CN110736993A - 一种用于室内多目标定位的超声波定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于室内多目标定位的超声波定位系统，其中，定位目标包括第一超声波收发模块及第一时钟模块；超声波定位装置包括第二超声波收发模块及第二时钟模块；时钟同步装置包括第三超声波收发模块及第三时钟模块；定位区域内任意位置的第一超声波收发模块至少能与两个第二超声波收发模块相互传递超声波信号，第三超声波收发模块能够与所有第一超声波收发模块及所有第二超声波收发模块相互传递超声波信号。本发明还公开了基于上述系统的用于室内多目标定位的超声波定位方法。与现有技术相比，本发明能够实现设备之间的时钟同步，进而获得较为精确的超声波传播时间，提高超声波定位系统的定位精度。

Description

一种用于室内多目标定位的超声波定位系统及方法
技术领域
本发明涉及定位领域，具体涉及一种用于室内多目标定位的超声波定位系统及方法。
背景技术
现有的定位技术大多基于GPS信号实现对目标的定位，虽然能够满足绝大多数用户的定位需求，但是在特定场景下，卫星定位难以满足目标定位的需求，比如室内场景下的目标定位。为了满足室内场景下目标定位的需求，研究人员发明了多种室内定位技术，以满足特殊场景下的定位需求。
常用的室内定位技术有基于Wi-Fi的定位技术、基于蓝牙的定位技术、基于红外的定位技术、基于RFID的定位技术和基于超声波的定位技术等。基于Wi-Fi和基于蓝牙的定位技术工作原理比较相似，都是通过测量待定位目标出的RSSI值来推测待定位目标到固定节点的距离，从而计算出当前目标的位置。由于Wi-Fi信号和蓝牙信号均容易受到其他信号的干扰，导致定位精度较低，且安装成本较高，不适宜用于室内智能小车等目标的定位。基于红外的定位技术由于红外线的直线传播特性，导致信号难以穿过障碍物，无法用于复杂场景下的目标定位需求。基于RFID的定位技术采用射频方式进行非接触式的双向通信数据交换，可以提供厘米级精度的定位服务，但是由于RFID不便于整合到待定位目标中，其次，为实现高精度的定位需布置较多的RFID信标，安装较为麻烦。
基于超声波的定位技术整体定位精度较高、系统结构简单，适用于室内目标的定位，但是现有的超声波定位系统常用反射式的测距方法，即超声波信号收发模块集成到一起，无需进行收发端时钟信号的同步，但是这种模块较少用于构建定位系统，因为多个模块同时应用时会产生干扰，不能实时的观测每一辆车的位置变化。
综上所述，如何实现室内多目标定位时的时钟同步，从而实现室内多目标的精确定位成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提前对道路上的车辆驾驶状态进行预估，给驾驶者提供判断依据，避免安全事故发生。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于室内多目标定位的超声波定位系统，包括时钟同步装置、定位目标、超声波定位装置及与超声波定位装置通信连接的处理器，其中：定位目标包括第一超声波收发模块及第一时钟模块；超声波定位装置包括第二超声波收发模块及第二时钟模块；时钟同步装置包括第三超声波收发模块及第三时钟模块；定位区域内任意位置的第一超声波收发模块至少能与两个第二超声波收发模块相互传递超声波信号，第三超声波收发模块能够与所有第一超声波收发模块及所有第二超声波收发模块相互传递超声波信号。
优选地，采用上述的用于室内多目标定位的超声波定位系统实现室内多目标定位，所述用于室内多目标定位的超声波定位方法包括如下步骤：
S1、进行定位目标、超声波定位装置及时钟同步装置的时钟同步；
S2、定位目标向至少两个超声波定位装置发送包含发送时间的超声波定位信号；
S3、超声波定位装置将接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间发送至处理器；
S4、处理器基于接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间确定所述定位目标的位置。
优选地，步骤S1包括：
第三超声波收发模块向每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块发送超声波信号，并记录对应的发送时间；
每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块收到第三超声波收发模块发送的超声波信号后向第三超声波收发模块反馈超声波信号；
第三超声波收发模块接收每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块反馈的超声波信号并记录对应的接收时间；
基于发送时间及接收时间计算与每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块之间的单向传播的时间延时；
第三超声波收发模块向每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块发送超声波时间同步信号，超声波时间同步信号包括超声波时间同步信号发送时间及对应的单向传播的时间延时；
每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块基于同步信号发送时间及对应的单向传播的时间延时实现与第三超声波收发模块的时钟同步。
优选地，步骤S4包括：
处理器基于接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间计算定位目标与超声波定位装置的传播时间并计算传播距离；利用多项式拟合函数对传播距离进行拟合，根据拟合得到的数据查询测量距离与真实距离之间的对应表，利用卡尔曼滤波器对查询得到的数据进行分析处理，得到智能小车的位置。
优选地，还包括:
将定位区域分为若干个栅格，测量每个栅格的实际位置与测量位置，建立测量距离与真实距离之间的对应表。
优选地，在预设时间内，定位目标向至少两个超声波定位装置发送多次包含发送时间的超声波定位信号，处理器利用滑动均值滤波器对多次接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间进行数据平滑，然后进行算术平均得到传播时间，预设时间小于等于5ms。
综上所述，本发明公开的用于室内多目标定位的超声波定位系统及方法能够解决以下问题：
通过类似PTP协议的时钟同步机制，对超声波信号收发端的时钟进行同步，以获得较为精确的超声波传播时间。
通过对超声波信号进行调制，使其携带信号发射时刻的本地时间信息，用于计算超声波的传播时间。
利用数字信号处理的方法对采集到的超声波传播时间进行处理，以提高超声波定位系统的定位精度。
附图说明
图1为本发明公开的一种用于室内多目标定位的超声波定位方法的一种具体实施方式的流程图；
图2为本发明公开的一种用于室内多目标定位的超声波定位系统的一种具体实施方式的超声波定位装置的位置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述说明。
本发明公开了一种用于室内多目标定位的超声波定位系统，包括时钟同步装置、定位目标、超声波定位装置及与超声波定位装置通信连接的处理器，其中：定位目标包括第一超声波收发模块及第一时钟模块；超声波定位装置包括第二超声波收发模块及第二时钟模块；时钟同步装置包括第三超声波收发模块及第三时钟模块；定位区域内任意位置的第一超声波收发模块至少能与两个第二超声波收发模块相互传递超声波信号，第三超声波收发模块能够与所有第一超声波收发模块及所有第二超声波收发模块相互传递超声波信号。
如图2所示，在具体实施时，可采用四个超声波定位装置（图2中A至D），分布在定位区域四周，定位区域设定为1.5m*1.5m的正方形，正方形内为车辆的行驶区域，为了保证区域全覆盖，采取分布在区域边界中心的方式：当超声波定位装置分布在定位区域的四条边界中点时，如图所示。由于最小测量距离不小于35cm，因此以每个接收端为圆心，35cm为半径的圆周范围内是该接收端的视野盲区，但是由于相邻边界上的两个接收端的最大测量距离为120cm，能够保证每个接收端的视野盲区处于另外两个接收端的有效测距范围内。因此，将超声波定位装置分布在定位区域的边界中心能够使超声波定位系统的有效测距覆盖范围最大。而为了保证所有定位目标和超声波定位装置能和时钟同步装置，将时钟同步装置在正方形中心位置。
在本发明中，上述用于室内多目标定位的超声波定位系统的工作原理如下：
S1、进行定位目标、超声波定位装置及时钟同步装置的时钟同步；
S2、定位目标向至少两个超声波定位装置发送包含发送时间的超声波定位信号；
S3、超声波定位装置将接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间发送至处理器；
S4、处理器基于接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间确定所述定位目标的位置。
现有的定位技术如基于Wi-Fi的定位技术和基于蓝牙的定位技术等，由于安装成本高，容易受到其他信号干扰等原因，难以满足室内场景下智能小车等目标的精确定位需求。本发明提出的超声波定位系统安装成本较为低廉，同时配合本发明提出的方法可以获得较高的定位精度。
现有技术中超声波定位模块将超声波发射器和接收器集成到一块控制板上，超声波发射器发出的超声波信号经过障碍物的反射后，被接收器接收到，然后控制板输出端输出一段高电平，高电平持续的时间就是超声的传播时间，接收和发送没有被独立控制，发射即反射。但是这种模块较少用于构建定位系统，因为多个模块同时应用时会产生干扰，不能实时的观测每一辆车的位置变动。
而本发明中信号的发射和接收是分开的，接收和发送被分别控制。由于收发端的分离，就需要进行收发端时钟信号的同步，而现有的关于多车的超声波定位系统中并没有找到关于实现超声波收发端分离时的时钟同步方法，而我们提出把类似于PTP协议的时钟同步方法运用于多车定位系统，不仅填补了这个空白，得到了较为精准的超声波传播时间，而且，利用数字信号处理的方法对采集到的超声波传播时间进行处理，又提高超声波定位系统的定位精度。
现有的超声波定位系统由于各种不确定因素，会降低定位的精度，本发明提出的方法能有效提高定位精度。
具体实施时，步骤S1包括：
第三超声波收发模块向每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块发送超声波信号，并记录对应的发送时间；
每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块收到第三超声波收发模块发送的超声波信号后向第三超声波收发模块反馈超声波信号；
第三超声波收发模块接收每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块反馈的超声波信号并记录对应的接收时间；
基于发送时间及接收时间计算与每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块之间的单向传播的时间延时；
第三超声波收发模块向每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块发送超声波时间同步信号，超声波时间同步信号包括超声波时间同步信号发送时间及对应的单向传播的时间延时；
每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块基于同步信号发送时间及对应的单向传播的时间延时实现与第三超声波收发模块的时钟同步。
在本发明中，钟同步装置作为主时钟，定位目标及超声波定位装置作为从时钟。假设主时钟编号为A，从时钟编号为B。由A在TA１时刻发出一个信息，B接收到信息后立即回复一个应答信息，A在TA２时刻接收到B的应答信息。假设B接收到信息以后立即回复应答信息，期间所消耗的时间忽略不计，那么信号由A到B再到A一个回路所产生的时间延时可表示为：TD＝TA１－TA２，单向传播的时间延时为TD /2。B接收到信息然后产生一个应答信息需要一定时间，为了消除这段时间引起的误差，本发明中还可以通过后续的信号处理方法进行补偿。
测得信号的传输延时后，再由主时钟A发送一个信息到从时钟B，此时发射的信息中包含主时钟发射信息时的时间和之前测得的传输延时，从时钟B接收到信息后，根据信息中包含的时间信息对本地时钟进行校正，实现实现与主时钟的时钟同步。
本发明中，在进行定位之前首先进行时钟同步。
具体实施时，步骤S4包括：
如图1所示，处理器基于接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间计算定位目标与超声波定位装置的传播时间并计算传播距离；利用多项式拟合函数对传播距离进行拟合，根据拟合得到的数据查询测量距离与真实距离之间的对应表，利用卡尔曼滤波器对查询得到的数据进行分析处理，得到智能小车的位置。
多项式拟合函数指在超声波测距范围内，利用超声波定位系统测得的测量距离与真实距离之间的关系函数。
查表中的表指的是超声波定位系统测得的测量距离与真实距离的关系对应表。
具体实施时，还包括:
将定位区域分为若干个栅格，测量每个栅格的实际位置与测量位置，建立测量距离与真实距离之间的对应表。通过测量距离与真实距离之间的对应表，用MATLAB软件生成对应关系之间的拟合函数。
具体实施时，在预设时间内，定位目标向至少两个超声波定位装置发送多次包含发送时间的超声波定位信号，处理器利用滑动均值滤波器对多次接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间进行数据平滑，然后进行算术平均得到传播时间，预设时间小于等于5ms。
以定位智能小车为例，由于智能小车的行驶速度通常较慢，运行的区域也较小，短时间内（如5ms）可近似认为小车的位置没有发生变化，因此可在5ms内连续多次发射超声波信号，以获得多个超声波传播时间信息，在采集传播时间时，首先利用一个滑动均值滤波器对数据进行平滑，然后将得到的数据进行算术平均，得到5ms内超声波从小车到超声波信号接收端所需时间的平均值。
由于实际操作中各种不确定因素的影响，采集到的数据会有一定的偏差，首先采用滑动均值滤波可将数据进行平滑，减小数据的抖动，平滑后的数据进行算术平均进一步减小由于个别数据引起的偏差。滑动均值滤波和算术平均都是在原始数据的基础上进行处理，并没有参考真实的距离值，多项式拟合和查表是根据真实距离对测量距离进行再一次的校正，使测量值更接近真实值。利用卡尔曼滤波能够将小车的速度信息和上一次的位置信息都纳入考虑，能够提高定位精度。
本发明中，在首次定位时，采用多项式拟合和查表确定定位目标的位置，在后续的定位过程中，利用卡尔曼滤波能够将小车的速度信息和上一次的位置信息都纳入考虑。
本发明中，滑动均值滤波、算术均值滤波及卡尔曼滤波是已经成熟的滤波方法，多项式拟合也是已经成熟的方法，所提出的查表法来源于数据处理，也是成熟的方法，在此不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于室内多目标定位的超声波定位系统，其特征在于，包括时钟同步装置、定位目标、超声波定位装置及与超声波定位装置通信连接的处理器，其中：定位目标包括第一超声波收发模块及第一时钟模块；超声波定位装置包括第二超声波收发模块及第二时钟模块；时钟同步装置包括第三超声波收发模块及第三时钟模块；定位区域内任意位置的第一超声波收发模块至少能与两个第二超声波收发模块相互传递超声波信号，第三超声波收发模块能够与所有第一超声波收发模块及所有第二超声波收发模块相互传递超声波信号。
2.一种用于室内多目标定位的超声波定位方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的用于室内多目标定位的超声波定位系统实现室内多目标定位，所述用于室内多目标定位的超声波定位方法包括如下步骤：
S1、进行定位目标、超声波定位装置及时钟同步装置的时钟同步；
S2、定位目标向至少两个超声波定位装置发送包含发送时间的超声波定位信号；
S3、超声波定位装置将接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间发送至处理器；
S4、处理器基于接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间确定所述定位目标的位置。
3.如权利要求2所述的用于室内多目标定位的超声波定位方法，其特征在于，步骤S1包括：
第三超声波收发模块向每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块发送超声波信号，并记录对应的发送时间；
每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块收到第三超声波收发模块发送的超声波信号后向第三超声波收发模块反馈超声波信号；
第三超声波收发模块接收每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块反馈的超声波信号并记录对应的接收时间；
基于发送时间及接收时间计算与每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块之间的单向传播的时间延时；
第三超声波收发模块向每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块发送超声波时间同步信号，超声波时间同步信号包括超声波时间同步信号发送时间及对应的单向传播的时间延时；
每个第一超声波收发模块及每个第二超声波收发模块基于同步信号发送时间及对应的单向传播的时间延时实现与第三超声波收发模块的时钟同步。
4.如权利要求1所述的用于室内多目标定位的超声波定位方法，其特征在于，步骤S4包括：
处理器基于接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间计算定位目标与超声波定位装置的传播时间并计算传播距离；利用多项式拟合函数对传播距离进行拟合，根据拟合得到的数据查询测量距离与真实距离之间的对应表，利用卡尔曼滤波器对查询得到的数据进行分析处理，得到智能小车的位置。
5.如权利要求4所述的用于室内多目标定位的超声波定位方法，其特征在于，还包括:
将定位区域分为若干个栅格，测量每个栅格的实际位置与测量位置，建立测量距离与真实距离之间的对应表。
6.如权利要求4所述的用于室内多目标定位的超声波定位方法，其特征在于，在预设时间内，定位目标向至少两个超声波定位装置发送多次包含发送时间的超声波定位信号，处理器利用滑动均值滤波器对多次接收到超声波定位信号的时间及所述发送时间进行数据平滑，然后进行算术平均得到传播时间，预设时间小于等于5ms。
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