一种室内定位系统和方法

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一种室内定位系统和方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种非接触式定位设备及定位方法。\n背景技术\n[0002] 随着计算机技术、传感器技术、伺服电机技术、控制理论等技术的不断成熟和发展，能够在工厂、车间等环境下实现精确定位，并完成移动任务的设备被越来越多的工作者提上了要求，并且技术的成熟和发展也使得开发这种设备成为可能。然而目前现在的无线室内定位系统存在成本较高，定位精度不高的问题，目前流行的无线室内定位系统有：\nZigBee、UWB（超宽带）、RFID射频识别定位、超声波定位、GPS、地磁定位等，这些定位方式的定位精度从十几厘米到几米不等，而且成本较高，还不能满足设备在工厂和车间内进行精确地自动化生产的要求。\n发明内容\n[0003] 为解决现有室内定位系统定位精度不足的技术问题，本发明提供一种室内精确定位系统。\n[0004] 本发明为解决上述技术问题提供的技术方案是：一种室内定位系统，其特征在于：\n包括依次连接的控制器、驱动装置和旋转机构，以及分别与所述控制器连接的第一激光测距仪和第二激光测距仪；所述第一激光测距仪和所述第二激光测距仪固定安装于所述旋转机构上，该第一激光测距仪发射出的光线与该第二激光测距仪发射出的光线垂直。\n[0005] 采用本发明技术方案，可以利用两个垂直的激光测距仪实现定位，定位精度高，并且，可以利用两个激光测距仪与参考边的距离关系来校准激光测距仪发射光线的方向，利用简单结构即实现了对定位系统的校准，构思新颖。\n[0006] 进一步的，所述室内定位系统还包括与所述控制器连接的方向指示器，所述方向指示器固定安装于所述旋转机构上。\n[0007] 采用上述技术方案，方向指示器可以测出方向，利用方向数据对激光测距仪进行校准或校正，校准速度快，成本低。\n[0008] 进一步的，所述室内定位系统还包括与所述控制器连接的第三激光测距仪；所述第三激光测距仪固定安装于所述旋转机构上，该第三激光测距仪发射出的光线与所述第一激光测距仪发射出的光线或者所述第二激光测距仪发射出的光线垂直。\n[0009] 采用上述技术方案，可在利用第一、第二激光测距仪的组合进行定位时若其中一个激光测距仪发射的光线被阻挡，则可以利用第一、第三激光测距仪的组合或第二、第三测距仪的组合来进行定位，能够满足较复杂的场地环境；还可以利用第一、第三激光测距仪与两平行的参考边的距离之和的规律，实现校准。\n[0010] 进一步的，所述室内定位系统还包括分别与所述控制器连接的第三激光测距仪和第四激光测距仪；所述第三激光测距仪和所述第四激光测距仪均固定安装于所述旋转机构上，该第三激光测距仪发射出的光线与该第四激光测距仪发射出的光线垂直。\n[0011] 采用上述技术方案，可在利用第一、第二激光测距仪的组合进行定位时若其中两个激光测距仪发射的光线被阻挡，则可以利用第三、第四激光测距仪的组合来进行定位，能够满足更复杂的场地环境；还可以利用第一、第三激光测距仪与相应两相平行的参考边的距离之和的规律，或者第二、第四激光测距仪与相应两平行的参考边的距离之和的规律，实现校准。\n[0012] 进一步的，所述室内定位系统还包括分别与所述控制器连接的运动系统、通讯装置和电源装置；所述运动系统包括左主动轮、右主动轮、左从动轮、右从动轮以及分别与所述控制器连接的两部驱动电机，所述左主动轮和所述右主动轮均为活动脚轮，所述左从动轮和所述右从动轮均为固定脚轮，所述左主动轮由一部所述驱动电机驱动，所述右主动轮由另一部所述驱动电机驱动；所述方向指示器为电子罗盘。\n[0013] 采用上述技术方案，结构简单，使室内定位系统能直行或转弯，成为移动机器人；\n并且运动系统的这种构造方式，可以以很小的转弯半径实现转弯，利于对激光测距仪的调整，且节省时间。\n[0014] 本发明还提供一种室内定位方法，包括如下步骤：\n[0015] 步骤s1：布置相互垂直地横向参考边和纵向参考边，构成平面直角坐标系；\n[0016] 步骤s2：控制器控制旋转机构转动以调整处于被测点的两个激光测距仪的发射角度，使两者发射的光线的方向均为标准发射方向，即使一个激光测距仪发射的光线射向并垂直于横向参考边，另一个激光测距仪发射的光线射向并垂直于纵向参考边；\n[0017] 步骤s3：利用两个激光测距仪测量被测点与横向参考边和纵向参考边的距离，得到被测点在平面直角坐标系中的坐标。\n[0018] 进一步的，步骤s2包括对发射光线的方向进行调整的方法：控制器根据从方向指示器处获取的方向信息调整两个激光测距仪发射的光线的方向至标准发射方向。\n[0019] 进一步的，步骤s2包括：当指示器需要校正时，执行方向指示器的校正方法，该校正方法包括以下子步骤：\n[0020] 子步骤s21：使室内定位系统位置固定不变，控制旋转机构带动两个激光测距仪同步转动一周并不断发射光线；\n[0021] 子步骤s22：比较一个激光测距仪在各发射方向上与横向参考边的距离，找出使该距离最小的方向，该方向即为该激光测距仪的标准发射方向；\n[0022] 子步骤s23：比较另一个激光测距仪在各发射方向上与纵向参考边的距离，找出使该距离最小的方向，该方向即为该激光测距仪的标准发射方向；\n[0023] 子步骤s24：控制器根据子步骤s22和子步骤s23的结果校正方向指示器。\n[0024] 进一步的，所述室内定位系统包括三个激光测距仪，步骤s1中还包括以下子步骤：\n[0025] 子步骤s11：分别布置一条纵向参考边和与其相垂直的两条横向参考边；\n[0026] 子步骤s12：布置第一、第二、第三激光测距仪均位于被测点处，使第一激光测距仪发射的光线的方向与第二激光测距仪发射的光线的方向相互垂直、与第三激光测距仪发射的光线的方向相背；\n[0027] 子步骤s13：当第一激光测距仪在其光线发射方向与一条横向参考边之间无障碍物时，利用第一、第二激光测距仪进行定位；\n[0028] 子步骤s14：当第一激光测距仪在其光线发射方向与一条横向参考边之间有障碍物时，利用第二、第三激光测距仪进行定位；\n[0029] 步骤s2进一步包括：当方向指示器需要校正时，执行方向指示器的校正方法，该校正方法包括以下子步骤：\n[0030] 子步骤s2a：使室内定位系统位置固定不变，旋转机构带动四个激光测距仪同步转动一周并不断发射光线；\n[0031] 子步骤s2b：比较第一、第三激光测距仪在各发射方向上与两条横向参考边的距离之和，找出使该距离之和最小的方向，该方向即为第一或第三激光测距仪的标准发射方向；\n[0032] 子步骤s2c：根据子步骤s2b的结果校正方向指示器。\n[0033] 进一步的，所述室内定位系统包括四个激光测距仪，步骤s1包括以下子步骤：\n[0034] 子步骤s1a：分别布置两条相平行的纵向参考边和与其相垂直的两条相平行的横向参考边；\n[0035] 子步骤s1b：布置第一、第二、第三、第四激光测距仪均位于被测点处，使第一激光测距仪发射的光线的方向与第二激光测距仪发射的光线的方向相互垂直、与第三激光测距仪发射的光线的方向相背，使第四激光测距仪发射的光线的方向与第二激光测距仪发射的方向相背；\n[0036] 子步骤s1c：当第一激光测距仪在其光线发射方向上与一条横向参考边之间无障碍物、且第二激光测距仪在其光线发射方向上与一条纵向参考边之间无障碍物时，利用第一、第二激光测距仪进行定位；\n[0037] 子步骤s1d：当第一、第二激光测距仪在其光线发射方向与一条横向参考边或一条纵向参考边之间有障碍物时，利用第三、第四激光测距仪进行定位。\n[0038] 本发明带来的有益效果是：本发明的室内定位系统设计简单，制造成本低，具有较高的定位和运动精度，定位精确度能达到10mm级，设备具有人机接口方便操作，具有与上位控制中心交互的功能，可进行远程操作，设定任务等，这些特点使该系统可以在工厂、车间的自动化生产领域广泛使用，部分代替人工工作，提高生产效率和自动化水平。\n附图说明\n[0039] 图1为本发明实施例的室内定位系统的结构示意框图。\n[0040] 图2为本发明实施例的室内定位系统的定位原理示意图。\n[0041] 图3为本发明实施例的室内定位系统中的驱动装置2和旋转机构3的结构示意图。\n[0042] 图4为本发明实施例的室内定位系统中的运动系统6的结构示意图。\n具体实施方式\n[0043] 下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。\n[0044] 如图1所示，本发明实施例室内定位系统，包括依次连接的控制器1、驱动装置2、旋转机构3，以及分别与控制器1连接的第一激光测距仪41和第二激光测距仪42；第一激光测距仪41和第二激光测距仪42均固定安装于旋转机构3上，第一激光测距仪41发射出的光线与第二激光测距仪42发射出的光线垂直。\n[0045] 本实施例的室内定位系统为一可移动的设备，或称移动机器人。在室内定位系统上安装互成90°的第一、第二两个激光测距仪，用于测量移动设备在二维空间的坐标。激光测距仪的测量范围是0.05m~70m，精度为1mm，能满足工业自动化生产的距离和精度要求。\n激光测距仪采用新型技术，无需反光板。在测量时，如图2所示，应保证在激光测距仪的水平高度上激光测距仪与参考边之间应没有遮挡物。\n[0046] 上述室内定位系统应用于如下的定位方法中，该定位方法包括以下步骤：\n[0047] 步骤s1：如图2所示，布置相互垂直地横向参考边L1和纵向参考边L2，构成平面直角坐标系（横向参考边和纵向参考边是室内定位系统所在区域的边界，通常是室内墙壁，激光测距仪所测量的距离就是室内定位系统与室内墙壁的距离，成相互垂直的两面室内墙壁区域就是横、纵坐标轴；也可以以其它能反射激光的两个相垂直的实物作为横、纵参考边）；\n[0048] 步骤s2：控制器控制旋转机构转动以调整处于被测点的两个激光测距仪的发射角度，使两者发射的光线的方向均为标准发射方向，即，使一个激光测距仪发射的光线射向并垂直于横向参考边，另一个激光测距仪发射的光线射向并垂直于纵向参考边；\n[0049] 步骤s3：利用两个激光测距仪测量被测点与横向参考边和纵向参考边的距离，得到被测点在平面直角坐标系中的坐标。\n[0050] 优选的，如图1所示，本实施例的室内定位系统还包括与控制器1连接的方向指示器5，方向指示器5可选用电子罗盘，方向指示器5固定安装于旋转机构3上。要使激光测距仪所测得的二维空间坐标正确，相应的激光测距仪必分别与区域的横向参考边和纵向参考边保持垂直，为了得到激光测距仪的所处方向，在系统中设置安装了电子罗盘。电子罗盘利用地磁测量方向，磁传感器属于无源器件，可以在室内使用。测量范围0~360°,精度\n1.5°。方向传感器5具有RS485串行口输出，可以将方向值传输到控制器1，控制器1据此调整各激光测距仪的角度，得出正确的空间坐标。\n[0051] 如图3所示，旋转机构3包括依次连接的联轴器31、轴承32和旋转平台33，各激光测距仪和方向指示器5固定安装在旋转平台33上，联轴器31与驱动装置2的输出杆连接，旋转机构3在驱动装置2的驱动下转动。驱动装置2为一台旋转马达，控制器1接收到方向指示器5的方向数据后通过控制旋转机构3转动来调整激光测距仪和方向指示器5的位置，使相应的激光测距仪分别保持和横向参考边L1和纵向参考边L2垂直。即，上述步骤s2进一步包括对发射光线的方向进行调整的方法：控制器1根据从方向指示器5处获取的方向信息调整两个激光测距仪发射的光线的方向至标准发射方向。\n[0052] 优选的，本实施例的室内定位系统还包括辅助测距子系统。\n[0053] 作为辅助测距子系统的一个实施例，辅助子系统包括与控制器1连接的第三激光测距仪43，第三激光测距仪43固定安装于旋转机构3上；第三激光测距仪43发射出的光线与第一激光测距41仪发射出的光线或者第二激光测距仪42发射出的光线垂直。\n[0054] 利用第一、第二和第三激光测距仪，可以实现一种辅助测距，为此，上述步骤s1中进一步包括以下子步骤：\n[0055] 子步骤s11：分别布置一条纵向参考边L2和与其相垂直的两条横向参考边L1；\n[0056] 子步骤s12：布置第一、第二、第三激光测距仪均位于被测点处，使第一激光测距仪发射的光线的方向与第二激光测距仪发射的光线的方向相互垂直、与第三激光测距仪发射的光线的方向相背；\n[0057] 子步骤s13：当第一激光测距仪在其光线发射方向与一条横向参考边之间无障碍物时，利用第一、第二激光测距仪进行定位；\n[0058] 子步骤s14：当第一激光测距仪在其光线发射方向与一条横向参考边之间有障碍物时，利用第二、第三激光测距仪进行定位。\n[0059] 作为辅助测距子系统的另一个实施例，如图2所示，辅助测距子系统包括分别与控制器1连接的第三激光测距仪43和第四激光测距仪44，第三、第四激光测距仪均固定安装于旋转机构3上；第三激光测距仪43发射出的光线与第四激光测距仪44发射出的光线垂直。第三、第四激光测距仪安装在第一、第二激光测距仪相对的位置，其作用有两个：其一是辅助测距，当区域内有物体遮挡了第一或第二激光测距仪时，第三、第四激光测距仪仍然能测量出空间坐标，这样就放宽了测距系统对区域内其它物体布局的要求；其二是辅助定向，在活动区域内，当相应的激光测距仪分别与横向参考边L1和纵向参考边L2保持垂直的时候，第一和第三激光测距仪所测得的数据之和应为一恒定值，如果该值变大则说明激光测距仪的方向出现了偏差，移动机器人将停下来重新定向。\n[0060] 本实施例的室内定位系统所应用于的定位方法中包括另一种辅助测距的方法，其是利用具有四个激光测距仪的辅助测距子系统实现的。为了实现辅助测距的功能，上述步骤s1中进一步包括以下子步骤：\n[0061] 子步骤s1a：分别布置两条相平行的横向参考边L1和与其相垂直的两条相平行的纵向参考边L2；\n[0062] 子步骤s1b：布置第一、第二、第三、第四激光测距仪均位于被测点处，使第一激光测距仪发射的光线的方向与第二激光测距仪发射的光线的方向相互垂直、与第三激光测距仪发射的光线的方向相背，使第四激光测距仪发射的光线的方向与第二激光测距仪发射的方向相背；\n[0063] 子步骤s1c：当第一激光测距仪在其光线发射方向上与一条横向参考边之间无障碍物、且第二激光测距仪在其光线发射方向上与一条纵向参考边之间无障碍物时，利用第一、第二激光测距仪进行定位；\n[0064] 子步骤s1d：当第一、第二激光测距仪在其光线发射方向与一条横向参考边或一条纵向参考边之间有障碍物时，利用第三、第四激光测距仪进行定位。\n[0065] 本实施例的室内定位系统在进行定位时，首先控制器1会读取电子罗盘的方向数据，根据电子罗盘的方向数据调节旋转机构3，使工作状态的激光测距仪发射的光线的方向为标准发射方向。然而，电子罗盘如果受到了干扰（此时控制器1会判断出并控制发出报警），或者数据可能存在疑问，则需要对电子罗盘进行校正以重新定向。因此，上述步骤s2进一步包括：当方向指示器5需要校正时，执行对方向指示器5进行校正的方法。该校正方法包括两种实现方式。\n[0066] 校正方法的一种具体实现方式是通过辅助测距子系统的重新定向功能实现的，该实现方式包括以下子步骤：\n[0067] 子步骤s2a：使室内定位系统位置固定不变，旋转机构3带动四个激光测距仪同步转动一周并不断发射光线；\n[0068] 子步骤s2b：比较第一、第三激光测距仪在各发射方向上与两条横向参考边L1的距离之和，找出使该距离之和最小的方向，该方向即为第一或第三激光测距仪的标准发射方向；\n[0069] 子步骤s2c：根据子步骤s2b的结果校正方向指示器。\n[0070] 校正方法还可以有另一种具体实现方式，这种实现方式可以使本实施例的室内定位系统仅仅具备第一和第二激光测距仪。两个激光测距仪顺时针方向和逆时针方向分别转动一次，当两个激光测距仪分别和横向参考边L1和纵向参考边L2垂直时，所测得的距离值最小，也就是说，当所测得的距离值最小时各激光测距仪所处的位置即为正确的位置，在此位置发射的光线的方向才会是标准发射方向。具体的，该实现方式包括以下子步骤：\n[0071] 子步骤s21：使室内定位系统位置固定不变，控制旋转机构带动两个激光测距仪同步转动一周并不断发射光线；\n[0072] 子步骤s22：比较一个激光测距仪在各发射方向上与横向参考边的距离，找出使该距离最小的方向，该方向即为该激光测距仪的标准发射方向；\n[0073] 子步骤s23：比较另一个激光测距仪在各发射方向上与纵向参考边的距离，找出使该距离最小的方向，该方向即为该激光测距仪的标准发射方向；\n[0074] 子步骤s24：控制器根据子步骤s22和子步骤s23的结果校正方向指示器。\n[0075] 如图1所示，本实施例的室内定位系统还包括分别与控制器1连接的运动系统6、通讯装置7和电源装置8。如图4所示，运动系统6包括左主动轮6a1、右主动轮6b1、左从动轮6a2、右从动轮6b2以及分别与控制器1连接的两部驱动电机61，左主动轮6a1和右主动轮6b1均为活动脚轮，左从动轮6a2和右从动轮6b2均为固定脚轮，左主动轮6a1由一部驱动电机61驱动，右主动轮6b1由另一部驱动电机61驱动。通讯装置7可采用无线数传电台，无线数传电台用于移动设备和控制中心c100的联络，使移动设备处于控制中心c100的监控之下。\n[0076] 本实施例的室内定位系统中的运动系统需满足以下要求：第一，可实现前进和后退；第二，可实现原地转向，移动机器人所处的空间有限，而且转弯时偏离原位置后重新调整位置将会需要较多时间，所以转弯半径应越小越好；第三，速度和转动距离可控；第四，输出力矩范围大，在负载变化的情况下仍然能保持响应速度基本不变；第五，具有快速制动能力。根据这些要求，如图4所示，采用步进电机作为驱动电机61；为使移动机器人平衡，采用四轮结构；为了能够尽可能小半径地转向，左主动轮6a1和右主动轮6b1分别由两部驱动电机61驱动，当两部驱动电机61同向同速运行时移动机器人前进或后退，当左、右主动轮相反方向转动时，移动机器人在原地转向；为了使从动轮及时响应主动轮，从动轮和主动轮以链条63连接。\n[0077] 本实施例的室内定位系统中的控制器1的有下述作用：第一，读取激光测距仪和方向指示器5的数据；第二，接受现场操作指令和上位控制中心的任务指令；第三，控制驱动电机61和旋转机构3，使移动设备完成指令要求的任务；第四，可驱动LCD显示屏，提供人机操作接口。于是，控制器1选由一块MSP430芯片、一块LCD图型点阵显示屏9和外围电路组成。MSP430芯片是目前流行的16位单片机，具有I/O引脚、A/D转换器、串行通讯口、LCD驱动器等资源，方便实现按钮操作、串行通讯、模拟量读取、驱动步进电机、驱动液晶屏等要求，而且，MSP430芯片具有Flash存储器，可以很方便地在线调试运行。\n[0078] 激光测距仪和方向指示器5，以及通讯装置7均采用串行口通讯，通讯网络为RS485。采用RS485网络的优点：第一，数字量传输精度高，抗干扰能力强，避免了模拟量传输时的运算误差；第二，结构简单，元器件简单；第三，9600bps的波特率可以保证设备反应的实时性。\n[0079] 为了使移动设备活动自由，室内定位系统的电源装置8选用蓄电池组，蓄电池组由3只12V蓄电池组成，输出电压为36V DC。电源电路板将蓄电池电源转换为不同的电压供系统中各部件使用。其一，转换成24V，供步进电机驱动器使用；其二，转换成5V供激光测距仪和电子罗盘使用；其三，轮换成12V供MSP430芯片、液晶面板和无线数传电台使用。\n[0080] 如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。