CN102033222A - 大范围多目标超声跟踪定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大范围多目标超声跟踪定位系统和方法，涉及基于超声波的室内目标跟踪和定位系统和方法。包括发射组件、接收组件和计算显示单元，所述的发射组件包括多个具有不同频率或不同时隙特性的超声信号发射器，各发射器被安装在不同目标上，用于周期地发射超声波信号；所述的接收组件包括多个超声波信号接收处理单元，用于接收和处理所述发射器发射的超声波信号；所述的计算显示单元，包括USB及上位机3D显示服务器。通过空间分割、时频结合以及越空间切换等方案实现大范围多目标的跟踪定位。本发明的定位系统具有定位范围大，跟踪目标多，无同步误差和无需复杂的网络协议，功耗小，稳定度高等特点。

Description

大范围多目标超声跟踪定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声波的室内目标跟踪和定位系统，具体涉及一种基于超声波传播时延差TDOA的大范围多目标超声跟踪定位系统和方法。

背景技术

近年来，随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品的位置信息。但受定位时间、定位精度、定位范围以及定位目标数等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好的在室内应用。因此专家学者们提出了许多用于室内跟踪定位的技术，常见的有红外定位技术、惯性定位技术、电磁定位技术以及超声波定位技术。

红外线室内定位技术是红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但由于其传输距离较短且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，使得其室内定位的效果较差。

惯性室内定位技术是利用3个惯性传感器感知物体沿三个正交坐标轴方向的运动速度，然后通过积分运算得到物体的位置参数。它的优点是不需要外部测量设备，属于被动自主式测量，测量范围不受限制。但其缺点也是比较明显的，即存在时间漂移问题，这会造成测量误差的累计。

电磁定位技术是目前应用最广泛的室内跟踪定位技术，它的基本原理是通过建立一个特定的磁场区域，然后利用磁场感应器来获取磁场信息，根据所得信息来计算感应器所在位置的坐标系与参考坐标系之间的关系参数。它的优点是造价低、体积小、重量轻。缺点是对电磁干扰和磁性金属非常敏感，需要修正，系统延迟大。

超声波室内定位技术是通过测量超声波从发射器发出到超声波接收器接收所经历的渡越时间TOA或渡越时间差TDOA来计算发射器所在的位置。声源与目标之间的距离与声波在声源与目标之间传播所需要的时间成正比，测量出渡越时间或渡越时间差就可以计算出声源与目标之间的距离，根据多个不同位置的超声波接收器对同一个超声波发射器进行测距，通过计算可确定这个超声波发射器在三维空间的位置。

超声波定位技术作为一种非接触的检测方式，与上述其他三种方法相比，有以下几方面的优势：

(1)超声波传播速度低，可以直接跟踪距离较近的目标，纵向分辨率高；

(2)超声波对色彩、光照度不敏感，对于被测环境处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣环境下有一定的适应能力；

(3)易于定向发射，方向性好，强度也容易控制；

(4)超声波传感器结构简单、体积小、性价比高、信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

此外，采用基于TDOA的定位方式，由于不需要同步信号，还具有定位精度高的优点，但它需要求解非线性方程，计算复杂度相对较高，不利于在实时性要求较高的嵌入式系统中应用。在2004年12月澳大利亚悉尼的全球卫星导航系统国际研讨会(The 2004 International Symposium on GNSS/GPS)的会议记录中提出了两种基于TDOA方式的解算方法，即CHAN解算方法和Taylor级数展开算法，CHAN解算方法是对非线性方程进行部分线性化处理的方法，要求解三维位置信息仍需解算一个非线性方程；Taylor级数展开算法是根据Taylor中值定理进行展开，在最小均方的意义上是最优的，但是它需要一个与真实位置接近的初始值进行迭代，且如果定位精度要求较高，则泰勒展开式需要展开成多阶导数，进行多次迭代，计算量很大，难以在嵌入式系统中应用，收敛性也不是很好。

如今，超声跟踪定位技术已广泛应用于机器人定位与导航等领域。并正在向尖端武器、飞行器的研制开发、战场虚拟训练、民用产品的样机设计、制造与装配以及教育培训、科学研究和娱乐等高新领域延伸。然而，在超声波定位系统中，由于测量精度取决于时延或时延差提取的精度，采样率取决于目标数量和工作范围，目前现有的超声跟踪定位系统仍普遍存在如下缺陷：(1)定位精度差；(2)定位范围小；(3)实时性差；(4)难以支持多目标跟踪；(5)网络协议复杂。而高新技术的迅猛发展又对定位精度、等待时间、定位目标数、工作范围以及环境适应性等方面的要求越来越高，因此，设计大范围多目标的超声跟踪定位系统，研究大范围多目标的超声跟踪定位技术必将带来巨大的经济效益和社会效益。

下面描述几种当前现有技术的超声波室内定位系统。

首先，在Alan Henry Jones的题为“Detection system for determining positional and other information about objects”的美国专利No.US 6,493,649B1中描述了一种基于超声接收传感器阵列的跟踪定位系统。安装在用户胸前的超声信号发射器被中央系统发射的无线电信号(radio signal)触发后，周期地发射频率为40KHz的超声波脉冲信号，信号接收器接收到此超声波信号后基于TOA三角测量法实现目标的跟踪定位。但其系统采用单一频率的超声波信号，难以完成多目标的跟踪定位，且系统结构复杂，成本高。

其次，在Ying Jia的题为“Ultrasonic tracking”的美国专利No.US2008/0128178A1中描述了一种基于超声波的多目标跟踪定位系统。在发射端，它采用m/Gold序列对超声波脉冲进行编码，由于m/Gold序列具有尖锐的自相关和平坦的互相关特性，因此，在接收端通过包络检测提取伪随机码并通过相关运算提取各目标的时延信息并解决超声串扰问题，最终实现多目标定位。但由于做相关运算计算量大，复杂度高，难以在嵌入式系统中应用，且系统实时性也很难保证。

再次，在Sverre Holm的题为“Ultrasonic tracking and locating system”的美国专利NO.US7,352,652B2中提出了一种基于“监听——请求——发射”的超声波室内定位系统，该系统包括一些电子信标，且被安放在需要跟踪和监测的物体上，每个信标都有自己的地址码，并且每个信标都配有一个超声波发射器，无线信号收发器，超声波信号被固定的主、从控单元接收来提取时延数据，进一步得到位置信息。但其系统以RF信号作为同步与信息传递信号，存在同步误差，定位精度较差，采用“监听”机制，不能实现多目标跟踪定位，同时，在发射器和接收器之间需要复杂的信令和网络协议来实现同步和经由无线链路传输数据，系统复杂度高。

发明内容

本发明提供了一种大范围多目标跟踪定位的系统和方法。以解决大范围多目标的超声跟踪定位系统和方法存在的实时性差、定位精度低、且位置信息难于解算的问题。

本发明采取的方案是：一种基于超声波的大范围多目标的跟踪定位系统，包括：

发射组件，包含多个超声波信号发射器，各超声波信号发射器被安装在不同目标上，用于周期地发射超声波信号，且不同超声波信号发射器发射的超声波信号具有不同频率或不同时隙特性；在一个信号发射周期，不同超声波信号发射器可以在同一时隙发射不同频率的超声波信号，也可以在不同时隙发射相同频率的超声波信号。不同频率间隔在15KHz左右，如超声波信号频率为25KHz、40KHz、55KHz、60KHz、75KHz，但也不仅限于此，可根据超声波传感器的带宽进行动态调整；不同时隙间隔在10ms左右，但也不限于此，可根据定位目标数、实时性要求进行动态调整；

接收组件，包括多个超声波信号接收处理单元，用于接收和处理所述超声波信号发射器发射的超声波信号，每个超声波信号接收处理单元均由1个主控单元和4个从控单元组成，且主、从控单元之间呈一定规则的几何分布，主控单元与其中的两个从控单元分布在一条直线上，与另外两个从控单元分布在另一条直线上，且主控单元分布在各直线上相应两个从控单元之间的位置，主控单元负责从控单元的开启状态，并确定其所在的接收处理单元是否被选定用于目标的跟踪定位，从控单元受控于主控单元，并和主控单元一起协调完成目标的跟踪定位。优选的分布方案是正方形分布，即主控单元分布在正方形的中心，从控单元分布在正方形的四个端点。进一步，主控单元和从控单元均包含相同数量的具有不同频率特性的超声波信号接收器，且主、从控单元中不同频率特性的超声波信号接收器之间的分布方案相同，设系统采用的频率数为m，则主、从控单元均包含m个具有不同频率特性的超声波信号接收器，且不同频率接收器之间呈点(m＝1)，线形(m＝2)，三角形(m＝3)或正方形(m＝4或5)分布。此外，还可以通过对超声波信号接收处理单元进行一定规则的网络拓扑，形成超声波接收传感器网络；

计算显示单元，由USB以及上位机3D显示服务器组成，用于计算并实时地显示目标在三维空间的位置。

根据本发明第一个方面描述的大范围是指跟踪定位范围大于普适室内范围10m×10m＝100m²，并可根据实际对室内跟踪定位范围的要求，通过增大或减小超声接收传感器网络的覆盖范围进行动态调整；描述的多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，且跟踪目标数可根据采用的频率数、时隙数进行动态调整，其特征在于：设在一个信号发射周期内，系统采用的频率数为i，采用的时隙数为j，则最大跟踪目标数K＝i×j。

一种大范围多目标的跟踪定位方法，其特征在于包括如下步骤：

一、将大空间划分为小的子空间，每个子空间采用1个超声波信号接收处理单元，目标信号由所在的子空间超声波信号接收处理单元接收处理，同时，所述的子空间还可以根据实际情况进行再划分，以提高系统容量和定位精度；

二、安装在不同目标上的不同超声波信号发射器周期地发射具有不同频率或不同时隙特性的超声波信号，在一个信号发射周期，不同超声波信号发射器可以在同一时隙发射不同频率的超声波信号，也可以在不同时隙发射相同频率的超声波信号。不同频率间隔在15KHz左右，如超声波信号频率为25KHz、40KHz、55KHz、60KHz、75KHz，但也不仅限于此，可根据超声波传感器的带宽进行动态调整；不同时隙间隔在10ms左右，但也不限于此，可根据定位目标数、实时性要求进行动态调整；

三、各超声波信号接收处理单元的主控单元中的超声波信号接收器接收上述超声波信号发射器第一次发来的超声波信号，并针对同一频率同一时隙的超声波信号，选定具有最强超声波信号接收强度的超声波信号接收器所在的超声波信号接收处理单元作为此时目标的跟踪定位单元，同时启动相应从控单元中的超声波信号接收器；

四、针对同一超声波信号发射器发射来的同一时隙超声波信号，由选定的超声波信号接收处理单元接收处理，通过提取其达到各从控单元与主控单元中相应频率的超声波信号接收器之间的时延差数据，以及根据主、从控单元中相应频率的超声波信号接收器之间已知的几何位置关系，通过计算显示单元获取目标的位置信息，并进一步在上位机3D显示服务器中实时地显示出来。

五、当目标跨越子空间运动时，采用基于位置信息和信号幅度信息相结合的方法进行越空间切换，对于同一目标，只有当目标被判定位于两个或四个子空间的交界处时，才根据相邻的两个或四个超声波信号接收处理单元的主控单元中相应频率的超声波信号接收器接收到的超声波信号相对强弱进行越空间切换，否则不予切换。

六、当上述目标完成越空间切换并判定前一个子空间没有和上述目标携带的频率相同的超声波信号发射器存在后，前一超声波信号接收处理单元的从控单元中相应频率的超声波信号接收器关闭，等到下一次定位再开启。

上述方法中描述的超声波信号接收处理单元由1个主控单元和4个从控单元组成，且主、从控单元之间呈一定规则的几何分布，其特征在于：主控单元与其中的两个从控单元分布在一条直线上，与另外两个从控单元分布在另一条直线上，且主控单元分布在各直线上相应两个从控单元之间的位置，主控单元负责从控单元的开启状态，并确定其所在的接收处理单元是否被选定用于目标的跟踪定位，从控单元受控于主控单元，并和主控单元一起协调完成目标的跟踪定位。优选的分布方案是正方形分布，即主控单元分布在正方形的中心，从控单元分布在正方形的四个端点。进一步，主控单元和从控单元均包含相同数量的具有不同频率特性的超声波信号接收器，且主、从控单元中不同频率特性的超声波信号接收器之间的分布方案相同，设系统采用的频率数为m，则主、从控单元均包含m个具有不同频率特性的超声波信号接收器，且不同频率接收器之间呈点(m＝1)，线形(m＝2)，三角形(m＝3)或正方形(m＝4或5)分布。此外，还可以通过对超声波信号接收处理单元进行一定规则的网络拓扑，形成超声波接收传感器网络；

根据上述方法中描述的大范围是指跟踪定位范围大于普适室内范围10m×10m＝100m²，并可根据实际对室内跟踪定位范围的要求，通过增大或减小超声接收传感器网络的覆盖范围进行动态调整；描述的多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，且跟踪目标数可根据采用的频率数、时隙数进行动态调整，设在一个信号发射周期内，系统采用的频率数为i，采用的时隙数为j，则最大跟踪目标数K＝i×j。

本发明具有以下优点：

1、由于采用了空间分割技术，时分、频分结合的技术，可以同时实现大范围多目标的室内位置跟踪，且无需复杂的网络协议，适用范围广。

2、由于采用了基于时延差TDOA的超声跟踪定位算法并依据主、从控单元之间已知的几何位置关系进行位置解算，无同步误差，定位精度高，且克服了传统TDOA定位算法中，位置信息难于解算的缺陷，利于在嵌入式系统中应用。

3、由于采用了5个超声波信号接收器对一个目标进行位置跟踪，增加了冗余信息，保证了系统工作的稳定和跟踪图像的平滑。

4、在跟踪目标数小于等于10的情况下，系统将具有良好的时间反应特性，其刷新频率大于等于50Hz。

5、由于主、从控单元之间协调工作，当子空间没有某个或某几个频率的目标超声波信号发射器时，相应从控单元中相应频率的超声波信号接收器处于关闭状态，只有主控单元中的超声波信号接收器处于开启状态，保证了系统的功耗设计。

6、采用基于位置信息和信号幅度信息相结合的越空间切换方法，既防止了因噪声波动引起的超声信号发射器的错误切换，又保证了目标位于两个或4个子空间交界时跟踪目标图像的良好拼接。

附图说明

图1是示出本发明提出的大范围多目标超声跟踪定位系统100的整体框图；

图1A是示出根据本发明提出的大范围多目标超声跟踪定位系统100的内部框图；

图1B是示出根据本发明的超声波信号接收处理单元的组成框图，其中分别示出了主、从单元间呈一般分布及优选的正方形分布的情形；

图1C是示出根据本发明的主、从控单元的组成框图，其中分别示出包含m＝1，2，3，4，5个不同频率超声波信号接收器的情形；

图2A是示出根据本发明的超声波信号发射器的硬件结构布局图；

图2B是示出根据本发明的超声波信号接收处理单元的硬件结构布局图；

图2C是示出根据本发明的超声波信号接收处理单元中超声波信号的基本调理过程图；

图3是示出根据本发明的超声波信号发射器发射的具有不同频率特性或不同时隙特性的超声波信号发射时序图；

图4是用于说明根据本发明的超声波信号接收处理单元网络拓扑及空间分割情形的示意图；

图5是用于说明根据本发明的基于超声波的大范围多目标跟踪定位过程500的流程图；

图6是用于说明根据本发明的基于时延差的超声跟踪定位算法原理示意图；

图7A是用于说明根据本发明的超声信号接收处理单元中不同频率超声波信号接收器的坐标统一标定方案示意图，其中分别示出包含n＝1，2，3，4，5个不同频率超声波信号接收器的情形；

图7B是用于说明根据本发明的不同子空间的坐标统一标定方案示意图。

具体实施方式

大范围多目标超声跟踪定位系统，包括：

发射组件，包含多个超声波信号发射器，各超声波信号发射器被安装在不同目标上，用于周期地发射超声波信号；

接收组件，包括多个超声波信号接收处理单元，用于接收和处理所述超声波信号发射器发射的超声波信号；

计算显示单元，由USB以及上位机3D显示服务器组成，用于计算并实时地显示目标在三维空间的位置。

本发明一种实施方式是：发射组件中包含的超声波信号发射器发射的是具有不同频率或不同时隙特性的超声波信号。

本发明一种实施方式是：接收组件中包括的超声波信号接收处理单元由1个主控单元和4个从控单元组成，且主、从控单元之间呈一定规则的几何分布，主控单元与其中的两个从控单元分布在一条直线上，与另外两个从控单元分布在另一条直线上，且主控单元分布在各直线上相应两个从控单元之间的位置，主控单元负责从控单元的开启状态，并确定其所在的超声波信号接收处理单元是否被选定用于目标的跟踪定位，从控单元受控于主控单元，并和主控单元一起协调完成目标的跟踪定位；优选的分布方案是正方形分布，即主控单元分布在正方形的中心，从控单元分布在正方形的四个端点。

本发明一种实施方式是：通过网络拓扑形成超声波接收传感器网络。

本发明一种实施方式是：主控单元和从控单元均包含相同数量的具有不同频率特性的超声波信号接收器，且主、从控单元中不同频率特性的超声波信号接收器之间的分布方案相同，设系统采用的频率数为m，则主、从控单元均包含m个具有不同频率特性的超声波信号接收器，且不同频率超声波信号接收器之间呈点，线形，三角形或正方形分布。

本发明一种实施方式是：大范围是指跟踪定位范围大于普适室内范围10m×10m＝100m²，并可根据实际对室内跟踪定位范围的要求，通过增大或减小超声波接收传感器网络的覆盖范围进行动态调整；所述多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，且跟踪目标数可根据采用的频率数、时隙数进行动态调整，设在一个信号发射周期内，系统采用的频率数为i，采用的时隙数为j，则最大跟踪目标数K＝i×j。

一种大范围多目标超声跟踪定位方法，包括下列步骤：

一、将大空间划分为小的子空间，每个子空间采用1个超声波信号接收处理单元，目标信号由所在的子空间超声波信号接收处理单元接收处理，同时，所述的子空间还可以根据实际情况进行再划分，以提高系统容量和定位精度；

二、安装在不同目标上的不同超声波信号发射器周期地发射具有不同频率或不同时隙特性的超声波信号，在一个信号发射周期，不同超声波信号发射器在同一时隙发射不同频率的超声波信号，或在不同时隙发射相同频率的超声波信号；根据超声波传感器的带宽进行动态调整；根据定位目标数、实时性要求进行动态调整；

三、各超声波信号接收处理单元的主控单元中的超声波信号接收器接收上述超声波信号发射器第一次发来的超声波信号，并针对同一频率同一时隙的超声波信号，选定具有最强超声波信号接收强度的超声波信号接收器所在的超声波信号接收处理单元作为此时目标的跟踪定位单元，同时启动相应从控单元中的超声波信号接收器；

四、针对同一超声波信号发射器发射来的同一时隙超声波信号，由选定的超声波信号接收处理单元接收处理，通过提取其达到各从控单元与主控单元中相应频率的超声波信号接收器之间的时延差数据，以及根据主、从控单元中相应频率的超声波信号接收器之间已知的几何位置关系，通过计算显示单元获取目标的位置信息，并进一步在上位机3D显示服务器中实时地显示出来；

五、当目标跨越子空间运动时，采用基于位置信息和信号幅度信息相结合的方法进行越空间切换，对于同一目标，只有当目标被判定位于两个或四个子空间的交界处时，才根据相邻的两个或四个超声波信号接收处理单元的主控单元中相应频率的超声波信号接收器接收到的超声波信号相对强弱进行越空间切换，否则不予切换；

六、当上述目标完成越空间切换并判定前一个子空间没有和上述目标携带的频率相同的超声波信号发射器存在后，前一超声波信号接收处理单元的从控单元中相应频率的超声波信号接收器关闭，等到下一次定位再开启。

本发明一种实施方式是：其中所述步骤一中描述的超声波信号接收处理单元由1个主控单元和4个从控单元组成，且主、从控单元之间呈几何分布：主控单元与其中的两个从控单元分布在一条直线上，与另外两个从控单元分布在另一条直线上，且主控单元分布在各直线上相应两个从控单元之间的位置，主控单元负责从控单元的开启状态，并确定其所在的接收处理单元是否被选定用于目标的跟踪定位，从控单元受控于主控单元，并和主控单元一起协调完成目标的跟踪定位；优选的分布方案是正方形分布，即主控单元分布在正方形的中心，从控单元分布在正方形的四个端点。

本发明一种实施方式是：超声波信号接收处理单元中主控单元和从控单元均包含相同数量的具有不同频率特性的超声波信号接收器，且主、从控单元中不同频率特性的超声波信号接收器之间的分布方案相同，设系统采用的频率数为m，则主、从控单元均包含m个具有不同频率特性的超声波信号接收器，且不同频率接收器之间呈点，线形，三角形或正方形分布。

本发明一种实施方式是：大范围是指跟踪定位范围大于普适室内范围10m×10m＝100m²，并可根据实际对室内跟踪定位范围的要求，通过增大或减小超声接收传感器网络的覆盖范围进行动态调整；所述多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，且跟踪目标数可根据采用的频率数、时隙数进行动态调整，设在一个信号发射周期内，系统采用的频率数为i，采用的时隙数为j，则最大跟踪目标数K＝i×j。

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1是示出本发明提出的大范围多目标超声跟踪定位系统100的整体框图。如图所示，该系统由发射组件101、接收组件102以及计算显示单元103组成。进一步参考图1A、1B和1C，其中发射组件101包括多个超声波信号发射器101-1、101-2…，101-M，接收组件102包括多个超声信号接收处理单元102-1，102-2…102-N，各超声波信号接收处理单元通过总线106与计算显示单元103相连。其中所述的单个超声波信号接收处理单元由1个主控单元和4个从控单元组成，且主、从控单元之间呈一定规则的几何分布，如图1B(a)所示，其特征在于：主控单元与其中的两个从控单元分布在一条直线上，与另外两个从控单元分布在另一条直线上，且主控单元分布在各直线上相应两个从控单元之间的位置。在一中具体的实施方案中，优选的分布方案是正方形分布，如图1B(b)，主控单元分布在正方形的中心，从控单元分布在正方形的四个端点。此外，主控单元和从控单元均包含相同数量的具有不同频率特性的超声波信号接收器，且主、从控单元中不同频率特性的超声波信号接收器之间的分布方案相同，其特征在于：设系统采用的频率数为m，则主、从控单元均包含m个具有不同频率特性的超声波信号接收器，且不同频率超声波信号接收器之间呈点(m＝1)，线形(m＝2)，三角形(m＝3)或正方形(m＝4或5)分布，如图1C所示。

在上述图1C中描述的实施例中，其中所述不同频率超声信号接收器之间可以有一定的间隔，它们之间的点、线形、三角形或正方形分布也可以通过一定的旋转和平移获得新的分布方案，其并不脱离本发明的精神及本质特征。

图2A是示出根据本发明的超声波信号发射器的硬件结构布局图。如图所示，为了实现多目标的跟踪定位，不同超声波信号发射器可以发射不同频率的超声波信号，在一个实施例中，不同超声波信号发射器也可以发射相同频率不同时隙的超声波信号。在图2A所示硬件图上，除了包含用于执行核心操作的微控制器(MCU)以及频率为f的超声波发射传感器外，还包括LED、电源、振荡器、存储器和编程接口等等。由于这些组件都是本领域技术人员已知的常用组件，因此，这里不再赘述。

图2B是示出根据本发明的超声波信号接收处理单元的硬件结构布局图。如图所示，根据本发明，为了实现目标的跟踪定位，超声波信号接收处理单元由1个主控单元和4个从控单元组成，在一个实施例中，主控单元通过控制接口控制从控单元的开启状态，并确定其所在的超声波信号接收处理单元是否被选定用于目标的跟踪定位，从控单元受控于主控单元，并和主控单元一起协调完成目标的跟踪定位，同时，为了实现大范围跟踪定位，多个超声波信号接收处理单元通过总线接口与计算显示单元相连，进一步协调工作。此外，在图2B所示的硬件结构图上，除了包含用于控制及信号处理的超声波信号接收处理单元处理器、1个主控单元和4个从控单元外以及控制接口和总线接口外，还包括振荡器、LED、电源、存储器、编程接口、超声波接收传感器等等，由于这些组件是本领域技术人员已知的常用组件，因此这里不再赘述。

图2C是示出根据本发明的超声波信号接收处理单元中超声波信号调理过程图。为了说明主、从控单元之间的协调工作关系，在一个具体的实施例中，当系统上电复位后，各超声波信号接收处理单元中的主控单元时刻处于开启状态，当频率为f的超声波信号发射器在一次上电复位后第一次发射频率为f的超声波信号，各超声波信号接收处理单元的主控单元中频率为f的超声波信号接收器接收所述的频率为f的超声波信号，通过滤波电路、放大电路、峰值检测电路和比较电路等选定具有最强超声波信号接收强度的主控单元所在的超声波信号接收处理单元作为此时目标的跟踪定位，同时通过开关电路启动相应从控单元中频率为f的超声波信号接收器。进一步，在下一次接收的频率为f的超声波信号通过滤波电路、放大电路、A/D等进入超声波信号接收处理单元的处理器，由于这些信号调理过程是本领域技术人员已知的常用超声波信号调理过程，因此这里不再赘述。

图3是示出根据本发明的超声波信号发射器发射的具有不同频率特性或不同时隙特性的超声波信号发射时序图，如图所示，设T＝t_N-t₀为一个信号发射周期，在一个信号发射周期中不同目标可以在同一时刻发射不同频率的超声波信号，也可以在不同时刻发射相同频率的超声波信号。其中所述的不同频率，其特征在于：不同频率间隔在15KHz左右，如信号频率为25KHz、40KHz、55KHz、60KHz、75KHz，但也不仅限于此，可根据传感器的带宽进行动态调整；其中所述的不同时隙，其特征在于：不同时隙间隔在10ms左右，但也不限于此，可根据定位目标数、实时性要求进行动态调整。根据本发明，系统的跟踪目标数及实时性由系统采用的频率数及单周期内的时隙数唯一决定，因此，在一个具体的实施例中，设在一个信号发射周期内，系统采用的频率数为i，采用的时隙数为j，则最大跟踪目标数K＝i×j；此外，在另一个具体的实施例中，例如在普适室内环境下(室内高度小于等于3米)，设系统采用的频率数为5，要求的刷新频率大于等于50Hz，则为保证系统工作稳定，在一个信号发射周期T＝1000/50＝20ms内，采用的时隙数小于等于2，最大跟踪目标数K≤5×2＝10。

图4是用于说明根据本发明的超声波信号接收处理单元网络拓扑及空间分割情形的示意图。如图4(a)所示，根据本发明，为了实现大范围跟踪定位的目的，将大空间划分为小的子空间，每个子空间采用1个超声波信号接收处理单元(由1个主控单元和4个从控单元组成)，目标信号由所在的子空间超声波信号接收处理单元接收处理。进一步，为了提高系统容量和定位精度，可以根据实际情况将子空间继续划分为更小的子空间，如图4(b)所示。

图5是用于说明根据本发明的基于超声波的大范围多目标跟踪定位过程500的流程图，其中包括以下步骤：

在步骤S1中将大空间划分为小的子空间，每个子空间采用1个超声波信号接收处理单元，目标信号由所在的子空间超声波信号接收处理单元接收处理，同时，所述的子空间还可以根据实际情况进行再划分，以提高系统容量和定位精度。

在步骤S2中，安装在不同目标上的不同超声波信号发射器周期地发射具有不同频率或不同时隙特性的超声波信号；其特征在于：在一个信号发射周期，不同超声波信号发射器可以在同一时隙发射不同频率的超声波信号，也可以在不同时隙发射相同频率的超声波信号。不同频率间隔在15KHz左右，如超声波信号频率为25KHz、40KHz、55KHz、60KHz、75KHz，但也不仅限于此，可根据超声波传感器的带宽进行动态调整；不同时隙间隔在10ms左右，但也不限于此，可根据定位目标数、实时性要求进行动态调整。

在步骤S3中，各超声波信号接收处理单元的主控单元中的超声波信号接收器接收上述超声波信号发射器第一次发来的超声波信号，并针对同一频率同一时隙的超声波信号，选定具有最强超声波信号接收强度的超声波信号接收器所在的超声波信号接收处理单元作为此时目标的跟踪定位单元，同时启动相应从控单元中的超声波信号接收器。

在步骤S4中，针对同一超声波信号发射器发射来的同一时隙超声波信号，由选定的超声波信号接收处理单元接收处理，通过提取其达到各从控单元与主控单元中相应频率的超声波信号接收器之间的时延差数据，以及根据主、从控单元中相应频率的超声波信号接收器之间已知的几何位置关系，通过计算显示单元获取目标的位置信息，并进一步在上位机3D显示服务器中实时地显示出来。

在步骤S5中，当目标跨越子空间运动且被判定位于两个或四个子空间的交界处时，根据相邻的两个或四个超声波信号接收处理单元的主控单元中相应频率的超声波信号接收器接收到的超声波信号相对强弱进行越空间切换，否则不予切换。当上述目标完成越空间切换并判定前一个子空间没有和上述目标携带的频率相同的超声波信号发射器存在后，前一超声波信号接收处理单元的从控单元中相应频率的超声波信号接收器关闭，等到下一次定位再开启。

在图5所述的实施方案中，其中所述步骤S1中描述的超声波信号接收处理单元由1个主控单元和4个从控单元组成，且主、从控单元之间呈一定规则的几何分布，参考图1B(a)，其特征在于：主控单元与其中的两个从控单元分布在一条直线上，与另外两个从控单元分布在另一条直线上，且主控单元分布在各直线上相应两个从控单元之间的位置，主控单元负责从控单元的开启状态，并确定其所在的接收处理单元是否被选定用于目标的跟踪定位，从控单元受控于主控单元，并和主控单元一起协调完成目标的跟踪定位。优选的分布方案是正方形分布，如图1B(b)所示，主控单元分布在正方形的中心，从控单元分布在正方形的四个端点。进一步，其中所述主控单元和从控单元均包含相同数量的具有不同频率特性的超声波信号接收器，且主、从控单元中不同频率特性的超声波信号接收器之间的分布方案相同，其特征在于：设系统采用的频率数为m，则主、从控单元均包含m个具有不同频率特性的超声波信号接收器，且不同频率超声波信号接收器之间呈点(m＝1)，线形(m＝2)，三角形(m＝3)或正方形(m＝4或5)分布，参考图1C。

图6是用于说明根据本发明的基于时延差的超声跟踪定位算法原理示意图。根据本发明，在一个具体的实施例中，针对一个超声波信号接收处理单元，主、从控单元之间采用优选的正方形分布方案，如图所示，图中R₅是位于正方形中心点上的主控单元中频率为f的超声波信号接收器，R₁、R₂、R₃、R₄是分布在正方形四个端点上的从控单元中频率为f的超声波信号接收器，T(x，y，z)代表目标上的频率为f的超声波信号发射器，当第i(i＝1，2，3，4，5)个频率为f的超声波信号接收器(假定作为第一个接收到上述超声波信号的超声波信号接收器)接收到上述超声波信号时，启动定时器开始计时，并使T_i＝0(T_i表示第i个频率为f的超声波信号接收器捕获的时延数据)。当第j个频率为f的超声波信号接收器(j＝1，2，3，4，5，且i≠j)接收到上述超声波信号后捕获定时器值T_j。当所有频率为f的超声波信号接收器接收到目标发射器发来的频率为f的超声波信号后，以主控单元中频率为f的超声波信号接收器提取的时延作为基准，提取各丛控单元与主控单元中主控单元中频率为f的超声波信号接收器之间的时延差数据T_k，5＝T_k-T₅(k＝1，2，3，4)。基于各从控单元与主控单元中频率为f的超声波信号接收器之间的时延差数据及主、从控单元之间已知的几何位置关系计算所述目标的位置。

目标位置解算过程如下：

假设超声波在空气中的传播速度为c，主、从控单元中频率为f的超声波信号接收器之间的距离为a，其中c和a都是已知的。则可以根据主、从控单元中频率为f的超声波信号接收器之间的时延差算出距离差。

L_k，5＝cT_k，5＝L_k-L₅          k＝1，2，3，4

其中，L_k(k＝1，2，3，4)为目标发射器到各从控单元中频率为f的超声波信号接收器之间的距离，L₅为目标发射器到主控单元中频率为f的超声波信号接收器之间的距离。

考虑R₁、R₃、R₅三点，可得到：

同理，考虑R₁、R₃、R₅三点，可以得到：

当||L′₅-L″₅|≤p时，令

其中p是根据系统精度要求设定的一个阈值，通常要求p≤0.1mm。于是，经过简单的推导我们可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{1}{2a}[(L_5^{\′}+L_5^{\′\′})L_{\mathrm{3,5}}+L_{\mathrm{3,5}}^2-a^2]\\ y=\frac{1}{2a}[(L_5^{\′}+L_5^{\′\′})L_{\mathrm{4,5}}+L_{\mathrm{4,5}}^2-a^2]\\ z=\sqrt{\frac{1}{4}{(L_5^{\′}+L_5^{\′\′})}^2-x^2-y^2}\end{array}\right.$

图7A是用于说明根据本发明的超声波信号接收处理单元中不同频率超声波信号接收器的坐标统一标定方案示意图，其中分别示出包含n＝1，2，3，4，5个不同频率超声波信号接收器的情形。如图所示，根据本发明，为了便于计算及系统协调，在一个超声波信号接收处理单元中，不同频率的超声波信号接收器采用统一的坐标系，实际操作中可根据不同频率的超声波信号接收器之间的关系进行统一坐标标定。例如：当n＝1时，由频率为f₀的超声波信号接收器确定的目标的位置分别为(x₀，y₀，z₀)，经调整后的位置坐标仍为(x₀，y₀，z₀)。进一步，设超声波信号接收传感器的半径为r，当n＝2时，由频率为f₀和f₁的超声波信号接收器确定的目标的位置分别为(x₀，y₀，z₀)和(x₁，y₁，z₁)，经调整后的位置坐标为(x′₀，y′₀，z′₀)和(x′₁，y′₁，z′₁)，则有

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\′}=x_0-r\\ y_0^{\′}=y_0\\ z_0^{\′}=z_0\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_1^{\′}=x_1+r\\ y_1^{\′}=y_1\\ z_1^{\′}=z_1\end{array}\right.$

同理，当n＝3时，由频率为f₀、f₁和f₂的超声波信号接收器确定的目标的位置分别为(x₀，y₀，z₀)、(x₁，y₁，z₁)和(x₂，y₂，z₂)，经调整后的位置坐标为(x′₀，y′₀，z′₀)、(x′₁，y′₁，z′₁)和(x′₂，y′₂，z′₂)，则有

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\′}=x_0+r\\ y_0^{\′}=y_0-\frac{\sqrt{3}}{3}r\\ z_0^{\′}=z_0\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_1^{\′}=x_1\\ y_1^{\′}=y_1+\frac{2\sqrt{3}}{3}r\\ z_1^{\′}=z_1\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_2^{\′}=x_1-r\\ y_2^{\′}=y_1-\frac{\sqrt{3}}{3}r\\ z_1^{\′}=z_1\end{array}\right.$

当n＝4时，由频率为f₀、f₁、f₂和f₃的超声波信号接收器确定的目标的位置分别为(x₀，y₀，z₀)、(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)和(x₃，y₃，z₃)，经调整后的位置坐标为(x′₀，y′₀，z′₀)、(x′₁，y′₁，z′₁)、(x′₂，y′₂，z′₂)和(x′₃，y′₃，z′₃)，则有

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\′}=x_0+r\\ y_0^{\′}=y_0+r\\ z_0=z_0\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_1^{\′}=x_1-r\\ y_1^{\′}=y_1+r\\ z_1^{\′}=z_1\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_2^{\′}=x_1-r\\ y_2^{\′}=y_1-r\\ z_2^{\′}=z_1\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_3^{\′}=x_1+r\\ y_3^{\′}=y_1-r\\ z_3^{\′}=z_1\end{array}\right.$

当n＝5时，由频率为f₀、f₁、f₂、f₃和f₄的超声波信号接收器确定的目标的位置分别为(x₀，y₀，z₀)、(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x₄，y₄，z₄)，经调整后的位置坐标为(x′₀，y′₀，z′₀)、(x′₁，y′₁，z′₁)、(x′₂，y′₂，z′₂)、(x′₃，y′₃，z′₃)和(x′₄，y′₄，z′₄)，则有

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\′}=x_0+\sqrt{2}r\\ y_0^{\′}=y_0+\sqrt{2}r\\ z_0^{\′}=z_0\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_1^{\′}=x_1-\sqrt{2}r\\ y_1^{\′}=y_1+\sqrt{2}r\\ z_1^{\′}=z_1\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_2^{\′}=x_1-\sqrt{2}r\\ y_2^{\′}=y_1-\sqrt{2}r\\ z_2^{\′}=z_1\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_3^{\′}=x_1+\sqrt{2}r\\ y_3^{\′}=y_1-\sqrt{2}r\\ z_3^{\′}=z_1\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{x}_4^{\′}=x_4\\ y_4^{\′}=y_4\\ z_4^{\′}=z_4\end{array}\right.$

在上述图7A中描述的实施例中，其中所述不同频率超声信号接收器之间可以有一定的间隔，且它们之间点、线形、三角形或正方形分布也可以通过一定的旋转和平移获得新的分布方案，其并不脱离本发明的精神及本质特征。

图7B是用于说明根据本发明的不同子空间的坐标统一标定方案示意图。如图所示，整个空间划分为M×N个子空间，且多个子空间采用统一的一套坐标系，不同的子空间通过标号(i，j)唯一的表示，其中i≤M，j≤N。在一个具体的实施例中，假定目标位于子空间(i，j)，且在其子空间坐标系中的坐标值为(x，y，z)，则通过坐标统一标定后的坐标值为(x′，y′，z′)，且有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+i\×d\\ y^{\′}=y+j\×d\\ z^{\′}=z\end{array}\right.$

其中d代表子空间的分布边长。

Claims (10)

1.一种大范围多目标超声跟踪定位系统，其特征在于包括：

发射组件，包含多个超声波信号发射器，各超声波信号发射器被安装在不同目标上，用于周期地发射超声波信号；

接收组件，包括多个超声波信号接收处理单元，用于接收和处理所述超声波信号发射器发射的超声波信号；

计算显示单元，由USB以及上位机3D显示服务器组成，用于计算并实时地显示目标在三维空间的位置。

2.根据权利要求1所述的大范围多目标超声跟踪定位系统，其特征在于，发射组件中包含的超声波信号发射器发射的是具有不同频率或不同时隙特性的超声波信号。

3.根据权利要求1所述的大范围多目标超声跟踪定位系统，其特征在于接收组件中包括的超声波信号接收处理单元由1个主控单元和4个从控单元组成，且主、从控单元之间呈一定规则的几何分布，主控单元与其中的两个从控单元分布在一条直线上，与另外两个从控单元分布在另一条直线上，且主控单元分布在各直线上相应两个从控单元之间的位置，主控单元负责从控单元的开启状态，并确定其所在的超声波信号接收处理单元是否被选定用于目标的跟踪定位，从控单元受控于主控单元，并和主控单元一起协调完成目标的跟踪定位；优选的分布方案是正方形分布，即主控单元分布在正方形的中心，从控单元分布在正方形的四个端点。

4.根据权利要求3所述的大范围多目标超声跟踪定位系统，其特征在于通过网络拓扑形成超声波接收传感器网络。

5.根据权利要求3所述的大范围多目标超声跟踪定位系统，其特征在于主控单元和从控单元均包含相同数量的具有不同频率特性的超声波信号接收器，且主、从控单元中不同频率特性的超声波信号接收器之间的分布方案相同，设系统采用的频率数为m，则主、从控单元均包含m个具有不同频率特性的超声波信号接收器，且不同频率超声波信号接收器之间呈点，线形，三角形或正方形分布。

6.根据权利要求1所述的大范围多目标超声跟踪定位系统，其特征在于大范围是指跟踪定位范围大于普适室内范围10m×10m＝100m²，并可根据实际对室内跟踪定位范围的要求，通过增大或减小超声波接收传感器网络的覆盖范围进行动态调整；所述多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，且跟踪目标数可根据采用的频率数、时隙数进行动态调整，设在一个信号发射周期内，系统采用的频率数为i，采用的时隙数为j，则最大跟踪目标数K＝i×j。

7.一种大范围多目标超声跟踪定位方法，其特征在于包括下列步骤：

一、将大空间划分为小的子空间，每个子空间采用1个超声波信号接收处理单元，目标信号由所在的子空间超声波信号接收处理单元接收处理，同时，所述的子空间还可以根据实际情况进行再划分，以提高系统容量和定位精度；

二、安装在不同目标上的不同超声波信号发射器周期地发射具有不同频率或不同时隙特性的超声波信号，在一个信号发射周期，不同超声波信号发射器在同一时隙发射不同频率的超声波信号，或在不同时隙发射相同频率的超声波信号；根据超声波传感器的带宽进行动态调整；根据定位目标数、实时性要求进行动态调整；

三、各超声波信号接收处理单元的主控单元中的超声波信号接收器接收上述超声波信号发射器第一次发来的超声波信号，并针对同一频率同一时隙的超声波信号，选定具有最强超声波信号接收强度的超声波信号接收器所在的超声波信号接收处理单元作为此时目标的跟踪定位单元，同时启动相应从控单元中的超声波信号接收器；

四、针对同一超声波信号发射器发射来的同一时隙超声波信号，由选定的超声波信号接收处理单元接收处理，通过提取其达到各从控单元与主控单元中相应频率的超声波信号接收器之间的时延差数据，以及根据主、从控单元中相应频率的超声波信号接收器之间已知的几何位置关系，通过计算显示单元获取目标的位置信息，并进一步在上位机3D显示服务器中实时地显示出来；

五、当目标跨越子空间运动时，采用基于位置信息和信号幅度信息相结合的方法进行越空间切换，对于同一目标，只有当目标被判定位于两个或四个子空间的交界处时，才根据相邻的两个或四个超声波信号接收处理单元的主控单元中相应频率的超声波信号接收器接收到的超声波信号相对强弱进行越空间切换，否则不予切换；

六、当上述目标完成越空间切换并判定前一个子空间没有和上述目标携带的频率相同的超声波信号发射器存在后，前一超声波信号接收处理单元的从控单元中相应频率的超声波信号接收器关闭，等到下一次定位再开启。

8.如权利要求7所述的大范围多目标超声跟踪定位方法，其特征在于，其中所述步骤一中描述的超声波信号接收处理单元由1个主控单元和4个从控单元组成，且主、从控单元之间呈几何分布：主控单元与其中的两个从控单元分布在一条直线上，与另外两个从控单元分布在另一条直线上，且主控单元分布在各直线上相应两个从控单元之间的位置，主控单元负责从控单元的开启状态，并确定其所在的接收处理单元是否被选定用于目标的跟踪定位，从控单元受控于主控单元，并和主控单元一起协调完成目标的跟踪定位；优选的分布方案是正方形分布，即主控单元分布在正方形的中心，从控单元分布在正方形的四个端点。

9.如权利要求8所述的大范围多目标超声跟踪定位方法，其特征在于：超声波信号接收处理单元中主控单元和从控单元均包含相同数量的具有不同频率特性的超声波信号接收器，且主、从控单元中不同频率特性的超声波信号接收器之间的分布方案相同，设系统采用的频率数为m，则主、从控单元均包含m个具有不同频率特性的超声波信号接收器，且不同频率接收器之间呈点，线形，三角形或正方形分布。

10.如权利要求7所述的大范围多目标超声跟踪定位方法，其特征在于，大范围是指跟踪定位范围大于普适室内范围10m×10m＝100m²，并可根据实际对室内跟踪定位范围的要求，通过增大或减小超声接收传感器网络的覆盖范围进行动态调整；所述多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，且跟踪目标数可根据采用的频率数、时隙数进行动态调整，设在一个信号发射周期内，系统采用的频率数为i，采用的时隙数为j，则最大跟踪目标数K＝i×j。

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