本發(fā)明屬于精密測量，導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種室內(nèi)紅外3d坐標(biāo)定位測量系統(tǒng)及定位測量方法。

背景技術(shù)：

由于現(xiàn)代信息化的不斷發(fā)展，定位服務(wù)己經(jīng)成為我們生活中必不可少的一部分。其中最著名的定位系統(tǒng)是全球定位系統(tǒng)(gps)，它由24個軌道衛(wèi)星以及目標(biāo)攜帶的接收器構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。近年來，室內(nèi)定位提供了一種被稱作自動檢測對象位置的新的自動系統(tǒng)。現(xiàn)實中這些自動化室內(nèi)定位有很多的例子。例如，檢測物品在倉庫里的位置、定位醫(yī)務(wù)人員的位置或者檢測醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)療器械、檢測消防人員在失火的大樓里的位置、找到工廠中分散在各個地方的維護(hù)工具和設(shè)備，更重要的一點是為工廠自動化設(shè)備提供精確的定位導(dǎo)航功能，從而大大提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平。

將gps技術(shù)應(yīng)用在室內(nèi)測量，不僅設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴，而且會產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。常用的室內(nèi)定位技術(shù)還有紅外線(ir)技術(shù)、wi-fi技術(shù)、超寬帶(uwb)技術(shù)、射頻識別(rfid)技術(shù)等，這些定位技術(shù)的定位精度基本都在厘米級以上，在精度要求不高的場合可以采用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種室內(nèi)紅外3d定位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)是結(jié)合了相位法激光測距和gps定位原理，測距精度更高，定位精度可以做到mm級，它和igps系統(tǒng)相比，不需要復(fù)雜的電機驅(qū)動設(shè)備，也不需要高精度的扇面激光旋轉(zhuǎn)頭，只需要至少4站類似igps零位信號發(fā)射的裝置，能夠產(chǎn)生被調(diào)制的紅外光，再加上一個紅外光接收及處理裝置即可實現(xiàn)精確的坐標(biāo)定位。一方面利用相位測量求距離，其定位精度要達(dá)到高于一般wi-fi技術(shù)、超寬帶(uwb)技術(shù)、射頻識別(rfid)技術(shù)的精度水平；另一方面，其各模塊成本及復(fù)雜度要低于gps系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的還在于提供一種室內(nèi)紅外3d定位測量方法。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

一種室內(nèi)紅外3d定位測量系統(tǒng)，包括：

系統(tǒng)主站，用于產(chǎn)生并調(diào)制發(fā)射信號，通過無線發(fā)射模塊產(chǎn)生無線信號來傳送當(dāng)前發(fā)射基站的位置坐標(biāo)；

發(fā)射基站，用于將系統(tǒng)主站傳送過來的調(diào)制電信號轉(zhuǎn)化為紅外光信號并發(fā)射出去；

接收設(shè)備，用來接收紅外光信號并進(jìn)行解調(diào)及相位測量，求出距n個發(fā)射基站的距離后，利用最小二乘法求出接收探測器在空間的三維坐標(biāo)；

所述系統(tǒng)主站和發(fā)射基站中包括發(fā)射模塊，接收設(shè)備中包括接收模塊；

所述發(fā)射模塊包括主控振蕩器ⅰ和本地振蕩器ⅰ，所述主控振蕩器ⅰ連接通道選擇器，通道選擇器上連接有n個發(fā)射器發(fā)射被調(diào)制的紅外光信號；所述本地振蕩器ⅰ共同連接兩個混頻器，主控振蕩器ⅰ連接其中一個混頻器ⅰ，標(biāo)定接收器信號連接另一個混頻器ⅱ，兩個混頻器信號進(jìn)入mcu控制器來觀測發(fā)射基站發(fā)射信號的初相差，mcu控制器通過無線發(fā)射模塊將發(fā)射基站和對應(yīng)的初相差發(fā)送給接收器進(jìn)行坐標(biāo)方程求解；

所述接收模塊包括接收發(fā)射器被調(diào)制的紅外光信號的接收器，接收器連接到信號混頻器，信號混頻器一路連接本地振蕩器ⅱ，主控振蕩器ⅱ和本地振蕩器ⅱ共同依次連接參考混頻器和信號混頻器，信號混頻器經(jīng)過濾波放大器ⅰ、參考混頻器經(jīng)過濾波放大器ⅱ輸出的信號與無線接收模塊接收的初相差無線信號連接到mcu相位比較器；經(jīng)相位比較和坐標(biāo)求解后，通過顯示器顯示紅外3d定位測量的三維坐標(biāo)。

作為優(yōu)選的方案，所述發(fā)射器為si雪崩光電二極管發(fā)射工作波段為400～1100nm的可見光和近紅外光波段；或為ge和ingaas雪崩光電二極管發(fā)射的1300nm的光通信波段。

本發(fā)明進(jìn)而給出了一種室內(nèi)紅外3d定位測量方法，包括下述步驟：

1)系統(tǒng)主站通過主控振蕩器ⅰ和本地振蕩器ⅰ產(chǎn)生調(diào)制發(fā)射信號，通過n個發(fā)射器發(fā)射被調(diào)制的紅外光信號；

2)主控振蕩器ⅰ和本地振蕩器ⅰ共同連接兩個混頻器，主控振蕩器ⅰ連接其中一個混頻器，標(biāo)定接收器信號連接另一個混頻器，兩個混頻器信號進(jìn)入mcu控制器來觀測發(fā)射基站發(fā)射信號的初相差mcu控制器通過無線發(fā)射模塊將發(fā)射基站和對應(yīng)的初相差發(fā)送給接收器進(jìn)行坐標(biāo)方程求解；

3)發(fā)射系統(tǒng)主控晶振和接收模塊主控晶振產(chǎn)生的正弦基準(zhǔn)信號在短時間內(nèi)同頻不同相，通過求解導(dǎo)航定位方程得到發(fā)射器和接收器之間的實際距離。

作為方法優(yōu)選的方案，所述步驟3)中，發(fā)射器和接收器之間的實際距離通過如下方式實現(xiàn)：

3a)發(fā)射系統(tǒng)主控晶振和接收模塊主控晶振產(chǎn)生的正弦基準(zhǔn)信號在短時間內(nèi)同頻不同相，初始產(chǎn)生的相差為確定發(fā)射器相對于主控基準(zhǔn)的發(fā)射器的相位所有的初相都通過標(biāo)定確定，則距離觀測方程如下：

探測器觀測到的相差減去發(fā)射器的初相差再減去發(fā)射和接收基準(zhǔn)信號相差對應(yīng)的距離就為發(fā)射器和接收器之間的實際距離：

式中，為接收器通過直接觀測得到的發(fā)射站和接收器之間的相位差計算出的相對距離；λ為發(fā)射調(diào)制信號波長；為第j個發(fā)射器到探測器的相位；為標(biāo)定的第i個發(fā)射基站相對發(fā)射模塊基準(zhǔn)信號的初相差；為接收模塊基準(zhǔn)信號相對于發(fā)射模塊基準(zhǔn)信號的初相差；xj,yj,zj分別為所測基站j在世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的三個分量；

每個發(fā)射站對應(yīng)一個距離觀測方程，如果一共有n個發(fā)射站，則j從1到n取值，一共有n個觀測方程；

3b)將式(1.1)在目標(biāo)概略位置x0,y0,z0及紅外探測器相差處泰勒展開成線性方程，得到：

l＝a·δx(1.5)。

作為方法優(yōu)選的方案，根據(jù)接收機接收到發(fā)射基站的個數(shù)不同，有以下解算方法：當(dāng)觀測到4個基站的信號時，m＝4，由方程(1.5)可解算得到：

δx＝a^-1·l(1.7)

或者有

式中，x0為探測器初始估計坐標(biāo)；為待求的探測器在三維空間中的點坐標(biāo)。

作為方法優(yōu)選的方案，根據(jù)接收機接收到發(fā)射基站的個數(shù)不同，有以下解算方法：當(dāng)觀測到4個以上的基站信號，m>4時，應(yīng)用高斯—馬爾可夫估計得到待定參數(shù)的估值為：

式中，a^t為矩陣a的轉(zhuǎn)置；為待求的探測器在三維空間中的點坐標(biāo)。

本發(fā)明室內(nèi)紅外3d定位測量系統(tǒng)通過測量信號相位求解距離及坐標(biāo)，采用apfft精密相位測量技術(shù)提高整個定位系統(tǒng)的精度，它不需要gsp系統(tǒng)復(fù)雜的信號調(diào)理機制以及價格昂貴的原子鐘設(shè)備，也不需要類似igps的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，能夠以較低成本的方式在工廠環(huán)境中實現(xiàn)較高精度量級的定位(mm級)，從而能夠極大程度的推進(jìn)工廠自動化水平。

附圖說明

圖1是室內(nèi)紅外3d定位系統(tǒng)示意圖；

圖2是室內(nèi)紅外定位系統(tǒng)功能框圖；

圖3是發(fā)射器覆蓋范圍示意圖；

圖4是各基站與接收光電探測器的時分多址時序；

圖5是正弦基準(zhǔn)測試信號；

圖6是apfft振幅譜和相位譜與fft振幅相位譜對比；

圖7是相位估計誤差與信噪比關(guān)系曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不作為對發(fā)明做任何限制的依據(jù)。

如圖1所示，整個系統(tǒng)包括系統(tǒng)主站、n個發(fā)射基站以及接收設(shè)備，系統(tǒng)主站的主要功能是產(chǎn)生并調(diào)制發(fā)射信號，通過無線發(fā)射模塊產(chǎn)生無線信號來傳送當(dāng)前發(fā)射基站的位置坐標(biāo)，當(dāng)接收探測器采樣當(dāng)前紅外管發(fā)射信號時同時無線模塊接收該紅外發(fā)射管的位置坐標(biāo)；發(fā)射基站的主要功能是將主站送過來的調(diào)制電信號轉(zhuǎn)化為紅外光信號并發(fā)射出去，接收設(shè)備用來接收紅外光信號并進(jìn)行解調(diào)及相位測量，求出距n個發(fā)射站的距離后利用最小二乘法求出接收探測器在空間的三維坐標(biāo)。

如圖2所示，系統(tǒng)主站和發(fā)射基站中包括發(fā)射模塊，接收設(shè)備中包括接收模塊。發(fā)射模塊包括主控振蕩器ⅰ和本地振蕩器ⅰ，主控振蕩器ⅰ連接通道選擇器，通道選擇器上連接有n個發(fā)射器發(fā)射被調(diào)制的紅外光信號；本地振蕩器ⅰ共同連接兩個混頻器，主控振蕩器ⅰ連接其中一個混頻器ⅰ，標(biāo)定接收器信號連接另一個混頻器ⅱ，兩個混頻器信號進(jìn)入mcu控制器來觀測發(fā)射基站發(fā)射信號的初相差，mcu控制器通過無線發(fā)射模塊將發(fā)射基站和對應(yīng)的初相差發(fā)送給接收器進(jìn)行坐標(biāo)方程求解。

接收模塊包括接收發(fā)射器被調(diào)制的紅外光信號的接收器，接收器連接到信號混頻器，信號混頻器一路連接本地振蕩器ⅱ，主控振蕩器ⅱ和本地振蕩器ⅱ共同依次連接參考混頻器和信號混頻器，信號混頻器經(jīng)過濾波放大器ⅰ、參考混頻器經(jīng)過濾波放大器ⅱ輸出的信號與無線接收模塊接收的初相差無線信號連接到mcu相位比較器；經(jīng)相位比較和坐標(biāo)求解后，通過顯示器顯示紅外3d定位測量的三維坐標(biāo)。

其中，發(fā)射器為si雪崩光電二極管發(fā)射工作波段為400～1100nm的可見光和近紅外光波段；或為ge和ingaas雪崩光電二極管發(fā)射的1300nm的光通信波段。

由于紅外發(fā)射基站發(fā)出的信號均是由系統(tǒng)主站產(chǎn)生，而各基站存在距離和器件的差異，即便各基站到系統(tǒng)主站的連線采用等長光纖，也不能保證各基站在同一時刻發(fā)射信號同相，所以采用標(biāo)定接收基站來觀測各紅外發(fā)射管基站的初相差異發(fā)送給接收器進(jìn)行解算。將發(fā)射接收模塊基準(zhǔn)信號初相差作為未知數(shù)，利用至少4站及4站以上的觀測方程組，解方程可以求出

本發(fā)明的室內(nèi)紅外3d定位測量方法如下：

1)系統(tǒng)主站通過主控振蕩器ⅰ和本地振蕩器ⅰ產(chǎn)生調(diào)制發(fā)射信號，通過n個發(fā)射器發(fā)射被調(diào)制的紅外光信號；

2)主控振蕩器ⅰ和本地振蕩器ⅰ共同連接兩個混頻器，主控振蕩器ⅰ連接其中一個混頻器，標(biāo)定接收器信號連接另一個混頻器，兩個混頻器信號進(jìn)入mcu控制器來觀測發(fā)射基站發(fā)射信號的初相差mcu控制器通過無線發(fā)射模塊將發(fā)射基站和對應(yīng)的初相差發(fā)送給接收器進(jìn)行坐標(biāo)方程求解；

3)發(fā)射系統(tǒng)主控晶振和接收模塊主控晶振產(chǎn)生的正弦基準(zhǔn)信號在短時間內(nèi)同頻不同相，通過求解導(dǎo)航定位方程得到發(fā)射器和接收器之間的實際距離。

如圖2所示，假設(shè)發(fā)射系統(tǒng)主控晶振和接收模塊主控晶振產(chǎn)生的正弦基準(zhǔn)信號在短時間內(nèi)同頻不同相，距離短無整周期模糊度，初始產(chǎn)生的相差為而發(fā)射器1相對于主控基準(zhǔn)的發(fā)射相位發(fā)射器2相對于主控基準(zhǔn)的發(fā)射相位為發(fā)射器3為依次類推。所有的初相都通過標(biāo)定確定。則距離觀測方程如下：

探測器觀測到的相差減去發(fā)射器的初相差再減去發(fā)射和接收基準(zhǔn)信號相差對應(yīng)的距離就為發(fā)射器和接收器之間的實際距離：

式中xj,yj,zj為所測基站j在世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的三個分量；xi,yi,zi為光電探測器在世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的三個分量；為接收器通過直接觀測得到的發(fā)射站和接收器之間的相位差計算出的相對距離；λ為發(fā)射調(diào)制信號波長；為第j個發(fā)射器到探測器的相位；為標(biāo)定的第i個發(fā)射基站相對發(fā)射模塊基準(zhǔn)信號的初相差；為接收模塊基準(zhǔn)信號相對于發(fā)射模塊基準(zhǔn)信號的初相差；

線性化觀測方程

由于式(1.1)是關(guān)于未知參數(shù)的非線性方程，在求解方程時必須進(jìn)行線性化處理。每個發(fā)射站對應(yīng)一個距離觀測方程，如果一共有n個發(fā)射站，則j從1到n取值，一共有n個觀測方程。

現(xiàn)將式(1.1)在目標(biāo)概略位置x0,y0,z0及紅外探測器相差處泰勒展開成線性方程，則有：

其中

式中，δx,δy,δz為目標(biāo)位置坐標(biāo)的改正值，即為δx＝xi-x0，δy＝y(tǒng)i-y0，δz＝zi-z0；在較短的觀測時間內(nèi)，接收機相差用表示。

現(xiàn)將(1.1)經(jīng)過化變換后得到的方程組(1.2)聯(lián)立，并令

式中，l為由泰勒展開誤差以及發(fā)射接收基準(zhǔn)信號相位差造成的距離誤差之和；li(ti)為第i個發(fā)射基站到接收器之間由泰勒展開誤差以及發(fā)射接收基準(zhǔn)信號相位差造成的距離誤差之和；a為泰勒展開誤差以及發(fā)射接收基準(zhǔn)信號相位差的系數(shù)矩陣；li(ti)為x方向第i個發(fā)射站與接收器之間距離誤差系數(shù)；mi(ti)為y方向第i個發(fā)射站與接收器之間距離誤差系數(shù)；ni(ti)為z方向第i個發(fā)射站與接收器之間距離誤差系數(shù)；δx為x方向第i個發(fā)射站與接收器之間距離誤差；δy為y方向第i個發(fā)射站與接收器之間距離誤差；δz為z方向第i個發(fā)射站與接收器之間距離誤差；為發(fā)射接收基準(zhǔn)信號相位差；

得到：

l＝a·δx(1.6)

根據(jù)接收機接收到發(fā)射基站的個數(shù)不同，有以下兩種情況的解算方法：

(1)當(dāng)觀測到4個基站的信號時(m＝4)，由方程(1.6)可解算得到：

δx＝a^-1·l(1.7)

或者有

式中，x0為探測器初始估計坐標(biāo)；為待求的探測器在三維空間中的點坐標(biāo)。

(2)當(dāng)觀測到4個以上的基站信號(m>4)時，應(yīng)用高斯—馬爾可夫估計得到待定參數(shù)的估值為：

式中，a^t為矩陣a的轉(zhuǎn)置；為待求的探測器在三維空間中的點坐標(biāo)。

下面給出本發(fā)明對發(fā)射器的要求。

1)發(fā)射器類型及工作波段：

發(fā)射器類型：led。

工作波段：400～1100nm的可見光和近紅外光波段；

1300nm的光通信波段；

調(diào)制頻率要求：10～40mhz

發(fā)射半功率角：具體發(fā)射角由式(2.1)和(2.2)及布站方式確定；

發(fā)射波段的選擇主要由目前可查詢到的apd光電探測器響應(yīng)頻段決定，在400～1100nm波段內(nèi)主要是si雪崩光電二極管。在光線通信專用波段1300nm有g(shù)e和ingaas雪崩光電二極管。

半功率角、布站高度及信號覆蓋范圍的關(guān)系：

發(fā)射器主要由發(fā)光led構(gòu)成，如圖3所示，發(fā)射器的半功率角為θ，距測量空間最上沿的距離為h，則led發(fā)射光在測量區(qū)域投影出來的是一橢圓區(qū)域，該區(qū)域的長軸和短軸分別為：

ab＝hgtan(θ)(2.1)

則該led發(fā)射管信號覆蓋的測量范圍為：

假設(shè)led半功率角為60°，其信號要覆蓋5m×5m的測量空間，根據(jù)(2.1)(2.2)計算可得該發(fā)射器距測量空間最上沿的高度至少為3.64m。

2)紅外發(fā)射管的作用距離

紅外發(fā)射管的作用距離和發(fā)射管功率及接收探測器響應(yīng)靈敏度有關(guān)。發(fā)射器所張開的立體角為r為光電探測器光敏面半徑，在離探測器距離r處所對應(yīng)的立體角則探測器接收到的平均功率如下所示：

假設(shè)光電探測器的直徑為φ5，探測器靈敏度為50ua～60ua/uw，它最低響應(yīng)電流是10ua，則它所需要的最低光功率為0.2uw，由上式(2.4)可知，若最遠(yuǎn)作用距離r＝10m，則要求led的最小發(fā)射功率為857mw。

3)紅外發(fā)射管的可調(diào)制頻率

目前已查詢到可以達(dá)到25mhz調(diào)制頻率的led發(fā)射管，其對應(yīng)的調(diào)制波波長為12米，如果要達(dá)到7.5mm的距離測量精度，則相位測量精度的要求是0.625‰，如果led的可調(diào)制頻率提高到40mhz，則對應(yīng)的調(diào)制波長為7.5m，同樣達(dá)到7.5mm的距離測量精度條件下，相位測量精度只要達(dá)到1‰即可，隨著led可調(diào)制頻率的提高，在相同測距精度下，對相位測量精度的要求會降低。

采用時分多址來區(qū)分多站信號，系統(tǒng)時序控制如圖4所示，系統(tǒng)在高精度時鐘的精密時間控制下，產(chǎn)生同步脈沖觸發(fā)信號，一個周期內(nèi)分時觸發(fā)四個基站的紅外光發(fā)射信號，光電接收模塊有自己的精密時鐘源，產(chǎn)生各自的本振信號，其時鐘可以相對獨立，發(fā)射和接收主振的相差可以從方程中求解出來，通過對每一站的光信號進(jìn)行高速采樣及apfft變換獲得各基站到達(dá)探測器的相位信息后，就可以得到光電探測器到各基站的距離信息。

調(diào)制解調(diào)方式也可以采用調(diào)制偽隨機碼的方式來區(qū)分各站信號，將導(dǎo)航電文(主要是基站的坐標(biāo)信息)與偽隨機碼產(chǎn)生一級調(diào)制，然后與載波信號產(chǎn)生二級調(diào)制，在接收端通過對偽隨機碼的匹配獲取對應(yīng)基站的信號并進(jìn)行載波相位解算。

采用apfft進(jìn)行相位檢測

apfft法相位測量精度理論上能達(dá)到10^-9量級，在matlab中生成基準(zhǔn)測試信號，設(shè)定初始相位(初始設(shè)定100°)，如下圖5所示。

從圖6可以看出，普通的fft變換只有在進(jìn)行嚴(yán)格的整周期采樣截斷的情況下，頻譜攜帶的相位才是信號真實的相位，否則就會有較大的相位誤差，嚴(yán)重影響測相精度。而apfft由于具有相位不變性，即經(jīng)過預(yù)處理及變換后不論任何情況下它都能真實的反映出原信號的初相位，而且測相精度相當(dāng)高，在上述沒有測量噪聲的情況下，它測出來的相位是100.000000000531°，誤差10^-9量級，但在實際應(yīng)用中，由于測量噪聲的存在，測相精度會變差，但是可以通過測量求平均減小測量誤差。對測量信號的信噪比有一定要求，大致關(guān)系曲線如圖7所示。

本發(fā)明并不局限于上述實施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。