CN105334494A - 一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统。它包括装有中频信号源,不在同一平面上的四个射频信号发射模块和一个射频信号接收模块的眼镜架,眼镜架的眼镜腿内置电池供电,中频信号源与四个射频信号发射模块连接,射频信号接收模块与四个射频信号发射模块连接;装有不在同一平面上的四个射频信号接收模块和一个射频信号发射模块的定位信息接收装置,定位信息接收装置用直流电源供电;所述眼镜架和定位信息接收装置之间通过天线连接。本发明的工作过程克服了障碍物的阻挡和工作场合光照不足等不利因素的影响。本发明结构紧凑,系统占用空间小,便于佩戴,可应用于飞行器控制、虚拟人机交互、远程医疗、残疾人生活辅助等场合。
Description
技术领域
本发明涉及无线定位和追踪系统,尤其是涉及一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统。
背景技术
无线定位和追踪是近年来随着无线通信的发展而被广泛应用的一种新兴技术手段,目前它在飞行器控制、虚拟人机交互、远程医疗、残疾人生活辅助等领域有广泛的应用前景。目前相关的技术主要有光学和射频两种技术手段。
对于光学定位和追踪来说,主要是在红外和可见光频段,通过多摄像头采集图像进行分析和识别,根据目标尺寸和角度的变化得到物体的姿态和位置。此种技术无法应用于有障碍物的场合,在阳光直射和光线条件不好的情况下效果也会很差。
射频定位和追踪技术包括WIFI、蓝牙、RFID、UWB、AOA(AngleofArrival)、TOA(TimeofArrival)、TDOA(TimeDifferenceofArrival)。WIFI、蓝牙和RFID技术是基于RSSI信号传输强度的衰减来进行距离估计和定位的,此种方法定位精度很差。UWB技术可以进行高精度定位,但是收发装置复杂,性能指标和部署环境要求高,难以应用和推广。AOA技术其原理是利用收发装置之间的方向偏移信息来判断目标的相对位置,它对天线的指向性要求较高,实现复杂度高,精度较差。TOA和TDOA技术在同一频率点通过多个已知位置的基站接收被定位目标的无线信号,并根据收到信号的时间或时间差来计算目标位置。
发明内容
为了获得人头部的姿态和位置以及运动轨迹,本发明的目的在于提供一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统,安装于眼镜架和定位信息接收装置上的多发多收的射频系统,在五个频率通道上同时进行信号的收发,利用射频信号的传输延时获得眼镜架上不同部位相对定位信息接收装置的位置信息,从而计算出佩戴者头部的空间位置和姿态,以追踪人的头部运动信息。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
本发明包括装有中频信号源S,不在同一平面上的四个射频信号发射模块A、B、C、D及各自的天线和一个射频信号接收模块O及其天线的眼镜架,眼镜架的眼镜腿内置3.7V锂电池供电,中频信号源S与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接,射频信号接收模块O与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接;
装有不在同一平面上的四个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’及各自的天线和一个射频信号发射模块O’及其天线的定位信息接收装置,定位信息接收装置用5V有源直流电源供电;
所述眼镜架上的天线为线极化偶极子天线;所述定位信息接收装置上的天线为圆极化窄带贴片天线;眼镜架和定位信息接收装置之间通过天线连接。
所述射频信号接收模块O,由工作频率为2.4GHz的线极化偶极子天线、2.4GHz低噪声放大器、2.4GHz窄带带通滤波器和2.4GHz-4.8GHz的倍频器构成。
所述四个射频信号发射模块A、B、C、D结构相同,均由工作频率为4.8GHz的射频信号和10-40MHz的中频信号的混频器、对应混频器输出频率的4.8GHz窄带带通滤波器、功率放大器和4.8GHz的线极化偶极子发射天线构成。
所述中频信号源S,由晶振产生频率10MHz的fΔ信号,并通过倍频电路输出等幅度的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz四组中频信号分别通过窄带带通滤波输送到各自的射频信号发射模块A、B、C、D。
所述射频信号发射模块O’,由2.4GHz的单点射频载频输入与基带信号L进行混频,然后在2.4GHz进行滤波和放大,通过圆极化窄带贴片天线发送信号。
所述四个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’结构相同,均由4.8GHz的圆极化窄带贴片接收天线、4.8GHz的低噪声放大器、对应工作频率的窄带滤波器、与4.8GHz的载频信号进行下混频解调的混频器以及对应不同模块的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz的中频滤波器和各自的放大器构成。
所述定位信息接收装置内,包括多通道模数转换电路和数字处理电路FPGA,多通道模数转换电路的四个通道分别与数字处理电路FPGA中的距离计算模块A、距离计算模块B、距离计算模块C和距离计算模块D连接,数字处理电路FPGA内部的伪随机序列发生器产生一个伪随机序列L,一路传输至射频信号发射模块O’,另一路分别传输至所述四个距离计算模块,并与解调出的基带信息进行卷积,通过位置姿态计算得到位置和姿态信息。
本发明具有的有益效果是:
本发明不同于传统的TOA和TDOA定位系统,它利用多个频率收发多个参考点之间的时延,每对参考点都既是定位目标也是定位参考基站。通过两组多个模块构成的收发装置,可以实时精确地算出装置之间的相对位置和姿态。
不同于传统的光学追踪方法,本发明通过多发多收的射频系统进行定位,工作过程克服了障碍物的阻挡和工作场合光照不足等不利因素的影响。本发明结构紧凑,系统占用空间小,便于佩戴,可应用于飞行器控制、虚拟人机交互、远程医疗、残疾人生活辅助等场合。
附图说明
图1是本发明的系统装置结构图。
图2是本发明的系统整体结构框图。
图3是图2中O处的原理电路图。
图4是图2中A、B、C、D处的原理电路图。
图5是图2中A’、B’、C’、D’处的原理电路图。
图6是图2中O’处的原理电路图。
图7是与A/D相连的FPGA内部结构原理框图。
图8是图7的距离计算模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图对和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明它包括装有中频信号源S,不在同一平面上的四个射频信号发射模块A、B、C、D及各自的天线和一个射频信号接收模块O及其天线的眼镜架,眼镜架的眼镜腿内置3.7V锂电池供电,中频信号源S与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接,射频信号接收模块O与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接;
装有不在同一平面上的四个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’及各自的天线和一个射频信号发射模块O’及其天线的定位信息接收装置,定位信息接收装置用5V有源直流电源供电;
所述眼镜架上的天线为线极化偶极子天线;所述定位信息接收装置上的天线为圆极化窄带贴片天线;眼镜架和定位信息接收装置之间通过天线连接。
如图3所示,所述射频信号接收模块O,由工作频率为2.4GHz的线极化偶极子天线、2.4GHz低噪声放大器、2.4GHz窄带带通滤波器和2.4GHz-4.8GHz的倍频器构成。
如图4所示,所述四个射频信号发射模块A、B、C、D结构相同,均由工作频率为4.8GHz的射频信号和10-40MHz的中频信号的混频器、对应混频器输出频率的4.8GHz窄带带通滤波器、功率放大器和4.8GHz的线极化偶极子发射天线构成。
如图2所示,所述中频信号源S,由晶振产生频率10MHz的fΔ信号,并通过倍频电路输出等幅度的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz四组中频信号分别通过窄带带通滤波输送到各自的射频信号发射模块A、B、C、D。
如图6所示,所述射频信号发射模块O’,由2.4GHz的单点射频载频输入与基带信号L进行混频,然后在2.4GHz进行滤波和放大,通过圆极化窄带贴片天线发送信号。
如图5所示,所述四个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’结构相同,均由4.8GHz的圆极化窄带贴片接收天线、4.8GHz的低噪声放大器、对应工作频率的窄带滤波器、与4.8GHz的载频信号进行下混频解调的混频器以及对应不同模块的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz的中频滤波器和各自的放大器构成。
如图7所示,所述定位信息接收装置内,包括多通道模数转换电路和数字处理电路FPGA,多通道模数转换电路的四个通道分别与数字处理电路FPGA中的距离计算模块A、距离计算模块B、距离计算模块C和距离计算模块D连接,数字处理电路FPGA内部的伪随机序列发生器产生一个伪随机序列L,一路传输至射频信号发射模块O’,另一路分别传输至所述四个距离计算模块,并与解调出的基带信息进行卷积,通过位置姿态计算得到位置和姿态信息。
如图1、图7所示,定位信息接收装置上A’、B’、C’、D’、O’模块之间的相对位置已知,眼镜架上A、B、C、D、O模块之间的相对位置已知。将其分别视为空间点A、B、C、D、O、A’、B’、C’、D’、O’。则根据眼镜架上A、B、C、D、O五点相对位置可列出方程组:
同理,定位信息接收装置上A’、B’、C’、D’、O’五点之间位置关系方程组也相同。
如果眼镜架上A、B、C、D四点和定位信息接收装置上A’、B’、C’、D’四点之间的距离已知,同时将定位信息接收装置作为参考位置,根据前述公式确定A’、B’、C’、D’四点的坐标,同时,则可列出如下4组方程式:
根据以上所列方程,可以进行如下的四组矩阵方程运算:
通过这四组矩阵方程的解,可以得到A、B、C、D四点相对定位信息接收装置的四组空间坐标值。而根据此坐标值可以获取眼镜架中心相对定位信息接收装置的距离,同时由四个点的位置也可以确定眼镜架在空间的相对水平旋转角和俯仰角等姿态信息。
而获得眼镜架上A、B、C、D四点和定位信息接收装置上A’、B’、C’、D’四点之间的距离是得到眼镜架距离和姿态信息的关键。因此这里在眼镜架和接收装置上分别引入了O和O’两个模块来协助获取距离信息。接下来说明其技术过程。
图2为本系统的整体结构框图。图中所示为其工作原理。图中右半部分为定位信息接收装置,左半部分为眼镜架上的模块。右边定位信息接收装置上,f0/2处的信号源产生一个f0/2频率的载频信号,它上方同时产生倍频的载频信号f0用于信息的恢复。FPGA产生一个具有伪随机序列特征的基带信号L,其周期的空间等效波长要大于眼镜框和接收装置之间的最大距离的两倍。在O’射频信号发射模块处加载到载频信号f0/2上,得到包含信号的频率组合f0/2&L,然后通过圆极化窄带贴片天线发射出去。眼镜架上的射频信号接收模块将f0/2&L的信号接收下来,将载波频率倍频得到频率f0和基带信号L的组合f0&L。f0&L通过信号线同时传输到四个射频信号发射模块A、B、C、D上去。同时在眼镜架上也有一个中频信号源S,它通过振荡器产生四个等频率间隔的中频信号fΔ、2fΔ、3fΔ、4fΔ,分别传到四个射频信号发射模块A、B、C、D上并与接收到的f0&L射频信号进行上混频。这样在四个射频信号发射模块A、B、C、D分别输出信号f0+fΔ&L、f0+2fΔ&L、f0+3fΔ&L、f0+4fΔ&L,通过放大器和线极化偶极子天线进行放大和无线发射。眼镜架上发射的四组频率信号会被定位信息接收装置的每个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’同时接收。每个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’获得的这四个信号与本地产生的基带信号f0进行下混频,得到包含了基带信息的中频信号fΔ&L、2fΔ&L、3fΔ&L、4fΔ&L。四个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’将输出四组这样的中频信号,通过与高速的多通道模数转换电路A/D连接,将信号数字化,并传送给FPGA进行处理。
如图2所示的A/D模块拟采用四片ADC08200的200MHz模数转换芯片进行过采样,确保信息不丢失。每个芯片对应一个射频信号接收模块。
如图2所示的FPGA模块,其原理图如图7所示。这里选用xilinx的spartan-6型号的FPGA芯片。它的内部产生一个伪随机序列基带信号L,其周期的空间等效波长要大于眼镜框和接收装置之间的最大距离的两倍,以确保不会发生距离模糊。同时四个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’将输出的四组中频信号与高速的多通道模数转换电路A/D连接,将信号数字化,并传送给FPGA进行处理。在数字域的距离计算模块进行处理。
图8为距离计算模块,数字信号经滤波后得到四个位于不同频率点的信号,将它们分别与相应的中频信号10MHz、20MHz、30MHz、40MHz进行混频,解调出具有伪随机序列特性的基带信息。再将其与FPGA原始的伪随机序列基带信息L进行卷积,可得到信号的往返传输延时,乘以空间光速即可知传输距离l1、l2、l3、l4。由此距离计算出眼镜架上四个点的坐标,获得眼镜架即佩戴者头部在空间的位置和姿态。
图7为与多通道模数转换电路A/D相连的FPGA内部结构原理图。A/D会对A’、B’、C’、D’四个模块的输出进行模数转换,得到四组包含fΔ&L、2fΔ&L、3fΔ&L、4fΔ&L的数字信号。这些信号进入FPGA被分配给距离计算模块A、距离计算模块B、距离计算模块C、距离计算模块D。同时FPGA内部的伪随机序列发生模块产生基带信号L,L在传输给O’的同时,也传送给各个距离计算模块,与输入的信号同时处理进行距离的计算。A距离计算模块输出四个距离信息l1、l2、l3、l4,为OO’+AA’、OO’+BA’、OO’+CA’、OO’+DA’;B距离计算模块输出四个距离信息l1、l2、l3、l4,为OO’+AB’、OO’+BB’、OO’+CB’、OO’+DB’;C距离计算模块输出四个距离信息l1、l2、l3、l4,为OO’+AC’、OO’+BC’、OO’+CC’、OO’+DC’;D距离计算模块输出四个距离信息l1、l2、l3、l4,为OO’+AD’、OO’+BD’、OO’+CD’、OO’+DD’。这样可以得到如下的关系公式:
与前述公式不同的是,这里引入了OO’的距离信息。每次的距离测量是定位信息接收装置上O’到眼镜架上O的距离和眼镜架上任一发射模块到定位信息接收装置上任一接收模块的距离的和。如果得到OO’的距离的具体值,就可以将公式改写成前述的形式,并通过计算获得眼镜架的姿态。
为了获得OO’的准确值,可对系统进行校准。将眼镜架按一定摆放方式搁置在定位信息接收装置上,这时OO’的距离已知,因此可将此值记录下来。拿下眼镜架后,随着移动距离的变动,可以通过系统计算出相对初始值的距离变化,因此可以连续计算出准确的OO’的值并将其从计算公式中消除。
Claims (7)
1.一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统,其特征在于:它包括装有中频信号源S,不在同一平面上的四个射频信号发射模块A、B、C、D及各自的天线和一个射频信号接收模块O及其天线的眼镜架,眼镜架的眼镜腿内置3.7V锂电池供电,中频信号源S与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接,射频信号接收模块O与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接;
装有不在同一平面上的四个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’及各自的天线和一个射频信号发射模块O’及其天线的定位信息接收装置,定位信息接收装置用5V有源直流电源供电;
所述眼镜架上的天线为线极化偶极子天线;所述定位信息接收装置上的天线为圆极化窄带贴片天线;眼镜架和定位信息接收装置之间通过天线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统,其特征在于:所述射频信号接收模块O,由工作频率为2.4GHz的线极化偶极子天线、2.4GHz低噪声放大器、2.4GHz窄带带通滤波器和2.4GHz-4.8GHz的倍频器构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统,其特征在于:所述四个射频信号发射模块A、B、C、D结构相同,均由工作频率为4.8GHz的射频信号和10-40MHz的中频信号的混频器、对应混频器输出频率的4.8GHz窄带带通滤波器、功率放大器和4.8GHz的线极化偶极子发射天线构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统,其特征在于:所述中频信号源S,由晶振产生频率10MHz的fΔ信号,并通过倍频电路输出等幅度的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz四组中频信号分别通过窄带带通滤波输送到各自的射频信号发射模块A、B、C、D。
5.根据权利要求1所述的一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统,其特征在于:所述射频信号发射模块O’,由2.4GHz的单点射频载频输入与基带信号L进行混频,然后在2.4GHz进行滤波和放大,通过圆极化窄带贴片天线发送信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统,其特征在于:所述四个射频信号接收模块A’、B’、C’、D’结构相同,均由4.8GHz的圆极化窄带贴片接收天线、4.8GHz的低噪声放大器、对应工作频率的窄带滤波器、与4.8GHz的载频信号进行下混频解调的混频器以及对应不同模块的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz的中频滤波器和各自的放大器构成。
7.根据权利要求1所述的一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统,其特征在于:所述定位信息接收装置内,包括多通道模数转换电路和数字处理电路FPGA,多通道模数转换电路的四个通道分别与数字处理电路FPGA中的距离计算模块A、距离计算模块B、距离计算模块C和距离计算模块D连接,数字处理电路FPGA内部的伪随机序列发生器产生一个伪随机序列L,一路传输至射频信号发射模块O’,另一路分别传输至所述四个距离计算模块,并与解调出的基带信息进行卷积,通过位置姿态计算得到位置和姿态信息。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171031 Termination date: 20211022 |