[发明专利]基于超声波的室内定位系统及其定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及室内导航定位技术领域，具体涉及基于超声波的室内定位系统及其定位方法。

背景技术

超声定位系统中比较典型的系统是Active Bat和Cricket系统。其中前者移动节点发射RF信号和US信号，位置固定的信标节点接收RF信号和US信号；Cricket系统则相反，信标节点作为信号发射节点，待定位的移动节点用于信号的接收，然后根据RF信号和US信号的到达时间差进行分布式目标定位。

Active Bat是低功耗，无线室内定位系统，精度可达3cm。利用三角定位法，利用在天花板上嵌入的超声接收器，测量TOF。

Active Bat系统中，中心控制主机集中控制多个接收节点，而待定的移动节点作为发射节点是不可控的，尤其是当移动节点数量较多的情况下，必然会引起各组RF和US信号之间的串扰。从而导致错误的定位，影响系统的稳定性。Cricket系统具有很好的可扩展性，但其信标节点采用随机发射信号的方式，仍然不能有效解决信号串扰的问题。

在洪林的硕士毕业论文《移动机器人超声波室内定位系统研究》中提出了十字阵单发射多接收系统，该系统依然要通过同步来解决测距问题。

通过分析目前系统中存在的主要问题包括：

1)系统定位过程中需要同步，一般采用射频同步的方法，增加了系统的复杂度；

2)系统定位采用的是三角定位法，因此需要至少三个信标节点和一个移动节点才能完成定位，增加了系统中信标节点个数，也就意味着成本的增加；

3)射频同步的模式，在公共频段，与WIFI等同频，增加了电磁干扰，同时，系统也容易受到电磁干扰的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上技术问题，目的在于提供基于超声波的室内定位系统及其定位方法，实现一种结构简单，能准确定位移动物体在室内的位置，能避免电磁干扰的系统及方法的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

基于超声波的室内定位系统，包括位于天花板上的信标节点和位于移动设备上的移动节点，所述信标节点的数量至少为一个，每个信标节点由超声波发射探头S1和超声波发射探头S2组成，每个移动节点包括至少三个超声波接收探头，所述超声波接收探头与接收控制系统连接，其中：

超声波发射探头S1：以时间T为周期，在一个周期内等时间间隔重复发射超声波信号给超声波接收探头；

超声波发射探头S2：以时间T为周期，在一个周期内等时间间隔重复发射超声波信号给超声波接收探头；

超声波接收探头：依次接收超声波发射探头S1和超声波发射探头S2发射的超声波信号，并将超声波信号传输给接收控制系统；

接收控制系统：接收超声波接收探头传输的超声波信号，并处理。进一步的，本发明利用测向的方法来测量移动节点相对信标节点的位置，只需一个信标节点和一个移动节点就可完成定位，每个信标节点由两个超声波发射探头组成，每个移动节点由三个超声波接收探头构成接收面完成接收；相比现有技术，本发明结构更加简单，减少了系统中信标节点个数，有效降低了定位成本。其次，本发明无需发射射频信号，有效避免了系统定位过程中需要同步，采用射频同步的方法增加了系统的复杂度的问题，同时也避免了电磁干扰。超声波发射探头与发射控制系统连接。超声波接收探头与接收控制系统，由接收控制系统处理定位信息，该接收控制系统为现有结构，包括与超声波接收探头依次连接的放大器、BPF、MCU模块等，放大器将超声波接收探头传输的超声波信号进行功率放大后传输给BPF；BPF接收放大器传输的超声波信号，按其所在频率滤波后传输给MCU模块进行处理，MCU模块将超声波信号进行数模转换和回波信号处理后输出移动设备的定位信息。

优选的，超声波发射探头S1和超声波发射探头S2之间的距离为6～8cm。

优选的，当每个移动节点由三个超声波接收探头组成时，三个超声波接收探头围成一个三角形接收阵列。进一步的，三个超声波接收探头可形成任意形状三阵元平面，围成一个三角形接收阵列，三阵元平面在相同孔径的阵列中，具有线阵有较好的定向精度；当阵列孔径越大，其定距精度越高。在无任何目标位置的先验信息时，为避免整个平面的定位精度不会出现某些点特别大的问题，可采用正三角阵。