一种超声波室内三维定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超声波室内三维定位系统及方法。所述的超声波室内三维定位系统包括中央控制模块、发射模块和接收模块，所述中央控制模块包含中央控制单元、声速修正模块和无线通讯模块，所述的发射模块包括发射控制单元、超声发射模块和无线通讯模块，所述的接收模块包括接收处理单元、无线通讯模块和超声接收模块；其中的超声发射模块采用指向性达到180

【技术实现步骤摘要】
一种超声波室内三维定位系统及方法


[0001]本专利技术属于空间定位
，特别是涉及一种超声波室内三维定位系统及方法。

技术介绍

[0002]室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位、动作捕捉等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。室内定位技术具有广阔的应用前景，可与移动互联网、云计算、大数据、高性能计算机等技术相结合，形成新的综合应用，在空间基础设施服务、灾害和应急救援、公共安全、医疗健康和养老服务等领域拓宽应用范围，促进技术创新和商业模式创新。
[0003]目前，常用的室内定位技术包括，Wi
‑
Fi、蓝牙、红外线、RFID、ZigBee和超声波定位等。其中，超声波定位主要采用反射式测距(发射超声波并接收由被测物产生的回波后，根据回波与发射波的时间差计算出两者之间的距离)，并通过三角定位等算法确定物体的位置。超声波定位系统由一个主测距器和若干电子标签组成，主测距器放置于空间中待定位处，各电子标签放置于室内空间的固定位置。先由主测距器发送超声波信号给各电子标签，电子标签接收到信号后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。超声波定位整体定位精度较高，可达到厘米级。缺点是超声波在传输过程中衰减和干扰从而影响其定位的有效范围，降低定位精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种超声波室内三维定位系统，解决超声波定位系统存在的定位范围受到限制，稳定性弱，定位精度易受衰减和干扰影响等技术问题，本专利技术所述的超声波室内三维定位系统可实现较大范围空间精确三维定位，定位精度达到毫米级。
[0005]本专利技术的另一目的还在于基于所述的超声波室内三维定位系统，提供一种室内三维超声波定位的方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种超声波室内三维定位系统，其特征在于，包括中央控制模块、发射模块和接收模块，其中：
[0008]所述中央控制模块包含中央控制单元、声速修正模块和无线通讯模块；所述的无线通讯模块向待定位区域发射无线信号，与发射模块和接收模块进行通讯，所述无线信号中包含时钟、声速以及超声换能器坐标信息；所述的中央控制单元包含微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)、时钟源和存储单元，计算和存储包括声速、超声换能器空间坐标等信息，并控制无线通讯；
[0009]所述的发射模块包括发射控制单元、超声发射模块和无线通讯模块；所述的超声发射模块包括布置在待定位空间的区域定位超声换能器和位置定位超声换能器，所述的区域定位超声换能器由1个或多个不同频率的低频超声换能器组成，所述的位置定位超声换
能器由3个以上不同频率的高频超声换能器组成；所述的发射控制单元包含微控制单元(MCU)、时钟源、存储单元和超声换能器驱动模块，驱动区域定位或位置定位超声换能器向待定位空间发射超声波，所述的无线通讯模块和中央控制模块进行通讯；
[0010]所述的接收模块包括接收处理单元、无线通讯模块和超声接收模块，所述的超声接收模块为宽带麦克风，接收来自发射模块的超声信号，无线通讯模块接收来自中央控制模块的无线信号；所述接收处理单元包括信号处理模块，MCU和存储单元，执行的数据处理和运算程序包括，通过无线信号确定超声波的发射时间起点，并对接收到的超声信号进行放大、滤波、采集及时频变换处理和取包络线处理，从处理后的时域信号中提取超声波从发射到接收的飞行时间(TOF，Time of flight)，从频域信号中确定参与定位的超声换能器，并由无线信号获取超声换能器的坐标信息，由区域定位超声换能器确定当前所在区域，使用飞行时间和位置定位超声换能器的坐标信息计算出接收模块的位置。
[0011]所述的声速修正模块包括温、湿度测量单元和压力测量单元，用于测量环境温度、湿度以及大气压，以修正待定位空间的大气声速。
[0012]所述的区域定位超声换能器可根据待定位空间的大小进行选择，特别地，当待定位空间较小、无需划分区域时可省略区域定位超声换能器；而当待定位空间较大时，可选用多个不同频率的低频超声换能器的组合作为区域定位超声换能器，不同组合的低频超声换能器对应待定位空间中所划定的不同空间区域。在某一划定的空间区域内还可以在不同位置布置2组以上相同的区域定位超声换能器，以确保区域定位信号可完全覆盖该区域。
[0013]优选地，所述的低频超声换能器的频率范围通常为20KHz
‑
50KHz，作为区域定位换能器，其传播距离通常大于10米。所述的高频超声换能器的频率范围通常为50K
‑
100KHz，作为位置定位换能器，其传播距离通常大于5米。
[0014]优选地，所述的低频或高频超声换能器采用压电微机超声换能器(Piezoelectric Micro
‑
machined Ultrasonic Transducer，PMUT)。PMUT的指向性通常可以达到180
°
，从而覆盖全部的待定位空间或区域。
[0015]本专利技术中在超声接收模块采用全向宽带麦克风，其指向性为180
°
。所述的宽带麦克风其频段范围至少能覆盖所述低频或高频超声换能器的频段范围。优选地，所述的宽带麦克风为2个以上，布置在接收模块不同位置。
[0016]进一步地，所述的中央控制模块、发射模块和接收模块的无线通讯模块可由无线电广播、Wi
‑
Fi、ZigBee、Bluetooth等构成。
[0017]基于所述的超声波室内三维定位系统，本专利技术还提供一种室内三维超声波定位的方法，包括：中央控制模块中央控制单元驱动声速修正模块采集并计算声速修正信息，驱动无线通讯模块发射无线信号，其中包含时钟、声速以及超声换能器坐标信息；发射模块在收到来自中央控制模块的包含发射指令的无线信号后，发射控制单元驱动区域定位超声换能器、位置定位超声换能器向待定位空间发射超声波信号；接收模块通过宽带麦克风接收来自发射模块的超声信号，并通过无线通讯模块接收来自中央控制模块的无线信号，无线信号中包含超声波发射的时钟、大气声速以及超声换能器的位置信息；接收处理单元通过无线信号确定超声波发射时间起点，对宽带麦克风接收到的超声信号进行处理，从处理后的时域信号中提取超声波从发射到接收的飞行时间(TOF，Time of flight)，从频域信号中确定参与定位的区域定位超声换能器和位置定位超声换能器，并从无线信号中获取其位置坐
标信息，根据超声波传播TOF以及超声换能器的位置坐标，计算出接收模块的位置信息。
[0018]具体地，所述的室内三维超声波定位的方法，包括如下步骤：
[0019](1)中央控制单元驱动声速修正模块采集大气温度、湿度和气压信息，并对声速进行修正，驱动无线通讯模块向待定位空间发射无线信号，与发射模块和接收模块进行通讯，所述无线信号中包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波室内三维定位系统，其特征在于，包括中央控制模块、发射模块和接收模块，其中：所述中央控制模块包含中央控制单元、声速修正模块和无线通讯模块；所述的无线通讯模块向待定位区域发射无线信号，与发射模块和接收模块进行通讯，所述无线信号中包含时钟、声速以及超声换能器坐标信息；所述的中央控制单元包含微控制单元、时钟源和存储单元，计算和存储包括声速、超声换能器空间坐标的信息，并控制无线通讯；所述的发射模块包括发射控制单元、超声发射模块和无线通讯模块；所述的超声发射模块包括布置在待定位空间的区域定位超声换能器和位置定位超声换能器，所述的区域定位超声换能器由1个或多个不同频率的低频超声换能器组成，所述的位置定位超声换能器由3个以上不同频率的高频超声换能器组成；所述的发射控制单元包含微控制单元、时钟源、存储单元和超声换能器驱动模块，驱动区域定位超声换能器或位置定位超声换能器向待定位空间发射超声波；所述的无线通讯模块和中央控制模块进行通讯；所述的接收模块包括接收处理单元、无线通讯模块和超声接收模块；所述的超声接收模块为宽带麦克风，接收来自发射模块的超声信号，无线通讯模块接收来自中央控制模块的无线信号；所述接收处理单元包括信号处理模块，微控制单元和存储单元，执行的数据处理和运算程序包括，通过接收到的无线信号确定超声波的发射时间起点，并对超声信号进行放大、滤波、采集及时频变换和取包络线处理，从处理后的时域信号中提取超声波从发射到接收的飞行时间，从频域信号中确定参与定位的超声换能器，从无线信号中获取超声换能器的坐标信息，根据区域定位超声换能器确定当前所在区域，使用飞行时间和位置定位超声换能器的坐标信息计算出接收模块的位置。2.根据权利要求1所述的超声波室内三维定位系统，其特征在于，待定位空间不划分空间区域，省略所述的区域定位超声换能器。3.根据权利要求1所述的超声波室内三维定位系统，其特征在于，所述的区域定位超声换能器为划定的空间区域内不同位置布置的2组以上相同的区域定位超声换能器。4.根据权利要求1所述的超声波室内三维定位系统，其特征在于，所述的低频超声换能器的频率范围为20KHz
‑
50KHz，所述的高频超声换能器的频率范围为50K
‑
100KHz。5.根据权利要求1所述的超声波室内三维定位系统，其特征在于，所述的低频或高频超声换能器为压电微机超声换能器，其指向性为180
°
。6.根据权利要求1所述的超声波室内三维定位系统，其特征在于，所述的宽带麦克风的频率范围为20KHz～100KHz，其指向性为180
°
。7.根据权利要求1所述的超声波室内三维定位系统，其特征在于，所述的宽带麦克风为2个以上，布置在接收模块不同位置。8.根据权利要求1所述的超声波室内三维定位系统，其特征在于，所述的中央控制模块、发射模块和接收模块的无线通讯模块由无线电广播、Wi
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐方良，李芬，何野，徐波，
申请(专利权)人：江苏英特神斯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：