[实用新型]大范围多目标超声跟踪定位系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于超声波的室内目标跟踪和定位系统，具体涉及一种基于超声波传播时延差TDOA的大范围多目标超声跟踪定位系统和方法。

背景技术

近年来，随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品的位置信息。但受定位时间、定位精度、定位范围以及定位目标数等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好的在室内应用。因此专家学者们提出了许多用于室内跟踪定位的技术，常见的有红外定位技术、惯性定位技术、电磁定位技术以及超声波定位技术。

红外线室内定位技术是红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但由于其传输距离较短且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，使得其室内定位的效果较差。

惯性室内定位技术是利用3个惯性传感器感知物体沿三个正交坐标轴方向的运动速度，然后通过积分运算得到物体的位置参数。它的优点是不需要外部测量设备，属于被动自主式测量，测量范围不受限制。但其缺点也是比较明显的，即存在时间漂移问题，这会造成测量误差的累计。

电磁定位技术是目前应用最广泛的室内跟踪定位技术，它的基本原理是通过建立一个特定的磁场区域，然后利用磁场感应器来获取磁场信息，根据所得信息来计算感应器所在位置的坐标系与参考坐标系之间的关系参数。它的优点是造价低、体积小、重量轻。缺点是对电磁干扰和磁性金属非常敏感，需要修正，系统延迟大。

超声波室内定位技术是通过测量超声波从发射器发出到超声波接收器接收所经历的渡越时间TOA或渡越时间差TDOA来计算发射器所在的位置。声源与目标之间的距离与声波在声源与目标之间传播所需要的时间成正比，测量出渡越时间或渡越时间差就可以计算出声源与目标之间的距离，根据多个不同位置的超声波接收器对同一个超声波发射器进行测距，通过计算可确定这个超声波发射器在三维空间的位置。

超声波定位技术作为一种非接触的检测方式，与上述其他三种方法相比，有以下几方面的优势：

(1)超声波传播速度低，可以直接跟踪距离较近的目标，纵向分辨率高；

(2)超声波对色彩、光照度不敏感，对于被测环境处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣环境下有一定的适应能力；

(3)易于定向发射，方向性好，强度也容易控制；

(4)超声波传感器结构简单、体积小、性价比高、信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

此外，采用基于TDOA的定位方式，由于不需要同步信号，还具有定位精度高的优点，但它需要求解非线性方程，计算复杂度相对较高，不利于在实时性要求较高的嵌入式系统中应用。在2004年12月澳大利亚悉尼的全球卫星导航系统国际研讨会(The 2004 International Symposium on GNSS/GPS)的会议记录中提出了两种基于TDOA方式的解算方法，即CHAN解算方法和Taylor级数展开算法，CHAN解算方法是对非线性方程进行部分线性化处理的方法，要求解三维位置信息仍需解算一个非线性方程；Taylor级数展开算法是根据Taylor中值定理进行展开，在最小均方的意义上是最优的，但是它需要一个与真实位置接近的初始值进行迭代，且如果定位精度要求较高，则泰勒展开式需要展开成多阶导数，进行多次迭代，计算量很大，难以在嵌入式系统中应用，收敛性也不是很好。

如今，超声跟踪定位技术已广泛应用于机器人定位与导航等领域。并正在向尖端武器、飞行器的研制开发、战场虚拟训练、民用产品的样机设计、制造与装配以及教育培训、科学研究和娱乐等高新领域延伸。然而，在超声波定位系统中，由于测量精度取决于时延或时延差提取的精度，采样率取决于目标数量和工作范围，目前现有的超声跟踪定位系统仍普遍存在如下缺陷：(1)定位精度差；(2)定位范围小；(3)实时性差；(4)难以支持多目标跟踪；(5)网络协议复杂。而高新技术的迅猛发展又对定位精度、等待时间、定位目标数、工作范围以及环境适应性等方面的要求越来越高，因此，设计大范围多目标的超声跟踪定位系统，研究大范围多目标的超声跟踪定位技术必将带来巨大的经济效益和社会效益。

下面描述几种当前现有技术的超声波室内定位系统。