一种基于蓝牙阵列天线定位的自动跟随系统
技术领域
本发明涉及一种阵列天线技术以及一种自动跟随技术领域，具体涉及一种基于蓝牙阵列天线定位的自动跟随系统。
背景技术
近年来，随着智能硬件和自动化设备的兴起，室内定位和导航的需求越来越广泛，催生出了各种室内无线定位技术，其中包括以TOF技术为代表的UWB超宽带无线定位技术，以RSSI技术为代表的wifi定位和蓝牙ibeacon 定位，以及图像识别定位技术等。其中以UWB定位技术的精度为最高，但是由于其硬件成本昂贵，与现有的无线网络不兼容，限制了其推广和应用。如何利用现有的硬件资源实现高精度的定位，成为了当下研究的热点，而利用蓝牙阵列天线实现AOA定位成为了其中很有潜力的发展方向。
自动跟随设备作为可以减轻人们出行负担的一种选择，有着广阔的应用前景，如自动跟随行李箱，自动跟随婴儿车，以及自动跟随书包等等。如何能够方便，可靠地实现自动跟随，是这个领域的研究热点。
传统的蓝牙定位方式如ibeacon依靠蓝牙信号的强弱判断距离，精度在一米左右，无法满足自动跟随设备的定位精度需求。
发明内容
发明目的：
基于以上原因，本发明提出了一种基于蓝牙阵列天线定位的自动跟随系统，以实现一种精确可靠的自动跟随系统。
技术方案：
为了实现上述发明目的，本发明公开了一种基于蓝牙阵列天线定位的自动跟随系统，此系统主要由定位系统与跟随系统两部分组成，包括如下模块：（1） 蓝牙信号发射器，（2）蓝牙信号接收模块，（3）蓝牙阵列天线，（4）单片机，（5）可充电电池，（6）编码电机，（7）车轮，（8）9轴加速度计，（9）激光测距传感器，（10）超声波避障传感器，（11）防跌落传感器，（12）红外阵列测温传感器。
蓝牙信号发射器可以是任意的具备蓝牙信号发射功能的支持蓝牙4.2及以上协议的蓝牙设备或蓝牙模块，如具有蓝牙功能的手机，手环或者其他可穿戴蓝牙设备。
蓝牙信号接收器，由蓝牙接收模块和蓝牙阵列天线构成。蓝牙阵列天线由馈电点排列在一条直线上的至少三个平行等距排列的单极子蓝牙天线单元所组成，并且阵列天线上相邻天线单元馈电点之间的距离小于蓝牙波长。蓝牙阵列天线水平安装在跟随系统的上方，单极子天线的指向与跟随系统的夹角为0到70度，蓝牙接收模块为支持蓝牙4.2及以上协议的蓝牙模块。
本发明中利用蓝牙阵列天线定位的原理为，每组阵列天线首先对蓝牙信号源进行定向，蓝牙阵列天线的每一个天线单元通过对接收到的信号采样得到同相和正交信号的值，再通过这两个信号的值计算出相位，再通过相邻天线单元之间的相位差和距离，就可以计算出信号源相对于天线阵列的角度。两组蓝牙阵列天线分别安装于跟随系统的两侧，两组蓝牙阵列天线之间的距离固定为A，根据相位差定向，可以得出蓝牙信号发生器到两个阵列天线的角度分别为α和β，则蓝牙信号发射器到两个阵列天线连线中心点的距离d为，
蓝牙信号发射器偏离阵列天线连线法线的角度θ为，
定位原理如图1.
自动跟随系统上安装的控制系统的主要模块为单片机，其用于处理传感器采集的数据、计算蓝牙信号发射源的位置以及规划自动跟随系统的行走路线，并控制自动跟随系统与外界的通信。
自动跟随系统上还安装有动力系统，包括可充电电池，左右各安装一个电机和车轮以及相应的电机驱动电路，还可以根据需要安装万向轮作为从动轮，从动轮的数量为0到2个。动力系统为自动跟随系统提供能源以及驱动自动跟随系统行走。电机为安装有编码器的可测速电机，可以通过单片机记录编码器的数据以计算行走速度，单片机会根据信号源的行走速度和方向调整自身的跟随速度和方向。自动跟随系统可以根据需要和信号源保持一定距离，并将行走速度以及里程等信息通过蓝牙发送到手机客户端。
自动跟随系统上还安装有姿态感知系统，包括加速度计和陀螺仪以及磁场强度计，用于感知自动跟随系统的姿态，当跟随系统有从动轮时，加速度计和陀螺仪主要作为姿态感知传感器，当跟随系统行走姿态异常，例如速度过快，或者倾倒时，跟随系统的电机会停止工作，并且将报警信息发送到手机客户端；当跟随系统仅有两个主动轮，而无从动轮时，跟随系统的行走方式类似平衡车，在此情况下，加速度计和陀螺仪不但作为姿态感知传感器，还负责跟随系统的平衡状态感知。姿态感知系统还包括红外阵列测温传感器，其作用是辅助蓝牙定位系统对手持信号源的人员进行定位。
自动跟随系统上还安装有避障系统，包括激光测距传感器，超声波避障传感器，防跌落传感器，这几类传感器用于避障以及感知边缘，防止跌落。当遇到无法通过的障碍物时，跟随系统会停止行走，并通过蓝牙模块将警报信息发送到手机客户端。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1 是蓝牙阵列天线定位的原理图
图2 是自动跟随系统的结构示意图：（1） 蓝牙信号发射器，（2）蓝牙信号接收模块，（3）蓝牙阵列天线，（4）单片机，（5）可充电电池，（6）编码电机，（7）车轮，（8）9轴加速度计，（9）激光测距传感器，（10）超声波避障传感器，（11）防跌落传感器，（12）红外阵列测温传感器。
具体实施方式
蓝牙阵列天线定位的原理是通过将传统的蓝牙天线改造为阵列天线，通过阵列天线上的天线单元接收同一信号源发射的信号，利用各个天线单元所接收到的信号的相位差来确定信号源相对于阵列天线的角度的方法。
蓝牙信号发射器首先与蓝牙信号接收器配对，配对成功以后，信号发射器发送定位数据包，由阵列天线接收。利用阵列天线进行定向的原理为，蓝牙阵列天线的每一个天线单元通过对接收到的信号采样得到同相和正交信号的值，再通过这两个信号的值计算出相位，再通过相邻天线单元之间的相位差和距离，就可以计算出信号源相对于天线阵列的角度。本系统中两个相距一定距离的阵列天线可分别测得信号源与各自天线阵列的角度，运用三角函数法可计算出信号源与跟随系统的距离与偏角。自动跟随系统利用此定位数据驱动电机跟随信号源行走。跟随系统上安装的电机为有编码器的可测速电机，可以通过单片机记录编码器的脉冲数据以计算行走速度，单片机会根据信号源的行走速度和方向调整自身的跟随速度和方向，可以根据需要设置与信号源保持一定距离，并将行走速度以及里程等信息通过蓝牙发送到手机客户端。跟随系统上安装的陀螺仪和加速度计以及测距传感器，防跌落传感器，可以防止跟随系统倾倒或者碰到障碍物，当遇到紧急情况，跟随系统会立即停止电机运转，并将报警信息通过蓝牙发送到手机客户端。本系统可以在10米范围内实现对人的准确跟随，无光环境下也可以工作，可以根据人的行走速度和方向调整自身的跟随速度和方向，行走过程中可以自动避开障碍物。此系统的优点在于，定位精度高，抗干扰能力强，硬件设备少，实现算法简单可靠。
