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’sThesis)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ActiveBadges红外线只能适用于房间低Activebats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RADARRF信号强弱3——iDRF到达时间差1—3米较高EasyLiving计算机视觉不确定3个摄像机UbisenseRFUWB15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VisualC#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)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)*ΔttDt1t2曲线1(红外线)曲线2(超声波)tt1t2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)XZLi=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=bX=(ATA)-1*ATb(X是T点的x,y坐标)YT(x,y,z)(x1,y1,0)(x2,y2,0)(x3,y3,0)(x4,y4,0)L1L2L3L4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XL12=x2+y2+z2L22=(X-x)2+y2+z2L32=x2+(Y-y)2+z2YZT(X,Y,Z)(0,0,0)(x,0,0)(0,y,0)L1L2L3X=(x2-L22+L12)/2xY=(x2—L32+L12)/2Z=L12-X2-Y2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0x04(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0x05,(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0x04(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0x05(即编码为0101的红外线信号)。返回