[发明专利]一种基于超声波的室内定位系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于室内导航定位技术领域，涉及一种基于超声波的室内定位系统，用于对室内移动物体进行定位，本发明还介绍了该室内定位系统的定位方法。

背景技术

室内定位与导航是指实时地确定移动机器人的方位，并指引其沿正确路线运动。移动机器人的定位方法可分为相对定位方法和绝对定位方法。

相对定位技术主要有航位推测法和惯性导航法，基本思路都是基于测量值的累积，因而无法避免时间漂移问题。随着路径的增长，任何小的误差经过累积都会无限增加。因此，相对定位技术不适合长距离和长时间的准确定位。

绝对定位技术主要有全球定位系统(GPS)和路标定位。目前民用GPS的精度一般在5到10米，用于移动机器人定位时存在近距离定位精度低的问题。路标定位是一种常见的定位技术，路标是具有明显特征的能被机器人传感器识别的特殊物体。根据路标的不同，分为基于自然路标定位和基于人工路标定位。其中人工路标定位技术应用最为成熟。人工路标是指在机器人的工作环境中，人为地设置一些坐标已知的路标，机器人通过对路标的探测来确定自身的位置。移动机器人需要利用传感器才能对路标进行感知以获得环境信息。用于感知的传感器主要分两类：视觉传感器和非视觉传感器。视觉传感器用于获取环境的视觉信息，而非视觉传感器用于获取机器人与周围路标的距离信息。常用的非视觉传感器包括超声波传感器、红外传感器、激光测距仪等等。

激光测距仪的测量结果精度较高，但是由于其高分辨率造成数据处理实时性较差，而且激光测距仪的能源消耗较大。红外线技术通过移动设备在一个预定时间间隔内发射红外线，然后接收这些红外线并利用到达时间算法或到达角度算法计算目标位置，缺点是红外线是直线短距离传播的，容易受太阳光干扰且精确度不是很高。超声波由于其廉价、使用简单、数据处理方便等特点得到了广泛使用，但由于超声波传感器信息量相对较少、遇到障碍物会丢失、受物体反射会造成虚假信号，因此其感知信息存在较大的不确定性。

目前，常见的基于超声波的室内定位技术主要有以下几种方案：

第一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标。采用这种方法定位，如果遇到平面上有障碍物，必然会出现定位坐标错误。

第二种是采用反射式测距法。系统由一个主接收器和若干电子标签组成，主接收器可放置于移动机器人上，各个电子标签放置于室内空间的固定位置。先由上位机发送信号给各个电子标签，电子标签接收到信号后又发射超声波传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到移动机器人之间的距离，并解算出定位坐标。这种方法的缺点是需要采集发射点的时间信号，即需要上位机告知移动机器人发射的时间点。

还有一种常见方法是将超声波的发送端放置于移动机器人上，各个电子标签作为接收端放置于室内空间的固定位置，这样通过在移动机器人上发送超声波，就可以确定各个电子标签到移动机器人之间的距离，并解算出定位坐标。但是通过这种方法，解算的定位坐标信息在上位机上，必须与移动机器人建立通信。

此外，出现了一种新的方法是将超声波与射频技术(或红外线等技术)相结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。这种方法虽然解决了需要采集时间信号的问题，但是使用射频技术必然会增加大量成本。

以上常见超声波的室内定位方法多采用三点测位方式，即测量待测点到三个坐标已知的固定点之间的距离，然后通过距离交会法求解出待测点位的三维坐标。这种方法在理论上，有三个圆相交于一点即移动机器人的位置，但实际上由于测量数据误差的存在，这三个圆并非相交于一点而是三点，给定位坐标带来较大的误差。因此，需要对现有室内定位方法进行改进，设计一种更加合理的室内定位系统和方法，从而减小移动物体的定位误差。

发明内容

针对上述现有超声波室内定位系统的缺陷，本发明的主要目的在于设计一种基于超声波的室内定位系统。本发明的室内定位系统简单可行，设计合理。通过本发明的室内定位系统及创新性的定位方法能够准确的定出移动物体在建立的空间坐标系中的三维坐标。

本发明采取的技术方案是：

一种基于超声波的室内定位系统，其特征在于包括依次连接的超声波发射单元、超声波接收单元和数据处理单元。

所述超声波发射单元，用于产生两种不同频率的超声波，并以预定的时间间隔按预定的顺序发送超声波。