CN104459675A - 一种基于测距的物体定位和跟踪方法及使用该方法的定位设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于测距的物体定位和跟踪方法，用于实现对物体的实时定位和跟踪。本发明首先确定物体和手持设备之间的距离，通过转动手持设备寻找物体和手持设备之间的最小距离，判定目标物体相对于手持设备的方向，从而实现对目标物体的快速、准备定位和跟踪。同时，本申请包括一种使用基于测距的高尔夫球定位和跟踪方法的定位设备。本发明提供的高尔夫定位方法无需额外锚节点和网络***配合，具有操作流程简便、使用方便、快速准确等特点。

Description

一种基于测距的物体定位和跟踪方法及使用该方法的定位设备

技术领域

本发明涉及电子通讯技术和无线自组网技术领域，尤其涉及具有测距和测方向功能的无信标节点式定位方法、***和设备。

背景技术

目前的目标物体定位方法一般需要已知位置节点(锚节点)和网络***的配合，按照是否基于测距进行分类，则包括基于距离的定位方案和距离无关的定位方案。

基于距离的定位方案是通过测量相邻节点间的实际距离或者方位进行定位。具体过程分为三个阶段：第一阶段是测距阶段，未知节点首先测量到邻近节点的距离或者角度，然后进一步计算到邻近信标节点的距离或者方位；第二阶段是定位阶段，未知节点在计算出到达三个或者三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或者极大似然估计法测量位置节点的坐标；第三阶段是修正阶段，对求得的节点的坐标进行求精，提高定位精度，减少误差。在基于距离的定位中，测量节点间的距离和方位时采用的方法有基于到达时间(TOA)、基于到达时间差(TDOA)、基于接收信号强度指示(RSSI)、基于到达角度(AOA)等，因此距离的定位可分为：基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等。基于距离的定位能够实现精确定位，但往往对无线传感器节点的硬件要求高。

距离无关的定位方案无需测量节点间的绝对距离或方位，其利用节点的网络拓扑，节点之间的连通性，来实现节点的定位，其降低了节点硬件的要求，但是定位的误差也相应增加。

可见，无论是基于距离的定位方案还是距离无关的定位方案，都是基于多节点参与的网络化部署实现的。但是在很多种实际应用场景下，或者是没有位置已知的节点存在，则无法实现定位。

高尔夫球手经常会出现打出去的高尔夫球在规定时间内找不到的现象，怎样尽快找到高尔夫球是高尔夫球手很关心的事情，还有怎样在车库中快速找到自己的车辆，以及大人在商场和公园快速找到自己的孩子等等诸如此类的事情。这些都表明位置信息对于日常的监测活动至关重要。

发明内容

本发明克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于测距的高尔夫球定位和跟踪方法，用于实现对高尔夫的实时定位和跟踪。

一种基于测距的物体定位和跟踪方法，本方法首先确定物体和手持设备之间的距离，通过转动手持设备寻找物体和手持设备之间的最小距离，将最小距离中手持设备朝向的方向确定为物体的位置方向，并通过最小距离确定物体的位置。

优选的，所述的物体和手持设备之间的测距所使用的信号类型使用超宽带或线性调频扩频技术。

优选的，所述的物体和手持设备之间的测距优先采用基于线性调频扩频技术的信号传播时间方法。

优选的，线性调频扩频技术采用军用小孔径雷达的Chirp技术，实现在2.4GHz频段的信号传输。

优选的，高尔夫球和手持设备之间的距离d的计算方法为

$d=t_p*C=\frac{t_{\mathrm{rounda}}-t_{\mathrm{replyA}}+t_{\mathrm{roundB}}-t_{\mathrm{replyB}}}{4}*c$

，其中t_roundA，t_roundB为传输时间，t_replyA，t_replyB为回复等待时间，C是无线信号传输的速度，t_p为单次测量时间。

优选的，无线信号传输的速度为3*10⁸米/秒。

优选的，物体方位的确定方法为，在手持设备中安装一个罗盘，当转动手持设备时，实时获取手持设备和物体之间的距离D以及手持设备的方向θ，当转动一圈后，实时获取手持设备的不同方向θ_i其中1≤i≤n，时手持设备和物体之间的距离D_i，其中1≤i≤n，通过比较手持设备和物体之间的距离D_i，其中1≤i≤n，，寻找最小距离D_min，然后查找到对于最小距离D_min对应的θ，此角度就是物体相对于手持设备的方向。

优选的，物体内部嵌入电路，电路位于球体中央，包括无线测距模块、无线充电模块、电源管理模块和控制器模块组成。

优选的，手持设备电路包括无线信号收发模块、电源管理模块、控制器模块和显示模块组成。

一种使用基于测距的高尔夫球定位和跟踪方法的定位设备，其包括的定位结构使用上述的定位和跟踪方法。该定位设备可以用于定位高尔夫球或汽车。

本发明提供的目标物体定位方法无需额外信标节点和网络***配合，具有操作流程简便、使用方便、快速准确等特点。

附图说明

图1具体定位过程示意图；

图2目标物体方位确定示意图；

图3手持设备的体系结构；

图4安装在待测物体上的目标设备体系结构；

具体实施方式

测距方案

目前所述的物体和手持设备之间的测距方法，信号传播时间/时间差/往返时间(TOA/TDOA/RTOF)等。信号传播时间/时间差/往返时间(TOA/TDOA/RTOF)测距分别通过测量节点间无线信号传播的时间、不同类型的无线信号在同一对节点之间的传播时间差、节点间无线信号往返的时间来确定节点之间的距离。

基于信号传播时间/往返时间方法的测距精度由时间差的测量精度决定，时间差的精度由参考时钟决定。因此，高精度的距离测量需要高精度的参考时钟，或者是需要高精度的时钟同步。对于低成本、低带宽、无参考时钟的无线传感器网络节点来说，获得高精度的时钟本身就是一个挑战。如果采用通常的射频信号传播时间来测量距离需要高精度时钟，对于低成本的应用不是很可行方案；而使用譬如超声波等低速传播速率信号进行测距，对时钟精度要求较低，是比较切实可行的方案。基于达到时间差的方案使用两种不同传播速度的信号，譬如一个是超声波、一个是射频信号，两个信号向同一个方向发送，通过测量两个信号到达接收节点的时间差和两个信号在发送节点处的发送时间差来确定节点间距。这种测距方案也可以使用在本定位发明中。

线性调频扩频技术(CSS)运用窄脉冲进行精确的双向到达时间测算，可实现室内或室外环境1-2米的测距精度，对于一般的应用来说，完全可以满足需求，这也是本发明优先选择的测距方案。线性调频扩频技术(CSS)采用军用小孔径雷达的Chirp技术，实现在2.4GHz频段的信号传输；Chirp信号可理解成一种频率可调的脉冲信号，信号在时域上频率发生由低到高或者由高到低的变化(Up Chirp或者Down Chirp)；变频信号经过滤波器后，根据Up Chirp或Down Chirp频率变化趋势的不同而变成1或0信号；由于能够轻松分辨出脉冲信号，***能够识别出传输信号的发送时间、对应回复信号到达时间；并记录在寄存器中，供软件算法进行传输路径长度计算。

其具体定位过程如下图所示，设备A首先发送一个信号给设备B，设备B收到信号后，回复一个信号给设备A；同时为提高计算信号传输时间的精度，同样的过程由设备B启动，发送到设备A，再次回复到设备B.，如图1所示。

信号单次传输距离为d，则整个测量过程中，产生了四次传输过程4d，以及2次回复等待时间(t_replyA；t_ReplyB)；所以单次测量时间计算如下：

$t_p=\frac{t_{\mathrm{rounda}}-t_{\mathrm{replyA}}+t_{\mathrm{roundB}}-t_{\mathrm{replyB}}}{4}$

由于t_roundA，t_roundB，r_eplyA，t_rcplyB均能够通过设备A和设备B的基带时钟测量出来，故单次信号传输时间可以计算出来。而信号的传输距离就是设备A和B之间的距离，可以用如下公式计算出来，其中公式中C是无线信号传输的速度，一般情况下是3*10⁸米/秒。

$d=t_p*C=\frac{t_{\mathrm{rounda}}-t_{\mathrm{replyA}}+t_{\mathrm{roundB}}-t_{\mathrm{replyB}}}{4}*c$

方位确定方案

方位确定就是确定高尔夫球或汽车相对于手持设备的方向，本发明通过转动手持设备，实时获取手持设备相对于高尔夫球或汽车之间的距离，当手持设备正对高尔夫球或汽车时，两者距离最近；当手持设备背对高尔夫球或汽车时，两者距离最远。通过转动手持设备时，实时获取手持设备和高尔夫球或汽车之间的距离，当两者之间距离最近时，手持设备所指方向正对着高尔夫球或汽车。从而准确获取高尔夫球或汽车相对于手持设备的方位信息。手持设备和高尔夫球或汽车之间的测距精度能达到1-2米时，完全可以满足方位确定要求。

针对高尔夫球或汽车的方位确定***示意图如图2所示，其基本组成包括手持设备21、待测高尔夫球或汽车22。其定位和跟踪方案如下：

在实际操作中，在手持设备中安装一个罗盘，当转动手持设备时，实时获取手持设备和高尔夫球或汽车之间的距离D以及手持设备的方向θ。如图2所示，当转动一圈后，实时获取手持设备的不同方向θ_j(1≤i≤n)时手持设备和高尔夫球或汽车之间的距离D_i(1≤i≤n)。通过比较手持设备和高尔夫球或汽车之间的距离D_i(1≤i≤n)，寻找最小距离D_min，然后查找到对于最小距离D_min对应的θ，此角度就是高尔夫球或汽车相对于手持设备的方向，也就是高尔夫球或汽车相对于手持设备的方位。

该发明专利可用于室内环境和室外环境的高尔夫球实时定位和跟踪。定位和跟踪距离可从几米至几千米，优先选择的测距技术是线性调频扩频技术(CSS)。其具体应用根据定位距离远近可分为：

针对测距范围在10米以内场景可选用超声波、超宽带技术(UWB)以及线性调频扩频技术(CSS)等方案中的一种；

针对测距范围在10米以上场景可选用线性调频扩频技术(CSS)方案。

对于本发明优选的测距方案CSS，其采用基于时间测量机制，在时间测量精度3-4ns的情况下，距离测量精度可达到1-1.2米，而在实际使用中，由于射频前端多路径干扰、时间偏差等原因影响，通过滤波处理，测距误差可控制在1-3米；在测量距离上，0dBm的发射功率最大传输距离可达到100m，且只要无线信号达到，就可利用信号测距。当在其射频前端采用功率放大器并选择合适的天线，室外2000-3000米的应用距离测量不会存在问题，同时其测距特性也不会因为增加功率放大器而有所变化。CSS技术在进行测距时，也可以进行无线信息的传输。

同时，超宽带技术由于具有抗噪声和抗干扰能力强、多径分辨率高、穿透能力强、通信容量大、定位精度高等众多优点，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为未来无线定位技术中极具潜力的技术。在室内和室外大约有6厘米的定位精度，对于定位而言，其缺点就是其传输和定位距离一般在10m范围内。超宽带技术在进行无线信息传输的同时就完成了相关测距。

超声波技术具有技术较为简单、成本较低等优点，但是容易受到环境因素的影响。其在室内和室外大约有2-3厘米的定位精度，对于定位而言，其缺点就是其定位距离一般在10m范围内。超声波收发器之间不能进行信息的传输，只能进行测距，如要无线信号的传输，还需添加射频收发单元。

该发明专利定位需要在待测高尔夫球或汽车上安装目标设备，需要在手持设备和高尔夫球或汽车之间完成无线测距，以及通过转动手持设备完成对高尔夫球或汽车的方位确定，这样才能完成对目标物体的定位。

手持设备的体系结构如图2所示，设备主要由电源管理单元、显示单元、控制器单元和无线测距单元组成，手持设备的电源管理单元用于显示单元、控制器单元和无线测距单元供电；显示单元用于显示定位位置信息；控制器单元用于控制显示单元和无线测距单元的运行，并对测距单元的数据进行实时分析和处理获取位置信息；其中无线测距单元主要根据测距范围、应用场景和成本等因素选择超声波、超宽带技术(UWB)以及线性调频扩频技术(CSS)等方案中的一种。由于基于超声波、超宽带(UWB)以及线性调频扩频(CSS)的测距技术是较为成熟方案，本专利就不详说。

安装在待测高尔夫球或汽车上的目标设备的体系结构如图3所示，目标设备主要由电源管理单元、控制器单元和无线测距单元组成，手持设备的电源管理单元用于控制器单元和无线测距单元供电；控制器单元用于控制无线测距单元的运行；其中目标设备的无线测距单元需要选择和手持设备的无线单元一致。

Claims (12)

1.一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：本方法首先确定物体和手持设备之间的距离，通过转动手持设备寻找物体和手持设备之间的最小距离，将最小距离中手持设备朝向的方向确定为物体的位置方向，并通过最小距离确定物体的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：所述的物体和手持设备之间的测距所使用的信号类型使用超宽带或线性调频扩频技术。

3.根据权利要求2所述的一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：所述的物体和手持设备之间的测距优先采用基于线性调频扩频技术的信号传播时间方法。

4.根据权利要求3所述的一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：线性调频扩频技术采用军用小孔径雷达的Chirp技术，实现在2.4GHz频段的信号传输。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于测距的物体定位和跟踪力法，其特征在于：物体和手持设备之间的距离d的计算方法为 $d=t_p*c=\frac{t_{\mathrm{roundA}}-t_{\mathrm{replyA}}+t_{\mathrm{roundB}}-t_{\mathrm{replyB}}}{4}*c$ ，其中t_roundA，t_roundB为传输时间，t_replyA，t_replyB为回复等待时间，C是无线信号传输的速度，t_p为单次测量时间。

6.根据权利要求5所述的一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：无线信号传输的速度为3*10⁸米/秒。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：物体方位的确定方法为，在手持设备中安装一个罗盘，当转动手持设备时，实时获取手持设备和物体之间的距离D以及手持设备的方向θ，当转动一圈后，实时获取手持设备的不同方向θ_i其中1≤i≤n，时手持设备和物体之间的距离D_i，其中1≤i≤n，通过比较手持设备和物体之间的距离D_i，其中1≤i≤n，，寻找最小距离D_min，然后查找到对于最小距离D_min对应的θ，此角度就是物体相对于手持设备的方向。

8.根据权利要求5所述的一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：物体方位的确定方法为，在手持设备中安装一个罗盘，当转动手持设备时，实时获取手持设备和物体之间的距离D以及手持设备的方向θ，当转动一圈后，实时获取手持设备的不同方向θ_i其中，1≤i≤n，时手持设备和物体之间的距离D_i，其中1≤i≤n，通过比较手持设备和物体之间的距离D_i，其中1≤i≤n，，寻找最小距离D_min，然后查找到对于最小距离D_min对应的θ，此角度就是物体相对于手持设备的方向。

9.根据权利要求8所述的一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：物体内部嵌入电路，电路位于球体中央，包括无线测距模块、无线充电模块、电源管理模块和控制器模块组成。

10.根据权利要求9所述的一种基于测距的物体定位和跟踪方法，其特征在于：手持设备电路包括无线信号收发模块、电源管理模块、控制器模块和显示模块组成。

11.一种使用基于测距的高尔夫球定位和跟踪方法的定位设备，其特征在于：其包括的定位结构使用权利要求1-10任一项所属的定位和跟踪方法。

12.根据权利要求11所述的一种使用基于测距的高尔夫球定位和跟踪方法的定位设备，其特征在于：该定位设备可以用于定位高尔夫球或汽车。