一種無線、超聲波復合定位系統(tǒng)及其定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及定位導航技術領域，特別是一種無線、超聲波復合定位系統(tǒng)及其定位 方法。
【背景技術】
[0002] 室內是人類活動最密集，與人類生活生產最相關的場合。室內定位可視為定位技 術與人聯系最緊密的一個組成部分，其存在的重要潛在應用，近年來吸引了大量的研究和 關注。室內由于有大量墻體、屏風等障礙存在，多徑效應嚴重，場強分布不均甚至有盲區(qū)存 在。人員的頻繁移動、電子設備和門窗的開關等也給信號傳輸帶來大量隨機，不可測的干擾 和波動。因此針對復雜室內環(huán)境的定位技術一直是研究的難點，也是學術界一直關注的熱 點問題。
[0003] 室內定位技術大多采用短距無線定位技術，包含WLAN、RFID、藍牙、UWB等。但總體 而言它們都存在精度差的問題而不能用于機器人定位。當前采用這些技術的定位系統(tǒng)，最 高標稱能達到l〇cm，該精度基本上也是使用無線定位技術所能達到的極限精度。
[0004] 現有的超聲波定位技術主要存在以下缺陷：（1)超聲波傳輸過程衰減明顯；（2)超 聲波受多徑效應和非視距傳播影響。這些缺點導致現在的這些技術基本只能用于無人且環(huán) 境較空的場所。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現有技術的上述不足而提供一種定位精度高，成本低的無 線、超聲波復合定位系統(tǒng)及其定位方法。
[0006] 本發(fā)明的技術方案是： 本發(fā)明之一種無線、超聲波復合定位系統(tǒng)，包括若干個固定位置的信標模塊、至少一個 移動定位模塊和電子定位平臺； 所述信標模塊包括： 第一無線收發(fā)模塊，用于以無線的方式與移動定位模塊和/或電子定位平臺聯絡，收 發(fā)指令和同步信號； 超聲波發(fā)射模塊，用于發(fā)出已編址的超聲波信號； 第一智能處理模塊，用于處理接收的指令和儲存超聲波編碼，處理同步時序安排； 所述移動定位模塊安裝于移動體上，包括： 第二無線收發(fā)模塊，用于負責與信標模塊和電子定位平臺聯絡，收發(fā)無線同步信號，以 及接收對待接收的超聲波信號做出的時序安排； 超聲波接收陣列，用于接收來自不同角度的超聲波信號； 第二智能處理模塊，包括陣列處理模塊和中央處理器； 所述陣列處理模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據其信號的強弱自動進行增益 控制，使輸出的超聲波模擬信號強度保持相對穩(wěn)定，并將接收到的模擬信號轉換成數字信 號； 所述中央處理器用于處理接收到的指令、模塊各部分的邏輯關系、做出同步時序安排、 識別編碼、儲存和分析接收到的超聲波數據信息，并將超聲波數據會同電子定位平臺發(fā)送 來的電子地圖一起放入計算單元中進行計算處理，得到位置坐標數據； 所述電子定位平臺用于構建電子地圖，并向移動定位模塊發(fā)送電子地圖，以無線方式 傳給移動定位模塊進行移動體的調度；還用于協調信標模塊和移動定位模塊的同步，接收 從各個移動定位模塊上傳的位置坐標數據。
[0007] 進一步，所述陣列處理模塊包括前置放大模塊和A/D轉換模塊； 所述前置放大模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據其信號的強弱自動進行增益控 制，使輸出的超聲波模擬信號強度保持相對穩(wěn)定； 所述A/D轉換模塊用于將檢測時間段內的超聲波模擬信號連續(xù)轉換成數字信號并存 儲；通過中央處理器掃描采集到的超聲波信號幅度，處理該組超聲波數據；根據接收到的 超 聲波脈沖群的平均幅值，來計算用于判斷的閾值；達到判斷閾值的點則認為當前測試 的超聲波信號到達起始點，否則認為是噪聲信號。
[0008] 進一步，所述移動體為機器人或智能車。
[0009] 進一步，所述電子定位平臺包括： 搭載電子地圖的計算機，用于向移動定位模塊發(fā)送電子地圖； 第三無線收發(fā)模塊，用于傳送電子地圖，并發(fā)送定位同步信號，協調信標模塊和移動定 位模塊的時序，接收各個移動定位模塊上傳的位置坐標數據； 顯示器，用于顯示電子地圖。
[0010] 進一步，所述第一無線收發(fā)模塊和第二無線收發(fā)模塊為WIFI模塊、藍牙通信模塊 或ZigBee通訊模塊。
[0011] 進一步，所述超聲波收發(fā)陣列為具有至少四個超聲波感應元的集成陣列，或由至 少四個獨立的超聲波傳感器分散而成的陣列；所述前置放大模塊和A/D轉換模塊的通道數 量與超聲波感應元的數量相對應。
[0012] 本發(fā)明之一種根據上述無線、超聲波復合定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟： (1) 由移動定位模塊依據移動體行走的起始坐標數據，結合定位后沿預設的運動軌跡 可能達到的坐標，計算規(guī)劃出每個可能達到的坐標處所需的至少兩個信標模塊，依次序分 別呼喚需要的信標模塊，被呼喚到的信標模塊發(fā)送無線信號回應；待呼喚到的信標模塊全 部回應后，移動定位模塊依次向信標模塊發(fā)射無線申請定位信號，收到申請定位信號的信 標模塊，按照測試時序安排向移動定位模塊發(fā)射無線同步信號，使信標模塊和移動定位模 塊配合同步測試； (2) 再由信標模塊按時序分別向主測模塊發(fā)射已編碼的超聲波信號，同時收到同步信 號的移動定位模塊啟動數據采集時間窗口 T，實時采集數據并依次存儲，根據接收到的超聲 波信號的時序，分別標記接收到的時間為T1, T2,。。。,，T1，其中，i與所呼喚信標模塊的數量相 同；然后處理計算每個時間段接收到的超聲波信號數據段，識別其編碼，若接收到多組相同 編碼的超聲波信號，只取最先到達的一組超聲波編碼信號，剔除其余雜波，再經計算找到每 個時間段最先到達的此組超聲波編碼信號的起頭時間T/，T2',。。。,，IV ; (3) 計算得到超聲波接收陣列與每個信標模塊之間的距離Z1Sz1= IV Xc，其中，c為 超聲波信號在常溫下的傳播速度，并修正超聲波信號的傳播速度c ; (4) 計算得出超聲波接收陣列理論中心與每個信標模塊的距離L1以及信標模塊與超聲 波接收陣列理論中心的右旋角γ1;其中，超聲波接收陣列理論中心是指超聲波接收陣列的 幾何中心點；右旋角是指該信標模塊與超聲波接收陣列理論中心之間的距離直線沿超聲波 接收陣列理論中心的中軸線向右旋轉所呈的夾角； (5) 由移動定位模塊甄選出兩路或三路信標模塊直線到達超聲波接收陣列的超聲波信 號，并結合內置的電子地圖進行計算處理，即分別收發(fā)根據步驟（4)計算得到的超聲波接收 陣列理論中心與這兩路或三路信標模塊之間的距離，并結合這兩路或三路信標模塊的固定 坐標計算得出機器人的所在位置的二維坐標數據或三維坐標數據； (6) 將所得的二維坐標數據或三維坐標數據無線傳送給電子定位平臺，生成機器人的 位置信息。
[0013] 進一步，步驟（2 )中，所述實時采集數據包括：將在T1,T2,。。。, T1時刻內分別接收到的 超聲波信號根據其信號的強弱自動進行增益控制，輸出穩(wěn)定的超聲波幅值動態(tài)范圍；再將 該超聲波模擬信號轉換為數字信號并存儲。
[0014] 進一步，步驟（2)中，所述處理計算每個時間段接收到的超聲波信號數據段包括： 處理轉換后的超聲波數字信號，計算得到判斷閾值，若采集到的超聲波信號的幅值達到判 斷閾值則認為當前信號為超聲波信號，否則認為是噪聲信號。
[0015] 進一步，步驟（2)中，所述最先到達的一組超聲波編碼信號為發(fā)射的超聲波信號直 線到達超聲波接收陣列的信號；其余后面到達的視為雜波，包括多徑效應、非視距傳播和超 聲波反射產生的信號。
[0016] 進一步，步驟（1)中，還包括：當移動體偏離預設的運動軌跡時，仍可根據設于移 動體附近的其它運動軌跡中的信標模塊實現自動定位。
[0017] 進一步，步驟（1)中，還包括：由移動定位模塊向電子定位平臺申請定位，由電子 定位平臺查詢移動定位模塊所呼喚的信標模塊是否被其它移動體占用，若已占用，則通知 移動定位模塊需間隔某一時間后再動作，間隔時間到后，繼續(xù)完成后面的定位測試。
[0018] 進一步，步驟（4)中，具體包括：檢測超聲波接收陣列的不同超聲波感應元接收到 的超聲波的編碼是否相同，若相同則甄選出該編碼的信標模塊發(fā)射的超聲波信號到達超聲 波感應元時間最短的兩路信號，并結合相對應的兩個超聲波感應元的固定位置和固定角 度，計算得出超聲波接收陣列理論中心與信標模塊的距離以及該信標模塊與超聲波接收陣 列理論中心的右旋角；所述超聲波接收陣列理論中心與信標模塊的距離由如下公式獲得，
式中，&、為接收同一編碼超聲波的兩個超聲波感應元與信標模塊的直線距離，且 &< &，^為超聲波感應元與超聲波接收陣列理論中心的直線距離，^為兩個超聲波感應 元之間的直線距離，a為直線與直線s之間的夾角，^為與相對應的超聲波感應元到 超聲波接收陣列理論中心的直線R與直線^之間的夾角，其中，角度A和直線6·均為超聲波 接收陣列的的固定尺寸。
[0019] 所述信標模塊與超聲波接收陣列理論中心的右旋角由如下公式獲得，
式中，媒:為