文档介绍：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)
( Master’s Thesis )
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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
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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—
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
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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。
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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。
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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)
Δt = t2 – t1(t1≈0)
距离算法公式: S = C*Δt
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 =(+*T)*Δt
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)
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三维定位算法(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)
(线性方程)AX=b
X = (ATA)-1*ATb
(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
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三维定位(球面相交法)简化算法
X
L12 = x2+y2+z2
L22 = (X-x)2+y2+z2
L32 = x2+(Y-y)2+z2
Y
Z