專利名稱：利用多頻聲波進(jìn)行三維多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲波測量技術(shù)，具體涉及一種利用多頻聲波構(gòu)造測量信號，通過測量信號 的動(dòng)態(tài)多普勒頻移和相差進(jìn)行指定區(qū)域內(nèi)的三維多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的控制方法與裝置。
背景技術(shù)：
目前通用的平面小范圍定位系統(tǒng)，如電子白板、觸摸屏、手寫板等，主要采用光學(xué)技 術(shù)、聲波表面技術(shù)以及電磁感應(yīng)技術(shù)。這類定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是定位準(zhǔn)確，但是設(shè)備成本較高， 主要適合定位二維平面上的點(diǎn)。對三維空間點(diǎn)的位置定位目前一般利用超聲波或其他信號 的到達(dá)時(shí)間差來估算(ZL01144415.0)，這類定位系統(tǒng)對靜止目標(biāo)定位準(zhǔn)確，但是對移動(dòng)目 標(biāo)的定位精度比較差。另一類三維定位裝置通過同時(shí)發(fā)射射頻信號和超聲波信號，利用兩 個(gè)信號的到達(dá)時(shí)間來測量移動(dòng)目標(biāo)的位置信息(ZL200610144285.1)，由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng) 根據(jù)接收到的信號計(jì)算出位置時(shí)，其實(shí)目標(biāo)已經(jīng)移動(dòng)到另外的位置了，所以這類定位系統(tǒng) 對移動(dòng)目標(biāo)的定位精度約為l分米，不是很高，其定位精度還有很大的提升空間。
對于大范圍高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位，是通過對其發(fā)出電磁波信號的多普勒頻率偏移的測 量，確定其運(yùn)動(dòng)速度，從而確定其位置，這類利用電磁波多普勒頻移的定位方法一般應(yīng)用 在大范圍定位系統(tǒng)中(ZL02818290.1)。由于電磁波的頻率高，對于小范圍低速移動(dòng)目標(biāo)來 說，其多普勒相對頻率偏移就非常小，很難檢測，因而目前沒有發(fā)現(xiàn)利用電磁波的多普勒 頻移來做小范圍移動(dòng)目標(biāo)的定位。而對低速目標(biāo)發(fā)射較低頻率(聲波頻率)的信號，其多 普勒頻率相對偏移是一個(gè)非常明顯的不可忽略的分量。舉例 一個(gè)以10m/s速度運(yùn)動(dòng)的目
標(biāo)發(fā)出的5GHz (5xl09Hz)電磁波測量信號，接收到信號的多普勒頻移為167Hz，相對頻 移僅為0.0000034%，而如果該運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以340Hz的聲頻作為測量信號，其接收到信號的多 普勒頻偏為10Hz，相對頻偏可達(dá)2.94%。而通常情況下小范圍運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度，如寫字時(shí) 筆頭的運(yùn)動(dòng)速度，都在每秒幾米到十幾米左右，如果使用電磁波的多普勒頻偏來定位此類 低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，由于其多普勒相對頻移極小，檢測難度極大；而使用較低頻率的測量信號， 其多普勒相對頻移較大，易于檢測，因此可以依據(jù)低頻信號的多普勒頻移來輔助確定小范 圍低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高精度定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種利用多頻聲波進(jìn)行三維多 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的方法與裝置，該方法利用多頻聲波(包括次聲波、聲波和超聲波)構(gòu)造測 量信號，通過檢測測量信，號的多普勒頻移和相位差來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位。本發(fā)明裝置成 本低廉，安裝簡單，使用方便，且定位精度高。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
利用多頻聲波進(jìn)行三維多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的方法，該方法根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射的測量信號和 接收點(diǎn)接收的測量信號的動(dòng)態(tài)多普勒頻率偏移和相位差計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)離各個(gè)接收點(diǎn)的距 離，再通過三維空間幾何的計(jì)算，得到目標(biāo)點(diǎn)在參考坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)，所述接收點(diǎn)為固 定點(diǎn)且個(gè)數(shù)不少于四個(gè)，其中有四個(gè)接收點(diǎn)不在同一平面內(nèi)；所述目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射的測量信號 為一個(gè)或多個(gè)頻率不同的聲波。
上述方法中，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在一個(gè)二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述接收點(diǎn)為固定點(diǎn)且個(gè)數(shù)不少于 三個(gè)，其中有三個(gè)接收點(diǎn)不在同一條直線上。
上述方法中，所述測量信號的頻率范圍包括次聲波頻、聲波頻和超聲波頻；將所述測 量信號調(diào)制到超聲波頻段，以超聲波的方式發(fā)射，根據(jù)接收點(diǎn)接收并解調(diào)后的測量信號的 動(dòng)態(tài)多普勒頻率偏移和相位差計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)離各個(gè)接收點(diǎn)的距離。
當(dāng)測量信號為多個(gè)頻率不同的聲波時(shí)，用次聲波頻或聲波頻測量信號測量目標(biāo)點(diǎn)的初 步位置，用聲波頻或超聲波頻測量目標(biāo)點(diǎn)的精確位置。
當(dāng)測量信號為次聲頻和聲頻兩個(gè)頻率構(gòu)成時(shí)，次聲頻用于初步測量目標(biāo)點(diǎn)的位置范
圍，聲頻用于測量目標(biāo)點(diǎn)的精確定位設(shè)次聲頻測量信號的波長是;io，由次聲頻確定目標(biāo)
的初步距離為/。，聲頻測量信號的波長是4，用該聲頻測量信號確定目標(biāo)的精確距離為 / = "+/,， A由發(fā)射和接收到測量信號的多普勒頻移和相差計(jì)算得到，A:由初步距離/。和 聲頻測量信號波長4確定，A = [VA」。
當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)靜止時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射的測量信號和接收點(diǎn)接收到的測量信號分別為 = ^cos(2《0和A) = 5cos(2《卜，其中/。是發(fā)射測量信號頻率，A是相位差，^、
S為已知常數(shù)，根據(jù)數(shù)字信號處理理論，計(jì)算出相位差仍為A=maxarg{^(0^(f，A)〉}， 〈s(0,壽,^)〉為兩個(gè)序列的互相關(guān)操作；則此刻該靜止目標(biāo)點(diǎn)離接收器的距離為
，
A為確定的整數(shù)，由多個(gè)測量頻率信號的各個(gè)測量結(jié)果共同確定。
上述方法中，目標(biāo)點(diǎn)與一個(gè)接收點(diǎn)的距離計(jì)算如下設(shè)f時(shí)刻一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)位于a 點(diǎn)，該點(diǎn)離接收點(diǎn)/的距離為/,0，在A/時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)由a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)b點(diǎn)，目標(biāo)在&時(shí)間內(nèi)的
運(yùn)動(dòng)視為勻速運(yùn)動(dòng)，設(shè)發(fā)射的測量正弦信號為S(0-爿COS(2《f)，接收到的測量信號為6^，^) = 5cos(2;^/ —a)，其中/。是發(fā)射測量信號頻率，a是相位差，乂、 b為已知常
數(shù)；在給定的時(shí)間A 內(nèi)，運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)離接收器/的距離為
/,■ = /,.0 + v,.. ，
v,為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度；那么接收到信號d(f,^),表示成
， r,) = 5 cos(2; /; (, _ |》="cos(2;r(/0 _》+ 2《(/,。-仏)) ，
/i是測量信號的波長；根據(jù)接收到的測量信號可以計(jì)算出該信號的頻率y;，則該測量信號 的多普勒頻移A/^/。-y;.，那么該目標(biāo)在&時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度為v,.=a/j ，則此刻
在b點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間距離為/, = /,Q + △/ /1 。
上述方法中，所述三維空間幾何的計(jì)算具體為在三維空間內(nèi)，若確定了一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)與不
在同一平面內(nèi)的四個(gè)固定點(diǎn)的距離，則這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)就唯一確定設(shè)空間有四個(gè) 不在同一平面上的固定點(diǎn)d卜d2 、 d3和d4，其空間三維坐標(biāo)分別為Od，力A)、 (X2,》,a)、 fe J^3)和0C4，內(nèi)，Z4)，且目標(biāo)點(diǎn)d距離四個(gè)參考點(diǎn)的距離分別為/i、 /2、 /3和/4,那么這個(gè) 目標(biāo)的坐標(biāo)(JC,少力滿足下面方程組
<formula>complex formula see original document page 7</formula>
通過上述方程組可得到目標(biāo)點(diǎn)的唯一三維坐標(biāo)(XJ^)，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在一個(gè)二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，
上述公式中的Zl=a=z3=z,只需要三個(gè)方程就可解出目標(biāo)的坐標(biāo)(JC，力。
實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括控制單元和目標(biāo)傳感器單元，所述控制單元包括數(shù)字信號
處理器、調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、若干分頻器和若干接收傳感器；所述 目標(biāo)傳感器單元包括若干目標(biāo)器件，其中目標(biāo)器件由具有開關(guān)功能的傳感器和發(fā)射換能器 組成，目標(biāo)傳感器單元和主控單元之間通過有線連接或無線連接；所述振蕩器與所述若干 分頻器連接，所述目標(biāo)器件上的開關(guān)傳感器被觸發(fā)后，使與該傳感器連接的發(fā)射換能器發(fā) 射出請求定位信號；控制單元接收到該請求定位信號后，通過所述分頻器給該目標(biāo)器件上 的接收傳感器分配多聲頻測量信號和調(diào)制解調(diào)超聲頻信號，多聲頻測量信號經(jīng)超聲頻調(diào)制 信號調(diào)制后通過有線或無線方式傳送到所述目標(biāo)器件，并由目標(biāo)器件上的發(fā)射換能器發(fā)射 出去；利用與調(diào)制該目標(biāo)測量信號相同的超聲載頻信號解調(diào)出控制單元上的多個(gè)接收傳感器接收到的多路測量信號，解調(diào)出的多路測量信號經(jīng)過多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣轉(zhuǎn)換成為多 路數(shù)字信號，然后數(shù)字信號處理器根據(jù)這多路數(shù)字信號計(jì)算出目標(biāo)離各個(gè)接收傳感器的距 離，最后計(jì)算出的三維位置信息被送到控制單元輸出端輸出。
上
述方法中，所述分頻器個(gè)數(shù)為3個(gè)，控制單元接收到該請求定位信號后，通過該3
個(gè)分頻器給該目標(biāo)器件上的接收傳感器分配多聲頻測量信號和調(diào)制解調(diào)超聲頻信號分頻 器之一控制輸出多聲頻測量信號頻率，分頻器之二控制輸出超聲載頻信號頻率，分頻器之 三控制輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣時(shí)鐘信號頻率的控制參數(shù)；當(dāng)所述裝置處于空閑狀態(tài)時(shí)， 數(shù)字信號處理器將運(yùn)行上的閑時(shí)超聲頻信道檢測算法，選擇干擾最小的若干超聲頻作為備 用載頻，提高系統(tǒng)的魯棒性；
所述數(shù)字信號處理器為DSP或者單片處理器ARM，所述具有開關(guān)功能的傳感器為壓電、 摩擦傳感器等；所述控制單元和目標(biāo)傳感器單元均還包括射頻收發(fā)模塊，用于實(shí)現(xiàn)所述的 無線連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有本發(fā)明能夠準(zhǔn)確進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位，定位精度高，抗干擾能力 強(qiáng)，并且裝置成本低廉，裝置簡單，安裝使用方便，可以應(yīng)用于多種定位場合。


圖l為本發(fā)明實(shí)施方式中有線工作方式下定位裝置的組成框圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施方式中無線工作方式下定位裝置的組成框圖。
圖3為實(shí)施方式中定位移動(dòng)目標(biāo)的原理示意圖，t時(shí)刻目標(biāo)位于a點(diǎn)，Af時(shí)間內(nèi)目標(biāo)由a 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)b點(diǎn)，o6=oc=o"+ac，/,:/w+A/=/;o+V*。
圖4本發(fā)明裝置在實(shí)施方式中對定位信息的計(jì)算流程圖。
圖5本發(fā)明裝置在實(shí)施方式中接收信號的有效性檢測流程圖。
圖6本發(fā)明定位處理過程的流程圖。
圖7本發(fā)明裝置空閑時(shí)信道檢測流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明裝置包括控制單元和傳感器單元，控制單元包括數(shù)字信號處理器、 調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器(A/D)。振蕩器使用20M晶體振蕩器，分 頻器用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)，調(diào)制器和解調(diào)器用乘法電路實(shí)現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)化器和數(shù)字信號處理器 選用一塊TI的DSP芯片TMS 320C2812實(shí)現(xiàn)。傳感器單元包括一定數(shù)量的目標(biāo)器件、若 干接收傳感器(平面定位安裝至少3個(gè)不在同一直線的傳感器；三維定位安裝至少4 個(gè)不在同一平面的傳感器)。其中目標(biāo)器件的開關(guān)功能傳感器使用壓電傳感器，目標(biāo)發(fā)射和
接收傳感器均用超聲換能器。定位目標(biāo)與控制單元通過導(dǎo)線連接。
在如圖2所示無線連接方式中，控制單元和目標(biāo)電路包含同有線連接方式相同的器件電 路，并且還包括工作在2.4G的射頻收發(fā)模塊。
在三維空間內(nèi)，如果確定了一個(gè)點(diǎn)與不在同一平面內(nèi)的四個(gè)參考點(diǎn)的距離，那么這個(gè)點(diǎn) 的三維坐標(biāo)就唯一確定。例如空間有4個(gè)不在同一平面上的參考點(diǎn)d" d2 、 d3和d4，其
空間三維坐標(biāo)分別為Od^，Z!)、 0C2，》,a)、 (X3 J^3)和(;C4,;^4)。有一空間目標(biāo)點(diǎn)d距離四個(gè)
參考點(diǎn)的距離分別為/i、 /2、 /3和/4，那么這個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)(x,;^)滿足下面方程組
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
這樣可以得到目標(biāo)點(diǎn)的唯一三維坐標(biāo)(x,;^)。如果應(yīng)用到二維平面上，(公式1)中的21= z2=
Z3=Z，那么只需要三個(gè)方程就可以就解出目標(biāo)的坐標(biāo)(JC^，也即確定了一個(gè)點(diǎn)與不在同一直
線上的三個(gè)參考點(diǎn)的距離，那么這個(gè)點(diǎn)的二維坐標(biāo)就唯一確定。
從一個(gè)靜止目標(biāo)上發(fā)射一個(gè)正弦信號到接收點(diǎn)，則發(fā)射和接收點(diǎn)的正弦信號的相位差取 決于兩者間的傳播距離。而從一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上發(fā)射一個(gè)正弦信號到接收點(diǎn)，接收到的信號
會(huì)發(fā)生多普勒頻率偏移現(xiàn)象，該頻率偏移取決于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度。
舉例對一個(gè)靜止目標(biāo)的定位。設(shè)靜止目標(biāo)上發(fā)射和接收器上接收到的測量信號分別 為s0h」cos(2; /"/)和d0,A^5cos(2^;-a)。其中/0是發(fā)射測量信號頻率，p,是相位差。
根據(jù)數(shù)字信號處理理論，可以計(jì)算出發(fā)射和接收到信號的相位差^為
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
〈s(O, A)〉為求兩個(gè)序列的互相關(guān)操作計(jì)算。 那么該靜止目標(biāo)離接收器的距離為
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
A為某一確定的整數(shù)，可由多個(gè)測量頻率信號的各個(gè)測量結(jié)果共同確定。
舉例對于一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位。如圖3，假設(shè)f時(shí)刻一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位于a點(diǎn)，該點(diǎn) 離接收器/的距離(圖3中oa)為/w，在給定一個(gè)很小的A 時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)由a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)b點(diǎn)， 目標(biāo)在這很短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可以看作勻速運(yùn)動(dòng)。下面給出計(jì)算在b點(diǎn)的目標(biāo)與接收器之間距 離(圖3中ob)的方法。
設(shè)發(fā)射測量正弦信號為<formula>complex formula see original document page 10</formula>接收到的測量信號為-
<formula>complex formula see original document page 10</formula>其中/。是發(fā)射測量信號頻率，a是相位差。在給定的時(shí)間
內(nèi)，運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)的目標(biāo)離接收器/的距離為
<formula>complex formula see original document page 10</formula> (公式4)
v,為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。那么接收到信號^^,2",.)可以表示成<formula>complex formula see original document page 10</formula> (公式5)
A是測量信號的波長。
根據(jù)接收到的測量信號可以計(jì)算出該信號的頻率y;，則該測量信號的多普勒頻移 <formula>complex formula see original document page 10</formula>那么該目標(biāo)在"時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度為
<formula>complex formula see original document page 10</formula>(公式6)
運(yùn)動(dòng)目標(biāo)離接收器z的距離為<formula>complex formula see original document page 10</formula> 所以，本發(fā)明根據(jù)發(fā)射測量信號和接收測量信號的動(dòng)態(tài)多普勒頻率偏移和相位差計(jì)算 出目標(biāo)離各個(gè)接收點(diǎn)的距離，通過主控?cái)?shù)字信號處理單元的處理、計(jì)算，從而得到定位點(diǎn) 在特定參考坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。本發(fā)明為了避免發(fā)射的聲波頻段測量信號被其他聲波信號 干擾，將測量信號調(diào)制到超聲波頻段，以超聲波的方式發(fā)射，根據(jù)接收器接收解調(diào)后測量 信號的動(dòng)態(tài)多普勒頻率偏移和相位差計(jì)算出目標(biāo)離各個(gè)接收點(diǎn)的距離。
本發(fā)明的測量信號頻率范圍是幾赫茲的次聲波頻到幾十千赫茲的超聲波頻。每個(gè)運(yùn)動(dòng)目 標(biāo)均被分配上一個(gè)或多個(gè)聲波頻率的測量信號，以便得到高精度的位置信息。多聲頻測量 信號中的次聲頻、聲頻確定初步位置，聲頻、超聲頻確定精確位置。該發(fā)明可適用的定位 范圍達(dá)幾厘米到幾百米，且最小定位精度可達(dá)到毫米以下(誤差小于i毫米)。
舉例設(shè)測量信號由兩個(gè)頻率構(gòu)成34Hz次聲頻和3400Hz聲頻信號疊加而成，其中 34Hz次聲頻用于初步測量目標(biāo)的范圍，3400Hz聲頻用于精確定位。34Hz次聲頻測量信號 的波長是;to^o米，可以利用它測量離接收源10米的范圍，從而初步確定目標(biāo)的距離/。。 3400Hz聲頻測量信號的波長是A^. 1米，可利用這個(gè)測量信號確定目標(biāo)的精確距離 / = A由發(fā)射和接收到測量信號的多普勒頻移和相差計(jì)算得到。A:由距離/。和精確
測量信號波長4確定，即<formula>complex formula see original document page 10</formula>如果控制單元的A/D采樣率為1MHz (1><106HZ)，
測量誤差為一個(gè)樣點(diǎn)，那么測量精度為0.34毫米；如果采用數(shù)字信號處理的方法，測量誤
差可以減小到幾分之一個(gè)樣點(diǎn)，這樣精度可達(dá)0.34毫米以下。
本發(fā)明的工作過程為首先觸發(fā)目標(biāo)上的開關(guān)傳感器，觸發(fā)后目標(biāo)就發(fā)射出特定的請求 定位信號，通過有線或無線方式傳送到控制單元。當(dāng)控制單元接收到請求信號后，控制單 元立即給該目標(biāo)分配特定的多聲頻測量信號和調(diào)制解調(diào)超聲頻信號，即配置分頻器1 (控
制輸出多聲頻測量信號頻率)、分頻器2 (控制輸出超聲載頻信號頻率)和分頻器3 (控制 輸出A/D采樣時(shí)鐘信號頻率)的控制參數(shù)。隨后多聲頻測量信號經(jīng)超聲頻調(diào)制信號調(diào)制后 通過有線或無線方式傳送到該目標(biāo)，并由其上的發(fā)射換能器發(fā)射出去。
其后接收處理過程開始啟動(dòng)，利用與調(diào)制該目標(biāo)測量信號相同的超聲載頻信號解調(diào)出多 個(gè)接收傳感器接收到的多路測量信號，解調(diào)出的多路測量信號經(jīng)過多通道A/D采樣模/數(shù)轉(zhuǎn) 化，成為多路數(shù)字信號。然后數(shù)字信號處理單元根據(jù)這多路數(shù)字信號計(jì)算出目標(biāo)離各個(gè)接 收傳感器的距離，從而得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維定位信息。最后計(jì)算出的三維位置信息被送到 裝置輸出端輸出，輸出端可以接到計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備上做進(jìn)一步的應(yīng)用處理。
當(dāng)定位裝置處于空閑狀態(tài)時(shí)，數(shù)字信號處理器將運(yùn)行上的閑時(shí)超聲頻信道檢測算法，選 擇干擾最小的若干超聲頻作為候選載頻備用，提高系統(tǒng)的魯棒性。
本發(fā)明定位裝置的工作步驟如圖4所示，具體如下
步驟1目標(biāo)上的開關(guān)傳感器開始發(fā)射請求定位信號，通過有線或無線方式傳送到控 制單元。
應(yīng)用舉例白板數(shù)字課堂定位系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)有有線連接的電子粉筆，有線連接 的電子板擦等。當(dāng)電子粉筆在白板上寫字時(shí)，壓力傳感器感受到壓力就通過發(fā)射換能器發(fā) 射一個(gè)特定請求信號，表明電子粉筆開始書寫，請求定位。當(dāng)電子板擦在白板上摩擦?xí)r， 摩擦傳感器感受到摩擦就通過發(fā)射換能器發(fā)射另一個(gè)請求信號，表明電子板擦開始擦寫， 請求定位。
步驟2 接收到請求信號后，控制單元分配多頻聲波測量信號和調(diào)制解調(diào)超聲波頻， 配置各個(gè)分頻器控制參數(shù)。
本發(fā)明可同時(shí)檢測多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置，各個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的區(qū)分可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)， 可以根據(jù)不同情況靈活選用。如l)每個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分配相同的測量頻率、不同的超聲載頻; 2)每個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分配相同的超聲載波、不同的測量頻率；3)每個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分配相同的超 聲載頻和測量頻率但是不同時(shí)刻發(fā)送。
步驟3 測量信號通過超聲頻調(diào)制信號調(diào)制后通過有線或無線發(fā)送到目標(biāo)的換能傳感器發(fā)射出去。
為了避開干擾，易于發(fā)射，降低電信號的運(yùn)動(dòng)速度，將測量信號調(diào)制到超聲波頻段，以 超聲波的方式發(fā)射。多聲頻測量信號經(jīng)由超聲頻載波信號調(diào)制(如調(diào)幅)后，送到發(fā)射換 能器轉(zhuǎn)化成超聲波信號發(fā)射。
步驟4解調(diào)出接收的測量信號，經(jīng)A/D采樣、模/數(shù)轉(zhuǎn)化后成為數(shù)字信號。 解調(diào)出接收的測量信號經(jīng)過A/D采樣、模/數(shù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，送到數(shù)字信號處理單元 計(jì)算定位，A/D的采樣采樣頻率由DSP控制。
步驟5數(shù)字信號處理計(jì)算位置過程，具體流程過程如圖4所示。
首先檢測收到的信號是否有效，如圖5所示。具體檢測方法有很多能量檢測法，如果 解調(diào)后的能量大于一個(gè)閾值就可以判斷為有效信號。頻率檢測法，根據(jù)接收到信號估計(jì)出 接收到的測量信號的頻率，如果檢測的信號頻率和測量信號頻率很近，那么判斷為有效信 號。判斷為有效的信號，進(jìn)行后續(xù)的處理計(jì)算。
具體定位計(jì)算過程如圖6所示，其中計(jì)算原則為用低頻測量信號確定大致位置，用高頻 測量信號計(jì)算精確位置。首先根據(jù)相位差計(jì)算出靜止位置。根據(jù)接收到信號估計(jì)出接收到 的測量信號的頻率。如果接收到的信號和原始測量信號有頻偏，表示目標(biāo)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 目標(biāo)位置等于上一次檢測到的位置加上檢測間隔時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)位移。根據(jù)各個(gè)接收器 接收到的測量信號，計(jì)算出目標(biāo)與各個(gè)參考接收器的距離，從而得到出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三位坐 標(biāo)輸出。
步驟6閑時(shí)超聲波信道檢測，具體流程如圖7所示。
為了提高系統(tǒng)的魯棒性，減少其它超聲頻信號的干擾，系統(tǒng)閑時(shí)將進(jìn)行超聲波信道偵 聽檢測，選擇若干個(gè)干擾最小的超聲頻率做可能載頻信號。
閑時(shí)檢測算法流程在超聲頻率段中，等間隔選擇M個(gè)頻率yi、 /2…/M作為使用載 波頻率。閑時(shí)超聲波信道檢測算法就是從這M個(gè)載波頻率中選擇干擾最小的N個(gè)(M大 于N)頻率/01、 /02…/ON作為備用載波頻率。具體流程如圖7所示，即數(shù)字信號處理器 先產(chǎn)生M個(gè)超聲載頻控制信號送到分頻器二，解調(diào)器利用這M個(gè)數(shù)量的載頻信號解調(diào)出 信道的信號模/數(shù)轉(zhuǎn)化后送到數(shù)字信號處理器，然后計(jì)算出各個(gè)解調(diào)出來信號的能量&、 五2…五M，再將這M個(gè)能量根據(jù)從小到大的規(guī)則排序，那么選擇前面最小N個(gè)能量所對應(yīng)
的頻率/01、 /02…/0N作為備用超聲載頻。
權(quán)利要求
1、利用多頻聲波進(jìn)行三維多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的方法，其特征在于根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射的測量信號和接收點(diǎn)接收的測量信號的動(dòng)態(tài)多普勒頻率偏移和相位差計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)離各個(gè)接收點(diǎn)的距離，再通過三維空間幾何的計(jì)算，得到目標(biāo)點(diǎn)在參考坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)，所述接收點(diǎn)為固定點(diǎn)且個(gè)數(shù)不少于四個(gè)，其中有四個(gè)接收點(diǎn)不在同一平面內(nèi)；所述目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射的測量信號為一個(gè)或多個(gè)頻率不同的聲波。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在一個(gè)二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所 述接收點(diǎn)為固定點(diǎn)且個(gè)數(shù)不少于三個(gè)，其中有三個(gè)接收點(diǎn)不在同一條直線上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述測量信號的頻率范圍包括次聲波頻、 聲波頻和超聲波頻；將所述測量信號調(diào)制到超聲波頻段，以超聲波的方式發(fā)射，根據(jù)接收 點(diǎn)接收并解調(diào)后的測量信號的動(dòng)態(tài)多普勒頻率偏移和相位差計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)離各個(gè)接收點(diǎn)的 距離。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于當(dāng)測量信號為多個(gè)頻率不同的聲波時(shí)， 用次聲波頻或聲波頻測量信號測量目標(biāo)點(diǎn)的初步位置，用聲波頻或超聲波頻測量目標(biāo)點(diǎn)的 精確位置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于當(dāng)測量信號為次聲頻和聲頻兩個(gè)頻率構(gòu) 成時(shí)，次聲頻用于初步測量目標(biāo)點(diǎn)的位置范圍，聲頻用于測量目標(biāo)點(diǎn)的精確定位設(shè)次聲 頻測量信號的波長是λ0，由次聲頻確定目標(biāo)的初步距離l0，聲頻測量信號的波長是λ1， 用該聲頻測量信號確定目標(biāo)的精確距離為l=kλ1+l1,l1由發(fā)射和接收到測量信號的多普勒頻移和相差計(jì)算得到，k由初步距離l0和聲頻測量信號波長λ1確定，k= |l0/4λ1|。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)靜止時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射 的測量信號和接收點(diǎn)接收到的測量信號分別為力s(s)=Acos(2πf0t)和d(t,δi)=Bcos(2πf0t-δi), 其中f0是發(fā)射測量信號頻率，δi是相位差, A,B為己知常數(shù)，根據(jù)數(shù)字信號處理理論， 計(jì)算出相位差δi為aδi= max arg{<s(t), d(t, δi)>}, <s(t), d(t, δi)>為兩個(gè)序列的互相關(guān)操作；則此刻該靜止目標(biāo)點(diǎn)離接收器的距離為li=(k+δi/2πf0t)λ,k為確定的整數(shù)，由多個(gè)測量頻率信號的各個(gè)測量結(jié)果共同確定。
7、根據(jù)權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于目標(biāo)點(diǎn)與一個(gè)接收點(diǎn)的距離計(jì)算如下設(shè) 時(shí)刻一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)位于a點(diǎn)，該點(diǎn)離接收點(diǎn)i的距離為li0，在△f時(shí)間內(nèi)，目標(biāo) 由a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)b點(diǎn)，目標(biāo)在△f時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)視為勻速運(yùn)動(dòng)，設(shè)發(fā)射的測量正弦信號為 <formula>see original document page 3</formula>,接收到的測量信號為<formula>see original document page 3</formula>，其中f。是發(fā)射 測量信號頻率，Φ是相位差，A.B為已知常數(shù)；在給定的時(shí)間△t內(nèi)，運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn) 離接收器/的距離為li=li0+vi.△t，V,.為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度；那么接收到信號d(t,Φ) 表示成<formula>see original document page 3</formula>,λ是測量信號的波長；根據(jù)接收到的測量信號可以計(jì)算出該信號的頻率fi;，則該測量信號的多普勒頻移Δf = f。-f1.，那么該目標(biāo)在Af時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度為V,. = Δf λ ，則此刻 在b點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間距離為l,=l,。+△f.λ.△f 。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述三維空間幾何的計(jì)算具體為在三維空間內(nèi)，若確定了一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)與不在同一平面內(nèi)的四個(gè)固定點(diǎn)的距離，則這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)就唯一確定設(shè)空間有四個(gè)不在同一平面上的固定點(diǎn)d!、 d2 、 d3和d4,其空間三維 坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)、 (x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)，且目標(biāo)點(diǎn)d距離四個(gè)參考點(diǎn)的距離分別為l1、l2、 l3和l4，那么這個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)(x,y,z)滿足下面方程組<formula>see original document page 3</formula>通過上述方程組可得到目標(biāo)點(diǎn)的唯一三維坐標(biāo)(x,y,z)，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在一個(gè)二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述公式中的Z1=Z2=Z3=Z,只需要三個(gè)方程就可解出目標(biāo)的坐標(biāo)(x，y)。
9、 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1 7任一項(xiàng)所述方法的裝置，其特征在于包括控制單元和目標(biāo)傳感 器單元，所述控制單元包括數(shù)字信號處理器、調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 若干分頻器和若千接收傳感器；所述目標(biāo)傳感器單元包括若干目標(biāo)器件，其中目標(biāo)器件由 具有開關(guān)功能的傳感器和發(fā)射換能器組成，目標(biāo)傳感器單元和主控單元之間通過有線連接 或無線連接；所述振蕩器與所述若干分頻器連接，所述目標(biāo)器件上的開關(guān)傳感器被觸發(fā)后， 使與該傳感器連接的發(fā)射換能器發(fā)射出請求定位信號；控制單元接收到該請求定位信號后，通過所述分頻器給該目標(biāo)器件上的接收傳感器分配多聲頻測量信號和調(diào)制解調(diào)超聲頻信 號，多聲頻測量信號經(jīng)超聲頻調(diào)制信號調(diào)制后通過有線或無線方式傳送到所述目標(biāo)器件， 并由目標(biāo)器件上的發(fā)射換能器發(fā)射出去；利用與調(diào)制該目標(biāo)測量信號相同的超聲載頻信號 解調(diào)出控制單元上的多個(gè)接收傳感器接收到的多路測量信號，解調(diào)出的多路測量信號經(jīng)過 多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣轉(zhuǎn)換成為多路數(shù)字信號，然后數(shù)字信號處理器根據(jù)這多路數(shù)字信號 計(jì)算出目標(biāo)離各個(gè)接收傳感器的距離，最后計(jì)算出的三維位置信息被送到控制單元輸出端 輸出。
10、根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述分頻器個(gè)數(shù)為3個(gè)，控制單元接收 到該請求定位信號后，通過該3個(gè)分頻器給該目標(biāo)器件上的接收傳感器分配多聲頻測量信 號和調(diào)制解調(diào)超聲頻信號分頻器之一控制輸出多聲頻測量信號頻率，分頻器之二控制輸 出超聲載頻信號頻率，分頻器之三控制輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣時(shí)鐘信號頻率的控制參數(shù)； 當(dāng)所述裝置處于空閑狀態(tài)時(shí)，數(shù)字信號處理器將運(yùn)行上的閑時(shí)超聲頻信道檢測算法，選擇 干擾最小的若干超聲頻作為備用載頻。
全文摘要
本發(fā)明公開了利用多頻聲波進(jìn)行三維多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的方法與裝置，該方法根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射的測量信號和接收點(diǎn)接收的測量信號的動(dòng)態(tài)多普勒頻率偏移和相位差計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)離各個(gè)接收點(diǎn)的距離，再通過三維空間幾何的計(jì)算，得到目標(biāo)點(diǎn)在參考坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。所述裝置包括相互之間通過有線或無線連接的控制單元和目標(biāo)傳感器單元，所述控制單元包括數(shù)字信號處理器、調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器和若干分頻器；目標(biāo)傳感器單元包括若干目標(biāo)器件和若干接收傳感器，目標(biāo)器件由具有開關(guān)功能的傳感器和發(fā)射換能器組成，振蕩器與若干分頻器連接；本發(fā)明對三維運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)，裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用方便，適用于多種定位場合。
文檔編號G01S5/00GK101344586SQ20081019816
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者寧更新, 崗 韋 申請人:華南理工大學(xué)