CN101109809A - 一种基于向控感光阵列的定位装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对机器人等在小场域移动的目标实施定位、定向的装置、系统和方法。装置包括：至少三个固定的红外信号发射装置，安装在目标移动平台上的信号接收装置，信号接收装置具有由感光器件组成的环行阵列，感光器件接收的信号导通可控。系统包括：发射模块、接收模块、选通模块、选频模块、A/D模块，以及接口和处理器。使用上述装置探测出目标移动平台与相关红外信号发射装置的相对角度，以此计算出目标移动平台的位置坐标和朝向。采用本发明公开的定位装置、系统和方法，可以对室内或小区域内的移动目标进行实时定位、定向，具有技术设备简单、应用成本低廉、性能稳定维护方便的特点。

Description

一种基于向控感光阵列的定位装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及对移动目标进行定位的装置、系统和方法，尤其是对机器人等在小场域移动的目标定位。

背景技术

随着科技发展，非工业用机器人正快步走进公共服务领域和家庭，这类机器人大多数需要依靠车轮在小场域移动。对于这类非固定机器人，无论是程控还是遥控，往往需要确定当期所处的位置和朝向。

全球定位系统(GPS)是当前通用的定位方法，其相位观测值的定位精度可以达到毫米，但是GPS系统在室内或卫星信号不好的环境其性能将急剧下降。GPS系统能精确定位，但是无法确定目标的朝向，并且其技术复杂、应用成本高。

以移动目标的起始坐标为基础，累计其移动路径，计算出当期的位置和朝向，也是一种定位方法。但是这种方法会产生累积误差，所以在目标需要长时间往复移动的时候使用效果不佳。

在2007年8月1日公开、公开号为CN 101009942A的专利文件中，介绍和公开了一种在移动通讯领域以探测手段对移动目标进行定位的方法，这一方法利用移动台与多个基站间的到达时间差值(TDOA)估计来对移动台定位，由于基于TDOA估计的定位方式需要求解基于TDOA估计建立的一组非线性方程组，其算法复杂、资源占用大、应用成本高。

在国防领域，利用雷达对目标定位是个众所周知的、古老而成熟的方法，利用旋转的雷达天线可以探测目标的方向和距离；相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，它是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式的雷达。

上述几种定位方法，用于服务性机器人等在小场域移动的目标定位，存在技术复杂、应用成本高或定位精度差等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为小场域可移动机器人的定位、定向提供了一种技术简单、维护方便、性能可靠的装置、系统和方法。

为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：在移动目标活动范围的四周建立三个以上固定的红外信号发射装置，分别发射接收装置可以辨别的红外信号；在移动目标上安置一个用感光器件组成的水平环形阵列，感光器件所采集的信号导通受计算机控制，采集的信号经过选通、放大、选频、检波、滤波后生成当期信号的模拟强度值，把此模拟强度值进行模/数转换，生成可以被计算机识别的数字化的当期信号强度值，把上述通过选通和选频分离的信号强度值存入计算机，生成一个分别与接收方向和信号发射装置关联的二维数组；通过对这一二维数组进行分析，获得相关信号发射装置以移动目标为极点、以移动目标朝向为极轴的极角；信号发射装置是固定的，其地图坐标、相互距离是已知的，并且已经事先存储于计算机；取出相关信号发射装置的相互距离，和测算获得的移动目标与相关信号发射装置的极角，建立一个方程组，解方程获得一组极径，因而获得移动目标与相关信号发射装置的相对位置，进而进行坐标系转换，获得移动目标的地图坐标位置和移动目标的朝向。

采用上述装置、系统和方法的有益效果是：相对于GPS、差值估计、旋转雷达等探测式定位系统和方法，本发明具有技术简单、维护方便、成本低廉的特点，尤其适用于供公共服务领域和家庭使用的机器人的探测式定位；相对于路径推算、视频回传等目前用于移动机器人的估算定位方法，本发明具有不存在累积误差、性能可靠的优点；本发明为对室内或小区域内的移动目标进行连续实时的定位、定向提供了一种相对简单、经济、可靠的装置、系统和方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明权利要求3所述由感光器件组成的水平环行阵列的示意图。

图2是本发明实施例信号接收装置的纵剖面构造图。

图3是本发明实施例信号发射装置的纵剖构造分解图。

图4是本发明应用的几何坐标示意图。

图5是本发明实施例的系统图。

图6是本发明实施例发射装置电路原理图。

图7是本发明实施例接收选通模块电路原理图。

图8是本发明实施例选频模块电路原理图。

图9是本发明实施例模/数转换模块电路原理图。

图10是本发明的应用布置示意图。

图11是本发明实施例的控制流程图。

图12是本发明实施例采集的二维数组直方图示例。

图1中1.感光器件

图2中1.感光器件，2.上结构环，3.下结构环，4.电路板，5.接线端子，6.安装孔

图3中7.漏斗形反光盖，8.透明杯形罩，9.发射器件，10.电路板，11.壳体，12.安装座

具体实施方式

参见图1，本发明是基于图1所示的由感光器件组成的水平环行阵列来对移动目标定位、定向的装置、系统和方法。感光器件阵列，由感光方向水平指向远离圆心的感光器件1组成的水平环形阵列组成。

参见图2，本发明实施例中的信号接收装置由256只感光器件1焊接在一块圆形电路板4上，同时由上结构环2和下结构环3固定，电路板4上还焊接有16片4067模拟开关电路和1片74LS154TTL电路，以及15线接线端子5。上结构环2和下结构3用绝缘材料制作，在上结构环2和下结构环3上各均布16个安装孔6，其中8对安装孔6用于电路板4的固定和装置自身的成型，另外8对安装孔6用于与本信号接收装置的上位结构、下位结构固定和连接。

参见图3，本发明实施例中的信号发射装置由漏斗形反光盖7、透明杯形罩8、发射器件9、  电路板10、  壳体11和安装座12组成。电路板10上焊接有由NE555组成的震荡电路和发射器件9，发射器件9垂直指向漏斗形反光盖7，使发射器件9发射的信号成伞状均匀覆盖信号发射装置周围区域。信号发射装置安装在移动目标活动区域的四周，安装位置的标高不宜与信号接收装置的标高相差过大，两者标高之差则是信号盲区的半径。

参见图4，为方便理解本发明的定位方法，绘此几何坐标示意图。示意图中A、B、C三点为信号发射装置，M点为移动目标的位置，过M点的箭头指向为移动目标的朝向。以移动目标的朝向为极轴，AM、BM、CM为极径，极径与极轴的夹角为极角，极角可以通过本发明公开的装置检测获得，极径是本步骤要求解的未知数。图中A、B、C三点是固定的、坐标位置是已知的，因此以此三点连接的三角形的各边、各角也是已知的。设移动目标M点在三角形内，分别连接A点M点、B点M点、C点M点，这时只要依据极角确定两个以M点为顶点的角的角度，就能建立方程求出各个角的角度和各条线段的长度。

已知：AB＝c，AC＝b，∠BAC＝ε

测得：∠AMB＝α，∠CMA＝β

设：AM＝x，∠BAM＝δ

依据正弦定理：a/SinA＝b/SinB＝c/SinC

列方程如下：c/Sinα＝x/Sin(180-α-δ)

b/Sinβ＝x/Sin(180-β-ε+δ)

移项后获得：c*Sin(180-α-δ)/Sinα＝x

b*Sin(180-β-ε+δ)/Sinβ＝x

解方程获得AM和∠BAM，至此由A、B、C、M四点组成的各个三角形的各边、各角都可以通过公知的简单计算获得，这里不再详述。

下面依据上一步的计算结果说明移动目标坐标和朝向的计算方法：过B点作平行于X轴的直线，过M点作平行于Y轴的直线，两直线的交点为D。

已知：BM，∠MBC，∠CBD，B点的极角，B点坐标：Bx，By

∠MBD＝∠MBC+∠CBD

移动目标朝向θ＝180度-B点的极角+∠MBD

BD＝BM*Cos∠MBD

MD＝BM*Sin∠MBD

移动目标坐标Mx＝Bx+BD

移动目标坐标My＝By+MD

本定位方法是依据移动目标与三个坐标已知的参照物的相对角度，计算获得移动目标的地图坐标和朝向的方法。

参见图5，本发明实施例的系统由发射模块、接收模块、选通模块、选频模块、A/D模块和计算机及其接口组成。其中计算机及其接口是借用处于上位的移动目标平台的资源，可以是任何类型的单板机、单片机或PC机。

参见图6，本发明实施例中的发射装置由NE555等组成脉动红外发射驱动电路。本发明实施例中的发射装置具有8种不同的震荡频率，震荡频率在700Hz至3000Hz之间确定。

参见图7，本发明实施例中的接收选通模块由256只光敏三极管、16片4067十六路模拟开关和一片74LS154十六线译码器组成。256只光敏三极管分为16组，每组接在一片4067十六路模拟开关的x0至x15上，每片4067十六路模拟开关的译码器输入端A、B、C、D接至PA口的低四位，4067十六路模拟开关的禁止端INH分别接至74LS154十六线译码器的译码输出端Y0至Y15，译码器的输入地址端A、B、C、D接至PA口的高四位。这样来自PA口的数据控制着256只光敏三极管各自采集的信号的唯一导通。

参见图8，本发明实施例中的选频模块由射极跟随器组成的信号放大电路和八路RC选频放大器组成。各路RC选频放大器的选频频率不同，选频频率要与图6所示红外发射驱动电路的震荡频率一一对应。各路RC选频放大器除包含RC网络和运算放大器以外，还包含由两只二极管组成的倍压检波电路和RC滤波电路。这样，由接收选通模块送出的信号被分成8个信号，来自不同信号发射装置、不同频率的混合信号，在本模块被分离检出，分别送至模/数转换电路ADC0809的模拟输入端IN0至IN7。

参见图9，本发明实施例中的模/数转换由ADC0809完成，模拟输入端IN0至IN7分别来自选频模块不同的选频放大输出，数字量输出端D0至D7接至接口电路的PB口，数据供计算机读取，输入地址端A、B、C接至接口电路的PC口低四位中的PC0、PC1、PC2，由计算机控制选用哪种频率的信号强度值进行模/数转换。

参见图10，为说明本发明实施例进行一次定位测算过程前的必备条件，以及如何利用仅八种信号调制频率，而满足需要设置众多信号发射装置的需要，绘制此应用布置示意图。如图10所示的建筑平面内为移动目标的活动区域，活动区域内所绘圆点为信号发射装置，圆点边的文字FSn为信号发射装置代码，信号发射装置代码下面的文字fn标识此信号发射装置发射的信号频率，其中n是0至7的数字，是对八种发射频率的编号。从图10可以看出信号发射装置有十多个，而发射频率仅八种。由于使用本发明的定位方法，除固定已知的各个信号发射装置坐标以外，仅需要三个由移动目标指向信号发射装置的角度值，就能满足定位的计算需要，所以每进行一次定位测算，只需要采集三个有关信号发射装置的数据；因此当移动目标活动范围较小时，仅设置三个信号发射装置就能满足定位需要。如在图10所示的较大面积、有遮挡的区域应用本发明，则需要设置众多信号发射装置，设置信号发射装置时需要注意同一发射频率的信号发射装置的布置距离，要远大于它与其它频率的信号发射装置的布置距离。也就是说在同一发射频率的信号发射装置之间，要布置多个其它频率的信号发射装置。布置的所有信号发射装置的位置坐标，都要事先存储在进行测算的计算机系统里，并且能依据信号发射装置的代码或编码随时调用。

在使用三个以上信号发射装置进行移动目标定位时，需要依据所布置的信号发射装置的位置，对移动目标的活动区域进行分区，并且要把这些分区各自的区域特征、移动目标在此区域所选用的三个信号发射装置的代码、所选用的信号发射装置的发射频率的编号，事先存储在计算机里。例如图10中区域B的区域特征为：x＞0andx＜9andy＞3andy＜6，也就是区域B的范围是左下角坐标为(0，3)、右上角坐标为(9，6)的矩形，选用代码为FS1、FS2、FS9的信号发射装置为测算参照物，信号发射装置的发射频率编号依次为：1、2、6。

以图10为例，本发明实施例在每进行一次定位测算前，都需要依据移动目标的前期位置坐标，比较各区域特征，确定移动目标的所在区域，并且依据上述存储的本区域选用的信号发射装置的代码，调出事先存储的信号发射装置的位置坐标存入变量X(0)、Y(0)、X(1)、Y(1)、X(2)、Y(2)，调出信号发射装置的发射频率编号存入变量FS(0)、FS(1)、FS(2)。

综合以上说明：本发明实施例在进行定位测算时需要事先确定三个信号发射装置的位置坐标和它们的发射频率编号，每个区域选用哪三个信号发射装置是事先确定的，依据移动目标前期位置确定区域，依据区域调用相关联的数据参与测算。

参见图11，本发明实施例的控制流程图是上位机构控制系统中的一个子程序，此过程进行了一次定位测量与计算。流程图左侧部分记述了系统读写本发明实施例的信号接收装置进行数据采集的过程，流程图右侧上面部分记述了系统依据采集的数据分析确定移动目标与相关信号发射装置相对角度的过程，流程图右侧最下面部分是包含在此子程序中的数学计算过程，此过程依据已知的各个信号发射装置的位置坐标和测算出的移动目标与相关信号发射装置相对角度，计算出移动目标的地图坐标和朝向。

在执行此子程序以前，系统已经完成了把当期选用的三个发射装置的位置坐标写入变量X(0)、Y(0)、X(1)、Y(1)、X(2)、Y(2)，完成了把当期选用的三个发射装置的发射频率编号存储于变量FS(0)、FS(1)、FS(2)。

流程图中常量ZLs为由感光器件组成的水平环行阵列的感光器件的数量，变量ZL为选通地址指针，开始进入本子程序首先对选通地址清0，然后进行选通循环，其实质就是对由感光器件组成的水平环行阵列进行一次顺序扫描。PA口与本发明实施例的选通电路连接，控制选择指向不同方向感光器件接收信号的导通，向PA口写入数据就是选择探测方向。

流程图中I为计数器变量，用此变量进行0至2的循环，读取已经被选频电路分离为数个信号强度模拟量中的三个存入二维数组。PCL口是PC口的低四位，与模/数转换电路ADC0809的地址输入线连接，把FS(I)写入PCL口是控制模/数转换电路的通道选择开关，也就是选择用哪三个发射装置的信号强度值进行模/数转换；模/数转换电路ADC0809的数字量输出端与PB口连接，读PB口就是把来自模/数转换电路数字量输出端的数据读入计算机；读入计算机的这一数据是当前ZL指向、源于FS(I)发射装置的信号强度值，将其存入变量QD(ZL，I)。

完成流程图左侧的程序，系统采集了一个ZLs乘3的二维数组，它们标识出源于三个发射装置的信号在360度不同方向上的强度，当ZL指向信号发射装置时的信号强度值最大。图12是这一二维数组直方图的示例，从直方图中可以看出每一列数据都有一个信号强度值最大的地方，其对应的ZL指向就是移动目标与相关信号发射装置的相对角度，既以移动目标的朝向为极轴，以移动目标至信号发射装置为极径的极角。

流程图右侧上面部分记述了系统查找上述数组中最大值的过程，也就是确定移动目标与相关信号发射装置相对角度的过程。流程图中变量Zlmax(I)最终记录了移动目标与相关信号发射装置相对角度关联的阵列指向，变量QDmax是为比较查找强度最大值而设置的临时变量。这一过程是计算机进行查找的典型过程，因此不再详述。

流程图右侧最下面部分是包含在此子程序中的数学计算过程，其计算原理方法已经在对图4的说明中阐述过，其流程属公知的一般数学计算这里不再累述。

参见图12，这是本发明实施例采集的二维数组直方图示例。直方图横向分为三列，分别对应一个信号发射装置，直方图纵向坐标为感光阵列的选通位置，感光阵列的选通位置与移动目标与相关信号发射装置的相对角度相互关联，直方图中的数值为接收到的信号的信号强度。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明的权利范围。

Claims (5)

1.一种定位方法，由至少三个固定的红外信号发射装置与安装在目标移动平台上的信号接收装置、信号处理电路、控制测算系统组成，其特征在于：

A、所述各红外信号发射装置所发射的信号可以被接信号收装置辨别；

B、所述信号接收装置、信号处理电路、控制测算系统，可以测得目标移动平台与红外信号发射装置的相对角度；

C、所述测算系统通过测得的目标移动平台与三个红外信号发射装置的相对角度，计算获得目标移动平台的坐标和朝向。

2.如权利要求1所述至少有三个固定的红外信号发射装置，其特征在于：

A、所述各红外信号发射装置所发射的信号频率不同；

B、所述各红外信号发射装置具有漏斗形反光盖(7)，使发射的信号成伞状均匀分布。

3.如权利要求1所述安装在目标移动平台上的信号接收装置，其特征在于：

A、所述信号接收装置含有由感光器件(1)组成的水平环行阵列；

B、所述信号接收装置有由计算机地址数据控制的信号选通电路；

C、所述信号接收装置其传出信号的选择受计算机地址数据控制；

D、所述信号选通电路的地址数据，与以目标移动平台为坐标系的信号接收指向关联。

4.如权利要求1所述安装在目标移动平台上的信号处理电路，其特征在于：

A、所述信号处理电路包括用于提高信号扇出能力的放大电路；

B、所述信号处理电路包括用于分离不同频率信号的选频电路；

C、所述信号处理电路包括用于把调制信号转化为直流模拟量的检波滤波电路；

D、所述信号处理电路包括用于把信号强度的模拟量转换成数字量的模/数转换电路。

5.如权利要求1所述安装在目标移动平台上的控制测算系统，其特征在于：

A、所述控制测算系统的硬件部分可以借用上位机构目标移动平台的计算机控制系统的部分资源来完成定位所需的控制和测算；

B、所述控制测算系统，采集如权利要求4所述转换成数字量的信号强度数值，结合如权利要求3所述与信号选通电路相关联的地址数据，计算出目标移动平台的坐标和朝向，其控制测算步骤为：

B01、由所述控制测算系统依次发送如权利要求3所述控制信号选通电路的地址数据，控制如权利要求3所述感光器件阵列中不同指向的感光器件采集的信号相应依次导通；

B02、所述控制测算系统每发送一个如权利要求3所述控制信号选通电路的地址数据以后，都读取并且存储当期的选通地址数据和如权利要求4所述的信号处理电路提供的信号强度数值；

B03、所述控制测算系统依次扫描完如权利要求3所述感光器件阵列中所有感光器件以后，取出本次对感光器件阵列扫描期间存储的全部数据，计算出当期目标移动平台与相关发射装置的相对角度，进而计算获得目标移动平台的坐标和朝向。

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