CN106970357A - 高精度的实时超声波定位追踪方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高精度的实时超声波定位追踪方法及系统，能降低高精度定位过程中的时间延迟。方法包括：计算目标在所有维度上的移动距离，对于每一维度，目标在该维度上的移动距离d的计算公式为d＝Δθp×λ/2π，Δθp为该维度下tB时刻和tA时刻的初始相位差值，Δθp＝2π[(QB‑QA)/m–F0(tB‑tA)]，QB为该维度下以tB时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，QA为该维度下以tA时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，m为初始相位差值测量使用的窗口大小，F0和λ分别为发出信号的频率和波长；获取目标的初始位置，根据初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置。

Description

高精度的实时超声波定位追踪方法及系统
技术领域
本发明涉及超声波定位追踪领域，具体涉及一种高精度的实时超声波定位追踪方法及系统。
背景技术
定位精度和实时性是超声波定位追踪系统设计的重要参数，也是超声波定位追踪系统性能上重要的指标。因此在实际超声波定位追踪系统的设计中，如何在保证实时性的条件下达到更高的定位精度是一个非常重要的问题。比如在虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域的控制系统中，定位追踪的精确度和时延直接影响到用户的控制精度和体验。在传统的基于测距的定位方法中，提高精度的手段是利用超声波信号的初始相位变化信息进行测距、定位和追踪。在传统的基于测距的定位追踪方法中，需要使用低通滤波器滤除发出信号与接收信号相乘结果中的高频部分，因而带来了较大的时延，无法适用于高精度高实时性的超声波定位追踪系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种高精度的实时超声波定位追踪方法及系统。
一方面，本发明实施例提出一种高精度的实时超声波定位追踪方法，包括：
S1、计算目标在所有维度上的移动距离，对于每一维度，目标在该维度上的移动距离d的计算公式为d＝Δθp×λ/2π，其中，Δθp为所述目标接收到的超声波在该维度下tB时刻和tA时刻的初始相位差值，Δθp＝2π[(QB-QA)/m–F0(tB-tA)]，QB为所述超声波在该维度下以tB时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，QA为所述超声波在该维度下以tA时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，信标点为值大于前后相邻采样点的采样点，m为初始相位差值测量使用的窗口大小，F0为发出超声波信号的频率，目标在tA时刻从起始点出发，在tB时刻移动到终点，λ为发出超声波信号的波长；
S2、获取目标的初始位置，根据所述初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置。
另一方面，本发明实施例一种高精度的实时超声波定位追踪系统，包括：
第一计算单元，用于计算目标在所有维度上的移动距离，对于每一维度，目标在该维度上的移动距离d的计算公式为d＝Δθp×λ/2π，其中，Δθp为所述目标接收到的超声波在该维度下tB时刻和tA时刻的初始相位差值，Δθp＝2π[(QB-QA)/m–F0(tB-tA)]，QB为所述超声波在该维度下以tB时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，QA为所述超声波在该维度下以tA时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，信标点为值大于前后相邻采样点的采样点，m为初始相位差值测量使用的窗口大小，F0为发出超声波信号的频率，目标在tA时刻从起始点出发，在tB时刻移动到终点，λ为发出超声波信号的波长；
第二计算单元，用于获取目标的初始位置，根据所述初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置。
本发明实施例提出的高精度的实时超声波定位追踪方法及系统，先计算目标在所有维度上的移动距离，再根据目标的初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置，整个过程中所述移动距离的计算用到了超声波的初始相位差值，而由于在超声波的初始相位差值的计算过程中没有用到低通滤波器，因而可以极大地降低高精度定位过程中的时间延迟，使得超声波定位能够应用到高精度高实时性的使用场景中。
附图说明
图1为本发明一种高精度的实时超声波定位追踪方法一实施例的流程示意图；
图2为本发明一种高精度的实时超声波定位追踪方法另一实施例的流程示意图；
图3为本发明一种高精度的实时超声波定位追踪系统一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参看图1，本实施例公开一种高精度的实时超声波定位追踪方法，包括：
S1、计算目标在所有维度上的移动距离，对于每一维度，目标在该维度上的移动距离d的计算公式为d＝Δθp×λ/2π，其中，Δθp为所述目标接收到的超声波在该维度下tB时刻和tA时刻的初始相位差值，Δθp＝2π[(QB-QA)/m–F0(tB-tA)]，QB为所述超声波在该维度下以tB时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，QA为所述超声波在该维度下以tA时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，信标点为值大于前后相邻采样点的采样点，m为初始相位差值测量使用的窗口大小，F0为发出超声波信号的频率，目标在tA时刻从起始点出发，在tB时刻移动到终点，λ为发出超声波信号的波长；
S2、获取目标的初始位置，根据所述初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置。
本实施例提出的高精度的实时超声波定位追踪方法，先计算目标在所有维度上的移动距离，再根据目标的初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置，整个过程中所述移动距离的计算用到了超声波的初始相位差值，而由于在超声波的初始相位差值的计算过程中没有用到低通滤波器，因而可以极大地降低高精度定位过程中的时间延迟，使得超声波定位能够应用到高精度高实时性的使用场景中。
本发明针对现有高精度定位追踪系统的时延问题，设计了一种高效的高精度实时定位方法，这种方法无须使用低通滤波器对发出信号与接收信号的相乘结果进行滤波，就能快速地得到接收信号的初始相位。极大地降低了高精度定位过程中的时间延迟，使得超声波定位能够应用到高精度高实时性的使用场景中。
本发明的主要方法包含如下的几个步骤，接收信号初始相位测量方法，一维目标位移测量方法和高精度实时定位追踪技术。
假设发出信号的频率是F0，初始相位测量使用的窗口大小为m。目标在tA时刻从起始点A出发，在tB时刻移动到终点B。
基于以上的发明方法，参看图2，本发明的具体实施方法如下：
(1)本方法的第一步为在目标静止时测量发射信号的频率F0，具体的做法是，在目标静止时，统计一段时间T0内，其值大于前后相邻采样点的采样点的数目，记为N0。则发射信号频率为F0＝N0/T0。可以理解的是，本方法的第一步计算的是在单一维度下发射信号的频率，如果要计算不同维度下发射信号的频率，则可以使用不同维度的发射信号，而不同维度的发射信号可以通过对目标获得的发射信号进行带通滤波得到。
(2)本方法的第二步为计算以tA时刻为起始的窗口的Q值，记为QA。具体的做法是，对于窗口中每个采样点s，计算从第一个采样点到该采样点s为止，中间所包括的所有的信标点(信标点为值大于前后相邻采样点的采样点)的数量，记为Ms，则QA＝∑Ms。
(3)本方法的第三步为计算以tB时刻为起始的窗口的Q值，记为QB。QB的计算方法与第二步相同，此处不再赘述。
(4)本方法的第四步为计算tB和tA时刻的初始相位差值，计算方法为：Δθp＝2π[(QB-QA)/m–F0(tB-tA)]。
(5)本方法的第五步为根据初始相位差值计算目标在单一维度上的移动距离，计算方法为：d＝Δθp×λ/2π，λ＝c/F0是发射信号的波长。
(6)本方法的第六步为按照(1)～(5)的步骤计算目标在所有维度上的移动距离。
(7)本方法的第七步为读取目标初始位置。
(8)本方法的第八步为整合在(6)(7)步中得到的信息，实时计算出当前位置。
由于本方法在相位估算的过程中没有用到低通滤波器，因而可以极大地缩短响应时间，在高精度的前提下还能保证系统的实时性。
参看图3，本实施例公开一种高精度的实时超声波定位追踪系统，包括：
第一计算单元1，用于计算目标在所有维度上的移动距离，对于每一维度，目标在该维度上的移动距离d的计算公式为d＝Δθp×λ/2π，其中，Δθp为所述目标接收到的超声波在该维度下tB时刻和tA时刻的初始相位差值，Δθp＝2π[(QB-QA)/m–F0(tB-tA)]，QB为所述超声波在该维度下以tB时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，QA为所述超声波在该维度下以tA时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，信标点为值大于前后相邻采样点的采样点，m为初始相位差值测量使用的窗口大小，F0为发出超声波信号的频率，目标在tA时刻从起始点出发，在tB时刻移动到终点，λ为发出超声波信号的波长；
需要说明的是，F0＝N0/T0，其中，N0为目标静止时，一段时间T0内，采样点中值大于前后相邻采样点的采样点的数目。
第二计算单元2，用于获取目标的初始位置，根据所述初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置。
本实施例提出的高精度的实时超声波定位追踪系统，先计算目标在所有维度上的移动距离，再根据目标的初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置，整个过程中所述移动距离的计算用到了初始相位差值，而由于在初始相位差值的计算过程中没有用到低通滤波器，因而可以极大地降低高精度定位过程中的时间延迟，使得超声波定位能够应用到高精度高实时性的使用场景中。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度的实时超声波定位追踪方法，其特征在于，包括：
S1、计算目标在所有维度上的移动距离，对于每一维度，目标在该维度上的移动距离d的计算公式为d＝Δθp×λ/2π，其中，Δθp为所述目标接收到的超声波在该维度下tB时刻和tA时刻的初始相位差值，Δθp＝2π[(QB–QA)/m–F0(tB-tA)]，QB为所述超声波在该维度下以tB时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，QA为所述超声波在该维度下以tA时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，信标点为值大于前后相邻采样点的采样点，m为初始相位差值测量使用的窗口大小，F0为发出超声波信号的频率，目标在tA时刻从起始点出发，在tB时刻移动到终点，λ为发出超声波信号的波长；
S2、获取目标的初始位置，根据所述初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，F0＝N0/T0，其中，N0为目标静止时，一段时间T0内，采样点中值大于前后相邻采样点的采样点的数目。
3.一种高精度的实时超声波定位追踪系统，其特征在于，包括：
第一计算单元，用于计算目标在所有维度上的移动距离，对于每一维度，目标在该维度上的移动距离d的计算公式为d＝Δθp×λ/2π，其中，Δθp为所述目标接收到的超声波在该维度下tB时刻和tA时刻的初始相位差值，Δθp＝2π[(QB–QA)/m–F0(tB-tA)]，QB为所述超声波在该维度下以tB时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，QA为所述超声波在该维度下以tA时刻为起始的窗口中从第一个采样点到每一个采样点之间信标点的数目的和，信标点为值大于前后相邻采样点的采样点，m为初始相位差值测量使用的窗口大小，F0为发出超声波信号的频率，目标在tA时刻从起始点出发，在tB时刻移动到终点，λ为发出超声波信号的波长；
第二计算单元，用于获取目标的初始位置，根据所述初始位置和目标在所有维度上的移动距离计算目标的当前位置。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，F0＝N0/T0，其中，N0为目标静止时，一段时间T0内，采样点中值大于前后相邻采样点的采样点的数目。
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