CN105005022A - 一种基于射频及超声波的多模室内定位方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于射频及超声波的多模室内定位方法，其包括布置在室内至少三个基准位置上的发射器和布置在待定位目标上的接收器，每一发射器在T1时刻发送射频无线信号和在T2时刻发送超声波信号，接收器收到某一发射器所发送的射频信号时，记录接收某一发射器所发送的射频信号的接收时刻T3并提取出该射频信号中的附带信息并获得该信号的RSSI信号强度值，依据该射频信号中的附带信息和获得该信号的RSSI信号强度值对待定位目标进行粗定位；当接收器还接收到超声波信号并记录接收时刻T4同时对所接收到的超声波信号进行解调，计算待定位目标到某一发射器的距离并进而计算出待定位目标的坐标位置。本发明还公开了实现该方法的定位装置。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体地说，涉及的是一种基于射频及超声波的多模室内定位方法与装置。
背景技术
定位的目的是要确定一个物体在参照系中的位置，如GPS、雷达，声纳，而对于物体的身份识别需要另外的方法实现，自动识别技术可以实现身份的识别。在自动识别技术中，条形码和射频电子标签的应用非常广泛，大量的被识别物体上附着了标签，分布在一定空间区域内，但是要从中找出一个指定标签来却相当困难，对指定标签定位是有效的办法。采用有源远距离射频电子标签识别技术能做到对一定的空间范围内的大量电子标签进行识别，如果能对每一个指定的标签进行精确的、自动的空间位置定位，就能把所有的标签在空间位置上区分开来，按图索骥，解决查找的问题。
电子标签的定位的技术有多种，大致可以分为2大类，一类利用电子标签阅读器的识别范围限制实现区域定位，另一类定位可以采用多点测距的方法，测量某个指定的射频电子标签到多个位置基准点(一般为固定的RFID阅读器)的距离，通过计算得到标签相对于基准点的空间位置。
经对现有技术的文献检索发现，Joshua R.Smith，等在《COMMUNICATIONSOF THE ACM》(ACM通信September 2005/Vol.48，No.9)上发表的“RFID-BASEDTECHNIQUES FOR HUMN-ACTIVITY DETECTION”(基于射频识别技术的额人类行为探测)，该文中提出WISP方法，近距离射频探测到精确位置，再通过远距离射频识别传回信息，其不足在于，容易丢失信号，成本高，且不便随处定位。
LIONEL M.NI等在《Wireless Networks》(无线网络10,701-710,2004)上发表的“LANDMARC:Indoor Location Sensing Using Active RFID”(LANDMARC：基于主动射频识别技术的室内定位检测)，该文中提出LANDMARC方法，用固定的标签作为定位参照，其不足在于：精确度不高，且精确度方差较大。
Takahiro MISHIMA等在《Conference on Cybernetics and IntelligentSystems》(智能与智能系统会议Singapore,1-3December,2004)上发表的“Toward Construction of a Mobile System,with Long-range RFID Sensors”(基于大范围射频识别感知的而移动系统)，该文中提出Rotating Pan-tilt平台构想，旋转射频读透以达到最大探测范围，其不足在于，精确度不高，探测不及时，且容易漏探。
另外在已有的室内定位技术中，蓝牙/WIFI/RFID的定位都是采用信号强度来进行定位，这种方式的由于信号容易受到遮挡反射等因素的影响定位精度和稳定度较差。另外采用UWB技术和单纯超声波的定位方式定位精度和稳定度好，但是成本极高。
为了解决上述技术问题，中国专利公开号CN102540144A公开的基于超声波和无线的联合定位方法，其包括1个基准点和多个待定位点，基准点是由超声波发射模块、无线射频发射模块和定时模块组成，待定位点是由超声波接收模块、无线射频接收模块以及处理超声波和无线射频信号的主处理模块组成，基准点周期性地同时发射超声波信号和无线射频信号，待定位点不断接收无线射频信号，当接收到时，启动对应的计时器直到收到超声波信号停止计时，并由主处理模块处理各探头至基准点的距离，计算出待定位点的位置，从而实现定位。
但是上述专利中要求射频和超声波在同一时刻发射并且只有一级定位，定位精度低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有技术所存在的上述技术问题而提供一种基于射频及超声波的多模室内定位方法，其采用超声波定位，定位精度高，并且使用射频信号来进行时间同步的方式大大简化了发射器的成本。在保持定位系统成本很低的情况下大大提高了室内定位的精度。并且利用混合定位的方式在超声波信号接收失败的情况下依然可以使用射频的RSSI信号强度进行粗定位。
本发明所要解决的技术问题之二在于提供实现上述基于射频及超声波的多模室内定位方法的装置。
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
一种基于射频及超声波的多模室内定位方法，包括布置在室内至少三个基准位置上的发射器和布置在待定位目标上的接收器，每一发射器在T1时刻发送射频无线信号和在T2时刻发送超声波信号，每一发射器所发送的射频无线信号包括该发射器的附带信息；所述接收器收到某一发射器所发送的射频信号时，记录接收某一发射器所发送的射频信号的接收时刻T3并提取出该射频信号中的附带信息并获得该信号的RSSI信号强度值，依据该射频信号中的附带信息和获得该信号的RSSI信号强度值对待定位目标进行粗定位；当所述接收器还接收到超声波信号并记录接收时刻T4同时对所接收到的超声波信号进行解调，基于射频信号传播速度为光速，故T1≈T3，依据公式(T3+Td-T4)*声速，计算待定位目标到某一发射器的距离并进而计算出待定位目标的坐标位置，从而对待定位目标进行精确定位；公式中的Td为某一发射器发送射频无线信号时刻T1和发送超声波信号时刻T2的差值。
在本发明的一个优选实施例中，每一发射器所发送的射频无线信号中的附带信息为该发射器的编号ID。
一种基于射频及超声波的多模室内定位装置，包括布置在室内至少三个基准位置上的发射器和布置在待定位目标上的接收器，每一发射器包括：
一控制器；
一射频信号发射单元，所述射频信号发射单元发射包含该发射器的附带信息的射频信号；
一超声波信号发射单元，所述超声波信号发射单元发射超声波信号；
所述控制器与所述射频信号发射单元、超声波信号发射单元控制连接，以控制所述射频信号发射单元、超声波信号发射单元在不同时刻分别发送包含该发射器的附带信息的射频信号和超声波信号；
所述接收器包括：
一射频信号接收单元，所述射频信号接收单元接收所述射频信号发射单元所发射的包含该发射器的附带信息的射频信号；
一射频信号接收时间记录单元，所述射频信号接收时间记录单元与所述射频信号接收单元连接，对所述射频信号接收单元接收所述射频发射单元所发射的包含该发射器的附带信息的射频信号的时间进行记录；
一RSSI信号强度值检测单元，所述RSSI信号强度值检测单元与所述射频信号接收单元连接，用以检测所述射频信号的RSSI信号强度值；
一射频信号附带信息提取单元，所述射频信号附带信息提取单元与所述射频信号接收单元连接，用以提出所述射频信号中的附带信息；
一超声波信号接收单元，所述超声波信号接收单元接收所述超声波信号发射单元所发射的超声波信号；
一超声波信号解调单元，所述超声波信号解调单元与所述超声波信号接收单元连接，对所述超声波信号接收单元接收到的超声波信号进行解调；
一超声波信号接收时间记录单元，所述超声波信号接收时间记录单元与所述超声波信号接收单元连接，对所述超声波信号接收单元接收超声波信号的时间进行记录；
一距离计算单元，所述距离计算单元与所述射频信号接收时间记录单元、RSSI信号强度值检测单元、射频信号附带信息提取单元、超声波信号解调单元、超声波信号接收时间记录单元连接，其首先依据所述射频信号接收时间记录单元所接收所述射频发射单元所发射的包含该发射器的附带信息的射频信号的时间、所述RSSI信号强度值检测单元的检测所述射频信号的RSSI信号强度值计算待定位目标与某一发射器之间的距离，进行粗定位；然后依据所述射频信号附带信息提取单元提出的所述射频信号中的附带信息、所述超声波信号解调单元解调的超声波信号、所述超声波信号接收时间记录单元所记录的所述超声波信号接收单元接收超声波信号的时间计算待定位目标与某一发射器之间的距离，进行精确定位；
一定位结算单元，所述定位解算单元与所述距离计算单元连接，依据所述距离计算的待定位目标与某一发射器之间的距离来计算待定位目标的坐标进行定位。
由于采用了如上的技术方案，本发明在采用超声波定位，定位精度高，并且使用射频信号来进行时间同步的方式大大简化了发射器的成本。在保持定位系统成本很低的情况下大大提高了室内定位的精度。并且利用混合定位的方式在超声波信号接收失败的情况下依然可以使用射频的RSSI信号强度进行粗定位。
附图说明
图1为本发明基于射频及超声波的多模室内定位装置的结构框图。
图2为本发明基于射频及超声波的多模室内定位方法的流程示意图。
具体实施方式
参见图1，图中给出的一种基于射频及超声波的多模室内定位装置，包括布置在室内三个基准位置上的发射器100、100a、100b和布置在待定位目标上的接收器200。
每一发射器100、100a、100b包括控制器110、110a、110b、射频信号发射单元120、120a、120b、超声波信号发射单元130、130a、130b。每一发射器100、100a、100b的控制器110、110a、110b与射频信号发射单元120、120a、120b、超声波信号发射单元130、130a、130b控制连接。三个发射器100、100a、100b中的控制器110、110a、110b控制射频信号发射单元120、120a、120b在T1时刻发送射频信号，控制超声波信号发射单元130、130a、130b在T2时刻发射超声波信号，另外控制器110、110a、110b还在射频信号发射单元120、120a、120b写入一附带信息，例如该发射器的ID，这样射频信号发射单元120、120a、120b发射的射频信号包含该发射器的ID的射频信号。
接收器200包括射频信号接收单元210、射频信号接收时间记录单元220、RSSI信号强度值检测单元230、射频信号附带信息提取单元240、超声波信号接收单元250、超声波信号解调单元260、超声波信号接收时间记录单元270、距离计算单元280和定位结算单元290。射频信号接收时间记录单元220、RSSI信号强度值检测单元230一方面与射频信号接收单元210连接，另一方面与距离计算单元280连接。
超声波信号解调单元260、超声波信号接收时间记录单元270一方面与超声波信号接收单元250连接，另一方面与距离计算单元280连接。
距离计算单元280与定位结算单元290连接。
参见图2，射频信号接收单元210接收射频信号发射单元120、120a、120b在T1时刻所发射的包含发射器100、100a、100b的ID、IDa、IDb的射频信号，RSSI信号强度值检测单元230检测射频信号接收单元210所接收的射频信号发射单元120、120a、120b所发射的包含发射器100、100a、100b的ID、IDa、IDb的射频信号的RSSI信号强度值输入至距离计算单元280，射频信号接收时间记录单元220对射频信号接收单元210接收到的射频发射单元120、120a、120b所发射的包含发射器100、100a、100b的ID、IDa、IDb的射频信号的时间T3进行记录并输入至距离计算单元280，由于射频传播速度等于光速，因此在室内这样的空间内，T3≈T1，这样距离计算单元280只需要依据RSSI信号强度值和时刻T3，经过计算后，算出带定位目标与发射器100、100a、100b之间的距离，对待定位目标进行粗定位。
超声波信号接收单元250接收发射器100、100a、100b的超声波信号发射单元所发射的超声波信号130、130a、130b在T2时刻发射超声波信号，超声波信号解调单元260对超声波信号接收单元260接收到的超声波信号进行解调并将解调后的超声波信号输入至距离计算单元280，同时超声波信号接收时间记录单元对超声波信号接收单元260接收超声波信号的时间T4进行记录并输入至距离计算单元280，距离计算单元280依据公式(T3+Td-T4)*声速，计算待定位目标到发射器100、100a、100b的距离进行精确定位。定位结算单元290依据距离计算的待定位目标与发射器100、100a、100b之间的距离来计算待定位目标的坐标进行定位。
Claims (4)
1.一种基于射频及超声波的多模室内定位方法，其特征在于，包括布置在室内至少三个基准位置上的发射器和布置在待定位目标上的接收器，每一发射器在T1时刻发送射频无线信号和在T2时刻发送超声波信号，每一发射器所发送的射频无线信号包括该发射器的附带信息；所述接收器收到某一发射器所发送的射频信号时，记录接收某一发射器所发送的射频信号的接收时刻T3并提取出该射频信号中的附带信息并获得该信号的RSSI信号强度值，依据该射频信号中的附带信息和获得该信号的RSSI信号强度值对待定位目标进行粗定位；当所述接收器还接收到超声波信号并记录接收时刻T4同时对所接收到的超声波信号进行解调，基于射频信号传播速度为光速，故T1≈T3，依据公式(T3+Td-T4)*声速，计算待定位目标到某一发射器的距离并进而计算出待定位目标的坐标位置，从而对待定位目标进行精确定位；公式中的Td为某一发射器发送射频无线信号时刻T1和发送超声波信号时刻T2的差值。
2.如权利要求1所述的基于射频及超声波的多模室内定位方法，其特征在于，每一发射器所发送的射频无线信号中的附带信息为该发射器的编号ID。
3.一种基于射频及超声波的多模室内定位装置，其特征在于，包括布置在室内至少三个基准位置上的发射器和布置在待定位目标上的接收器，每一发射器包括：
一控制器；
一射频信号发射单元，所述射频信号发射单元发射包含该发射器的附带信息的射频信号；
一超声波信号发射单元，所述超声波信号发射单元发射超声波信号；
所述控制器与所述射频信号发射单元、超声波信号发射单元控制连接，以控制所述射频信号发射单元、超声波信号发射单元在不同时刻分别发送包含该发射器的附带信息的射频信号和超声波信号；
所述接收器包括：
一射频信号接收单元，所述射频信号接收单元接收所述射频信号发射单元所发射的包含该发射器的附带信息的射频信号；
一射频信号接收时间记录单元，所述射频信号接收时间记录单元与所述射频信号接收单元连接，对所述射频信号接收单元接收所述射频发射单元所发射的包含该发射器的附带信息的射频信号的时间进行记录；
一RSSI信号强度值检测单元，所述RSSI信号强度值检测单元与所述射频信号接收单元连接，用以检测所述射频信号的RSSI信号强度值；
一射频信号附带信息提取单元，所述射频信号附带信息提取单元与所述射频信号接收单元连接，用以提出所述射频信号中的附带信息；
一超声波信号接收单元，所述超声波信号接收单元接收所述超声波信号发射单元所发射的超声波信号；
一超声波信号解调单元，所述超声波信号解调单元与所述超声波信号接收单元连接，对所述超声波信号接收单元接收到的超声波信号进行解调；
一超声波信号接收时间记录单元，所述超声波信号接收时间记录单元与所述超声波信号接收单元连接，对所述超声波信号接收单元接收超声波信号的时间进行记录；
一距离计算单元，所述距离计算单元与所述射频信号接收时间记录单元、RSSI信号强度值检测单元、射频信号附带信息提取单元、超声波信号解调单元、超声波信号接收时间记录单元连接，其首先依据所述射频信号接收时间记录单元所接收所述射频发射单元所发射的包含该发射器的附带信息的射频信号的时间、所述RSSI信号强度值检测单元的检测所述射频信号的RSSI信号强度值计算待定位目标与某一发射器之间的距离，进行粗定位；然后依据所述射频信号附带信息提取单元提出的所述射频信号中的附带信息、所述超声波信号解调单元解调的超声波信号、所述超声波信号接收时间记录单元所记录的所述超声波信号接收单元接收超声波信号的时间计算待定位目标与某一发射器之间的距离，进行精确定位；
一定位结算单元，所述定位解算单元与所述距离计算单元连接，依据所述距离计算的待定位目标与某一发射器之间的距离来计算待定位目标的坐标进行定位。
4.如权利要求3所述的基于射频及超声波的多模室内定位装置，其特征在于，每一发射器所发送的射频无线信号中的附带信息为该发射器的编号ID。
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