无线定位方法、能量装换装置、无线定位系统和智能服装

摘要

本申请提供一种无线定位方法、能量装换装置、无线定位系统和智能服装，所述定位方法包括：对供电装置发送的第一无线电信号进行能量转换，获取能量转换装置的供电电能、以及能量转换装置与供电装置的目标距离；根据能量转换装置发送到供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标；对目标距离和当前定位坐标进行融合处理，得到目标定位信息；阵列天线根据目标定位信息调整其波束成形的方向以追踪所述能量转换装置的位移，使阵列天线的波束主瓣指向所述能量转换装置；解决现有技术中存在定位精度低的问题，实现能量转换装置的无源设计、无线且无接触的充电方式和多特征多维度的融合定位方式，提高了无线定位的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域，尤其涉及一种无线定位方法、能量装换装置、无线定位系统和智能服装。

背景技术

无线定位技术是一种重要的定位技术,可以通过无线定位系统来实现；无线定位系统通常由若干定位基站和定位标签组成，通过定位基站与定位标签之间的通信来获取定位标签与各定位基站之间的位置关系，进而通过相应无线定位方法估计出定位标签当前的位置；无线定位技术广泛应用于井下作业人员的安全定位、独居老人的居家活动轨迹定位、特殊人员的实时看护定位等等。

但是，相关技术中的无线定位技术通常受到应用环境的多径效应或供电电能的影响，存在定位精度低的问题，不满足用户的实际需求。

发明内容

本申请提供了一种无线定位方法、能量装换装置、无线定位系统和智能服装，解决现有技术中存在定位精度低的问题，实现能量转换装置的无源设计、无线且无接触的充电方式和多特征多维度的融合定位方式，提高了无线定位的精度。

第一方面，本申请提供一种无线定位方法，应用于无线定位系统，所述无线定位系统包括能量转换装置、供电装置和阵列天线，所述定位方法包括：对所述供电装置发送的第一无线电信号进行能量转换，持续获取所述能量转换装置的供电电能、以及所述能量转换装置与所述供电装置的目标距离；根据所述能量转换装置发送到供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标；对所述目标距离和所述当前定位坐标进行融合处理，得到所述能量转换装置的目标定位信息；所述能量转换装置将其不同的目标定位信息反馈给所述阵列天线，所述阵列天线调整其波束成形的方向以追踪所述能量转换装置的位移，使阵列天线的波束主瓣指向所述能量转换装置。

可选地，所述阵列天线包括至少两组天线，所述每组天线包含有两个天线，调整每个天线的波束成形加权系数，求得所有阵列天线的输出信号和。

可选地，所述对所述目标距离和所述当前定位坐标进行融合处理，得到所述能量转换装置的目标定位信息，包括：根据所述供电装置的坐标信息和能量转换装置的当前坐标信息，计算出所述能量转换装置到所述供电装置的欧氏距离；将所述欧氏距离与所述目标距离进行比较，根据比较结果修正所述当前坐标信息，得到所述能量转换装置的目标定位信息。

可选地，对供电装置发送的第一无线电信号进行能量转换，获取所述能量转换装置与所述供电装置的目标距离，包括：所述能量转换装置对所述第一无线电信号进行能量转换，获取充电信号值；所述能量转换装置根据所述充电信号值，获取所述能量转换装置与所述供电装置的目标距离。

可选地，在根据所述能量转换装置发送到供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标之前，所述方法还包括：对所述第一无线电信号进行解调，获取供电装置编码；根据所述供电装置编码，生成所述第二无线电信号。

可选地，当所述阵列天线包括至少两组天线时，每组天线含有两个天线，根据所述能量转换装置发送到所述供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标，包括：根据每组天线中两个天线之间的直线距离和第二无线电信号的波长，获取所述第二无线电信号到达每组天线中两个天线之间的相位差；根据所述相位差、所述第二无线电信号的波长和所述直线距离，计算出所述第二无线电信号到达每组天线的入射角；根据每组天线的入射角和每组天线的坐标信息，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标。

可选地，当所述至少两组天线包括第一天线和第二天线时，根据每组天线的入射角和每组天线的坐标信息，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标，包括：以目标点为原点、以第一天线和第二天线的连线为横轴建立直角坐标系；根据第一天线的入射角方向和第二天线的入射角方向，得到所述能量转换装置的位置；获取所述第一天线在所述直角坐标系中的第一坐标信息和所述第二天线在所述直角坐标系的第二坐标信息；根据所述每组天线的入射角、所述第一坐标信息和所述第二坐标信息，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标。

可选地，根据所述每组天线的入射角、所述第一坐标信息和所述第二坐标信息，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标的公式表达式为：

其中，

第二方面，本申请提供一种能量转换装置，所述能量转换装置包括：能量接收模块，用于接收供电装置发送的第一无线电信号，还用于将所述第一无线电信号进行能量转换，得到供电电能；信号处理模块，与所述能量接收模块电连接，用于对所述第一无线电信号进行解调，得到发送第一无线电信号的供电装置编码，还用于将所述供电装置编码调制成第二无线电信号；发射模块，与所述信号处理模块电连接，用于发射能够被供电装置所接收的所述第二无线电信号。

可选地，所述能量转换装置还包括运动传感器，用于实时记录所述能量转换装置不同的目标定位信息。

可选地，所述能量转换装置还包括：布于能量接收模块中的储能模块，用于将所述能量接收模块发送的供电电能进行存储，还用于为所述能量接收模块提供电能。

可选地，所述能量接收模块和所述发射模块分别与对应的柔性天线连接；或者所述能量接收模块和所述发射模块共同与同一柔性天线连接。

第三方面，本申请提供一种无线定位系统，所述无线定位系统包括供电装置和上述能量转换装置。

第四方面，本申请提供一种智能服装，所述智能服装包括本体、集成在所述本体上的能量转换装置。

相比于现有技术，本申请具有如下有益效果：

1、本申请通过将无线定位系统中供电装置发送的第一无线电信号转换成电能，使所述电能为所述能量转换装置提供工作电能，从而实现能量转换装置的无源设计、无线且无接触的充电方式，无源设计提高了能量转换装置的应用范围，无线且无接触的充电方式防止能量转换装置出现电量不足而停止定位的问题，提高了无线定位的精度。

2、本申请通过装置发送的第一无线电信号得到所述能量转换装置与所述供电装置的目标距离，通过能量转换装置发送到供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标，并且根据所述目标距离和所述当前定位坐标进行融合处理，得到能量转换装置的目标定位信息；因此，本申请通过多特征多维度的融合定位方式，进一步提高无线定位的精度。

3、本申请通过能量转换装置的目标定位信息反馈调整阵列天线波束成形的方向，实现供电装置和能量转换装置之间在特定方向上的能量传递，相较于现有技术中定位基站的机械调整角度和方向进行追踪，本发明能最小时延地追踪能量转换装置的位移，实现实时持续的供电。

附图说明

图1所示为本申请实施例提供的一种无线定位方法的流程示意图；

图2所示为图1中步骤S102的具体流程示意图；

图3所示为本申请实施例提供的一种相位差与发射半径的关系示意图；

图4所示为本申请实施例提供的另一种相位差与发射半径的关系示意图；

图5所示为本申请实施例提供的一种入射角的描述示意图；

图6所示为本申请实施例提供的一种直角坐标系的示意图；

图7所示为本申请实施例提供的一种波束成形技术的原理示意图；

图8所示为本申请实施例提供的一种能量转换装置的结构示意图；

图9所示为本申请实施例提供的一种无线定位系统的布局示意图；

图10所示为本申请实施例提供的一种能量转换装置的工作流程示意图；

图11所示为本申请实施例提供的一种无线定位系统的结构示意图；

图12所示为本申请实施例提供的一种能量转换装置的电路布局示意图；

图13所示为本申请实施例提供的一种服装与能量转换装置的连接示意图；

图14所示为本申请实施例提供的一种能量转换装置的天线印刷示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一方面，本发明提供一种无线定位方法，具体包括以下实施例：

图1所示为本申请实施例提供的一种无线定位方法的流程示意图，如图1所示，应用于无线定位系统时，其中所述无线定位系统包括能量转换装置、供电装置和阵列天线，所述定位方法具体包括以下步骤：

步骤S101，对所述供电装置发送的第一无线电信号进行能量转换，持续获取所述能量转换装置的供电电能、以及所述能量转换装置与所述供电装置的目标距离。

需要说明的是，所述第一无线电信号包括电磁波信号，所述能量转换装置可以将所述供电装置发送的电磁波信号转换成电能，使所述电能为所述能量转换装置提供工作电压。

在本实施例中，对供电装置发送的第一无线电信号进行能量转换，获取所述能量转换装置与所述供电装置的目标距离，包括：所述能量转换装置对所述第一无线电信号进行能量转换，获取充电信号值；所述能量转换装置根据所述充电信号值，获取所述能量转换装置与所述供电装置的目标距离。

需要说明的是，当所述能量转换装置中包括电池进行电能储存时，所述能量转换装置可以根据第一无线电信号得到充电信号值，根据充电电流的大小和当前电池电压可以计算出能量转换装置与供电装置的目标距离，其计算方法包括，查表法和机器学习方法。

可选地，在训练过程中，搜集大量的充电电流大小、电池电压及对应距离的样本数据，进行机器学习或统计训练，得到机器学习的模型参数或者统计表；在实际应用过程，通过查表或者代入机器学习模型参数，得到实际能量转换装置与供电装置的距离。

步骤S102，根据所述能量转换装置发送到供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标。

在本实施例中，在根据所述能量转换装置发送到供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标之前，所述方法还包括：对所述第一无线电信号进行解调，获取供电装置编码；根据所述供电装置编码，生成所述第二无线电信号。

需要说明的是，所述能量转换装置可解调所述第一无线电信号的信号特征，根据所述信号特征获取供电装置的基站编码；或者从所述第一无线电信号中解调出基站编码。在本实施例中获取供电装置编码的作用是通过供电装置编码获取到供电装置的坐标信息。

在本实施例中，所述阵列天线设置在所述供电装置中，当所述阵列天线包括至少两组天线时，每组天线含有两个天线，根据所述能量转换装置发送到供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标，具体包括以下步骤：

步骤S201，根据每组天线中两个天线之间的直线距离和第二无线电信号的波长，获取所述第二无线电信号到达每组天线中两个天线之间的相位差；

需要说明的是，无线信号通常工作在固定的频段，如蓝牙信号在ISM (IndustrialScientific and Medical ) 2.40GHz到2.41GHz频段工作，带宽为2M hz，蓝牙分为三个广播信道，37，38，39，并且在蓝牙5.x规范当中，Bluetooth LE部分的扩展广播信道可以在0-39任意信道，也即位蓝牙信标可以工作在任何蓝牙频道，无线信号处在不同的发射频率时，对应的波长会不一样；因此，能量转换装置可根据不同的供电装置发送不同频率的无线电信号。如图3所示，假设目前有一固定频率无线信号在空旷区域进行传播（忽略遇到障碍物以及空中其他同频无线信号干扰），如果一对阵列天线中的两个天线（P1和P2）处于相同半径上，在某一时刻t，供电装置接收到的信号相位差为0；但如两个（P1和P2）处于半径不一致的位置，在某一时刻t，供电装置接收到的信号相位存在一个差值。如图 4处于不同半径上的天线P1和P2接收到的电磁波存在一个相位差

步骤S202，根据所述相位差、所述第二无线电信号的波长和所述直线距离，计算出所述第二无线电信号到达每组天线的入射角。

在本实施例中，如图5所示，根据所述相位差、所述第二无线电信号的波长和所述直线距离，计算出所述第二无线电信号到达每组天线的入射角的公式表达式为：

其中，

其中，由图5可知，在同一对阵列天线中存在两个入射角，即第一无线信号到达天线P1的入射角1和到达天线P2的入射角2，且入射角1和入射角2互为余角，可以将任意一个入射角作为所以供电装置的入射角。

步骤S203，根据每组天线的入射角和每组天线的坐标信息，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标。

在本实施例中，当所述至少两组天线包括第一天线和第二天线时，根据每组天线的入射角和每组天线的坐标信息，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标，包括：以目标点为原点、以第一天线和第二天线的连线为横轴建立直角坐标系；根据第一天线的入射角方向和第二天线的入射角方向，得到所述能量转换装置的位置；获取所述第一天线在所述直角坐标系中的第一坐标信息和所述第二天线在所述直角坐标系的第二坐标信息；根据所述每组天线的入射角、所述第一坐标信息和所述第二坐标信息，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标。

需要说明的是，本实施例中的目标点包括但不限于第一天线和第二天线所在的位置点；通过在不同方位布设至少两个供电装置RX后，即可得到至少两个入射角

在本实施例中，基于上述公式（2）进行进一步推导如下：

在本实施例中，令

在本实施例中，上述公式（3）可通过最小二乘法求出

步骤S103，对所述目标距离和所述当前定位坐标进行融合处理，得到所述能量转换装置的目标定位信息。

需要说明的是，本实施例通过能量转换装置到供电装置的目标距离对得到的当前坐标信息进行数据补偿，得到精准的目标定位信息；具体地，根据所述供电装置的坐标信息和能量转换装置的当前坐标信息，计算出所述能量转换装置到所述供电装置的欧氏距离；将所述欧氏距离与所述目标距离进行比较，当所述目标距离和所述欧氏距离的差值在预设误差范围内时，将所述当前坐标信息作为所述目标定位信息；当所述目标距离和所述欧氏距离的差值在预设误差范围外时，根据所述目标距离修正所述当前坐标信息，得到所述能量转换装置的目标定位信息。

步骤S104，所述能量转换装置将其不同的目标定位信息反馈给所述阵列天线，所述阵列天线调整其波束成形的方向以追踪所述能量转换装置的位移，使阵列天线的波束主瓣指向所述能量转换装置。

需要说明的是，当所述阵列天线进行0到360°范围内波束扫描从而唤醒能量转换装置，能量转换装置将接收的第一无线电信号进行能量转换并获取供电电能，对第一无线电信号进行调制解调得到第二无线电信号，将第二无线电信号发射至供电装置，形成供电装置和能量转换装置之间定向持续的能量传输，即供电装置可以最小时延地追踪能量转换装置不同的目标定位信息，并对能量转换装置实时持续供电。

一般地，波束成形是阵列天线中用于定向传输或接收信号的处理技术。当能量转换装置发生位移时，可以通过一定的波束成形算法，使阵列天线的波束主瓣始终指向能量转换装置，从而提高信号或能量传输的效率。

具体地，如图7所示，所述阵列天线包括至少两组天线，每组天线包含有两个天线，调整每个天线的波束成形加权系数，求得所有阵列天线的输出信号和的计算公式如下：

其中，阵列天线含有N个天线，

一般地，可以预先记录好加权系数

相比于现有技术，本申请具有如下有益效果：

1、本申请通过将无线定位系统中供电装置发送的第一无线电信号转换成电能，使所述电能为所述能量转换装置提供工作电能，从而实现能量转换装置的无源设计、无线且无接触的充电方式，无源设计提高了能量转换装置的应用范围，无线且无接触的充电方式防止能量转换装置出现电量不足而停止定位的问题，提高了无线定位的精度。

2、本申请通过装置发送的第一无线电信号得到所述能量转换装置与所述供电装置的目标距离，通过能量转换装置发送到供电装置中的第二无线电信号，计算出所述能量转换装置的当前定位坐标，并且根据所述目标距离和所述当前定位坐标进行融合处理，得到能量转换装置的目标定位信息；因此，本申请通过多特征多维度的方式进行定位，进一步提高无线定位的精度。

3、本申请通过能量转换装置的目标定位信息反馈调整阵列天线波束成形的方向，实现供电装置和能量转换装置之间在特定方向上的能量传递，相较于现有技术中定位基站的机械调整角度和方向进行追踪，本发明能最小时延地追踪能量转换装置的位移，实现实时持续的供电。

第二方面，本发明提供一种能量转换装置，具体包括以下实施例：

图8所示为本申请实施例提供的一种能量转换装置的结构示意图，如图8所示，所述能量转换装置包括：

能量接收模块110，用于接收供电装置发送的第一无线电信号，还用于将所述第一无线电信号进行能量转换，得到供电电能；

信号处理模块120，与所述能量接收模块110电连接，用于对所述第一无线电信号进行解调，得到发送第一无线电信号的供电装置编码，还用于将所述供电装置编码调制成第二无线电信号；

发射模块130，与所述信号处理模块120电连接，用于发射能够被供电装置所接收的所述第二无线电信号。

在本实施例中，所述能量转换装置还包括运动传感器，用于实时记录所述能量转换装置不同的目标定位信息。

在本实施例中，所述能量转换装置还包括：布于能量接收模块110中的储能模块140，用于将所述能量接收模块发送的供电电能进行存储，还用于为所述能量接收模块提供电能。

在本实施例中，所述能量接收模块和所述发射模块分别与对应的柔性天线连接；或者所述能量接收模块和所述发射模块共同与同一柔性天线连接。

需要说明的是，本实施例中的能量接收模块包括柔性天线和能量转换器，所述柔性天线用于接收供电装置发送的第一无线电信号，所述能量转换器用于将第一无线电信号转化为能量，储能模块用于对能量进行存储，其中所述储能模块包括但不限于电池、电容等；信号处理模块用于对接收到的第一无线电信号进行解调处理，进而通过发射模块按照定位系统要求发射特定频段的第二无线电信号，使所述供电装置或/和服务器根据所述第二无线电信号得到所述能量转换装置的目标定位信息，从而实现能量转换装置的定位功能。

本实施例提供的能量转换装置为无源设计，通过无线电波进行远距离无线供电，解决了能量转换装置的能源问题，并且给出了无线定位的具体方案。

在本实施例中，所述供电装置可以是基站，可以通过供电基站BS对能量转换装置进行电子围栏边界定位。如图9，当能量转换装置接近虚线框边界线时，供电基站BS会激活能量转换装置TX，能量转换装置TX则发射定位信息，定位信息具体包括特定的无线电信号（供定位基站进行坐标解析）、供电基站编号（不同的供电基站的供电信号会调制不同的特征信息，能量转换装置TX获取供电无线电的同时解调出供电基站的特征信号，从而识别出当前供电基站的编号，将编号调制到无线电信号中发出）。如图9所示，墙角、门口被定位为关键区域，当能量转换装置TX进入该区域时，被识别到，进而被激活发射定位信号。在本实施例中，室内定位更多的是分区域的定位，通过构造多个电子围栏，当穿戴所述能量转换装置的用于进入电子围栏区域时，发出警示信号。

在本实施例中，如图10所示，当能量转换装置不在供电基站范围内时，能量转换装置处于低功耗状态，以极低频率发射无线电信号使供电装置根据所述无线电信号进行定位。当能量转换装置进入供电基站范围内时，能量转换装置利用供电基站进行电能存储（即充电），同时从供电信息中解调出供电基站信息，生成无线电信号，以相对较高的频率将无线电信号发出去，使供电装置根据所述无线电信号进行更高精度的定位，其中更高精度的原因在于无线电广播的频率提高了，供电装置接收到的信息量增加了，另一方面在于无线电中携带有供电基站的信息，限定了能量转换装置所在的范围。

第三方面，本发明提供一种无线定位系统，所述无线定位系统包括上述实施例的能量转换装置和供电装置，如图11所示，供电装置发射第一无线电信号，使所述能量转换装置将所述第一无线电信号转换成供电电能，能量转换装置发射第二无线电信号，供电装置通过捕捉第二无线电信号，进行定位计算，至少一路供电装置将计算出的定位结果及定位数据发送给定位引擎进行进一步处理，用户通过移动终端、电脑等网络设备查看定位数据，其中所述定位引擎可以设置在能量转换装置、供电装置或/和服务器中。

第四方面，本发明提供一种智能服装，所述智能服装包括本体、集成在所述本体上的上述实施例提供的能量转换装置。

在本实施例中，由于能量转换装置采用无源且无线充电方案进行设计，可对电路整体防水处理，例如包括绝缘胶整体灌封等；如图12所示，可在电路板局部留通孔，从而通过通孔将能量转换装置的防水电路板缝制路板缝制在衣服上。

可选地，如图13所示，能量转换装置的电路板四周被柔性材料包裹，如EVA、发泡材料等，通过黏合材料与面料结合，组成一个通用组件，该通用组件可通过面料缝制在衣服上，从而得到集成有能量转换装置的智能服装。或者，面料上有TPU材料，在服装对应位置局部集成有TPU材料，TPU材料选用具有较好防水特性的TPU，如此通过超声或热压的方式将组件集成到智能服装，也可以降低对电路板本身的防水处理要求。

在本实施例中，如图14所示，能量转换装置中的信号接收天线和信号发射天线可以通过印刷或转印的方式，将银浆等导电材料印刷在面料表面，通过锡焊、导电胶固定、金属铆接等方式与电路板连接，从而实现天线与电路间的连接。该方案解决天线占空间通常较大的问题，通过印刷天线，减小了板内设计尺寸。

在本实施例中，智能服装中集成的能量转换装置将接收无线电转化为电能或直接重新调制成新的无线电信号进行转发，实现无线定位信号的发送；能量转换装置中的电路单元通过柔性材料进行包裹，通过热压/超声/机缝等方式与服装结合，一方面可以保护电路，实现产品整体的抗机洗设计，另一方面，整体呈柔性、松软，实现无感；能量转换装置中的天线直接在面料上进行印刷，节省了板内空间，更方便适配不同尺寸的天线；无线供电与定位相结合，供电信号即为区域检测的重要特征，通过供电电流大小、定位坐标等多维度进行高精度定位，提高了定位精度，尤其保证了关键区域的定位精度。

最后需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。