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【发明授权】蓝牙定位系统及蓝牙定位方法_深圳市昇润科技有限公司_201710861620.8 

申请/专利权人:深圳市昇润科技有限公司

申请日:2017-09-21

公开(公告)日:2020-02-14

公开(公告)号:CN107505594B

主分类号:G01S5/06(20060101)

分类号:G01S5/06(20060101);H04W4/00(20180101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.02.14#授权;2018.01.19#实质审查的生效;2017.12.22#公开

摘要:本发明提出的蓝牙天线装置中的蓝牙天线阵列为四个以上等距直线排列的蓝牙天线,且两两相邻的蓝牙天线信号馈入点之间的距离不大于一个蓝牙波长。本发明同时提出一套蓝牙定位系统,包括蓝牙发射模块和蓝牙接收模块,蓝牙接收模块的蓝牙天线阵列接收到蓝牙信号后,对蓝牙信号到达蓝牙天线信号馈入点时的位置参数进行测量与计算,位置参数至少包括入射蓝牙信号的入射角和相位,再通过三角函数算法得出蓝牙装置的相对位置进而完成定位。本发明提出的定位方法利用内部处理器芯片得到的蓝牙封包数据组传输时间,依不同天线的微波路径差,产生出不同天线间各自封包数据组的到达时间差,转换此时间差为正弦波的相位差及到达角度的计算,而完成测量与定位。

主权项:1.一种蓝牙定位系统,包括至少一个蓝牙发射模块100和至少一个蓝牙接收模块200,其特征在于:所述蓝牙发射模块100包含一个发射端电路板101、以及设置于所述发射端电路板101的蓝牙发射天线103和第一蓝牙芯片102,所述蓝牙发射天线103和所述第一蓝牙芯片102电性连接;所述蓝牙接收模块200包含一个蓝牙天线装置、第二蓝牙芯片230、以及一个信号分析模块220,所述蓝牙天线装置包含一个接收端电路板240、以及一个设置于所述接收端电路板240上的一个蓝牙天线阵列210,所述第二蓝牙芯片230、所述蓝牙天线装置和所述信号分析模块220互相电性连接,所述蓝牙天线装置包含一个接收端电路板240、以及一个设置于所述接收端电路板240上的一个蓝牙天线阵列210,所述蓝牙天线阵列210中至少包含有4个天线211、212、213、214,各所述天线通过一个信号馈入点211A、212A、213A、214A电性接入该接收端电路板240,所述4个天线的所述信号馈入点211A、212A、213A、214A排列成一直线LA,两两相邻的所述信号馈入点211A、212A、213A、214A之间的距离ri,i+1不大于14的蓝牙波长λ。

全文数据:蓝牙定位系统、蓝牙定位方法及其中的蓝牙天线阵列技术领域[0001]本发明涉及无线电定向的领域,尤其涉及一种通过蓝牙实现的定位技术。背景技术[0002]近年来,随着用户需求的增加,无线定位技术受到越来越多的关注,推动了对无线定位技术的研宄及测距技术的发展。如何尽可能地利用现存网络资源,低成本地实现对用户的精确定位一直是研宄的焦点。[0003]现有的室内定位方法主要有激光定位法和红外定位法,然而:[0004]1、激光定位法:同墙上的两颗激光传感器识别佩戴者佩戴的机身上的位置追踪传感器,从而获得位置和方向信息,由于激光的扫射面积有限,因此其定位空间受到激光射程的限制。[0005]2、红外定位法:被定位物体上布满标记点,利用红外发光装置发射出红外光线照射在标记点上,这种标记点表面为反光材料,增强其对照明近红外光的反射能力,从而达到图像中标记球与周围环境明显区分的目的,近红外摄像机捕捉到目标物上标记点所反射的红外光后,将多台摄像机从不同角度采集到的图像传输到计算机中,再通过视觉算法过滤掉无用的信息,从而获得标记点的位置。该定位方式造价成本昂贵,应用该范围也局限,不利于不熟更大空间的室内环境。[0006]现有技术CN101776746A公开了一种近距离或室内空间的定位方法与系统,具体是一种信号到达角度Angle-of-ArrivakAOA定位与信号波程差测量装置和方法,使用阅读器经发送天线发出射频信号,使待定位的应答器利用应答器天线接收阅读器发送的射频信号,信号处理完毕依然采用调制后的射频信号返回阅读器,使阅读器对高频信号进行调制解调,输出解调后的低频正弦波信号,结合三角函数计算应答器反射信号与阅读器的夹角,再根据天线的距离完成对应答器的定位。[0007]上述现有技术采用的是射频信号,而射频信号较蓝牙信号信号强度较小,传输速度慢,有明显的延迟感等缺点,采集到的反射信号会更弱,这会很大程度地影响计算得精度。[000S]^有技术CN106405495A公开了一种VR设备定位系统,包括一个VR设备、天线阵列、蓝牙数据采集模块、以及数据处理服务端,所述VR设备每一个均带有一个唯一的电子标签,并以蓝牙方式广播自身的电子标签信息,所述天线阵列用于接收电子标签信息,并确定对应电子标签到达天线阵列的角度信息,并确定对应电子标签到达天线阵列的角度信息,然后发送给蓝牙数据采集模块,再通过现有的A0A算法得到每一个VR设备的具体位置坐标值。[W09]上述现有技术中天线阵列由多个用于接收蓝牙信号的定向天线构成,各定向天线采用平均间隔分布和立体空间轴向分布的方式设置,天线阵列设有一个顶部节点及多个平向节点,各个平向节点围绕顶部节点均匀间隔分布,分别构成X轴、Y轴和Z轴,每个顶部节点和各个平向节点各布设有一个或多个定向天线。这样的天线阵列结构所占的空间和对天线的需求都较大,而天线布局较为密集,相互之间也容易产生电磁干扰,影响测量精度。[0010]现有的A0A算法,即基于到达角度测距的定位算法,通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向,计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度,然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。在实际计算中,在信号发射到接收的极短的时间内,天线阵列接收到蓝牙信号而测出的到达角度的信息很难绝对精确,从而也会对设备定位的计算有影响。[0011]总的来说,实现无线定位主要有两大类解决方案,第一类是由移动站MS主导的定位技术。单从技术角度讲,这种技术更容易提供比较精确的用户定位信息,它可以利用现有的一些定位系统,例如,在移动站中集成GPS接收机,从而利用现成的GPS信号实现对用户的精确定位。但这类技术需要在移动站上增加新的硬件,这将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。第二类是由基站BS主导的定位技术,这种解决方案需要对现存的基站、交换中心作出某种程度的改进,但它可以兼容现有的终端设备。其可选用的具体实现技术主要包括:测量信号方向的定位技术、测量信号功率的定位技术、测量信号传播时间特性到达时间,简称T0A;到达时间差,简称TD0A的定位技术。[0012]基于上述现有技术,亟待改善的是需要提供一种具有简单排列结构的天线与算法,同时能够提高计算速度的无线定位方法。发明内容[0013]为了解决上述问题,本发明提供一种蓝牙天线装置,再基于该蓝牙天线装置提供一种蓝牙定位系统及蓝牙定位方法,能实现蓝牙装置的快速精确定位。[00M]本发明首先提出一种蓝牙天线装置,包含一个接收端电路板240、以及一个设置于接收端电路板240上的一个蓝牙天线阵列210。蓝牙天线阵列210中至少包含有4个天线211、212、213、214,各天线211、212、213、214通过一个信号馈入点211八、212人、213八、214八电性接入该接收端电路板240,两两相邻的天线的信号馈入点211A、212A、213A、214A之间的距离r不大于14的蓝牙波长入。[0015]进一步的,4个天线中,两两相邻的天线的信号馈入点211八、212人、213八、214六之间的距离为相同。[0016]进一步的,4个天线的信号馈入点2114、212八、213八、214人排列成一直线1^。[0017]本发明还提供一种蓝牙定位系统,包括至少一个蓝牙发射模块1〇〇和至少一个蓝牙接收模块200,蓝牙发射模块100包含一个发射端电路板1〇1、以及设置于发射端电路板101的蓝牙发射天线和第一蓝牙芯片,蓝牙发射天线和第一蓝牙芯片电性连接;蓝牙接收模块2〇0包含一个蓝牙天线装置、第二蓝牙芯片23〇、以及一个信号分析模块220,蓝牙天线装置包含一个接收端电路板240、以及一个设置于接收端电路板240上的一个蓝牙天线阵列210,第二蓝牙芯片230、蓝牙天线装置和信号分析模块220互相电性连接,此蓝牙天线装置为前述的蓝牙天线装置。[0018]进一步的,信号分析模块220用于分析生成蓝牙天线阵列210接收到蓝牙发射模块100发射的蓝牙信号6〇〇的位置参数,位置参数至少包括蓝牙天线阵列21〇各天线211、212、213、214接收到的蓝牙信号600的相位di。[0019]进一步的,位置参数还包括蓝牙天线阵列210各天线211、212、213、214接收到的蓝牙信号600的入射角9i,j,入射角9i,j为蓝牙信号600与蓝牙天线阵列21〇信号馈入点211A、212A、213A、214A排列成的直线LA法线的夹角,进一步可以求出蓝牙信号与以的夹角01、02、03、04,蓝牙信号与LA的夹角是蓝牙信号入射角的余角。。''[0020]本发明还提供一种蓝牙定位方法,主要通过上述的蓝牙定位系统而实现,包含下列步骤:[0021]S1:蓝牙发射模块100发射蓝牙信号600;[0022]S2:蓝牙接收模块200中的蓝牙天线阵列210接收蓝牙发射模块1〇〇发射的蓝牙信号600;[0023]S3:蓝牙接收模块200中的信号分析模块220测得蓝牙天线阵列210中每一个天线211、212、213、214接收到的蓝牙信号6〇〇的入射角01,_]_=11〇4,进一步计算出蓝牙信号与LA的夹角01、Q2、Q3、94,该夹角是蓝牙信号入射角0i,4的余角;[0024]S4:通过计算生成蓝牙发射模块1〇〇到蓝牙天线阵列210信号馈入点211A、212A、213A、214A排列形成的直线LA的垂直距禺为d=ri,i+l*tan0itan9i+ltanQi-tan9i+l.[0025]S5:分析生成蓝牙发射模块100到蓝牙天线阵列21〇信号馈入点2ua、212A、213A、214A的距离11丄2丄3、14,其中1^=1811101。[0026]本发明还提供一种蓝牙定位方法,主要通过上述的蓝牙定位系统而实现,包含下列步骤:[0027]A1:蓝牙发射模块100发射蓝牙信号600;[0028]A2:蓝牙接收模块2〇0中的蓝牙天线阵列210接收蓝牙发射模块100发射的蓝牙信号600;[0029]A3:蓝牙接收模块2〇0中的信号分析模块220测得蓝牙天线阵列210中每一个天线211、212、213、214接收到的蓝牙信号600的相位|1、12、43、4;[0030]A4:分析生成两两相邻的天线211、212、213、214接收到的蓝牙信号6〇〇的相位差△伞i,j=伞j—中i;[0031]A5:分析生成蓝牙天线阵列210接收到的蓝牙信号6〇〇的多个入射角9i,j=arcsin入A4i,jY2Jir,进而求出入射角的余角(0i=lto4;’[0032]A6:通过计算可以得到的蓝牙发射模块1〇〇到蓝牙天线阵列21〇信号馈入点211八、212A、213A、214A排列形成的直线LA的垂直距离d=ri,i+l*tan0itan0i+Vtari0i=an0i+1;[0033]A7:分析生成蓝牙发射模块100到蓝牙天线阵列210信号馈入点2UA、212A、213A、214A的距离11、12、13、14,其中1^=1311191。[0034]进一步的,相位差△4i,j=arctansin〇j-2;蓝牙信号600被第三蓝牙接收天线213接收时的相位巾3;蓝牙信号600被第四蓝牙接收天线214接收时的相位小4。[0081]获得dl、¢143、¢4以后,接着分析生成第一蓝牙接收天线211和第二蓝牙接收天线212接收到的蓝牙信号6〇〇的相位差A¢1=¢2-^1;第二蓝牙接收天线212和第三蓝牙接收天线2丨3接收到的蓝牙信号6〇〇的相位差AJ2=巾3_巾2;第三蓝牙接收天线213和第四蓝牙接收天线214接收到的蓝牙信号600的相位差A43=巾4-巾3;第四蓝牙接收天线214和第一蓝牙接收天线211接收到的蓝牙信号600的相位差A¢4=44-小1。[0082]获得A41、A3、A44以后,接着再分析生成蓝牙信号600被蓝牙天线阵列210中的第一蓝牙接收天线211接收时,蓝牙信号600在天线211的入射角02,l=arcsinA*A42,12财);蓝牙信号600被蓝牙天线阵列210中的第二蓝牙接收天线212接收时,蓝牙信号600在天线212的入射角01,2=arcsinA*A2,3A23ir;蓝牙信号600被蓝牙天线阵列210中的第四蓝牙接收天线214接收时,蓝牙信号600在天线214的入射角03,4=arcsinA*A巾3,42iir。计算出蓝牙信号与LA的夹角91、02、03、04。[0083]再分析生成蓝牙发射模块100到蓝牙天线阵列210各信号馈入点211A、212A、213A和214々的直线1^的垂直距离为〇1=44+1村119^1101+1八七11时41101+1,则可计算得第一蓝牙接收天线信号馈入点211A到蓝牙发射模块100的距离为Ll=dsinei;第二蓝牙接收天线信号馈入点212A到蓝牙发射模块100的距离为L2=dsin02;第三蓝牙接收天线信号馈入点213A到蓝牙发射模块100的距离为L3=dsin03;第四蓝牙接收天线信号馈入点214A到蓝牙发射模块100的距离为L4=dsin04,即可完成蓝牙发射模块100相对于蓝牙接收模块200的距离及角度的定位。[0084]实施例三:[0085]如图1、图2、图3、图4、图5所示,将蓝牙发射模块100安装在活动物体上,此活动物体可以是小宠物、家用扫地机器人、小孩子或各类球状物等,蓝牙接收模块200安装在一固定的位置,此固定的位置可以是某一带蓝牙接收功能的移动终端,如智能手机或笔记本电脑等。根据实施例一和实施例二描述的蓝牙定位方法,可以通过本发明所述的基于蓝牙天线阵列的蓝牙定位系统对活动物体的短距离运动轨迹进行监控,上述活动物体在移动过程中不断的发射蓝牙信号,固定位置的蓝牙接收模块200接收由活动物体运动过程中发射的蓝牙信号,计算并记录接收到的蓝牙信号的位置参数,调取多个时间点接收到的蓝牙信号的位置参数计算出的活动物体的位置信息即可完成对活动物体短距离运动位置及轨迹的监控。[0086]实施例四:[0087]如图1、图2、图3、图4、图5所示,将蓝牙发射模块100安装在一防丢器上,进一步的,防丢器可安装在钥匙扣、门禁卡或者内置于手机中。蓝牙接收模块200安装在一设备中,比如某一带蓝牙接收功能的移动终端,设备相对于蓝牙发射模块100在一固定的位置。根据实施例一、实施例二和实施例三描述的蓝牙定位方法,可以通过本发明所述的基于蓝牙天线阵列的蓝牙定位系统对防丢器的进行短距离精确定位。当在家中一时找不到钥匙扣、门禁卡或者手机的时候,即可通过安装有蓝牙接收模块200的某一带蓝牙接收功能的移动终端对防丢器进行定位,进而对钥匙扣、门禁卡或者手机进行定位。[0088]以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施;任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例,这并不影响本发明的实质内容。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

权利要求:1.一种蓝牙天线装置,包含一个接收端电路板240、以及一个设置于所述接收端电路板240上的一个蓝牙天线阵列210,其特征在于:所述蓝牙天线阵列(210中至少包含有4个天线(211、212、213、214,各所述天线通过一个信号馈入点(211A、212A、213A、214A电性接入该接收端电路板240,所述4个天线的所述信号馈入点(211八、2124、213八、214八排列成一直线1^,两两相邻的所述信号馈入点211A、212A、213A、214A之间的距离n,i+1不大于14的蓝牙波长入。2.根据权利要求1所述的蓝牙天线装置,其特征在于:所述4个天线(211、212、213、214中,两两相邻的所述信号馈入点(211八、212人、213八、214A之间的距离ri,i+i为相同。3.—种蓝牙定位系统,包括至少一个蓝牙发射模块(100和至少一个蓝牙接收模块200,其特征在于:所述蓝牙发射模块100包含一个发射端电路板101、以及设置于所述发射端电路板101的蓝牙发射天线(103和第一蓝牙芯片(102,所述蓝牙发射天线(103和所述第一蓝牙芯片(102电性连接;所述蓝牙接收模块200包含一个蓝牙天线装置、第二蓝牙芯片(230、以及一个信号分析模块220,所述蓝牙天线装置包含一个接收端电路板240、以及一个设置于所述接收端电路板240上的一个蓝牙天线阵列210,所述第二蓝牙芯片230、所述蓝牙天线装置和所述信号分析模块220互相电性连接,所述蓝牙天线装置为权利要求1或2所述的蓝牙天线装置。4.根据权利要求3所述的蓝牙定位系统,其特征在于,所述信号分析模块220用于分析生成所述蓝牙天线阵列(210接收到所述蓝牙发射模块(100发射的蓝牙信号(600的位置参数,所述位置参数至少包括所述蓝牙天线阵列210的各天线211、212、213、214接收到的蓝牙信号600的相位dM。5.根据权利要求4所述的蓝牙定位系统,其特征在于,所述位置参数至少包括所述蓝牙天线阵列(210的各天线(211、212、213、214接收到的蓝牙信号600的入射角(0^=^4,所述入射角(eiJ=lt4为所述蓝牙发射模块100至各所述天线211、212、213、214所形成的入射线〇^儿2丄3丄4与所述直线1^的法线的夹角,进一步可以求出蓝牙信号600与LA的夹角⑻為為乂),所述蓝牙信号600与LA的夹角是蓝牙信号600入射角的余角。6.—种蓝牙定位方法,通过权利要求4或5所述的蓝牙定位系统而实现,其特征在于包含下列步骤:S1:所述蓝牙发射模块1⑽发射蓝牙信号600;S2:所述蓝牙接收模块200的所述蓝牙天线阵列210接收所述蓝牙信号600;S3:所述蓝牙接收模块200的所述信号分析模块220通过所述蓝牙天线阵列(210中各个天线211、212、213、214,所接收到的蓝牙信号600,分析生成所述蓝牙信号600的入射角Qi,j=lto4,进而求出入射角的余角0i=lto4;S4:分析生成所述蓝牙发射模块(100到所述直线La的垂直距离d,其中d=ri,i+i*tan9itan9i+itan0i-tan9i+i;S5:分析生成所述蓝牙发射模块到所述蓝牙天线阵列(210信号馈入点(211A、212A、213A、214A的距离Li、L2、L3、L4,其中Li=dsinei。7.—种蓝牙定位方法,通过权利要求4或5所述的蓝牙定位系统而实现,其特征在于包含下列步骤:A1:所述蓝牙发射模块1〇〇发射蓝牙信号600;A2:通过所述蓝牙接收模块200的所述蓝牙天线阵列210接收所述蓝牙信号6〇〇;A3:所述蓝牙接收模块200的所述信号分析模块22〇测得所述天线(211、212、213、214接收到的所述蓝牙信号6⑽的相位(41、巾2、3、44;A4:分析生成两两相邻的所述天线211、212、213、214接收到的所述蓝牙信号600的相位差△巾i=巾i+l_伞i;A5:通过所述相位差ai,分析生成所述蓝牙天线阵列(210接收到的蓝牙信号600的多个入射角(ei,j=it〇4,其中ei,j=arcsinA*A〇V2Jir,进而求出入射角的余角0i=lto4;;A6:通过所述0i,分析生成所述蓝牙发射模块(1〇〇到所述信号馈入点(211A、212A、213A、214A排列形成的所述直线La的垂直距离d,其中山,1+1=1^+1针110如1101+"^110广tan0i+i;A7:分析生成所述蓝牙发射模块(1〇〇到所述信号馈入点(2UA、212A、213A、214A的距离Li、L2、L3、L4,其中Li=dsin0i。8.根据权利要求7所述的蓝牙定位方法,其特征在于,所述相位差△4i=arctansin4i_4i+icosi-4i+i〇9.根据权利要求7所述的蓝牙定位方法,其特征在于,所述蓝牙发射模块1〇〇和所述蓝牙接收模块200为蓝牙协议4.1以上的蓝牙装置。

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