一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统，同时也公开了该超声波定位系统在隧道内实现移动物体高精度定位的方法。该定位系统在隧道的两侧壁上或隧道顶上，每隔预定长度安装至少2个超声波发射器；在预定长度的各区段中，安装于移动物体上的超声波定位接收器接收所在区段的至少4个超声波发射器发射的定位信号，通过计算进行定位。本发明专利技术解决了隧道内移动物体的高精度定位问题，可应用于自动驾驶、隧道抢险等场景，具有实现成本低、定位精度高等优点。

A high precision positioning system and method of moving objects in tunnel based on Ultrasonic

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统及方法
本专利技术涉及一种超声波定位系统，尤其涉及一种基于超声波的隧道内移动物体(包括行驶中的车辆、行人等)高精度定位系统，同时也涉及该超声波定位系统实现隧道内移动物体高精度定位的方法，属于超声波定位

技术介绍
隧道一般具有空间封闭、环境恶劣等特点，一旦发生安全事故，隧道外部的救援人员很难通过传统的通信方式实现对隧道内被困人员的精确定位和救援。因此，为了保障隧道中行驶车辆的安全，实时掌握隧道内部行驶车辆的位置等信息显得尤为重要。另一方面，如果要实现隧道内的自动驾驶，要求行驶车辆的定位精度在横向和纵向上都控制在1米以内。目前，对于隧道内行驶车辆的高精度定位需求，研究者先后提出了如下一些技术方案：1.基于超宽带(UWB)的隧道内定位方案该技术方案中，采用对称双向双边测距算法以有效抑制移动标签和定位基站之间由于晶振漂移导致的测距误差，同时在基于到达时间的定位方法上采用粒子群算法提高定位精度。该技术方案具有功耗低、实现简单、定位精度高的特点。但是，该技术方案基于超宽带技术实现，实施成本比较高，而且也不能满足行驶车辆的定位精度要求。2.基于卫星导航信号增强的隧道内定位方案该技术方案中，利用隧道导航信号复现设备同步复现隧道外空旷位置的卫星导航信号。隧道内行驶车辆所安装的车载终端接收该卫星导航信号，可实现定位解算，定位结果95％散落在该隧道导航信号复现设备的发射天线已知位置的10米范围内。由此可见，该隧道内定位系统的定位精度比较差，难以满足隧道内自动驾驶所需的横向和纵向均为1米以内的定位精度要求。3.基于LTE信号的隧道内定位系统该技术方案中，隧道内的LTE信号一般采用RRU(RemoteRadioUnit，远端射频单元)共小区覆盖方式，通过BBU(BuildingBasebandUnit，室内基带处理单元)找出与UE(用户设备)通信的RRU，同时将此RRU的LAC(位置区识别码)作为定位参数，再按照基站光纤时延处理方法得到UE的准确位置。但是，该技术方案仍然难以满足隧道内自动驾驶所需的横向和纵向均为1米以内的定位精度要求，而且实施成本也高。众所周知，利用超声波可以实现室内移动物体的定位。超声波定位的优点是成本较低且具有厘米级的精度。安装扬声器和麦克风的移动物体(比如手机等)本身就组成了一个声波网络。在基于超声波的移动物体室内定位技术中，移动物体能根据来自室内不同位置的多个扬声器的信号确定自身的3维位置信息，其定位精度可以达到厘米级，能满足大多数移动物体室内定位的精度需求。但是，目前尚未有在隧道内应用超声波技术实现移动物体定位的成熟技术方案。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术所要解决的首要技术问题在于提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统。本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位方法。为实现上述目的，本专利技术采用下述的技术方案：根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统，其中在隧道的两侧壁上或隧道顶上，每隔预定长度安装至少2个超声波发射器；在所述预定长度的各区段中，移动物体上的超声波定位接收器接收所在区段的至少4个超声波发射器发射的定位信号，通过计算进行定位。其中较优地，所述预定长度由超声波发射器的发射功率和传输距离确定。根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位方法，包括如下步骤：(1)超声波发射器同步发送正交的定位信号；(2)移动物体上的超声波定位接收器接收定位信号，确定各定位信号的到达时差；(3)超声波定位接收器利用定位算法确定自己的位置。其中较优地，所述步骤(1)中，所述定位信号为PN正交序列，并在载波上进行BPSK调制。其中较优地，所述PN正交序列为gold序列或Kasami序列。其中较优地，相邻区段中采用不同的PN正交序列。其中较优地，所述步骤(2)中，所述超声波定位接收器根据发送序列与接收信号之间存在的相关性，利用峰值的位置确定到达时间，进而确定各定位信号的到达时差。其中较优地，所述步骤(3)中，所述定位算法为Gauss－Newton定位算法。其中较优地，所述步骤(3)中，所述超声波定位接收器在隧道内的纵向位置和横向位置为：其中，k为预先分配的组序号，n为预先分配的小组序号，L为预定的区段长度。其中较优地，还包括如下步骤：(4)移动物体通过无线通信技术，将自己的位置信息发送给邻近的车辆或路边设备。与现有技术相比较，本专利技术所提供的隧道内移动物体高精度定位系统及方法利用超声波定位技术实现，解决了隧道内移动物体的高精度定位问题，可应用于自动驾驶、隧道抢险等场景。该定位系统及方法具有实现成本低、定位精度高等优点。附图说明图1为基于超声波的典型室内定位系统的总体组成示意图；图2为基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统的第一实施例示意图；图3为基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统的第二实施例示意图；图4为扬声器以非同时方式发送信号的时序图；图5为扬声器以同时方式发送信号的时序图；图6为本专利技术中，采用PN正交序列的同时发送信号方式示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的
技术实现思路
做进一步的详细说明。图1为一种基于超声波的典型室内定位系统的总体组成示意图。在该室内定位系统中，包括超声波信标信号的生成模块(Beacons)、定位系统配置模块、定位模块等。其中，超声波信标信号的生成模块(Beacons)包括辐射信号的调制与编码单元、信号同步单元、基于FPGA的信号产生与控制电路单元；定位系统配置模块包括信标的分布单元、自校准单元和系统重配置单元；超声波定位接收器包括接收单元和定位算法单元。在该室内定位系统中，由基于FPGA的信号产生与控制电路单元产生多路同步的信标信号，并提供给放置于已知位置的多个扬声器(即超声波发射器)。针对在已知位置放置多个扬声器的室内环境，各扬声器周期性地发送特定的伪随机噪声(超声波定位接收器已知)，待定位设备可利用来自各扬声器的超声波信号确定其自身的空间位置。而且，待定位设备与扬声器之间不进行同步(除了室内定位系统在特定的环境中首次开启时将扬声器的位置导入到待定位设备中之外)。该室内定位系统依赖于到达时间的估计或到达时差的估计，通过计算完成待定位设备的位置计算。由于待定位设备无源工作，除了位置计算需要消耗能量外，没有其他能量消耗了。因此，该室内定位系统的能量消耗很小。需要说明的是，在室内定位中，使用较多的扬声器可以具有如下优点：(a)扬声器可以更好地覆盖定位所需的空间区域，而且其位置可精确地测量并存储下来；(b)待定位设备可相互独立，无需相互通信；(c)发射受控制的超声波信号带来了专用性，只有那些知本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统，其特征在于在隧道的两侧壁上或隧道顶上，每隔预定长度安装至少2个超声波发射器；/n在所述预定长度的各区段中，移动物体上的超声波定位接收器接收所在区段的至少4个超声波发射器发射的定位信号，通过计算进行定位。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位系统，其特征在于在隧道的两侧壁上或隧道顶上，每隔预定长度安装至少2个超声波发射器；
在所述预定长度的各区段中，移动物体上的超声波定位接收器接收所在区段的至少4个超声波发射器发射的定位信号，通过计算进行定位。


2.如权利要求1所述的隧道内移动物体高精度定位系统，其特征在于：
所述预定长度由超声波发射器的发射功率和传输距离确定。


3.一种基于超声波的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)超声波发射器同步发送正交的定位信号；
(2)移动物体上的超声波定位接收器接收定位信号，确定各定位信号的到达时差；
(3)超声波定位接收器利用定位算法确定自己的位置。


4.如权利要求3所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于所述步骤(1)中，所述定位信号为PN正交序列，并在载波上进行BPSK调制。


5.如权利要求4所述的隧道内移动物体高精度定位方法，其特征在于所述PN正交序列为gold...

【专利技术属性】
技术研发人员：易辉跃，许晖，张武雄，裴俊，
申请(专利权)人：上海无线通信研究中心，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31