室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、教室室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)教室室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 華東師范大學(xué) （毛敏、王廣偉） 彭萬里（2015年10月27日） （ Masters Thesis ） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義和背景系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義和背景 現(xiàn)有室內(nèi)定位產(chǎn)品的不足：現(xiàn)有室內(nèi)定位產(chǎn)品的不足： 成本高昂，定位精度不夠。 室內(nèi)定位技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：室內(nèi)定位技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 超聲波定位技術(shù)，藍(lán)牙定位技術(shù)，紅外定位技術(shù)， 射頻識(shí)別技術(shù)， 超帶寬技術(shù)，計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)。 類似系統(tǒng)目前應(yīng)用場(chǎng)所：類似系統(tǒng)目前應(yīng)用場(chǎng)所： 機(jī)場(chǎng)大廳，展廳，倉(cāng)庫(kù)，物流,停車場(chǎng)，礦井等。 該系統(tǒng)研究領(lǐng)域該系統(tǒng)研究領(lǐng)域：教學(xué)研究領(lǐng)域 該系統(tǒng)主要作用該系統(tǒng)主要作用：教師

2、顯性行為的研究 常見室內(nèi)定位技術(shù)的比較常見室內(nèi)定位技術(shù)的比較 定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)技技 術(shù)術(shù)精度范圍精度范圍價(jià)價(jià) 格格 Active Badges紅外線只能適用于房間低 Active bats超聲波傳輸時(shí)間9厘米中等 Cricket超聲波傳輸時(shí)間4*4英寸中等 RADARRF信號(hào)強(qiáng)弱34.3米無線網(wǎng)卡 PinPoit 3DiDRF到達(dá)時(shí)間差13米較高 Easy Living計(jì)算機(jī)視覺不確定3個(gè)攝像機(jī) UbisenseRF UWB15厘米130000美元左右 Advantage： 成本低，精度 高，方向性好。 Disadvantage： 易受干擾，傳 輸距離短 需要多個(gè)信 標(biāo)采集測(cè)距 信息。反射 式

3、測(cè)距范圍 短 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路 本文結(jié)合教室環(huán)境、教師行為教室環(huán)境、教師行為的特殊性以及課堂研究 的需求，嘗試設(shè)計(jì)開發(fā)一套低功耗、低成本、高精度的室 內(nèi)定位與跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于TDOA（到達(dá)時(shí)間差）算（到達(dá)時(shí)間差）算 法原理法原理，采用紅外線與超聲波傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間測(cè)距， 并基于信標(biāo)建立空間坐標(biāo)系，運(yùn)用球面相交法球面相交法實(shí)現(xiàn)了教室 內(nèi)的高精度定位。與傳統(tǒng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)基 于時(shí)分通信技術(shù)，采用紅外線編碼與識(shí)別紅外線編碼與識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)教 師）面部朝向的監(jiān)測(cè)功能；基于Visual C#平臺(tái)開發(fā)上位機(jī) 軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)（教師）的位置、面部朝向以及停 留時(shí)

4、間等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和儲(chǔ)存，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)按照既 定模式進(jìn)行分析與呈現(xiàn)。 系統(tǒng)基于環(huán)境的設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于環(huán)境的設(shè)計(jì) l教室實(shí)際環(huán)境的分析：教室實(shí)際環(huán)境的分析： 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空中空曠，無明顯障礙； 2、室內(nèi)空間大小有限，長(zhǎng)寬高不大于9m*5m*3m； 3、室內(nèi)活動(dòng)人員較多； l老師行為情況分析：老師行為情況分析： 1、以講解為主，一般居于黑板附近，活動(dòng)幅度小，要求系統(tǒng)定位精 度高。 2、主體走動(dòng)或活動(dòng)過程中，肢體可能會(huì)遮擋信號(hào)，信號(hào)發(fā)射端需要 攜帶于不被遮擋的部位。 3、師生互動(dòng)過程，會(huì)有學(xué)生站立的情況，需要避免或減少障礙物遮 擋的影響。 超聲波測(cè)距原理（基于超聲波測(cè)距原理（基于TDOA） d 發(fā)射

5、節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的距離：S = C*t2（C為聲波速度，常溫340m/s） t = t2 t1（t10） 距離算法公式： S = C*t 由于聲波傳輸速度受溫度影響較大，需要對(duì)聲波進(jìn)行溫度補(bǔ)償，被測(cè) 室內(nèi)溫度為T，則最終距離算法公式：S =（331.5+0.6*T）*t t D t1 t2 曲線1（紅外線） 曲線2（超聲波） t t1 t2 曲線1（紅外線） 曲線2（超聲波） 返回 三維定位算法（球面相交法）三維定位算法（球面相交法） X Z Li = C * ti（i = 1,，2，3，4） Li2 = (x - xi)2+(y-yi)2+zi2 （i = 1,，2，3，4） (線性方程)AX

6、=b X = (ATA)-1*ATb（X是T點(diǎn)的x，y坐標(biāo)） Y T(x,y,z) (x1,y1,0) (x2,y2,0) (x3,y3,0) (x4,y4,0) L1 L2 L3 L4 過于復(fù)雜實(shí)際使用簡(jiǎn)化后的算法 三維定位（球面相交法）簡(jiǎn)化算法三維定位（球面相交法）簡(jiǎn)化算法 XL12 = x2+y2+z2 L22 = (X-x)2+y2+z2 L32 = x2+(Y-y)2+z2 Y Z T(X,Y,Z) (0,0,0) (x,0,0) (0,y,0) L1 L2 L3 X = (x2-L22+L12)/2x Y = (x2L32+L12)/2 Z = L12-X2-Y2 編碼：編碼： 紅

7、外線編碼與識(shí)別紅外線編碼與識(shí)別 目標(biāo)物體的朝向信號(hào)信息分為兩種，一個(gè)是 正方向紅外線編碼信號(hào)，另一個(gè)是負(fù)方向紅外線編 碼信號(hào)。這里需要事先規(guī)定好信號(hào)發(fā)射模塊的正方 向，前方的紅外線發(fā)射模塊發(fā)送信號(hào)編碼為0 x04 （即編碼為0100的紅外線信號(hào)）；后方的紅外線發(fā) 射模塊發(fā)送信號(hào)編碼為0 x05，（即編碼為的紅外線 信號(hào)）。 識(shí)別：識(shí)別： 目標(biāo)朝向信號(hào)終端基于時(shí)分通信原理對(duì)紅 外線編碼信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并判斷目標(biāo)物體的面 部朝向。根據(jù)協(xié)議約定，紅外線的編碼信息共 有兩種：其一為目標(biāo)面部向前（即面向?qū)W生） 的編碼，編碼號(hào)為0 x04（即編碼為0100的紅 外信號(hào)）；其二為目標(biāo)面部向后（即面向黑板） 的

8、編碼，編碼號(hào)為0 x05（即編碼為0101的紅 外線信號(hào)）。 返回 系統(tǒng)定位原理圖系統(tǒng)定位原理圖 PC端 P型接收 節(jié)點(diǎn) P型接收 節(jié)點(diǎn) P型接收 節(jié)點(diǎn) T型接收 節(jié)點(diǎn) RS485總線 信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn) 超聲波 超聲波 超聲波 紅外線1 紅外線1 紅外線2 紅外線3 紅外線1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存取軌跡復(fù)原區(qū)域停留時(shí)間 通信協(xié)議坐標(biāo)解析信標(biāo)注冊(cè) 測(cè)距模塊1 測(cè)距模塊2測(cè)距模塊3測(cè)距模塊4 通信接口通信接口通信接口通信接口 地址 檢測(cè) 紅外 線采 集 超聲 波采 集 溫度 信號(hào) 采集 地址 檢測(cè) 紅外 線采 集 超聲 波采 集 溫度 信號(hào) 采集 地址 檢測(cè) 紅外 線采 集 超聲 波采 集 溫度 信號(hào) 采集 地址 檢測(cè) 紅外 線采 集 超聲 波采 集 溫度 信號(hào) 采集 數(shù)據(jù)分?jǐn)?shù)據(jù)分 析模塊析模塊 中央處理中央處理 模塊模塊 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 采采 集集 模模 塊塊 進(jìn)一步細(xì)化系統(tǒng)模塊進(jìn)一步細(xì)化系統(tǒng)模塊 l1、信號(hào)發(fā)射模塊； l2、測(cè)距信號(hào)接收模塊； l3、朝向信號(hào)接收模塊； l4、定位解析模塊； l5、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與呈現(xiàn)模塊； l6、錯(cuò)誤管理模塊；（不單獨(dú)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)） 該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) l該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)： 1、基于環(huán)境設(shè)計(jì)； 2、移動(dòng)目標(biāo)面部朝向信息的監(jiān)測(cè)； 3、針對(duì)教師行為研究的pc