CN110988799A - 一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统，同时也公开了该超声波定位系统在隧道内实现移动物体高精度定位的方法。该定位系统在隧道的两侧壁上或隧道顶上，每隔预定长度安装至少2个超声波发射器；在预定长度的各区段中，安装于移动物体上的超声波定位接收器接收所在区段的至少4个超声波发射器发射的定位信号，通过计算进行定位。本发明解决了隧道内移动物体的高精度定位问题，可应用于自动驾驶、隧道抢险等场景，具有实现成本低、定位精度高等优点。

Description

一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种超声波定位系统，尤其涉及一种基于超声波的隧道内移动物体(包括行驶中的车辆、行人等)高精度定位系统，同时也涉及该超声波定位系统实现隧道内移动物体高精度定位的方法，属于超声波定位技术领域。

背景技术

隧道一般具有空间封闭、环境恶劣等特点，一旦发生安全事故，隧道外部的救援人员很难通过传统的通信方式实现对隧道内被困人员的精确定位和救援。因此，为了保障隧道中行驶车辆的安全，实时掌握隧道内部行驶车辆的位置等信息显得尤为重要。另一方面，如果要实现隧道内的自动驾驶，要求行驶车辆的定位精度在横向和纵向上都控制在1米以内。目前，对于隧道内行驶车辆的高精度定位需求，研究者先后提出了如下一些技术方案：

1.基于超宽带(UWB)的隧道内定位方案

该技术方案中，采用对称双向双边测距算法以有效抑制移动标签和定位基站之间由于晶振漂移导致的测距误差，同时在基于到达时间的定位方法上采用粒子群算法提高定位精度。该技术方案具有功耗低、实现简单、定位精度高的特点。但是，该技术方案基于超宽带技术实现，实施成本比较高，而且也不能满足行驶车辆的定位精度要求。

2.基于卫星导航信号增强的隧道内定位方案

该技术方案中，利用隧道导航信号复现设备同步复现隧道外空旷位置的卫星导航信号。隧道内行驶车辆所安装的车载终端接收该卫星导航信号，可实现定位解算，定位结果95％散落在该隧道导航信号复现设备的发射天线已知位置的10米范围内。由此可见，该隧道内定位系统的定位精度比较差，难以满足隧道内自动驾驶所需的横向和纵向均为1米以内的定位精度要求。

3.基于LTE信号的隧道内定位系统

该技术方案中，隧道内的LTE信号一般采用RRU(Remote Radio Uni t，远端射频单元)共小区覆盖方式，通过BBU(Building Baseband Unit，室内基带处理单元)找出与UE(用户设备)通信的RRU，同时将此RRU的LAC(位置区识别码)作为定位参数，再按照基站光纤时延处理方法得到UE的准确位置。但是，该技术方案仍然难以满足隧道内自动驾驶所需的横向和纵向均为1米以内的定位精度要求，而且实施成本也高。

众所周知，利用超声波可以实现室内移动物体的定位。超声波定位的优点是成本较低且具有厘米级的精度。安装扬声器和麦克风的移动物体(比如手机等)本身就组成了一个声波网络。在基于超声波的移动物体室内定位技术中，移动物体能根据来自室内不同位置的多个扬声器的信号确定自身的3维位置信息，其定位精度可以达到厘米级，能满足大多数移动物体室内定位的精度需求。但是，目前尚未有在隧道内应用超声波技术实现移动物体定位的成熟技术方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位方法。

为实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统，其中在隧道的两侧壁上或隧道顶上，每隔预定长度安装至少2个超声波发射器；

在所述预定长度的各区段中，移动物体上的超声波定位接收器接收所在区段的至少4个超声波发射器发射的定位信号，通过计算进行定位。

其中较优地，所述预定长度由超声波发射器的发射功率和传输距离确定。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位方法，包括如下步骤：

(1)超声波发射器同步发送正交的定位信号；

(2)移动物体上的超声波定位接收器接收定位信号，确定各定位信号的到达时差；

(3)超声波定位接收器利用定位算法确定自己的位置。

其中较优地，所述步骤(1)中，所述定位信号为PN正交序列，并在载波上进行BPSK调制。

其中较优地，所述PN正交序列为gold序列或Kasami序列。

其中较优地，相邻区段中采用不同的PN正交序列。

其中较优地，所述步骤(2)中，所述超声波定位接收器根据发送序列与接收信号之间存在的相关性，利用峰值的位置确定到达时间，进而确定各定位信号的到达时差。

其中较优地，所述步骤(3)中，所述定位算法为Gauss－Newton定位算法。

其中较优地，所述步骤(3)中，所述超声波定位接收器在隧道内的纵向位置和横向位置

为：

其中，k为预先分配的组序号，n为预先分配的小组序号，L为预定的区段长度。

其中较优地，还包括如下步骤：

(4)移动物体通过无线通信技术，将自己的位置信息发送给邻近的车辆或路边设备。

与现有技术相比较，本发明所提供的隧道内移动物体高精度定位系统及方法利用超声波定位技术实现，解决了隧道内移动物体的高精度定位问题，可应用于自动驾驶、隧道抢险等场景。该定位系统及方法具有实现成本低、定位精度高等优点。

附图说明

图1为基于超声波的典型室内定位系统的总体组成示意图；

图2为基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统的第一实施例示意图；

图3为基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统的第二实施例示意图；

图4为扬声器以非同时方式发送信号的时序图；

图5为扬声器以同时方式发送信号的时序图；

图6为本发明中，采用PN正交序列的同时发送信号方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

图1为一种基于超声波的典型室内定位系统的总体组成示意图。在该室内定位系统中，包括超声波信标信号的生成模块(Beacons)、定位系统配置模块、定位模块等。其中，超声波信标信号的生成模块(Beacons)包括辐射信号的调制与编码单元、信号同步单元、基于FPGA的信号产生与控制电路单元；定位系统配置模块包括信标的分布单元、自校准单元和系统重配置单元；超声波定位接收器包括接收单元和定位算法单元。在该室内定位系统中，由基于FPGA的信号产生与控制电路单元产生多路同步的信标信号，并提供给放置于已知位置的多个扬声器(即超声波发射器)。

针对在已知位置放置多个扬声器的室内环境，各扬声器周期性地发送特定的伪随机噪声(超声波定位接收器已知)，待定位设备可利用来自各扬声器的超声波信号确定其自身的空间位置。而且，待定位设备与扬声器之间不进行同步(除了室内定位系统在特定的环境中首次开启时将扬声器的位置导入到待定位设备中之外)。该室内定位系统依赖于到达时间的估计或到达时差的估计，通过计算完成待定位设备的位置计算。由于待定位设备无源工作，除了位置计算需要消耗能量外，没有其他能量消耗了。因此，该室内定位系统的能量消耗很小。

需要说明的是，在室内定位中，使用较多的扬声器可以具有如下优点：

(a)扬声器可以更好地覆盖定位所需的空间区域，而且其位置可精确地测量并存储下来；

(b)待定位设备可相互独立，无需相互通信；

(c)发射受控制的超声波信号带来了专用性，只有那些知道所有扬声器位置和探测信号的待定位设备才能使用该室内定位系统；

(d)扬声器位置不随时间而变化。

从本质上说，隧道属于一种在单一方向上无限延伸的特殊室内空间。为了测量移动物体(包括行驶中的车辆、行人等)在隧道内的位置，本发明在现有基于超声波的室内定位系统基础上，首先提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统。该定位系统通过合理布局扬声器在隧道内的分布方式，同时将正交序列依次分配给扬声器作为定位信号，使得移动物体能正确地估计其在隧道内的纵向位置和横向位置，从而有效地解决了隧道内高速移动(比如80Km/小时)车辆的高精度定位问题。

如图2所示，在该隧道内移动物体高精度定位系统的第一实施例中，假设隧道宽度为W，高度为H。在隧道的两侧壁上，每隔长度L安装至少2个扬声器(即超声波发射器)。其中，长度L由扬声器的发射功率和传输距离确定，扬声器安装的位置由实际的工程测量确定。在各区段L中，移动物体的位置(x，y)通过安装于车辆上的超声波定位接收器接收该区段内的至少4个扬声器发射的信号来进行定位。比如在第1个L区段中，移动物体的位置通过接收由扬声器S1、S2、S3和S4发射的信号来确定；在第2个区段中，移动物体的位置通过接收由扬声器S3、S4、S5和S6发射的信号来确定，依此类推。

如图3所示，在该隧道内移动物体高精度定位系统的第二实施例中，假设隧道宽度为W，高度为H。在隧道的两侧壁上，每隔长度L安装至少2个扬声器(即超声波发射器)；同时，在隧道的顶部每隔预定长度(例如L)也安装至少1个扬声器(即超声波发射器)。其中，长度L由扬声器的发射功率和传输距离确定，扬声器安装的位置由实际的工程测量确定。在各区段L中，移动物体的位置(x，y)通过安装于车辆上的超声波定位接收器接收该区段内的至少5个扬声器发射的信号来进行定位。比如在第1个L区段中，移动物体的位置通过接收由扬声器S1、S2、S3、S4和S5发射的信号来确定；在第2个区段中，移动物体的位置通过接收由扬声器S4、S5、S6、S7和S8发射的信号来确定，依此类推。

在上述隧道内移动物体高精度定位系统的基础上，本发明实施例所提供的隧道内移动物体高精度定位方法采用如下步骤实现：(1)扬声器同步发送相互正交的定位信号；(2)移动物体上的超声波定位接收器接收定位信号，并利用互相关等技术确定到达时差(TDOA，time difference of arrival)；(3)超声波定位接收器利用定位算法(比如基于TDOA的定位算法)确定自己的位置；(4)移动物体通过无线通信技术，将自己的位置信息发送给邻近的车辆或路边设备。下面对此展开详细具体的说明：

步骤1：扬声器同步发送正交的定位信号

为了便于移动物体上的超声波定位接收器接收超声波定位信号，这些扬声器(大于或等于4个)发送彼此正交的信号。如果非同时发送信号，可采用如图4所示的TDMA方式发送信号。如果同时发送信号，则可采用CDMA方式或FDMA方式。当采用CDMA方式发送时，考虑到序列的自相关性和互相关性，优选采用gold序列或Kasami序列。此时，各扬声器可采用一个gold(或Kasami)序列，并在载波上进行BPSK调制。发送信号的频谱略高于人耳的可听频率范围(2Hz～18kHz)，比如可选取18kHz～22kHz。周期性发送信号的周期取决于室内空间的大小和扬声器的摆放位置。比如，对于20m×20m的室内区域，发送信号的周期可取为50ms；对于10m×10m的室内区域，发送信号的周期可取为20ms。

在本发明的实施例中，扬声器的信号发送由硬件同步，并以一定的周期同时发送信号或先后发送信号(取决于码长和调制方式)。考虑到移动物体的运动速度快，比如可高达80km/小时，为了保证定位精度，优选采用同时发送信号的方式。为了保证各扬声器发送的信号是彼此正交的，各扬声器优选采用PN正交序列(比如gold序列或Kasami序列等)作为定位信号。

图5显示了采用PN正交序列的同时发送信号方式(基于CDMA的信号发送方式)，图中4个扬声器的信号同步发送，发送周期为T_s(ms)。其中，信号的发送周期由定位精度、车辆移动速度及位置更新频率来确定。假设位置更新周期为T₀(ms)，则要求Ts<T₀。此时，扬声器发射的超声波信号的覆盖距离L为：

L＝T_s×V_s， (1)

上式中，Vs为声波传播的速度。对于超声波，其空中声波速度Vs取决于很多因素，在室内定位中主要考虑气温的影响，可由下述公式估计：

V_s＝(331.3+0.6φ)m/s (2)

式中，φ为气温(摄氏度)。

为了保证相邻区段中的超声波信号不发生相互干扰，相邻区段中采用不同的PN正交序列，比如扬声器1采用序列1，扬声器2采用序列2，扬声器3采用序列3，扬声器4采用序列4，扬声器5使用序列5，扬声器6使用序列6等。此外，假设PN正交序列的总序列数为N条。那么，可将总序列分成P＝N/2个小组，其中各小组中2条序列。第n小组中包含的序列为{序列2n－1，序列2n}，n＝1，2，…，N/2。

在本发明的其它实施例中，也可以采用别的分组方式，比如各组中分配3条PN正交序列，分成P＝N/3个小组，第n小组中包含的序列为{序列3n－2，序列3n－1,序列3n}，n＝1，2，…，N/3。这种分组方式特别适合上述第二实施例中所示的扬声器分布方式，即在各区段中间的隧道顶上再安装1个扬声器。这样可以有效地克服多径效应，进一步提高移动物体的定位精度。

为使移动物体确定自身在隧道内的纵向位置，本发明实施例中采用了如图6所示的基于一组N条正交序列的扬声器信号分配方式，其中该组序列分成了P＝N/2个小组定位序列。这样，一组序列(N条序列)可覆盖隧道的长度为：

D₁＝L*(P)， (3)

比如，假设扬声器的覆盖距离L＝20米，PN序列的总条数为N＝60。那么，一组N条序列可覆盖的隧道长度为D₁＝600米。而且，假设从隧道入口开始，组数k依次为第1组、第2组、第3组，依次类推。然后，这些正交的PN序列在载波Fc(比如Fc＝20kHz)上采用BPSK调制，并由扬声器同步发送出去。这样，移动物体从隧道入口开始利用定位信号测距，只要确定了其经过的信号组数k和确定了其在第n个小组中的位置，即可确定自身在隧道中的纵向位置和横向位置。这样，第n个小组中4个扬声器采用的PN序列分别为PN序列2n-1，2n，2n，2n+1，经调制后发送的序列分别为S_2n-1(t)，S_2n(t)，S_2n+1(t)和S_2n+2(t)。

步骤2：超声波定位接收器接收定位信号，并利用互相关等技术确定到达时差

在本发明的实施例中，采用互相关法进行时差估计。即，超声波定位接收器根据已知的发送序列与接收信号之间存在的相关性，利用峰值的位置来确定到达时间(TOA)。当超声波定位接收器在第n个小组中时，其接收的信号可表示为：

上式中，L_j为扬声器定位信号S_j(t)与超声波定位接收器之间的多径数量，j＝2n-1,2n,2n+1,2n+2，τ_j,i为相应的路径时延，a_j,i为相应的路径增益，n(t)是双边功率谱N₀/2的高斯白噪声。r(t)关于发送序列S_j(t)的匹配滤波(互相关)输出如下：

上式中，c_j(t)为定位序列S_j(t)的自相关函数，v(t)为噪声的功率谱密度。S_j(f)为定位信号S_j(t)的频谱。由于S_j(f)在带内是平坦的，v(t)仍可被看成高斯白噪声。

超声波定位接收器与扬声器信号S_j(t)之间的视距(LoS，line of sight)路径的互相关值的峰值位置的到达时间(TOA)

需要从y_j(t)中估计。通常，可以采用最大似然(maximum likelihood，简称为ML)法和门限比较(Threshold Comparison，简称为TC)法来估计τ_j,0。由于最大似然法的计算复杂度较高，故在实际中通常采用门限比较法来估计τ_j,0。

估计τ_j,0的门限比较法具体如下所述：

首先，将匹配滤波器(相关器)的输出y_j(t)与预设门限比较，选出第一个超过门限的峰值作为TOA估计。为了避免相位模糊，取滤波输出的绝对值做门限检测，具体可以采取如下两种估计方法：

(1)最大峰值选择法(Maximum Peak Selection，简称为MPS)

最大峰值选择法选取最大峰值的到达时刻作为TOA估计，可以看成是门限设置为最大峰幅度的TC方法。最大峰值选择法获取的TOA估计可表示为:

上式中，τ_j,max为最大峰值的到达时刻，|·|代表取绝对值操作。最大峰值选择法的规则简单，在理想的AWGN信道下，最大峰值选择法的方差可以达到TOA估计的CRLB。而在多径环境下，由于后续多径分量的叠加，导致直达经不总是最强径，此时最大峰值选择法性能急剧下降。可见，最大峰值选择法的性能与信道特性密切相关，不适合室内多径环境。

(2)N－Max估计方法

N－Max估计方法相比最大峰值选择法在一定程度上考虑了多径的影响，不同于最大峰值选择法直接选取最大峰的到达时刻作为TOA估计，N－max估计方法首先找出幅度最大的M个峰值作为候选集合，然后选择其中最早到达的作为TOA估计。N－max也可看成TC方法，其门限设置为第M大峰的幅度。令

代表幅度最大的M个峰值所对应的到达时刻，则TOA估计值可表示为：

当估计得到

(j＝2n-1,2n,2n+1,2n+2)后，就可利用基于TDOA的定位算法来估计移动物体在第n个小组扬声器对应的区域中的位置

步骤3：超声波定位接收器利用定位算法确定自己的位置

在定位算法中，目前大多采用基于到达时差(TDOA)的定位方法。具体而言，首先估计各超声波辐射源到待定位设备的时差(TOA)，然后根据到达时差估计待定位设备的自身位置。现有的大多数相关数学模型都是广义类的最小二乘(LS)问题，其目的是借助声波源定位方法，将未知变量(比如三维空间位置)与估计的到达时间(TOAs)相匹配。

在基于超声波的室内定位系统中，可采用互相关法进行时差估计。假设N₀(N₀≥4)个扬声器的位置为b_j＝(x_j,y_j,z_j)(j＝0,1,…,N₀-1)，且同时发送正交的调制序列g_j(t)，定位端(即待定位设备)的接收信号可表示为：

上式中，g_j(t)为发送的调制序列，t_j和A_j为信号的到达时间和幅度；n(t)为噪声。h_j(t)表示声波信道对信号的影响，是事先不知道的信道响应。通过将r(t)与所有发送信号序列进行互相关，得到了互相关接收机。对于第k个发送信号序列：

上式中，右边第1项为所需的相关信号，但包含由于多径传输引起的符号间干扰。如果多径之间的时延差很小，则容易产生峰值模糊，从而增大时延估计误差。右边第2项表示不同序列之间的干扰，同样会增大时延估计误差。

利用多径补偿算法，估计待定位设备与各扬声器之间视距(LoS)路径的互相关值峰值位置的到达时间为

假设第0个扬声器距离待定位设备最近，则可将其作为参考扬声器。此时，在待定位设备处，来自其他扬声器的信号的到达时间与参考扬声器之间的到达时差(TDOA)可估计为：

在获得到达时差(TDOA)的基础上，可以采用Gauss－Newton定位算法获得待定位设备的最优位置估计值。具体说明如下：

首先，定义扬声器信号b_i＝(x_i,y_i,z_i)和最近的参考扬声器信号b₀＝(x₀,y₀,z₀)与待定位设备的位置p＝(x,y,z)之间的距离差为：

以及由测量TDOAs得到的相同距离为：

Δr_i(p)＝c·Δt(i,0)，i＝1,2,3. (12)

然后，可以构造需要最小化的目标函数如下：

式中，

为了对Gauss－Newton定位算法进行初始化，可用不同的方法得到式(13)最小化的近似解。当室内空间的大小不是太大时，可简单地将室内空间的中心位置设定为待定位设备的初始位置估计值p₀＝(x_c,y_c,z_c)。从该初始位置开始，可通过如下迭代得到位置的迭代更新估计值：

p_k+1＝p_k-J_r(p_k)^-1f(p_k) (14)

上式中，f(p_k)＝(f₁,f₂,f₃)，J_r(p_k)为f关于p_k的Jacobian矩阵。当式(13)中的最小化问题收敛后，即得到了待定位设备的最优位置估计值。

在本发明的实施例中，将上述定位算法应用到图2所示的隧道内移动物体高精度定位系统中，首先从4个S_2n-1(t)、S_2n(t)、S_2n+1(t)和S_2n+2(t)中，根据

(j＝2n-1,2n,2n+1,2n+2)找出离超声波定位接收器最近的扬声器。

假设扬声器S_2n-1离超声波定位接收器最近。然后，将扬声器S_2n-1作为参考扬声器。此时，在超声波定位接收器处，来自其他3个扬声器信号的到达时间与参考扬声器之间的到达时差(TDOA)可估计为：

定义扬声器信号b_j＝(x_j,y_j,z_j)和最近的参考扬声器信号b_2n-1＝(x_2n-1,y_2n-1,z_2n-1)与待定位设备位置p_n,n＝(x_n,n,y_n,n,z_n,n)之间的距离差为：

以及由测量TDOAs得到的相同距离为：

Δr_j(p_n,n)＝c·Δt(j,0)，.j＝2n,2n+1,2n+2 (17)

然后，可以构造需要最小化的目标函数如下：

上式中，

为了对Gauss－Newton定位算法进行初始化，可用不同的方法得到式(18)最小化的近似解。当式(18)中的最小化问题收敛后，即得到了待定位设备的最优位置估计值

在本发明的实施例中，当移动物体进入隧道时，连续接收定位信号来进行定位。那么，根据接收到的定位信号，超声波定位接收器能够确定其位于第几组的第几个小组。假设超声波定位接收器确定了其位于第k组的第n个小组中，则其在隧道内的纵向位置和横向位置

可估计为：

步骤4：移动物体通过无线通信技术，将自己的位置信息发送给邻近的车辆或路边设备。

该步骤为可选的常规步骤，在此不予赘述。

与现有技术相比较，本发明所提供的隧道内移动物体高精度定位系统及方法利用超声波定位技术实现，解决了隧道内移动物体的高精度定位问题，可应用于自动驾驶、隧道抢险等场景。该定位系统及方法具有实现成本低、定位精度高等优点。

上面对本发明所提供的基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统及方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统，其特征在于在隧道的两侧壁上或隧道顶上，每隔预定长度安装至少2个超声波发射器；

在所述预定长度的各区段中，移动物体上的超声波定位接收器接收所在区段的至少4个超声波发射器发射的定位信号，通过计算进行定位。

2.如权利要求1所述的隧道内移动物体高精度定位系统，其特征在于：

所述预定长度由超声波发射器的发射功率和传输距离确定。

3.一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)超声波发射器同步发送正交的定位信号；

(2)移动物体上的超声波定位接收器接收定位信号，确定各定位信号的到达时差；

(3)超声波定位接收器利用定位算法确定自己的位置。

4.如权利要求3所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于所述步骤(1)中，所述定位信号为PN正交序列，并在载波上进行BPSK调制。

5.如权利要求4所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于所述PN正交序列为gold序列或Kasami序列。

6.如权利要求4所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于相邻区段中采用不同的PN正交序列。

7.如权利要求3所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于所述步骤(2)中，所述超声波定位接收器根据发送序列与接收信号之间存在的相关性，利用峰值的位置确定到达时间，进而确定各定位信号的到达时差。

8.如权利要求3所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于所述步骤(3)中，所述定位算法为Gauss－Newton定位算法。

9.如权利要求3所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于所述步骤(3)中，所述超声波定位接收器在隧道内的纵向位置和横向位置

为：

其中，k为预先分配的组序号，n为预先分配的小组序号，L为预定的区段长度。

10.如权利要求3所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于还包括如下步骤：

(4)移动物体通过无线通信技术，将自己的位置信息发送给邻近的车辆或路边设备。

Images