室內定位感知系統的製作方法

2023-10-17 23:42:14 1

專利名稱：室內定位感知系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種定位系統，尤其涉及一種室內定位系統。
背景技術：
現今人們越來越需要各種位置服務，其應用大部分都是用於戶外定位。隨著技術 的不斷發展，計算能力不斷增強以及硬體越來越小型化，用戶可以隨時隨地使用它們，室內 位置服務也變得越來越重要。隨著通信業務和數據業務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其 在複雜的室內環境，如醫院、機場、會展大廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場等環境中，常 常需要確定各種人員在室內的位置。但是受定位時間、定位精度以及室內複雜環境等條件 的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地使用。室內定位可以用於智能環境以及人機互動過程中。機器人做家務，必須能夠準確 辨別自己的方位，否則機器人將不能很好地完成主人安排的家務。與那些在戶外工作的機 器人不同，在室內活動的家用機器人無法接收到全球定位系統GPS發出的微弱的衛星信 號，因此使得人們設計出的這類機器人不能夠很好的滿足需要。隨著行動裝置和網絡技術的發展，位置服務在我們的生活中越來越重要。只有開 發出性能優越的室內定位感知系統，位置服務才能夠全面、完整的實現。目前，室外大多都利用GPS進行定位，室外定位系統很好地滿足了室外定位的需 要。但是在進行室內進行定位時，由於信號穿透建築物的牆壁後，信號強度變得非常弱，並 且室內障礙物較多，環境比較複雜，因此室外定位系統在用於室內定位時，定位的精度不能 滿足用戶的需求，甚至不能進行定位。隨著計算機軟硬體技術的發展，目前國內外已經開發出了一些室內定位感知系統 的雛形，存在著一些室內定位技術的試驗方案，但是它們的解決問題的側重點不同，具體如 下1.室內GPS定位感知技術GPS定位系統在室外定位時，可以很好地滿足人們的需 要，但是當GPS在室內工作時，由於信號受建築物以及室內環境中各種物體的影響，信號變 得非常弱，要想達到與室外一樣的信號強度是非常困難的。為了得到較高的信號靈敏度，就 需要增加大量的輔助設備，A-GPS(Assisted-GPS)技術為這個問題的解決提供了可能性。但 是，室內環境比較小，一般不會超過10米的長度，為了很好地區分被定位的物體，定位精度 必須非常高，但是室內GPS定位系統在定位時，僅可達到5m 30m的定位精度，其定位精度 不能夠較好地滿足室內定位的要求。2.紅外線技術紅外線技術通過在一定的時間間隔內發射紅外線信號，然後紅外 線接收器接收這些紅外線，按照到達時間算法或到達角度算法計算被定位物體的位置。紅 外線是直線、短距離傳播信號，容易受太陽光幹擾且精確度不是很高，很難應用在室內定位 感知系統中。該系統要求被定位物體與紅外線發射器之間線性可視，這就把它的應用局限 到了僅室內的範圍且須保證所監測的目標是不透明的。在使用紅外線定位時，需要在每個房間以及走廊安裝紅外線接收器，造價比較高。紅外線定位技術也被應用於機器人系統，通 過固定的紅外線攝像機和很多紅外線發光設備協同工作，達到定位的目的。但是紅外線不 能夠穿透障礙物，並且定位精度差，其配備要求比較複雜。3.藍牙技術(Bluetooth)該技術是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，支持點 到點、點到多點的話音和數據業務。可以實現不同設備之間的短距離無線互聯。在室內安 裝適當的藍牙區域網接入點，把網絡配置成基於多用戶的基礎網絡連接模式，就可以獲得 用戶的位置信息，實現利用藍牙技術定位的目的。使用藍牙技術實現室內定位的缺點是目 前藍牙器件和設備價格比較昂貴，傳播距離較短，且容易受噪聲幹擾。4.基於WLAN的室內定位技術使用無線區域網技術實現室內定位，需要在室內 區域安裝適量的無線基站，並且這些基站的位置是已知的。通過使用一組相互間可以通 信的基站，並且通過測量它們之間接收信號強度指示(RSSI =Received Signal Strength Indicator)、信號到達角度(AOA =Angle of Arrival)、信號到達時間差(TDOA =Time Difference of Arrival)或者信號到達時間(TOA)，來進行用戶的定位。在該系統中，每個 用戶和固定的一組基站進行通信，基站通過測得的RSSI或者Τ0Α、AOA來計算用戶的位置。 這類系統可以利用現有的無線區域網設備，只需要幾個基站。該系統的缺點是設備費用比 較高，並且所有的設備必須支持無線區域網標準，定位精度不是很高。

發明內容
本發明的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種室內定位感知系統，其基於超聲 波和射頻技術結合，室內定位效果好。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案其包括射頻信號發射器、控制器、超 聲波接收器、微處理器，射頻信號發射器、控制器、超聲波接收器分別與微處理器電氣連接； 射頻信號發射器與控制器之間以及控制器與超聲波接收器之間無線通信。控制器包括射頻信號接收器和超聲波發射器。射頻信號發射器與超聲波接收器之 間通過RS485總線通信。射頻信號發射器與微處理器之間通過RS232串口通信。因為室內空間是一個多人協作的空間，其定位系統應該能跟蹤多個對象，準確地 區分其身份，實現多目標跟蹤。在該系統中，射頻信號發射器能夠發射多個射頻編碼信號， 在每一時刻發射一種唯一標識的射頻信號。射頻信號發射器定期向每個控制器發送射頻信 號。因為每一個控制器只接收唯一標識的射頻信號，只有射頻信號發射器發送的射頻信號 與控制器接收的信號標識相同時，控制器才發送超聲波信號。把超聲波接收器固定在室內的天花板上，而控制器放置在需要定位的目標物內。 根據TDOA或者TOA算法進行測距。需要計算控制器發出的超聲波到達超聲波接收器的時 間，這就需要控制器和超聲波接收器的同步。這裡使用射頻信號實現超聲波的收發同步。為了實現準確的定位，需要計算出從超聲波發射到超聲波接收這一段時間間隔。 假設射頻在空氣中傳播需要的時間為、，超聲波在空氣中的傳播時間為t1;超聲波的速度 為V，那麼控制器到超聲波接收器的距離為d = Vt10這裡V為超聲波的速度，在實際使用時，並不能得到、、、的準確值，但是可以得到 t。+、。在正常的室內溫度和溼度情況下，超聲波的速度340m/s，射頻速度3X108m/s。由於 射頻速度遠大於超聲波的速度，可以認為射頻信號短距離傳輸所需的時間為零，射頻信號發射器向控制器發射射頻信號，同時通過總線通知超聲波接收器準備接收數據，以此實現 超聲波收發同步。從超聲波接收器獲得距離數據後，如何計算出目標的坐標位置涉及到一個定位算 法的問題。TOA測距技術一般是利用信號到達超聲波接收器所需要的時間，根據時間來確定 節點之間的距離。本系統利用射頻和超聲波傳播速度不同，通過檢測超聲波信號到超聲波 接收器的時間，通過時間對到信號源的距離進行計算。基於已知的信號傳播速度，可直接把 時間轉化為距離。由於射頻的速度非常快，這裡可以使用TOA算法進行定位。射頻信號發射器採用F05R型號。射頻信號接收器採用J04V型號。超聲波發射器 包括壓電陶瓷超聲傳感器，其採用TCT40-16T型號。超聲波接收器包括壓電陶瓷超聲傳感 器，其採用TCT40-16R型號。微處理器採用ATMEGA48型號。本裝置結構簡單、成本低，且定位精度高，可廣泛應用在各種室內定位領域。


圖1為本發明的模塊結構示意圖；圖2為本發明的平面坐標示意圖；圖3為本發明的三維坐標示意圖；圖4為本發明的超聲波發射器原理圖；圖5為本發明的超聲波接收器原理圖；圖6為本發明的射頻信號發射器原理圖；圖7為本發明的射頻信號接收器原理圖；圖8為本發明的通信總線原理圖；圖9為本發明的微處理器原理圖。
具體實施例方式本裝置包括射頻信號發射器、控制器、超聲波接收器、微處理器，射頻信號發射器、 控制器、超聲波接收器分別與微處理器電氣連接；射頻信號發射器與控制器之間以及控制 器與超聲波接收器之間無線通信。控制器包括射頻信號接收器和超聲波發射器。射頻信號發射器與超聲波接收器之 間通過RS485總線通信。射頻信號發射器與微處理器之間通過RS232串口通信。射頻信號 發射器採用F05R型號。射頻信號接收器採用J04V型號。微處理器採用ATMEGA48型號。超聲波發射器選用TCT40-16T型號的的壓電陶瓷超聲傳感器。超聲波發射器的原理圖如圖4所示，由微處理器產生40KHz的方波，送到超聲波發 射器的SOUT埠，並通過後面的⑶4049型號的晶片IC3對40KHz頻率信號進行調理，以使 超聲波傳感器產生諧振。三極體Ql採用9014型號，其構成振蕩放大器，微處理器輸出的振蕩信號經過晶片 IC3的放大推動超聲波傳感器發出超聲波。超聲波接收器的電路原理圖如圖5所示。超聲波接收器採用與發射配對的 TCT40-16R型號的壓電陶瓷超聲傳感器，主要完成的功能是將超聲波調製脈衝變為交變電 壓信號，經運算放大器IC5A、IC5B以及IC6B放大比較。超聲波接收器的輸出端SIN產生由高電平跳變為低電平的脈衝信號，作為中斷信號送給微處理器進行進一步處理。為使所測的距離足夠大，超聲波接收端電路必須進行多級放大。超聲波傳感器接 收到微弱的信號，經過交流耦合到放大器IC5A進行放大，其放大倍數為11 = R8/R7 = 40。 放大後的信號經過交流耦合到放大器IC5B進行進一步放大，其放大倍數為12 = R10/R9 = 40。總的放大倍數為I = 11*12 = 1600。經過兩級放大之後，對接收到的微弱信號進行 1600倍的放大，然後信號再送給放大器IC6B，輸出信號被微處理器接收，最後由微處理器 進行進一步處理。射頻信號發射器主要完成射頻信號的發射，具體的射頻編碼工作由微處理器進行 處理。射頻發射採用315/433MHZ頻段的F05R型射頻信號發射器晶片J3，原理圖如圖6所 示。由微處理器產生射頻編碼，輸出給晶片J3的第三引腳，然後由晶片J3進行處理髮射； 第四引腳在應用時，可以外接天線，增強發射效果。射頻信號接收器主要完成射頻信號的接收，具體的射頻解碼工作由微處理器進行 處理。射頻信號接收器採用J04V型號晶片J2，原理圖7所示。晶片J2接收到射頻信號之後，傳送給微處理器的引腳PD3，由微處理器進行解碼。射頻信號發射器與超聲波接收器之間通過RS485總線通信，接線方式為總線式拓 樸結構，在同一總線上一般可以掛接多達32個結點。在RS485總線通信網絡中一般採用的 是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。在進行通信的過程中，需要在通信雙方的異步串 行收發控制器(USART)之間增加一晶片IC4。晶片IC4的特性是採用單一電源+5V工作，額定電流為300 μ A，採用半雙工通訊 方式。它完成將TTL電平轉換為RS485電平的功能。如圖8所示，晶片IC4的第一引腳與微處理器的引腳PD0/R )相連，用於接收數 據。晶片IC4的第四引腳與微處理器的引腳PDl/Τ )相連，用於發送數據。晶片IC4的引 腳DE、RE短接與微處理器的PC5 口相連。當R/T端為高電平時，晶片IC4用於發送數據，R/ T端為低電平時，用於接收數據。微處理器是整個硬體系統的核心部件，如圖9所示，負責控制超聲波的發送和接 收，以及射頻信號的發射和接收。可以通過微處理器產生40kHz的方波信號驅動超聲波的發射，超聲波發射電路與 微處理器的引腳PD6相連。超聲波接收電路與微處理器的引腳PD2相連，當接收到超聲波 時，產生外部中斷，微處理器轉入中斷處理。射頻信號發射器與微處理器的引腳PD3相連，微處理器產生晶片J3所需要的脈 衝，傳送給晶片J3，然後射頻信號發射出去。射頻信號接收器與微處理器的引腳PD3相連， 微處理器對所接收的編碼脈衝進行解碼。微處理器通過RS232串口與射頻信號發射器進行通信，負責接收數據，然後將接 收到的數據進行處理並計算出控制器的坐標。為了實現準確的定位，需要計算出從超聲波發射到超聲波接收這一段時間間隔。 假設射頻在空氣中傳播需要的時間為、，超聲波在空氣中的傳播時間為t1;超聲波的速度 為V，那麼發射節點到接收節點的距離為d = Vt10這裡V為超聲波的速度，在實際使用時，並不能得到、、、的準確值，但是可以得到 t。+、。在正常的室內溫度和溼度情況下，超聲波的速度340m/s，射頻速度3X108m/s。由於射頻速度遠大於超聲波的速度，可以認為射頻信號短距離傳輸所需的時間為零，控制節點 向發射節點發射射頻信號，同時通過總線通知接收節點準備接收數據，以此實現超聲波收 發同步。在二維位置測量中，選擇離對象最近的兩個超聲波接收節點所接收的距離信息， 假設A、B節點距離超聲波發射節點最近，如圖2所示如果A、B兩點之間的距離為m，接收節點B的坐標為(0，0)，接收節點A的坐標為 (0，m)。設超聲波發射節點0的坐標為(X，y)，發射節點0到接收節點A所用的時間為t1; 到接收節點B所用的時間為t2，則|0A =Vt1, OB =Vt20根據兩點之間的距離公式可以得到
權利要求
1.一種室內定位感知系統，其特徵在於包括射頻信號發射器、控制器、超聲波接收器、 微處理器，射頻信號發射器、控制器、超聲波接收器分別與微處理器電氣連接；射頻信號發 射器與控制器之間以及控制器與超聲波接收器之間無線通信。
2.根據權利要求1所述的室內定位感知系統，其特徵在於控制器包括射頻信號接收器 和超聲波發射器。
3.根據權利要求2所述的室內定位感知系統，其特徵在於射頻信號發射器與超聲波接 收器之間通過RS485總線通信。
4.根據權利要求3所述的室內定位感知系統，其特徵在於射頻信號發射器與微處理器 之間通過RS232串口通信。
5.根據權利要求3所述的室內定位感知系統，其特徵在於射頻信號發射器採用F05R型號。
6.根據權利要求3所述的室內定位感知系統，其特徵在於射頻信號接收器採用J04V型號。
7.根據權利要求3所述的室內定位感知系統，其特徵在於超聲波發射器包括壓電陶瓷 超聲傳感器，其採用TCT40-16T型號。
8.根據權利要求3所述的室內定位感知系統，其特徵在於超聲波接收器包括壓電陶瓷 超聲傳感器，其採用TCT40-16R型號。
9.根據權利要求3所述的室內定位感知系統，其特徵在於微處理器採用ATMEGA48型號。
全文摘要
本發明涉及一種定位系統，尤其涉及一種室內定位系統。本發明的室內定位感知系統，包括射頻信號發射器、控制器、超聲波接收器、微處理器，射頻信號發射器、控制器、超聲波接收器分別與微處理器電氣連接；射頻信號發射器與控制器之間以及控制器與超聲波接收器之間無線通信。本裝置結構簡單、成本低，且定位精度高，可廣泛應用在各種室內定位領域。
文檔編號G01S5/16GK102116859SQ20091026259
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者富饒, 朱雪生, 翟偉偉, 蔡宇玉, 逄盈盈, 雷明 申請人:青島海爾軟體有限公司