[發明專利]多目標三維超聲跟蹤定位系統和方法

無效

• 申請號: 201310459452.1
• 申請日: 2013-10-04
• 公開（公告）號: CN103543439A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 孫曉穎;趙一航;封家鵬;陳建;田野;燕學智;韓新立;宋淑婷
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18;G01S5/30
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明涉及一種多目標三維超聲跟蹤定位系統，具體涉及一種以紅外信號為時基的超聲傳播時延TOA的多目標三維超聲跟蹤定位系統和方法。?

背景技術

近幾年來，隨著虛擬現實技術的興起與發展，人們對人機交互產品的用戶體驗需求也越來越多。定位技術作為人機交互技術的基礎，它的精確度、實時性和抗干擾性等技術指標也越來越受到重視。目前，國內外有著多種定位技術解決方案，如紅外定位技術、電磁定位技術、視覺定位技術以及超聲波定位技術等，實用化的產品有微軟公司的Kinect、任天堂公司的Wii和Leap公司的Leap?Motion等。?

紅外定位技術是紅外線IR標識發射調制的紅外射線，經光學傳感器接收進行定位，容易受到障礙物和光線的影響，同時在定位精度上也有一定的局限性。電磁定位技術是通過建立一個特定的磁場區域，然后利用磁場感應器來獲取磁場信息進行定位，其對電磁干擾和磁性金屬非常敏感，需要修正，系統延遲大。視覺定位技術在產品中應用比較廣泛，多采用多路攝像頭（顏色攝像頭、深度攝像頭等）進行目標圖像信息采集，經處理后得到目標信息，其對處理器的要求較高。?

超聲定位技術是通過測量超聲波從發射器（將發射器固定在待定位目標上）中發出到接收器接收所經歷的到達時間（TOA）或是到達時間差（TDOA），從而計算出待定位目標所在的位置。超聲定位技術作為一種非接觸式的檢測方式，在定位技術中有著廣泛應用。與其他幾種定位方法相比，超聲定位有以下幾方面的優勢：?

（1）超聲信號易于定向發射，方向性好，可以控制強度大小；?

（2）超聲信號傳播速度小，可以跟蹤定位距離較近的目標，分辨率高；?

（3）超聲對外界干擾（光照度、色彩等）不敏感，可以適應黑暗、有灰塵、煙霧、有毒、有電磁干擾的被測環境；?

（4）超聲傳感器結構簡單、性價比高，易于小型化和集成化。?

目前，超聲定位技術的定位方法主要可分為三種，基于定位信號的到達角度AOA(Angle?Of?Arrival)的定位方法、基于定位信號的到達時間TOA(Time?Of?Arrival)的定位方法和基于定位信號的到達時間差TDOA(Time?Difference?Of?Arrival)的定位方法。?

AOA定位方法需要設計信號接收陣列，從而測出信號的相位差，算出波達方向，根據方向矢量的交點來實現定位，實現起來比較復雜。TDOA定位方法不需要同步信號，也具有較高的定位精度，但是需要求解非線性方程，計算復雜度相對較高，會影響定位系統的實時性，不利于在嵌入式系統中應用。TOA定位方法需要嚴格的同步信號，計算復雜度低，只需三個麥克接收器就可以進行定位。?

在需要同步信號的定位系統中，作為時間基準的同步信號多為紅外信號和射頻信號。射頻信號具有可穿透障礙物、無方向性的優點，但是其硬件設備成本相對較高。紅外信號在傳播過程中，容易受到障礙物的影響，需要在一定角度內通信，但其成本低、硬件電路簡單，可以用多個發射頭解決方向性的問題。紅外信號主要有時分復用、頻分復用和碼分復用三種通信方式。時分復用需要嚴格控制多路信號在發射時間和發射周期；碼分復用可以通過編碼的方式區別多路信號，但當多路信號發射時，會有間擾；頻分復用對發射信號要求低，可以同時發射，通信協議簡單。?

多種頻率信號的分離，最常用的解決方案是濾波器。按通帶頻率區分，可分為低通、高通、帶通和帶阻；按濾波器形式區分，可分為模擬濾波器和數字濾波器。模擬濾波器又可以分為切比雪夫型、巴特沃思型、橢圓型等，其優點在于可以快速的完成信號濾波，用電容、電阻和電感等簡單器件就可以搭建，但低階模擬濾波器的濾波效果較差，而高階模擬濾波器較難實現。數字濾波器又可分為有限沖激響應濾波器和無限沖激響應濾波器，其優點在于可以借助MATLAB工具設計任意階濾波器的參數，也可以對濾波特性仿真，但濾波時間會隨著階數的增加而增加。?

陷波器作為一種特殊的帶阻濾波器，它是一種諧振電路或是一種自動開關的感應器，在天線工程中可以應用它根據信號的頻率，自動縮短或延長天線的長度，用在電路上濾除不需要的頻率的信號，它的諧振頻率就是要濾除的頻率。可以應用陷波器濾除其他目標信號，實現不同目標的分離。?