[发明专利]多目标三维超声跟踪定位系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多目标三维超声跟踪定位系统，具体涉及一种以红外信号为时基的超声传播时延TOA的多目标三维超声跟踪定位系统和方法。 

背景技术

近几年来，随着虚拟现实技术的兴起与发展，人们对人机交互产品的用户体验需求也越来越多。定位技术作为人机交互技术的基础，它的精确度、实时性和抗干扰性等技术指标也越来越受到重视。目前，国内外有着多种定位技术解决方案，如红外定位技术、电磁定位技术、视觉定位技术以及超声波定位技术等，实用化的产品有微软公司的Kinect、任天堂公司的Wii和Leap公司的Leap Motion等。 

红外定位技术是红外线IR标识发射调制的红外射线，经光学传感器接收进行定位，容易受到障碍物和光线的影响，同时在定位精度上也有一定的局限性。电磁定位技术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进行定位，其对电磁干扰和磁性金属非常敏感，需要修正，系统延迟大。视觉定位技术在产品中应用比较广泛，多采用多路摄像头（颜色摄像头、深度摄像头等）进行目标图像信息采集，经处理后得到目标信息，其对处理器的要求较高。 

超声定位技术是通过测量超声波从发射器（将发射器固定在待定位目标上）中发出到接收器接收所经历的到达时间（TOA）或是到达时间差（TDOA），从而计算出待定位目标所在的位置。超声定位技术作为一种非接触式的检测方式，在定位技术中有着广泛应用。与其他几种定位方法相比，超声定位有以下几方面的优势： 

（1）超声信号易于定向发射，方向性好，可以控制强度大小； 

（2）超声信号传播速度小，可以跟踪定位距离较近的目标，分辨率高； 

（3）超声对外界干扰（光照度、色彩等）不敏感，可以适应黑暗、有灰尘、烟雾、有毒、有电磁干扰的被测环境； 

（4）超声传感器结构简单、性价比高，易于小型化和集成化。 

目前，超声定位技术的定位方法主要可分为三种，基于定位信号的到达角度AOA(Angle Of Arrival)的定位方法、基于定位信号的到达时间TOA(Time Of Arrival)的定位方法和基于定位信号的到达时间差TDOA(Time Difference Of Arrival)的定位方法。 

AOA定位方法需要设计信号接收阵列，从而测出信号的相位差，算出波达方向，根据方向矢量的交点来实现定位，实现起来比较复杂。TDOA定位方法不需要同步信号，也具有较高的定位精度，但是需要求解非线性方程，计算复杂度相对较高，会影响定位系统的实时性，不利于在嵌入式系统中应用。TOA定位方法需要严格的同步信号，计算复杂度低，只需三个麦克接收器就可以进行定位。 

在需要同步信号的定位系统中，作为时间基准的同步信号多为红外信号和射频信号。射频信号具有可穿透障碍物、无方向性的优点，但是其硬件设备成本相对较高。红外信号在传播过程中，容易受到障碍物的影响，需要在一定角度内通信，但其成本低、硬件电路简单，可以用多个发射头解决方向性的问题。红外信号主要有时分复用、频分复用和码分复用三种通信方式。时分复用需要严格控制多路信号在发射时间和发射周期；码分复用可以通过编码的方式区别多路信号，但当多路信号发射时，会有间扰；频分复用对发射信号要求低，可以同时发射，通信协议简单。 

多种频率信号的分离，最常用的解决方案是滤波器。按通带频率区分，可分为低通、高通、带通和带阻；按滤波器形式区分，可分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器又可以分为切比雪夫型、巴特沃思型、椭圆型等，其优点在于可以快速的完成信号滤波，用电容、电阻和电感等简单器件就可以搭建，但低阶模拟滤波器的滤波效果较差，而高阶模拟滤波器较难实现。数字滤波器又可分为有限冲激响应滤波器和无限冲激响应滤波器，其优点在于可以借助MATLAB工具设计任意阶滤波器的参数，也可以对滤波特性仿真，但滤波时间会随着阶数的增加而增加。 

陷波器作为一种特殊的带阻滤波器，它是一种谐振电路或是一种自动开关的感应器，在天线工程中可以应用它根据信号的频率，自动缩短或延长天线的长度，用在电路上滤除不需要的频率的信号，它的谐振频率就是要滤除的频率。可以应用陷波器滤除其他目标信号，实现不同目标的分离。