CN112799011A - 一种三维空间定位方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维空间定位方法及***,该方法包括:构建三维坐标系XYZ,在坐标系原点处设置有UWB发射基站和第一蓝牙发射基站,在坐标系点(0,0,L1)处设置有第二蓝牙发射基站,在坐标系点处设置有第三蓝牙发射基站;待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值;根据各RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离;根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β;待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离。本发明通过融合UWB和蓝牙基站的定位技术,以达到提高精度的同时减缓成本上升的目的。
Description
技术领域
本发明涉及三维空间定位技术领域,特别是涉及一种三维空间定位方法及***。
背景技术
近年来空间定位技术越来越多的发展起来,在工业、商业和医疗领域都得到了很大的应用,并且市场份额还在不断增长中,成本和定位精度是一个不可调和的矛盾。
目前主流的定位方案主要有:超声波定位,红外线定位,WiFi基站定位,低功耗蓝牙iBeacon基站定位,移动基站定位,全球定位***(global position system,GPS)定位,超宽带设备(ultra wide brand,UWB)定位。其中,受环境障碍物影响较小的有WiFi基站定位,iBeacon蓝牙基站定位,移动基站定位,全球定位***GPS定位,超宽带设备UWB定位,其他两种定位方式一旦有障碍物便不能工作。
上述方法并没有找到一个满足高精度、低成本的方案,解决成本和定位精度的矛盾。
发明内容
基于此,本发明的目的是提供一种三维空间定位方法及***,通过融合UWB和蓝牙基站的定位技术,以达到提高精度的同时减缓成本上升的目的。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种三维空间定位方法,所述定位方法包括:
构建三维坐标系XYZ,X轴和Y轴构成了坐标系的底面,Z轴和所述底面垂直,坐标系中任意一点的坐标为(α,β,L),其中,坐标系中的点到原点的连线在X-Y面上投影线与X轴线间的夹角为α,坐标系中的点到原点的连线和z轴线间的夹角为β,坐标系中的点到原点的距离为L;
待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值;
根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离;
根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β;
待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离即待定位物体坐标中的L。
可选的,所述根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离,具体计算公式为:
其中,T表示光在UWB发射基站和待定位物体之间传播的时间,D1表示UWB发射基站和待定位物体之间的距离。
可选的,所述RSSI值计算公式为:
RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf
其中,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,Lbf表示空间传播衰减量。
可选的,所述空间传播衰减量具体计算公式为:
Lbf=32.5+20lgF+20lgD2
其中,F表示信号频率,D2表示信号传输距离。
可选的,所述根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离,具体计算公式为:
其中,F表示信号频率,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,RSSI表示RSSI值的大小。
一种三维空间定位***,所述定位***包括:
坐标系构建模块,用于构建三维坐标系XYZ,X轴和Y轴构成了坐标系的底面,Z轴和所述底面垂直,坐标系中任意一点的坐标为(α,β,L),其中,坐标系中的点到原点的连线在X-Y面上投影线与X轴线间的夹角为α,坐标系中的点到原点的连线和z轴线间的夹角为β,坐标系中的点到原点的距离为L;
RSSI值获取模块,用于待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值;
距离确定模块,用于根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离;
待定位物体坐标确定模块一,用于根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β;
待定位物体坐标确定模块二,用于待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离即待定位物体坐标中的L。
可选的,所述根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离,具体计算公式为:
其中,T表示光在UWB发射基站和待定位物体之间传播的时间,D1表示UWB发射基站和待定位物体之间的距离。
可选的,所述RSSI值计算公式为:
RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf
其中,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,Lbf表示空间传播衰减量。
可选的,所述空间传播衰减量具体计算公式为:
Lbf=32.5+20lgF+20lgD2
其中,F表示信号频率,D2表示信号传输距离。
可选的,所述根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离,具体计算公式为:
其中,F表示信号频率,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,RSSI表示RSSI值的大小。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供了一种三维空间定位方法及***,包括:构建三维坐标系XYZ,在坐标系原点处设置有UWB发射基站和第一蓝牙发射基站,在坐标系点(0,0,L1)处设置有第二蓝牙发射基站,在坐标系点处设置有第三蓝牙发射基站;待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值;根据各RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离;根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β;待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离。本发明通过融合UWB和蓝牙基站的定位技术,以达到提高精度的同时减缓成本上升的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种三维空间定位方法的流程图;
图2为本发明实施例三维坐标系XYZ示意图;
图3为本发明实施例基站在三维坐标系中位置示意图;
图4为本发明实施例一种三维空间定位***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种三维空间定位方法及***,通过融合UWB和蓝牙基站的定位技术,以达到提高精度的同时减缓成本上升的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种三维空间定位方法的流程图,参见图1,一种三维空间定位方法,所述定位方法包括以下步骤:
S1:构建三维坐标系XYZ,X轴和Y轴构成了坐标系的底面,Z轴和所述底面垂直,坐标系中任意一点的坐标为(α,β,L),其中,坐标系中的点到原点的连线在X-Y面上投影线与X轴线间的夹角为α,坐标系中的点到原点的连线和z轴线间的夹角为β,坐标系中的点到原点的距离为L。
S3:待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值。
S4:根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离。
S5:根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β。
S6:待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离即待定位物体坐标中的L。
下面对各步骤进行详细介绍:
S1:构建三维坐标系XYZ,X轴和Y轴构成了坐标系的底面,Z轴和所述底面垂直,坐标系中任意一点的坐标为(α,β,L),其中,坐标系中的点到原点的连线在X-Y面上投影线与X轴线间的夹角为α,坐标系中的点到原点的连线和z轴线间的夹角为β,坐标系中的点到原点的距离为L。
具体的,图2为本发明实施例三维坐标系XYZ示意图,参见图2,本发明使用球坐标系,X轴和Y轴构成了坐标系的底面,Z轴和底面垂直,这样,三个坐标值便可以表示一个点的位置坐标。坐标系中任意一点的坐标为(α,β,L),定位点到原点的连线在X-Y面上投影线与X轴线间的夹角为α,其角度逆时针方向为正;定位点到原点的连线和Z轴线间的夹角为β,其角度逆时针方向为正;定位点到原点的距离为L。
具体的,图3为本发明实施例基站在三维坐标系中位置示意图,参见图3,本发明分别在原点,(0,0,L1),处设置了iBeacon蓝牙发射基站,记为第一蓝牙发射基站、第二蓝牙发射基站和第三蓝牙发射基站,并在坐标系原点处设置了一个UWB发射基站,其中UWB基站和位于原点的第一蓝牙发射基站封装在一个设备内。
S3:待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值。S4:根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离。S5:根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β。
具体的,当携带有蓝牙接收设备的待定位物体进入工作区域后,(所述工作区域是指距离各基站50m内的区域),就可以得到三个RSSI值,分别对应待定位物体到三个蓝牙基站的距离即为L2,L3,L4。
待定位物体在坐标系中的L坐标为:
待定位物体在坐标系中的α坐标为:
待定位物体在坐标系中的β坐标为:
综上便可以得出待定位物体的整体坐标为:
RSSI值的获取是按照信号辐射衰减公式来计算的,详细如下:
信号在空间传播衰减量具体计算公式为:
Lbf=32.5+20lgF+20lgD2
其中,F表示信号频率,D2表示信号传输距离。
接收端接收的信号强度即所述RSSI值计算公式为:
RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf
其中,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,Lbf表示空间传播衰减量。
所述根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离,具体计算公式为:
其中,F表示信号频率,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,RSSI表示RSSI值的大小。
根据上述公式便可以得到待定位物体到三个蓝牙基站的距离,也就是求解L2,L3,L4的值,从而得到待定位物体的坐标值。
由于信号在传播的过程中受到环境影响,RSSI值不能准确的复现出距离值,导致最终测得的坐标值有偏差,此时引入UWB定位来提高定位精度。
S6:待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离即待定位物体坐标中的L。
具体的,本发明在坐标系原点处设置了一个UWB发射基站,其中UWB基站和位于原点的第一蓝牙发射基站封装在一个设备内。UWB发射基站向空间发射超频带电磁波,由于电磁波在空间中是以光速传播的,所以基站和待定位物体间的距离就可以用光在二者之间传播的时间来计算。
此时由UWB定位技术测得的待物体坐标是在以原点为球心,半径为D的球体表面上,所述根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离,具体计算公式为:
其中,T表示光在UWB发射基站和待定位物体之间传播的时间,D1表示UWB发射基站和待定位物体之间的距离。
由于UWB技术测得的距离值精度比蓝牙定位技术测得距离的精度高,所以用UWB技术测得的距离D代换蓝牙定位技术测得的距离L,得到待定位物体新的坐标为
图4为本发明实施例一种三维空间定位***的结构示意图,参见图4,一种三维空间定位***,所述定位***包括:
坐标系构建模块401,用于构建三维坐标系XYZ,X轴和Y轴构成了坐标系的底面,Z轴和所述底面垂直,坐标系中任意一点的坐标为(α,β,L),其中,坐标系中的点到原点的连线在X-Y面上投影线与X轴线间的夹角为α,坐标系中的点到原点的连线和z轴线间的夹角为β,坐标系中的点到原点的距离为L;
RSSI值获取模块403,用于待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值;
距离确定模块404,用于根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离;
待定位物体坐标确定模块一405,用于根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β;
待定位物体坐标确定模块二406,用于待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离即待定位物体坐标中的L。
作为本发明的一种实施例,本发明所述根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离,具体计算公式为:
其中,T表示光在UWB发射基站和待定位物体之间传播的时间,D1表示UWB发射基站和待定位物体之间的距离。
作为本发明的一种实施例,本发明所述RSSI值计算公式为:
RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf
其中,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,Lbf表示空间传播衰减量。
作为本发明的一种实施例,本发明所述空间传播衰减量具体计算公式为:
Lbf=32.5+20lgF+20lgD2
其中,F表示信号频率,D2表示信号传输距离。
作为本发明的一种实施例,本发明所述根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离,具体计算公式为:
其中,F表示信号频率,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,RSSI表示RSSI值的大小。
室内/室外定位是指在环境中实现位置定位,将无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成,实现人员、物体等室内空间的位置定位技术。
iBeacon定位技术是一种低功耗蓝牙定位(Low power bluetooth positioning,LPBP)技术,最早由苹果公司提出并应用于自家Beacon平台上,故而低功耗蓝牙定位技术在应用中通常简称为iBeacon技术。由Beacon蓝牙基站发射信号,蓝牙设备定位接受,反馈信号。当用户进入区域内时,Beacon的广播有能力进行传播,可计算用户和各个Beacon基站的距离,由此可知,只要有三个iBeacon设备即可定位。这里边有两个名词:接收信号强度指示器(Received Signal Strength Indicator,RSSI)和广播,下面分别介绍。
这里所说的广播不是普通意义上的广播,由于普通的蓝牙在使用时需要配对才能获得相应的信息,给定位过程带来了极大的不便。iBeacon定位技术不需要配对,可通过广播模式实现,具体思想为:在蓝牙接收设备进入iBeacon基站(蓝牙发射基站)的信号覆盖区域后(50m范围内),蓝牙接收设备就会收到相对于此iBeacon基站的信号强度信息,即接收信号强度指示器的值,通过接收信号强度指示器的值就可以得出蓝牙接收设备和iBeacon基站之间的距离。
UWB定位技术是一种超带宽定位技术,其发射的信号的带宽在1GHz以上,高达几吉赫兹,所以抗干扰能力很强,其定位原理与蓝牙定位相似,也是先测量基站和被定位设施的距离,再通过几个距离值导出物体的空间位置,但是在求得距离的过程中,UWB技术用的是飞秒技术,即通过计算信号从基站发出到达被定位物体的时间来计算二者间的距离,这样精度很高,但是对时间同步的要求极高,所以成本很高。
因此本发明融合蓝牙定位和UWB定位技术,充分发挥二者的长处,从而调和定位精度和成本之间的矛盾,在提升定位精度的情况下大幅降低成本。
本发明的特征为融合了蓝牙和UWB定位技术,使用蓝牙定位技术测量物体的方位信息,使用UWB技术测量物体的距离信息,融合二者得到被定位物体的具***置坐标。
本发明使用了三维球坐标系,待定位物体的坐标由X-Y平面旋转角度,X-Z平面旋转角度和球心距三个坐标值确定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种三维空间定位方法,其特征在于,所述定位方法包括:
构建三维坐标系XYZ,X轴和Y轴构成了坐标系的底面,Z轴和所述底面垂直,坐标系中任意一点的坐标为(α,β,L),其中,坐标系中的点到原点的连线在X-Y面上投影线与X轴线间的夹角为α,坐标系中的点到原点的连线和z轴线间的夹角为β,坐标系中的点到原点的距离为L;
待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值;
根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离;
根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β;
待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离即待定位物体坐标中的L。
3.根据权利要求1所述的三维空间定位方法,其特征在于,所述RSSI值计算公式为:
RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf
其中,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,Lbf表示空间传播衰减量。
4.根据权利要求3所述的三维空间定位方法,其特征在于,所述空间传播衰减量具体计算公式为:
Lbf=32.5+20lgF+20lgD2
其中,F表示信号频率,D2表示信号传输距离。
6.一种三维空间定位***,其特征在于,所述定位***包括:
坐标系构建模块,用于构建三维坐标系XYZ,X轴和Y轴构成了坐标系的底面,Z轴和所述底面垂直,坐标系中任意一点的坐标为(α,β,L),其中,坐标系中的点到原点的连线在X-Y面上投影线与X轴线间的夹角为α,坐标系中的点到原点的连线和z轴线间的夹角为β,坐标系中的点到原点的距离为L;
RSSI值获取模块,用于待定位物体通过蓝牙接收设备接收各蓝牙发射基站通信信息,获取通信信息中的RSSI值;
距离确定模块,用于根据各所述RSSI值确定待定位物体到各蓝牙发射基站的距离;
待定位物体坐标确定模块一,用于根据待定位物体到各蓝牙发射基站的距离以及L1,确定待定位物体坐标中的α和β;
待定位物体坐标确定模块二,用于待定位物体中的蓝牙设备接收所述UWB发射基站电磁波信号,根据电磁波信号的传播时间确定待定位物体到原点的距离即待定位物体坐标中的L。
8.根据权利要求6所述的三维空间定位***,其特征在于,所述RSSI值计算公式为:
RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf
其中,Pt表示发射功率,Gr表示接收天线增益,Gt表示发射天线增益,Lc表示电缆和线头损耗,Lbf表示空间传播衰减量。
9.根据权利要求8所述的三维空间定位***,其特征在于,所述空间传播衰减量具体计算公式为:
Lbf=32.5+20lgF+20lgD2
其中,F表示信号频率,D2表示信号传输距离。
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