基于超聲波的室內(nèi)定位方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于超聲波的室內(nèi)定位方法，該方法流程包括：獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲波傳輸時間，其中，由目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個參考設(shè)備向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波；根據(jù)傳輸時間計(jì)算目標(biāo)設(shè)備與各個參考設(shè)備之間的距離；根據(jù)計(jì)算得到的距離以及各個參考設(shè)備的位置坐標(biāo)獲取目標(biāo)設(shè)備的位置坐標(biāo)；根據(jù)位置坐標(biāo)實(shí)時更新目標(biāo)設(shè)備的位置信息。本發(fā)明還提出一種基于超聲波的室內(nèi)定位裝置。本發(fā)明解決了對于室內(nèi)的移動目標(biāo)進(jìn)行定位時，難以獲取到精確的位置信息的技術(shù)問題。
【專利說明】
基于超聲波的室內(nèi)定位方法、裝置及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及超聲波定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超聲波的室內(nèi)定位方法、裝 置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在開闊的室外環(huán)境，全球定位系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供非常精確的定位信息。但是，在工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事國防中，經(jīng)常需要在室內(nèi)環(huán)境下對目標(biāo)定位物進(jìn)行定位和監(jiān)測。例如，在工 業(yè)控制現(xiàn)場，機(jī)器人和移動車、安全防護(hù)、礦井作業(yè)環(huán)境下都需要準(zhǔn)確的室內(nèi)定位信息來實(shí) 現(xiàn)空間上的高效控制，與室外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境要復(fù)雜的多，建筑物的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部布局的 情況，還有許多人為限制因素等會對室內(nèi)定位的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，利用現(xiàn)有的定位系統(tǒng)，如 GPS定位系統(tǒng)等，由于GPS信號無法穿透房間的建筑材料而難以用于室內(nèi)環(huán)境，導(dǎo)致需要對 室內(nèi)的移動目標(biāo)進(jìn)行定位時，難以獲取到精確的位置信息。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明提供一種基于超聲波的室內(nèi)定位方法、裝置及系統(tǒng)，其主要目的在于解決 對于室內(nèi)的移動目標(biāo)進(jìn)行定位時，難以獲取到精確的位置信息的技術(shù)問題。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于超聲波的室內(nèi)定位方法，所述基于超聲波 的室內(nèi)定位方法包括：
[0005] 獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲波傳輸時間，其 中，由所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個參考設(shè)備向所述目 標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波；
[0006] 根據(jù)所述傳輸時間計(jì)算所述目標(biāo)設(shè)備與各個所述參考設(shè)備之間的距離；
[0007] 根據(jù)計(jì)算得到的所述距離以及各個所述參考設(shè)備的位置坐標(biāo)獲取所述目標(biāo)設(shè)備 的位置坐標(biāo)；
[0008] 根據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。
[0009] 可選地，所述由目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波的步驟包括：
[0010] 所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備同時發(fā)送超聲波和射頻信號；
[0011] 獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲波傳輸時間的步 驟包括：
[0012] 獲取每一個所述參考設(shè)備在接收到所述射頻信號的時間點(diǎn)與接收到所述超聲波 的時間點(diǎn)之間的時間差；
[0013] 將所述時間差作為所述超聲波的傳輸時間。
[0014] 可選地，所述由所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個 參考設(shè)備向所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波的步驟之前，所述方法還包括：
[0015] 同步所述參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與所述目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間。
[0016] 可選地，所述根據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息的步驟之后， 所述方法還包括：
[0017] 當(dāng)根據(jù)所述位置信息檢測到所述目標(biāo)設(shè)備的移動超出預(yù)設(shè)區(qū)域時，發(fā)出警示信 息。
[0018] 可選地，所述根據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息的步驟之后， 所述方法還包括：
[0019]在接收到位置顯示指令時，確定所述位置顯示指令對應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備，并顯示所述 目標(biāo)設(shè)備的位置信息。
[0020]此外，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種基于超聲波的室內(nèi)定位裝置，
[0021 ]所述基于超聲波的室內(nèi)定位裝置包括：
[0022] 獲取模塊，用于獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲波 傳輸時間，其中，由所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個參考設(shè) 備向所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波；
[0023] 處理模塊，用于根據(jù)所述傳輸時間計(jì)算所述目標(biāo)設(shè)備與各個所述參考設(shè)備之間的 距離；
[0024] 以及，根據(jù)計(jì)算得到的所述距離以及各個所述參考設(shè)備的位置坐標(biāo)獲取所述目標(biāo) 設(shè)備的位置坐標(biāo)；
[0025]顯示模塊，用于根據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。
[0026] 可選地，所述基于超聲波的室內(nèi)定位裝置還包括：
[0027] 同步模塊，用于同步所述參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與所述目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間。
[0028] 可選地，所述服務(wù)器還包括：
[0029] 提示模塊，用于當(dāng)根據(jù)所述位置信息檢測到所述目標(biāo)設(shè)備的移動超出預(yù)設(shè)區(qū)域 時，發(fā)出警示信息。
[0030] 可選地，所述顯示模塊，還用于在接收到位置顯示指令時，確定所述位置顯示指令 對應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備，并顯示所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。
[0031] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，所述基于超聲波 的室內(nèi)定位系統(tǒng)包括上述基于超聲波的室內(nèi)定位裝置，所述基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)還 包括目標(biāo)設(shè)備和參考設(shè)備；
[0032] 所述目標(biāo)設(shè)備用于向至少所述三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者，接收至少所述三 個參考設(shè)備發(fā)送的超聲波；
[0033] 所述參考設(shè)備，用于向所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波，或者，接收所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的 超聲波。
[0034]本發(fā)明提出的基于超聲波的室內(nèi)定位方法、裝置及系統(tǒng)，布置至少三個已知位置 坐標(biāo)的參考設(shè)備，由目標(biāo)設(shè)備向參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由參考設(shè)備向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超 聲波，獲取超聲波在目標(biāo)設(shè)備和每一參考設(shè)備之間的傳輸時間，由于超聲波的傳輸速度已 知，可以計(jì)算出目標(biāo)設(shè)備到每一個參考設(shè)備之間的距離，進(jìn)而根據(jù)目標(biāo)設(shè)備到每一個參考 設(shè)備之間的距離，以及每一個參考設(shè)備的位置坐標(biāo)計(jì)算出目標(biāo)設(shè)備的位置坐標(biāo)，由于超聲 波的穿透能力強(qiáng)，即使在室內(nèi)也不容易受到障礙物的影響，測得的距離準(zhǔn)確度高，解決了對 于室內(nèi)的移動目標(biāo)進(jìn)行定位時，難以獲取到精確的位置信息的技術(shù)問題。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位方法較佳實(shí)施例的流程圖；
[0036] 圖2為本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位方法較佳實(shí)施例中目標(biāo)設(shè)備及參考設(shè)備的布 局不意圖；
[0037] 圖3為本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位方法中空間直角坐標(biāo)系示意圖；
[0038] 圖4為本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位方法較佳實(shí)施例中多個目標(biāo)設(shè)備及參考設(shè)備 的布局不意圖；
[0039] 圖5為本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位裝置較佳實(shí)施例的功能模塊示意圖；
[0040] 圖6為本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位裝置硬件配置示意圖。
[0041 ]本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說明。
【具體實(shí)施方式】
[0042]應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0043] 本發(fā)明提供一種基于超聲波的室內(nèi)定位方法。
[0044] 參照圖1所示，為本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位方法較佳實(shí)施例的流程圖。
[0045] 在第一實(shí)施例中，該基于超聲波的室內(nèi)定位方法包括：
[0046] 步驟S10,獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲波傳輸 時間，其中，由所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個參考設(shè)備向 所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波。
[0047]本實(shí)施例提出的定位方法，在室內(nèi)布置至少三個位于不同位置的參考設(shè)備，并且 這些參考設(shè)備的位置坐標(biāo)是已知的。以下以設(shè)置有三個參考設(shè)備為例對本發(fā)明進(jìn)行解釋。 [0048]由于超聲波的傳輸速度是已知的，其在空氣中的傳輸速度為341m/s，本發(fā)明將目 標(biāo)設(shè)備作為超聲波的發(fā)送方，同時將參考設(shè)備作為超聲波的接收方，或者，將參考設(shè)備作為 超聲波的發(fā)送發(fā)，同時將目標(biāo)設(shè)備作為超聲波的接收方，通過對超聲波的發(fā)送時間以及接 收時間進(jìn)行記錄，以獲取超聲波在目標(biāo)設(shè)備和參考設(shè)備之間傳輸所占用的傳輸時間，進(jìn)而 根據(jù)傳輸時間結(jié)合超聲波的傳輸速度計(jì)算出目標(biāo)設(shè)備到參考設(shè)備之間的距離。
[0049] 關(guān)于傳輸時間的獲取，以下的實(shí)施例中以目標(biāo)設(shè)備作為超聲波的發(fā)送方，同時將 參考設(shè)備作為超聲波的接收方為例進(jìn)行說明。
[0050] 作為一種實(shí)施方式，可以通過目標(biāo)設(shè)備在發(fā)送超聲波的同時，發(fā)送射頻信號，每一 個參考設(shè)備在接收到目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的射頻信號時，開始計(jì)時，在接收到目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的超 聲波信號時，停止計(jì)時，每一個參考設(shè)備將記錄的時間作為超聲波信號從目標(biāo)設(shè)備傳輸至 參考設(shè)備占用的時間，因?yàn)椋漕l信號在傳播速度非?？?，與光速相等，約為3X10 8m/s，而 超聲波的傳播速度較低，約為341m/s，因此射頻信號的傳輸時間可以忽略不計(jì)。由于每一個 參考設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間的距離可能不同，因此，每一臺參考設(shè)備獲取的傳輸時間也可能 不同。
[0051] 可選地，目標(biāo)設(shè)備可以每間隔預(yù)設(shè)時間間隔向參考設(shè)備同時發(fā)送射頻信號和超聲 波信號。
[0052] 可選地，目標(biāo)設(shè)備在接收到服務(wù)器發(fā)送的定位指令時，向參考設(shè)備同時發(fā)送射頻 信號和超聲波信號，其中，服務(wù)器可以根據(jù)需要向目標(biāo)設(shè)備定時或者不定時的發(fā)送定位指 令。
[0053]可選地，目標(biāo)設(shè)備與服務(wù)器之間通過無線局域網(wǎng)的形式進(jìn)行指令或者信號的傳 輸，例如Zigbee、藍(lán)牙、WiFi等傳輸方式，參考設(shè)備與服務(wù)器之間進(jìn)行信息傳輸時，例如，在 將傳輸時間傳輸至服務(wù)器時，也可以通過無線局域網(wǎng)的形式進(jìn)行指令或者信號的傳輸，例 如Zigbee、藍(lán)牙、WiFi等傳輸方式。
[0054]在該實(shí)施方式中，參照圖2所示，目標(biāo)設(shè)備設(shè)置有超聲波發(fā)射器、射頻發(fā)射器、以及 無線局域網(wǎng)模塊，參考設(shè)備設(shè)置有超聲波接收器、射頻接收器，無線局域網(wǎng)模塊以及計(jì)時 器，其中，在射頻接收模塊接收到目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的射頻信號時，計(jì)時器開始計(jì)時，在超聲波 接收器接收到超聲波信號時，計(jì)時器停止計(jì)時，記錄的時間即為超聲波由目標(biāo)設(shè)備傳輸至 參考設(shè)備占用的傳輸時間。
[0055] 可選地，計(jì)時器也可以用計(jì)數(shù)器替代，獲取計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)，再將其轉(zhuǎn)換為時 間。
[0056] 作為另一種實(shí)施方式，目標(biāo)設(shè)備中可以不設(shè)置射頻發(fā)射器，參考設(shè)備中可以不設(shè) 置射頻接收器和計(jì)時器，在該實(shí)施方式中，在步驟S10之前，該方法還包括以下步驟：
[0057] 同步所述參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與所述目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間。
[0058] 在進(jìn)行定位之前，對參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間進(jìn)行同步，例如， 可以采用NTP協(xié)議(network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）的方式同步，當(dāng)然，在其他的實(shí) 施例中，也可以采用其他的時間同步方式，確保參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時 間一致，同步后的誤差要遠(yuǎn)小于超聲波在目標(biāo)設(shè)備和參考設(shè)備之間傳輸占用的時間，以保 證位置坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果的精確度。
[0059] 由于參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間一致，那么，目標(biāo)設(shè)備在發(fā)送超 聲波的同時，記錄目標(biāo)設(shè)備當(dāng)前的系統(tǒng)時間點(diǎn)作為發(fā)送時間，參考設(shè)備在接收到超聲波時， 記錄參考設(shè)備當(dāng)前的系統(tǒng)時間點(diǎn)作為接收時間，目標(biāo)設(shè)備和參考書設(shè)備分別將記錄的發(fā)送 時間和接收時間發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)接收時間和發(fā)送時間計(jì)算出時間差，作為超聲 波的傳輸時間。
[0060] 可以理解的是，由于在實(shí)際的使用環(huán)境中，可能存在其他各種射頻信號的干擾，因 此，對于射頻信號來說，可以選擇不被經(jīng)常使用的頻率進(jìn)行發(fā)送，或者，在射頻信號中加載 標(biāo)識信息，接收方在接收到射頻信號根據(jù)標(biāo)識信息判斷射頻信號是否為目標(biāo)設(shè)備發(fā)送。每 一個參考設(shè)備在向服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸時，在數(shù)據(jù)中添加該參考設(shè)備的標(biāo)識信息。
[0061] 步驟S20,根據(jù)所述傳輸時間計(jì)算所述目標(biāo)設(shè)備與各個所述參考設(shè)備之間的距離。
[0062] 步驟S30,根據(jù)計(jì)算得到的所述距離以及各個所述參考設(shè)備的位置坐標(biāo)獲取所述 目標(biāo)設(shè)備的位置坐標(biāo)。
[0063] 服務(wù)器在獲取到傳輸時間之后，根據(jù)傳輸時間與超聲波的傳輸速度341m/s計(jì)算目 標(biāo)設(shè)備與每一個參考設(shè)備之間的距離。當(dāng)然，本實(shí)施例中以在空氣中傳輸為例進(jìn)行說明，當(dāng) 在其他介質(zhì)中使用時，可以使用聲波在該介質(zhì)中的傳輸速度進(jìn)行計(jì)算，例如，在水下進(jìn)行定 位時，則使用超聲波在水中的傳輸速度進(jìn)行計(jì)算。
[0064]參照圖3所示，在室內(nèi)空間建立如圖所示的直角坐標(biāo)系，假設(shè)三個參考設(shè)備分別為 (：1、〇2丄3，其位置坐標(biāo)為:(：1(父1，￥1，21)、〇2(父 2，￥2,22)丄3(父3，￥3,2 3)。
[0065] 計(jì)算所得的目標(biāo)設(shè)備距離三個參考設(shè)備之間的距離分別為11、12、13，目標(biāo)設(shè)備的 位置坐標(biāo)(X，Y，Z)的計(jì)算公式為： (x - x, )2 + (y - f +(z- z{ )2 = /,2
[0066] < (_r -.t2)-+(.y-少2)-+(z -z2)-=勺 (x -x3f + - >3 f + {z~ 2, )2 = 1；
[0067]可選地，為了簡化計(jì)算，可以將三個參考設(shè)備設(shè)置在同一平面上，例如，設(shè)置在平 行于水平面的平面上，那么Zi = Z2 = Z3
[0068] 方程式可以簡化為：
[0_ k墻：馬-辦;其中： ，
[0070] a2i = X2-xi,02i = y2~yi
[0071] a3i = X3-X1,foi = y3-yi
[0074] 若Xi = X2,由于三個參考點(diǎn)互不重合，且不共線，故yi乒y2，xi乒X3,即02i乒0，a3i乒 0,則：
[0076]根據(jù)循環(huán)對稱性，當(dāng)fe = 〇、a31 = 〇、031 = 〇分別成立時，均可以得到類似的解;反 之，如果〇21辛〇、021辛0、〇31辛〇、031辛0同時成立，貝丨J:
[0078] f艮據(jù)- (x - x3)2 - - _f3)2 計(jì)算出Z值。
[0079] 可以理解的是，為了簡化上述計(jì)算過程，可以增加參考設(shè)備的數(shù)量，并將其設(shè)置在 同一平面的非同一直線上。
[0080] 步驟S40，根據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。
[0081] 在服務(wù)器上加載室內(nèi)地圖，在地圖上顯示出目標(biāo)設(shè)備的位置坐標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)設(shè)備發(fā) 生移動時，根據(jù)其位置坐標(biāo)的變化，實(shí)時更新其在室內(nèi)地圖上的位置信息，例如，可以顯示 出其當(dāng)前所在的位置點(diǎn)，或者，顯示出其在一段時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡。
[0082] 進(jìn)一步地，當(dāng)根據(jù)所述位置信息檢測到所述目標(biāo)設(shè)備的移動超出預(yù)設(shè)區(qū)域時，發(fā) 出警示信息。例如，可以在服務(wù)器上設(shè)置蜂鳴器等警報(bào)裝置，當(dāng)目標(biāo)設(shè)備的移動超出預(yù)設(shè)區(qū) 域時，發(fā)出警示信息。
[0083] 進(jìn)一步地，當(dāng)室內(nèi)有多個目標(biāo)設(shè)備需要進(jìn)行定位時，參照圖4所示，則分別對每一 個目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行定位，其中，每一個目標(biāo)設(shè)備在發(fā)送射頻信號時，可以加載特定的標(biāo)識信息 以與其他的設(shè)備進(jìn)行區(qū)分。
[0084]在接收到位置顯示指令時，確定所述位置顯示指令對應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備，并顯示所述 目標(biāo)設(shè)備的位置信息。
[0085]由于可以對多個目標(biāo)設(shè)備分別進(jìn)行定位，服務(wù)器可以對當(dāng)前室內(nèi)的多個目標(biāo)設(shè)備 的位置進(jìn)行顯示，當(dāng)用戶想要單獨(dú)查看某個目標(biāo)設(shè)備的位置信息時，可以觸發(fā)位置顯示指 令，例如，基于顯示屏上蓋目標(biāo)設(shè)備的圖標(biāo)，當(dāng)服務(wù)器接收到位置顯示指令時，確定位置顯 示指令對應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備，將該目標(biāo)設(shè)備的位置信息顯示出來，或者將該目標(biāo)設(shè)備的位置信 息占用的局部區(qū)域放大顯示。
[0086]本實(shí)施例提出的基于超聲波的室內(nèi)定位方法，布置至少三個已知位置坐標(biāo)的參考 設(shè)備，由目標(biāo)設(shè)備向參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由參考設(shè)備向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波，獲取超 聲波在目標(biāo)設(shè)備和每一參考設(shè)備之間的傳輸時間，由于超聲波的傳輸速度已知，可以計(jì)算 出目標(biāo)設(shè)備到每一個參考設(shè)備之間的距離，進(jìn)而根據(jù)目標(biāo)設(shè)備到每一個參考設(shè)備之間的距 離，以及每一個參考設(shè)備的位置坐標(biāo)計(jì)算出目標(biāo)設(shè)備的位置坐標(biāo)，由于超聲波的穿透能力 強(qiáng)，即使在室內(nèi)也不容易受到障礙物的影響，測得的距離準(zhǔn)確度高，解決了對于室內(nèi)的移動 目標(biāo)進(jìn)行定位時，難以獲取到精確的位置信息的技術(shù)問題。
[0087] 本發(fā)明還提出一種基于超聲波的室內(nèi)定位裝置。
[0088] 參照圖5所示，為本發(fā)明基于超聲波的室內(nèi)定位裝置功能模塊示意圖。
[0089] 在該實(shí)施例中，該基于超聲波的室內(nèi)定位裝置包括以下模塊：
[0090] 獲取模塊10,用于獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲 波傳輸時間，其中，由所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個參考 設(shè)備向所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波。
[0091] 本實(shí)施例提出的定位裝置，獲取布置在室內(nèi)至少三個位于不同位置的參考設(shè)備與 目標(biāo)設(shè)備之間的超聲波傳輸時間，根據(jù)傳輸時間對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行定位。這些參考設(shè)備的位 置坐標(biāo)是已知的。以下以設(shè)置有三個參考設(shè)備為例對本發(fā)明進(jìn)行解釋。
[0092] 由于超聲波的傳輸速度是已知的，其在空氣中的傳輸速度為341m/s，本發(fā)明將目 標(biāo)設(shè)備作為超聲波的發(fā)送方，同時將參考設(shè)備作為超聲波的接收方，或者，將參考設(shè)備作為 超聲波的發(fā)送發(fā)，同時將目標(biāo)設(shè)備作為超聲波的接收方，通過對超聲波的發(fā)送時間以及接 收時間進(jìn)行記錄，以獲取超聲波在目標(biāo)設(shè)備和參考設(shè)備之間傳輸所占用的傳輸時間，進(jìn)而 根據(jù)傳輸時間結(jié)合超聲波的傳輸速度計(jì)算出目標(biāo)設(shè)備到參考設(shè)備之間的距離。
[0093] 關(guān)于傳輸時間的獲取，以下的實(shí)施例中以目標(biāo)設(shè)備作為超聲波的發(fā)送方，同時將 參考設(shè)備作為超聲波的接收方為例進(jìn)行說明。
[0094] 作為一種實(shí)施方式，可以通過目標(biāo)設(shè)備在發(fā)送超聲波的同時，發(fā)送射頻信號，每一 個參考設(shè)備在接收到目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的射頻信號時，開始計(jì)時，在接收到目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的超 聲波信號時，停止計(jì)時，每一個參考設(shè)備將記錄的時間作為超聲波信號從目標(biāo)設(shè)備傳輸至 參考設(shè)備占用的時間，因?yàn)?，射頻信號在傳播速度非?？?，與光速相等，約為3X108m/s，而 超聲波的傳播速度較低，約為341m/s，因此射頻信號的傳輸時間可以忽略不計(jì)。由于每一個 參考設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間的距離可能不同，因此，每一臺參考設(shè)備獲取的傳輸時間也可能 不同。
[0095] 可選地，目標(biāo)設(shè)備可以每間隔預(yù)設(shè)時間間隔向參考設(shè)備同時發(fā)送射頻信號和超聲 波信號。
[0096] 可選地，目標(biāo)設(shè)備在接收到室內(nèi)定位裝置發(fā)送的定位指令時，向參考設(shè)備同時發(fā) 送射頻信號和超聲波信號，其中，室內(nèi)定位裝置可以根據(jù)需要向目標(biāo)設(shè)備定時或者不定時 的發(fā)送定位指令。
[0097] 可選地，室內(nèi)定位裝置與目標(biāo)設(shè)備之間通過無線局域網(wǎng)的形式進(jìn)行指令或者信號 的傳輸，例如Zigbee、藍(lán)牙、WiFi等傳輸方式，參考設(shè)備與室內(nèi)定位裝置之間進(jìn)行信息傳輸 時，例如，在將傳輸時間傳輸至室內(nèi)定位裝置時，也可以通過無線局域網(wǎng)的形式進(jìn)行指令或 者信號的傳輸，例如Zigbee、藍(lán)牙、WiFi等傳輸方式。
[0098] 在該實(shí)施方式中，參照圖2所示，目標(biāo)設(shè)備設(shè)置有超聲波發(fā)射器、射頻發(fā)射器、以及 無線局域網(wǎng)模塊，參考設(shè)備設(shè)置有超聲波接收器、射頻接收器，無線局域網(wǎng)模塊以及計(jì)時 器，其中，在射頻接收模塊接收到目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的射頻信號時，計(jì)時器開始計(jì)時，在超聲波 接收器接收到超聲波信號時，計(jì)時器停止計(jì)時，記錄的時間即為超聲波由目標(biāo)設(shè)備傳輸至 參考設(shè)備占用的傳輸時間。
[0099] 可選地，計(jì)時器也可以用計(jì)數(shù)器替代，獲取計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)，再將其轉(zhuǎn)換為時 間。
[0100] 作為另一種實(shí)施方式，目標(biāo)設(shè)備中可以不設(shè)置射頻發(fā)射器，參考設(shè)備中可以不設(shè) 置射頻接收器和計(jì)時器，在該實(shí)施方式中，室內(nèi)定位裝置還包括以下模塊：
[0101] 同步模塊，用于同步所述參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與所述目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間。
[0102] 在進(jìn)行定位之前，對參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間進(jìn)行同步，例如， 可以采用NTP協(xié)議(network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）的方式同步，當(dāng)然，在其他的實(shí) 施例中，也可以采用其他的時間同步方式，確保參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時 間一致，同步后的誤差要遠(yuǎn)小于超聲波在目標(biāo)設(shè)備和參考設(shè)備之間傳輸占用的時間，以保 證位置坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果的精確度。
[0103] 由于參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間一致，那么，目標(biāo)設(shè)備在發(fā)送超 聲波的同時，記錄目標(biāo)設(shè)備當(dāng)前的系統(tǒng)時間點(diǎn)作為發(fā)送時間，參考設(shè)備在接收到超聲波時， 記錄參考設(shè)備當(dāng)前的系統(tǒng)時間點(diǎn)作為接收時間，目標(biāo)設(shè)備和參考書設(shè)備分別將記錄的發(fā)送 時間和接收時間發(fā)送給室內(nèi)定位裝置，獲取模塊10根據(jù)接收時間和發(fā)送時間計(jì)算出時間 差，作為超聲波的傳輸時間。
[0104] 可以理解的是，由于在實(shí)際的使用環(huán)境中，可能存在其他各種射頻信號的干擾，因 此，對于射頻信號來說，可以選擇不被經(jīng)常使用的頻率進(jìn)行發(fā)送，或者，在射頻信號中加載 標(biāo)識信息，接收方在接收到射頻信號根據(jù)標(biāo)識信息判斷射頻信號是否為目標(biāo)設(shè)備發(fā)送。每 一個參考設(shè)備在向室內(nèi)定位裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸時，在數(shù)據(jù)中添加該參考設(shè)備的標(biāo)識信 息。
[0105] 處理模塊20,用于根據(jù)所述傳輸時間計(jì)算所述目標(biāo)設(shè)備與各個所述參考設(shè)備之間 的距離，以及，根據(jù)計(jì)算得到的所述距離以及各個所述參考設(shè)備的位置坐標(biāo)獲取所述目標(biāo) 設(shè)備的位置坐標(biāo)。
[0106] 獲取模塊10在獲取到傳輸時間之后，處理模塊20根據(jù)傳輸時間與超聲波的傳輸速 度341m/s計(jì)算目標(biāo)設(shè)備與每一個參考設(shè)備之間的距離。當(dāng)然，本實(shí)施例中以在空氣中傳輸 為例進(jìn)行說明，當(dāng)在其他介質(zhì)中使用時，可以使用聲波在該介質(zhì)中的傳輸速度進(jìn)行計(jì)算，例 如，在水下進(jìn)行定位時，則使用超聲波在水中的傳輸速度進(jìn)行計(jì)算。
[0107] 參照圖3所示，在室內(nèi)空間建立如圖所示的直角坐標(biāo)系，假設(shè)三個參考設(shè)備分別為 (：1、〇2丄3，其位置坐標(biāo)為:(：1(父 1，￥1，21)、〇2(父2，￥2,2 2)丄3(父3，￥3,23)。
[0108]計(jì)算所得的目標(biāo)設(shè)備距離三個參考設(shè)備之間的距離分別為11、12、13，目標(biāo)設(shè)備的 位置坐標(biāo)(X，Y，Z)的計(jì)算公式為： (x - 1C, )2 + (V - V! )2 + (z - Z, )2 = /,2
[0109] < (x-x2)_+(i,-l,2) +{z-z2) -1； (x - x3)" + ( V - v3)" + (z - z3)" = /3*
[0110] 可選地，為了簡化計(jì)算，可以將三個參考設(shè)備設(shè)置在同一平面上，例如，設(shè)置在平 行于水平面的平面上，那么Zi = Z2 = Z3
[0111] 方程式可以簡化為：
其中： f
[0117] 若Xi = X2,由于三個參考點(diǎn)互不重合，且不共線，故yi乒y2，xi乒X3,即021乒0，a3i乒 0,則：
[0119]根據(jù)循環(huán)對稱性，當(dāng)此分別成立時，均可以得到類似的解;反 之，如果〇21辛〇、021辛0、〇31辛〇、031辛0同時成立，貝丨J:
[0121] f艮據(jù)z =.為-- {x - x3)" - (y - yx)'計(jì)算出Z值。
[0122] 可以理解的是，為了簡化上述計(jì)算過程，可以增加參考設(shè)備的數(shù)量，并將其設(shè)置在 同一平面的非同一直線上。
[0123] 顯示模塊30，用于根據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。
[0124] 在服務(wù)器上加載室內(nèi)地圖，在地圖上顯示出目標(biāo)設(shè)備的位置坐標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)設(shè)備發(fā) 生移動時，根據(jù)其位置坐標(biāo)的變化，實(shí)時更新其在室內(nèi)地圖上的位置信息，例如，可以顯示 出其當(dāng)前所在的位置，或者，顯示出其在一段時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡。
[0125] 進(jìn)一步地，該裝置還包括提示模塊，用于當(dāng)根據(jù)所述位置信息檢測到所述目標(biāo)設(shè) 備的移動超出預(yù)設(shè)區(qū)域時，發(fā)出警示信息。例如，可以在服務(wù)器上設(shè)置蜂鳴器等警報(bào)裝置， 當(dāng)目標(biāo)設(shè)備的移動超出預(yù)設(shè)區(qū)域時，提示模塊發(fā)出警示信息。
[0126] 在需要對移動物體進(jìn)行定位時，可以將目標(biāo)設(shè)備安裝或者放置在移動物體上，對 其進(jìn)行定位。
[0127] 進(jìn)一步地，當(dāng)室內(nèi)有多個目標(biāo)設(shè)備需要進(jìn)行定位時，參照圖4所示，則分別對每一 個目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行定位，其中，每一個目標(biāo)設(shè)備在發(fā)送射頻信號時，可以加載特定的標(biāo)識信息 以與其他的設(shè)備進(jìn)行區(qū)分。
[0128] 顯示模塊30,還用于在接收到位置顯示指令時，確定所述位置顯示指令對應(yīng)的目 標(biāo)設(shè)備，并顯示所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。
[0129] 由于可以對多個目標(biāo)設(shè)備分別進(jìn)行定位，服務(wù)器可以對當(dāng)前室內(nèi)的多個目標(biāo)設(shè)備 的位置進(jìn)行顯示，當(dāng)用戶想要單獨(dú)查看某個目標(biāo)設(shè)備的位置信息時，可以觸發(fā)位置顯示指 令，例如，基于顯示屏上蓋目標(biāo)設(shè)備的圖標(biāo)，當(dāng)服務(wù)器接收到位置顯示指令時，確定位置顯 示指令對應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備，將該目標(biāo)設(shè)備的位置信息顯示出來，或者將該目標(biāo)設(shè)備的位置信 息占用的局部區(qū)域放大顯示。
[0130] 關(guān)于室內(nèi)定位裝置的硬件布置，如圖6所示，可以參照以下方式：
[0131 ] 硬件系統(tǒng)包括但不限于核心處理器、Flash(固態(tài)存儲器）、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動態(tài)隨機(jī)存儲器）、蜂鳴器、USB、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器）、Wi-Fi 模塊、LCD (Li quid Crystal Display，液晶顯示器）、蜂鳴器、電源以及通信管理模塊等。其中，可選地，核心處 理器為S5PV210處理器，通信管理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)串口選擇、串口啟停以及串口調(diào)試等功能， 用于與采樣高精度UB-355 RS232接收器的連接。室內(nèi)定位裝置作為后臺定位監(jiān)控終端，可 以根據(jù)需要搭載不同的操作系統(tǒng)，例如，可以是Android系統(tǒng)等。
[0132] 關(guān)于目標(biāo)設(shè)備和參考設(shè)備的硬件配置，在一實(shí)施例中，目標(biāo)設(shè)備包括但不限于 MSP430單片機(jī)，無線局域網(wǎng)Zigbee模塊，超聲波發(fā)射器，射頻收發(fā)模塊;參考設(shè)備包括但不 限于MSP430單片機(jī)，無線局域網(wǎng)Zigbee模塊，超聲波接收器，射頻收發(fā)模塊等。
[0133] 進(jìn)一步地，述MSP530單片機(jī)的型號是MSP430F14。
[0134] 進(jìn)一步地，所述無線局域網(wǎng)ZigBee模塊的型號是QAZ2000。
[0135] 進(jìn)一步地，所述射頻收發(fā)模塊的CC1101無線模塊。
[0136] 進(jìn)一步地，所述超聲波發(fā)射模塊為GH311RT超聲波T發(fā)射器。
[0137] 進(jìn)一步地，所述超聲波接收模塊為GH311RT超聲波R接收器。
[0138] 進(jìn)一步地，所述定位接收節(jié)點(diǎn)的MSP530單片機(jī)使用串口與Android監(jiān)控終端通信。
[0139] 進(jìn)一步地，所述室內(nèi)定位裝置的核心板的型號為S5PV210。
[0140] 進(jìn)一步地，所述室內(nèi)定位裝置的包括UART、USB、蜂鳴器、SDRAM、Flash等接口電路。
[0141] 進(jìn)一步地，所述室內(nèi)定位裝置軟件包括Android嵌入式操作系統(tǒng)和運(yùn)行于該操作 系統(tǒng)上的Andro i d室內(nèi)定位監(jiān)控系統(tǒng)軟件。
[0142] 進(jìn)一步地，所述室內(nèi)定位裝置后臺數(shù)據(jù)庫為嵌入式SQLite。
[0143] 需要說明的是，上述室內(nèi)定位裝置可以是一臺單獨(dú)的服務(wù)器，或者是集成在其中 一臺參考設(shè)備上。
[0144] 本實(shí)施例提出的基于超聲波的室內(nèi)定位裝置，布置至少三個已知位置坐標(biāo)的參考 設(shè)備，由目標(biāo)設(shè)備向參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由參考設(shè)備向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波，獲取超 聲波在目標(biāo)設(shè)備和每一參考設(shè)備之間的傳輸時間，由于超聲波的傳輸速度已知，可以計(jì)算 出目標(biāo)設(shè)備到每一個參考設(shè)備之間的距離，進(jìn)而根據(jù)目標(biāo)設(shè)備到每一個參考設(shè)備之間的距 離，以及每一個參考設(shè)備的位置坐標(biāo)計(jì)算出目標(biāo)設(shè)備的位置坐標(biāo)，由于超聲波的穿透能力 強(qiáng)，即使在室內(nèi)也不容易受到障礙物的影響，測得的距離準(zhǔn)確度高，解決了對于室內(nèi)的移動 目標(biāo)進(jìn)行定位時，難以獲取到精確的位置信息的技術(shù)問題。
[0145] 本發(fā)明還提出一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上述基于超聲波的室 內(nèi)定位裝置、目標(biāo)設(shè)備和至少三個設(shè)置在不同位置的參考設(shè)備，其中，目標(biāo)設(shè)備用于向至少 三個所述參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者，接收至少所述三個參考設(shè)備發(fā)送的超聲波;參考設(shè)備 用于向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波，或者，接收所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的超聲波。關(guān)于基于超聲波的室 內(nèi)定位裝置，參照上述實(shí)施例，在此不再贅述。
[0146] 以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技 術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于超聲波的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述基于超聲波的室內(nèi)定位方法包 括： 獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲波傳輸時間，其中，由 所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個參考設(shè)備向所述目標(biāo)設(shè)備 發(fā)送超聲波； 根據(jù)所述傳輸時間計(jì)算所述目標(biāo)設(shè)備與各個所述參考設(shè)備之間的距離； 根據(jù)計(jì)算得到的所述距離以及各個所述參考設(shè)備的位置坐標(biāo)獲取所述目標(biāo)設(shè)備的位 置坐標(biāo)； 根據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述由目標(biāo)設(shè)備向 至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波的步驟包括： 所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備同時發(fā)送超聲波和射頻信號； 獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲波傳輸時間的步驟包 括： 獲取每一個所述參考設(shè)備在接收到所述射頻信號的時間點(diǎn)與接收到所述超聲波的時 間點(diǎn)之間的時間差； 將所述時間差作為所述超聲波的傳輸時間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述由所述目標(biāo)設(shè) 備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個參考設(shè)備向所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波 的步驟之前，所述方法還包括： 同步所述參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與所述目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述根據(jù)所述位置 坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息的步驟之后，所述方法還包括： 當(dāng)根據(jù)所述位置信息檢測到所述目標(biāo)設(shè)備的移動超出預(yù)設(shè)區(qū)域時，發(fā)出警示信息。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的基于超聲波的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述根 據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息的步驟之后，所述方法還包括： 在接收到位置顯示指令時，確定所述位置顯示指令對應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備，并顯示所述目標(biāo) 設(shè)備的位置信息。6. -種基于超聲波的室內(nèi)定位裝置，其特征在于，所述基于超聲波的室內(nèi)定位裝置包 括： 獲取模塊，用于獲取目標(biāo)設(shè)備與位于不同位置的至少三個參考設(shè)備之間的超聲波傳輸 時間，其中，由所述目標(biāo)設(shè)備向至少三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者由至少三個參考設(shè)備向 所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波； 處理模塊，用于根據(jù)所述傳輸時間計(jì)算所述目標(biāo)設(shè)備與各個所述參考設(shè)備之間的距 離； 以及，根據(jù)計(jì)算得到的所述距離以及各個所述參考設(shè)備的位置坐標(biāo)獲取所述目標(biāo)設(shè)備 的位置坐標(biāo)； 顯示模塊，用于根據(jù)所述位置坐標(biāo)實(shí)時更新所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超聲波的室內(nèi)定位裝置，其特征在于，所述基于超聲波的 室內(nèi)定位裝置還包括： 同步模塊，用于同步所述參考設(shè)備的系統(tǒng)時間與所述目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)時間。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超聲波的室內(nèi)定位裝置，其特征在于，所述服務(wù)器還包 括： 提示模塊，用于當(dāng)根據(jù)所述位置信息檢測到所述目標(biāo)設(shè)備的移動超出預(yù)設(shè)區(qū)域時，發(fā) 出警示信息。9. 根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)所述的基于超聲波的室內(nèi)定位裝置，其特征在于，所述顯 示模塊，還用于在接收到位置顯示指令時，確定所述位置顯示指令對應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備，并顯示 所述目標(biāo)設(shè)備的位置信息。10. -種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)包 括如權(quán)利要求6-9中任一項(xiàng)所述的基于超聲波的室內(nèi)定位裝置，所述基于超聲波的室內(nèi)定 位系統(tǒng)還包括目標(biāo)設(shè)備和參考設(shè)備； 所述目標(biāo)設(shè)備用于向至少所述三個參考設(shè)備發(fā)送超聲波，或者，接收至少所述三個參 考設(shè)備發(fā)送的超聲波； 所述參考設(shè)備，用于向所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送超聲波，或者，接收所述目標(biāo)設(shè)備發(fā)送的超聲 波。
【文檔編號】G01S5/22GK105929368SQ201610230275
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】陸炎吉
【申請人】南京創(chuàng)維信息技術(shù)研究院有限公司