一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統和方法
【專利摘要】本發明公開一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，包括自動跟隨設備和被跟隨目標，所述自動跟隨設備上設置有馬達驅動模塊、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與馬達驅動模塊連接，所述馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨目標的方向運動。
【專利說明】
一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統和方法
技術領域
[0001]本發明涉及自動跟隨技術領域，具體涉及一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統和方法。
【背景技術】
[0002]目前無線網絡中的自動跟隨技術，有基于超聲波測距技術，也有基于2.4G無線測距技術，基本都是根據自動跟隨設備上多個無線模塊天線各自與被跟隨目標上無線模塊天線的距離來確定自動跟隨設備與被跟隨目標的距離，以及兩者之間的角度關系，再通過控制自動跟隨設備上的電機來控制自動跟隨設備向被跟隨目標移動。主要包括以下兩種方案:
1、自動跟隨設備上有I個2.4G無線收發模塊，且同一水平面上布置8個超聲發送喇叭，而被跟隨目標上有I個2.4G無線收發模塊和I個超聲接收喇叭。自動跟隨設備通過2.4G無線收發模塊發送2.4G信號給被跟隨目標，并通過超聲發送喇叭發出超聲信號，被跟隨目標收到2.4G信號后，判斷50ms內是否接收到超聲信號，若有則計算距離并通過2.4G無線收發模塊發送距離結果，若無則通過2.4G無線收發模塊發送超時結果。如申請號為201410497205.5的中國實用新型專利所述。超聲模塊角度是45度，發送完一遍，只有1~2個超聲能得到具體距離，其他都因為角度覆蓋不到而接收超時。根據這I?2個超聲距離，可以大概確定自動跟隨設備與被跟隨目標的距離和角度。
[0003]此種方案存在以下問題:首先容易受到障礙物影響;第二，容易受到其他超聲波設備影響;第三，覆蓋范圍小，自動跟隨設備與被跟隨目標只能在超聲波的有效距離4m內才能探測到;第四，被跟隨目標無線收發模塊需要長時間工作，功耗大。
[0004]2、自動跟隨設備上有多個2.4G無線模塊及天線，而被跟隨目標上有I個2.4G無線模塊及天線。被跟隨目標發送2.4G信號，自動跟隨設備上多個2.4G無線模塊接收信號，根據接收的信號強度，換算成距離，再根據自動跟隨設備上多個2.4G無線模塊與被跟隨目標的距離，確定自動跟隨設備與被跟隨目標的距離和角度關系，如專利號CN201410092270所述。
[0005]此種方案存在以下問題:根據信號強度算距離，而信號強度受到發送信號功率、天氣、傳輸路徑的干擾比較大，因此定位精度較差。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是解決現有技術的缺陷，提供一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，采用的技術方案如下:
一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，包括自動跟隨設備和被跟隨目標，所述自動跟隨設備上設置有馬達驅動模塊、M個天線和M個通訊模塊，M多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與馬達驅動模塊連接，所述馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨目標的方向運動。
[0007]作為優選，所述自動跟隨設備前面設有若干個超聲波模塊。
[0008]作為優選，所述中心控制模塊設置在自動跟隨設備上。
[0009]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。
[0010]作為優選，所述M=8，8個天線在同一水平面上間隔45度均勻分布。
[0011]作為優選，自動跟隨設備上的天線為定向天線。
[0012]作為優選，所述被跟隨設備包括互相連接的通訊模塊和天線。
[00?3]作為優選，所述通訊模塊為Zigbee模塊或藍牙模塊或wif i模塊。
[0014]本發明的一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統的工作過程包括如下步驟:
51.在自動跟隨設備上設置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度均勻分布；
52.被跟隨目標定時發送信息，所發送的信息包含自身的ID號；
53.自動跟隨設備通過天線接收被跟隨設備的信息，天線接收信息后通過通訊模塊發送給中心控制模塊，所發送的信息包含被跟隨設備的ID號及信號強度；
54.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號篩選出同個被跟隨目標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此時被跟隨目標相對于自動跟隨設備的方向A1;
55.通過馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨設備的方向A1前進，直到自動跟隨設備與被跟隨設備的距離小于設定閾值則暫停跟隨。
[0015]作為優選，本發明的基于陣列天線實現自動跟隨的系統還包括以下步驟:
551.對同一ID號的被跟隨設備發送的信息，將相鄰的L個天線接收到的信號強度值求和，LSM，并篩選出其中的最大值，記為Esu血，Esum1大小與此時該被跟隨設備與自動跟隨設備的距離反相關；
552.間隔設定的時間間隔后，重新獲取此時被跟隨目標相對于自動跟隨設備的方向A2及Esum2,通過馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨設備的方向知前進；
553.重復52，直到Esum2超過設定的閾值；
554.通過自動跟隨設備上的的超聲波模塊獲取自動跟隨設備與被跟隨設備之間的距離，當距離小于設定的閾值時，則使自動跟隨設備暫停跟隨。
[0016]作為優選，步驟S51中，將相鄰的3個天線接收到的信號強度值求和，并篩選出其中的最大值，記為Esumi ο
[0017]將相鄰的3個天線接收到的信號強度值求和，求得的實際值與被跟隨設備和自動跟隨設備之間的距離最為接近。
[0018]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。
[0019]2、本發明中，被跟隨目標是周期性信息發送者，被跟隨目標每次發送完信息即可進入休眠狀態，使得系統的功耗極低，使用2節5號干電池即可工作半年以上。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的系統結構示意圖；
圖2是本發明的自動跟隨設備的結構示意圖；
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。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細描述。
[0022]實施例:
如圖1及圖2所示，一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，包括自動跟隨設備和被跟隨目標，所述自動跟隨設備上設置有馬達驅動模塊、M個天線和M個通訊模塊，M多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與馬達驅動模塊連接，所述馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨目標的方向運動。
[0023]所述自動跟隨設備前面設有若干個超聲波模塊，所述超聲波模塊用于測量出其前方方向的障礙物距離。
[0024]所述中心控制模塊設置在自動跟隨設備上。
[0025]所述M=6，6個天線在同一水平面上間隔60度均勻分布。
[0026]自動跟隨設備上的天線為定向天線。
[0027]所述被跟隨設備包括互相連接的通訊模塊和天線。
[0028]所述通訊模塊為Zigbee模塊。
[0029]本發明的一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統的工作過程包括如下步驟:
51.在自動跟隨設備上設置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度均勻分布；
52.被跟隨目標定時發送信息，所發送的信息包含自身的ID號；
53.自動跟隨設備通過天線接收被跟隨設備的信息，天線接收信息后通過通訊模塊發送給中心控制模塊，所發送的信息包含被跟隨設備的ID號及信號強度；
54.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號篩選出同個被跟隨目標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的方向則代表此時被跟隨目標相對于自動跟隨設備的方向A1;
具體計算方法如下:
如圖3及圖4所示，假設從正前方開始逆時針方向上的6個通訊模塊接收到的同個被跟隨設備的信號強度分別為E1、E2、E3、E4、E5、E6，把6個信號強度分解到X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)。
[0030]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。
[0031 ] S5.通過馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨設備的方向A1前進，直到自動跟隨設備與被跟隨設備的距離小于設定閾值則暫停跟隨。
[0032 ]本發明的基于陣列天線實現自動跟隨的系統還包括以下步驟:
551.對同一ID號的被跟隨設備發送的信息，將相鄰的L個天線接收到的信號強度值求和，并篩選出其中的最大值，記為Esum^Esmm大小與此時該被跟隨設備與自動跟隨設備的距離反相關，本實施例中，L=3;
552.間隔設定的時間間隔后，重新獲取此時被跟隨目標相對于自動跟隨設備的方向A2及Esum2,通過馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨設備的方向知前進；
553.重復52，直到Esum2超過設定的閾值；
554.通過自動跟隨設備上的的超聲波模塊獲取自動跟隨設備與被跟隨設備之間的距離，當距離小于設定的閾值時，則使自動跟隨設備暫停跟隨。
[0033]本實施例的步驟S51中，將相鄰的3個天線接收到的信號強度值求和。
【主權項】
1.一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，包括自動跟隨設備和被跟隨目標，其特征在于，所述自動跟隨設備上設置有馬達驅動模塊、M個天線和M個通訊模塊，M多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與馬達驅動模塊連接，所述馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨目標的方向運動。2.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，其特征在于，所述自動跟隨設備前面設有若干個超聲波模塊。3.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，其特征在于，所述中心控制模塊設置在自動跟隨設備上。4.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，其特征在于，所述M=6，6個天線在同一水平面上間隔60度均勻分布。5.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，其特征在于，自動跟隨設備上的天線為定向天線。6.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，其特征在于，所述被跟隨設備包括互相連接的通訊模塊和天線。7.根據權利要求1所述的一種基于陣列天線實現自動跟隨的系統，其特征在于，所述通訊模塊為Zigbee模塊或藍牙模塊或wifi模塊。8.—種基于陣列天線實現自動跟隨的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.在自動跟隨設備上設置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度均勻分布； 52.被跟隨目標定時發送信息，所發送的信息包含自身的ID號； 53.自動跟隨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，所發送的信息包含被跟隨目標的ID號及信號強度； 54.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號篩選出同個被跟隨目標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此時被跟隨目標相對于自動跟隨設備的方向A1; 55.通過馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨設備的方向A1前進，直到自動跟隨設備與被跟隨設備的距離小于設定閾值則暫停跟隨。9.根據權利要求8所述的一種基于陣列天線實現自動跟隨的方法，其特征在于，還包括以下步驟: 551.對同一ID號的被跟隨設備發送的信息，將相鄰的L個天線接收到的信號強度值求和，LSM，并篩選出其中的最大值，記為Esu血，Esum1大小與此時該被跟隨設備與自動跟隨設備的距離反相關； 552.間隔設定的時間間隔后，重新獲取此時被跟隨目標相對于自動跟隨設備的方向A2及Esum2,通過馬達驅動模塊驅動自動跟隨設備往被跟隨設備的方向知前進； 553.重復S52，直到Esum2超過設定的閾值； 554.通過自動跟隨設備上的的超聲波模塊獲取自動跟隨設備與被跟隨設備之間的距離，當距離小于設定的閾值時，則使自動跟隨設備暫停跟隨。10.根據權利要求8所述的一種基于陣列天線實現自動跟隨的方法，其特征在于，步驟S51中，將相鄰的3個天線接收到的信號強度值求和，并篩選出其中的最大值，記為Esum1。
【文檔編號】H01Q1/12GK106058417SQ201610422130
【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, 陳永燦, 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