[发明专利]三维定位系统、节点、主机、及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及定位系统，更具体地，涉及一种三维(3D)定位系统，尤其适用于基于超声到达时间或时间差测距的3D定位系统。

背景技术

高精度定位信息在现代生活中已经变得非常重要，在很多场合已经开始应用，如人员定位、仓库管理等。在这些应用中对定位信息的精度要求较高，误差一般都要求在一米以下，有的甚至要求精确到厘米级别。

除高精度外，定位系统的可扩缩性也越来越受到重视。例如，系统第一次运行时，一般需要手动配置一些初始节点的个数以及位置等信息，而可扩缩性所要求并采用的自动配置则是一个无需人干预的自动化过程；在系统运行过程中，应该能够自动侦测出某个定位节点的位置变动，并且能自动校准系统；此外，系统内的多目标定位也是可扩缩性的一个重要方面。

基于超声的定位系统能在一定范围内提供较高的定位精度，其主要的两种技术分别是：基于超声到达时间的测距技术、和基于超声到达时间差的测距技术。

目前已经存在一些相关的技术研究成果。

Hans Gellersen等人在IEEE Pervasive Computing(2010年10～12月号)发表的论文“Cooperative Relative Positioning”(协作相对定位)中，详细阐述了相对定位系统的结构及其采用的方法技术。

美国专利申请公开US 2008/0309556A1描述了一种通过测量网络节点间的距离信息，利用相对坐标来计算目标的3D位置信息的系统。

PCT国际专利申请公开WO 2007/110626A2给出了在携带超声换能器的移动部件和固定部件之间，采用一种基于超声测距并利用三角法计算移动部件的位置的技术。

Hubert Piontek等人在Personal and Ubiquitous Computing，2007发表的论文“Improving the Accuracy of Ultrasound-BasedLocalisation Systems”(改进超声定位系统的精度)中给出了一种基于超声室内定位系统的改进方案，改进的地方主要体现在距离测量精度和位置信息更新频率。

在前面提及的这些技术中，大多数方法在可扩缩性方面还有很大不足，或者以系统性能的牺牲为代价才能支持可扩缩性，例如，降低了精度或定位速度等。另外，在对多目标定位支持方面，目前的技术尚不完善。在多目标系统内，如何在尽可能短的时延内获取高精度3D位置信息也是多目标定位系统中的一个主要问题。目前已有的系统在可伸缩性、自适应性方面存在不足，而且对多移动目标定位支持较差，体现在延迟较长或精度较低。

发明内容

考虑到目前技术的上述缺陷，本发明提出了一种三维(3D)定位系统，包括节点和主机。所述节点在处于目标模式时，按照超声测距技术的规定，发射超声波，而在处于信标模式时，基于超声测距技术测量所述节点与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离，提供给主机。所述主机在处于信标模式的节点的数目大于等于预定数目时，根据处于信标模式的节点所报告的距离、和处于信标模式的节点的位置，计算得到处于目标模式的节点的位置。所述节点根据其自身的运动状况，自行在目标模式和信标模式之间转换。根据本发明的3D定位系统，能够根据系统物理拓扑结构的变化进行自动调整；另外，根据本发明的3D定位系统能够以较短的延时和较高的精度支持多目标定位。

根据本发明的第一方案，提出了一种用在三维定位系统中的节点，包括：通信单元，用于与主机进行通信，向主机报告测量得到的距离；超声测距单元，用于在所述节点处于目标模式时，按照超声测距技术的规定，发射超声波，以及用于在所述节点处于信标模式时，基于超声测距技术测量所述节点与目前待测的目标节点之间的距离，作为测量得到的距离，提供给所述通信单元；模式转换单元，用于根据所述节点的运动状况，确定所述节点当前是处于目标模式还是信标模式。

优选地，所述通信单元还向主机报告所述节点当前所处的模式。更优选地，在所述节点处于目标模式时，所述通信单元还用于接收主机发送的按照时分复用方式确定的发射信令；以及所述超声测距单元根据发射信令，在分配给所述节点的操作时隙内，按照超声测距技术的规定，发射超声波。

优选地，当所述节点处于运动状态时，所述模式转换单元确定所述节点处于目标模式；以及当所述节点处于静止状态且其位置已知时，所述模式转换单元确定所述节点处于信标模式。