一種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽的定位和測(cè)速方法技術(shù)

一種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位和測(cè)速方法,具體包括如下步驟：步驟1：待測(cè)標(biāo)簽與基站同步產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，對(duì)各基站得到的數(shù)字中頻信號(hào)按正、負(fù)掃頻分別做FFT處理；步驟2：對(duì)FFT處理結(jié)果做CFAR判決，得到正負(fù)掃頻對(duì)應(yīng)的正中頻頻率f

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于電子通信領(lǐng)域，涉及一種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位和測(cè)速方法。主分類號(hào)為G01S5/06。
技術(shù)介紹
隨著智能技術(shù)的發(fā)展,目前越來(lái)越多的移動(dòng)式機(jī)器人應(yīng)用于餐廳服務(wù)、流配送等領(lǐng)域。機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)是智能機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，而位置和速度信息又是導(dǎo)航的基本要素。因?yàn)樗俣仁且粋€(gè)矢量信息，目前主流的室內(nèi)動(dòng)標(biāo)簽的測(cè)速方法主要為在標(biāo)簽上加入額外的速度或者加速度傳感器來(lái)計(jì)算目標(biāo)速度，加入額外的電子羅盤或方向傳感器來(lái)確定方向，比如專利申請(qǐng)?zhí)?01610321161.X《室內(nèi)導(dǎo)航方法及裝置》利用陀螺儀和方向傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)卡爾曼濾波獲取融合導(dǎo)航信息；專利申請(qǐng)?zhí)?01521043024.X《一種基于UWB技術(shù)的室內(nèi)機(jī)器人自主定位系統(tǒng)》，利用UWB坐標(biāo)終端通過(guò)自帶的電子羅盤計(jì)算出當(dāng)前機(jī)器人的航向角；專利申請(qǐng)?zhí)?01510121270.2《一種腰帶式可穿戴室內(nèi)移動(dòng)定位終端》利用慣性導(dǎo)航模塊的加速度計(jì)和角速度計(jì)各自感知加速度和角速度分別進(jìn)行積分速度和角度信息。這種方式測(cè)速方式，增加了標(biāo)簽的成本，增大了標(biāo)簽體積和復(fù)雜度。另一種對(duì)室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽的定位方法為利用定位系統(tǒng)得到的航跡信息做航跡預(yù)測(cè)處理，比如專利申請(qǐng)?zhí)?01310469003.5《一種室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人定位方法》利用超聲波定位獲得不同時(shí)刻的絕對(duì)距離信息和航跡推算得到相對(duì)距離信息實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的定位；這種方法由于定位精度不高導(dǎo)致距離信息誤差大，得到的航跡信息誤差也比較大，另外這并不是一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)速方法，獲取的速度信息也是不準(zhǔn)確的。目前，室內(nèi)標(biāo)簽定位一般都采用專門的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)，其中線性調(diào)頻連續(xù)波是一種常用的信號(hào)形式，目前主要相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)有：文獻(xiàn)1，《基于線性調(diào)頻信號(hào)的無(wú)線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》（鄭州大學(xué)，武霄泳，碩士論文）；文獻(xiàn)2，專利《一種基于線性調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)精確定位及設(shè)備》（專利申請(qǐng)?zhí)?01310538331.6）；文獻(xiàn)3，專利《室內(nèi)定位裝置及方法》（專利申請(qǐng)?zhí)枺?01410416423.1）。前兩個(gè)文獻(xiàn)采用的是線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)體制，但他們都是距離測(cè)量系統(tǒng)，標(biāo)簽需要分時(shí)與各個(gè)基站距離測(cè)量，另外在測(cè)距時(shí)基站和標(biāo)簽（文獻(xiàn)2，設(shè)備A與設(shè)備B）也需要分時(shí)雙向測(cè)距，這些非實(shí)時(shí)性都給運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽帶來(lái)了定位和測(cè)速誤差。文獻(xiàn)3是一個(gè)距離差系統(tǒng)，定位精度和實(shí)時(shí)性都要優(yōu)于前兩種，但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽，單一的正掃頻或者下掃頻無(wú)法解決速度距離耦合現(xiàn)象從而造成定位誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)定位系統(tǒng)中對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位和測(cè)速精度不足，需要附件額外的速度或加速度以及方向傳感器的問(wèn)題，本專利技術(shù)提出了一種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽的定位與測(cè)速方法。本專利技術(shù)公開了一種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽的定位與測(cè)速方法一種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位和測(cè)速方法,具體包括如下步驟：步驟1：待測(cè)標(biāo)簽與基站同步產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)；所述線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的調(diào)制方式為三角波，對(duì)各基站得到的數(shù)字中頻信號(hào)按正、負(fù)掃頻分別做FFT處理；步驟2：對(duì)FFT處理結(jié)果做CFAR判決，得到正負(fù)掃頻對(duì)應(yīng)的正中頻頻率f+和負(fù)中頻頻率f-；步驟3：利用步驟2得到的正中頻頻率f+和負(fù)中頻頻率f-解算出待測(cè)標(biāo)簽相對(duì)各基站的偽距R，以及待測(cè)標(biāo)簽相對(duì)各基站的速度分量vi；下標(biāo)表示不同基站；步驟4：將步驟3得到的偽距兩兩作差得到基站間真實(shí)距離差，計(jì)算出標(biāo)簽的位置；步驟5：將步驟4得到的標(biāo)簽位置計(jì)算出標(biāo)簽相對(duì)于各基站的角度；步驟6：利用步驟3計(jì)算出的速度分量和步驟5得出的角度解算出標(biāo)簽的速度大小和方向。具體的,所述步驟2中解算標(biāo)簽相對(duì)于各基站的速度分量：vi=c（f++f--2fIF）/2f0其中f0為該基站的載波起始頻率，fIF為該基站和標(biāo)簽調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的起始頻率差。具體的,所述步驟3中偽距R=c（f+-f-）/2μ其中c為光速，μ為連續(xù)波的調(diào)頻斜率。具體的,所述步驟5標(biāo)簽相對(duì)于各基站的角度計(jì)算方法如下：建立XY二維坐標(biāo)系，以x軸正方向?yàn)閰⒖迹渲谢咀鴺?biāo)為（x0,y0）,由所述步驟4得到的標(biāo)簽的坐標(biāo)為（x,y），標(biāo)簽相對(duì)于基站與x軸正方向的夾角為α0：α0=arctan((y-y0)/(x-x0))。具體的,所述步驟6中解算標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)速度和方向的具體方法如下：任選所述步驟3中的得到的兩個(gè)速度分量va、vb，計(jì)算出va與vb的夾角α，選出速度較大的速度分量，這里設(shè)，標(biāo)簽與vb的夾角記作θ，偏向速度va為正方向；標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)角度θ為：標(biāo)簽速度：v=vb/cos(θ)進(jìn)一步的,所述夾角α的計(jì)算方法為：若va>0，va與x軸正方向的夾角αa=α1，va<=0，va與x軸正方向的夾角αa=α1-π；若vb>0，vb與x軸正方向的夾角αb=α2，vb<=0，vb與x軸正方向的夾角αb=α2-π；則α=αb-αa；α1與α2分別為va與vb對(duì)應(yīng)的基站與x軸正方向的夾角。具體的,所述步驟4中得到基站間真實(shí)距離差后，利用雙曲定位原理計(jì)算出標(biāo)簽的位置信息。優(yōu)選的,所述步驟1中基站得到數(shù)字中頻信號(hào)為基站將線性調(diào)頻連續(xù)波經(jīng)過(guò)混頻、濾波、放大后得到。本專利技術(shù)的有益之處在于只利用定位信道實(shí)現(xiàn)室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽的位置和速度解算，具有高精度和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，可以直接應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽的導(dǎo)航。附圖說(shuō)明圖1是能夠?qū)崿F(xiàn)本專利技術(shù)所述方法的一種硬件系統(tǒng)的具體實(shí)施方式示意圖；圖2是圖1中的標(biāo)簽、基站、控制器的一種具體實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本專利技術(shù)的一個(gè)完整工作流程具體實(shí)施方式示意圖；圖4是本專利技術(shù)所述速度解算方法示意圖；圖5是實(shí)施例1中定位區(qū)域、定位裝置分布示意圖；圖6是實(shí)施例1中標(biāo)簽位置解算結(jié)果示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本專利技術(shù)的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本專利技術(shù)采用現(xiàn)有的測(cè)距硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，特別是在中國(guó)專利《室內(nèi)定位裝置及方法》（專利申請(qǐng)?zhí)枺?01410416423.1）中已公開的室內(nèi)定位裝置。如圖1至3所示，給出了本專利技術(shù)所述室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽的定位和測(cè)速方法所適用的室內(nèi)定位裝置的具體實(shí)施方式。圖1為本專利技術(shù)所適用的一室內(nèi)定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖，所述定位系統(tǒng)裝置由控制器、至少三個(gè)不共線的基站和若干定位標(biāo)簽組成。所述控制器和標(biāo)簽設(shè)置通信模塊，所述控制器具有數(shù)字信號(hào)處理功能，所述控制器與各基站通過(guò)有線或無(wú)線方式控制同步信號(hào)。圖2為圖1中控制器、基站和標(biāo)簽的具體結(jié)構(gòu)圖。所述控制器包含同步控制模塊，ZigBee模塊、和信號(hào)處理模塊，控制器的同步控制模塊通過(guò)有線連接各基站的MCU；所述基站由天線、放大器、混頻器、線性調(diào)頻發(fā)生器、濾波放大器、ADC，基站ADC采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)有線傳送給數(shù)字信號(hào)處理器，所述基站接收到標(biāo)簽發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)流向?yàn)樘炀€、放大器、混頻器、濾波放大器、ADC；所述標(biāo)簽由天線、線性調(diào)頻發(fā)生器，標(biāo)簽MCU和ZigBee模塊組成，所述標(biāo)簽MCU通過(guò)ZigBee模塊與控制器同步后，控制線性調(diào)頻發(fā)生器產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)天線發(fā)送出去。圖2的具體實(shí)施方式中，以MCU控制通信信號(hào)的同步；以上控制器中的ZigBee模塊為控制器通信模塊，標(biāo)簽中的ZigBee模塊為標(biāo)簽通信模塊，ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。如圖3所示給出本專利技術(shù)的一個(gè)完整實(shí)施方式流程示意圖，具體流程如下所述：待測(cè)標(biāo)簽與基站同步產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)。所本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位和測(cè)速方法,其特征在于,具體包括如下步驟：步驟1：待測(cè)標(biāo)簽與基站同步產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)；所述線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的調(diào)制方式為三角波，對(duì)各基站得到的數(shù)字中頻信號(hào)按正、負(fù)掃頻分別做FFT處理；步驟2：對(duì)FFT處理結(jié)果做CFAR判決，得到正負(fù)掃頻對(duì)應(yīng)的正中頻頻率f+和負(fù)中頻頻率f?；步驟3：利用步驟2得到的正中頻頻率f+和負(fù)中頻頻率f?解算出待測(cè)標(biāo)簽相對(duì)各基站的偽距R，以及待測(cè)標(biāo)簽相對(duì)各基站的速度分量vi；下標(biāo)表示不同基站；步驟4：將步驟3得到的偽距兩兩作差得到基站間真實(shí)距離差，計(jì)算出標(biāo)簽的位置；步驟5：將步驟4得到的標(biāo)簽位置計(jì)算出標(biāo)簽相對(duì)于各基站的角度；步驟6：利用步驟3計(jì)算出的速度分量和步驟5得出的角度解算出標(biāo)簽的速度大小和方向。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位和測(cè)速方法,其特征在于,具體包括如下步驟：步驟1：待測(cè)標(biāo)簽與基站同步產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)；所述線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的調(diào)制方式為三角波，對(duì)各基站得到的數(shù)字中頻信號(hào)按正、負(fù)掃頻分別做FFT處理；步驟2：對(duì)FFT處理結(jié)果做CFAR判決，得到正負(fù)掃頻對(duì)應(yīng)的正中頻頻率f+和負(fù)中頻頻率f-；步驟3：利用步驟2得到的正中頻頻率f+和負(fù)中頻頻率f-解算出待測(cè)標(biāo)簽相對(duì)各基站的偽距R，以及待測(cè)標(biāo)簽相對(duì)各基站的速度分量vi；下標(biāo)表示不同基站；步驟4：將步驟3得到的偽距兩兩作差得到基站間真實(shí)距離差，計(jì)算出標(biāo)簽的位置；步驟5：將步驟4得到的標(biāo)簽位置計(jì)算出標(biāo)簽相對(duì)于各基站的角度；步驟6：利用步驟3計(jì)算出的速度分量和步驟5得出的角度解算出標(biāo)簽的速度大小和方向。2.如權(quán)利要求1所述室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位和測(cè)速方法，其特征在于,所述步驟2中解算標(biāo)簽相對(duì)于各基站的速度分量：vi=c（f++f--2fIF）/2f0其中f0為該基站的載波起始頻率，fIF為該基站和標(biāo)簽調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的起始頻率差。3.如權(quán)利要求1所述室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位和測(cè)速方法，其特征在于,所述步驟3中偽距R=c（f+-f-）/2μ其中c為光速，μ為連續(xù)波的調(diào)頻斜率。4.如權(quán)利要求1所述室內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽定位和測(cè)速方法，其特征在于,所述步驟5標(biāo)簽相對(duì)于各基站的角度計(jì)算方法如下：建立XY二維坐標(biāo)系...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳祝明，張吉偉，張晨曦，張新旺，徐聰，王林翰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川;51