CN103543439A - 多目标三维超声跟踪定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多目标三维超声跟踪定位系统和方法，具体涉及一种以红外信号为时基的超声传播时延TOA的多目标三维超声跟踪定位系统和方法。所述的定位系统包括发射组件、接收组件和信号处理与显示组件。所述的定位方法是以红外信号为时间基准，通过红外信号与超声信号的频分复用，实现多个目标的区分，采用陷波器电路与数字滤波器相结合的方式，分离出不同目标的超声信号，利用自动增益完成目标的远近定位无缝切换，实现高精度实时的多目标三维超声跟踪定位。优点在于：多目标间无干扰，精度高，网络协议简单，算法简单高效，可广泛应用在教育、娱乐、医疗等领域的小型化便携式的嵌入式设备中。

Description

多目标三维超声跟踪定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种多目标三维超声跟踪定位系统，具体涉及一种以红外信号为时基的超声传播时延TOA的多目标三维超声跟踪定位系统和方法。 

背景技术

近几年来，随着虚拟现实技术的兴起与发展，人们对人机交互产品的用户体验需求也越来越多。定位技术作为人机交互技术的基础，它的精确度、实时性和抗干扰性等技术指标也越来越受到重视。目前，国内外有着多种定位技术解决方案，如红外定位技术、电磁定位技术、视觉定位技术以及超声波定位技术等，实用化的产品有微软公司的Kinect、任天堂公司的Wii和Leap公司的Leap Motion等。 

红外定位技术是红外线IR标识发射调制的红外射线，经光学传感器接收进行定位，容易受到障碍物和光线的影响，同时在定位精度上也有一定的局限性。电磁定位技术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进行定位，其对电磁干扰和磁性金属非常敏感，需要修正，系统延迟大。视觉定位技术在产品中应用比较广泛，多采用多路摄像头（颜色摄像头、深度摄像头等）进行目标图像信息采集，经处理后得到目标信息，其对处理器的要求较高。 

超声定位技术是通过测量超声波从发射器（将发射器固定在待定位目标上）中发出到接收器接收所经历的到达时间（TOA）或是到达时间差（TDOA），从而计算出待定位目标所在的位置。超声定位技术作为一种非接触式的检测方式，在定位技术中有着广泛应用。与其他几种定位方法相比，超声定位有以下几方面的优势： 

（1）超声信号易于定向发射，方向性好，可以控制强度大小； 

（2）超声信号传播速度小，可以跟踪定位距离较近的目标，分辨率高； 

（3）超声对外界干扰（光照度、色彩等）不敏感，可以适应黑暗、有灰尘、烟雾、有毒、有电磁干扰的被测环境； 

（4）超声传感器结构简单、性价比高，易于小型化和集成化。 

目前，超声定位技术的定位方法主要可分为三种，基于定位信号的到达角度AOA(Angle Of Arrival)的定位方法、基于定位信号的到达时间TOA(Time Of Arrival)的定位方法和基于定位信号的到达时间差TDOA(Time Difference Of Arrival)的定位方法。 

AOA定位方法需要设计信号接收阵列，从而测出信号的相位差，算出波达方向，根据方向矢量的交点来实现定位，实现起来比较复杂。TDOA定位方法不需要同步信号，也具有较高的定位精度，但是需要求解非线性方程，计算复杂度相对较高，会影响定位系统的实时性，不利于在嵌入式系统中应用。TOA定位方法需要严格的同步信号，计算复杂度低，只需三个麦克接收器就可以进行定位。 

在需要同步信号的定位系统中，作为时间基准的同步信号多为红外信号和射频信号。射频信号具有可穿透障碍物、无方向性的优点，但是其硬件设备成本相对较高。红外信号在传播过程中，容易受到障碍物的影响，需要在一定角度内通信，但其成本低、硬件电路简单，可以用多个发射头解决方向性的问题。红外信号主要有时分复用、频分复用和码分复用三种通信方式。时分复用需要严格控制多路信号在发射时间和发射周期；码分复用可以通过编码的方式区别多路信号，但当多路信号发射时，会有间扰；频分复用对发射信号要求低，可以同时发射，通信协议简单。 

多种频率信号的分离，最常用的解决方案是滤波器。按通带频率区分，可分为低通、高通、带通和带阻；按滤波器形式区分，可分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器又可以分为切比雪夫型、巴特沃思型、椭圆型等，其优点在于可以快速的完成信号滤波，用电容、电阻和电感等简单器件就可以搭建，但低阶模拟滤波器的滤波效果较差，而高阶模拟滤波器较难实现。数字滤波器又可分为有限冲激响应滤波器和无限冲激响应滤波器，其优点在于可以借助MATLAB工具设计任意阶滤波器的参数，也可以对滤波特性仿真，但滤波时间会随着阶数的增加而增加。 

陷波器作为一种特殊的带阻滤波器，它是一种谐振电路或是一种自动开关的感应器，在天线工程中可以应用它根据信号的频率，自动缩短或延长天线的长度，用在电路上滤除不需要的频率的信号，它的谐振频率就是要滤除的频率。可以应用陷波器滤除其他目标信号，实现不同目标的分离。 

如今，各种定位技术飞速发展，现有的二维定位技术和相关产品已经不能满足人们的需要，具有更强沉浸感和自然感的三维人机交互式产品才能适应市场的需求。目前的三维定位技术多以视觉定位为主，而三维超声波定位技术存有如下弊端：（1）实时性差；（2）多目标实时追踪难以实现；（3）定位系统功能简单；（4）定位精度和定位范围有限。因此，研究多目标三维超声定位关键技术、设计具有高精度的多目标三维超声实时跟踪定位系统，不仅可以带来技术上的突破，也会带来巨大的经济效益和社会效益。 

超声波定位作为一种优点突出的定位技术，一直受到关注。Gregory Fraser Russell在题为“用于超声跟踪的数字化笔”的美国专利No.US6,703,570中提到了一种利用超声定位的数字笔，由笔向接收器发射超声波序列，接受器接收到超声波后反馈红外信号，得到多个超声脉冲的到达时间（TOA），平均得到每个超声脉冲的时间，然后通过几何计算得到笔的位置，从而输入到手写模块中。该专利将红外信号和超声信号相结合，利用TOA方法实现了数字笔的小范围高精度录入，但没有解决三维空间中超声定位和多目标定位的问题。 

Jonathan D.Sieber在题为“超声跟踪系统”美国专利NO.US4,980,871中将超声定位跟踪运用在相机的拍摄中，目标带有超声发射器，产生周期小的超声信号，相机上配有三个麦克麦克接收器，分布在镜头轴线四个角落中的三个，捕捉目标的超声信号，目标移动时，相机根据目标位置信息自动调整拍摄角度。该专利实现了单目标在三维空间中的定位跟踪，但仍存在多目标和精度的问题。 

Wayne L.Smith,在题为“三维数字化超声跟踪定位系统”美国专利NO.US5,515,853中提到了多目标三维超声系统。其利用高频计数器做为目标区分工具，同时超声采用时分复用方式，定时发射信号，定位跟踪身体上的三个目标。该专利实现了三个目标的三维超声定位，但高频计数器并非无线通信方式，采用时分复用方式，定位目标跟踪数也有限，实质上并非同时定位多个目标，而是分时定位单个目标。 

发明内容

本发明提供一种多目标三维超声跟踪定位系统和方法，以解决目前多目标三维超声跟踪定位系统定位精度低、实时性差、稳定度不高、算法复杂及不适合嵌入到便携设备中的问题。 

本发明采取的方案是：一种以红外信号为时基的多目标三维超声定位跟踪系统，包括： 

发射组件，包含多个超声发射器和红外发射器，每个超声波发射器和一个红外发射器组合成一个子发射器，每个子发射器被安装在不同的目标上，用于周期的发射超声和红外信号，发射周期由简单的微处理器控制，信号发射的周期为24ms，且不同的超声波信号发射器和红外信号发射器发射的超声和红外信号是具有不同频率的，任意两目标发射的超声信号的频率间隔至少为15KHz，可以非等间隔分布。任意两目标发射的红外信号的频率间隔至少为18KHz，可以非等间隔分布。如超声信号的频率可分别为25KHz、41KHz、58KHz、73KHz等，红外信号的频率可分别为20KHz、38KHz、 58KHz、79KHz等。 

接收组件，包含超声接收组件和红外接收组件，其中超声接收组件包含三个超声信号接收处理单元，于接收和处理所述的发射单元发射的超声信号，红外接收组件包含多个红外接收处理单元，用于接收和处理所述的发射单元发射的红外信号。三个超声波信号接收处理单元位于三角形的三个顶点，三角形的形状和大小并没有要求限制，多个红外接收处理单元位于三角形内。优选的分布方案是等边三角形分布，即三个接收单元位于等边三角形的三个顶点，红外接收处理单元位于等边三角形内部。三个超声接收处理单元均包含可以覆盖多个频率的麦克接收器和相同的超声信号处理电路，超声信号的处理电路包括低噪滤波电路、放大电路、陷波器电路和自动增益控制电路。陷波器的特征在于采用正反馈的双T型带阻滤波器，根据RC谐振，可以滤除固定频率的信号，实现多个目标的分离；自动增益控制电路的特征在于采用基于AD603的放大电路与反馈回路相结合，处理器根据接收到超声信号的幅度，给ADG1引脚高低电平信号，从而调节超声信号放大倍数，实现目标远近无缝切换。红外接收处理单元中包含多种频率的红外接收头和相同的外围处理电路，实现分压功能。 

信号处理与显示组件，由控制单元和LCD显示单元组成。控制单元由多路A/D采样电路、存储器、处理器及外围电路组成。处理器内集成自动增益控制、数字滤波器、时延提取和坐标计算等功能。数字滤波器采用切比雪夫Ⅱ带通滤波器，虽然陷波器可以实现不同频率超声波信号的区分，但仍存有一定幅度的其它频率超声信号的干扰，因此采用数字滤波器来滤除剩余的超声信号，本发明采用模拟的陷波器电路与数字滤波器相结合的方式，彻底滤除不需要的频率的信号。处理器要满足处理速度和功能要求，可以为DSP和ARM等芯片。控制单元内的数字滤波器和计算显示算法简单有效，处理器能在较少的时钟周期内完成排号处理和坐标计算并送将坐标至LCD显示单元。LCD显示单元由LCD驱动芯片和LCD显示屏组成，用于在三维空间中显示目标移动轨迹。 

根据本发明第一个方面描述的多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，由于不同的超声波信号发射器和红外信号发射器发射的超声和红外信号是具有不同频率的，任意两目标发射的超声信号的频率间隔至少为15KHz，可以非等间隔分布；任意两目标发射的红外信号的频率间隔至少为18KHz，可以非等间隔分布。 

一种多目标的三维超声跟踪定位方法，其特征在于包括如下步骤： 

1）将不同频率的超声信号发射器和红外信号发射器相互匹配，安装在不同目标上， 用于周期的发射超声和红外信号，不同频率的红外信号作为相应目标的时基信号； 

2）各个超声波信号接收处理单元中的麦克接收器用于接收上述的超声波发射器发射的超声波信号，红外接收处理单元中的红外接收头用于接收和处理红外发射器发射的红外信号； 

3）在超声波接收处理单元中，先利用低噪滤波电路和放大电路将接收到微弱的超声信号低噪处理并放大，再经过陷波器电路，对其进行陷波器滤波，不同频率的超声信号最终被送到不同的A/D通道中； 

4）当目标超声信号幅度衰减大于70%时，由处理器控制启动自动增益控制电路，提高放大倍数，实现目标远近的无缝切换； 

5）控制单元定时检测是否有新目标进入，当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率，开始对匹配目标频率的超声信号采样。由于红外光的速度近似为光速，故接收到红外信号的时刻可以作为超声信号开始发射的时刻； 

6）控制单元对超声信号采样结束后，通过内部的切比雪夫II型数字滤波器，滤除影响定位的其他目标频率的超声信号，最终获得只包含待定位目标的超声信号； 

7）经过数字滤波器之后，通过过零检测方法，对超声信号采样后的数据分析处理，得到超声信号到达的时间延迟，从而可以计算出目标到达各个麦克接收器的距离，最后利用三维空间中的几何关系，得到目标位置； 

8）LCD显示与控制单元间传输目标三维空间位置坐标时，在XYZ各轴坐标前分别增加字符X、Y、Z，保证目标位置三维坐标传输的实时性和无误性。 

上述方法描述的陷波器电路，采用正反馈的双T型带阻滤波器，根据RC谐振及正反馈原理，可以滤除谐振频率点处的信号；上述方法描述的自动增益控制电路，其特征在于可以根据接收到的信号的幅度调节放大倍数，从而实现目标远近无缝切换。 

上述方法描述的陷波器和数字滤波器，采用模拟的陷波器电路与数字滤波器相结合的方式，可以彻底滤除不需要的频率的信号。虽然陷波器可以实现不同频率超声波信号的区分，但仍存有一定幅度的其它频率超声信号的干扰，可借助MATLAB设计切比雪夫Ⅱ型带通滤波器，再将滤波器参数加载到相应的处理器ARM、DSP等中，滤除剩余的超声波信号。 

根据上述方法描述的多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，由于不同的超声波信号发射器和红外信号发射器发射的超声和红外信号是具有不同频率的，任意两目标发射的超声信号的频率间隔至少为15KHz，可以非等间隔分布；任意两目标发射的 红外信号的频率间隔至少为18KHz，可以非等间隔分布。 

本发明具有以下的优点： 

1、以红外信号为时基信号，采用基于时延的TOA超声跟踪定位算法，依据接收处理单元之间的几何位置关系进行位置计算，可以降低时延提取和位置坐标计算的复杂度，提高系统定位精度和实时性等。 

2、采用红外频分复用技术，可以快速可靠的识别多个目标，确定各个目标开始发射超声信号的时刻。采用超声频分复用技术，可以简单高效的分离目标超声信号。两者相结合，可以实现多目标间有效的区分。 

3、在超声信号接收组件中，应用三个接收处理单元对目标进行位置跟踪，可以减小多个接收处理单元同时接收处理超声信号带来的冗余信息，因此可以有效的提高运算速度。 

4、超声波信号接收传感器采用麦克接收器来代替超声信号接收传感器器，由于麦克接收器覆盖很宽的频带，可以减少传感器的数量、大幅度简化超声信号处理电路，同时减低成本。 

5、红外信号接收组件中应用红外一体化接收头对红外信号进行接收处理，此红外接收头集接收、放大、滤波等功能于一体，代替红外接收处理电路可以降低接收电路的复杂度，同时提高系统的稳定性和抗干扰的能力。 

6、采用双T型正反馈陷波器电路与切比雪夫Ⅱ数字滤波器相结合的方式实现多种超声信号的分离，可以弥补模拟陷波器陷波效果的不足，同时也可以减小单纯应用数字滤波器带来的处理时延，提高处理速度。接收电路中采用自动增益控制电路，可以实现目标远近位置定位的无缝切换，提高定位精度。 

8、多目标识别问题由硬件电路实现，系统单次目标定位时间短，可以嵌入到便携设备中。 

附图说明

图1是本发明系统的整体框图； 

图1A是本发明系统的内部框图； 

图1B是本发明的超声信号与红外信号接收组件的组成框图； 

图2A是本发明的超声信号与红外信号发射组件的原理框图； 

图2B是本发明的超声信号与红外信号接收组件的原理框图； 

图3是本发明的超声信号处理与显示组件的硬件结构布局图； 

图4是本发明的超声信号与红外信号发射器发射的具有不同频率特性的发射时序图； 

图5是本发明的多目标三维超声跟踪定位过程的流程图； 

图6是本发明的基于TOA的超声跟踪定位算法原理示意图； 

图7A是本发明提出的陷波器的工作原理图； 

图7B是本发明提出的陷波器的电路图； 

图8是应用MATLAB设计的40KHZ的带通滤波器的仿真图； 

图9是本发明提出的自动增益控制的电路图。 

具体实施方式

多目标三维超声跟踪定位系统，包括： 

发射组件，包含多个超声发射器和红外发射器，用于周期的发射超声信号和红外信号，将他们分别安装在多个目标上，超声和红外信号采用频分复用的方式实现多个目标的区分； 

接收组件，包含超声接收组件和红外接收组件，其中超声接收组件包含三个超声信号接收处理单元，用于接收和处理撰述的发射单元发射的超声信号，红外接收组件包含多个红外接收处理单元，用于接收和处理所述的发射单元发射的红外信号。三个超声接收处理单元位于三角形的三个顶点，三角形的形状和大小并没有要求限制；多个红外接收处理单元位于三角形内部； 

信号处理与显示组件，包括控制单元和LCD显示单元，用于自动增益使能、响应红外信号、采样超声信号、提取超声时延、计算和显示定位目标位置。控制单元由多路A/D采样电路、存储器、处理器及外围电路组成。针对于芯片的选择问题，A/D芯片应选择采样速度快、采样精度高和采样通道多的芯片，采样频率要大于超声信号的十倍以上，采样精度要10位以上；主控芯片应该选择工作频率在100MHz以上的DSP或ARM，单周期内可以完成一次乘法或一次乘加最好。控制单元内的数字滤波器和计算显示算法简单有效，处理器能在较短时钟周期内完成排号处理和坐标计算并送将坐标至LCD显示单元。LCD显示单元由LCD驱动芯片和LCD显示屏组成。对于不同的需要，选择适用的LCD显示屏和驱动芯片，如可以简单显示目标的三维坐标，也可以在三维空间中显示目标移动轨迹等。 

本发明的一种实施方式是：接收组件中超声接收单元与红外接收单元位置的优选方案是三个超声接收单元分布在等边三角形的顶点，红外接收处理单元位于等边三角 形内部。 

本发明的一种实施方式是：超声接收组件中三个超声波接收处理单元均包含可以覆盖多个频率的麦克接收器和相同的超声信号处理部分，超声信号的处理包括低噪滤波电路、放大电路、陷波器滤波和自动增益控制电路；红外接收组件中包含多种频率的红外接收头和相同的外围处理电路。 

本发明的一种实施方式是：接收组件中的陷波器电路的特征在于采用正反馈的双T型带阻滤波器，根据RC谐振，可以滤除固定频率的信号，实现多个目标超声信号的分离；接收组件中的自动增益控制电路的特征在于采用基于AD603的放大电路与反馈回路相结合，处理器根据接收到超声信号的幅度，给ADG1引脚高低电平信号，从而调节超声信号放大倍数，实现目标远近无缝切换。 

本发明的一种实施方式是：信号处理与显示组件中的数字滤波器，其特征在于采用模拟的陷波器电路与数字滤波器相结合的方式，可以彻底滤除不需要的频率的信号。虽然陷波器可以实现不同频率超声波信号的区分，但仍存有一定幅度的其它频率超声信号的干扰，可借助MATLAB设计切比雪夫Ⅱ型带通滤波器，再将滤波器参数加载到相应的处理器（ARM、DSP等）中，滤除剩余的超声波信号。 

本发明的一种实施方式是：多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，由于不同的超声波信号发射器和红外信号发射器发射的超声和红外信号是具有不同频率的，任意两目标发射的超声信号的频率间隔要至少为15KHz，可以非等间隔分布，如可分别为25KHz、41KHz、58KHz、73KHz等，任意两目标发射的红外信号的频率间隔至少为18KHz，可以非等间隔分布，如可分别为20KHz、38KHz、58KHz、79KHz等。 

一种多目标三维超声跟踪定位方法，包括下列步骤： 

1）将不同频率的超声信号发射器和红外信号发射器相互匹配，安装在不同目标上，用于周期的发射超声和红外信号，不同频率的红外信号作为相应目标的时基信号。 

2）各个超声波信号接收处理单元中的麦克接收器用于接收上述的超声波发射器发射的超声波信号，红外接收处理单元中的红外接收头用于接收处理红外发射器发射的红外信号。 

3）在超声波接收处理单元中，先利用低噪滤波和放大电路将接收到微弱的超声信号低噪处理并放大，再经过陷波器电路，对其进行陷波器滤波，不同频率的超声信号最终被送到不同的A/D通道中。 

4）当接收到的目标超声信号幅度衰减大于70%时，由处理器控制启动自动增益 控制电路，增加放大倍数，实现目标远近的无缝切换。 

5）控制单元定时检测是否有新目标进入，当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率，开始对匹配目标频率的超声信号采样。由于红外光的速度近似为光速，故接收到红外信号的时刻可以作为超声信号开始发射的时刻。 

6）控制单元对超声信号采样结束后，通过内部的切比雪夫II型数字滤波器，滤除影响定位的其他目标频率的超声信号，最终获得只包含待定位目标的超声信号。 

7）经过数字滤波器之后，通过过零检测方法，对超声信号采样后的数据分析处理，得到超声信号到达的时间延迟，从而可以计算出目标到达各个麦克接收器的距离，最后利用三维空间中的几何关系，得到目标位置。 

8）LCD显示与控制单元间传输目标三维空间位置坐标时，在XYZ各轴坐标前分别增加字符X、Y、Z，保证目标位置三维坐标传输的实时性和无误性。 

本发明的一种实施方式是：接收组件中的陷波器电路其特征在于采用正反馈的双T型带阻滤波器，根据RC谐振及正反馈原理，可以滤除谐振频率点处的信号，实现了多个目标的分离；上述方法描述的自动增益控制电路，其特征在于可以根据接收到的信号的幅度调节放大倍数，从而实现目标远近无缝切换。 

本发明的一种实施方式是：采用模拟的陷波器电路与数字滤波器相结合的方式，可以彻底滤除不需要的频率的信号。虽然陷波器可以实现不同频率超声波信号的区分，但仍存有一定幅度的其它频率超声信号的干扰，可借助MATLAB设计切比雪夫Ⅱ型带通滤波器，再将滤波器参数加载到相应的处理器（ARM、DSP等）中，滤除剩余的超声波信号。 

根据上述方法描述的多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，由于不同的超声波信号发射器和红外信号发射器发射的超声和红外信号是具有不同频率的，任意两目标发射的超声信号的频率间隔要至少为15KHz，可以非等间隔分布，如可分别为25KHz、41KHz、58KHz、73KHz等，任意两目标发射的红外信号的频率间隔至少为18KHz，可以非等间隔分布，如可分别为20KHz、38KHz、58KHz、79KHz等。 

下边结合附图及具体实例对本发明做进一步说明。 

图1示出了本发明提出的多目标三维超声跟踪定位系统100的整体框图。该系统由发射组件101、超声接收组件102、红外接收组件103以及信号处理与LCD显示104组成。进一步参考图1A和图1B，其中发射组件中包括多个超声信号和红外信号发射器101-1、101-2…、101-N，接收组件包括超声信号接收组件102和红外接收组件103 组成，超声接收组件102包括三个超声信号接收单元102-1、102-2、102-3，红外接收组件103包括多个红外信号接收单元103-1、103-2…、103-N，各个超声信号接收单元和红外接收单元位于LCD屏104上。其中所述的三个超声接收单元102-1、102-2、102-3与红外接收单元103-1、103-2…、103-N呈一定规则的几何分布，参考图1B所示，其特征在于，三个接收器位于三角形的三个顶点，红外接收单元103-1、103-2…、103-N位于三角形内。在具体实施方案中，优选的分布方案是三个超声接收单元102-1、102-2、102-3位于LCD屏104上，处于等边三角形的三个顶点，多个红外接收单元103-1、103-2…、103-N位于等边三角形内。 

图2A示出了根据本发明的超声信号与红外信号发射的原理框图。有N个发射子单元，每个发射子单元101-k表示目标k周期的发射相应频率的超声与红外信号。在每个发射子单元中101-k，包括执行核心操作的单片机、电源、振荡器、超声波信号与红外信号传感器的驱动电路及对应的频率为f的信号发射传感器等。这些组件是本领域人员常用的组件，因此，这里不再赘述。 

图2B示出了根据本发明的超声信号与红外信号接收组件的原理框图。根据本发明，红外信号作为时基信号，当红外接收器接收到红外信号后，经过分压电路，送给信号处理部分的控制单元，启动中断，作为超声信号开始发送的依据。当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率是哪个频率，确定是哪个目标开始发射超声信号；当超声信号接收传感器接收到超声信号后，经过低噪滤波电路，对信号进行低噪处理，然后送到放大电路中，将信号放大到处理器方便处理的幅度，再送到陷波器电路中，滤除不需要频率的信号，当接收到目标的超声信号幅度衰减大于70%时，启动自动增益控制电路，将信号放大，最后送到信号处理部分实现A/D变换。 

图3示出了根据本发明超声信号处理与显示单元104的硬件结构布局图。根据本发明，当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率，确定发射超声信号的目标，将不同频率的超声信号送到不同的A/D通道中。超声信号经过采样后，送到数字滤波器进行滤波，实现不同目标的区分。除此之外还包括电源、存储器、编程接口、控制接口、LCD驱动电路和LCD三维显示等等，由于这些组件是本领域人员已知的常用组件，因此，这里不再赘述。 

图4示出了根据本发明的超声波信号与红外信号发射器101发射的具有不同频率特性的信号发射时序图，设T=t_M-t₀为一个信号周期，在一个信号周期内不同目标 可以在同一时刻发射不同频率的超声和红外信号，也可以在不同时刻发射相同频率的超声和红外信号。其中所述的不同频率，其特征在于：任意两目标发射的超声信号的频率间隔要大于或等于15KHz，可分别为25KHz、40KHz、55KHz、70KHz等，任意两目标发射的红外信号的频率间隔要大于或等于18KHz，可分别为20KHz、38KHz、56KHz、74KHz等，但可以根据实际的目标数，进行动态的调整。 

图5用于说明根据本发明的多目标三维超声跟踪定位过程的流程图，步骤1将三个超声接收单元102-1、102-2、102-3和多个红外接收单元101-1、101-2…、101-N放置在LCD屏104上，三个接收单元102-1、102-2、102-3位于三角形的三个顶点，多个红外接收单元101-1、101-2…、101-N位于三角形内部。步骤2中，安装在不同目标上的超声和红外发射器101周期的发射不同频率的超声和红外信号。超声信号的频率间隔为15KHz，可分别为25KHz、40KHz、55KHz、70KHz等，红外信号的频率间隔为18KHz，可分别为20KHz、38KHz、56KHz、74KHz等，所述的信号周期，为24ms左右，但可以根据实际的目标数，进行动态的调整。步骤3中，由于红外信号的传播速度近似为光速，而超声信号的速度近似为声速，故红外信号的传播时间可以忽略，将红外信号作为时基信号，作为超声信号开始发射的基准。步骤4中，当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率，确定是哪个目标发射的超声信号；对接收到的超声信号进行处理，根据三个麦克接收器的几何位置关系，控制单元将目标的三维坐标显示到LCD屏104上。 

图6用于说明根据本发明的基于TOA的超声跟踪定位算法原理示意图，在一个具体的实施方案中，将三个超声接收单元R1、R2、R3放在以2a为边长的等边三角形的三个顶点处，红外接收单元H₁、H₂、…、H_N位于等边三角形内部。T(x,y,z)代表目标发射频率为f的超声信号和频率为f’的红外信号，如图所示，假设红外发射器发射红外信号被H2红外接收头接收，当控制单元检测f’频率的红外信号到达后，启动三个定时器，当某个麦克接收器接收到超声信号时，相应的定时器定时结束，当三个接收器都接收到超声信号后，此时每个定时器显示的时间为频率为f的超声信号到各个麦克接收器的传播时间tk，根据超声波的传播速度，可以计算出传播的距离，根据三个麦克接收器的几何位置关系可以计算出目标的位置。 

目标位置的解算过程如下： 

假设超声信号在空气中的传播速度为c，三个超声接收单元位于以2a为边长的等 边三角形的三个顶点，其中c，a都是已知的，则可以计算出目标与三个超声传感器的距离。 

L_k=ct_k，  k=1,2,3 

其中，L_k(=1,2,3)表示目标发射器到第k个接收器之间顶点距离。故可得到： 

$\left\{\begin{array}{c}{(x+a)}^2+y^2+z^2=L_1^2\\ {(x-a)}^2+y^2+z^2=L_2^2\\ x^2+{(y+a)}^2+z^2=L_3^2\\ z>0\end{array}\right.$ 故 $\left\{\begin{array}{c}x=\frac{L_1^2-L_2^2}{4a}\\ y=\frac{{2L}_3^2-L_2^2-L_1^2}{4a}\\ z=\sqrt{L_1^2-y^2-{(x+a)}^2}\end{array}\right.$

从而可以得到目标的位置信息。 

图7A示出了本发明提出的陷波器的工作原理图，假设有四个目标发射超声信号和红外信号，由于此处讨论陷波器工作原理，故只考虑超声信号，其频率分别为25KHz、40KHz、55KHz、70KHz，当需要25KHZ的频率的超声信号通过时，需要加入40KHz、55KHz、70KHz三个频率的陷波器电路，将这三个频率的超声信号滤除，从而保留25KHz的频率的信号。当需要其他频率的超声信号通过时，方法同上。 

图7B示出了本发明提出的陷波器的工作原理图，此陷波器由双T型带阻滤波器和正反馈电路构成，双T型带阻滤波器有一个高通滤波器和一个低通滤波器组成，其中R₁=R₂=R₃=R₄=R，C₁=C₂=C₃=C₄=C可以滤除f=f₀=1/2πRC的频率点处的超声信号，可以通过调整R、C值调节谐振频率，从而设计出不同频率的陷波器电路。 

图8示出了本发明中应用MATLAB设计的40KHz的带通滤波器的仿真图，可以通过改变通带和阻带的频率设计其他频率的带通滤波器。 

图9示出了本发明提出的自动增益控制的电路图，采用基于AD603的放大电路与反馈回路相结合，处理器根据接收到超声信号的幅度，给ADG1引脚高低电平信号，从而调节超声信号放大倍数，实现目标远近无缝切换。 

具体设计步骤以下面三个实例加以说明： 

实例1：当有两个目标需要定位时 

1）在发射端，将25KHz的超声信号发射器和20KHz的红外信号发射器安装在目标1上，将40KHz的超声信号发射器和38KHz的红外信号发射器安装在目标2上，目标1和目标2可以周期的发射超声和红外信号。 

2）在接收端，将三个超声波接收处理单元中的麦克接收器安装到以12cm为边长 的等边三角形的三个顶点，红外接收处理单元中的红外接收头安装到等边三角形内部。 

3）每个超声波接收单元都包括麦克接收器、低噪声放大电路，陷波器电路和自动增益电路，假设此时需要40KHz的超声信号通过，则需要滤除25KHz的超声信号，利用麦克接收器接收超声信号，低噪滤波和放大电路将接收到微弱的超声信号低噪处理并放大，然后超声信号再经过陷波器电路，利用RC谐振的原理，通过调节电阻、电容值，设计出25KHz的陷波器电路，对25KHz的超声信号滤波；应用自动增益控制电路对接收到的超声信号进行幅度调整，当接收到目标的超声信号幅度衰减大于70%时，由处理器控制启动自动增益控制电路，可以实现目标远近的无缝切换，然后将不同频率的超声信号送到不同的A/D通道中。当需要25KHz的超声信号通过时，需要设计40KHz陷波器，方法同上。 

5）当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率是20KHz还是38KHz，确定是目标1还是目标2开始发射超声信号，然后对与该目标频率相匹配的超声信号采样。 

6）控制单元在采样超声信号后，进一步通过切比雪夫Ⅱ型带通数字滤波器，滤除影响定位的其他目标频率的超声信号。假设此时需要得到的超声信号的频率为40KHz，则应用MATLAB设计40KHz的切比雪夫Ⅱ型带通滤波器，将参数加载到处理器中，将经陷波器电路后没有完全滤除的信号彻底滤除。而需要得到超声信号频率为25KHz时，方法同上。 

7）经过数字滤波器之后，通过过零检测方法，对超声信号采样后的数据分析处理，得到超声信号到达超声信号接收单元R₁、R₂、R₃的时间延迟t₁、t₂、t₃，从而可以计算出目标到达各个麦克接收头的距离L₁、L₂、L₃，利用几何关系，得到目标位置。 

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_2\right)}^2}{48}\\ y=\frac{2{\left({\mathrm{ct}}_3\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_2\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2}{48}\\ z=\sqrt{{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2-y^2-{(x+12)}^2}\end{array}\right.$

8）LCD显示与控制单元间传输目标三维空间位置坐标时，在XYZ各轴坐标前分别增加字符X、Y、Z，保证目标位置三维坐标传输的实时性和无误性。 

实例2：当有五个目标需要定位时 

1）在发射端，将25KHz的超声信号发射器和20KHz的红外信号发射器安装在目标1上，将40KHz的超声信号发射器和38KHz的红外信号发射器安装在目标2上，将55KHz的超声信号发射器和56KHz的红外信号发射器安装在目标3上，将70KHz的超声信号发射器和74KHz的红外信号发射器安装在目标4上，将85KHz的超声信号发射器和92KHz的红外信号发射器安装在目标5上，目标1、目标2、目标3、目标4、目标5可以周期的发射超声和红外信号。 

2）在接收端，将三个超声波接收处理单元中的麦克接收器安装到以12cm为边长的等边三角形的三个顶点，红外接收处理单元中的红外接收头安装到等边三角形内部。 

3）每个超声波接收单元都包括麦克接收器、低噪声放大电路，陷波器电路自动增益电路，假设此时需要40KHz的超声信号通过，则需要滤除其他四个频率的超声信号，利用麦克接收器接收超声信号，低噪滤波和放大电路将接收到微弱的超声信号低噪处理并放大，然后超声信号再经过陷波器电路，利用RC谐振的原理，通过调节电阻、电容值，设计出25KHz、55KHz、70KHz、85KHz的陷波器电路，对这几个频率的超声信号滤波；应用自动增益控制电路对接收到的超声信号进行幅度调整，当目标超声信号幅度衰减大于70%时，由处理器控制启动自动增益控制电路，提高放大倍数，实现目标远近的无缝切换。并将不同频率的超声信号送到不同的A/D通道中。当需要其他频率的超声信号通过时，方法同上。 

5）当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率是哪个频率，确定是哪个目标开始发射超声信号，然后对该频率的超声信号采样。 

6）通过切比雪夫Ⅱ型带通数字滤波器，滤除影响定位的其他目标频率的超声信号。假设此时需要得到的超声信号的频率为25KHz，则应用MATLAB设计25KHz的切比雪夫Ⅱ型带通滤波器，将参数加载到处理器中，将经陷波器电路后没有完全滤除的信号彻底滤除。而需要得到超声信号时，方法同上。 

7）经过数字滤波器之后，通过过零检测方法，对超声信号采样后的数据分析处理，得到超声信号到达超声信号接收单元R₁、R₂、R₃的时间延迟t₁、t₂、t₃，从而可以计算出目标到达各个麦克接收头的距离L₁、L₂、L₃，利用几何关系，得到目标位置。 

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_2\right)}^2}{48}\\ y=\frac{2{\left({\mathrm{ct}}_3\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_2\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2}{48}\\ z=\sqrt{{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2-y^2-{(x+12)}^2}\end{array}\right.$

8）LCD显示与控制单元间传输目标三维空间位置坐标时，在XYZ各轴坐标前分别增加字符X、Y、Z，保证目标位置三维坐标传输的实时性和无误性。 

实例3：当有N个目标需要定位时 

1）在发射端，将25KHz的超声信号发射器和20KHz的红外信号发射器安装在目标1上，将40KHz的超声信号发射器和38KHz的红外信号发射器安装在目标2上，将[25+15*(N-1)]KHz的超声信号发射器和[20+18*(N-1)]KHz的红外信号发射器安装在目标N上，目标1、目标2….目标N可以周期的发射超声和红外信号。 

2）在接收端，将三个超声波接收处理单元中的麦克接收器安装到以12cm为边长的等边三角形的三个顶点，红外接收处理单元中的红外接收头安装到等边三角形内部。 

3）每个超声波接收单元都包括麦克接收器、低噪声放大电路，陷波器电路自动增益电路，假设此时需要40KHz的超声信号通过，则需要滤除其他频率的超声信号，利用麦克接收器接收超声信号，低噪滤波和放大电路将接收到微弱的超声信号低噪处理并放大，然后超声信号再经过陷波器电路，利用RC谐振的原理，通过调节电阻、电容值，设计出除去40KHz频率点的陷波器电路，对这些频率的超声信号滤波；应用自动增益控制电路对接收到的超声信号进行幅度调整，当目标超声信号幅度衰减大于70%时，由处理器控制启动自动增益控制电路，提高放大倍数，实现目标远近的无缝切换。并将不同频率的超声信号送到不同的A/D通道中。当需要其他频率的超声信号通过时，方法同上。 

5）当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率是哪个频率，确定是哪个目标开始发射超声信号，然后对该频率的超声信号采样。 

6）通过切比雪夫Ⅱ型带通数字滤波器，滤除影响定位的其他目标频率的超声信号。假设此时需要得到的超声信号的频率为25KHz，则应用MATLAB设计25KHz的切比雪夫Ⅱ型带通滤波器，将参数加载到处理器中，将经陷波器电路后没有完全滤除的信号彻底滤除。而需要得到超声信号时，方法同上。 

7）经过数字滤波器之后，通过过零检测方法，对超声信号采样后的数据分析处理，得到超声信号到达超声信号接收单元R₁、R₂、R₃的时间延迟t₁、t₂、t₃，从而可以计算出目标到达各个麦克接收头的距离L₁、L₂、L₃，利用几何关系，得到目标位置。 

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_2\right)}^2}{48}\\ y=\frac{2{\left({\mathrm{ct}}_3\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_2\right)}^2-{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2}{48}\\ z=\sqrt{{\left({\mathrm{ct}}_1\right)}^2-y^2-{(x+12)}^2}\end{array}\right.$

8）LCD显示与控制单元间传输目标三维空间位置坐标时，在XYZ各轴坐标前分别增加字符X、Y、Z，保证目标位置三维坐标传输的实时性和无误性。 

Claims (10)

1.一种多目标三维超声跟踪定位系统，其特征包括：

发射组件，包含超声发射器和红外发射器，用于周期的发射超声信号和红外信号，将他们分别安装在相应目标上，超声和红外信号都采用频分复用的方式实现所述目标的区分；

接收组件，包含超声接收组件和红外接收组件，其中超声接收组件包含三个超声信号接收处理单元，用于接收和处理所述的发射单元发射的超声信号，红外接收组件包含红外接收处理单元，用于接收和处理所述的发射单元发射的红外信号；三个超声接收处理单元位于三角形的三个顶点，红外接收处理单元位于三角形内部，超声接收处理单元与红外接收处理单元一起协调完成三维空间的目标跟踪定位；

信号处理与显示组件，包括控制单元和LCD显示单元，用于自动增益、响应红外信号、采样超声信号、提取超声时延、计算和显示定位目标位置；控制单元由多路A/D采样电路、存储器、处理器及外围电路组成，完成自动增益控制、数字滤波、时延提取、坐标计算和传送；LCD显示单元由LCD驱动芯片和LCD显示屏组成，用于显示目标的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的多目标三维超声跟踪定位系统，其特征在于，接收组件中超声接收单元与红外接收单元位置是：三个超声接收单元分布在等边三角形的顶点，红外接收处理单元位于等边三角形内部。

3.根据权利要求1或2所述的多目标三维超声跟踪定位系统，其特征在于：接收组件中三个超声接收处理单元均包含覆盖多个频率的麦克接收器和相同的超声信号处理单元，该超声信号处理单元包括低噪滤波电路、放大电路、陷波器电路和自动增益控制电路；红外接收处理单元包含多种频率的红外接收头和相同的外围处理电路，用以实现分压功能。

4.根据权利要求3所述的多目标三维超声跟踪定位系统，其特征在于：

陷波器电路采用正反馈的双T型带阻滤波器，根据RC谐振，滤除固定频率的信号，实现多个目标超声信号的分离；

自动增益控制电路采用基于AD603的放大电路与反馈回路相结合，处理器根据接收到超声信号的幅度，给控制引脚高低电平信号，从而调节超声信号放大倍数，实现目标远近无缝切换。

5.根据权利要求1所述的多目标三维超声跟踪定位系统，其特征在于多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，由于不同的超声信号发射器和红外信号发射器发射的超声和红外信号是具有不同频率的，任意两目标发射的超声信号的频率间隔至少为15KHz，非等间隔分布；任意两目标发射的红外信号的频率间隔至少为18KHz，非等间隔分布。

6.一种多目标三维超声跟踪定位方法，其特征在于包括下列步骤：

1）将不同频率的超声信号发射器和红外信号发射器安装在不同目标上，用于周期的发射超声和红外信号，不同频率的红外信号作为相应目标的时基信号；

2）各个超声信号接收处理单元中的麦克接收器用于接收上述的超声发射器发射的超声信号，红外接收处理单元中的红外接收头用于接收处理红外发射器发射的红外信号；

3）在超声接收处理单元中，先利用低噪滤波和放大电路将接收到微弱的超声信号低噪处理并放大，再经过陷波器电路，对其进行陷波器滤波，不同频率的超声信号最终被送到不同的A/D通道中；

4）当目标超声信号幅度衰减至70%时，由处理器控制启动自动增益控制电路，增加放大倍数，提高定位精度，实现目标远近的无缝切换；

5）控制单元定时检测是否有新目标进入，当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率，开始对匹配目标频率的超声信号采样，由于红外光的速度近似为光速，故接收到红外信号的时刻作为超声信号开始发射的时刻；

6）控制单元对超声信号采样结束后，通过内部的数字滤波器，滤除影响定位的其他目标频率的超声信号，最终获得只包含待定位目标的超声信号。

7）经过数字滤波器之后，通过过零检测方法，对超声信号采样后的数据分析处理，得到超声信号到达的时间延迟，从而可以计算出目标到达各个麦克接收器的距离，最后利用三维空间中的几何关系，得到目标位置；

8）LCD显示与控制单元间传输目标三维空间位置坐标时，在XYZ各轴坐标前分别增加字符X、Y、Z，保证目标位置三维坐标传输的实时性和无误性。

7.根据权利要求6所述多目标三维超声跟踪定位方法，其特征在于：

步骤3）所述的陷波器电路采用正反馈的双T型带阻滤波器，根据RC谐振和正反馈原理，用以滤除谐振频率点处的信号。

8.根据权利要求6所述多目标三维超声跟踪定位方法，其特征在于：

步骤4）所述的自动增益控制电路根据接收到的信号的幅度由处理器调节放大倍数，从而实现目标远近无缝切换。

9.根据权利要求6所述的多目标三维超声跟踪定位方法，其特征在于：

所述内部的数字滤波器是借助MATLAB设计的切比雪夫Ⅱ型带通滤波器，将经陷波器电路后没有完全滤除的信号滤除，最终得到只包含待定位目标的超声信号。

10.根据权利要求6所述的多目标三维超声跟踪定位方法，其特征在于多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，由于不同的超声波信号发射器和红外信号发射器发射的超声和红外信号是具有不同频率的，任意两目标发射的超声信号的频率间隔至少为15KHz，非等间隔分布；任意两目标发射的红外信号的频率间隔至少为18KHz，非等间隔分布。

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