一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統和方法
【專利摘要】本發明公開一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，包括定位參考點、定位目標設備和中心控制模塊，所述定位參考點設置有唯一的ID號，所述定位目標設備上設置有M個天線和M個通訊模塊，M≥4，所述M個天線在同一水平面上間隔360/M度均勻分布，每個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設備正前方與正北方向的夾角N，所述定位參考點有L個，L≥2，其中至少兩個定位參考點與定位目標設備的夾角既不相等也不互補。
【專利說明】
一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統和方法
技術領域
[0001]本發明涉及目標定位領域，具體涉及一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統和方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著經濟的發展和社會的進步，人們對定位信息的需求與日倶增，尤其是在復雜的室內環境，如辦公大樓、私人會所、倉庫、醫院、地下停車場、圖書館等場所，常常需要確定不同人員的具體位置。現有的室內定位技術有超聲波定位技術、室內GPS定位技術、Wifi定位技術、藍牙定位技術和基于zigbee的定位技術。
[0003]目前基于zigbee的定位技術，基本都是根據zigbee定位目標點與預先布置好的位置已知的定位參考點的信號強度來確定的。兩者離得越近，信號強度越大。哪個定位參考點與zigbee目標定位點之間的信號強度最大，則表示zigbee目標定位點離該參考點最近，主要包括以下兩種方案:
一、預先布置好多個位置已知的定位參考點，定位參考點發送廣播查詢包給zigbee定位目標點，zigbee定位目標點收到后選擇信號最強的定位參考點A進行回復。定位參考點A收到定位目標點發送來的應答消息后，發送定位信息給匯聚節點，這樣便確定定位目標點離定位參考點A最近。該方案存在以下缺點:
1、定位精度差，只能定位到某點周圍的區域，至于目標點離該點的距離是多少、處于該點的什么方位這些數據都不能測量出來。
[0004]2、需要匯聚節點組建和管理無線傳感器網，而一旦匯聚節點故障，整個網絡將癱瘓；
3、只有匯聚節點處才知道目標點所處的位置信息，定位目標點不知道自己所處的位置
?目息O
[0005]二、預先布置好多個位置已知的定位參考點，zigbee定位目標點不斷發送其編號給附近的定位參考點，網絡協調器匯集zigbee定位目標點發送來的信息，并將信息上送給監控中心，監控中心選擇信號能量最強的3個定位參考點傳遞來的信息，按照無線信號的室內通用傳播模型計算zigbee定位目標點距離定位參考點的距離dl、d2、d3，分別以三個定位參考點為圓心，以dl、d2、d3為半徑畫圓，三個圓交點位置即為ZigBee定位目標點的位置。此種方案存在以下缺點:
1、也需要匯聚節點組建和管理無線傳感器網，而若匯聚節點故障，整個網絡將癱瘓。
[0006]2、只有監控中心才知道定位目標點的位置。
[0007]3、布置的定位參考點需要長期處于工作狀態，耗電量大，供電處理麻煩。
[0008]4、根據信號強度算距離，受到發送信號功率、傳輸路徑的干擾比較大，定位結果誤差較大。
[0009]5、需要求解2元2次方程，計算量大。

【發明內容】

[0010]本發明的目的是解決現有技術的缺陷，提供一種基于zigbee陣列天線實現移動目標定位的系統，采用的技術方案如下:
一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，包括定位參考點、定位目標設備和中心控制模塊，所述定位參考點設置有唯一的ID號，所述定位目標設備上設置有M個天線和M個通訊模塊，M彡4，所述M個天線在同一水平面上間隔360/M度均勻分布，每個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設備正前方與正北方向的夾角N，所述定位參考點有L個，L多2，其中至少兩個定位參考點與定位目標設備的夾角既不相等也不互補。
[0011]作為優選，所述中心控制模塊設置在定位目標設備上。
[0012]作為優選，所述M=6，6個天線在同一水平面上間隔60度均勻分布。
[0013]作為優選，M=8，8個天線在同一水平面上間隔45度均勻分布。
[0014]當M=6或者8時，得出的定位參考點相對于定位目標設備的方向比較接近實際方向，在成本與效果中取得平衡。
[0015]作為優選，定位目標設備上的天線為定向天線。
[0016]作為優選，所述定位參考點包括互相連接的通訊模塊和天線。
[0017 ]作為優選，所述通訊模塊為Zigbee模塊或藍牙模塊或wif i模塊。
[0018]本發明的工作步驟如下:
定位參考點定時發送信息，所發送的信息包含自身的ID號、電池電壓等信息；
通訊模塊一旦接收到定位參考點的信息，則發送給中心控制模塊，所發送的信息包含定位參考點的ID號、電池電壓及定位參考點的信號強度；
中心控制模塊接收代表不同信號接收方向的通訊模塊傳來的信息，按照ID號篩選出同個定位參考點在不同接收方向上的信號強度值，并把信號強度值按照矢量方式進行求和運算，計算結果的矢量方向則代表該定位參考點相對于定位目標設備的方向；
對同一 ID號的定位參考點發送的信息，把相鄰3個通訊模塊接收到的信號強度值求和，并篩選出其中的最大值，記為Esum;
通過上述步驟可以獲取到各個定位參考點相對zigbee定位目標設備正前方的夾角(記為A、B、C、D、E...)及信號強度和(記為EsumA、EsumB、EsumC、EsumD、EsumE…)，選擇信號強度和較大且與定位目標設備的夾角既不相等又不互補的2個定位參考點，假設為定位參考點
1、2，它們的坐標分別為(xl，yl)和(x2、y2)(坐標軸y軸和正北方向重合)，通過地磁傳感器獲取到定位目標設備正前方與正北方向的夾角N，根據幾何知識，得出“通過定位參考點I及定位目標設備(xt、Yt)的直線與X軸的夾角Θ 1=Ν+Α-90，通過點斜式即可得出通過定位參考點I及定位目標設備(Xt、Yt)的直線方程I。同理，可以求出通過定位參考點2及定位目標設備(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設備的坐標。
[0019]與現有技術相比，本發明的有益效果:
1、本發明采用陣列天線，可以測量出無線信號來自哪個方向以及無線信號強度的大小，采用“信號的方向“信息來定位，因此定位參考點發送信號功率變化、路徑傳輸損耗對定位幾乎沒影響。
[0020]2、本發明不需要協調器來組建維護網絡，網絡健壯性好。
[0021]3、每個定位目標設備都能獲取到周圍定位參考點的信息，都能根據這些信息計算出自己的位置。
[0022]4、本發明只需要求解二元一次方程組就能得到定位目標設備的位置，運算量少。
[0023]5、本發明中，定位參考點是周期性信息發送者，定位參考點每次發送完信息即可進入休眠狀態，使得系統的功耗極低。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明的系統結構示意圖；
圖2是本發明的定位目標設備的結構示意圖；
圖3是本發明的信號強度矢量分解示意圖；
圖4是本發明的總矢量和的示意圖；
圖5是本發明的定位參考點I與定位目標設備的直線示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0026]實施例:
如圖1和圖2所示，一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，包括定位參考點、定位目標設備和中心控制模塊，所述定位參考點設置有唯一的ID號，所述定位目標設備上設置有M個天線和M個通訊模塊，M彡4，所述M個天線在同一水平面上間隔360/M度均勻分布，每個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設備正前方與正北方向的夾角N，所述定位參考點有L個，L多2，其中至少兩個定位參考點與定位目標設備的夾角既不相等也不互補。
[0027]所述中心控制模塊設置在定位目標設備上。
[0028]所述M=6，6個天線在同一水平面上間隔60度均勻分布，每個通訊模塊代表一個信號接收方向。
[0029]所述定位參考點以廣播方式發送信息。
[0030]定位目標設備上的天線為定向天線。
[0031 ]所述定位參考點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]本發明的工作步驟如下:
定位參考點定時發送信息，所發送的信息包含自身的ID號；
通訊模塊一旦接收到定位參考點的信息，則發送給中心控制模塊，所發送的信息包含定位參考點的ID號及定位參考點的信號強度；
中心控制模塊接收代表不同信號接收方向的通訊模塊傳來的信息，按照ID號篩選出同個定位參考點在不同接收方向上的信號強度值，并把信號強度值按照矢量方式進行求和運算，得到總矢量和E，總矢量和E的方向則代表該定位參考點相對于定位目標設備的方向，具體計算方法如下: 如圖3和圖4所示，假設從正前方開始逆時針方向上的6個模塊接收到的同個定位參考點的信號強度分別為E1、E2、E3、E4、E5、E6，把6個信號強度分解至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軸上矢量和計算公式為:
Ey = (E2+E3-E5-E6)*sin60°
=(E2+E3-E5-E6)*/2
假設總矢量和的方向與X軸的夾角為A(單位:度)，A的計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個方向的信號強度值求和，并篩選出其中的最大值，記為Esum，該大小代表該定位參考點相對于定位目標設備的遠近。
[0036]通過上述步驟可以獲取到各個定位參考點相對定位目標設備正前方的夾角(記為
A、B、C、D…)及信號強度和(記為EsumA、EsumB、EsumC、EsumD…)，選擇信號強度和較大且夾角既不相等又不互補的2個定位參考點，假設為定位參考點1、2，它們的坐標分別為(xl，yl)和(x2、y2)(坐標軸y軸和正北方向重合)。通過地磁傳感器獲取定位目標設備正前方與正北方向的夾角N，根據幾何知識，得出通過定位參考點I及zigbee定位目標設備(Xt、Yt)的直線與X軸的夾角θ 1=Ν+Α-90，通過點斜式即可得出通過定位參考點I及zigbee定位目標設備(Xt、Yt)的直線方程I，如圖5所示。同理，可以求出通過定位參考點2及定位目標設備(Xt、Yt)的直線方程2，求解二元一次方程組即可算出zigbee定位目標設備的坐標。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定位目標的坐標:
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定位目標的坐標: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定位目標的坐標:
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為通過定位參考點2及zigbee定位目標(Xt、Yt)的直線與X軸的夾角。
【主權項】
1.一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，包括定位參考點、定位目標設備和中心控制模塊，所述定位參考點設置有唯一的ID號，其特征在于，所述定位目標設備上設置有M個天線和M個通訊模塊，M彡4，所述M個天線在同一水平面上間隔360/M度均勻分布，每個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設備正前方與正北方向的夾角N，所述定位參考點有L個，L>2，其中至少兩個定位參考點與定位目標設備的夾角既不相等也不互補。2.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，其特征在于，所述中心控制模塊設置在定位目標設備上。3.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，其特征在于，M=6o4.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，其特征在于，定位目標設備上的天線為定向天線。5.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，其特征在于，所述定位參考點包括互相連接的天線和通訊模塊。6.根據權利要求5所述的一種基于陣列天線實現移動目標定位的系統，其特征在于，所述通訊模塊為Zigbee模塊或wifi模塊或藍牙模塊。7.—種基于陣列天線實現移動目標定位的方法，其特征在于，包括以下步驟: 布置L個定位參考點，L多2，并使其中至少兩個定位參考點與定位目標設備的夾角既不相等也不互補； 在定位目標設備上設置M個天線，M彡4，并使這M個天線在同一水平面上間隔360/M度均勾分布； 定位參考點定時發送信息，所發送的信息包含自身的ID號； 定位目標設備通過天線接收定位參考點的信息，天線接收信息后通過通訊模塊發送給中心控制模塊，所發送的信息包含定位參考點的ID號及定位參考點的信號強度； 中心控制模塊接收通訊模塊傳來的信息，按照ID號篩選出同個定位參考點在不同接收方向上的信號強度值，并把信號強度值按照矢量方式進行求和運算，計算結果的矢量方向就是該定位參考點相對于定位目標設備的方向； 在與定位目標設備的夾角既不相等又不互補的定位參考點中選擇信號強度和最大的2個定位參考點，獲取定位目標設備正前方與正北方向的夾角N，求出通過定位參考點I及定位目標設備的直線方程I及通過定位參考點2及定位目標設備的直線方程2; 求解二元一次方程組算出定位目標設備的坐標。8.根據權利要求7所述的一種基于陣列天線實現移動目標定位的方法，其特征在于，所述中心控制模塊設置在定位目標設備上。9.根據權利要求7所述的一種基于陣列天線實現移動目標定位的方法，其特征在于，定位目標設備上的天線為定向天線。10.根據權利要求7所述的一種基于陣列天線實現移動目標定位的方法，其特征在于，所述定位參考點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模塊或藍牙模塊。
【文檔編號】G01S13/06GK106054166SQ201610416426
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】李介彬, 俞翔, 黃洪加, 汪剛, 柏林, 劉雙廣
【申請人】廣州尚云在線科技有限公司