一种基于超声波的目标定位和追踪系统技术领域
本发明涉及一种定位和追踪系统，尤其涉及一种基于超声波的目标定
位和追踪系统。
背景技术
在市场中已经有多种利用不同原理的物体定位系统，这些系统有些使
用2.4GHz电磁波信号，有些使用红外信号，有些使用125KHz电磁波信
号。这些系统各有自己的优点和缺点。
使用2.4GHz电磁波信号的定位系统具有作用距离远的优点。但是由
于2.4GHz电磁波在空气中以光速传播导致以定时方式测距的方法在数十
米量级的测距范围上出现很大的误差，即使使用了诸如卡尔曼滤波以及扩
展卡尔曼滤波等先进信号处理方式后也很难使测距精度达到米级别，同时
使用这些技术会使得系统结构复杂和成本上升，不利用大规模使用。
使用RSSI方式的2.4GHz电磁波定位系统通过计算电磁波到达目标
时的能量，并根据发射时能量和信道衰减特性计算距离。该种方式的缺点
是，在使用的每个场合都需要测定实际的信道衰减特性，并且当使用环境
改变后，信道衰减特性将发生变化，导致系统在使用环境中需要不断的调
整，如Microsoft开发的RADAR系统。该种的方式好处是，可以直接利
用已经架设好的Wi-Fi信号接入点，不用重新架设设备。
使用红外信号进行定位的系统，由于红外线具有很好的方向性，导致
该种系统仅能对某一确定方向上的物体进行定位。并且由于红外线的穿透
能力很差，在红外发射和被测物体之间有物体阻隔的时候系统将失效。
使用125KHz电磁波信号的定位系统，严格意义上无法称之为定位和
追踪系统，其实际是一个单点定位系统。该系统布置在某些特定点，当有
物体经过该点时系统将触发。该系统不能对空间中的任意点进行位置确
定，也无法描述出物体的运动轨迹。
CN101029931A中公开了一种超声波定位装置和定位方法，该装置含
有超声波发射器和超声波接收器，被定位物体上含有超声波发射器。数个
超声波接收器接收超声波信号从而对被定位物体进行定位。该方法具有几
个缺点。1、该方法不能同时对多个待定位物体进行定位，由于被定位物
体采用主动发送超声波的方式，导致如果多个被定位物体同时发送超声波
信号会导致信道冲突，因此会降低系统单位时间内的定位容量。2、该定
位装置在单个定位系统下无法覆盖较大范围，当需要覆盖较大范围时需要
多个定位系统拼接使用从而造成成本的上升。3、该系统采用待测物体发
射超声波的方式，导致待测物体能量消耗的加剧，超声波是物理波，产生
发射满足定位条件的超声波信号对能量的要求很高，需要经常更换电池，
因此该系统不适于长期便携式定位系统。
发明内容
本发明提供了一种基于超声波的目标定位和追踪系统，解决了传统定
位系统覆盖范围小，只能对单一目标进行定位以及不适宜长时间使用的问
题。
一种基于超声波的目标定位和追踪系统，包括服务器、发射端和固定
在目标上的接收端，
所述的发射端包括：
第一处理器，同时发出计时信号和超声波发射信号；将超声波传播速
率和计时数据输入服务器；
第一无线收发?？?，将计时信号无线发射；接收计时数据传输给第一
处理器；
带至少3个不共线发射点的超声波发射?？?，接收超声波发射信号，
每个发射点依次间隔相同时间发射超声波信号；
所述的接收端包括：
第二无线收发?？?，无线接收计时信号输入第二处理器；将计时数据
无线发射；
超声波接收?？?，接收超声波信号；
第二处理器；以接收端收到计时信号为起始时刻，记录每个超声波信
号到达目标的时刻，得到计时数据，上传；
服务器依据超声波传播速率和计时数据，得到各发射点与目标之间的
距离，计算目标的位置。
所述的目标定位和追踪系统还包括连接第一处理器的温度传感器、湿
度传感器和大气压传感器，对超声波的实际传播速率进行补偿修正。
所述的超声波发射?？橛墒Ｗ黄?、译码器、功率放大电路以及超
声波发射器组成。超声波发射器的位置为超声波信号的发射点，每个超声
波发射器的输入端连接一路功率放大电路。
所述的超声波接收?？橛沙ń邮掌?、缓冲放大器、多重反馈无增
益带通滤波器以及多重反馈增益带通滤波器组成。
本发明还提供了一种基于超声波的目标定位和追踪方法，包括：
(1)在至少三个不共线的固定发射点依次间隔相同时间发射超声波
信号，目标接收所有超声波信号，测量所有超声波信号从各自固定发射点
传播到目标的时间，根据测量结果，联同超声波传播速率计算目标到所有
固定发射点的距离，求解得到目标的位置，
(2)重复步骤(1)。
优选的，相邻两个超声波信号的间隔时间大于超声波信号从固定发射
点传播到目标的时间。
本发明可以将接收端做成标签形式固定在目标上，体积小巧，便于携
带。且能量消耗很小，在不更换电池状况下能够保证长时间工作。本发明
系统使用无线信号作为数据交换的媒介，提高了系统的抗干扰性能。
本发明系统能够快速的部署应用，不需要多余的设备，利用现有的计
算机即可完成整套系统的正常使用。对目标的材质没有任何要求，克服了
如2.4GHz信号定位系统应用于多金属物体环境出现的各种问题并且通过
系统扩展的方法能够使得系统满足更大范围的定位需求。
附图说明
图1为本发明目标定位和追踪系统的结构示意图；
图2为本发明系统超声波发射?？榈慕峁故疽馔?；
图3为本发明系统超声波接收?？榈慕峁故疽馔?；
图4为本发明系统第一处理器的?？榻峁故疽馔?；
图5为本发明系统发射点位置示意图；
图6为单发射端小区域目标定位过程示意图；
图7为图6所示定位过程目标和发射点空间位置示意图；
图8为单发射端小区域目标追踪示意图。
图9为多发射端大区域目标定位示意图；
图10为多发射端大区域目标追踪示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于超声波的目标定位和追踪系统，包括服务器发
射端1、接收端2和服务器3，发射端1由第一无线收发?？?2、第一处
理器11和超声波发射?？?3组成，接收端2由第二处理器21、第二无线
收发?？?2和超声波接收?？?3组成。
超声波发射?？?3包括三个超声波发射器(喇叭)136、137、138，
数模转换器(AD5413)131，通路选择的2-4译码器132，功率放大器133、
134、135。
第一无线收发?？?2包括分别专门用于发射无线信号和专门用于接
收无线信号的无线2.4GHz通信芯片(nRF24L01+)121、122，两块芯片
各自使用不同的天线、不同的工作子频段进行工作，可以提高信道的使用
率，降低收发之间的碰撞冲突。无线2.4GHz通信芯片122工作在2.41GHz
频率，无线2.4GHz通信芯片121的工作在2.48GHz频率。
如图4所示，第一处理器11采用TI单片机MSP430F5510，其中三个
输入管脚连接温度传感器111、湿度传感器112和大气压传感器113，三
个输出管脚连接数模转换器AD5413，两个管脚连接2-4译码器132，两个
SPI接口分别连接两个无线2.4GHz通信芯片。第一处理器11通过RS485
电平转换芯片114连接服务器3。
超声波接收?？?3由超声波接收器231、缓冲放大器232、多重反馈
无增益电路233以及多重反馈增益电路234组成。第二处理器21采用TI
单片机MSP430F2221，连接多重反馈增益电路234的输出端。
第二无线收发?？椴捎?.4GHz通信芯片，具备接收2.4GHz电磁波
和发射2.4GHz电磁波的能力，两种状态使用各自独立的天线。当接收模
块处于接收状态时，芯片306工作在2.41GHz频率。当接收?？榇τ诜?br />射状态时，芯片306工作在2.48GHz频率。
接收端2安装在目标上，定位和追踪时，第一处理器11控制超声波
发射?？?3的每个发射超声波发射器间隔5ms依次发出超声波信号
1.5ms，同时控制第一无线收发?？?2发出计时信号，第二无线收发?？?br />22接收计时信号输入第二处理器21，第二处理器21控制超声波接收?？?br />22接收超声波信号并开始计时；
第二处理器21将各超声波发射器发出的超声波信号的到达时刻经第
二无线收发?？?2和第一无线收发?？?2上传给第一处理器，联合超声
波的传播速率以及相邻超声波信号发出的时间间隔，第一处理器计算各发
射点到目标的空间距离，求解得到目标的空间位置。以图5为例，对上述
过程进行详细描述：
三个超声波发射器位于空间点，P0(x0，y0，z0)、P1(x1，y1，z1)、P2(x2，
y2，z2)，携带接收端的目标位于空间点P(x，y，z)；记录P0(x0，y0，z0)、
P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)的坐标点值，该三点不处在同一直线上。由
P0P1P2构成一个定位参考平面。目标在定位区域中随意移动，其坐标点
未知。
如图6所示，开始定位追踪时，第一处理器11控制数模转换器13产
生具有升余弦包络的20KHz正弦信号。
起初第一处理器11处于计时状态，产生计时中断，选择2-4译码器
132使得正弦信号通路到功率放大器133，从而驱动超声波发射器136产
生20KHz超声波信号。中断1.5ms后处理器11始计时，计时长度为5ms，
又产生计时中断，控制2-4译码器132使得正弦信号通路到功率放大器
134，使超声波发射器137发射超声波信号，中断1.5ms后处理器11始计
时，计时长度为5ms，再次产生计时中断，制2-4译码器132使得正弦信
号通路到功率放大器135，超声波发射器138发射超声波信号。
如图6所示，接收端2中的无线2.4GHz通信芯片在接收到无线信号
的同时开始打开第一处理器21的定时器，并分别在定时之后的t0、t1、t2
时刻超声波接收器231接收到超声波发射?？橹谐ǚ⑸淦鞣⑸涞某?br />波信号；超声波接收器231接收到超声波信号，经过缓冲放大电路232、
多重反馈无增益电路233以及多重反馈增益电路234接到第二处理器21
的比较器端口，比较器判别超声波信号的到来。
接收端2通过无线2.4GHz通信芯片将t0、t1、t2数据上传，发射端1
利用接收无线信号的无线2.4GHz通信芯片122接收t0、t1、t2；通信芯片
将t0、t1、t2数据通过SPI数据接口传递给第一处理器11，计算得到各超
声波信号从各自发射点传播到目标的时间Δt0、Δt1、Δt2，且
Δt0＝t0-T0
Δt1＝t1-T1
Δt2＝t2-T2
第一处理器11从温度传感器111读取温度数值，从湿度传感器112
读取湿度数值，从大气压传感器113读取大气压信息，对超声波波速K进
行修正，联合各超声波信号的传播时间Δt0、Δt1、Δt2利用如下公式计算
目标的空间位置。
空气中声速的校正公式： K = Pγ ρ = γRT M ]]>
式中γ为绝热指数，是定压比热和定容比热之比，R为气体常数，M
为空气的摩尔质量，T为绝对温度。由于空气受到湿度影响，摩尔质量会
产生变化，根据相对湿度定义可以推导得到，实际空气的摩尔质量为：
式中为当前的相对湿度，ps为当前温度下的饱和蒸汽压，p为当
前气压，Mv为水蒸气摩尔质量，Mg为干燥空气摩尔质量。
利用温度，湿度和气压读数就可以精确计算出当前的声速。
( x 0 - x ) 2 + ( y 0 - y ) 2 + ( z 0 - x ) 2 = K 2 Δ t 0 2 ]]>
( x 1 - x ) 2 + ( y 1 - y ) 2 + ( z 1 - x ) 2 = K 2 Δ t 1 2 ]]>
( x 2 - x ) 2 + ( y 2 - y ) 2 + ( z 2 - x ) 2 = K 2 Δ t 2 2 ]]>
x y = 2 x 1 - 2 x 0 2 y 1 - 2 y 0 2 x 2 - 2 x 0 2 y 2 - 2 y 0 - 1 K 2 Δ t 0 2 - K 2 Δ t 1 2 + x 1 2 - x 0 2 + y 1 2 - y 0 2 K 2 Δ t 0 2 - K 2 Δ t 2 2 + x 2 2 - x 0 2 + y 2 2 - y 0 2 ]]>
z = r 1 2 - ( x 1 - x ) 2 - ( y 1 - y ) 2 ]]>
式中R为气体常数，M为空气的摩尔质量，T为绝对温度，ρ为空气
密度，P1和P2为压强。
如图8所示，在一次定位完成后，重复上述步骤，可以跟踪绘制出被
定位物体在空间中的位置轨迹。
超声波信号随着距离快速衰减，无线2.4GHz信号也随着传播距离衰
减，单个发射端定位覆盖范围有一定限制。在大范围空间对物体进行定位
和追踪时需要将整个空间划分为子空间，在每个子空间放置独立发射端，
如图9所示，各个子空间发射端的超声波发射器坐标统一设定，以空
间中心为空间坐标原点。每个子空间的发射端通过菊花链的方式串接起
来，发射端与服务器相连，当发射端与服务器之间通信时，发射端检测链
路占用状态，若链路被占用则等待，否则与服务器进行通信。
如图10所示，附有接收端的目标在大范围空间中移动，当目标移动
范围在单个子空间的中心区域移动，定位和追踪过程如上所述，当目标处
在多个子空间定位范围的重叠空间中时，每个发射端均对目标进行定位和
追踪，并将定位坐标上传到服务器，服务器计算目标到各个发射端的距离，
只保留与目标距离最短的发射端定位的坐标，完成定位和追踪。