本發(fā)明涉及一種定位裝置，尤其是涉及一種室內(nèi)無線定位裝置及定位方法。

背景技術(shù)：

隨著VR應(yīng)用的發(fā)展，除了感知用戶的操作，對用戶位置及各部位的精確探測會進(jìn)一步加強(qiáng)應(yīng)用與用戶的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的VR。此外，精準(zhǔn)的室內(nèi)定位也有很多其它的應(yīng)用場景。

當(dāng)前的室內(nèi)精準(zhǔn)定位，有些會使用昂貴，高性能的動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)，有些采用附著電池驅(qū)動(dòng)的接收裝置，在重量，體積等方面影響用戶的體驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種室內(nèi)無線定位裝置及定位方法，所述無線定位裝置采用電磁波發(fā)射的定向特性及穿透性，結(jié)合掃描技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)在空間內(nèi)的精確定位。無論是在成本方面，還是在使用便捷方面都有很大的提高。其技術(shù)方案如下所述：

一種室內(nèi)無線定位裝置，包括控制裝置和與其相連接的無線掃描裝置、接收裝置、被探測物，所述被探測物放置在被探測區(qū)域內(nèi)，在收到無線掃描裝置發(fā)射的探測信號后能夠應(yīng)答無線電波信號；所述接收裝置用于接收和識別所述無線電波應(yīng)答信號；所述控制裝置用于采集數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)對被探測物進(jìn)行運(yùn)算定位；并在被探測區(qū)域建立空間坐標(biāo)系，所述無線掃描裝置包括安裝在被探測區(qū)域周邊的發(fā)射器，所述發(fā)射器包括發(fā)射裝置和與其相連接的旋轉(zhuǎn)裝置，所述發(fā)射裝置圍繞所述旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)置的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述發(fā)射裝置能夠在一個(gè)可約束的方向發(fā)射無線電磁波，所述約束的無線電波形成繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的掃描平面，所述發(fā)射裝置旋轉(zhuǎn)到某個(gè)已知角度的掃描平面與被探測區(qū)域相交區(qū)域上的所有位置的被探測物都能收到探測信號；根據(jù)各發(fā)射器在空間坐標(biāo)系的安裝位置和旋轉(zhuǎn)方向、各發(fā)射器探測到被探測物時(shí)的掃描平面的參考角度，能夠判斷出被探測物的位置。

所述發(fā)射裝置經(jīng)過旋轉(zhuǎn)軸的某個(gè)固定方向的掃描平面被確定為基準(zhǔn)平面，所述被探測物所在掃描平面與基準(zhǔn)平面的夾角將被用于定位計(jì)算，所述掃描平面與基準(zhǔn)平面夾角角度的獲取能夠通過角度傳感器獲得、或通過使用時(shí)間特征的計(jì)算獲得。

所述被探測物收到探測信號后，通過發(fā)射或反射包含其自身特征的無線電波應(yīng)答信號，所述應(yīng)答信號能夠被接收裝置所接收，并從中識別出被探測物的相關(guān)信息，所述自身特征包括被探測物選用的材料、應(yīng)答基帶頻率，編碼方式；所述相關(guān)信息包括被探測物的類別、編號。

在被探測區(qū)域的周邊放置若干位置固定不變的應(yīng)答裝置做為監(jiān)測點(diǎn)，所述應(yīng)答裝置在收到無線掃描裝置發(fā)射的探測信號后能夠應(yīng)答無線電波信號并被接收裝置獲取，用于動(dòng)態(tài)邊界識別和位置較正，誤差消除。

所述被探測區(qū)域的兩側(cè)安裝有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸平行但不重疊的發(fā)射器，在二維定位時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸要與探測平面垂直。

進(jìn)一步的，三維定位時(shí)，在探測區(qū)域外至少設(shè)置有三個(gè)發(fā)射器，其中至少有兩個(gè)發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)軸平行但不重疊(和二維定位要求相同)，至少有一個(gè)發(fā)射器旋轉(zhuǎn)軸與前兩個(gè)發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)軸不平行(通常會采用垂直的方式)。

根據(jù)上述室內(nèi)無線定位裝置實(shí)現(xiàn)的定位方法，包括下列步驟：

(1)所述控制裝置控制無線掃描裝置的發(fā)射器發(fā)射探測信號；

(2)被探測物在收到發(fā)射信號時(shí)應(yīng)答反饋信號；

(3)接收裝置收到應(yīng)答信號，提取相關(guān)信息，獲得被探測物相對設(shè)定的發(fā)射器，其所處的掃描平面與基準(zhǔn)平面的夾角；

(4)根據(jù)各發(fā)射器相對于空間坐標(biāo)系的安裝位置和旋轉(zhuǎn)方向、各發(fā)射器探測到被探測物時(shí)的平面相對于本身基準(zhǔn)平面的角度，計(jì)算得出被探測物的位置。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，且精度高，成本低；所述無線掃描裝置可以選擇具有較強(qiáng)穿透性的電磁波，不會出現(xiàn)被遮擋，而無法探測的情況。

附圖說明

圖1是發(fā)射器從轉(zhuǎn)向基準(zhǔn)線開始轉(zhuǎn)到被探測物方向時(shí)的測量示意圖；

圖2是利用三角公式對被探測物定位的示意圖；

圖3是監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在被探測區(qū)域外的探測示意圖；

圖4是室內(nèi)無線定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是無線掃描裝置的安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明中，有幾個(gè)基本對象：無線掃描裝置、接收裝置、控制裝置和被探測物。

所述無線掃描裝置包括安裝在被探測區(qū)域周邊的發(fā)射器，所述發(fā)射器包括發(fā)射裝置和與其相連接的旋轉(zhuǎn)裝置，所述發(fā)射裝置圍繞所述旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)置的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述發(fā)射裝置能夠在一個(gè)可約束的方向發(fā)射無線電磁波，所述約束的無線電波形成繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的掃描平面，所述發(fā)射裝置旋轉(zhuǎn)到某個(gè)已知角度的掃描平面與被探測區(qū)域相交區(qū)域上的所有位置的被探測物都能收到探測信號。

無線掃描裝置能夠集中在某一個(gè)很窄的方向上持續(xù)發(fā)射形成波束扇面，并在水平或垂直方向按固定速度360度旋轉(zhuǎn)。

被探測物則需要能夠反射或應(yīng)答發(fā)送的電磁波，通常需要在被探測物上附著鋁箔或類似RFID Tag的電子標(biāo)簽。

接收裝置、控制裝置作為接收及處理裝置，能夠接收和識別被探測物反射(或應(yīng)答)的信號，并根據(jù)接收時(shí)間計(jì)算結(jié)果。

所述發(fā)射器的發(fā)射裝置會以旋轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)360度旋轉(zhuǎn)掃描。如圖1所示，在理論上，假設(shè)發(fā)射裝置旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是T，以轉(zhuǎn)到一個(gè)特定的方向定為0度(這個(gè)方向我們定為基準(zhǔn)線)，每次從轉(zhuǎn)向基準(zhǔn)線開始，轉(zhuǎn)到探測物方向時(shí)的時(shí)間是t，那么被探測物和基準(zhǔn)線之間的夾角是：

角度＝360*t/T

一套發(fā)送、接收部件只能測量被探測物的一個(gè)角度，為了實(shí)現(xiàn)平面定位，需要在被探測物的運(yùn)動(dòng)范圍外部兩個(gè)固定位置(A,B)放置兩套發(fā)射器。如圖2所示，通過三角公式，已知三角形的一條邊，及該邊上的兩個(gè)夾角，即可確定三角形。從而運(yùn)算出被探測物的平面坐標(biāo)。

設(shè)定兩個(gè)發(fā)射器A和B，被探測點(diǎn)D。

任一點(diǎn)P在坐標(biāo)系的位置表示為(Xp,Yp)。

已知：

點(diǎn)位置是A(Xa,Ya)和B(Xb,Yb)，

AB與AD的夾角是α，

旋轉(zhuǎn)軸與平面垂直，經(jīng)過A點(diǎn)，

AB為0度線。

設(shè)定逆時(shí)針方向?yàn)檎较颍?/p>

BA與BD的夾角是β，

旋轉(zhuǎn)軸與平面垂直，經(jīng)過B點(diǎn)，

AB為0度線。

順時(shí)針方向?yàn)檎较颍?/p>

那么D點(diǎn)的坐標(biāo)公式：

Xd＝(tanβ*(Xb–Xa)–tanα*tanβ*(Yb–Ya))/(tanα+tanβ)+Xa；

Yd＝(tanβ*(Yb–Ya)+tanα*tanβ*(Xb–Xa))/(tanα+tanβ)+Yb；

可見，兩組(或多組)旋轉(zhuǎn)軸平行的發(fā)射器只得獲得水平面的坐標(biāo)，當(dāng)需要三維定位時(shí)，還需要在探測區(qū)域外安裝與之前的發(fā)射器旋轉(zhuǎn)軸不平行的發(fā)射器，通常旋轉(zhuǎn)軸會與前兩個(gè)發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)軸垂直，使得旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榇怪狈较颍@樣就可以測量出被探測物在垂直平面的坐標(biāo)。結(jié)合水平平面坐標(biāo)，從而得出被探測物在立體空間的三維坐標(biāo)。(在兩個(gè)點(diǎn)的3D探測會將盲區(qū)面縮減到盲區(qū)線。)

當(dāng)進(jìn)行三維探測時(shí)，增加第三個(gè)發(fā)射器，位置放置在C，滿足條件(旋轉(zhuǎn)軸不能以與前兩個(gè)發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)軸平行。)的方式非常多，這里只寫了最簡單的情況：

任一點(diǎn)P在坐標(biāo)系的位置表示為(Xp,Yp,Zp)，

AB的設(shè)置與二維相同。設(shè)C掃描到D時(shí)獲得的角度為γ，其取值意義為：

C點(diǎn)坐標(biāo)為(Xc,Yc,Zc)，

C的旋轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)系X軸平行，

以(Y＝Y(jié)c)為0度平面，

角度正方向?yàn)榘碮Z平面的逆時(shí)針方向。(右手規(guī)則)

D點(diǎn)的Z坐標(biāo)公式：(XY與二維相同)

Zd＝(Yd–Yc)*tanγ+Zc。

實(shí)際的探測系統(tǒng)一定會有多個(gè)發(fā)射部件(至少兩個(gè))，每個(gè)發(fā)射器都有相對應(yīng)的接收器。但接收部件并不一定和發(fā)送部件一一對應(yīng)。只要接收器能夠接收和處理不同的反射或應(yīng)答信息即可。通常系統(tǒng)會采用高頻信號，使用相同的載波頻率，通過調(diào)制不同的信息來區(qū)分不同的發(fā)射端或被探測物，因此實(shí)際情況可以只需要一個(gè)接收和處理部件。有沒有成本需求的情況下，也可以為每個(gè)發(fā)射部件對應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的接收裝置，這些部件使用不同的載波頻率，從而避免數(shù)據(jù)沖突引起的精度損失。

當(dāng)在探測空間的被探測物只有一個(gè)時(shí)，可以采用在被探測物上貼上鋁箔的方案。鋁箔在有無線電波經(jīng)過時(shí)，會按原信號直接反射無線電波。因此只需讓接收器解析屬于哪個(gè)發(fā)射源，即可完成單探測物的2D/3D定位。

當(dāng)在活動(dòng)空間內(nèi)多個(gè)被探測物，需要同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)探測時(shí)，接收裝置需要有能力識別是哪個(gè)探測物的應(yīng)答，這時(shí)就不能使用簡單的反射方式了。需要在每個(gè)被控測物中附著微型的電波接收和發(fā)送裝置(電子標(biāo)簽)，它們在接收到掃描電波后，不是直接反射，而是能夠主動(dòng)發(fā)送有差異的應(yīng)答信號。通常是載波疊加可區(qū)分的模擬或數(shù)字調(diào)制信息。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以加強(qiáng)發(fā)射電波的功率。這樣電子標(biāo)簽可以直接從接收的無線電波獲得的能量，驅(qū)動(dòng)其發(fā)送應(yīng)答信號。其電子工作原理和RFID一樣。負(fù)載信息的調(diào)制解調(diào)方案也可以參考RFID相關(guān)規(guī)范。

實(shí)際應(yīng)用中，會遇到各種情況產(chǎn)生誤差，下面的一些手段可以針對不同情況有效的消除誤差。

如圖2所示，當(dāng)被探測物落在經(jīng)過AB兩點(diǎn)的直線上時(shí)，是無法確定正確位置的，經(jīng)過AB兩點(diǎn)的直線范圍被稱為探測盲點(diǎn)。發(fā)射器的設(shè)置應(yīng)避免其落入被探測物的運(yùn)動(dòng)空間范圍內(nèi)。但如果不能完全避免，我們可以在另一個(gè)位置(C)放置第三個(gè)發(fā)射器，這樣我們可以分別用AB,BC,AC來計(jì)算被探測物的位置，得到三組數(shù)據(jù)。當(dāng)被探測物落到某個(gè)盲區(qū)時(shí)，我們可以忽略該結(jié)果。其余有效的結(jié)果在理論應(yīng)該是重疊的，實(shí)際會有偏差，但綜合多組結(jié)果，會減少這些測量誤差，獲得更精確的定位結(jié)果。

基準(zhǔn)線的檢測裝置誤差影響角度測量準(zhǔn)確性。除了檢測裝置本身的測量誤差，它還受到檢測位置的影響。我們已知檢測裝置本身的物理誤差是f，監(jiān)測點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心軸的距離是d,而實(shí)際被探測物(最遠(yuǎn)探測位置)到中心軸的距離為D，那么被探測物的

實(shí)際(最大)誤差＝f*D/d

將基準(zhǔn)線的監(jiān)測點(diǎn)和發(fā)射部件集成在一起，就會出現(xiàn)(d<<D)，其結(jié)果是誤差被嚴(yán)重放大。所以在有條件的情況下，盡可能采用讓基準(zhǔn)線監(jiān)測點(diǎn)距離旋轉(zhuǎn)軸更遠(yuǎn)一些。

此外，在實(shí)際測量中，還會遇到一些問題，影響測量精度：

(1)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的機(jī)械穩(wěn)定性；

(2)發(fā)射天線轉(zhuǎn)向基準(zhǔn)線時(shí)的檢測精度；

(3)從無線電波發(fā)射開始，到被探測物接收后的反射或應(yīng)答，再到接收裝置接收，到控制裝置開始獲取時(shí)間計(jì)算，產(chǎn)生的延遲誤差。

除了靠發(fā)射裝置本身的電子檢測手段，基準(zhǔn)線的監(jiān)測點(diǎn)也完全可以用另一種方式來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，監(jiān)測點(diǎn)即和被探測物使用相同的鋁箔和電子標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)，用監(jiān)測點(diǎn)作為角度的參照點(diǎn)。實(shí)際上發(fā)射天線并不是360全部有意義的，如果我們分別在被探測區(qū)域3的兩端放置發(fā)射部件(圓形AB)，和參照點(diǎn)(菱形XY)。假設(shè)發(fā)射部件是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，只要探測空間落在三角形XOY區(qū)域內(nèi)，那么無論是A還是B，一定會先探測到X，接著是探測到被探測物，最后探測到Y(jié)。我們只需把AX或BX對待成基準(zhǔn)線，就可以達(dá)到實(shí)際誤差小于(f)的精度，角度計(jì)算公式中的360度和T也可以分別用角XAY(或XBY)的度數(shù)，以及T(x->y)來替換。

只要處理流程一致，這種方案還可以忽略(或抵消)接收和處理延時(shí)產(chǎn)生的誤差。并且最大程度的避免機(jī)械旋轉(zhuǎn)周期震動(dòng)帶來的誤差。

針對發(fā)射點(diǎn)A，其實(shí)際探測角度(XAY)要大于有效角度(MAY)，但如果在M或N位置架設(shè)參照點(diǎn)將會對實(shí)際被探測物的檢測產(chǎn)生干擾，不適用于鋁箔反射方案。

如果參照點(diǎn)使用的是電子標(biāo)簽，由于調(diào)制信息能夠區(qū)分是不是被探測物，以及是哪個(gè)參照點(diǎn)，因此不需要考慮順序問題。所以可以XY之間設(shè)置多個(gè)參照點(diǎn)，這能夠減少發(fā)射器旋轉(zhuǎn)電機(jī)的非均速帶來的誤差，進(jìn)一步提升精度。

根據(jù)以上推論，如圖4和圖5所示，無線掃描裝置將實(shí)現(xiàn)一個(gè)單探測物的室內(nèi)空間定位功能，使用3D發(fā)射器設(shè)備1和3D發(fā)射器設(shè)備2，每個(gè)3D發(fā)射器的構(gòu)成包括水平發(fā)射器11、垂直發(fā)射器12，所述水平發(fā)射器11、垂直發(fā)射器12分別通過步進(jìn)電機(jī)15和步進(jìn)電機(jī)16進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，基準(zhǔn)線13和基準(zhǔn)線14分別設(shè)置在步進(jìn)電機(jī)15和步進(jìn)電機(jī)16上。

無線掃描裝置的接收和處理總控制臺包括接收裝置4和接收裝置5，分別用于接收水平和垂直方向的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到控制裝置6，所述控制裝置6通常是PC機(jī)等智能電子設(shè)備，能夠與3D發(fā)射器設(shè)備之間進(jìn)行通訊。

所述控制裝置6在本裝置中有以下幾個(gè)主要功能：

(1)構(gòu)建統(tǒng)一的同步時(shí)鐘；

(2)構(gòu)建和設(shè)置統(tǒng)一的空間坐標(biāo)；

(3)控制3D發(fā)射器的運(yùn)行；

(4)接收發(fā)射器的信號并處理，計(jì)算出被探測物的空間位置；

(5)在3D發(fā)射器和位置設(shè)置過程中，負(fù)責(zé)各參數(shù)(位置)輸入。

無線掃描裝置的安裝位置示意圖如圖5所示，所述發(fā)射器1和發(fā)射器2安裝在被探測區(qū)域3的周邊，所述發(fā)射器的水平方向的發(fā)射器旋轉(zhuǎn)方向相同，所述垂直方向的發(fā)射器旋轉(zhuǎn)方向相同。

所述被探測物采用類似RFID標(biāo)簽的應(yīng)答裝置，所述兩個(gè)發(fā)射器與被探測區(qū)域3的垂直距離相同，投影在被探測區(qū)域的相對的兩端。

應(yīng)用時(shí)，所述控制裝置與發(fā)射器構(gòu)建統(tǒng)一的同步時(shí)鐘，構(gòu)建和設(shè)置統(tǒng)一的空間坐標(biāo)；

控制發(fā)射器的發(fā)射裝置旋轉(zhuǎn)，同時(shí)進(jìn)行信號發(fā)射，監(jiān)測點(diǎn)和被探測物將信號反射到接收裝置；

所述接收裝置將探測到監(jiān)測點(diǎn)和被探測物時(shí)發(fā)射器的角度數(shù)據(jù)傳送到控制裝置；

所述控制裝置通過步驟(3)中的角度數(shù)據(jù)，以及發(fā)射器之間的距離、發(fā)射器和被探測區(qū)域之間的距離，得到被探測物在被探測區(qū)域的空間位置信息。