一種基于時間調(diào)制的超聲波室內(nèi)定位方法
【專利摘要】一種基于時間調(diào)制的超聲波室內(nèi)定位方法，是在室內(nèi)固定位置布置3個以上超聲波發(fā)射終端，并進(jìn)行編號，序號依次為1，2，3……n，n為發(fā)射終端數(shù)量，布置一個基準(zhǔn)站，任意位置布置一個超聲波接收終端；發(fā)射終端用于發(fā)射超聲波信號，基準(zhǔn)站用于校準(zhǔn)發(fā)射終端和接收終端的時間信號，接收終端用于接收超聲波信號。本發(fā)明所述利用超聲波在室內(nèi)環(huán)境下傳輸時間信息和發(fā)射終端ID的方法，包括一種基于直接序列擴(kuò)頻的超聲波調(diào)制方法，以解決現(xiàn)有超聲波室內(nèi)定位技術(shù)手段中渡越時間估計不準(zhǔn)，定位刷新率低，發(fā)射終端識別計算量大的問題。
【專利說明】一種基于時間調(diào)制的超聲波室內(nèi)定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于室內(nèi)定位領(lǐng)域，涉及到一種超聲波調(diào)制技術(shù)，特別是一種適用于在室內(nèi)空氣介質(zhì)中利用超聲波進(jìn)行多通道傳輸數(shù)據(jù)并進(jìn)行目標(biāo)識別、定位的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的超聲定位方法采用非接觸單向直接測距方法，收發(fā)分離設(shè)計，發(fā)射節(jié)點發(fā)射的超聲波直接被接收節(jié)點接收，并借助紅外、RF射頻等無線通信方式同步時間信號，根據(jù)TOA(到達(dá)時間)或者TDOA(到達(dá)時間差)計算目標(biāo)距離，解算三維坐標(biāo)。此類方法通過建立通信機(jī)制，分時發(fā)送不同時間間隔的超聲波來避免不同節(jié)點的同頻超聲信號引入多路徑干擾。但此類系統(tǒng)需要不斷同步所有節(jié)點的時間基準(zhǔn)，占用接收機(jī)系統(tǒng)資源，實時動態(tài)響應(yīng)差，且容易受干擾。
[0003]目前的超聲定位在使用擴(kuò)頻技術(shù)之后，抗干擾性能大大提高，較好的解決了由多個超聲換能器同時工作帶來的多路徑干擾問題，在采用FFT (快速傅里葉變換)包絡(luò)相關(guān)快速時延估計算法后，測距精度有很大提高。但在解算過程中由于相關(guān)算法識別ID(身份標(biāo)識號)，計算量較大，需要高速微處理芯片進(jìn)行處理，實時性受到一定影響。
[0004]本發(fā)明針對以上定位技術(shù)動態(tài)響應(yīng)速度低，計算量大等問題，提出了一種用于超聲波室內(nèi)定位的調(diào)制方法，引入直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，利用超聲波作為載波進(jìn)行通信，令超聲波系統(tǒng)本身直接攜帶超聲波發(fā)送時刻的時間信息進(jìn)行通訊，無需等待時間同步信號完成即可朝目標(biāo)節(jié)點發(fā)送信號，大大提高了整個定位系統(tǒng)的響應(yīng)時間和刷新率，并且對于抗多址干擾和抗多徑干擾都有良好的效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種利用超聲波在室內(nèi)環(huán)境下傳輸時間信息和發(fā)射終端ID的方法，包括一種基于直接序列擴(kuò)頻的超聲波調(diào)制方法，以解決現(xiàn)有超聲波室內(nèi)定位技術(shù)手段中渡越時間估計不準(zhǔn)，定位刷新率低，發(fā)射終端識別計算量大的問題。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0007]在室內(nèi)固定位置布置3個以上超聲波發(fā)射終端，并進(jìn)行編號，序號依次為1，2，3……η (η為發(fā)射終端數(shù)量)，布置一個基準(zhǔn)站，任意位置布置一個超聲波接收終端；發(fā)射終端用于發(fā)射超聲波信號，基準(zhǔn)站用于校準(zhǔn)發(fā)射終端和接收終端的時間信號，接收終端用于接收超聲波信號；其主要步驟包括:
[0008]I)基準(zhǔn)站以一定時間間隔T同時對所有超聲波發(fā)射終端和接收終端進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證發(fā)射終端和接收終端所擁有的時間基準(zhǔn)在一定誤差之內(nèi)；
[0009]2)發(fā)射終端準(zhǔn)備發(fā)射超聲波，將發(fā)射時刻tl以及本終端的ID號η作為數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制；
[0010]其中t表示發(fā)射時刻的具體時間，η為編號1，2，3……；
[0011]3)發(fā)射終端通過超聲波換能器發(fā)射超聲波信號，此信號包含了 2)中所述發(fā)射時間信息以及發(fā)射終端ID號；
[0012]4)超聲波接收終端接收到任意一個發(fā)射終端的超聲波信號，立刻記錄本地接收時刻t2 ；
[0013]其中t2表示接收時刻的具體時間；
[0014]5)與此同時，該接收終端經(jīng)過解擴(kuò)和信息解調(diào)，恢復(fù)跟2)中所述一致的發(fā)射終端ID號η和該發(fā)射終端超聲波發(fā)送時刻tl
[0015]6)接收終端根據(jù)5)中所述獲得的發(fā)射終端號η確定該超聲波信號的發(fā)射源位置；
[0016]7)接收終端根據(jù)5)中所獲的超聲波信號發(fā)射時刻tl以及4)中所記錄接收時刻t2，根據(jù)公式
[0017]S = VUft2)(I)
[0018]計算出該接收終端到η號發(fā)射終端的距離S。
[0019](I)式中，s表示超聲波接收終端到發(fā)射了該信號的發(fā)射終端η號的距離，V表示超聲波傳播速度，t2表示超聲波接收時刻具體時間，tl表示超聲波發(fā)射時刻具體時間；
[0020]8)接收終端在任意時刻只要接收到3個以上發(fā)射終端的有效信號，那即可進(jìn)行定位解算。
[0021]進(jìn)一步地，針對上述方案步驟2)，3)，4)，5)，本發(fā)明還包含一種調(diào)制技術(shù)，把超聲波作為載波，提出一種利用超聲波自身傳輸時間信息和終端ID的方法，同時引入直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，主要包括以下步驟:
[0022]I)信號擴(kuò)頻過程。在發(fā)射終端使用偽隨機(jī)碼拓展信號頻譜，把時間信息和終端ID號調(diào)制在偽隨序列當(dāng)中，原始數(shù)據(jù)d(t)與擴(kuò)頻碼c(t)相乘得到擴(kuò)頻后的復(fù)合信號g(t)，該序列載有時間信息和發(fā)射終端ID號.
[0023]其中原始數(shù)據(jù)d(t)表示超聲波發(fā)射時刻具體時間和終端ID號的編碼，c(t)表示偽隨機(jī)序列，g(t)表示擴(kuò)頻后的復(fù)合信號，三者都為二進(jìn)制序列。
[0024]2)信息調(diào)制過程。使用復(fù)合信號g(t)調(diào)制載波信號fc，復(fù)合信號g(t)與頻率為f。的超聲載波相乘，得到調(diào)制信號s (t)，通過發(fā)射終端發(fā)射超聲波信號；
[0025]3)信號解擴(kuò)過程。當(dāng)發(fā)射端與接收端的PN碼(偽隨機(jī)碼)波形完全一致時，即c(t)與c’ (t)具有相同的周期，碼元同步，并且相位重合時，由于PN序列良好的自相關(guān)特性，則有
[0026]c(t).c, (t) = I(2)
[0027]c(t)表示發(fā)射端的偽隨機(jī)序列，c’ (t)表示接收端的偽隨機(jī)序列。
[0028]當(dāng)接收終端超聲波換能器收到來自發(fā)射終端的超聲波信號S，(t)，與本地產(chǎn)生的和發(fā)射端相同并且同步的PN偽隨機(jī)碼c’⑴相乘得到窄帶信號r/ (t)o
[0029]其中r/⑴表示濾波前的解擴(kuò)信號。
[0030]4)窄帶濾波過程。解擴(kuò)信號r/ (t)通過窄帶帶通濾波器，濾除非超聲頻帶的噪聲，獲得窄帶信號r2’ (t)o
[0031]其中r2’ (t)表示濾波后的解擴(kuò)信號。
[0032]5)信息解調(diào)過程。對4)中所述窄帶信號與2)中所述相對應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行信息相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)信息。采用與2)中所述頻率相同的載波f?！喑?，得到信號h/⑴；
[0033]其中h/ (t)表示信息解調(diào)出來的信號。
[0034]6)濾波檢波過程。信號h/⑴通過低通濾波器，獲得基帶信號h2’ (t)o
[0035]其中h2’ (t)表示信息解調(diào)出來之后經(jīng)過濾波的信號。
[0036]7)恢復(fù)數(shù)據(jù)?；鶐盘杊2’ (t)通過遲滯抽樣判決，整形恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)d’ (t)，獲得與I)中所述原始信息一致的超聲波發(fā)送時刻的時間信息和發(fā)射終端ID號。
[0037]其中d’ (t)表示最終恢復(fù)出來的原始數(shù)據(jù)，包括發(fā)射終端的發(fā)射時刻的時間信息和該終端ID號。
[0038]本發(fā)明的有益效果:
[0039]I本發(fā)明由于將終端發(fā)射超聲波時刻作為數(shù)據(jù)之一傳輸?shù)侥繕?biāo)接收終端，發(fā)射終端可隨時發(fā)送超聲波，無須等待接收終端收到射頻模塊的時間同步信號，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，節(jié)約了接收終端處理器資源。
[0040]2、本發(fā)明由于將發(fā)射終端ID號作為數(shù)據(jù)之一傳輸?shù)侥繕?biāo)接收終端，接收終端只要解調(diào)恢復(fù)基帶信息獲得終端唯一 ID號即可區(qū)分來自多個發(fā)射終端的超聲波信號。
[0041]3、本發(fā)明引入擴(kuò)頻技術(shù)，采用本方法的系統(tǒng)對于同頻帶的多址干擾效應(yīng)以及超聲波反射造成的多徑干擾有顯著的效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1為本發(fā)明流程示意圖；
[0043]圖2為本發(fā)明發(fā)射端擴(kuò)頻調(diào)制模式框圖；
[0044]圖3為本發(fā)明接收端解擴(kuò)解調(diào)模式框圖；
[0045]圖4為本發(fā)明發(fā)射端數(shù)據(jù)與接收端解調(diào)數(shù)據(jù)波形對比圖。

【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0047]如圖1所示，優(yōu)選的，本發(fā)明的具體定位流程如下:
[0048]I)以一定時間間隔T同時對所有超聲波發(fā)射終端和接收終端進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證發(fā)射終端和接收終端擁有相同的時間基準(zhǔn)。
[0049]2)發(fā)射終端將發(fā)射時刻tl以及本終端的ID號η作為數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制；
[0050]其中tl表不發(fā)射時刻的具體時間，η為編號1，2，3......;
[0051]3)發(fā)射終端通過超聲波換能器發(fā)射超聲波信號；
[0052]4)超聲波接收終端接收到任意一個發(fā)射終端的超聲波信號，記錄此接收信號的時刻為t2 ；
[0053]其中t2表示接收時刻的具體時間；
[0054]5)該接收終端經(jīng)過解擴(kuò)和信息解調(diào)，恢復(fù)跟2)中所述一致的發(fā)射終端ID號η和該發(fā)射終端超聲波發(fā)送時刻t
[0055]6)接收終端根據(jù)5)中所述獲得的發(fā)射終端號η確定該超聲波信號的發(fā)射源位置；
[0056]7)接收終端根據(jù)5)中所獲的超聲波信號發(fā)射時刻t以及4)中所記錄接收時刻T，根據(jù)公式(I)計算出該接收終端到η號發(fā)射終端的距離S。
[0057](I)式中，s表示距離，V表示超聲波傳播速度，T表示超聲波接收時刻具體時間，t表示超聲波發(fā)射時刻具體時間，
[0058]8)接收終端在任意時刻只要接收到3個以上發(fā)射終端的有效信號，即可進(jìn)行定位解算。
[0059]為了有更好的抗干擾效果，本發(fā)明在使用調(diào)試技術(shù)的同時，引入了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，優(yōu)選地，針對上述步驟2、3、4、5，本發(fā)明的調(diào)制步驟如下:
[0060]請參見圖2，其為本發(fā)明用于超聲波室內(nèi)定位的調(diào)制方法的擴(kuò)頻調(diào)制部分，包括101原始數(shù)據(jù)，102擴(kuò)頻調(diào)制，103PN偽隨機(jī)序列，104信息調(diào)制，105頻率為40kHz的載波，106超聲波發(fā)射模塊。
[0061]請參見圖3，其為本發(fā)明用于超聲波室內(nèi)定位的調(diào)制方法的解擴(kuò)解調(diào)部分，包括201超聲波接收終端，202相關(guān)解擴(kuò)，203本地PN偽隨機(jī)序列(與103PN偽隨機(jī)序列相同)，204帶通濾波器，205信息解調(diào)，20640kHz載波，207低通濾波器，208抽樣判決模塊，209原始數(shù)據(jù)。
[0062]I)擴(kuò)頻調(diào)制過程102。優(yōu)選的，原始數(shù)據(jù)101為超聲波發(fā)送時刻的時間信息和發(fā)射終端ID號，擴(kuò)頻技術(shù)102采用直接序列擴(kuò)頻方式，調(diào)制采用抑制載波的二相平衡調(diào)制。PN偽隨機(jī)序列103使用m序列。原始數(shù)據(jù)d(t)與擴(kuò)頻碼m序列c(t)相乘得到擴(kuò)頻后的復(fù)合信號g(t)，該序列載有時間信息和發(fā)射終端ID號.
[0063]其中原始數(shù)據(jù)d(t)表示超聲波發(fā)射時刻具體時間和終端ID號的編碼，c(t)表示m序列，g(t)表示擴(kuò)頻后的復(fù)合信號，三者都為二進(jìn)制序列。
[0064]2)信息調(diào)制過程104。使用復(fù)合信號g(t)調(diào)制105載波信號，優(yōu)選的，采用BPSK( 二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制)方式，105載波頻率由超聲波換能器的最大共振頻率決定，優(yōu)選的，采用型號為TCT-40超聲波換能器，其最佳發(fā)射頻率為40kHz，載波頻率同樣選擇40kHz，復(fù)合信號g(t)與頻率為40kHz的載波105相乘，得到調(diào)制信號s (t)，通過發(fā)射終端發(fā)射超聲波信號；
[0065]3)信息解擴(kuò)過程202。接收終端201的TCT-40超聲波換能器收到來自發(fā)射終端101的超聲波信號s’(t)，與本地產(chǎn)生的和發(fā)射端相同并且同步的PN偽隨機(jī)碼203c’ (t)相乘，當(dāng)發(fā)射端與接收端的PN碼(偽隨機(jī)碼)波形完全一致時，即c (t)與c’(t)具有相同的周期，碼元同步，并且相位重合時，由于PN序列良好的自相關(guān)特性，則得到信號r/⑴。
[0066]其中r/⑴表示濾波前的解擴(kuò)信號。
[0067]4)窄帶濾波過程204。解擴(kuò)信號r/ (t)通過窄帶濾波器204，濾除非超聲頻帶的噪聲，獲得窄帶信號r2’ (t)o優(yōu)選的，此濾波器使用巴特沃茲二階帶通濾波器；
[0068]其中r2’ (t)表示濾波后的解擴(kuò)信號。
[0069]5)信息解調(diào)過程205。優(yōu)選的，窄帶信號r2’(t)與采用相干解調(diào)方法，與2)中所述頻率同為40kHz的載波206相乘，得到信號h/⑴；
[0070]其中h/⑴表示信息解調(diào)出來的信號。
[0071]6)濾波檢波過程207。信號h/ (t)通過截止頻率為40kHz的低通濾波器，獲得基帶信號h2’ (t)，優(yōu)選的，該濾波器使用巴特沃茨2階低通濾波器。
[0072]其中h2’ (t)表示信息解調(diào)出來之后經(jīng)過濾波的信號。
[0073]7)恢復(fù)數(shù)據(jù)209。信號h2’ (t)通過遲滯抽樣判決208，整形恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)d’ (t)，獲得與I)中所述原始信息101 —致的超聲波發(fā)送時刻的時間信息和發(fā)射終端ID號。
[0074]其中d’ (t)表示最終恢復(fù)出來的原始數(shù)據(jù)，包括發(fā)射終端的發(fā)射時刻的時間信息和該終端ID號。
[0075]本發(fā)明利用超聲波作為載波進(jìn)行通信，令超聲波系統(tǒng)本身直接攜帶超聲波發(fā)送時刻的時間信息進(jìn)行通訊，無需等待時間同步信號完成即可朝目標(biāo)節(jié)點發(fā)送信號，不僅大大提高了整個定位系統(tǒng)的響應(yīng)時間和刷新率，還節(jié)約了處理器系統(tǒng)資源，并且對于抗多址干擾和抗多徑干擾都有良好的效果。
[0076]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于時間調(diào)制的超聲波室內(nèi)定位方法，其特征在于: (1)在室內(nèi)固定位置布置3個以上超聲波發(fā)射終端，并進(jìn)行編號，序號依次為1，2，3……n，n為發(fā)射終端數(shù)量，布置一個基準(zhǔn)站，任意位置布置一個超聲波接收終端；發(fā)射終端用于發(fā)射超聲波信號，基準(zhǔn)站用于校準(zhǔn)發(fā)射終端和接收終端的時間信號，接收終端用于接收超聲波信號； (2)所述定位方法步驟包括: 1)基準(zhǔn)站以一定時間間隔T同時對所有超聲波發(fā)射終端和接收終端進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證發(fā)射終端和接收終端所擁有的時間基準(zhǔn)在一定誤差之內(nèi)； 2)發(fā)射終端準(zhǔn)備發(fā)射超聲波，將發(fā)射時刻tl以及本終端的ID號η作為數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制； 其中t表不發(fā)射時刻的具體時間，η為編號1，2，3......; 3)發(fā)射終端通過超聲波換能器發(fā)射超聲波信號，此信號包含了2)中所述發(fā)射時間信息以及發(fā)射終端ID號； 4)超聲波接收終端接收到任意一個發(fā)射終端的超聲波信號，立刻記錄本地接收時刻t2 ;其中t2表示接收時刻的具體時間； 5)與此同時，該接收終端經(jīng)過解擴(kuò)和信息解調(diào)，恢復(fù)跟2)中所述一致的發(fā)射終端ID號η和該發(fā)射終端超聲波發(fā)送時刻tl 6)接收終端根據(jù)5)中所述獲得的發(fā)射終端號η確定該超聲波信號的發(fā)射源位置； 7)接收終端根據(jù)5)中所獲的超聲波信號發(fā)射時刻tl以及4)中所記錄接收時刻t2，根據(jù)公式
s = v(t1-t2) (I) 計算出該接收終端到η號發(fā)射終端的距離s ; 公式(I)中，s表示超聲波接收終端到發(fā)射了該信號的發(fā)射終端η號的距離，V表示超聲波傳播速度，t2表示超聲波接收時刻具體時間，tl表示超聲波發(fā)射時刻具體時間； 8)接收終端在任意時刻只要接收到3個以上發(fā)射終端的有效信號，那即可進(jìn)行定位解笪并ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時間調(diào)制的超聲波室內(nèi)定位方法，其特征在于:上述步驟2)，3)，4)，5)，包含一種調(diào)制技術(shù)，把超聲波作為載波，提出一種利用超聲波自身傳輸時間信息和終端ID的方法，同時引入直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，具體步驟如下: A)信號擴(kuò)頻過程在發(fā)射終端使用偽隨機(jī)碼拓展信號頻譜，把時間信息和終端ID號調(diào)制在偽隨序列當(dāng)中，原始數(shù)據(jù)d(t)與擴(kuò)頻碼c(t)相乘得到擴(kuò)頻后的復(fù)合信號g(t)，該序列載有時間信息和發(fā)射終端ID號； 其中原始數(shù)據(jù)d(t)表示超聲波發(fā)射時刻具體時間和終端ID號的編碼，c(t)表示偽隨機(jī)序列，g(t)表示擴(kuò)頻后的復(fù)合信號，三者都為二進(jìn)制序列； B)信息調(diào)制過程使用復(fù)合信號g(t)調(diào)制載波信號f。，復(fù)合信號g(t)與頻率為f。的載波相乘，得到調(diào)制信號s (t)，通過發(fā)射終端發(fā)射超聲波信號； C)信號解擴(kuò)過程當(dāng)發(fā)射端與接收端的PN碼(偽隨機(jī)碼)波形完全一致時，即c(t)與c’ (t)具有相同的周期，碼元同步，并且相位重合時，由于PN序列良好的自相關(guān)特性，則有
c(t).c' (t) = I (2) c(t)表示發(fā)射端的偽隨機(jī)序列，c’ (t)表示接收端的偽隨機(jī)序列； 當(dāng)接收終端超聲波換能器收到來自發(fā)射終端的超聲波信號S，(t)，與本地產(chǎn)生的和發(fā)射端相同并且同步的PN偽隨機(jī)碼C’⑴相乘得到窄帶信號r/⑴； 其中r/ (t)表示濾波前的解擴(kuò)信號； D)窄帶濾波過程解擴(kuò)信號r/(t)通過窄帶帶通濾波器，濾除非超聲頻帶的噪聲，獲得窄帶信號r2’ (t); 其中r2’ (t)表示濾波后的解擴(kuò)信號； E)信息解調(diào)過程對D)中所述窄帶信號與B)中所述相對應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行信息相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)信息；采用與B)中所述頻率相同的載波f?！喑?，得到信號h/⑴； 其中h/ (t)表示信息解調(diào)出來的信號； F)濾波檢波過程信號h/⑴通過低通濾波器，獲得基帶信號h2’(t); 其中h2’ (t)表示信息解調(diào)出來之后經(jīng)過濾波的信號； G)恢復(fù)數(shù)據(jù)基帶信號h2’(t)通過遲滯抽樣判決，整形恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)d’(t)，獲得與A)中所述原始信息一致的超聲波發(fā)送時刻的時間信息和發(fā)射終端ID號； 其中d’ (t)表示最終恢復(fù)出來的原始數(shù)據(jù)，包括發(fā)射終端的發(fā)射時刻的時間信息和該終端ID號。
【文檔編號】G01S5/22GK104459624SQ201410640891
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】熊劍, 林舟杰, 楊祖華, 郭杭, 周先贊, 馬號, 王吉旭, 楊歡, 徐江穎 申請人:南昌大學(xué)