室内定位系统的设计与开发.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,教室室内定位系统的设计与开发,华东师范大学,（毛敏、王广伟）,彭万里（,2015,年,10,月,27,日）,（,Masters Thesis,）,系统设计意义和背景,现有室内定位产品的不足：,成本高昂，定位精度不够。,室内定位技术国内外研究现状：,超声波定位技术，蓝牙定位技术，红外定位技术，,射频识别技术，超带宽技术，计算机视觉定位技术。,类似系统目前应用场所：,机场大厅，展厅，仓库，物流,停车场，矿井等。,该系统研究领域,：教学研究领域,该系统主要作用,：教师显性行为的研究,常见室内定位技术的比较,定位系统,技 术,精度范围,价 格,Active Badges,红外线,只能适用于房间,低,Active bats,超声波传输时间,9,厘米,中等,Cricket,超声波传输时间,4*4,英寸,中等,RADAR,RF,信号强弱,3,4.3,米,无线网卡,PinPoit 3D,iD,RF,到达时间差,1,3,米,较高,Easy Living,计算机视觉,不确定,3,个摄像机,Ubisense,RF UWB,15,厘米,130000,美元左右,Advantage,：,成本低，精度高，方向性好。,Disadvantage,：,易受干扰，传输距离短,需要多个信标采集测距信息。反射式测距范围短,系统设计的基本思路,本文结合,教室环境、教师行为,的特殊性以及课堂研究的需求，尝试设计开发一套低功耗、低成本、高精度的室内定位与跟踪系统。该系统基于,TDOA,（到达时间差）算法原理,，采用红外线与超声波传感器技术实现节点间测距，并基于信标建立空间坐标系，运用,球面相交法,实现了教室内的高精度定位。与传统的室内定位系统相比，该系统基于时分通信技术，采用,红外线编码与识别,，实现了被测教师）面部朝向的监测功能；基于,Visual C#,平台开发上位机软件，实现对被测目标（教师）的位置、面部朝向以及停留时间等信息进行实时监测和储存，并对历史数据按照既定模式进行分析与呈现。,系统基于环境的设计,教室实际环境的分析：,1,、结构简单，空中空旷，无明显障碍；,2,、室内空间大小有限，长宽高不大于,9m*5m*3m,；,3,、室内活动人员较多；,老师行为情况分析：,1,、以讲解为主，一般居于黑板附近，活动幅度小，要求系统定位精度高。,2,、主体走动或活动过程中，肢体可能会遮挡信号，信号发射端需要携带于不被遮挡的部位。,3,、师生互动过程，会有学生站立的情况，需要避免或减少障碍物遮挡的影响。,超声波测距原理（基于,TDOA,）,d,发射节点与接收节点的距离：,S=C*t2,（,C,为声波速度，常温,340m/s,）,t =t2 t1,（,t10,）,距离算法公式：,S=C*t,由于声波传输速度受温度影响较大，需要对声波进行温度补偿，被测室内温度为,T,，则最终距离算法公式：,S=,（,331.5+0.6*T,）,*t,t,D,t1,t2,曲线,1,（红外线）,曲线,2,（超声波）,t,t1,t2,曲线,1,（红外线）,曲线,2,（超声波）,返回,三维定位算法（球面相交法）,X,Z,L,i,=C*t,i,（,i=1,，,2,，,3,，,4,）,L,i,2,=(x-x,i,),2,+(y-y,i,),2,+z,i,2,（,i=1,，,2,，,3,，,4,）,(,线性方程,)AX=b,X=(A,T,A),-1,*A,T,b,（,X,是,T,点的,x,，,y,坐标）,Y,T(x,y,z),(x1,y1,0),(x2,y2,0),(x3,y3,0),(x4,y4,0),L1,L2,L3,L4,过于复杂实际使用简化后的算法,三维定位（球面相交法）简化算法,X,L,1,2,=x,2,+y,2,+z,2,L,2,2,=(X-x),2,+y,2,+z,2,L,3,2,=x,2,+(Y-y),2,+z,2,Y,Z,T(X,Y,Z),(0,0,0),(x,0,0),(0,y,0),L1,L2,L3,X=(x,2,-L,2,2,+L,1,2,)/2x,Y=(x,2,L,3,2,+L,1,2,)/2,Z=,L,1,2,-X,2,-Y,2,编码：,红外线编码与识别,目标物体的朝向信号信息分为两种，一个是正方向红外线编码信号，另一个是负方向红外线编码信号。这里需要事先规定好信号发射模块的正方向，前方的红外线发射模块发送信号编码为,0 x04,（即编码为,0100,的红外线信号）；后方的红外线发射模块发送信号编码为,0 x05,，（即编码为的红外线信号）。,识别：,目标朝向信号终端基于时分通信原理对红外线编码信号进行识别，并判断目标物体的面部朝向。根据协议约定，红外线的编码信息共有两种：其一为目标面部向前（即面向学生）的编码，编码号为,0 x04,（即编码为,0100,的红外信号）；其二为目标面部向后（即面向黑板）的编码，编码号为,0 x05,（即编码为,0101,的红外线信号）。,返回,系统定位原理图,PC,端,P,型接收,节点,P,型接收,节点,P,型接收,节点,T,型接收,节点,RS485,总线,信号发射节点,超声波,超声波,超声波,红外线,1,红外线,1,红外线,2,红外线,3,红外线,1,系统架构设计,实时监测,数据存取,轨迹复原,区域停留时间,通信协议,坐标解析,信标注册,测距模块,1,测距模块,2,测距模块,3,测距模块,4,通信接口,通信接口,通信接口,通信接口,地址,检测,红外,线采,集,超声,波采,集,温度,信号,采集,地址,检测,红外,线采,集,超声,波采,集,温度,信号,采集,地址,检测,红外,线采,集,超声,波采,集,温度,信号,采集,地址,检测,红外,线采,集,超声,波采,集,温度,信号,采集,数据分析模块,中央处理,模块,数据采集模块,进一步细化系统模块,1,、信号发射模块；,2,、测距信号接收模块；,3,、朝向信号接收模块；,4,、定位解析模块；,5,、数据存储与呈现模块；,6,、错误管理模块；（不单独进行模块设计）,该系统的优缺点,该系统的优势：,1,、基于环境设计；,2,、移动目标面部朝向信息的监测；,3,、针对教师行为研究的,pc,端上位机；,4,、成本低，功耗低，便于维护，便于推广；,5,、,系统设计模块化,程度高；（便于维护）,系统缺陷：,1,、统的定位空间受超声波发射端功率限制，需进一步改善；,2,、教师面部朝向信息还不够精细，该系统中只做面向学生和背对学生两个方向的区分。,谢谢各位！,