圖3所示，假設定位裝置包括6行6列共36個線圈，同時假設有三個被測物體需要定位，那么可以預先在需要定位的三個被測物體的底端放入銅、鐵、 鋁三種金屬膜定位標簽或者金屬塊定位標簽。這樣，當這三個被測物體進入定位裝置的線圈陣列所在的定位區(qū)域中時，離它們較近的各線圈中就會產生渦流效應，進而導致這些線圈的感抗發(fā)生變化。這種感抗的變化被定位裝置中的定位單元23檢測出后，就可以通過各線圈的位置確定各被測物體的位置。進一步的，因為三個被測物體所攜帶的定位標簽的材質不同，具有不同的磁導率，因此，在這三個定位標簽上產生的渦流變化不同，進而，這三個定位標簽附近的線圈的感抗變化也不同。因此，定位單元23還可以進一步通過感抗變化的不同區(qū)分出不同的定位標簽，即完成各被測物體的識別。在本發(fā)明的一個實施例中，感抗檢測單元22可以包括M乘N個感抗檢測模塊31， 每個感抗檢測模塊31分別連接線圈陣列21中的一個線圈，用于檢測其所連接的線圈的感抗。采用這樣的實施方式，感抗檢測單元22可以并行地檢測線圈陣列21中每個線圈的感抗，從而可以大大地提高定位裝置的定位速度，節(jié)省定位時間。在本發(fā)明的另一個實施例中，為了節(jié)約定位裝置的成本，感抗檢測單元22可以僅包括一個感抗檢測模塊31，并進一步包括一個多路開關32。其中，感抗檢測模塊31通過多路開關32逐一連接線圈陣列21中的每個線圈，并逐一檢測線圈陣列21中每個線圈的感抗。在具體實施時，檢測線圈感抗最為直接和基本的方法就是檢測線圈的電壓或電流，此時，感抗檢測模塊31可以通過檢測其所連接的線圈兩端的電壓，或通過檢測其所連接的線圈上的電流來檢測該線圈的感抗。在感抗檢測單元22檢測得到線圈陣列21中每個線圈的電壓或電流后，定位單元23可以根據(jù)線圈陣列21中各個線圈的電壓或電流是否發(fā)生變化來判斷線圈陣列21所在的定位區(qū)域中是否存在被測對象，如果存在被測對象，則根據(jù)電壓或電流發(fā)生變化的線圈的位置定位被測對象。更進一步的，可以預先建立每個定位標簽的磁導率和/或幾何形狀與該定位標簽所引起的線圈電壓或電流的變化之間的關系， 這樣定位單元23就可以根據(jù)這一關系以及線圈上電壓或電流的變化來識別定位標簽，從而識別被測對象。如上所述，檢測線圈感抗的最基本的方法是檢測線圈的電壓、電流，但基于電壓、 電流的檢測方式成本高、結構復雜而且速度慢。為此，本發(fā)明的另一實施例提供了一種感抗檢測模塊31的實施方式，這種實施方式的原理是將線圈作為一個電感接入一個振蕩電路中，該振蕩電路具有一固有頻率，當被測對象存在時，由于渦流效應，線圈的感抗將發(fā)生變化，導致振蕩電路的固有頻率發(fā)生變化，因此，可以通過檢測振蕩電路固有頻率的變化完成被測對象的定位。另外，根據(jù)上述說明，由于不同磁導率和/或幾何形狀的導體產生的渦流效應不同，導致線圈的感抗變化不同，進而導致振蕩電路的固有頻率的變化也不同。因此， 可以進一步根據(jù)振蕩電路固有頻率的變化與導體的磁導率和/或幾何形狀的關系來識別被測對象。具體而言，感抗檢測模塊31可以包括振蕩模塊41和頻率檢測模塊42，其中，振蕩模塊41與線圈陣列21中的一個線圈一起構成一個振蕩電路，頻率檢測模塊42用于檢測該振蕩電路的固有頻率。定位單元23判斷線圈陣列21中各個線圈所在振蕩電路的固有頻率是否發(fā)生變化，如果至少一個線圈所在振蕩電路的固有頻率發(fā)生變化，則確定線圈陣列 21所在的定位區(qū)域中存在被測對象，并根據(jù)固有頻率發(fā)生變化的振蕩電路所包含的線圈的位置定位被測對象。更進一步的，定位單元23還可以根據(jù)振蕩電路固有頻率的變化與被測對象上定位標簽的磁導率和/或幾何形狀的關系識別被測對象。。具體而言，上述振蕩電路可以是一個利用電容三點式正弦波振蕩原理搭建的電容三點式正弦波振蕩電路。圖4顯示了本發(fā)明一實施例中的振蕩模塊41和頻率檢測模塊42 的內部結構示意圖。如圖4所示，振蕩模塊41與線圈陣列21中的一個線圈11 一起構成電容三點式振蕩電路(又稱作電容反饋式振蕩電路)，包括電容C1、C2、電阻R1、R2、三極管Al 以及電壓源VCC，其振蕩回路由線圈11 (也即電感)、電容C1、C2和三極管Al組成。頻率檢測模塊42可以包括比較器51和計數(shù)器52。其中，比較器51通過波形變換將所述振蕩電路輸出的正弦波變?yōu)榉讲?，并將待檢測的方法輸入到計數(shù)器52 ；計數(shù)器52對比較器51輸出的方波脈沖進行計數(shù)，以得到所述振蕩電路的固有頻率。從上述實施例可以看出，本發(fā)明實施例所提供的定位裝置和系統(tǒng)具有結構簡單、 成本低、使用壽命長以及受環(huán)境影響小等特點。本發(fā)明實施例所述定位裝置和系統(tǒng)的定位精確度依賴于線圈陣列中線圈的密度，因此，可以低成本地實現(xiàn)精確度較高的定位(甚至達到1厘米)。另外，通過設計具有不同磁導率和/或不同幾何形狀的定位標簽，在實現(xiàn)定位功能的基礎之上還可以實現(xiàn)被測對象識別功能。例如，不但可以設計由不同的金屬如銅、鋼、鋁和鈦等組成的定位標簽，還可以進一步設計定位標簽的幾何形狀，這樣可以大大地增加被檢測對象的定位標簽數(shù)目，從而增加可以同時識別并定位的被測對象的個數(shù)。此外，可以選取磁導率差別較大的金屬作為被測對象的定位標簽，從而降低感抗檢測所需的精確度，同時大大縮短定位所需的時間，實現(xiàn)被測對象的快速定位和識別?？傮w來講，本發(fā)明實施例所提供的定位裝置和系統(tǒng)與無線定位和視覺定位相比，具有受環(huán)境影響較小的優(yōu)點；而與傳感器定位相比，在實現(xiàn)定位功能的基礎之上還可以進一步實現(xiàn)被測對象的識別功能。另外需要說明的是，在具體實施時，本發(fā)明實施例所述定位裝置中的定位單元可以集成在定位裝置內部，也可以置于定位裝置外部并集成在例如計算機等其他處理設備中。如果定位單元置于定位裝置外部，則定位單元可以通過有線接口例如RS232接口、或無線接口與定位裝置的感抗檢測單元進行通信。對應上述定位裝置，本發(fā)明的實施例還提供了一種定位方法，該定位方法具有成本低、精確度高、速度快以及受環(huán)境影響小等特點。本發(fā)明實施例所提供的定位方法如圖5 所示，包括步驟101 為M行N列線圈陣列中的每個線圈接通交流電流；步驟102 檢測每個線圈的感抗；步驟103 判斷每個線圈的感抗是否發(fā)生變化，如果一個或多個線圈的感抗發(fā)生變化，則確定線圈陣列所在的定位區(qū)域中存在被測對象，并根據(jù)感抗發(fā)生變化的線圈的位置定位被測對象。上述方法還可以進一步包括根據(jù)線圈的感抗變化識別被測對象。如前所述，可以通過檢測每個線圈兩端的電壓或其上的電流來檢測每個線圈的感抗。此外，還可以將線圈接入一個振蕩電路，通過檢測該振蕩電路的固有頻率檢測線圈的感抗。此時，步驟101可以包括將線圈陣列中的每個線圈接入一個振蕩電路。在步驟102 中，可以通過檢測每個線圈所在振蕩電路的固有頻率來檢測每個線圈的感抗。在步驟103 中，通過判斷每個線圈所在振蕩電路的固有頻率是否發(fā)生變化來判斷該線圈附近是否存在被測對象，并根據(jù)該線圈的位置定位被測對象。進一步的，還可以根據(jù)該線圈所在振蕩電路的固有頻率的變化識別被測對象。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種定位裝置，包括一個線圈陣列，包括M行N列線圈，其中，M和N均為自然數(shù)； 一個感抗檢測單元(22)，用于檢測所述線圈陣列中每個線圈的感抗；以及， 一個定位單元(23)，用于判斷所述線圈陣列中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化，如果所述線圈陣列中一個線圈的感抗發(fā)生變化，則確定所述線圈陣列所在的定位區(qū)域中存在一個定位標簽，并根據(jù)所述感抗發(fā)生變化的線圈的位置確定所述定位標簽的位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的定位裝置，其特征在于，所述感抗檢測單元0 包括M乘N個感抗檢測模塊(31)，每個感抗檢測模塊(31)分別連接所述線圈陣列中的一個線圈，用于檢測其所連接的線圈的感抗。
3.根據(jù)權利要求1所述的定位裝置，其特征在于，所述感抗檢測單元0 包括 一個多路開關(32)；以及，一個感抗檢測模塊(31)，通過所述多路開關(3 逐一連接所述線圈陣列中的每個線圈，用于逐一檢測所述線圈陣列中每個線圈的感抗。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的定位裝置，其特征在于，所述感抗檢測模塊(31)包括 一個振蕩模塊(41)，與所述感抗檢測模塊(31)所連接的線圈構成振蕩電路；以及， 一個頻率檢測模塊(42)，用于檢測所述振蕩電路的固有頻率；所述定位單元03)用于根據(jù)所述振蕩電路的固有頻率的變化判斷所述線圈陣列中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化。
5.根據(jù)權利要求4所述的定位裝置，其特征在于， 所述振蕩電路為電容三點式正弦波振蕩電路。
6.根據(jù)權利要求5所述的定位裝置，其特征在于，所述頻率檢測模塊0 包括 一個比較器(51)，用于通過波形變換將所述振蕩電路輸出的正弦波變?yōu)榉讲ǎ灰约埃?一個計數(shù)器(52)，用于對所述比較器(51)輸出的方波脈沖進行計數(shù)，以得到所述振蕩電路的固有頻率。
7.根據(jù)權利要求1至3任一所述的定位裝置，其特征在于，所述定位單元進一步用于根據(jù)預設的定位標簽的磁導率和/或幾何形狀與線圈的感抗變化之間的關系識別所述定位標簽。
8.一種定位系統(tǒng)，包括 至少一個定位標簽；以及，根據(jù)權利要求1至7任一所述的定位裝置。
9.根據(jù)權利要求8所述的定位系統(tǒng)，其特征在于， 所述定位標簽由導體制成。
10.一種定位方法，包括為M行N列線圈陣列中的每個線圈接通交流電流； 檢測所述線圈陣列中每個線圈的感抗；以及，判斷所述線圈陣列中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化，如果所述線圈陣列中一個線圈的感抗發(fā)生變化，則確定所述線圈陣列所在的定位區(qū)域中存在一個定位標簽，并根據(jù)所述感抗發(fā)生變化的線圈的位置確定所述定位標簽的位置。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，為M行N列線圈陣列中的每個線圈接通交流電流包括將所述線圈陣列中的每個線圈接入一個振蕩電路；檢測所述線圈陣列中每個線圈的感抗包括檢測所述線圈陣列中每個線圈所在振蕩電路的固有頻率；以及，判斷所述線圈陣列中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化包括判斷所述線圈陣列中每個線圈所在振蕩電路的固有頻率是否發(fā)生變化。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的定位方法，其特征在于，進一步包括根據(jù)預設的定位標簽的磁導率和/或幾何形狀與線圈的感抗變化之間的關系識別所述定位標簽。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定位裝置，包括線圈陣列，包括M行N列線圈，其中，M和N均為自然數(shù)；感抗檢測單元，用于檢測線圈陣列中每個線圈的感抗；以及定位單元，用于判斷線圈陣列中每個線圈的感抗是否發(fā)生變化，如果線圈陣列中一個線圈的感抗發(fā)生變化，則確定線圈陣列所在的定位區(qū)域中存在一個定位標簽，并根據(jù)感抗發(fā)生變化的線圈的位置確定定位標簽的位置。本發(fā)明所提供的定位裝置具有結構簡單、成本低、使用壽命長、精確度高、速度快以及受環(huán)境影響小等特點。另外，本發(fā)明還公開了一種精確度高且受環(huán)境影響低的定位系統(tǒng)和方法。
文檔編號G01V3/10GK102385069SQ20101027097
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權日2010年8月31日
發(fā)明者張鵬飛 申請人:西門子公司