CN104459624A - 一种基于时间调制的超声波室内定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时间调制的超声波室内定位方法，是在室内固定位置布置3个以上超声波发射终端，并进行编号，序号依次为1，2，3……n，n为发射终端数量，布置一个基准站，任意位置布置一个超声波接收终端；发射终端用于发射超声波信号，基准站用于校准发射终端和接收终端的时间信号，接收终端用于接收超声波信号。本发明所述利用超声波在室内环境下传输时间信息和发射终端ID的方法，包括一种基于直接序列扩频的超声波调制方法，以解决现有超声波室内定位技术手段中渡越时间估计不准，定位刷新率低，发射终端识别计算量大的问题。

Description

一种基于时间调制的超声波室内定位方法

技术领域

本发明属于室内定位领域，涉及到一种超声波调制技术，特别是一种适用于在室内空气介质中利用超声波进行多通道传输数据并进行目标识别、定位的方法。

背景技术

传统的超声定位方法采用非接触单向直接测距方法，收发分离设计，发射节点发射的超声波直接被接收节点接收，并借助红外、RF射频等无线通信方式同步时间信号，根据TOA(到达时间)或者TDOA(到达时间差)计算目标距离，解算三维坐标。此类方法通过建立通信机制，分时发送不同时间间隔的超声波来避免不同节点的同频超声信号引入多路径干扰。但此类***需要不断同步所有节点的时间基准，占用接收机***资源，实时动态响应差，且容易受干扰。

目前的超声定位在使用扩频技术之后，抗干扰性能大大提高，较好的解决了由多个超声换能器同时工作带来的多路径干扰问题，在采用FFT(快速傅里叶变换)包络相关快速时延估计算法后，测距精度有很大提高。但在解算过程中由于相关算法识别ID(身份标识号)，计算量较大，需要高速微处理芯片进行处理，实时性受到一定影响。

本发明针对以上定位技术动态响应速度低，计算量大等问题，提出了一种用于超声波室内定位的调制方法，引入直接序列扩频技术，利用超声波作为载波进行通信，令超声波***本身直接携带超声波发送时刻的时间信息进行通讯，无需等待时间同步信号完成即可朝目标节点发送信号，大大提高了整个定位***的响应时间和刷新率，并且对于抗多址干扰和抗多径干扰都有良好的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用超声波在室内环境下传输时间信息和发射终端ID的方法，包括一种基于直接序列扩频的超声波调制方法，以解决现有超声波室内定位技术手段中渡越时间估计不准，定位刷新率低，发射终端识别计算量大的问题。

本发明技术方案如下：

在室内固定位置布置3个以上超声波发射终端，并进行编号，序号依次为1，2，3……n(n为发射终端数量)，布置一个基准站，任意位置布置一个超声波接收终端；发射终端用于发射超声波信号，基准站用于校准发射终端和接收终端的时间信号，接收终端用于接收超声波信号；其主要步骤包括：

1)基准站以一定时间间隔T同时对所有超声波发射终端和接收终端进行校准，以保证发射终端和接收终端所拥有的时间基准在一定误差之内；

2)发射终端准备发射超声波，将发射时刻t1以及本终端的ID号n作为数据进行扩频调制；

其中t表示发射时刻的具体时间，n为编号1，2，3……；

3)发射终端通过超声波换能器发射超声波信号，此信号包含了2)中所述发射时间信息以及发射终端ID号；

4)超声波接收终端接收到任意一个发射终端的超声波信号，立刻记录本地接收时刻t2；

其中t2表示接收时刻的具体时间；

5)与此同时，该接收终端经过解扩和信息解调，恢复跟2)中所述一致的发射终端ID号n和该发射终端超声波发送时刻t1

6)接收终端根据5)中所述获得的发射终端号n确定该超声波信号的发射源位置；

7)接收终端根据5)中所获的超声波信号发射时刻t1以及4)中所记录接收时刻t2，根据公式

s＝v(t₁-t₂)           (1)

计算出该接收终端到n号发射终端的距离s。

(1)式中，s表示超声波接收终端到发射了该信号的发射终端n号的距离，v表示超声波传播速度，t2表示超声波接收时刻具体时间，t1表示超声波发射时刻具体时间；

8)接收终端在任意时刻只要接收到3个以上发射终端的有效信号，那即可进行定位解算。

进一步地，针对上述方案步骤2)，3)，4)，5)，本发明还包含一种调制技术，把超声波作为载波，提出一种利用超声波自身传输时间信息和终端ID的方法，同时引入直接序列扩频技术，主要包括以下步骤：

1)信号扩频过程。在发射终端使用伪随机码拓展信号频谱，把时间信息和终端ID号调制在伪随序列当中，原始数据d(t)与扩频码c(t)相乘得到扩频后的复合信号g(t)，该序列载有时间信息和发射终端ID号.

其中原始数据d(t)表示超声波发射时刻具体时间和终端ID号的编码，c(t)表示伪随机序列，g(t)表示扩频后的复合信号，三者都为二进制序列。

2)信息调制过程。使用复合信号g(t)调制载波信号fc，复合信号g(t)与频率为f_c的超声载波相乘，得到调制信号s(t)，通过发射终端发射超声波信号；

3)信号解扩过程。当发射端与接收端的PN码(伪随机码)波形完全一致时，即c(t)与c’(t)具有相同的周期，码元同步，并且相位重合时，由于PN序列良好的自相关特性，则有

c(t)·c′(t)＝1         (2)

c(t)表示发射端的伪随机序列，c’(t)表示接收端的伪随机序列。

当接收终端超声波换能器收到来自发射终端的超声波信号s’(t)，与本地产生的和发射端相同并且同步的PN伪随机码c’(t)相乘得到窄带信号r₁’(t)。

其中r₁’(t)表示滤波前的解扩信号。

4)窄带滤波过程。解扩信号r₁’(t)通过窄带带通滤波器，滤除非超声频带的噪声，获得窄带信号r₂’(t)。

其中r₂’(t)表示滤波后的解扩信号。

5)信息解调过程。对4)中所述窄带信号与2)中所述相对应的技术进行信息相关解调，恢复信息。采用与2)中所述频率相同的载波f_c’相乘，得到信号h₁’(t)；

其中h₁’(t)表示信息解调出来的信号。

6)滤波检波过程。信号h₁’(t)通过低通滤波器，获得基带信号h₂’(t)。

其中h₂’(t)表示信息解调出来之后经过滤波的信号。

7)恢复数据。基带信号h₂’(t)通过迟滞抽样判决，整形恢复出原始数据d’(t)，获得与1)中所述原始信息一致的超声波发送时刻的时间信息和发射终端ID号。

其中d’(t)表示最终恢复出来的原始数据，包括发射终端的发射时刻的时间信息和该终端ID号。

本发明的有益效果：

1本发明由于将终端发射超声波时刻作为数据之一传输到目标接收终端，发射终端可随时发送超声波，无须等待接收终端收到射频模块的时间同步信号，提高了***的动态响应速度，节约了接收终端处理器资源。

2、本发明由于将发射终端ID号作为数据之一传输到目标接收终端，接收终端只要解调恢复基带信息获得终端唯一ID号即可区分来自多个发射终端的超声波信号。

3、本发明引入扩频技术，采用本方法的***对于同频带的多址干扰效应以及超声波反射造成的多径干扰有显著的效果。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明发射端扩频调制模式框图；

图3为本发明接收端解扩解调模式框图；

图4为本发明发射端数据与接收端解调数据波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，优选的，本发明的具体定位流程如下：

1)以一定时间间隔T同时对所有超声波发射终端和接收终端进行校准，以保证发射终端和接收终端拥有相同的时间基准。

2)发射终端将发射时刻t1以及本终端的ID号n作为数据进行扩频调制；

其中t1表示发射时刻的具体时间，n为编号1，2，3……；

3)发射终端通过超声波换能器发射超声波信号；

4)超声波接收终端接收到任意一个发射终端的超声波信号，记录此接收信号的时刻为t2；

其中t2表示接收时刻的具体时间；

5)该接收终端经过解扩和信息解调，恢复跟2)中所述一致的发射终端ID号n和该发射终端超声波发送时刻t

6)接收终端根据5)中所述获得的发射终端号n确定该超声波信号的发射源位置；

7)接收终端根据5)中所获的超声波信号发射时刻t以及4)中所记录接收时刻T，根据公式(1)计算出该接收终端到n号发射终端的距离s。

(1)式中，s表示距离，v表示超声波传播速度，T表示超声波接收时刻具体时间，t表示超声波发射时刻具体时间，

8)接收终端在任意时刻只要接收到3个以上发射终端的有效信号，即可进行定位解算。

为了有更好的抗干扰效果，本发明在使用调试技术的同时，引入了直接序列扩频技术，优选地，针对上述步骤2、3、4、5，本发明的调制步骤如下：

请参见图2，其为本发明用于超声波室内定位的调制方法的扩频调制部分，包括101原始数据，102扩频调制，103PN伪随机序列，104信息调制，105频率为40kHz的载波，106超声波发射模块。

请参见图3，其为本发明用于超声波室内定位的调制方法的解扩解调部分，包括201超声波接收终端，202相关解扩，203本地PN伪随机序列(与103PN伪随机序列相同)，204带通滤波器，205信息解调,20640kHz载波，207低通滤波器，208抽样判决模块，209原始数据。

1)扩频调制过程102。优选的，原始数据101为超声波发送时刻的时间信息和发射终端ID号，扩频技术102采用直接序列扩频方式，调制采用抑制载波的二相平衡调制。PN伪随机序列103使用m序列。原始数据d(t)与扩频码m序列c(t)相乘得到扩频后的复合信号g(t)，该序列载有时间信息和发射终端ID号.

其中原始数据d(t)表示超声波发射时刻具体时间和终端ID号的编码，c(t)表示m序列，g(t)表示扩频后的复合信号，三者都为二进制序列。

2)信息调制过程104。使用复合信号g(t)调制105载波信号，优选的，采用BPSK(二进制相移键控调制)方式，105载波频率由超声波换能器的最大共振频率决定，优选的，采用型号为TCT-40超声波换能器，其最佳发射频率为40kHz，载波频率同样选择40kHz，复合信号g(t)与频率为40kHz的载波105相乘，得到调制信号s(t)，通过发射终端发射超声波信号；

3)信息解扩过程202。接收终端201的TCT-40超声波换能器收到来自发射终端101的超声波信号s’(t)，与本地产生的和发射端相同并且同步的PN伪随机码203c’(t)相乘，当发射端与接收端的PN码(伪随机码)波形完全一致时，即c(t)与c’(t)具有相同的周期，码元同步，并且相位重合时，由于PN序列良好的自相关特性，则得到信号r₁’(t)。

其中r₁’(t)表示滤波前的解扩信号。

4)窄带滤波过程204。解扩信号r₁’(t)通过窄带滤波器204，滤除非超声频带的噪声，获得窄带信号r₂’(t)。优选的，此滤波器使用巴特沃兹二阶带通滤波器；

其中r₂’(t)表示滤波后的解扩信号。

5)信息解调过程205。优选的，窄带信号r₂’(t)与采用相干解调方法，与2)中所述频率同为40kHz的载波206相乘，得到信号h₁’(t)；

其中h₁’(t)表示信息解调出来的信号。

6)滤波检波过程207。信号h₁’(t)通过截止频率为40kHz的低通滤波器，获得基带信号h₂’(t)，优选的，该滤波器使用巴特沃茨2阶低通滤波器。

其中h₂’(t)表示信息解调出来之后经过滤波的信号。

7)恢复数据209。信号h₂’(t)通过迟滞抽样判决208，整形恢复出原始数据d’(t)，获得与1)中所述原始信息101一致的超声波发送时刻的时间信息和发射终端ID号。

其中d’(t)表示最终恢复出来的原始数据，包括发射终端的发射时刻的时间信息和该终端ID号。

本发明利用超声波作为载波进行通信，令超声波***本身直接携带超声波发送时刻的时间信息进行通讯，无需等待时间同步信号完成即可朝目标节点发送信号，不仅大大提高了整个定位***的响应时间和刷新率，还节约了处理器***资源，并且对于抗多址干扰和抗多径干扰都有良好的效果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种基于时间调制的超声波室内定位方法，其特征在于：

(1)在室内固定位置布置3个以上超声波发射终端，并进行编号，序号依次为1，2，3……n，n为发射终端数量，布置一个基准站，任意位置布置一个超声波接收终端；发射终端用于发射超声波信号，基准站用于校准发射终端和接收终端的时间信号，接收终端用于接收超声波信号；

(2)所述定位方法步骤包括：

1)基准站以一定时间间隔T同时对所有超声波发射终端和接收终端进行校准，以保证发射终端和接收终端所拥有的时间基准在一定误差之内；

2)发射终端准备发射超声波，将发射时刻t1以及本终端的ID号n作为数据进行扩频调制；

其中t表示发射时刻的具体时间，n为编号1，2，3……；

3)发射终端通过超声波换能器发射超声波信号，此信号包含了2)中所述发射时间信息以及发射终端ID号；

4)超声波接收终端接收到任意一个发射终端的超声波信号，立刻记录本地接收时刻t2；其中t2表示接收时刻的具体时间；

5)与此同时，该接收终端经过解扩和信息解调，恢复跟2)中所述一致的发射终端ID号n和该发射终端超声波发送时刻t1

6)接收终端根据5)中所述获得的发射终端号n确定该超声波信号的发射源位置；

7)接收终端根据5)中所获的超声波信号发射时刻t1以及4)中所记录接收时刻t2，根据公式

s＝v(t₁-t₂)   (1)

计算出该接收终端到n号发射终端的距离s；

公式(1)中，s表示超声波接收终端到发射了该信号的发射终端n号的距离，v表示超声波传播速度，t2表示超声波接收时刻具体时间，t1表示超声波发射时刻具体时间；

8)接收终端在任意时刻只要接收到3个以上发射终端的有效信号，那即可进行定位解算。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间调制的超声波室内定位方法，其特征在于：上述步骤2)，3)，4)，5)，包含一种调制技术，把超声波作为载波，提出一种利用超声波自身传输时间信息和终端ID的方法，同时引入直接序列扩频技术，具体步骤如下：

A)信号扩频过程在发射终端使用伪随机码拓展信号频谱，把时间信息和终端ID号调制在伪随序列当中，原始数据d(t)与扩频码c(t)相乘得到扩频后的复合信号g(t)，该序列载有时间信息和发射终端ID号；

其中原始数据d(t)表示超声波发射时刻具体时间和终端ID号的编码，c(t)表示伪随机序列，g(t)表示扩频后的复合信号，三者都为二进制序列；

B)信息调制过程使用复合信号g(t)调制载波信号f_c，复合信号g(t)与频率为f_c的载波相乘，得到调制信号s(t)，通过发射终端发射超声波信号；

C)信号解扩过程当发射端与接收端的PN码(伪随机码)波形完全一致时，即c(t)与c’(t)具有相同的周期，码元同步，并且相位重合时，由于PN序列良好的自相关特性，则有

c(t)·c′(t)＝1   (2)

c(t)表示发射端的伪随机序列，c’(t)表示接收端的伪随机序列；

当接收终端超声波换能器收到来自发射终端的超声波信号s’(t)，与本地产生的和发射端相同并且同步的PN伪随机码c’(t)相乘得到窄带信号r₁’(t)；

其中r₁’(t)表示滤波前的解扩信号；

D)窄带滤波过程解扩信号r₁’(t)通过窄带带通滤波器，滤除非超声频带的噪声，获得窄带信号r₂’(t)；

其中r₂’(t)表示滤波后的解扩信号；

E)信息解调过程对D)中所述窄带信号与B)中所述相对应的技术进行信息相关解调，恢复信息；采用与B)中所述频率相同的载波f_c’相乘，得到信号h₁’(t)；

其中h₁’(t)表示信息解调出来的信号；

F)滤波检波过程信号h₁’(t)通过低通滤波器，获得基带信号h₂’(t)；

其中h₂’(t)表示信息解调出来之后经过滤波的信号；

G)恢复数据基带信号h₂’(t)通过迟滞抽样判决，整形恢复出原始数据d’(t)，获得与A)中所述原始信息一致的超声波发送时刻的时间信息和发射终端ID号；

其中d’(t)表示最终恢复出来的原始数据，包括发射终端的发射时刻的时间信息和该终端ID号。