久久一区二区免费播放,国产在线欧美日韩一区二区,国产综合色在线视频,精品伊人久久久香线蕉,精品视频麻豆网站,玖玖国产,国内精品久久久久影,在线观看精品视频一区二区三区,午夜久久影院,国产精品一区久久

多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，具體涉及一種以紅外信號為時基的超聲傳播時延TOA的多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)和方法。所述的定位系統(tǒng)包括發(fā)射組件、接收組件和信號處理與顯示組件。所述的定位方法是以紅外信號為時間基準，通過紅外信號與超聲信號的頻分復(fù)用，實現(xiàn)多個目標的區(qū)分，采用陷波器電路與數(shù)字濾波器相結(jié)合的方式，分離出不同目標的超聲信號，利用自動增益完成目標的遠近定位無縫切換，實現(xiàn)高精度實時的多目標三維超聲跟蹤定位。優(yōu)點在于：多目標間無干擾，精度高，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單，算法簡單高效，可廣泛應(yīng)用在教育、娛樂、醫(yī)療等領(lǐng)域的小型化便攜式的嵌入式設(shè)備中。
【專利說明】多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，具體涉及一種以紅外信號為時基的超聲傳播時延TOA的多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的興起與發(fā)展，人們對人機交互產(chǎn)品的用戶體驗需求也越來越多。定位技術(shù)作為人機交互技術(shù)的基礎(chǔ)，它的精確度、實時性和抗干擾性等技術(shù)指標也越來越受到重視。目前，國內(nèi)外有著多種定位技術(shù)解決方案，如紅外定位技術(shù)、電磁定位技術(shù)、視覺定位技術(shù)以及超聲波定位技術(shù)等，實用化的產(chǎn)品有微軟公司的Kinect、任天堂公司的Wii和Leap公司的Leap Motion等。
[0003]紅外定位技術(shù)是紅外線IR標識發(fā)射調(diào)制的紅外射線，經(jīng)光學(xué)傳感器接收進行定位，容易受到障礙物和光線的影響，同時在定位精度上也有一定的局限性。電磁定位技術(shù)是通過建立一個特定的磁場區(qū)域，然后利用磁場感應(yīng)器來獲取磁場信息進行定位，其對電磁干擾和磁性金屬非常敏感，需要修正，系統(tǒng)延遲大。視覺定位技術(shù)在產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛，多采用多路攝像頭(顏色攝像頭、深度攝像頭等)進行目標圖像信息采集，經(jīng)處理后得到目標信息，其對處理器的要求較高。
[0004]超聲定位技術(shù)是通過測量超聲波從發(fā)射器(將發(fā)射器固定在待定位目標上)中發(fā)出到接收器接收所經(jīng)歷的到達時間(TOA)或是到達時間差(TD0A)，從而計算出待定位目標所在的位置。超聲定位技術(shù)作為一種非接觸式的檢測方式，在定位技術(shù)中有著廣泛應(yīng)用。與其他幾種定位方法相比，超聲定位有以下幾方面的優(yōu)勢:
[0005](I)超聲信號易于定向發(fā)射,方向性好,可以控制強度大??；
[0006](2)超聲信號傳播速度小，可以跟蹤定位距離較近的目標，分辨率高；
[0007](3)超聲對外界干擾(光照度、色彩等)不敏感，可以適應(yīng)黑暗、有灰塵、煙霧、
[0008]有毒、有電磁干擾的被測環(huán)境；
[0009](4)超聲傳感器結(jié)構(gòu)簡單、性價比高，易于小型化和集成化。
[0010]目前，超聲定位技術(shù)的定位方法主要可分為三種，基于定位信號的到達角度AOA(Angle Of Arrival)的定位方法、基于定位信號的到達時間TOA(Time Of Arrival)的定位方法和基于定位信號的到達時間差TDOA(Time Difference Of Arrival)的定位方法。
[0011]AOA定位方法需要設(shè)計信號接收陣列，從而測出信號的相位差，算出波達方向，根據(jù)方向矢量的交點來實現(xiàn)定位，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。TDOA定位方法不需要同步信號，也具有較高的定位精度，但是需要求解非線性方程，計算復(fù)雜度相對較高，會影響定位系統(tǒng)的實時性，不利于在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。TOA定位方法需要嚴格的同步信號，計算復(fù)雜度低，只需三個麥克接收器就可以進行定位。
[0012]在需要同步信號的定位系統(tǒng)中，作為時間基準的同步信號多為紅外信號和射頻信號。射頻信號具有可穿透障礙物、無方向性的優(yōu)點，但是其硬件設(shè)備成本相對較高。紅外信號在傳播過程中，容易受到障礙物的影響，需要在一定角度內(nèi)通信，但其成本低、硬件電路簡單，可以用多個發(fā)射頭解決方向性的問題。紅外信號主要有時分復(fù)用、頻分復(fù)用和碼分復(fù)用三種通信方式。時分復(fù)用需要嚴格控制多路信號在發(fā)射時間和發(fā)射周期；碼分復(fù)用可以通過編碼的方式區(qū)別多路信號，但當多路信號發(fā)射時，會有間擾；頻分復(fù)用對發(fā)射信號要求低，可以同時發(fā)射，通信協(xié)議簡單。
[0013]多種頻率信號的分離，最常用的解決方案是濾波器。按通帶頻率區(qū)分，可分為低通、高通、帶通和帶阻；按濾波器形式區(qū)分，可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器又可以分為切比雪夫型、巴特沃思型、橢圓型等，其優(yōu)點在于可以快速的完成信號濾波，用電容、電阻和電感等簡單器件就可以搭建，但低階模擬濾波器的濾波效果較差，而高階模擬濾波器較難實現(xiàn)。數(shù)字濾波器又可分為有限沖激響應(yīng)濾波器和無限沖激響應(yīng)濾波器，其優(yōu)點在于可以借助MATLAB工具設(shè)計任意階濾波器的參數(shù)，也可以對濾波特性仿真，但濾波時間會隨著階數(shù)的增加而增加。
[0014]陷波器作為一種特殊的帶阻濾波器，它是一種諧振電路或是一種自動開關(guān)的感應(yīng)器，在天線工程中可以應(yīng)用它根據(jù)信號的頻率，自動縮短或延長天線的長度，用在電路上濾除不需要的頻率的信號，它的諧振頻率就是要濾除的頻率?？梢詰?yīng)用陷波器濾除其他目標信號，實現(xiàn)不同目標的分離。
[0015]如今，各種定位技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)有的二維定位技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足人們的需要，具有更強沉浸感和自然感的三維人機交互式產(chǎn)品才能適應(yīng)市場的需求。目前的三維定位技術(shù)多以視覺定位為主,而三維超聲波定位技術(shù)存有如下弊端:(1)實時性差；
(2)多目標實時追蹤難以實現(xiàn)；(3)定位系統(tǒng)功能簡單；(4)定位精度和定位范圍有限。因此，研究多目標二維超聲定位關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計具有聞精度的多目標二維超聲實時跟蹤定位系統(tǒng)，不僅可以帶來技術(shù)上的突破，也會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
[0016]超聲波定位作為一種優(yōu)點突出的定位技術(shù)，一直受到關(guān)注。Gregory FraserRussell在題為“用于超聲跟蹤的數(shù)字化筆”的美國專利N0.US6, 703, 570中提到了一種利用超聲定位的數(shù)字筆，由筆向接收器發(fā)射超聲波序列，接受器接收到超聲波后反饋紅外信號，得到多個超聲脈沖的到達時間(Τ0Α)，平均得到每個超聲脈沖的時間，然后通過幾何計算得到筆的位置，從而輸入到手寫模塊中。該專利將紅外信號和超聲信號相結(jié)合，利用TOA方法實現(xiàn)了數(shù)字筆的小范圍高精度錄入，但沒有解決三維空間中超聲定位和多目標定位的問題。
[0017]Jonathan D.Sieber在題為“超聲跟蹤系統(tǒng)”美國專利N0.US4, 980, 871中將超聲定位跟蹤運用在相機的拍攝中，目標帶有超聲發(fā)射器，產(chǎn)生周期小的超聲信號，相機上配有三個麥克麥克接收器，分布在鏡頭軸線四個角落中的三個，捕捉目標的超聲信號，目標移動時，相機根據(jù)目標位置信息自動調(diào)整拍攝角度。該專利實現(xiàn)了單目標在三維空間中的定位跟蹤，但仍存在多目標和精度的問題。
[0018]Wayne L.Smith,在題為“三維數(shù)字化超聲跟蹤定位系統(tǒng)，，美國專利N0.US5, 515，853中提到了多目標三維超聲系統(tǒng)。其利用高頻計數(shù)器做為目標區(qū)分工具，同時超聲采用時分復(fù)用方式，定時發(fā)射信號，定位跟蹤身體上的三個目標。該專利實現(xiàn)了三個目標的三維超聲定位，但高頻計數(shù)器并非無線通信方式，采用時分復(fù)用方式，定位目標跟蹤數(shù)也有限，實質(zhì)上并非同時定位多個目標，而是分時定位單個目標。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本實用新型提供一種多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，以解決目前多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)定位精度低、實時性差、穩(wěn)定度不高、算法復(fù)雜及不適合嵌入到便攜設(shè)備中的問題。
[0020]本實用新型采取的方案是:包括:
[0021]發(fā)射組件,包含多個超聲發(fā)射器和紅外發(fā)射器,每個超聲波發(fā)射器和一個紅外發(fā)射器組合成一個子發(fā)射器，每個子發(fā)射器被安裝在不同的目標上，用于周期的發(fā)射超聲和紅外信號，發(fā)射周期由簡單的微處理器控制，信號發(fā)射的周期為24ms，且不同的超聲波信號發(fā)射器和紅外信號發(fā)射器發(fā)射的超聲和紅外信號是具有不同頻率的，任意兩目標發(fā)射的超聲信號的頻率間隔至少為15KHz，可以非等間隔分布。任意兩目標發(fā)射的紅外信號的頻率間隔至少為18KHz，可以非等間隔分布。如超聲信號的頻率可分別為25ΚΗζ、41ΚΗζ、58ΚΗζ、73ΚΗζ等，紅外信號的頻率可分別為20ΚΗζ、38ΚΗζ、58ΚΗζ、79ΚΗζ等。
[0022]接收組件，包含超聲接收組件和紅外接收組件，其中超聲接收組件包含三個超聲信號接收處理單元，于接收和處理所述的發(fā)射單元發(fā)射的超聲信號，紅外接收組件包含多個紅外接收處理單元，用于接收和處理所述的發(fā)射單元發(fā)射的紅外信號。三個超聲波信號接收處理單元位于三角形的三個頂點，三角形的形狀和大小并沒有要求限制，多個紅外接收處理單元位于三角形內(nèi)。優(yōu)選的分布方案是等邊三角形分布，即三個接收單元位于等邊三角形的三個頂點，紅外接收處理單元位于等邊三角形內(nèi)部。三個超聲接收處理單元均包含可以覆蓋多個頻率的麥克接收器和相同的超聲信號處理電路，超聲信號的處理電路包括低噪濾波電路、放大電路、陷波器電路和自動增益控制電路。陷波器的特征在于采用正反饋的雙T型帶阻濾波器，根據(jù)RC諧振，可以濾除固定頻率的信號，實現(xiàn)多個目標的分離；自動增益控制電路的特征在于采用基于AD603的放大電路與反饋回路相結(jié)合，處理器根據(jù)接收到超聲信號的幅度，給ADGl引腳高低電平信號，從而調(diào)節(jié)超聲信號放大倍數(shù)，實現(xiàn)目標遠近無縫切換。紅外接收處理單元中包含多種頻率的紅外接收頭和相同的外圍處理電路，實現(xiàn)分壓功能。
[0023]信號處理與顯示組件，由控制單元和IXD顯示單元組成?？刂茊卧啥嗦稟/D采樣電路、存儲器、處理器及外圍電路組成。處理器內(nèi)集成自動增益、數(shù)字濾波器、時延提取和坐標計算等功能。數(shù)字濾波器采用切比雪夫II帶通濾波器，雖然陷波器可以實現(xiàn)不同頻率超聲波信號的區(qū)分，但仍存有一定幅度的其它頻率超聲信號的干擾，因此采用數(shù)字濾波器來濾除剩余的超聲信號，本實用新型采用模擬的陷波器電路與數(shù)字濾波器相結(jié)合的方式，徹底濾除不需要的頻率的信號。處理器要滿足處理速度和功能要求，可以為DSP和ARM等芯片?？刂茊卧獌?nèi)的數(shù)字濾波器和計算顯示算法簡單有效，處理器能在較少的時鐘周期內(nèi)完成排號處理和坐標計算并送將坐標至IXD顯示單元。IXD顯示單元由IXD驅(qū)動芯片和IXD顯示屏組成，用于在三維空間中顯示目標移動軌跡。
[0024]根據(jù)本實用新型第一個方面描述的多目標是指跟蹤目標數(shù)大于等于2的情況，由于不同的超聲波信號發(fā)射器和紅外信號發(fā)射器發(fā)射的超聲和紅外信號是具有不同頻率的，任意兩目標發(fā)射的超聲信號的頻率間隔至少為15ΚΗζ，可以非等間隔分布；任意兩目標發(fā)射的紅外信號的頻率間隔至少為18ΚΗζ，可以非等間隔分布。
[0025]本實用新型具有以下的優(yōu)點:[0026]1、以紅外信號為時基信號，采用基于時延的TOA超聲跟蹤定位算法，依據(jù)接收處理單元之間的幾何位置關(guān)系進行位置計算，可以降低時延提取和位置坐標計算的復(fù)雜度，提聞系統(tǒng)定位精度和實時性等。
[0027]2、采用紅外頻分復(fù)用技術(shù)，可以快速可靠的識別多個目標，確定各個目標開始發(fā)射超聲信號的時刻。采用超聲頻分復(fù)用技術(shù)，可以簡單高效的分離目標超聲信號。兩者相結(jié)合，可以實現(xiàn)多目標間有效的區(qū)分。
[0028]3、在超聲信號接收組件中，應(yīng)用三個接收處理單元對目標進行位置跟蹤，可以減小多個接收處理單元同時接收處理超聲信號帶來的冗余信息，因此可以有效的提高運算速度。
[0029]4、超聲波信號接收傳感器采用麥克接收器來代替超聲信號接收傳感器器，由于麥克接收器覆蓋很寬的頻帶，可以減少傳感器的數(shù)量、大幅度簡化超聲信號處理電路，同時減低成本。
[0030]5、紅外信號接收組件中應(yīng)用紅外一體化接收頭對紅外信號進行接收處理，此紅外接收頭集接收、放大、濾波等功能于一體，代替紅外接收處理電路可以降低接收電路的復(fù)雜度，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力。
[0031]6、采用雙T型正反饋陷波器電路與切比雪夫II數(shù)字濾波器相結(jié)合的方式實現(xiàn)多種超聲信號的分離，可以彌補模擬陷波器陷波效果的不足，同時也可以減小單純應(yīng)用數(shù)字濾波器帶來的處理時延，提高處理速度。接收電路中采用自動增益控制電路，可以實現(xiàn)目標遠近位置定位的無縫切換，提高定位精度。
[0032]8、多目標識別問題由硬件電路實現(xiàn)，系統(tǒng)單次目標定位時間短，可以嵌入到便攜設(shè)備中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本實用新型系統(tǒng)的整體框圖；
[0034]圖1A是本實用新型系統(tǒng)的內(nèi)部框圖；
[0035]圖1B是本實用新型的超聲信號與紅外信號接收組件的組成框圖；
[0036]圖2A是本實用新型的超聲信號與紅外信號發(fā)射組件的原理框圖；
[0037]圖2B是本實用新型的超聲信號與紅外信號接收組件的原理框圖；
[0038]圖4是本實用新型的超聲信號與紅外信號發(fā)射器發(fā)射的具有不同頻率特性的發(fā)射時序圖；
[0039]圖5是本實用新型的多目標三維超聲跟蹤定位過程的流程圖；
[0040]圖6是本實用新型的基于TOA的超聲跟蹤定位算法原理不意圖；
[0041]圖7A是本實用新型提出的陷波器的工作原理圖；
[0042]圖7B是本實用新型提出的陷波器的電路圖；
[0043]圖8是應(yīng)用MATLAB設(shè)計的40KHz的帶通濾波器的仿真圖；
[0044]圖9是本實用新型提出的自動增益控制的電路圖。
【具體實施方式】
[0045]多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，包括:[0046]發(fā)射組件，包含多個超聲發(fā)射器和紅外發(fā)射器，用于周期的發(fā)射超聲信號和紅外信號，將他們分別安裝在多個目標上，超聲和紅外信號采用頻分復(fù)用的方式實現(xiàn)多個目標的區(qū)分；
[0047]接收組件，包含超聲接收組件和紅外接收組件，其中超聲接收組件包含三個超聲信號接收處理單元，用于接收和處理撰述的發(fā)射單元發(fā)射的超聲信號，紅外接收組件包含多個紅外接收處理單元，用于接收和處理所述的發(fā)射單元發(fā)射的紅外信號。三個超聲接收處理單元位于三角形的三個頂點，三角形的形狀和大小并沒有要求限制；多個紅外接收處理單元位于三角形內(nèi)部；
[0048]信號處理與顯示組件，包括控制單元和IXD顯示單元，用于自動增益使能、響應(yīng)紅外信號、采樣超聲信號、提取超聲時延、計算和顯示定位目標位置?？刂茊卧啥嗦稟/D采樣電路、存儲器、處理器及外圍電路組成。針對于芯片的選擇問題，A/D芯片應(yīng)選擇采樣速度快、采樣精度高和采樣通道多的芯片，采樣頻率要大于超聲信號的十倍以上，采樣精度要10位以上；主控芯片應(yīng)該選擇工作頻率在IOOMHz以上的DSP或ARM，單周期內(nèi)可以完成一次乘法或一次乘加最好?？刂茊卧獌?nèi)的數(shù)字濾波器和計算顯示算法簡單有效，處理器能在較短時鐘周期內(nèi)完成排號處理和坐標計算并送將坐標至IXD顯示單元。IXD顯示單元由IXD驅(qū)動芯片和IXD顯示屏組成。對于不同的需要，選擇適用的IXD顯示屏和驅(qū)動芯片，如可以簡單顯示目標的三維坐標，也可以在三維空間中顯示目標移動軌跡等。
[0049]本實用新型的一種實施方式是:接收組件中超聲接收單元與紅外接收單元位置的優(yōu)選方案是三個超聲接收單元分布在等邊三角形的頂點，紅外接收處理單元位于等邊三角形內(nèi)部。
[0050]本實用新型的一種實施方式是:超聲接收組件中三個超聲波接收處理單元均包含可以覆蓋多個頻率的麥克接收器和相同的超聲信號處理部分，超聲信號的處理包括低噪濾波電路、放大電路、陷波器濾波和自動增益控制電路；紅外接收組件中包含多種頻率的紅外接收頭和相同的外圍處理電路。
[0051]本實用新型的一種實施方式是:接收組件中的陷波器電路的特征在于采用正反饋的雙T型帶阻濾波器，根據(jù)RC諧振，可以濾除固定頻率的信號，實現(xiàn)多個目標超聲信號的分離；接收組件中的自動增益控制電路的特征在于采用基于AD603的放大電路與反饋回路相結(jié)合，處理器根據(jù)接收到超聲信號的幅度，給ADGl引腳高低電平信號，從而調(diào)節(jié)超聲信號放大倍數(shù)，實現(xiàn)目標遠近無縫切換。
[0052]本實用新型的一種實施方式是:信號處理與顯示組件中的數(shù)字濾波器，其特征在于采用模擬的陷波器電路與數(shù)字濾波器相結(jié)合的方式，可以徹底濾除不需要的頻率的信號。雖然陷波器可以實現(xiàn)不同頻率超聲波信號的區(qū)分，但仍存有一定幅度的其它頻率超聲信號的干擾，可借助MATLAB設(shè)計切比雪夫II型帶通濾波器，再將濾波器參數(shù)加載到相應(yīng)的處理器(ARM、DSP等)中，濾除剩余的超聲波信號。
[0053]本實用新型的一種實施方式是:多目標是指跟蹤目標數(shù)大于等于2的情況，由于不同的超聲波信號發(fā)射器和紅外信號發(fā)射器發(fā)射的超聲和紅外信號是具有不同頻率的，任意兩目標發(fā)射的超聲信號的頻率間隔要至少為15KHz，可以非等間隔分布，如可分別為25KHz、4IKHz、58KHz、73KHz等，任意兩目標發(fā)射的紅外信號的頻率間隔至少為18KHz，可以非等間隔分布，如可分別為20KHz、38KHz、58KHz、79KHz等。[0054]一種多目標三維超聲跟蹤定位方法，包括下列步驟:
[0055]I)將不同頻率的超聲信號發(fā)射器和紅外信號發(fā)射器相互匹配，安裝在不同目標上，用于周期的發(fā)射超聲和紅外信號，不同頻率的紅外信號作為相應(yīng)目標的時基信號。
[0056]2)各個超聲波信號接收處理單元中的麥克接收器用于接收上述的超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號，紅外接收處理單元中的紅外接收頭用于接收處理紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外信號。
[0057]3)在超聲波接收處理單元中，先利用低噪濾波和放大電路將接收到微弱的超聲信號低噪處理并放大，再經(jīng)過陷波器電路，對其進行陷波器濾波，不同頻率的超聲信號最終被送到不同的A/D通道中。
[0058]4)當接收到的目標超聲信號幅度衰減大于70%時，由處理器控制啟動自動增益控制電路，增加放大倍數(shù)，實現(xiàn)目標遠近的無縫切換。
[0059]5)控制單元定時檢測是否有新目標進入，當控制單元檢測到有目標發(fā)送的紅外信號到達后，根據(jù)紅外信號的頻率，開始對匹配目標頻率的超聲信號采樣。由于紅外光的速度近似為光速，故接收到紅外信號的時刻可以作為超聲信號開始發(fā)射的時刻。
[0060]6)控制單元對超聲信號采樣結(jié)束后，通過內(nèi)部的切比雪夫II型數(shù)字濾波器，濾除影響定位的其他目標頻率的超聲信號，最終獲得只包含待定位目標的超聲信號。
[0061]7)經(jīng)過數(shù)字濾波器之后，通過過零檢測方法，對超聲信號采樣后的數(shù)據(jù)分析處理，得到超聲信號到達的時間延遲，從而可以計算出目標到達各個麥克接收器的距離，最后利用三維空間中的幾何關(guān)系，得到目標位置。
[0062]8) IXD顯示與控制單元間傳輸目標三維空間位置坐標時，在XYZ各軸坐標前分別增加字符X、Y、Z，保證目標位置三維坐標傳輸?shù)膶崟r性和無誤性。
[0063]本實用新型的一種實施方式是:接收組件中的陷波器電路其特征在于采用正反饋的雙T型帶阻濾波器，根據(jù)RC諧振及正反饋原理，可以濾除諧振頻率點處的信號，實現(xiàn)了多個目標的分離；上述方法描述的自動增益控制電路，其特征在于可以根據(jù)接收到的信號的幅度調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)目標遠近無縫切換。
[0064]本實用新型的一種實施方式是:采用模擬的陷波器電路與數(shù)字濾波器相結(jié)合的方式，可以徹底濾除不需要的頻率的信號。雖然陷波器可以實現(xiàn)不同頻率超聲波信號的區(qū)分，但仍存有一定幅度的其它頻率超聲信號的干擾，可借助MATLAB設(shè)計切比雪夫II型帶通濾波器，再將濾波器參數(shù)加載到相應(yīng)的處理器(ARM、DSP等)中，濾除剩余的超聲波信號。
[0065]根據(jù)上述方法描述的多目標是指跟蹤目標數(shù)大于等于2的情況，由于不同的超聲波信號發(fā)射器和紅外信號發(fā)射器發(fā)射的超聲和紅外信號是具有不同頻率的，任意兩目標發(fā)射的超聲信號的頻率間隔要至少為15KHz，可以非等間隔分布，如可分別為2 5KHz、41 KHz、58KHz、73KHz等，任意兩目標發(fā)射的紅外信號的頻率間隔至少為18KHz，可以非等間隔分布，如可分別為 20KHz、38KHz、58KHz、79KHz 等。
[0066]下邊結(jié)合附圖及具體實例對本實用新型做進一步說明。
[0067]圖1示出了本實用新型提出的多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)100的整體框圖。該系統(tǒng)由發(fā)射組件101、超聲接收組件102、紅外接收組件103以及信號處理與IXD顯示104組成。進一步參考圖1A和圖1B，其中發(fā)射組件中包括多個超聲信號和紅外信號發(fā)射器101-1、101-2...、101-N，接收組件包括超聲信號接收組件102和紅外接收組件103組成，超聲接收組件102包括三個超聲信號接收單元102-1、102-2、102-3，紅外接收組件103包括多個紅外信號接收單元103-1、103-2...、103-N，各個超聲信號接收單元和紅外接收單元位于LCD屏104上。其中所述的三個超聲接收單元102-1、102-2、102-3與紅外接收單元103-1、103-2...、103-N呈一定規(guī)則的幾何分布，參考圖1B所示，其特征在于，三個接收器位于三角形的三個頂點，紅外接收單元103-l、103-2...、103-N位于三角形內(nèi)。在具體實施方案中，優(yōu)選的分布方案是三個超聲接收單元102-1、102-2、102-3位于IXD屏104上，處于等邊三角形的三個頂點，多個紅外接收單元103-1、103-2...、103-N位于等邊三角形內(nèi)。
[0068]圖2A示出了根據(jù)本實用新型的超聲信號與紅外信號發(fā)射的原理框圖。有N個發(fā)射子單元，每個發(fā)射子單元?ο?-k表示目標k周期的發(fā)射相應(yīng)頻率的超聲與紅外信號。在每個發(fā)射子單元中101-k，包括執(zhí)行核心操作的單片機、電源、振蕩器、超聲波信號與紅外信號傳感器的驅(qū)動電路及對應(yīng)的頻率為f的信號發(fā)射傳感器等。這些組件是本領(lǐng)域人員常用的組件，因此，這里不再贅述。
[0069]圖2B示出了根據(jù)本實用新型的超聲信號與紅外信號接收組件的原理框圖。根據(jù)本實用新型，紅外信號作為時基信號，當紅外接收器接收到紅外信號后，經(jīng)過分壓電路，送給信號處理部分的控制單元，啟動中斷，作為超聲信號開始發(fā)送的依據(jù)。當控制單元檢測到有目標發(fā)送的紅外信號到達后，根據(jù)紅外信號的頻率是哪個頻率，確定是哪個目標開始發(fā)射超聲信號；當超聲信號接收傳感器接收到超聲信號后，經(jīng)過低噪濾波電路，對信號進行低噪處理，然后送到放大電路中，將信號放大到處理器方便處理的幅度，再送到陷波器電路中，濾除不需要頻率的信號，當接收到目標的超聲信號幅度衰減大于70%時，啟動自動增益控制電路，將信號放大，最后送到信號處理部分實現(xiàn)A/D變換。
[0070]圖3示出了根據(jù)本實用新型超聲信號處理與顯示單元104的硬件結(jié)構(gòu)布局圖。根據(jù)本實用新型，當控制單元檢測到有目標發(fā)送的紅外信號到達后，根據(jù)紅外信號的頻率，確定發(fā)射超聲信號的目標，將不同頻率的超聲信號送到不同的A/D通道中。超聲信號經(jīng)過采樣后，送到數(shù)字濾波器進行濾波，實現(xiàn)不同目標的區(qū)分。除此之外還包括電源、存儲器、編程接口、控制接口、IXD`驅(qū)動電路和IXD三維顯示等等，由于這些組件是本領(lǐng)域人員已知的常用組件，因此，這里不再贅述。
[0071]圖4示出了根據(jù)本實用新型的超聲波信號與紅外信號發(fā)射器101發(fā)射的具有不同頻率特性的信號發(fā)射時序圖，設(shè)一個信號周期，在一個信號周期內(nèi)不同目標可以在同一時刻發(fā)射不同頻率的超聲和紅外信號，也可以在不同時刻發(fā)射相同頻率的超聲和紅外信號。其中所述的不同頻率，其特征在于:任意兩目標發(fā)射的超聲信號的頻率間隔要大于或等于15ΚΗζ，可分別為25ΚΗΖ、40ΚΗΖ、55ΚΗΖ、70ΚΗΖ等，任意兩目標發(fā)射的紅外信號的頻率間隔要大于或等于18ΚΗζ，可分別為20ΚΗζ、38ΚΗζ、56ΚΗζ、74ΚΗζ等，但可以根據(jù)實際的目標數(shù)，進行動態(tài)的調(diào)整。
[0072]圖5用于說明根據(jù)本實用新型的多目標三維超聲跟蹤定位過程的流程圖，步驟I將三個超聲接收單元102-1、102-2、102-3和多個紅外接收單元101-1、101-2...、101-Ν放置在IXD屏104上，三個接收單元102-1、102-2、102-3位于三角形的三個頂點，多個紅外接收單元101-1、101-2...、101-Ν位于三角形內(nèi)部。步驟2中，安裝在不同目標上的超聲和紅外發(fā)射器101周期的發(fā)射不同頻率的超聲和紅外信號。超聲信號的頻率間隔為15ΚΗζ，可分別為25ΚΗζ、40ΚΗζ、55ΚΗζ、70ΚΗζ等，紅外信號的頻率間隔為18ΚΗζ，可分別為20ΚΗζ、38ΚΗζ、56KHz、74KHz等，所述的信號周期，為24ms左右，但可以根據(jù)實際的目標數(shù)，進行動態(tài)的調(diào)整。步驟3中，由于紅外信號的傳播速度近似為光速，而超聲信號的速度近似為聲速，故紅外信號的傳播時間可以忽略，將紅外信號作為時基信號，作為超聲信號開始發(fā)射的基準。步驟4中，當控制單元檢測到有目標發(fā)送的紅外信號到達后，根據(jù)紅外信號的頻率，確定是哪個目標發(fā)射的超聲信號；對接收到的超聲信號進行處理，根據(jù)三個麥克接收器的幾何位置關(guān)系，控制單元將目標的三維坐標顯示到IXD屏104上。
[0073]圖6用于說明根據(jù)本實用新型的基于TOA的超聲跟蹤定位算法原理示意圖，在一個具體的實施方案中，將三個超聲接收單元Rl、R2、R3放在以2a為邊長的等邊三角形的三個頂點處,紅外接收單元HpH2'...、!^位于等邊三角形內(nèi)部。T(x，y，z)代表目標發(fā)射頻率為f的超聲信號和頻率為f’的紅外信號，如圖所示，假設(shè)紅外發(fā)射器發(fā)射紅外信號被H2紅外接收頭接收，當控制單元檢測f’頻率的紅外信號到達后，啟動三個定時器，當某個麥克接收器接收到超聲信號時，相應(yīng)的定時器定時結(jié)束，當三個接收器都接收到超聲信號后，此時每個定時器顯示的時間為頻率為f的超聲信號到各個麥克接收器的傳播時間tk，根據(jù)超聲波的傳播速度，可以計算出傳播的距離，根據(jù)三個麥克接收器的幾何位置關(guān)系可以計算出目標的位置。
[0074]目標位置的解算過程如下:
[0075]假設(shè)超聲信號在空氣中的傳播速度為C，三個超聲接收單元位于以2a為邊長的等邊三角形的三個頂點，其中c，a都是已知的，則可以計算出目標與三個超聲傳感器的距離。
[0076]Lk=ctk, k=l，2，3
[0077]其中，Lk(=l，2 ，3)表示目標發(fā)射器到第k個接收器之間頂點距離。故可得到:
【權(quán)利要求】
1.一種多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征包括: 發(fā)射組件，包含超聲發(fā)射器和紅外發(fā)射器，用于周期的發(fā)射超聲信號和紅外信號，將他們分別安裝在相應(yīng)目標上，超聲和紅外信號都采用頻分復(fù)用的方式實現(xiàn)所述目標的區(qū)分； 接收組件，包含超聲接收組件和紅外接收組件，其中超聲接收組件包含三個超聲信號接收處理單元，用于接收和處理所述的發(fā)射單元發(fā)射的超聲信號，紅外接收組件包含紅外接收處理單元，用于接收和處理所述的發(fā)射單元發(fā)射的紅外信號；三個超聲接收處理單元位于三角形的三個頂點，紅外接收處理單元位于三角形內(nèi)部，超聲接收處理單元與紅外接收處理單元一起協(xié)調(diào)完成三維空間的目標跟蹤定位； 信號處理與顯示組件，包括控制單元和IXD顯示單元，用于自動增益、響應(yīng)紅外信號、采樣超聲信號、提取超聲時延、計算和顯示定位目標位置；控制單元由多路A/D采樣電路、存儲器、處理器及外圍電路組成，完成自動增益、數(shù)字濾波、時延提取、坐標計算和傳送；IXD顯示單元由IXD驅(qū)動芯片和IXD顯示屏組成，用于顯示目標的運動軌跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于，接收組件中超聲接收單元與紅外接收單元位置是:三個超聲接收單元分布在等邊三角形的頂點，紅外接收處理單元位于等邊三角形內(nèi)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于:接收組件中三個超聲接收處理單元均包含覆蓋多個頻率的麥克接收器和相同的超聲信號處理單元，該超聲信號處理單元包括低噪濾波電路、放大電路、陷波器電路和自動增益控制電路；紅外接收處理單元包含多種頻率的紅外接收頭和相同的外圍處理電路，用以實現(xiàn)分壓功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于: 陷波器電路采用正反饋的雙T型帶阻濾波器，根據(jù)RC諧振，濾除固定頻率的信號，實現(xiàn)多個目標超聲信號的分離； 自動增益控制電路采用基于AD603的放大電路與反饋回路相結(jié)合，處理器根據(jù)接收到超聲信號的幅度，給控制引腳高低電平信號，從而調(diào)節(jié)超聲信號放大倍數(shù)，實現(xiàn)目標遠近無縫切換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多目標三維超聲跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于多目標是指跟蹤目標數(shù)大于等于2的情況，由于不同的超聲信號發(fā)射器和紅外信號發(fā)射器發(fā)射的超聲和紅外信號是具有不同頻率的，任意兩目標發(fā)射的超聲信號的頻率間隔至少為15KHz，非等間隔分布；任意兩目標發(fā)射的紅外信號的頻率間隔至少為18KHz，非等間隔分布。
【文檔編號】G01S5/18GK203551769SQ201320612723
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月4日
【發(fā)明者】孫曉穎, 封家鵬, 趙一航, 陳建, 田野, 燕學(xué)智, 韓新立, 宋淑婷 申請人:吉林大學(xué)