一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，包括定位參考點(diǎn)、定位目標(biāo)設(shè)備和中心控制模塊，所述定位參考點(diǎn)設(shè)置有唯一的ID號(hào)，所述定位目標(biāo)設(shè)備上設(shè)置有M個(gè)天線和M個(gè)通訊模塊，M≥4，所述M個(gè)天線在同一水平面上間隔360/M度均勻分布，每個(gè)天線分別連接了各自的通訊模塊，所述通訊模塊連接了中心控制模塊，所述中心控制模塊還連接了角度獲取模塊，所述角度獲取模塊獲取定位目標(biāo)設(shè)備正前方與正北方向的夾角N，所述定位參考點(diǎn)有L個(gè)，L≥2，其中至少兩個(gè)定位參考點(diǎn)與定位目標(biāo)設(shè)備的夾角既不相等也不互補(bǔ)。
【專利說(shuō)明】
一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及目標(biāo)定位領(lǐng)域，具體涉及一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)定位信息的需求與日倶增，尤其是在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如辦公大樓、私人會(huì)所、倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)院、地下停車場(chǎng)、圖書(shū)館等場(chǎng)所，常常需要確定不同人員的具體位置?，F(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)有超聲波定位技術(shù)、室內(nèi)GPS定位技術(shù)、Wifi定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)和基于zigbee的定位技術(shù)。
[0003]目前基于zigbee的定位技術(shù)，基本都是根據(jù)zigbee定位目標(biāo)點(diǎn)與預(yù)先布置好的位置已知的定位參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定的。兩者離得越近，信號(hào)強(qiáng)度越大。哪個(gè)定位參考點(diǎn)與zigbee目標(biāo)定位點(diǎn)之間的信號(hào)強(qiáng)度最大，則表示zigbee目標(biāo)定位點(diǎn)離該參考點(diǎn)最近，主要包括以下兩種方案:
一、預(yù)先布置好多個(gè)位置已知的定位參考點(diǎn)，定位參考點(diǎn)發(fā)送廣播查詢包給zigbee定位目標(biāo)點(diǎn)，zigbee定位目標(biāo)點(diǎn)收到后選擇信號(hào)最強(qiáng)的定位參考點(diǎn)A進(jìn)行回復(fù)。定位參考點(diǎn)A收到定位目標(biāo)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的應(yīng)答消息后，發(fā)送定位信息給匯聚節(jié)點(diǎn)，這樣便確定定位目標(biāo)點(diǎn)離定位參考點(diǎn)A最近。該方案存在以下缺點(diǎn):
1、定位精度差，只能定位到某點(diǎn)周圍的區(qū)域，至于目標(biāo)點(diǎn)離該點(diǎn)的距離是多少、處于該點(diǎn)的什么方位這些數(shù)據(jù)都不能測(cè)量出來(lái)。
[0004]2、需要匯聚節(jié)點(diǎn)組建和管理無(wú)線傳感器網(wǎng)，而一旦匯聚節(jié)點(diǎn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將癱瘓；
3、只有匯聚節(jié)點(diǎn)處才知道目標(biāo)點(diǎn)所處的位置信息，定位目標(biāo)點(diǎn)不知道自己所處的位置
?目息O
[0005]二、預(yù)先布置好多個(gè)位置已知的定位參考點(diǎn)，zigbee定位目標(biāo)點(diǎn)不斷發(fā)送其編號(hào)給附近的定位參考點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器匯集zigbee定位目標(biāo)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息，并將信息上送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心選擇信號(hào)能量最強(qiáng)的3個(gè)定位參考點(diǎn)傳遞來(lái)的信息，按照無(wú)線信號(hào)的室內(nèi)通用傳播模型計(jì)算zigbee定位目標(biāo)點(diǎn)距離定位參考點(diǎn)的距離dl、d2、d3，分別以三個(gè)定位參考點(diǎn)為圓心，以dl、d2、d3為半徑畫(huà)圓，三個(gè)圓交點(diǎn)位置即為ZigBee定位目標(biāo)點(diǎn)的位置。此種方案存在以下缺點(diǎn):
1、也需要匯聚節(jié)點(diǎn)組建和管理無(wú)線傳感器網(wǎng)，而若匯聚節(jié)點(diǎn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將癱瘓。
[0006]2、只有監(jiān)控中心才知道定位目標(biāo)點(diǎn)的位置。
[0007]3、布置的定位參考點(diǎn)需要長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，耗電量大，供電處理麻煩。
[0008]4、根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度算距離，受到發(fā)送信號(hào)功率、傳輸路徑的干擾比較大，定位結(jié)果誤差較大。
[0009]5、需要求解2元2次方程，計(jì)算量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于zigbee陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，采用的技術(shù)方案如下:
一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，包括定位參考點(diǎn)、定位目標(biāo)設(shè)備和中心控制模塊，所述定位參考點(diǎn)設(shè)置有唯一的ID號(hào)，所述定位目標(biāo)設(shè)備上設(shè)置有M個(gè)天線和M個(gè)通訊模塊，M彡4，所述M個(gè)天線在同一水平面上間隔360/M度均勻分布，每個(gè)天線分別連接了各自的通訊模塊，所述通訊模塊連接了中心控制模塊，所述中心控制模塊還連接了角度獲取模塊，所述角度獲取模塊獲取定位目標(biāo)設(shè)備正前方與正北方向的夾角N，所述定位參考點(diǎn)有L個(gè)，L多2，其中至少兩個(gè)定位參考點(diǎn)與定位目標(biāo)設(shè)備的夾角既不相等也不互補(bǔ)。
[0011]作為優(yōu)選，所述中心控制模塊設(shè)置在定位目標(biāo)設(shè)備上。
[0012]作為優(yōu)選，所述M=6，6個(gè)天線在同一水平面上間隔60度均勻分布。
[0013]作為優(yōu)選，M=8，8個(gè)天線在同一水平面上間隔45度均勻分布。
[0014]當(dāng)M=6或者8時(shí)，得出的定位參考點(diǎn)相對(duì)于定位目標(biāo)設(shè)備的方向比較接近實(shí)際方向，在成本與效果中取得平衡。
[0015]作為優(yōu)選，定位目標(biāo)設(shè)備上的天線為定向天線。
[0016]作為優(yōu)選，所述定位參考點(diǎn)包括互相連接的通訊模塊和天線。
[0017 ]作為優(yōu)選，所述通訊模塊為Zigbee模塊或藍(lán)牙模塊或wif i模塊。
[0018]本發(fā)明的工作步驟如下:
定位參考點(diǎn)定時(shí)發(fā)送信息，所發(fā)送的信息包含自身的ID號(hào)、電池電壓等信息；
通訊模塊一旦接收到定位參考點(diǎn)的信息，則發(fā)送給中心控制模塊，所發(fā)送的信息包含定位參考點(diǎn)的ID號(hào)、電池電壓及定位參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度；
中心控制模塊接收代表不同信號(hào)接收方向的通訊模塊傳來(lái)的信息，按照ID號(hào)篩選出同個(gè)定位參考點(diǎn)在不同接收方向上的信號(hào)強(qiáng)度值，并把信號(hào)強(qiáng)度值按照矢量方式進(jìn)行求和運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果的矢量方向則代表該定位參考點(diǎn)相對(duì)于定位目標(biāo)設(shè)備的方向；
對(duì)同一 ID號(hào)的定位參考點(diǎn)發(fā)送的信息，把相鄰3個(gè)通訊模塊接收到的信號(hào)強(qiáng)度值求和，并篩選出其中的最大值，記為Esum;
通過(guò)上述步驟可以獲取到各個(gè)定位參考點(diǎn)相對(duì)zigbee定位目標(biāo)設(shè)備正前方的夾角(記為A、B、C、D、E...)及信號(hào)強(qiáng)度和(記為EsumA、EsumB、EsumC、EsumD、EsumE…)，選擇信號(hào)強(qiáng)度和較大且與定位目標(biāo)設(shè)備的夾角既不相等又不互補(bǔ)的2個(gè)定位參考點(diǎn)，假設(shè)為定位參考點(diǎn)
1、2，它們的坐標(biāo)分別為(xl，yl)和(x2、y2)(坐標(biāo)軸y軸和正北方向重合)，通過(guò)地磁傳感器獲取到定位目標(biāo)設(shè)備正前方與正北方向的夾角N，根據(jù)幾何知識(shí)，得出“通過(guò)定位參考點(diǎn)I及定位目標(biāo)設(shè)備(xt、Yt)的直線與X軸的夾角Θ 1=Ν+Α-90，通過(guò)點(diǎn)斜式即可得出通過(guò)定位參考點(diǎn)I及定位目標(biāo)設(shè)備(Xt、Yt)的直線方程I。同理，可以求出通過(guò)定位參考點(diǎn)2及定位目標(biāo)設(shè)備(Xt、Yt)的直線方程2，求解二元一次方程組即可算出定位目標(biāo)設(shè)備的坐標(biāo)。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明采用陣列天線，可以測(cè)量出無(wú)線信號(hào)來(lái)自哪個(gè)方向以及無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的大小，采用“信號(hào)的方向“信息來(lái)定位，因此定位參考點(diǎn)發(fā)送信號(hào)功率變化、路徑傳輸損耗對(duì)定位幾乎沒(méi)影響。
[0020]2、本發(fā)明不需要協(xié)調(diào)器來(lái)組建維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)健壯性好。
[0021]3、每個(gè)定位目標(biāo)設(shè)備都能獲取到周圍定位參考點(diǎn)的信息，都能根據(jù)這些信息計(jì)算出自己的位置。
[0022]4、本發(fā)明只需要求解二元一次方程組就能得到定位目標(biāo)設(shè)備的位置，運(yùn)算量少。
[0023]5、本發(fā)明中，定位參考點(diǎn)是周期性信息發(fā)送者，定位參考點(diǎn)每次發(fā)送完信息即可進(jìn)入休眠狀態(tài)，使得系統(tǒng)的功耗極低。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的定位目標(biāo)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的信號(hào)強(qiáng)度矢量分解示意圖；
圖4是本發(fā)明的總矢量和的示意圖；
圖5是本發(fā)明的定位參考點(diǎn)I與定位目標(biāo)設(shè)備的直線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]實(shí)施例:
如圖1和圖2所示，一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，包括定位參考點(diǎn)、定位目標(biāo)設(shè)備和中心控制模塊，所述定位參考點(diǎn)設(shè)置有唯一的ID號(hào)，所述定位目標(biāo)設(shè)備上設(shè)置有M個(gè)天線和M個(gè)通訊模塊，M彡4，所述M個(gè)天線在同一水平面上間隔360/M度均勻分布，每個(gè)天線分別連接了各自的通訊模塊，所述通訊模塊連接了中心控制模塊，所述中心控制模塊還連接了角度獲取模塊，所述角度獲取模塊獲取定位目標(biāo)設(shè)備正前方與正北方向的夾角N，所述定位參考點(diǎn)有L個(gè)，L多2，其中至少兩個(gè)定位參考點(diǎn)與定位目標(biāo)設(shè)備的夾角既不相等也不互補(bǔ)。
[0027]所述中心控制模塊設(shè)置在定位目標(biāo)設(shè)備上。
[0028]所述M=6，6個(gè)天線在同一水平面上間隔60度均勻分布，每個(gè)通訊模塊代表一個(gè)信號(hào)接收方向。
[0029]所述定位參考點(diǎn)以廣播方式發(fā)送信息。
[0030]定位目標(biāo)設(shè)備上的天線為定向天線。
[0031 ]所述定位參考點(diǎn)包括互相連接的通訊模塊和天線。
[0032]所述通訊模塊為Zigbee模塊。
[0033]本發(fā)明的工作步驟如下:
定位參考點(diǎn)定時(shí)發(fā)送信息，所發(fā)送的信息包含自身的ID號(hào)；
通訊模塊一旦接收到定位參考點(diǎn)的信息，則發(fā)送給中心控制模塊，所發(fā)送的信息包含定位參考點(diǎn)的ID號(hào)及定位參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度；
中心控制模塊接收代表不同信號(hào)接收方向的通訊模塊傳來(lái)的信息，按照ID號(hào)篩選出同個(gè)定位參考點(diǎn)在不同接收方向上的信號(hào)強(qiáng)度值，并把信號(hào)強(qiáng)度值按照矢量方式進(jìn)行求和運(yùn)算，得到總矢量和E，總矢量和E的方向則代表該定位參考點(diǎn)相對(duì)于定位目標(biāo)設(shè)備的方向，具體計(jì)算方法如下: 如圖3和圖4所示，假設(shè)從正前方開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较蛏系?個(gè)模塊接收到的同個(gè)定位參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度分別為E1、E2、E3、E4、E5、E6，把6個(gè)信號(hào)強(qiáng)度分解至IjX軸、Y軸上再分別求和(正前方為X軸正方向、正左方為Y軸正方向)。
[0034]X軸上矢量和計(jì)算公式為:
Ex = El-E4+(E2+E6-E3-E5)*cos60°
=Ε1-Ε4+(Ε2+Ε6-Ε3-Ε5)/2Y軸上矢量和計(jì)算公式為:
Ey = (E2+E3-E5-E6)*sin60°
=(E2+E3-E5-E6)*/2
假設(shè)總矢量和的方向與X軸的夾角為A(單位:度)，A的計(jì)算公式分以下幾種情況:
情況1:Ey=0，Ex>0A = O
情況 2:Ey=0，Ex〈0A = 180
情況3 4}^>0 4叉=0A = 90
情況44}<0 4叉=0 A = 270
情況5: Ey # O，Ex # OA = atan(Ey/Ex)*180A。
[0035]把E1~E6相鄰3個(gè)方向的信號(hào)強(qiáng)度值求和，并篩選出其中的最大值，記為Esum，該大小代表該定位參考點(diǎn)相對(duì)于定位目標(biāo)設(shè)備的遠(yuǎn)近。
[0036]通過(guò)上述步驟可以獲取到各個(gè)定位參考點(diǎn)相對(duì)定位目標(biāo)設(shè)備正前方的夾角(記為
A、B、C、D…)及信號(hào)強(qiáng)度和(記為EsumA、EsumB、EsumC、EsumD…)，選擇信號(hào)強(qiáng)度和較大且?jiàn)A角既不相等又不互補(bǔ)的2個(gè)定位參考點(diǎn)，假設(shè)為定位參考點(diǎn)1、2，它們的坐標(biāo)分別為(xl，yl)和(x2、y2)(坐標(biāo)軸y軸和正北方向重合)。通過(guò)地磁傳感器獲取定位目標(biāo)設(shè)備正前方與正北方向的夾角N，根據(jù)幾何知識(shí)，得出通過(guò)定位參考點(diǎn)I及zigbee定位目標(biāo)設(shè)備(Xt、Yt)的直線與X軸的夾角θ 1=Ν+Α-90，通過(guò)點(diǎn)斜式即可得出通過(guò)定位參考點(diǎn)I及zigbee定位目標(biāo)設(shè)備(Xt、Yt)的直線方程I，如圖5所示。同理，可以求出通過(guò)定位參考點(diǎn)2及定位目標(biāo)設(shè)備(Xt、Yt)的直線方程2，求解二元一次方程組即可算出zigbee定位目標(biāo)設(shè)備的坐標(biāo)。分3種情況:
情況一:Θ 1=90° ,0 2^90°，
直線方程1: x=xl。
[0037]直線方程2:y-y2=k2(x_x2)，其中k2=tan( (Ν+Β_90)*π/180)。
[0038]可求出Zigbee定位目標(biāo)的坐標(biāo):
Xt = xl ,Yt = tan((N+B-90)*Jr/180)(xl-x2)+y2。
[0039]情況二: Θ I 乒90。，Θ 2=90。，
直線方程1:y_yl=kl(x_xl)，其中kl=tan((N+A-90)*Ji/180)。
[0040]直線方程2:x=x2。
[0041]可求出zigbee定位目標(biāo)的坐標(biāo):Xt = x2，Yt = tan((N+A-90)*Jr/180)(x2-xl)+yl。
[0042]情況三:ΘI乒90。，?2^90。，
直線方程1:y_yl=kl(x_xl)，其中kl=tan((N+A-90)*Ji/180)。
[0043]直線方程2:y-y2=k2(x_x2)，其中k2=tan( (Ν+Β-90)*π/180)。
[0044]可求出zigbee定位目標(biāo)的坐標(biāo):
Xt =(y2-yl)/(tan((N+A-90)*Ji/180)- tan((Ν+Β-90)*π/180))-(χ2-χ1)，
Yt =(kl*y2-k2*ylV(kl-k2)=(tan((N+A-90)*Ji/180)*y2- tan((Ν+Β-90)*π/180)*yl)/(tan((Ν+Α-90)*π/180)- tan((N+B-90))。
[0045]其中02為通過(guò)定位參考點(diǎn)2及zigbee定位目標(biāo)(Xt、Yt)的直線與X軸的夾角。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，包括定位參考點(diǎn)、定位目標(biāo)設(shè)備和中心控制模塊，所述定位參考點(diǎn)設(shè)置有唯一的ID號(hào)，其特征在于，所述定位目標(biāo)設(shè)備上設(shè)置有M個(gè)天線和M個(gè)通訊模塊，M彡4，所述M個(gè)天線在同一水平面上間隔360/M度均勻分布，每個(gè)天線分別連接了各自的通訊模塊，所述通訊模塊連接了中心控制模塊，所述中心控制模塊還連接了角度獲取模塊，所述角度獲取模塊獲取定位目標(biāo)設(shè)備正前方與正北方向的夾角N，所述定位參考點(diǎn)有L個(gè)，L>2，其中至少兩個(gè)定位參考點(diǎn)與定位目標(biāo)設(shè)備的夾角既不相等也不互補(bǔ)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，其特征在于，所述中心控制模塊設(shè)置在定位目標(biāo)設(shè)備上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，其特征在于，M=6o4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，其特征在于，定位目標(biāo)設(shè)備上的天線為定向天線。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，其特征在于，所述定位參考點(diǎn)包括互相連接的天線和通訊模塊。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的系統(tǒng)，其特征在于，所述通訊模塊為Zigbee模塊或wifi模塊或藍(lán)牙模塊。7.—種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的方法，其特征在于，包括以下步驟: 布置L個(gè)定位參考點(diǎn)，L多2，并使其中至少兩個(gè)定位參考點(diǎn)與定位目標(biāo)設(shè)備的夾角既不相等也不互補(bǔ)； 在定位目標(biāo)設(shè)備上設(shè)置M個(gè)天線，M彡4，并使這M個(gè)天線在同一水平面上間隔360/M度均勾分布； 定位參考點(diǎn)定時(shí)發(fā)送信息，所發(fā)送的信息包含自身的ID號(hào)； 定位目標(biāo)設(shè)備通過(guò)天線接收定位參考點(diǎn)的信息，天線接收信息后通過(guò)通訊模塊發(fā)送給中心控制模塊，所發(fā)送的信息包含定位參考點(diǎn)的ID號(hào)及定位參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度； 中心控制模塊接收通訊模塊傳來(lái)的信息，按照ID號(hào)篩選出同個(gè)定位參考點(diǎn)在不同接收方向上的信號(hào)強(qiáng)度值，并把信號(hào)強(qiáng)度值按照矢量方式進(jìn)行求和運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果的矢量方向就是該定位參考點(diǎn)相對(duì)于定位目標(biāo)設(shè)備的方向； 在與定位目標(biāo)設(shè)備的夾角既不相等又不互補(bǔ)的定位參考點(diǎn)中選擇信號(hào)強(qiáng)度和最大的2個(gè)定位參考點(diǎn)，獲取定位目標(biāo)設(shè)備正前方與正北方向的夾角N，求出通過(guò)定位參考點(diǎn)I及定位目標(biāo)設(shè)備的直線方程I及通過(guò)定位參考點(diǎn)2及定位目標(biāo)設(shè)備的直線方程2; 求解二元一次方程組算出定位目標(biāo)設(shè)備的坐標(biāo)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的方法，其特征在于，所述中心控制模塊設(shè)置在定位目標(biāo)設(shè)備上。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的方法，其特征在于，定位目標(biāo)設(shè)備上的天線為定向天線。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于陣列天線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)定位的方法，其特征在于，所述定位參考點(diǎn)包括互相連接的天線和通訊模塊，所述通訊模塊為Zigbee模塊或wifi模塊或藍(lán)牙模塊。
【文檔編號(hào)】G01S13/06GK106054166SQ201610416426
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】李介彬, 俞翔, 黃洪加, 汪剛, 柏林, 劉雙廣
【申請(qǐng)人】廣州尚云在線科技有限公司