專利名稱：大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于超聲波的室內(nèi)目標(biāo)跟蹤和定位系統(tǒng)，具體涉及一種基于 超聲波傳播時(shí)延差TDOA的大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益 增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳、超市、圖書館、地下停車場(chǎng)、礦井等環(huán)境 中，常常需要確定移動(dòng)終端或其持有者、設(shè)施與物品的位置信息。但受定位時(shí)間、定位精度、 定位范圍以及定位目標(biāo)數(shù)等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無(wú)法很好的在室內(nèi)應(yīng) 用。因此專家學(xué)者們提出了許多用于室內(nèi)跟蹤定位的技術(shù)，常見(jiàn)的有紅外定位技術(shù)、慣性定 位技術(shù)、電磁定位技術(shù)以及超聲波定位技術(shù)。紅外線室內(nèi)定位技術(shù)是紅外線頂標(biāo)識(shí)發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過(guò)安裝在室內(nèi)的 光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位。雖然紅外線具有相對(duì)較高的室內(nèi)定位精度，但由于其傳輸距離 較短且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，使得其室內(nèi)定位的效果較差。慣性室內(nèi)定位技術(shù)是利用3個(gè)慣性傳感器感知物體沿三個(gè)正交坐標(biāo)軸方向的運(yùn) 動(dòng)速度，然后通過(guò)積分運(yùn)算得到物體的位置參數(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要外部測(cè)量設(shè)備，屬于被 動(dòng)自主式測(cè)量，測(cè)量范圍不受限制。但其缺點(diǎn)也是比較明顯的，即存在時(shí)間漂移問(wèn)題，這會(huì) 造成測(cè)量誤差的累計(jì)。電磁定位技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的室內(nèi)跟蹤定位技術(shù)，它的基本原理是通過(guò)建立 一個(gè)特定的磁場(chǎng)區(qū)域，然后利用磁場(chǎng)感應(yīng)器來(lái)獲取磁場(chǎng)信息，根據(jù)所得信息來(lái)計(jì)算感應(yīng)器 所在位置的坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系之間的關(guān)系參數(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、體積小、重量輕。缺 點(diǎn)是對(duì)電磁干擾和磁性金屬非常敏感，需要修正，系統(tǒng)延遲大。超聲波室內(nèi)定位技術(shù)是通過(guò)測(cè)量超聲波從發(fā)射器發(fā)出到超聲波接收器接收所經(jīng) 歷的渡越時(shí)間TOA或渡越時(shí)間差TDOA來(lái)計(jì)算發(fā)射器所在的位置。聲源與目標(biāo)之間的距離 與聲波在聲源與目標(biāo)之間傳播所需要的時(shí)間成正比，測(cè)量出渡越時(shí)間或渡越時(shí)間差就可以 計(jì)算出聲源與目標(biāo)之間的距離，根據(jù)多個(gè)不同位置的超聲波接收器對(duì)同一個(gè)超聲波發(fā)射器 進(jìn)行測(cè)距，通過(guò)計(jì)算可確定這個(gè)超聲波發(fā)射器在三維空間的位置。超聲波定位技術(shù)作為一種非接觸的檢測(cè)方式，與上述其他三種方法相比，有以下 幾方面的優(yōu)勢(shì)(1)超聲波傳播速度低，可以直接跟蹤距離較近的目標(biāo)，縱向分辨率高；(2)超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，對(duì)于被測(cè)環(huán)境處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干 擾、有毒等惡劣環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力；(3)易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度也容易控制；(4)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性價(jià)比高、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和 集成化。此外，采用基于TDOA的定位方式，由于不需要同步信號(hào)，還具有定位精度高的優(yōu)
3點(diǎn)，但它需要求解非線性方程，計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高，不利于在實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式 系統(tǒng)中應(yīng)用。在2004年12月澳大利亞悉尼的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際研討會(huì)(The 2004 International Symposium on GNSS/GPS)的會(huì)議記錄中提出了兩種基于TDOA方式的解算 方法，即CHAN解算方法和Taylor級(jí)數(shù)展開算法，CHAN解算方法是對(duì)非線性方程進(jìn)行部分線 性化處理的方法，要求解三維位置信息仍需解算一個(gè)非線性方程；Taylor級(jí)數(shù)展開算法是 根據(jù)Taylor中值定理進(jìn)行展開，在最小均方的意義上是最優(yōu)的，但是它需要一個(gè)與真實(shí)位 置接近的初始值進(jìn)行迭代，且如果定位精度要求較高，則泰勒展開式需要展開成多階導(dǎo)數(shù)， 進(jìn)行多次迭代，計(jì)算量很大，難以在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用，收斂性也不是很好。如今，超聲跟蹤定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人定位與導(dǎo)航等領(lǐng)域。并正在向尖端 武器、飛行器的研制開發(fā)、戰(zhàn)場(chǎng)虛擬訓(xùn)練、民用產(chǎn)品的樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造與裝配以及教育培訓(xùn)、 科學(xué)研究和娛樂(lè)等高新領(lǐng)域延伸。然而，在超聲波定位系統(tǒng)中，由于測(cè)量精度取決于時(shí)延或 時(shí)延差提取的精度，采樣率取決于目標(biāo)數(shù)量和工作范圍，目前現(xiàn)有的超聲跟蹤定位系統(tǒng)仍 普遍存在如下缺陷(1)定位精度差；(2)定位范圍?。?3)實(shí)時(shí)性差；(4)難以支持多目標(biāo) 跟蹤；( 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜。而高新技術(shù)的迅猛發(fā)展又對(duì)定位精度、等待時(shí)間、定位目標(biāo)數(shù)、工 作范圍以及環(huán)境適應(yīng)性等方面的要求越來(lái)越高，因此，設(shè)計(jì)大范圍多目標(biāo)的超聲跟蹤定位 系統(tǒng)，研究大范圍多目標(biāo)的超聲跟蹤定位技術(shù)必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下面描述幾種當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)。首先，在 Alan Henry Jones 的題為"Detection system for determining positional and other information about obiects”白勺禾!JNo. US 6, 493, 649 Bl ψ 描述了一種基于超聲接收傳感器陣列的跟蹤定位系統(tǒng)。安裝在用戶胸前的超聲信號(hào)發(fā)射器 被中央系統(tǒng)發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)(radio signal)觸發(fā)后，周期地發(fā)射頻率為40KHz的超聲波 脈沖信號(hào)，信號(hào)接收器接收到此超聲波信號(hào)后基于TOA三角測(cè)量法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤定位。 但其系統(tǒng)采用單一頻率的超聲波信號(hào)，難以完成多目標(biāo)的跟蹤定位，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本 尚。其次，在Ying Jia 的題為 “Ultrasonic tracking” 的美國(guó)專利 NO.US2008/0128178A1中描述了一種基于超聲波的多目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)。在發(fā)射端，它采 用m/Gold序列對(duì)超聲波脈沖進(jìn)行編碼，由于m/Gold序列具有尖銳的自相關(guān)和平坦的互相 關(guān)特性，因此，在接收端通過(guò)包絡(luò)檢測(cè)提取偽隨機(jī)碼并通過(guò)相關(guān)運(yùn)算提取各目標(biāo)的時(shí)延信 息并解決超聲串?dāng)_問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)定位。但由于做相關(guān)運(yùn)算計(jì)算量大，復(fù)雜度高，難 以在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用，且系統(tǒng)實(shí)時(shí)性也很難保證。再次,在 Sverre Holm 的題為"Ultrasonic tracking and locating system，，的美 國(guó)專利NO. US7, 352，652B2中提出了一種基于“監(jiān)聽(tīng)——請(qǐng)求——發(fā)射”的超聲波室內(nèi)定位 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一些電子信標(biāo)，且被安放在需要跟蹤和監(jiān)測(cè)的物體上，每個(gè)信標(biāo)都有自己 的地址碼，并且每個(gè)信標(biāo)都配有一個(gè)超聲波發(fā)射器，無(wú)線信號(hào)收發(fā)器，超聲波信號(hào)被固定的 主、從控單元接收來(lái)提取時(shí)延數(shù)據(jù)，進(jìn)一步得到位置信息。但其系統(tǒng)以RF信號(hào)作為同步與 信息傳遞信號(hào)，存在同步誤差，定位精度較差，采用“監(jiān)聽(tīng)”機(jī)制，不能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤定位， 同時(shí)，在發(fā)射器和接收器之間需要復(fù)雜的信令和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)同步和經(jīng)由無(wú)線鏈路傳輸 數(shù)據(jù)，系統(tǒng)復(fù)雜度高。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種大范圍多目標(biāo)跟蹤定位的系統(tǒng)。以解決大范圍多目標(biāo)的超 聲跟蹤定位系統(tǒng)和方法存在的實(shí)時(shí)性差、定位精度低、且位置信息難于解算的問(wèn)題。本實(shí)用新型采取的方案是一種基于超聲波的大范圍多目標(biāo)的跟蹤定位系統(tǒng)，包 括發(fā)射組件，包含多個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)射器，各超聲波信號(hào)發(fā)射器被安裝在不同目標(biāo) 上，用于周期地發(fā)射超聲波信號(hào)，且不同超聲波信號(hào)發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號(hào)具有不同頻 率或不同時(shí)隙特性；在一個(gè)信號(hào)發(fā)射周期，不同超聲波信號(hào)發(fā)射器可以在同一時(shí)隙發(fā)射不 同頻率的超聲波信號(hào)，也可以在不同時(shí)隙發(fā)射相同頻率的超聲波信號(hào)。不同頻率間隔在 15KHz左右，如超聲波信號(hào)頻率為25KHz、40KHz、55KHz、60KHz、75KHz，但也不僅限于此，可 根據(jù)超聲波傳感器的帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；不同時(shí)隙間隔在IOms左右，但也不限于此，可根 據(jù)定位目標(biāo)數(shù)、實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；接收組件，包括多個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元，用于接收和處理所述超聲波信號(hào) 發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號(hào)，每個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元均由1個(gè)主控單元和4個(gè)從控單 元組成，且主、從控單元之間呈一定規(guī)則的幾何分布，主控單元與其中的兩個(gè)從控單元分布 在一條直線上，與另外兩個(gè)從控單元分布在另一條直線上，且主控單元分布在各直線上相 應(yīng)兩個(gè)從控單元之間的位置，主控單元負(fù)責(zé)從控單元的開啟狀態(tài)，并確定其所在的接收處 理單元是否被選定用于目標(biāo)的跟蹤定位，從控單元受控于主控單元，并和主控單元一起協(xié) 調(diào)完成目標(biāo)的跟蹤定位。優(yōu)選的分布方案是正方形分布，即主控單元分布在正方形的中心， 從控單元分布在正方形的四個(gè)端點(diǎn)。進(jìn)一步，主控單元和從控單元均包含相同數(shù)量的具有 不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收器，且主、從控單元中不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收器 之間的分布方案相同，設(shè)系統(tǒng)采用的頻率數(shù)為m，則主、從控單元均包含m個(gè)具有不同頻率 特性的超聲波信號(hào)接收器，且不同頻率接收器之間呈點(diǎn)(m= 1)，線形(m= 2)，三角形(m =3)或正方形(m = 4或幻分布。此外，還可以通過(guò)對(duì)超聲波信號(hào)接收處理單元進(jìn)行一定 規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，形成超聲波接收傳感器網(wǎng)絡(luò)；計(jì)算顯示單元，由USB以及上位機(jī)3D顯示服務(wù)器組成，用于計(jì)算并實(shí)時(shí)地顯示目 標(biāo)在三維空間的位置。根據(jù)本實(shí)用新型第一個(gè)方面描述的大范圍是指跟蹤定位范圍大于普適室內(nèi)范圍 IOmXlOm= 100m2，并可根據(jù)實(shí)際對(duì)室內(nèi)跟蹤定位范圍的要求，通過(guò)增大或減小超聲接收傳 感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；描述的多目標(biāo)是指跟蹤目標(biāo)數(shù)大于等于2的情況，且 跟蹤目標(biāo)數(shù)可根據(jù)采用的頻率數(shù)、時(shí)隙數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，其特征在于設(shè)在一個(gè)信號(hào)發(fā)射周 期內(nèi)，系統(tǒng)采用的頻率數(shù)為i，采用的時(shí)隙數(shù)為j，則最大跟蹤目標(biāo)數(shù)K = i X j。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于采用了空間分割技術(shù)，時(shí)分、頻分結(jié)合的技術(shù)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大范圍多目標(biāo) 的室內(nèi)位置跟蹤，且無(wú)需復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，適用范圍廣。2、由于采用了基于時(shí)延差TDOA的超聲跟蹤定位算法并依據(jù)主、從控單元之間已 知的幾何位置關(guān)系進(jìn)行位置解算，無(wú)同步誤差，定位精度高，且克服了傳統(tǒng)TDOA定位算法 中，位置信息難于解算的缺陷，利于在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。3、由于采用了 5個(gè)超聲波信號(hào)接收器對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行位置跟蹤，增加了冗余信息，保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定和跟蹤圖像的平滑。4、在跟蹤目標(biāo)數(shù)小于等于10的情況下，系統(tǒng)將具有良好的時(shí)間反應(yīng)特性，其刷新 頻率大于等于50Hz。5、由于主、從控單元之間協(xié)調(diào)工作，當(dāng)子空間沒(méi)有某個(gè)或某幾個(gè)頻率的目標(biāo)超聲 波信號(hào)發(fā)射器時(shí)，相應(yīng)從控單元中相應(yīng)頻率的超聲波信號(hào)接收器處于關(guān)閉狀態(tài)，只有主控 單元中的超聲波信號(hào)接收器處于開啟狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的功耗設(shè)計(jì)。6、采用基于位置信息和信號(hào)幅度信息相結(jié)合的越空間切換方法，既防止了因噪聲 波動(dòng)引起的超聲信號(hào)發(fā)射器的錯(cuò)誤切換，又保證了目標(biāo)位于兩個(gè)或4個(gè)子空間交界時(shí)跟蹤 目標(biāo)圖像的良好拼接。

圖1是示出本實(shí)用新型提出的大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)100的整體框圖；圖IA是示出根據(jù)本實(shí)用新型提出的大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)100的內(nèi)部 框圖；圖IB是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)接收處理單元的組成框圖，其中分別 示出了主、從單元間呈一般分布及優(yōu)選的正方形分布的情形；圖IC是示出根據(jù)本實(shí)用新型的主、從控單元的組成框圖，其中分別示出包含m = 1，2，3，4，5個(gè)不同頻率超聲波信號(hào)接收器的情形；圖2A是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)發(fā)射器的硬件結(jié)構(gòu)布局圖；圖2B是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)接收處理單元的硬件結(jié)構(gòu)布局圖；圖2C是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)接收處理單元中超聲波信號(hào)的基本調(diào) 理過(guò)程圖；圖3是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)發(fā)射器發(fā)射的具有不同頻率特性或不 同時(shí)隙特性的超聲波信號(hào)發(fā)射時(shí)序圖；圖4是用于說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)接收處理單元網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼翱臻g分 割情形的示意圖；圖5是用于說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的基于超聲波的大范圍多目標(biāo)跟蹤定位過(guò)程500 的流程圖；圖6是用于說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的基于時(shí)延差的超聲跟蹤定位算法原理示意圖；圖7A是用于說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的超聲信號(hào)接收處理單元中不同頻率超聲波信 號(hào)接收器的坐標(biāo)統(tǒng)一標(biāo)定方案示意圖，其中分別示出包含η = 1，2，3，4，5個(gè)不同頻率超聲 波信號(hào)接收器的情形；圖7Β是用于說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的不同子空間的坐標(biāo)統(tǒng)一標(biāo)定方案示意圖。
具體實(shí)施方式
大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)，包括發(fā)射組件，包含多個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)射器，各超聲波信號(hào)發(fā)射器被安裝在不同目標(biāo) 上，用于周期地發(fā)射超聲波信號(hào)；接收組件，包括多個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元，用于接收和處理所述超聲波信號(hào)發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號(hào)；計(jì)算顯示單元，由USB以及上位機(jī)3D顯示服務(wù)器組成，用于計(jì)算并實(shí)時(shí)地顯示目 標(biāo)在三維空間的位置。本實(shí)用新型一種實(shí)施方式是發(fā)射組件中包含的超聲波信號(hào)發(fā)射器發(fā)射的是具有 不同頻率或不同時(shí)隙特性的超聲波信號(hào)。本實(shí)用新型一種實(shí)施方式是接收組件中包括的超聲波信號(hào)接收處理單元由1個(gè) 主控單元和4個(gè)從控單元組成，且主、從控單元之間呈一定規(guī)則的幾何分布，主控單元與其 中的兩個(gè)從控單元分布在一條直線上，與另外兩個(gè)從控單元分布在另一條直線上，且主控 單元分布在各直線上相應(yīng)兩個(gè)從控單元之間的位置，主控單元負(fù)責(zé)從控單元的開啟狀態(tài)， 并確定其所在的超聲波信號(hào)接收處理單元是否被選定用于目標(biāo)的跟蹤定位，從控單元受控 于主控單元，并和主控單元一起協(xié)調(diào)完成目標(biāo)的跟蹤定位；優(yōu)選的分布方案是正方形分布， 即主控單元分布在正方形的中心，從控單元分布在正方形的四個(gè)端點(diǎn)。本實(shí)用新型一種實(shí)施方式是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬沙暡ń邮諅鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)。本實(shí)用新型一種實(shí)施方式是主控單元和從控單元均包含相同數(shù)量的具有不同頻 率特性的超聲波信號(hào)接收器，且主、從控單元中不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收器之間的 分布方案相同，設(shè)系統(tǒng)采用的頻率數(shù)為m，則主、從控單元均包含m個(gè)具有不同頻率特性的 超聲波信號(hào)接收器，且不同頻率超聲波信號(hào)接收器之間呈點(diǎn)，線形，三角形或正方形分布。本實(shí)用新型一種實(shí)施方式是大范圍是指跟蹤定位范圍大于普適室內(nèi)范圍 10mX10m= 100m2，并可根據(jù)實(shí)際對(duì)室內(nèi)跟蹤定位范圍的要求，通過(guò)增大或減小超聲波接收 傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；所述多目標(biāo)是指跟蹤目標(biāo)數(shù)大于等于2的情況，且 跟蹤目標(biāo)數(shù)可根據(jù)采用的頻率數(shù)、時(shí)隙數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，設(shè)在一個(gè)信號(hào)發(fā)射周期內(nèi)，系統(tǒng)采 用的頻率數(shù)為i，采用的時(shí)隙數(shù)為j，則最大跟蹤目標(biāo)數(shù)K = i X j。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述圖1是示出本實(shí)用新型提出的大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)100的整體框圖。 如圖所示，該系統(tǒng)由發(fā)射組件101、接收組件102以及計(jì)算顯示單元103組成。進(jìn)一步參考圖 1A、1B和1C，其中發(fā)射組件101包括多個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)射器101-1、101-2…，101-M，接收組 件102包括多個(gè)超聲信號(hào)接收處理單元102-1，102-2··· 102-N,各超聲波信號(hào)接收處理單元 通過(guò)總線106與計(jì)算顯示單元103相連。其中所述的單個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元由1個(gè) 主控單元和4個(gè)從控單元組成，且主、從控單元之間呈一定規(guī)則的幾何分布，如圖lB(a)所 示，其特征在于主控單元與其中的兩個(gè)從控單元分布在一條直線上，與另外兩個(gè)從控單元 分布在另一條直線上，且主控單元分布在各直線上相應(yīng)兩個(gè)從控單元之間的位置。在一中 具體的實(shí)施方案中，優(yōu)選的分布方案是正方形分布，如圖IB(b)，主控單元分布在正方形的 中心，從控單元分布在正方形的四個(gè)端點(diǎn)。此外，主控單元和從控單元均包含相同數(shù)量的具 有不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收器，且主、從控單元中不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收 器之間的分布方案相同，其特征在于設(shè)系統(tǒng)采用的頻率數(shù)為m，則主、從控單元均包含m個(gè) 具有不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收器，且不同頻率超聲波信號(hào)接收器之間呈點(diǎn)(m= 1)， 線形(m = 2)，三角形(m=3)或正方形(m = 4或5)分布，如圖IC所示。在上述圖IC中描述的實(shí)施例中，其中所述不同頻率超聲信號(hào)接收器之間可以有 一定的間隔，它們之間的點(diǎn)、線形、三角形或正方形分布也可以通過(guò)一定的旋轉(zhuǎn)和平移獲得
7新的分布方案，其并不脫離本實(shí)用新型的精神及本質(zhì)特征。圖2A是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)發(fā)射器的硬件結(jié)構(gòu)布局圖。如圖所示， 為了實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的跟蹤定位，不同超聲波信號(hào)發(fā)射器可以發(fā)射不同頻率的超聲波信號(hào)，在 一個(gè)實(shí)施例中，不同超聲波信號(hào)發(fā)射器也可以發(fā)射相同頻率不同時(shí)隙的超聲波信號(hào)。在圖 2A所示硬件圖上，除了包含用于執(zhí)行核心操作的微控制器(MCU)以及頻率為f的超聲波發(fā) 射傳感器外，還包括LED、電源、振蕩器、存儲(chǔ)器和編程接口等等。由于這些組件都是本領(lǐng)域 技術(shù)人員已知的常用組件，因此，這里不再贅述。圖2B是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)接收處理單元的硬件結(jié)構(gòu)布局圖。如 圖所示，根據(jù)本實(shí)用新型，為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤定位，超聲波信號(hào)接收處理單元由1個(gè)主控 單元和4個(gè)從控單元組成，在一個(gè)實(shí)施例中，主控單元通過(guò)控制接口控制從控單元的開啟 狀態(tài)，并確定其所在的超聲波信號(hào)接收處理單元是否被選定用于目標(biāo)的跟蹤定位，從控單 元受控于主控單元，并和主控單元一起協(xié)調(diào)完成目標(biāo)的跟蹤定位，同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)大范圍跟 蹤定位，多個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元通過(guò)總線接口與計(jì)算顯示單元相連，進(jìn)一步協(xié)調(diào)工 作。此外，在圖2B所示的硬件結(jié)構(gòu)圖上，除了包含用于控制及信號(hào)處理的超聲波信號(hào)接收 處理單元處理器、1個(gè)主控單元和4個(gè)從控單元外以及控制接口和總線接口外，還包括振蕩 器、LED、電源、存儲(chǔ)器、編程接口、超聲波接收傳感器等等，由于這些組件是本領(lǐng)域技術(shù)人員 已知的常用組件，因此這里不再贅述。圖2C是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)接收處理單元中超聲波信號(hào)調(diào)理過(guò)程 圖。為了說(shuō)明主、從控單元之間的協(xié)調(diào)工作關(guān)系，在一個(gè)具體的實(shí)施例中，當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位 后，各超聲波信號(hào)接收處理單元中的主控單元時(shí)刻處于開啟狀態(tài)，當(dāng)頻率為f的超聲波信 號(hào)發(fā)射器在一次上電復(fù)位后第一次發(fā)射頻率為f的超聲波信號(hào)，各超聲波信號(hào)接收處理單 元的主控單元中頻率為f的超聲波信號(hào)接收器接收所述的頻率為f的超聲波信號(hào)，通過(guò)濾 波電路、放大電路、峰值檢測(cè)電路和比較電路等選定具有最強(qiáng)超聲波信號(hào)接收強(qiáng)度的主控 單元所在的超聲波信號(hào)接收處理單元作為此時(shí)目標(biāo)的跟蹤定位，同時(shí)通過(guò)開關(guān)電路啟動(dòng)相 應(yīng)從控單元中頻率為f的超聲波信號(hào)接收器。進(jìn)一步，在下一次接收的頻率為f的超聲波 信號(hào)通過(guò)濾波電路、放大電路、A/D等進(jìn)入超聲波信號(hào)接收處理單元的處理器，由于這些信 號(hào)調(diào)理過(guò)程是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常用超聲波信號(hào)調(diào)理過(guò)程，因此這里不再贅述。圖3是示出根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)發(fā)射器發(fā)射的具有不同頻率特性或不 同時(shí)隙特性的超聲波信號(hào)發(fā)射時(shí)序圖，如圖所示，設(shè)T = tN-t0為一個(gè)信號(hào)發(fā)射周期，在一個(gè) 信號(hào)發(fā)射周期中不同目標(biāo)可以在同一時(shí)刻發(fā)射不同頻率的超聲波信號(hào)，也可以在不同時(shí)刻 發(fā)射相同頻率的超聲波信號(hào)。其中所述的不同頻率，其特征在于不同頻率間隔在15KHz左 右，如信號(hào)頻率為25KHz、40KHz、55KHz、60KHz、75KHz，但也不僅限于此，可根據(jù)傳感器的帶 寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；其中所述的不同時(shí)隙，其特征在于不同時(shí)隙間隔在IOms左右，但也不限 于此，可根據(jù)定位目標(biāo)數(shù)、實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。根據(jù)本實(shí)用新型，系統(tǒng)的跟蹤目標(biāo)數(shù) 及實(shí)時(shí)性由系統(tǒng)采用的頻率數(shù)及單周期內(nèi)的時(shí)隙數(shù)唯一決定，因此，在一個(gè)具體的實(shí)施例 中，設(shè)在一個(gè)信號(hào)發(fā)射周期內(nèi)，系統(tǒng)采用的頻率數(shù)為i，采用的時(shí)隙數(shù)為j，則最大跟蹤目標(biāo) 數(shù)K= iXj ；此外，在另一個(gè)具體的實(shí)施例中，例如在普適室內(nèi)環(huán)境下(室內(nèi)高度小于等于 3米)，設(shè)系統(tǒng)采用的頻率數(shù)為5，要求的刷新頻率大于等于50Hz，則為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定， 在一個(gè)信號(hào)發(fā)射周期T = 1000/50 = 20ms內(nèi)，采用的時(shí)隙數(shù)小于等于2，最大跟蹤目標(biāo)數(shù)K ≤ 5X2 = 10。圖4是用于說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的超聲波信號(hào)接收處理單元網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼翱臻g分 割情形的示意圖。如圖4(a)所示，根據(jù)本實(shí)用新型，為了實(shí)現(xiàn)大范圍跟蹤定位的目的，將大 空間劃分為小的子空間，每個(gè)子空間采用1個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元(由1個(gè)主控單元 和4個(gè)從控單元組成)，目標(biāo)信號(hào)由所在的子空間超聲波信號(hào)接收處理單元接收處理。進(jìn)一 步，為了提高系統(tǒng)容量和定位精度，可以根據(jù)實(shí)際情況將子空間繼續(xù)劃分為更小的子空間， 如圖4(b)所示。圖5是用于說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的基于超聲波的大范圍多目標(biāo)跟蹤定位過(guò)程500 的流程圖，其中包括以下步驟在步驟Sl中將大空間劃分為小的子空間，每個(gè)子空間采用1個(gè)超聲波信號(hào)接收處 理單元，目標(biāo)信號(hào)由所在的子空間超聲波信號(hào)接收處理單元接收處理，同時(shí)，所述的子空間 還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行再劃分，以提高系統(tǒng)容量和定位精度。在步驟S2中，安裝在不同目標(biāo)上的不同超聲波信號(hào)發(fā)射器周期地發(fā)射具有不同 頻率或不同時(shí)隙特性的超聲波信號(hào)；其特征在于在一個(gè)信號(hào)發(fā)射周期，不同超聲波信號(hào) 發(fā)射器可以在同一時(shí)隙發(fā)射不同頻率的超聲波信號(hào)，也可以在不同時(shí)隙發(fā)射相同頻率的超 聲波信號(hào)。不同頻率間隔在15KHz左右，如超聲波信號(hào)頻率為25KHz、40KHz、55KHz、60KHz、 75KHz，但也不僅限于此，可根據(jù)超聲波傳感器的帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；不同時(shí)隙間隔在IOms 左右，但也不限于此，可根據(jù)定位目標(biāo)數(shù)、實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在步驟S3中，各超聲波信號(hào)接收處理單元的主控單元中的超聲波信號(hào)接收器接 收上述超聲波信號(hào)發(fā)射器第一次發(fā)來(lái)的超聲波信號(hào)，并針對(duì)同一頻率同一時(shí)隙的超聲波信 號(hào)，選定具有最強(qiáng)超聲波信號(hào)接收強(qiáng)度的超聲波信號(hào)接收器所在的超聲波信號(hào)接收處理單 元作為此時(shí)目標(biāo)的跟蹤定位單元，同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)從控單元中的超聲波信號(hào)接收器。在步驟S4中，針對(duì)同一超聲波信號(hào)發(fā)射器發(fā)射來(lái)的同一時(shí)隙超聲波信號(hào)，由選定 的超聲波信號(hào)接收處理單元接收處理，通過(guò)提取其達(dá)到各從控單元與主控單元中相應(yīng)頻率 的超聲波信號(hào)接收器之間的時(shí)延差數(shù)據(jù)，以及根據(jù)主、從控單元中相應(yīng)頻率的超聲波信號(hào) 接收器之間已知的幾何位置關(guān)系，通過(guò)計(jì)算顯示單元獲取目標(biāo)的位置信息，并進(jìn)一步在上 位機(jī)3D顯示服務(wù)器中實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。在步驟S5中，當(dāng)目標(biāo)跨越子空間運(yùn)動(dòng)且被判定位于兩個(gè)或四個(gè)子空間的交界處 時(shí)，根據(jù)相鄰的兩個(gè)或四個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元的主控單元中相應(yīng)頻率的超聲波信號(hào) 接收器接收到的超聲波信號(hào)相對(duì)強(qiáng)弱進(jìn)行越空間切換，否則不予切換。當(dāng)上述目標(biāo)完成越 空間切換并判定前一個(gè)子空間沒(méi)有和上述目標(biāo)攜帶的頻率相同的超聲波信號(hào)發(fā)射器存在 后，前一超聲波信號(hào)接收處理單元的從控單元中相應(yīng)頻率的超聲波信號(hào)接收器關(guān)閉，等到 下一次定位再開啟。在圖5所述的實(shí)施方案中，其中所述步驟Sl中描述的超聲波信號(hào)接收處理單元 由1個(gè)主控單元和4個(gè)從控單元組成，且主、從控單元之間呈一定規(guī)則的幾何分布，參考圖 IB (a)，其特征在于主控單元與其中的兩個(gè)從控單元分布在一條直線上，與另外兩個(gè)從控 單元分布在另一條直線上，且主控單元分布在各直線上相應(yīng)兩個(gè)從控單元之間的位置，主 控單元負(fù)責(zé)從控單元的開啟狀態(tài)，并確定其所在的接收處理單元是否被選定用于目標(biāo)的跟 蹤定位，從控單元受控于主控單元，并和主控單元一起協(xié)調(diào)完成目標(biāo)的跟蹤定位。優(yōu)選的分布方案是正方形分布，如圖lB(b)所示，主控單元分布在正方形的中心，從控單元分布在正 方形的四個(gè)端點(diǎn)。進(jìn)一步，其中所述主控單元和從控單元均包含相同數(shù)量的具有不同頻率 特性的超聲波信號(hào)接收器，且主、從控單元中不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收器之間的分 布方案相同，其特征在于設(shè)系統(tǒng)采用的頻率數(shù)為m，則主、從控單元均包含m個(gè)具有不同頻 率特性的超聲波信號(hào)接收器，且不同頻率超聲波信號(hào)接收器之間呈點(diǎn)(m= 1)，線形(m = 2)，三角形(m= 3)或正方形(m = 4或5)分布，參考圖1C。圖6是用于說(shuō)明根據(jù)本實(shí)用新型的基于時(shí)延差的超聲跟蹤定位算法原理示意圖。 根據(jù)本實(shí)用新型，在一個(gè)具體的實(shí)施例中，針對(duì)一個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元，主、從控單 元之間采用優(yōu)選的正方形分布方案，如圖所示，圖中&是位于正方形中心點(diǎn)上的主控單元 中頻率為f的超聲波信號(hào)接收器，RpI^RyR4是分布在正方形四個(gè)端點(diǎn)上的從控單元中頻 率為f的超聲波信號(hào)接收器，T(x, y, ζ)代表目標(biāo)上的頻率為f的超聲波信號(hào)發(fā)射器，當(dāng)?shù)?i(i = 1,2,3,4,5)個(gè)頻率為f的超聲波信號(hào)接收器(假定作為第一個(gè)接收到上述超聲波信 號(hào)的超聲波信號(hào)接收器)接收到上述超聲波信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，并使Ti = OCTi 表示第i個(gè)頻率為f的超聲波信號(hào)接收器捕獲的時(shí)延數(shù)據(jù))。當(dāng)?shù)趈個(gè)頻率為f的超聲波 信號(hào)接收器(j = 1，2，3，4，5，且i興j)接收到上述超聲波信號(hào)后捕獲定時(shí)器值Τ」。當(dāng)所 有頻率為f的超聲波信號(hào)接收器接收到目標(biāo)發(fā)射器發(fā)來(lái)的頻率為f的超聲波信號(hào)后，以主 控單元中頻率為f的超聲波信號(hào)接收器提取的時(shí)延作為基準(zhǔn)，提取各叢控單元與主控單元 中主控單元中頻率為f的超聲波信號(hào)接收器之間的時(shí)延差數(shù)據(jù)Tk,5 = Tk-T5 (k = 1，2，3，4)。 基于各從控單元與主控單元中頻率為f的超聲波信號(hào)接收器之間的時(shí)延差數(shù)據(jù)及主、從控 單元之間已知的幾何位置關(guān)系計(jì)算所述目標(biāo)的位置。目標(biāo)位置解算過(guò)程如下假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為C，主、從控單元中頻率為f的超聲波信號(hào)接收 器之間的距離為a，其中c和a都是已知的。則可以根據(jù)主、從控單元中頻率為f的超聲波 信號(hào)接收器之間的時(shí)延差算出距離差。
Lr，5 cT^ R Lv L；
k,5
」k ^5
k = 1,2,3,4其中，Lk(k= 1，2，3，4)為目標(biāo)發(fā)射器到各從控單元中頻率為f的超聲波信號(hào)接收 器之間的距離，L5為目標(biāo)發(fā)射器到主控單元中頻率為f的超聲波信號(hào)接收器之間的距離?？紤]隊(duì)、R3、&三點(diǎn)，可得到
X2+y2+Z2 =Lf
(x + fl)2+/+z2 二⑷+13，5)2 [ (x-α)2+/+Z2 =(Z^I1j5)2
ζ>0
、
同理，考慮隊(duì)、民、1 5三點(diǎn)，可以得到
>
Li 二
Ia2 - L23 5 - L2v
2(Ι3,5+Α,5)
2a
10
權(quán)利要求1.一種大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于包括發(fā)射組件，包含多個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)射器，各超聲波信號(hào)發(fā)射器被安裝在不同目標(biāo)上，用 于周期地發(fā)射超聲波信號(hào)；接收組件，包括多個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元，用于接收和處理所述超聲波信號(hào)發(fā)射 器發(fā)射的超聲波信號(hào)；計(jì)算顯示單元，由USB以及上位機(jī)3D顯示服務(wù)器組成，用于計(jì)算并實(shí)時(shí)地顯示目標(biāo)在 三維空間的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)射組件中 包含的超聲波信號(hào)發(fā)射器發(fā)射的是具有不同頻率或不同時(shí)隙特性的超聲波信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于接收組件中包 括的超聲波信號(hào)接收處理單元由1個(gè)主控單元和4個(gè)從控單元組成，且主、從控單元之間呈 一定規(guī)則的幾何分布，主控單元與其中的兩個(gè)從控單元分布在一條直線上，與另外兩個(gè)從 控單元分布在另一條直線上，且主控單元分布在各直線上相應(yīng)兩個(gè)從控單元之間的位置， 主控單元負(fù)責(zé)從控單元的開啟狀態(tài)，并確定其所在的超聲波信號(hào)接收處理單元是否被選定 用于目標(biāo)的跟蹤定位，從控單元受控于主控單元，并和主控單元一起協(xié)調(diào)完成目標(biāo)的跟蹤 定位；優(yōu)選的分布方案是正方形分布，即主控單元分布在正方形的中心，從控單元分布在正 方形的四個(gè)端點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?形成超聲波接收傳感器網(wǎng)絡(luò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于主控單元和從 控單元均包含相同數(shù)量的具有不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收器，且主、從控單元中不同 頻率特性的超聲波信號(hào)接收器之間的分布方案相同，設(shè)系統(tǒng)采用的頻率數(shù)為m，則主、從控 單元均包含m個(gè)具有不同頻率特性的超聲波信號(hào)接收器，且不同頻率超聲波信號(hào)接收器之 間呈點(diǎn)，線形，三角形或正方形分布。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種大范圍多目標(biāo)超聲跟蹤定位系統(tǒng)，涉及基于超聲波的室內(nèi)目標(biāo)跟蹤和定位系統(tǒng)。包括發(fā)射組件、接收組件和計(jì)算顯示單元，所述的發(fā)射組件包括多個(gè)具有不同頻率或不同時(shí)隙特性的超聲信號(hào)發(fā)射器，各發(fā)射器被安裝在不同目標(biāo)上，用于周期地發(fā)射超聲波信號(hào)；所述的接收組件包括多個(gè)超聲波信號(hào)接收處理單元，用于接收和處理所述發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號(hào)；所述的計(jì)算顯示單元，包括USB及上位機(jī)3D顯示服務(wù)器。通過(guò)空間分割、時(shí)頻結(jié)合以及越空間切換等方案實(shí)現(xiàn)大范圍多目標(biāo)的跟蹤定位。本實(shí)用新型的定位系統(tǒng)具有定位范圍大，跟蹤目標(biāo)多，無(wú)同步誤差和無(wú)需復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，功耗小，穩(wěn)定度高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S5/22GK201897636SQ20102060963
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者伍榮福, 孫曉穎, 溫泉, 王波, 田野, 陳建 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)