CN102662159B - 一种反射式室内定位的方法及*** - Google Patents

Abstract

一种反射式室内定位的方法及***，属于无线传感器网络和定位导航技术领域。该***包括宿主装置、位置计算装置、移动装置、信标装置、待定位目标装置和数据收集器，待定位目标装置发送射频信号和超声波信号，超声波信号经过平面屋顶的反射到达地面放置的信标装置，多个信标装置测量出超声波到达的时间和环境温度，并传输给数据收集器，数据收集器将收到的数据传输给位置计算装置，位置计算装置根据事先建好的室内坐标系计算出待定位目标装置的位置。本发明具有结构简单、信标装置部署密度低、方便实现信标装置自部署、计算量小、精度高等优点。

Description

一种反射式室内定位的方法及***

技术领域

本发明属于无线传感器网络和定位导航技术领域，具体涉及了一种反射式室内定位的方法及***。

背景技术

关于定位***，在生活中应用广泛的是GPS全球定位***，该***能在全球范围内提供精度为数米的定位服务，然而在室内环境下GPS信号受到建筑物的影响，信号严重衰减，定位精度变差，甚至不能进行定位服务，并且室内环境中的人、物体等目标一般为米级大小，显然GPS的定位精度不能满足要求，为了能够更好的区分物体，估计位置，需要定位***提供更高的定位精度，而无线传感器网络定位技术恰好能满足高精度的定位需求。在传感器网络中，位置信息对传感器网络的检测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，这是进一步采取措施和做出决策的基础。无线传感器网络定位技术在环境监测、机器人导航、火灾救援、跟踪***等领域都有非常重要的地位，尤其是家庭服务机器人领域，人们需要一种应用于室内的、能够对自身物理位置进行精确定位的***。在室内定位***中，人们常常使用超声波信号，利用超声波信号的到达时间来估算位置的原理在麻省理工大学的Cricket***和中国发明专利一种跟踪多移动目标的室内精确定位方法和自治超声波室内定位***、装置和方法中均有类似应用。

麻省理工大学的Cricket***中，包含若干不相连接的超声波定位信标发射机，每个超声波定位信标发射机都包含射频和超声波发射器。其工作方式采用了被动检测方式，在工作期间，各个射频发射器如果侦听到清楚的射频频道就同时发射射频和超声波信号，被动检测接收机首先将接收到的射频信号用于与各个超声波定位信标发射机建立同步，然后接收超声波信号，从而使用TDOA(到达时间差)方式来测量其自身与发射机之间的距离，当接收到多于3个TDOA样本时接收机就可以估算其自身位置。但是，其各个信标发射机要根据其协调机制不断发射超声波射频信号，增加了***功耗；被动检测接收机一次只能与一个信标进行TDOA测距，完成定位至少需要三次TDOA测距，增加了***完成一次定位的时间，减小了***定位频率；对于放在移动物体上的接收机，与不同信标发射机进行TDOA测距，其位置可能发生移动，导致移动目标距离样本不同步，从而导致对动态目标的定位精度变差。

在一种跟踪多移动目标的室内精确定位方法中，同样利用射频和超声波的TDOA测距原理，采用徽章主动发射方式，通过位置计算单元实现了对多个移动徽章的跟踪，但其中描述徽章不能获得自身的位置信息，不能实现自定位功能，其结构图见图1。自治超声波室内定位***、装置和方法描述了一种自治超声波室内定位***，与Cricket***相似，采用了被动接收同步信号和超声波信号的方法，其中定位信标发射装置被配置为在发射包括同步信息的信号之后按照预定顺序以预定时间间隔轮发多个超声波信号，其中发射超声波信号的装置为信标发射装置上的多个不同位置的超声波发射器；定位信标接收装置被配置为在检测到同步信息之后执行与定位信标发射装置的时间同步，基于所获得的同步时间来确定接收到的各个超声波信号的发射顺，根据发射顺序来推断所接收的各个超声波信号的发射时间，使用所接收到的各个超声波信号的发射时间和接收时间来计算其相对应的TDOA信息，基于定位信标发射装置中的各个超声波发射器的位置和所计算得到的TDOA信息序列来确定定位信标接收装置自己的位置，但其信标定位发射装置包括多个在不同位置部署的超声波发射器，增加了***的复杂度和部署难度；与Cricket***类似，在对移动目标定位时会增大定位误差，其***结构图见图2。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种反射式室内定位的方法及***，以达到结构简单、信标装置部署密度低、方便实现信标装置自部署、计算量小、精度高等目的。一种反射式室内定位的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：启动放置在室内地面的信标装置，各个信标装置内部的温度传感器模块进行温度测量，并立即进入射频信号接收状态；

步骤2：待定位目标装置的通信模块接收到其宿主装置的定位请求后，向信标装置发送射频信号和超声波信号，其中的射频信号携带待定位目标装置的身份标识号码信息；

步骤3：信标装置初始化，令定时器记录值为零，并进入实时监测射频信号状态：当信标装置接收到射频信号后，立即检测接收到射频信号携带的身份标识号码信息与待定位目标装置的身份标识号码信息是否相同，若不相同则放弃，返回等待射频接收状态；若相同则进行一次测距；

步骤4：所有信标装置在检测到从待定位目标装置发送经过屋顶反射的超声波信号后，记录超声波到达时间，并将信标装置编号、时间信息和温度信息打包成数据包，根据信标装置编号顺序依次将数据包通过无线通讯的形式发送给数据收集器，其中的温度信息为信标装置在启动时通过信标装置内部温度传感器模块测量得到；

步骤5：数据收集器将收到的数据信息传送给位置计算装置，位置计算装置首先根据各个信标装置的温度信息计算出室内的平均温度，然后计算出超声波在空气中的传播速度；根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置的时间信息，计算出待定位装置的屋顶平面镜像与各个信标装置的距离；

步骤6：位置计算装置根据事先建立的室内坐标系、信标装置坐标和信标装置的屋顶平面镜像与待定位目标装置的距离，计算出待定位目标装置的屋顶平面镜像点的平面坐标，其与待定位目标装置具有相同的平面坐标，至此完成一次定位。

上述方法中步骤5所述的计算出超声波在空气中的传播速度，其计算公式如下：

V＝331.5+0.607T

式中：V为超声波在空气中的传播速度；

T为室内平均温度；

所述的根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置测得的时间，计算出待定位装置的屋顶平面镜像与各信标装置的距离，其计算公式如下：

D_i＝V×Tim_i+ε

式中：D_i为各信标装置的屋顶平面镜像与待定位目标装置的距离；

Tim_i为超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间；

ε为距离补偿因子。

本发明的反射式室内定位方法的***，包括宿主装置、位置计算装置和移动装置，还包括信标装置、待定位目标装置和数据收集器，其中：

信标装置：用于接收射频信号和经屋顶平面发射的超声波信号，通过信标装置内部的处理器测量超声波信号从待定位目标装置传播到信标装置的到达时间，并将上述时间信息、信标装置内部温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息打包成数据包发送给数据收集器；

待定位目标装置：用于接收宿主装置发出的定位命令，并向信标装置发送射频信号和超声波信号；

数据收集器：用于接收从信标装置发出的射频信号，并将上述射频信号发送给位置计算装置。

所述的信标装置包括温度传感器模块、超声波接收模块、信标装置的处理器模块和信标装置的射频模块，其中：

温度传感器模块：用于测量环境温度，并将温度信息传递给信标装置内部的处理器模块；

超声波接收模块：用于接收从待定位目标装置发送的经屋顶平面发射超声波信号，并将超声波信号传递给信标装置内部的处理器模块；

信标装置的处理器模块：用于测量从待定位目标装置发送的超声波传播到达信标装置的时间，并将上述时间信息、温度传感器模块测量的温度信息和信标装置的节点编号信息打包成数据包传递给射频模块；

信标装置的射频模块：用于接收和发送射频信号，接收从待定位目标装置发送的射频信号，并将射频信号传递给信标装置内部的处理器模块；将包含时间信息、温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息的数据包发送给数据收集器。

所述的待定位目标装置包括待定位目标装置的射频模块、超声波发射模块、待定位目标装置的通信模块和待定位目标装置的处理器模块，其中：

待定位目标装置的射频模块：用于发送射频信号，将包含有身份标识号码信息的射频信号发送给信标装置；

超声波发射模块：用于发送超声波信号至信标装置；

待定位目标装置的通信模块：用于实现待定位目标装置的处理器模块与宿主装置的通信；

待定位目标装置的处理器模块：用于接收宿主装置定位命令；控制射频模块发送射频信号；控制超声波模块发送超声波信号。

所述的数据收集器包括数据收集器的射频模块、数据收集器的通信模块和数据收集器的处理器模块，其中：

数据收集器的射频模块：用于接收从信标装置发送的包含数据包的射频信号，并将射频信号传递给数据收集器内部处理器模块；

数据收集器的通信模块：用于实现处理器模块与位置计算装置的通信；

数据收集器的处理器模块：接收信标装置数据包，将时间信息、温度信息和信标装置的节点编号信息发送给位置计算装置。

本发明的优点：

本发明一种反射式室内定位的方法及***，其中，信标装置放置在地面位置，便于实现信标装置部署，可通过移动机器人等装置实现自部署；超声波信号经过平面屋顶的反射后到达信标装置，超声波信号在地面的作用范围扩大一倍，减小了信标装置的部署密度；数据传输均通过无线形式，信标装置可以独立工作，***耦合性弱，便于部署；通过对信号的身份标识号码(ID)进行识别，增加了***的抗干扰能力；该***定位精度高，平均定位误差小于5cm；该***定位速度快，具有较高的定位频率；信标装置和待定位目标装置结构简单，体积小，方便安装和携带。

附图说明

图1为一种跟踪多移动目标的室内精确定位方法***结构图；

图2为自治超声波室内定位***、装置和方法***结构图；

图3为本发明一种实施例的***组成和工作原理示意图；

图4为本发明一种实施例的信标装置感知范围原理图；

图5为本发明一种实施例的信标装置结构框图；

图6为本发明一种实施例的信标装置电源模块电路原理图；

图7为本发明一种实施例的信标装置温度传感器模块电路原理图；

图8为本发明一种实施例的信标装置处理器模块电路原理图；

图9为本发明一种实施例的信标装置超声波接收模块电路原理图；

图10为本发明一种实施例的待定位目标装置结构框图；

图11为本发明一种实施例的待定位目标装置超声波发射模块电路原理图；

图12为本发明一种实施例的待定位目标装置、数据收集器电源模块电路原理图；

图13为本发明一种实施例的数据收集器结构框图；

图14为本发明一种实施例反射式室内定位的方法的流程图；

图15为本发明一种实施例的待定位目标装置的平面屋顶镜像与各信标装置的距离示意图；

图16为本发明一种实施例的信标装置工作流程图；

图17为本发明一种实施例的待定位目标装置工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。

如图3为本发明一种实施例的***组成和工作原理示意图，该***包括信标装置、待定位目标装置、宿主装置、移动装置、数据收集器和位置计算装置。其中，宿主装置(可以是手持个人计算机机、嵌入式设备或者移动机器人上的处理器，本实施例中采用的是移动机器人上的处理器)通过数据输出端将定位命令传递给的待定位目标装置数据输入端，所述的宿主装置安装在移动装置的一端，待定位目标装置安装在移动装置的另一端。待定位目标装置向信标装置发送射频信号和超声波信号，所述的超声波信号由室内屋顶平面反射后，传递给信标装置，信标装置放置在室内地面(放置位置没有具体要求)，其位置已事先测量获得，并将信标装置的坐标数据保存在位置计算装置(可以是手持个人计算机或者嵌入式计算机，本实施例中计算装置采用嵌入式计算机)建立的坐标系中。数据收集器通过数据输出端将收集到的信标装置的信息传递给位置计算装置的数据输入端。在本发明实施例中，为了使待定位目标装置获得准确的位置信息，待定位目标装置需要至少在三个信标装置的感知范围内。射频信号的感知范围一般可以充满整个房间，故其感知范围可忽略不计，而超声波信号一般具有一定的作用角度，超声波信号经过屋顶反射后其作用半径扩大一倍，具体部署方法随信标装置的位置不同而不同。

图4为本发明实施例的信标装置感知范围原理图，相对信标装置放置在天花板的情况而言，超声波传感器的感知半径扩大一倍，部署密度大大降低。例如：对于同一块待定位面积，如果信标装置在天花板上，定位***需要100个信标装置，则本实施例的信标装置放置在地面只需要25个即可满足要求。由于待定位目标装置放置在地面，部署方便，且容易实现信标装置的动态部署，尤其适合移动机器人在未知区域动态部署定位网络。

图5为本发明一种实施例的信标装置结构框图，本实施例中信标装置处理器模块503中的处理器采用了TI公司的CC2430型芯片。由于CC2430芯片内嵌一个高性能的2.4GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心，故在本实施例中不再需要单独的射频模块504；本实施例超声波接收模块505的超声波接收电路采用了SONY公司的CX20106A型红外线接收电路专用集成芯片，处理器P1_5引脚连接超声波接收电路的输出端；本实施例温度传感器模块502采用DALLAS公司生产的DS18B20型一线制数字温度传感器，处理器P1_4引脚连接温度传感器模块502的输出端；电源模块501采用美国国家半导体公司的LM7805电源稳压芯片、美国国家半导体公司的LM1117电源稳压芯片，并采用7.2V锂电池或5节1.5V电池，通过3.3V电压输出端为信标装置的处理器模块503、温度传感器模块502提供工作电压，通过5V电压输出端为超声波接收模块505提供工作电压。

图6为本发明一种实施例的信标装置电源模块501电路原理图，本实施例采用7.2V锂电池输入电源，首先通过电容进行滤波，再通过LM7805电源稳压芯片输出稳定的5V电压。5V电源其中一路输出给超声波接收模块505中的CX20106A芯片，另一路通过LM1117电源稳压芯片输出稳定的3.3V电压，为信标装置的处理器模块503和温度传感器模块502提供工作电压。

图7为本实施例信标装置温度传感器模块502电路原理图。该温度传感器通过低温度系数晶振和高温度系数晶振的计数比较获得测量温度，并通过斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性，最终通过简单的一线制数据传输协议输出测量温度，将上述测量温度通过温度传感器模块502的输出端输出给处理器CC2430芯片的P1_4引脚。

图8本发明一种实施例的信标装置处理器模块503电路原理图，本实施例中处理器采用了TI公司的CC2430芯片；通过处理器内部的16位定时器测量超声波信号的到达时间，并将上述时间信息、DS18B20测量的温度信息和信标装置的编号信息(例：三个信标装置编号信息则分别为1号、2号、3号)打包成数据包，并传递给射频模块。所述射频模块接收信号的工作原理为：接收到射频信号后，经过处理器内部的低噪声放大器放大，并且将收到的同相信号和正交相位信号降频转换为中频信号，过滤掉残余在中频信号中的I/Q(同相正交)信号后，放大中频信号，然后通过ADC(模数变换器)数字化、自动增益控制、信道的过滤、解扩频、符号相关和字节同步处理，并且置位帧开始界定符，处理器可以通过帧开始界定符判断是否接收到射频信号。处理器模块503内部CC2430芯片将收到的数据缓冲存入128字节的RX FIFO(接收先入先出)队列，用户通过处理器内部的特殊功能寄存器来读取RX FIFO队列中的数据，完成射频信号检测及数据的接收。射频信号同样由处理器模块503内部的CC2430芯片内的射频模块发出，其工作原理为：将数据存放在128字节的TX FIFO(发送先入先出)之中，要发送的帧引导序列和帧开始界定符由处理器模块503内部CC2430芯片内的射频模块自动产生，每个符号使用IEEE(电气和电子工程师协会)802.15.4扩展序列扩展为32位码片序列，输出到处理器内部DAC中，经过DAC转换的信号，通过射频模块内部模拟低通滤波器送到射频模块内部90°I/Q相移升频转换混频器，最后射频信号通过射频模块内部功率放大器馈送到天线将其发送出去。

图9为本发明一种实施例的信标装置超声波接收模块505电路原理图，处理器通过P1_5引脚接收来自超声波接收模块505的信号。超声波接收模块505中的超声波接收探头采用了订制的大角度超声波接收探头，其中心谐振频率为40±2.0KHz，发射声压大于105dB，接收灵敏度大于-74dB，发射波束角为60°，工作温度为-40～+80℃，工作电压为300～500VP-P。为了增加***的稳定性，本实施例超声波接收电路采用了SONY公司的CX20106A型红外线接收电路专用集成芯片，信号通过芯片内部的前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路后，将信号传递给处理器CC2430芯片。

图10为本实施例的待定位目标装置结构框图，待定位目标装置的处理器模块1003中的处理器同样采用了TI公司的CC2430型芯片，内嵌一个高性能的2.4GHz射频收发器核心，使用其内嵌射频模块取代单独的射频模块；此外，通过处理器CC2430型芯片内部的UART(通用异步接收/发送装置)实现与宿主装置的命令通信，取代单独的通信模块1005；处理器CC2430芯片通过P1_4引脚向超声波发射模块1001发送信号；计算装置为电源模块1002提供5V电源，电源模块1002采用LM1117稳压芯片，3.3V输出端给处理器CC2430芯片提供稳定的3.3V工作电压，计算装置为超声发射模块1001提供5V工作电压。

本实施例的待定位目标装置的处理器模块1003与信标装置中的处理器模块503一样，均采用了TI公司的CC2430芯片；通过处理器CC2430芯片的P1_4口控制超声波发射模块1001发送超声波信号；通过处理器内部的UART(通用异步接收/发送装置)实现与宿主装置的命令通信，取代单独的通信模块1005；通过控制射频模块向信标装置发送射频信号，其工作原理与信标装置中的处理器模块503一致，在此不再复述。

图11为本发明一种实施例的待定位目标装置超声波发射模块1001电路原理图。处理器CC2430芯片通过P1_5引脚控制超声波发射模块1001发射超声波信号。超声波发射模块1001同样采用了订制的大角度超声波发射探头，其中心谐振频率为40±2.0KHz，发射声压大于105dB，接收灵敏度大于-74dB，发射波束角为60°，工作温度为-40～+80℃，工作电压为300～500VP-P。处理器CC2430芯片产生20个周期的40KHz方波脉冲，通过P1_4引脚发送给超声波发射模块1001，方波脉冲信号送入超声波发射模块1001电路中三极管基极，然后将其脉冲信号加到超声波发射模块1001内部的高频升压变压器进行电压信号的放大，使电压幅值增加到300V，高频升压变压器的次级线圈与发射器构成谐振回路，从而使发射器发出超声波信号。该电路提高了超声波发射传感器的瞬间发射功率，且有较低的***功耗。

图12为本发明一种实施例的待定位目标装置、数据收集器电源模块电路原理图。由于电源模块1002与宿主装置配合使用，所以可从宿主装置获得5V电源，待定位装置的电源电路输入的5V电源首先通过电容滤波，再通过LM1117稳压芯片输出给处理器CC2430芯片稳定的3.3V工作电压。宿主装置为超声波发射模块1001提供5V工作电压。

图13为本发明一种实施例的数据收集器结构框图。数据收集器内部处理器模块1302中的处理器同样采用了TI公司的CC2430型芯片，此外，通过处理器CC2430型芯片内部的UART(通用异步接收/发送装置)实现与位置计算装置的数据通信，取代单独的通信模块1304；处理器CC2430芯片通过P1_4引脚向超声波发射模块1303发送信号；位置计算装置为电源模块1301提供5V电源，电源模块1301采用LM1117稳压芯片，3.3V输出端给处理器CC2430芯片提供稳定的3.3V工作电压。

本实施例的数据收集器内部的处理器模块1302与信标装置中的处理器模块503一样，均采用了TI公司的CC2430芯片；通过控制射频模块接收从信标装置发送的射频信号，其工作原理与信标装置中的处理器模块503一致，在此不再复述。

数据收集器内部的电源模块1301工作原理与待定位目标装置内部电源模块1002工作原理相同，在此不再复述。

图14为本发明一种实施例反射式室内定位的方法的流程图，该方法利用超声波和射频技术并基于由信标装置、待定位目标装置、宿主装置、移动装置、数据收集器和位置计算装置所构成的***以实现对室内移动装置的自定位，包括以下步骤：

步骤1：启动放置在室内地面的信标装置，各个信标装置内部的温度传感器模块进行温度测量，并立即进入射频信号接收状态；

步骤2：待定位目标装置的通信模块接收到其宿主装置的定位请求后，向信标装置发送射频信号和超声波信号，其中的射频信号携带待定位目标装置的身份标识号码信息；

步骤3：信标装置初始化，令定时器记录值为零，并进入实时监测射频信号状态：当信标装置接收到射频信号后，立即检测接收到射频信号携带的身份标识号码信息与待定位目标装置的身份标识号码信息是否相同，若不相同则放弃，返回等待射频接收状态；若相同则进行一次测距；

步骤4：所有信标装置在检测到从待定位目标装置发送经过屋顶反射的超声波信号后，记录超声波到达时间，并将信标装置编号、时间信息和温度信息打包成数据包，根据信标装置编号顺序依次将数据包通过无线通讯的形式发送给数据收集器，其中的温度信息为信标装置在启动时通过信标装置内部温度传感器模块测量得到；

步骤5：数据收集器将收到的数据信息传送给位置计算装置，位置计算装置首先根据各个信标装置的温度信息计算出室内的平均温度，然后计算出超声波在空气中的传播速度；根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置的时间信息，计算出待定位装置的屋顶平面镜像与各个信标装置的距离；

步骤6：位置计算装置根据事先建立的室内坐标系、信标装置坐标和信标装置的屋顶平面镜像与待定位目标装置的距离，计算出待定位目标装置的屋顶平面镜像点的平面坐标，其与待定位目标装置具有相同的平面坐标，至此完成一次定位。

在本实施例中，数据收集器将收集到的数据包发送给位置计算装置，位置计算装置获得的第i个信标装置所测量的环境温度T_i，通过对各个信标的测量温度求均值，获得环境平均温度T。具体计算公式如公式(1)，n为收到的信标装置数据的信标装置个数，

$T=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{T}_i}{n}---\left(1\right)$

式中：T为环境平均温度，单位摄氏度；

T_i为第i个信标装置所测量的环境温度，单位摄氏度；

n为收到的信标装置数据的信标装置个数。

根据公式(2)计算出该温度下超声波的传播速度，

V＝331.5+0.607T                    (2)

式中：V：为超声波在空气中的传播速度，单位m/s。

图15为本发明一种实施例的待定位目标装置的平面屋顶镜像与各信标装置的距离示意图，根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置的测得的时间Timi(单位S，其中i为信标装置编号)计算出待定位目标装置的平面屋顶镜像与各信标装置的距离Di(单位m，其中i为信标装置编号)，其计算公式(3)为：

D_i＝V×Tim_i+ε                     (3)

式中：ε：为距离补偿因子；

D_i：待定位目标装置的平面镜像与第i个信标装置的计算距离，即为待定位目标装置与信标装置经过屋顶反射的最短距离；

Tim_i：为超声波信号从待定位目标装置到信标装置的传输时间。

在***工作时，由于电路器件延迟和软件延时会产生一个固定的距离误差，由于影响因素较多并且复杂，难于直接测量，本实施例采用了实验方法获得。通过记录在不同标定距离上定时器的计数值，并通过最小二乘法拟合出距离d与时间t的直线方程L，从而得到距离补偿因子ε。经过多组不同温度下的实验比较发现最终求得的距离补偿因子ε相差小于0.5cm。最后通过多组实验求取平均值，最终求得ε＝5.24。在14.6℃时的测试数据如表1所示，在存在测量误差的情况下，通过L计算求得距离与标定距离之间误差小于1cm。

表1标定距离下的测试数据与计算误差

在本实施例中，最终求得的距离计算公式为

d＝340.36t+5.24                 (4)

式中：d为：在14.6℃下，待定位目标装置到某一信标装置的计算距离；

t为：在14.6℃下，超声波信号从待定位目标装置到某一信标装置的传播时间。

已知获得有效距离信息的信标装置坐标为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，…，(xn，yn，zn)，由于信标装置放置在地面位置，故z1＝z2＝z3…＝zn；待定位目标装置关于屋顶镜像到相应信标装置之间的距离分别为d1，d2，d3，…，dn。假设待定位目标装置关于屋顶镜像的坐标为(x，y，z)，则待定位目标装置坐标的X轴、Y轴的数值与待定位目标装置镜像相等，其二维平面坐标为(x，y)。由笛卡尔坐标系中距离公式则存在下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=d_1^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2+{(z_n-z)}^2=d_n^2\end{array}\right.---\left(5\right)$

从第一个方程开始分别减去其后一个方程得：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1^2-x_2^2-2(x_1-x_2)x+y_1^2-y_2^2-2(y_1-y_2)y=d_1^2-d_2^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{n-1}^2-x_n^2-2(x_{n-1}-x_n)x+y_{n-1}^2-y_n^2-2(y_{n-1}-y_n)y=d_{n-1}^2-d_n^2\end{array}\right.---\left(6\right)$

上式的线性方程表示方式为：AX＝b，其中：

$A=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_2)& 2(y_1-y_2)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ 2(x_{n-1}-x_n)& 2(y_{n-1}-y_n)\end{array}\right],$ $b=\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_2^2+y_1^2-y_2^2+d_2^2-d_1^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{n-1}^2-x_n^2+y_{n-1}^2-y_n^2+d_n^2-d_{n-1}^2\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]$

使用最小二乘估计方法可得

A^TAX＝A^Tb                        (7)

根据公式(7)求得待定位目标装置的坐标为： $\hat{x}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}b$

本实施例中，步骤5采用到达时间差测距方法(TDOA)进行测距，测距过程为：启动信标装置，在预先设定的检测时间段(本实施例中检测时间段为30ms)内实时检测超声波信号是否到达，若检测到超声波信号到达，则记录此刻时间，记为Tim_i，并等待检测时间段结束时刻到来；在检测时间段结束之前，若未检测到超声波信号，此时令Tim_i＝0，为无效数据。

所述的超声波检测时间段由发射探头发射的超声波在接收探头接收灵敏度范围内所能传播的最远距离而消耗的时间确定。由于本***一般应用在室内，所以测量的最大距离一般在10m内，以常温下超声波的传播速度计算，超声波检测时间段约为30ms。该窗口时间越小，测量距离越短；越大则会导致定位时间变长，定位频率降低。

本实施例中选用射频信号作为时间同步信号，射频在空气中的传播速度为3.0×108m/s，传播10m所用时间为0.033us，在此段时间内超声波的传播距离为1.1×10-3cm，远远小于1cm的测距精度，故将其作为时间同步信号。

图16为本发明一种实施例的信标装置工作流程图。

步骤1：信标装置上电后，进行初始化，信标装置上电后，对接收装置完成初始化，启动处理器内部时钟，设置处理器的超声波接收IO(输入/输出)口P1_5为输入模式，设置处理器的P0_2、P0_3口为串口通信复用模式，设置处理器内部定时器为16位定时模式，启动USART和射频模块；

步骤2：通过信标装置内部温度传感器模块检测环境温度；

步骤3：初始化处理器内部定时器记录值为0；

步骤4：处理器进入检测帧开始界定符(CC2430芯片中的已被检测到中断标志位IRQ_SFD)的接收模式状态，检测到中断标志位时，则启动定时器开始计时，从而判断是否接收到射频信号，若接收到，则执行步骤5；若没接收到，则返回步骤4继续等待接收；

步骤5：判断接收到的射频信号数据中的身份标识号码(ID)信息是否正确，如果错误则放弃本次测距，返回等待接收射频信号状态，执行步骤4；如果正确，则执行步骤6；

步骤6：启动定时器；

步骤7：处理器判断是否接收到超声波信号，若检测到超声波信号，则保存定时器数值，并等待溢出值(即为超声波检测时间段的取值，本实施例中取值30ms)到来；若未检测到超声波信号，则定时器等待溢出值的到来；

步骤8：将定时器值赋给定时器保存变量；

步骤9：判断定时器溢出值30ms是否到来，若未到来，则重复执行步骤9等待溢出值到来；若到来，则定时器进入溢出中断，停止检测超声波信号，执行步骤10；

步骤10：按照信标装置编号的顺序进行相应延时；

步骤11：向数据收集器发送信标装置编号、温度和时间信息，所述的时间信息与定时器记录值信息相等；

步骤12：根据信标装置编号进行相应延时后，循环进入下一轮测距状态。

图17为本发明一种实施例的待定位目标装置工作流程图。

步骤1：宿主装置给待定位目标装置供电后，首先初始化CC2430芯片***，启动处理器内部时钟、设置处理器的P0_2、P0_3口为串口通信复用模式，启动射频模块和通信模块等，并初始化该待定位目标装置的身份标识号码(ID)信息，完成后待定位目标装置进入串口等待测距命令状态；

步骤2：处理器判断是否接收到宿主装置的测距命令，若未接收到，则返回继续执行步骤2等待接收，若接收到，则执行步骤3；

步骤3：发送射频信号；

步骤4：当射频信号发送完成后，处理器立即向超声波发射模块发送20个周期的频率为40KHz的脉冲信号，控制超声波发射模块发射超声波信号；

步骤5：延时50ms。至此一次测距过程完成，待定位目标装置进入发射准备状态等待下一次测距命令。

Claims (5)

1.一种反射式室内定位的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：启动放置在室内地面的信标装置，各个信标装置内部的温度传感器模块进行温度测量，并立即进入射频信号接收状态；

步骤2：待定位目标装置的通信模块接收到其宿主装置的定位请求后，向信标装置发送射频信号和超声波信号，其中的射频信号携带待定位目标装置的身份标识号码信息；

步骤3：信标装置初始化，令定时器记录值为零，并进入实时监测射频信号状态：当信标装置接收到射频信号后，立即检测接收到射频信号携带的身份标识号码信息与待定位目标装置的身份标识号码信息是否相同，若不相同则放弃，返回等待射频接收状态；若相同则进行一次测距；

步骤4：所有信标装置在检测到从待定位目标装置发送经过屋顶反射的超声波信号后，记录超声波到达时间，并将信标装置编号、超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间和温度信息打包成数据包，根据信标装置编号顺序依次将数据包通过无线通讯的形式发送给数据收集器，其中的温度信息为信标装置在启动时通过信标装置内部温度传感器模块测量得到；

步骤5：数据收集器将收到的数据信息传送给位置计算装置，位置计算装置首先根据各个信标装置的温度信息计算出室内的平均温度，然后计算出超声波在空气中的传播速度；根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置记录的超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间，计算出待定位装置的屋顶平面镜像与各个信标装置的距离；

超声波在空气中的传播速度计算公式如下：

V=331.5+0.607T

式中：V为超声波在空气中的传播速度；

T为室内平均温度；

根据超声波在空气中的传播速度和各信标装置测得的时间，计算出待定位装置的屋顶平面镜像与各信标装置的距离，其计算公式如下：

D_i=V×Tim_i+ε

式中：D_i为各信标装置的屋顶平面镜像与待定位目标装置的距离；

Tim_i为超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间；

ε为距离补偿因子，用于补偿由于电路器件延迟和软件延时产生的一个固定的距离误差；

步骤6：位置计算装置根据事先建立的室内坐标系、信标装置坐标和信标装置的屋顶平面镜像与待定位目标装置的距离，计算出待定位目标装置的屋顶平面镜像点的平面坐标，其与待定位目标装置具有相同的平面坐标，至此完成一次定位。

2.实现权利要求1所述的反射式室内定位方法的***，包括宿主装置、位置计算装置和移动装置，其特征在于：还包括信标装置、待定位目标装置和数据收集器，其中：

信标装置：用于接收从待定位目标装置发送的射频信号和经屋顶平面反射的超声波信号，通过信标装置内部的处理器测量超声波信号从待定位目标装置传播到信标装置的到达时间，并将上述时间信息、信标装置内部温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息打包成数据包发送给数据收集器；

待定位目标装置：用于接收宿主装置发出的定位命令，并向信标装置发送射频信号和超声波信号；

数据收集器：用于接收从信标装置发出的射频信号，并将上述射频信号发送给位置计算装置。

3.根据权利要求2所述的反射式室内定位的***，其特征在于：所述的信标装置包括温度传感器模块、超声波接收模块、信标装置的处理器模块和信标装置的射频模块，其中：

温度传感器模块：用于测量环境温度，并将温度信息传递给信标装置内部的处理器模块；

超声波接收模块：用于接收从待定位目标装置发送的经屋顶平面反射的超声波信号，并将超声波信号传递给信标装置内部的处理器模块；

信标装置的处理器模块：用于测量从待定位目标装置发送的超声波传播到达信标装置的时间，并将上述超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间、温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息打包成数据包传递给射频模块；

信标装置的射频模块：用于接收和发送射频信号，接收从待定位目标装置发送的射频信号，并将射频信号传递给信标装置内部的处理器模块；将包含超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间、温度传感器模块测量的温度信息和信标装置编号信息的数据包发送给数据收集器。

4.根据权利要求2所述的反射式室内定位的***，其特征在于：所述的待定位目标装置包括待定位目标装置的射频模块、超声波发射模块、待定位目标装置的通信模块和待定位目标装置的处理器模块，其中：

待定位目标装置的射频模块：用于发送射频信号，将包含有身份标识号码信息的射频信号发送给信标装置；

超声波发射模块：用于发送超声波信号至信标装置；

待定位目标装置的通信模块：用于实现待定位目标装置的处理器模块与宿主装置的通信；

待定位目标装置的处理器模块：用于接收宿主装置定位命令；控制射频模块发送射频信号；控制超声波模块发送超声波信号。

5.根据权利要求2所述的反射式室内定位的***，其特征在于：所述的数据收集器包括数据收集器的射频模块、数据收集器的通信模块和数据收集器的处理器模块，其中：

数据收集器的射频模块：用于接收从信标装置发送的包含数据包的射频信号，并将射频信号传递给数据收集器内部处理器模块；

数据收集器的通信模块：用于实现处理器模块与位置计算装置的通信；

数据收集器的处理器模块：接收信标装置数据包，将超声波信号从待定位目标装置传播到达各个信标装置的时间、温度信息和信标装置编号信息发送给位置计算装置。

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