一種基于眼鏡架的頭部運(yùn)動(dòng)軌跡射頻追蹤系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)定位和追蹤系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于眼鏡架的頭部運(yùn)動(dòng)軌跡射 頻追蹤系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線(xiàn)定位和追蹤是近年來(lái)隨著無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展而被廣泛應(yīng)用的一種新興技術(shù)手 段，目前它在飛行器控制、虛擬人機(jī)交互、遠(yuǎn)程醫(yī)療、殘疾人生活輔助等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用 前景。目前相關(guān)的技術(shù)主要有光學(xué)和射頻兩種技術(shù)手段。
[0003] 對(duì)于光學(xué)定位和追蹤來(lái)說(shuō)，主要是在紅外和可見(jiàn)光頻段，通過(guò)多攝像頭采集圖像 進(jìn)行分析和識(shí)別，根據(jù)目標(biāo)尺寸和角度的變化得到物體的姿態(tài)和位置。此種技術(shù)無(wú)法應(yīng)用 于有障礙物的場(chǎng)合，在陽(yáng)光直射和光線(xiàn)條件不好的情況下效果也會(huì)很差。
[0004]射頻定位和追蹤技術(shù)包括WIFI、藍(lán)牙、RFID、UWB、A0A(Angle of Arrival)、 TOA (Time of Arrival)、TD0A (Time Difference of Arrival)HFI、藍(lán)牙和RFID技術(shù)是基 于RSSI信號(hào)傳輸強(qiáng)度的衰減來(lái)進(jìn)行距離估計(jì)和定位的，此種方法定位精度很差。UWB技術(shù) 可以進(jìn)行高精度定位，但是收發(fā)裝置復(fù)雜，性能指標(biāo)和部署環(huán)境要求高，難以應(yīng)用和推廣。 Α0Α技術(shù)其原理是利用收發(fā)裝置之間的方向偏移信息來(lái)判斷目標(biāo)的相對(duì)位置，它對(duì)天線(xiàn)的 指向性要求較高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，精度較差。Τ0Α和TD0A技術(shù)在同一頻率點(diǎn)通過(guò)多個(gè)已知位 置的基站接收被定位目標(biāo)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，并根據(jù)收到信號(hào)的時(shí)間或時(shí)間差來(lái)計(jì)算目標(biāo)位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了獲得人頭部的姿態(tài)和位置以及運(yùn)動(dòng)軌跡，本發(fā)明的目的在于提供一種基于眼 鏡架的頭部運(yùn)動(dòng)軌跡射頻追蹤系統(tǒng)，安裝于眼鏡架和定位信息接收裝置上的多發(fā)多收的射 頻系統(tǒng)，在五個(gè)頻率通道上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)，利用射頻信號(hào)的傳輸延時(shí)獲得眼鏡架上 不同部位相對(duì)定位信息接收裝置的位置信息，從而計(jì)算出佩戴者頭部的空間位置和姿態(tài)， 以追蹤人的頭部運(yùn)動(dòng)信息。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明包括裝有中頻信號(hào)源S，不在同一平面上的四個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、 D及各自的天線(xiàn)和一個(gè)射頻信號(hào)接收模塊0及其天線(xiàn)的眼鏡架，眼鏡架的眼鏡腿內(nèi)置3. 7V 鋰電池供電，中頻信號(hào)源S與四個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、D連接，射頻信號(hào)接收模塊0與 四個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、D連接；
[0008] 裝有不在同一平面上的四個(gè)射頻信號(hào)接收模塊A'、B'、C'、D'及各自的天線(xiàn)和一 個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊〇'及其天線(xiàn)的定位信息接收裝置，定位信息接收裝置用5V有源直流 電源供電；
[0009] 所述眼鏡架上的天線(xiàn)為線(xiàn)極化偶極子天線(xiàn)；所述定位信息接收裝置上的天線(xiàn)為圓 極化窄帶貼片天線(xiàn)；眼鏡架和定位信息接收裝置之間通過(guò)天線(xiàn)連接。
[0010] 所述射頻信號(hào)接收模塊〇,由工作頻率為2. 4GHz的線(xiàn)極化偶極子天線(xiàn)、2. 4GHz低 噪聲放大器、2. 4GHz窄帶帶通濾波器和2. 4GHz-4. 8GHz的倍頻器構(gòu)成。
[0011] 所述四個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、D結(jié)構(gòu)相同，均由工作頻率為4. 8GHz的射頻 信號(hào)和10-40MHZ的中頻信號(hào)的混頻器、對(duì)應(yīng)混頻器輸出頻率的4. 8GHz窄帶帶通濾波器、功 率放大器和4. 8GHz的線(xiàn)極化偶極子發(fā)射天線(xiàn)構(gòu)成。
[0012] 所述中頻信號(hào)源S，由晶振產(chǎn)生頻率10MHz的fA信號(hào)，并通過(guò)倍頻電路輸出等幅 度的10ΜΗζ、20ΜΗΖ、30ΜΗΖ、40ΜΗζ四組中頻信號(hào)分別通過(guò)窄帶帶通濾波輸送到各自的射頻 信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、D。
[0013] 所述射頻信號(hào)發(fā)射模塊0'，由2. 4GHz的單點(diǎn)射頻載頻輸入與基帶信號(hào)L進(jìn)行混 頻，然后在2. 4GHz進(jìn)行濾波和放大，通過(guò)圓極化窄帶貼片天線(xiàn)發(fā)送信號(hào)。
[0014] 所述四個(gè)射頻信號(hào)接收模塊A'、B'、C'、D'結(jié)構(gòu)相同，均由4. 8GHz的圓極化窄帶 貼片接收天線(xiàn)、4. 8GHz的低噪聲放大器、對(duì)應(yīng)工作頻率的窄帶濾波器、與4. 8GHz的載頻信 號(hào)進(jìn)行下混頻解調(diào)的混頻器以及對(duì)應(yīng)不同模塊的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz的中頻濾波 器和各自的放大器構(gòu)成。
[0015] 所述定位信息接收裝置內(nèi)，包括多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字處理電路FPGA，多通 道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的四個(gè)通道分別與數(shù)字處理電路FPGA中的距離計(jì)算模塊A、距離計(jì)算模塊 B、距離計(jì)算模塊C和距離計(jì)算模塊D連接，數(shù)字處理電路FPGA內(nèi)部的偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn) 生一個(gè)偽隨機(jī)序列L，一路傳輸至射頻信號(hào)發(fā)射模塊0'，另一路分別傳輸至所述四個(gè)距離 計(jì)算模塊，并與解調(diào)出的基帶信息進(jìn)行卷積，通過(guò)位置姿態(tài)計(jì)算得到位置和姿態(tài)信息。
[0016] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0017] 本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的Τ0Α和TD0A定位系統(tǒng)，它利用多個(gè)頻率收發(fā)多個(gè)參考點(diǎn)之間 的時(shí)延，每對(duì)參考點(diǎn)都既是定位目標(biāo)也是定位參考基站。通過(guò)兩組多個(gè)模塊構(gòu)成的收發(fā)裝 置，可以實(shí)時(shí)精確地算出裝置之間的相對(duì)位置和姿態(tài)。
[0018] 不同于傳統(tǒng)的光學(xué)追蹤方法，本發(fā)明通過(guò)多發(fā)多收的射頻系統(tǒng)進(jìn)行定位，工作過(guò) 程克服了障礙物的阻擋和工作場(chǎng)合光照不足等不利因素的影響。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)占 用空間小，便于佩戴，可應(yīng)用于飛行器控制、虛擬人機(jī)交互、遠(yuǎn)程醫(yī)療、殘疾人生活輔助等場(chǎng) 合。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。
[0021] 圖3是圖2中0處的原理電路圖。
[0022] 圖4是圖2中A、B、C、D處的原理電路圖。
[0023] 圖5是圖2中八'』'、(：'、0'處的原理電路圖。
[0024] 圖6是圖2中0'處的原理電路圖。
[0025] 圖7是與A/D相連的FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0026] 圖8是圖7的距離計(jì)算模塊電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明它包括裝有中頻信號(hào)源S，不在同一平面上的四個(gè)射頻信號(hào)發(fā) 射模塊A、B、C、D及各自的天線(xiàn)和一個(gè)射頻信號(hào)接收模塊0及其天線(xiàn)的眼鏡架，眼鏡架的眼 鏡腿內(nèi)置3. 7V鋰電池供電，中頻信號(hào)源S與四個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、D連接，射頻信 號(hào)接收模塊〇與四個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、D連接；
[0029] 裝有不在同一平面上的四個(gè)射頻信號(hào)接收模塊A'、B'、C'、D'及各自的天線(xiàn)和一 個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊〇'及其天線(xiàn)的定位信息接收裝置，定位信息接收裝置用5V有源直流 電源供電；
[0030] 所述眼鏡架上的天線(xiàn)為線(xiàn)極化偶極子天線(xiàn)；所述定位信息接收裝置上的天線(xiàn)為圓 極化窄帶貼片天線(xiàn)；眼鏡架和定位信息接收裝置之間通過(guò)天線(xiàn)連接。
[0031] 如圖3所示，所述射頻信號(hào)接收模塊0,由工作頻率為2. 4GHz的線(xiàn)極化偶極子天 線(xiàn)、2. 4GHz低噪聲放大器、2. 4GHz窄帶帶通濾波器和2. 4GHz-4. 8GHz的倍頻器構(gòu)成。
[0032] 如圖4所示，所述四個(gè)射頻信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、D結(jié)構(gòu)相同，均由工作頻率為 4. 8GHz的射頻信號(hào)和10-40MHZ的中頻信號(hào)的混頻器、對(duì)應(yīng)混頻器輸出頻率的4. 8GHz窄帶 帶通濾波器、功率放大器和4. 8GHz的線(xiàn)極化偶極子發(fā)射天線(xiàn)構(gòu)成。
[0033] 如圖2所示，所述中頻信號(hào)源S，由晶振產(chǎn)生頻率10MHz的fA信號(hào)，并通過(guò)倍頻電 路輸出等幅度的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz四組中頻信號(hào)分別通過(guò)窄帶帶通濾波輸送到 各自的射頻信號(hào)發(fā)射模塊A、B、C、D。
[0034] 如圖6所示，所述射頻信號(hào)發(fā)射模塊0'，由2. 4GHz的單點(diǎn)射頻載頻輸入與基帶信 號(hào)L進(jìn)行混頻，然后在2. 4GHz進(jìn)行濾波和放大，通過(guò)圓極化窄帶貼片天線(xiàn)發(fā)送信號(hào)。
[0035] 如圖5所示，所述四個(gè)射頻信號(hào)接收模塊A'、B'、C'、D'結(jié)構(gòu)相同，均由4. 8GHz的圓 極化窄帶貼片接收天線(xiàn)、4. 8GHz的低噪聲放大器、對(duì)應(yīng)工作頻率的窄帶濾波器、與4. 8GHz 的載頻信號(hào)進(jìn)行下混頻解調(diào)的混頻器以及對(duì)應(yīng)不同模塊的1〇ΜΗζ、20ΜΗΖ、30ΜΗΖ、40ΜΗζ的 中頻濾波器和各自的放大器構(gòu)成。
[0036] 如圖7所示，所述定位信息接收裝置內(nèi)，包括多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字處理電 路FPGA，多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的四個(gè)通道分別與數(shù)字處理電路FPGA中的距離計(jì)算模塊Α、 距離計(jì)算模塊Β、距離計(jì)算模塊C和距離計(jì)算模塊D連接，數(shù)字處理電路FPGA內(nèi)部的偽隨機(jī) 序列發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序列L，一路傳輸至射頻信號(hào)發(fā)射模塊0'，另一路分別傳輸至 所述四個(gè)距離計(jì)算模塊，并與解調(diào)出的基帶信息進(jìn)行卷積，通過(guò)位置姿態(tài)計(jì)算得到位置和 姿態(tài)信息。
[0037] 如圖1、圖7所示，定位信息接收裝置上A'、Β'、C'、D'、0'模塊之間的相對(duì)位置已 知，眼鏡架上A、B、C、D、0模塊之間的相對(duì)位置已知。將其分別視為空間點(diǎn)A、B、C、D、0、Α'、 Β'、C'、D'、0'。則根據(jù)眼鏡架上A、B、C、D、0五點(diǎn)相對(duì)位置可列出方程組：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 同理，定位信息接收裝置上A'、B'、C'、D'、0'五點(diǎn)之間位置關(guān)系方程組也相同。
[0049] 如果眼鏡架上A、B、C、D四點(diǎn)和定位信息接收裝置上A'、B'、C'、D'四點(diǎn)之間的距 離已知，同時(shí)將定位信息接收裝置作為參考位置，根據(jù)前述公式確定A'、B'、C'、D'四點(diǎn)的 坐標(biāo)，同時(shí)，則可列出如下4組方程式：