專利名稱：一種基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)、方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)、方法及擴展型室內(nèi)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在一些特定的室內(nèi)自動控制領(lǐng)域，例如，隨動風(fēng)扇及空調(diào)(隨人體的移動，自動轉(zhuǎn)向功能)、家庭安防、游戲機游戲控制器、機器人、自動吸塵器及自走吸塵器、家電遙控器、老人小孩看護系統(tǒng)或醫(yī)療看護系統(tǒng)、玩具室(包括遙控車、遙控飛機)、視訊會議系統(tǒng)、自動跟蹤攝像頭及子跟蹤攝像機、停車場管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、貨運包裹管理系統(tǒng)、酒店旅客管理系統(tǒng)、博物館、展會管理等，這些室內(nèi)控制系統(tǒng)必須使用到定位系統(tǒng)，目前室內(nèi)定位系統(tǒng)使用較多的定位技術(shù)為單獨的無線射頻三角定位技術(shù)或單獨的慣性導(dǎo)航傳感器，但是，對于單獨的無線射頻三角定位技術(shù)，其定位精度有3-5米的定位誤差，另外還有容易被電波干擾、對人體及金屬遮擋敏感、多徑傳輸、饒射傳輸?shù)娜秉c，而且，不同的無線模塊其發(fā)射功率、接收感度及天線的方向性等的一致性差；對于單獨的慣性導(dǎo)航傳感器的定位，雖然不怕遮擋，還能在短時間里高精度的使用，但誤差卻會隨著使用時間的加長而增加，定位精度也會快速惡化，因此只能應(yīng)用于誤差容許較大的情形，在行人、動物或汽車的較大物體的定位上已經(jīng)是非常的勉強，幾乎是不能用的。對于像在地上跑的玩具車、游戲外設(shè)、遙控器、自走吸塵器等高精度的定位還束手無策。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述定位精度差的缺陷，提供一種定位精度高的基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)、方法及擴展型室內(nèi)控制系·統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括標(biāo)定裝置及裝設(shè)在目標(biāo)物上的感測裝置，而且，所述標(biāo)定裝置包括裝設(shè)在室內(nèi)至少三個特定位置的至少三個第一無線收發(fā)單元，用于每隔第一預(yù)設(shè)時間發(fā)射一次信號；所述感測裝置包括慣性傳感單元，包括加速度傳感器和/或陀螺，用于感測目標(biāo)物的運動；及第二無線收發(fā)單元，用于在接收到每個第一無線收發(fā)單元所發(fā)射的信號時，產(chǎn)生一響應(yīng)信號；處理單元，用于分別根據(jù)所述慣性傳感單元所感測的目標(biāo)物的運動計算目標(biāo)物的第一空間坐標(biāo)，及根據(jù)所述第二無線收發(fā)單元所產(chǎn)生的響應(yīng)信號計算目標(biāo)物的第二空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)與第二空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。在本發(fā)明所述的定位系統(tǒng)中，所述感測裝置還包括氣壓計，所述處理單元還用于根據(jù)所述氣壓計所測量的氣壓計算目標(biāo)物的高度，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)、所計算的高度進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。在本發(fā)明所述的定位系統(tǒng)中，所述感測裝置還包括用于感測目標(biāo)物周圍環(huán)境磁場變化的地磁傳感單元，所述處理單元還用于根據(jù)所述地磁傳感單元所感測的磁場變化計算目標(biāo)物的方向，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)、所計算的方向進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。在本發(fā)明所述的定位系統(tǒng)中，所述標(biāo)定裝置還包括裝設(shè)在室內(nèi)多個特定位置上的多個紅外LED ；第一運算單元，用于控制所述多個紅外LED發(fā)出紅外調(diào)制信號；
所述感測裝置還包括CMOS光學(xué)定位傳感單元，用于檢測所述多個紅外LED所發(fā)出的紅外調(diào)制信號；所述處理單元，還用于根據(jù)所述CMOS光學(xué)定位傳感單元所檢測的紅外調(diào)制信號計算目標(biāo)物的第三空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)及第三空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)；或者，所述感測裝置還包括裝設(shè)在目標(biāo)物上的多個特定位置上的多個紅外LED ；第二運算單元，用于控制所述多個紅外LED發(fā)出紅外調(diào)制信號；所述標(biāo)定裝置還包括CMOS光學(xué)定位傳感單元，用于檢測所述多個紅外LED所發(fā)出的紅外調(diào)制信號；而且，所述處理單元，還用于根據(jù)CMOS光學(xué)定位傳感單元所檢測的紅外調(diào)制信號計算目標(biāo)物的第三空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)及第三空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)；。在本發(fā)明所述的定位系統(tǒng)中，所述感測裝置還包括超聲波探測單元，用于探測目標(biāo)物離周圍空間的障礙物的距離；所述處理單元，還用于根據(jù)所述超聲波探測單元所探測的距離計算目標(biāo)物的第四空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)及第四空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。在本發(fā)明所述的定位系統(tǒng)中，在所述處理單元中，所述融合處理為下列中的至少一個卡爾曼濾波、最小二乘法的濾波、小波濾波。在本發(fā)明所述的定位系統(tǒng)中，所述第一無線收發(fā)單元和所述第二無線收發(fā)單元分別為下列中的一個=WIFI收發(fā)單元、藍牙收發(fā)單元、Zigbee收發(fā)單元、2. 4G收發(fā)單元。本發(fā)明還構(gòu)造一種基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位的方法，包括A.根據(jù)慣性傳感單元所感測的目標(biāo)物的運動計算目標(biāo)物的第一空間坐標(biāo)；B.根據(jù)第二無線收發(fā)單元所產(chǎn)生的響應(yīng)信號計算目標(biāo)物的第二空間坐標(biāo)；C.將第一空間坐標(biāo)與第二空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。在本發(fā)明所示的室內(nèi)定位的方法中，所述步驟C的融合處理為下列中的至少一個卡爾曼濾波、最小二乘法的濾波、小波濾波。
本發(fā)明還構(gòu)造一種擴展型室內(nèi)控制系統(tǒng)，包括
以上所述的定位系統(tǒng)，用于計算的目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)；
主控裝置，用于根據(jù)所述目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)生成控制信號；
被控裝置，用于根據(jù)所述控制信號進行相應(yīng)的動作。
實施本發(fā)明的技術(shù)方案，由于將慣性傳感數(shù)據(jù)與無線三角定位數(shù)據(jù)進行相互參照、修正、補償，最后得到融合數(shù)據(jù)，既克服了無線三角定位方式的易被電波干擾、對遮擋敏感、多徑傳輸?shù)热秉c，又克服了慣性傳感定位方式的誤差隨著時間的加長而增加的缺陷。因此，定位精度高，對目標(biāo)物的運動反應(yīng)零敏，可達毫米級別。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中
圖I是本發(fā)明基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)實施例一的邏輯圖2是本發(fā)明基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)實施例二的邏輯圖3是本發(fā)明基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位方法實施例一的流程圖4是本發(fā)明擴展型室內(nèi)控制系統(tǒng)實施例一的邏輯圖。
具體實施方式
圖I是本發(fā)明基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)實施例一的邏輯圖，該室內(nèi)定位系統(tǒng)包括感測裝置10和標(biāo)定裝置20，而且，感測裝置10裝設(shè)在目標(biāo)物上。在該實施例中，標(biāo)定裝置20包括至少三個第一無線收發(fā)單元，圖中僅示出了三個第一無線收發(fā)單元21、2Γ、21〃，而這三個第一無線收發(fā)單元21、2Γ、21〃分別裝設(shè)在室內(nèi)至少三個特定位置上，且每隔第一預(yù)設(shè)時間發(fā)射一次信號。感測裝置10包括慣性傳感單元11、第二無線收發(fā)單元12和處理單元13，而且，慣性傳感單元11可包括加速度傳感器、陀螺儀中的一種或多種，且該慣性傳感單元11用于感測目標(biāo)物的運動；第二無線收發(fā)單元12用于在接收到第一無線收發(fā)單元21、21,、21〃所發(fā)射的信號時，產(chǎn)生一響應(yīng)信號，標(biāo)定裝置20中的第一無線收發(fā)單元與目標(biāo)物上的第二無線收發(fā)單元12之間構(gòu)成無線三角定位系統(tǒng)；處理單元13用于分別根據(jù)慣性傳感單元11所感測的目標(biāo)物的運動計算目標(biāo)物的第一空間坐標(biāo)， 及根據(jù)第二無線收發(fā)單元12所產(chǎn)生的響應(yīng)信號計算目標(biāo)物的第二空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)與第二空間坐標(biāo)進行融合處理，以使無線三角定位方式確定的第二空間坐標(biāo)值為目標(biāo)物上的慣性傳感單元確定的第一空間坐標(biāo)值提供校驗，從而獲得目標(biāo)物高精度的最終空間坐標(biāo)，進一步得到高精度的三維運動軌跡。利用這種高精度定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種室內(nèi)微距定位，為家庭智能化提供保障。
優(yōu)選地，第一無線收發(fā)單元21、21'、21〃和第二無線收發(fā)單元12分別為下列中的一個WIFI收發(fā)單元、藍牙收發(fā)單元、Zigbee收發(fā)單元、2. 4G收發(fā)單元。
圖2是本發(fā)明基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)實施例二的邏輯圖，該室內(nèi)定位系統(tǒng)包括感測裝置10和標(biāo)定裝置20，而且，感測裝置10裝設(shè)在目標(biāo)物上。在該實施例中，標(biāo)定裝置20包括第一運算單元23、至少三個第一無線收發(fā)單元和多個紅外LED，圖中僅示出了三個第一無線收發(fā)單元21、2Γ、21〃和三個紅外LED 22,22/、22〃，而這三個第一無線收發(fā)單元21、2Γ、21〃和三個紅外LED 22,22/、22〃分別裝設(shè)在室內(nèi)的特定位置上，另外，更多的紅外LED可組成紅外LED陣列。三個第一無線收發(fā)單元21、21'、21〃每隔第一預(yù)設(shè)時間發(fā)射一次信號。三個紅外LED 22、22,、22〃分別在第一運算單元23的控制下發(fā)出紅外調(diào)制信號。感測裝置10包括慣性傳感單元11、第二無線收發(fā)單元12、處理單元 13、氣壓計14、地磁傳感單元15、CMOS光學(xué)定位傳感單元16和超聲波探測單元17。而且， 慣性傳感單元11用于感測目標(biāo)物的運動。第二無線收發(fā)單元12用于在接收到第一無線收發(fā)單元21、21,、21"所發(fā)射的信號時，產(chǎn)生一響應(yīng)信號。氣壓計14用于測量室內(nèi)的氣壓。 地磁傳感單元15用于感測目標(biāo)物周圍環(huán)境磁場變化。CMOS光學(xué)定位傳感單元16用于檢測多個紅外LED22、22'、22〃所發(fā)出的紅外調(diào)制信號。超聲波探測單元17用于探測目標(biāo)物離周圍空間的障礙物的距離。處理單元13用于分別根據(jù)慣性傳感單元11所感測的目標(biāo)物的運動計算目標(biāo)物的第一空間坐標(biāo)；根據(jù)第二無線收發(fā)單元12所產(chǎn)生的響應(yīng)信號計算目標(biāo)物的第二空間坐標(biāo)；根據(jù)氣壓計14所測量的氣壓計算目標(biāo)物的高度；根據(jù)地磁傳感單元15 所感測的磁場變化計算目標(biāo)物的方向；根據(jù)CMOS光學(xué)定位傳感單元16所檢測的紅外調(diào)制信號計算目標(biāo)物的第三空間坐標(biāo)；根據(jù)超聲波探測單元17所探測的距離計算目標(biāo)物的第四空間坐標(biāo)。然后所確定的將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)、第三空間坐標(biāo)、第四空間坐標(biāo)、 所計算的高度、所計算的方向進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終的高精度的空間坐標(biāo)。而且，一段時間內(nèi)，在處理單元13中，氣壓變化轉(zhuǎn)化為的高度值變化，通過感測外部紅外LED 位置的變化后運算得到平移、方向或高度的變化，通過地磁方位變化及環(huán)境磁場變化確定方向變化，通過探測與外部障礙物的距離的變化確定位置變化。這些數(shù)據(jù)通過融合得到高精度三維空間坐標(biāo)及姿態(tài)值的變化。在通過第二無線收發(fā)單元與外部的第一無線收發(fā)單元構(gòu)成的三角定位系統(tǒng)，得到參考坐標(biāo)，三維空間坐標(biāo)通過與參考坐標(biāo)的對比，校驗慣性傳感單元11的漂移。通過多種數(shù)據(jù)的相互融合及校驗，得到高精度三維運動軌跡。具體例如， 以慣性導(dǎo)航為運動感測基礎(chǔ)，得到目標(biāo)物的變化坐標(biāo)A。然后利用無線三角定位技術(shù)得到另外一種運動坐標(biāo)B。再利用室內(nèi)天花板上安裝紅外LED陣列和目標(biāo)物上的CMOS光學(xué)定位傳感單元(如CMOS攝像頭)的辨識，計算得到第三種運動坐標(biāo)C，利用超聲波檢測障礙物的距離用于避開障礙物，用氣壓計檢測目標(biāo)物的高度變化，用地磁傳感單元檢測地磁場及周圍環(huán)境的磁場，用于對方向的判斷。以上多種數(shù)據(jù)進行融合以實現(xiàn)高精度坐標(biāo)檢測。
在其它實施例中，在通過紅外定位方式來確定目標(biāo)物的位置時，也可將多個紅外 LED裝設(shè)在目標(biāo)物的特定位置上，該多個紅外LED在感測裝置中的第二運算單元的控制下發(fā)出紅外調(diào)制信號。標(biāo)定裝置上設(shè)置有CMOS光學(xué)定位傳感單元，該CMOS光學(xué)定位傳感單元用于檢測所述多個紅外LED所發(fā)出的紅外調(diào)制信號，并將該所檢測到的紅外調(diào)制信號發(fā)送至處理單元，其中，CMOS光學(xué)定位傳感器的定位原理是在它的視角范圍內(nèi)，橫向定位X 軸，縱向定位Y軸，在視角的邊緣設(shè)定它的坐標(biāo)為最小值和最大值，然后將視角范圍劃分為均勻的刻度，這樣就能夠在整個CMOS光學(xué)定位傳感器的視角范圍類來確定接收到的紅外光點所在的坐標(biāo)點。當(dāng)紅外LED安裝在目標(biāo)物上，CMOS定位傳感器安裝在標(biāo)定裝置上時， 第二運算單元控制紅外LED發(fā)出調(diào)制信號，方便CMOS定位傳感器區(qū)分干擾，并且將收到的信號轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)通過標(biāo)定器無線單元發(fā)送到目標(biāo)物，構(gòu)成第三坐標(biāo)。處理單元通過對比數(shù)據(jù)庫中定義的不同調(diào)制信號所劃分的區(qū)域來確定目標(biāo)物的位置。
另外，整個定位系統(tǒng)的處在一個相互補償?shù)幕A(chǔ)上工作，不依靠單一系統(tǒng)承擔(dān)所有的定位責(zé)任，除了慣性傳感定位方式外，其它定位方式可采用輪動定位的模式，例如，無線三角定位方式每10秒定位一次，超聲定位方式每8秒定位一次,紅外定位方式每5秒定位一次，最終精度及刷新率是由慣性傳感單元的精度發(fā)散的速度來決定，當(dāng)然若同時需要定位的點數(shù)多也會影響定位方式輪動的速度。也因為輪動定位模式，所以得讓大功耗器件 (例如，紅外LED、超聲波發(fā)射器等)不經(jīng)常的工作以節(jié)省能耗。此外，慣性傳感單元在估計位移上需要做改進以減少公知的傳感器積分誤差累計，此時需要加入利用地磁傳感單元修正地心方向參考量的判斷條件、速度在大地坐標(biāo)及本體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)相關(guān)公式修正、 旋轉(zhuǎn)下定點條件的判別等等，以降低慣性傳感單元用來定位的誤差，否則將會使得整個系統(tǒng)定位誤差大，抗干擾抗障礙及抗遮蔽的能力大大下降。
通過實施以上實施例的技術(shù)方案，使用微慣導(dǎo)MIMU (Miniature Inertial Measurement Unit,微型慣性測量組合)對上述各種不同定位技術(shù)所產(chǎn)生的定位信息進行數(shù)據(jù)融合相互補償，同時將因使用不同應(yīng)用技術(shù)所造成的干擾信息進行濾波，可取得毫米級別的定位精度，并補償在節(jié)點數(shù)不足時或某些定位系統(tǒng)失效(如，紅外定位被遮檔、無線信息被干擾、超聲信息嚴(yán)重混響等)時減緩定位精度快速變差的問題。同時給出在一個區(qū)域內(nèi)多點使用時每個人或物或動物的基本相對運動信息。優(yōu)點為裝置在目標(biāo)物上對目標(biāo)物的運動反應(yīng)零敏，若在短時間內(nèi)使用(I秒以內(nèi))定位精度極高，可達毫米級別，而且可以完成三維多自由度姿態(tài)運動定位。另外，可以加入各種不同統(tǒng)計算法，分析目標(biāo)物的運動特征、步態(tài)特征，達到對目標(biāo)物的位移測量、航位推算、動作識別、情緒分析等功能，完全無遮檔問題。而且刷新率高可在系統(tǒng)內(nèi)提供多點同時定位的能力。
在上述實施例中，由于多種定位方式依據(jù)各自的方式計算得出的數(shù)據(jù)都是獨立的，通過相互參照、修正，最后得出的數(shù)據(jù)也就是相互融合的數(shù)據(jù)。而這種多種相關(guān)的數(shù)據(jù)可以設(shè)計一系列的數(shù)字濾波器來融合數(shù)據(jù)，濾掉一些明顯的錯誤數(shù)據(jù)，達到提高精度的目的。下面以慣性傳感單元所感測的加速度數(shù)據(jù)與紅外定位數(shù)據(jù)的融合為一個具體例子來說明慣性傳感單元所感測的加速度數(shù)據(jù)Ak(Ak有量測誤差δ,，下標(biāo)k表示固定時間間隔的序列)，Ak傳給處理單元，經(jīng)過二次積分(S(SAkAT) AT，AT表下標(biāo)k_l到下標(biāo)k所經(jīng)過時間)，可以由加速度值得到位移估計量Sk，Sk因Ak的量測誤差Sk而帶有誤差為ek。另外，利用紅外定位方式，由COMS攝像機撲捉到紅外LED的移動及距離的變化，不僅能得到目標(biāo)物的區(qū)域范圍，還能直接計算得到目標(biāo)物的位移量Pk，而Pk帶有量測誤差為ξ,，兩種位移量通過即時型的濾波，如卡爾曼濾波、最小二乘法的濾波、小波濾波以及其變形的濾波方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，大致的原理是求得Mk+ Nk^1兩個常數(shù)，對Sk及Pk加權(quán)平均數(shù)據(jù)融合 Dk= (MlriSdNlriPk)/(Mh+U，(Mk_1； Nk^1兩個數(shù)字由之前下標(biāo)由O到k_l的Ak，Sk, Pk數(shù)據(jù)所計算得到)，這Mk+ Nk^1兩個數(shù)字有個特性是使得Dk成為新的位移估計量并且誤差比原來 ￡,與1,都還要來的小，如此，我們就得到比Sk及Pk還要精準(zhǔn)的位移估計量Dk，這樣的做法在機率統(tǒng)計學(xué)上可以充分證明可行并存在，并有最佳解。另外，濾波器的設(shè)計在保存的數(shù)據(jù)方面，下標(biāo)O到k-Ι的數(shù)據(jù)也不需要全部保留，在計算Dk時只需要保留下標(biāo)k-Ι數(shù)據(jù)及固定個能帶有O到k-2所有數(shù)據(jù)特性的數(shù)字，O到k-2數(shù)據(jù)是可以拋棄的，這樣可以減少及固定系統(tǒng)儲存信息及計算的負擔(dān)。
關(guān)于以上實施例，除了慣性傳感定位方式和無線三角定位方式，其它定位方式可根據(jù)定位需求選擇全部或其中的一部分，例如，去掉紅外定位CMOS光學(xué)定位傳感單元或超聲波探測單元，但最基本的慣性傳感定位方式和無線三角定位方式是不能夠取消的，因為無線三角定位方式中的第二無線收發(fā)單元除了完成定位功能外還需要擔(dān)任數(shù)據(jù)傳遞及阻止慣性傳感定位誤差快速發(fā)散的責(zé)任。而慣性傳感定位方式中的慣性傳感定位傳感單元是唯一一個可以完整的反應(yīng)目標(biāo)物最多信息的裝置，并且還需對無線三角定位方式做定位誤差收斂補償與信息參考濾波用，所以無線三角定位方式與慣性傳感定位方式是最基本的定位方式。在本發(fā)明定位系統(tǒng)的一些實施例中，由于紅外定位精度高、穩(wěn)定，所以大部分時間都可以采用紅外定位的方式，但是由于遮擋的原因或者外來光線干擾的原因而導(dǎo)致不準(zhǔn)確，此時就需要采用慣性傳感單元的軌跡數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)，由于遮擋的時間不會太久，所以當(dāng)目標(biāo)物再次返回到紅外定位區(qū)域或干擾消失時，紅外定位數(shù)據(jù)又會再次作為主要數(shù)據(jù)，同時把慣性傳感單元的漂移進行了校正，對于一些邊界或障礙物，這時利用超聲波探測得到的數(shù)據(jù)會比較直接，計算也會簡單，因此此時利用超聲波的數(shù)據(jù)會簡化運算復(fù)雜度。對于高度的檢測當(dāng)然也可以采用墻壁上安裝紅外LED進行定位，對于一些遮擋或定位死角可以采用氣壓計的數(shù)據(jù)來代替。當(dāng)然所有的數(shù)據(jù)都會通過無線方式進行傳遞，如果室內(nèi)空間安裝無線接收器方便的話，可以增加第一無線接收單元以進行標(biāo)定，也就是無線接收器不僅對目標(biāo)物進行標(biāo)定，同時還可以建立無線三角定位系統(tǒng)，提供大范圍的定位數(shù)據(jù)，這樣大范圍、無遮擋空間與有遮擋空間都能得到檢測，實現(xiàn)多種場合數(shù)據(jù)組合或融合，達到無縫定位的目的。
在定位系統(tǒng)的一些具體實施例中，若感測裝置為手機或平板電腦，則當(dāng)該手機或平板電腦帶有紅外攝像頭時，可直接使用紅外攝像頭進行紅外定位。另外，當(dāng)用手機或平板電腦內(nèi)置有高頻響的麥克風(fēng)(頻響可達20Khz以上)時，可替代超聲波探測單元，只需直接在手機或平板電腦內(nèi)部加上帶通濾波器處理超聲訊號并進行定位；當(dāng)手機或平板電腦帶有射頻裝置及慣性傳感器時，可直接使用射頻裝置及慣性傳感器來進行無線三角定位及慣性傳感定位；當(dāng)手機或平板電腦內(nèi)置有大氣壓力傳感器(也就是氣壓計)，則不需再增加新的傳感器，可直接進行信號處理及高度計算。
圖3是本發(fā)明室內(nèi)定位方法實施例一的流程圖，結(jié)合圖I所示的室內(nèi)定位系統(tǒng)，該室內(nèi)定位方法包括
A.根據(jù)慣性傳感單元所感測的目標(biāo)物的運動計算目標(biāo)物的第一空間坐標(biāo)；
B.根據(jù)第二無線收發(fā)單元所產(chǎn)生的響應(yīng)信號計算目標(biāo)物的第二空間坐標(biāo)；
C.將第一空間坐標(biāo)與第二空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。
此處應(yīng)說明的是，室內(nèi)定位方法與室內(nèi)定位系統(tǒng)相對應(yīng)，所以一些室內(nèi)定位系統(tǒng)的實施例同樣適用于室內(nèi)定位方法，在此不作贅述。
在圖4所示的擴展型室內(nèi)控制系統(tǒng)實施例一的邏輯圖中，該室內(nèi)控制系統(tǒng)包括定位系統(tǒng)100、主控裝置200和被控裝置300。其中，定位系統(tǒng)100即為以上實施例所示的定位系統(tǒng)，在此不作贅述，該定位系統(tǒng)100用于計算的目標(biāo)物(被定位物)的最終空間坐標(biāo)；主控裝置200用于根據(jù)目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)生成控制信號；被控裝置300用于根據(jù)所述控制信號進行相應(yīng)的動作。
在上述實施例中，由于整個最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)融合、濾波、校正、補嘗都裝設(shè)在被定位的人或物體上的感測裝置內(nèi)進行計算(如手機)，在計算完成后再將結(jié)果發(fā)送給主控裝置200 (如，計算機、智能電視、游戲主機等)。最后再由主控裝置200把定位信息分配給需要的裝置(如，自跟蹤攝像機、視頻會議系統(tǒng)、自走吸塵器、安防系統(tǒng)、醫(yī)療照護系統(tǒng)等)，所以這個感測裝置需要較大的無線信息傳輸帶寬，如，使用WIFI或BT EDR來傳遞定位訊息。另外，也可以為了結(jié)省帶寬及功耗將部分復(fù)雜并且不需同步的信息交由主控裝置200計算完后，透過無線方式回傳給定位系統(tǒng)100中感測裝置。
另外，整個定位系統(tǒng)100的無線網(wǎng)絡(luò)具有自身的擴充彈性，如，使用Zigbee或 BT4.0，其內(nèi)部都已附有自己的多節(jié)點無線定位算法，并且有增加節(jié)點時的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點擴充機制，這些原來自身所帶有的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與管理機制可被本專利的定位方法充份的結(jié)合與應(yīng)用。
下面以一些具體的例子來說明該室內(nèi)控制系統(tǒng)，該室內(nèi)控制系統(tǒng)適用于智能家居、遙控玩具等。在智能家居中，例如，可在家里的天花板上安裝陣列紅外LED，遙控器帶有慣性傳感單元，當(dāng)用戶拿著遙控器走到室內(nèi)的另一個地方時，慣性傳感單元就能夠檢測到用戶的運動軌跡，并將運動坐標(biāo)發(fā)送到空調(diào)(被控裝置)，空調(diào)將隨著用戶的移動而改變掃風(fēng)方向，當(dāng)用戶固定到一個目標(biāo)位置后，將遙控器的COMS攝像頭(CMOS光學(xué)定位傳感單元) 對準(zhǔn)天花板，天花板上的紅外LED與攝像頭通訊后，以另一種方式進行定位，由于紅外LED 可以帶有不同的調(diào)制信號，可以方便地確定遙控器的坐標(biāo)，遙控器在將坐標(biāo)發(fā)送到空調(diào)，空調(diào)將以遙控器坐標(biāo)為中心進行掃風(fēng)。另外，老人小孩看護、游戲及游戲控制器、機器人的運動、自動吸塵器、視訊會議及跟蹤攝像頭或子跟蹤攝像機、家電遙控器等都可以采用這種方式進行精確定位。在遙控玩具中，例如遙控飛機，同樣在室內(nèi)天花板上有紅外LE D陣列，飛機內(nèi)部有慣性傳感單元及氣壓計，機身上有COMS攝像頭，以及超聲波探測單元，慣性傳感單元感測飛機的運動軌跡，紅外LED與COMS攝像頭以另外方式進行定位。慣性傳感器感測數(shù)據(jù)可利用紅外定位進行校正，可以得到高精度、高穩(wěn)定的定位數(shù)據(jù)，利用氣壓計得到高度的檢測，利用超聲波檢測出距離前方的距離能夠更精確的避開障礙物。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，包括標(biāo)定裝置及裝設(shè)在目標(biāo)物上的感測裝置，而且，所述標(biāo)定裝置包括 裝設(shè)在室內(nèi)至少三個特定位置的至少三個第一無線收發(fā)單元，用于每隔第一預(yù)設(shè)時間發(fā)射一次信號； 所述感測裝置包括 慣性傳感單元，包括加速度傳感器和/或陀螺儀，用于感測目標(biāo)物的運動；及第二無線收發(fā)單元，用于在接收到每個第一無線收發(fā)單元所發(fā)射的信號時，產(chǎn)生一響應(yīng)信號； 處理單元，用于分別根據(jù)所述慣性傳感單元所感測的目標(biāo)物的運動計算目標(biāo)物的第一空間坐標(biāo)，及根據(jù)所述第二無線收發(fā)單元所產(chǎn)生的響應(yīng)信號計算目標(biāo)物的第二空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)與第二空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，所述感測裝置還包括氣壓計，所述處理單元還用于根據(jù)所述氣壓計所測量的氣壓計算目標(biāo)物的高度，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)、所計算的高度進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，所述感測裝置還包括用于感測目標(biāo)物周圍環(huán)境磁場變化的地磁傳感單元，所述處理單元還用于根據(jù)所述地磁傳感單元所感測的磁場變化計算目標(biāo)物的方向，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)、所計算的方向進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位系統(tǒng)，其特征在于， 所述標(biāo)定裝置還包括 裝設(shè)在室內(nèi)多個特定位置上的多個紅外LED ； 第一運算單元，用于控制所述多個紅外LED發(fā)出紅外調(diào)制信號； 所述感測裝置還包括 CMOS光學(xué)定位傳感單元，用于檢測所述多個紅外LED所發(fā)出的紅外調(diào)制信號； 所述處理單元，還用于根據(jù)所述CMOS光學(xué)定位傳感單元所檢測的紅外調(diào)制信號計算目標(biāo)物的第三空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)及第三空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)；或者， 所述感測裝置還包括 裝設(shè)在目標(biāo)物上的多個特定位置上的多個紅外LED ； 第二運算單元，用于控制所述多個紅外LED發(fā)出紅外調(diào)制信號； 所述標(biāo)定裝置還包括 CMOS光學(xué)定位傳感單元，用于檢測所述多個紅外LED所發(fā)出的紅外調(diào)制信號；而且，所述處理單元，還用于根據(jù)CMOS光學(xué)定位傳感單元所檢測的紅外調(diào)制信號計算目標(biāo)物的第三空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)及第三空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，所述感測裝置還包括 超聲波探測單元，用于探測目標(biāo)物離周圍空間的障礙物的距離； 所述處理單元，還用于根據(jù)所述超聲波探測單元所探測的距離計算目標(biāo)物的第四空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)及第四空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一項所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，在所述處理單元中，所述融合處理為下列中的至少一個卡爾曼濾波、最小二乘法的濾波、小波濾波。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一項所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，所述第一無線收發(fā)單元和所述第二無線收發(fā)單元分別為下列中的一個=WIFI收發(fā)單元、藍牙收發(fā)單元、Zigbee收發(fā)單元、2. 4G收發(fā)單元。
8.一種使用根據(jù)權(quán)利要求I所述的室內(nèi)定位系統(tǒng)進行室內(nèi)定位的方法，其特征在于，包括 A.根據(jù)慣性傳感單元所感測的目標(biāo)物的運動計算目標(biāo)物的第一空間坐標(biāo)； B.根據(jù)第二無線收發(fā)單元所產(chǎn)生的響應(yīng)信號計算目標(biāo)物的第二空間坐標(biāo)； C.將第一空間坐標(biāo)與第二空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的室內(nèi)定位的方法，其特征在于，所述步驟C的融合處理為下列中的至少一個卡爾曼濾波、最小二乘法的濾波、小波濾波。
10.一種擴展型室內(nèi)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括 權(quán)利要求I至7任一項所述的定位系統(tǒng)，用于計算的目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)； 主控裝置，用于根據(jù)所述目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)生成控制信號； 被控裝置，用于根據(jù)所述控制信號進行相應(yīng)的動作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三維多點無線與微慣導(dǎo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)、方法及擴展型室內(nèi)控制系統(tǒng)，該室內(nèi)定位系統(tǒng)包括標(biāo)定裝置及感測裝置，標(biāo)定裝置包括至少三個第一無線收發(fā)單元，用于每隔第一預(yù)設(shè)時間發(fā)射一次信號；感測裝置包括慣性傳感單元，用于感測目標(biāo)物的運動；及第二無線收發(fā)單元，用于在接收到每個第一無線收發(fā)單元所發(fā)射的信號時，產(chǎn)生一響應(yīng)信號；處理單元，用于分別根據(jù)慣性傳感單元所感測的目標(biāo)物的運動計算目標(biāo)物的第一空間坐標(biāo)，及根據(jù)響應(yīng)信號計算目標(biāo)物的第二空間坐標(biāo)，并將第一空間坐標(biāo)與第二空間坐標(biāo)進行融合處理，以獲得目標(biāo)物的最終空間坐標(biāo)。實施本發(fā)明的技術(shù)方案，定位精度高，對目標(biāo)物的運動反應(yīng)零敏，可達毫米級別。
文檔編號G01C21/00GK102927980SQ201210385728
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者羅富強 申請人:深圳市宇恒互動科技開發(fā)有限公司