一种基于时间调制的超声波室内定位方法技术

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，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。本专利技术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。【专利说明】
本专利技术属于室内定位领域，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。
技术介绍
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。但此类系统需要不断同步所有节点的时间基准，占用接收机系统资源，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。 本专利技术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，令超声波系统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系统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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术技术方案如下: 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……η (η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: I)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tl以及本终端的ID号η作为数据进行扩频调制； 其中t表示发射时刻的具体时间，η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η和该发射终端超声波发送时刻tl 6)接收终端根据5)中所述获得的发射终端号η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tl以及4)中所记录接收时刻t2，根据公式 S = VUft2)(I) 计算出该接收终端到η号发射终端的距离S。 (I)式中，s表示超声波接收终端到发射了该信号的发射终端η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，tl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)，本专利技术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: I)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。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) = I(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’⑴相乘得到窄带信号r/ (t)o 其中r/⑴表示滤波前的解扩信号。 4)窄带滤波过程。解扩信号r/ (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)o 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。’相乘，得到信号h/⑴； 其中h/ (t)表示信息解调出来的信号。 6)滤波检波过程。信号h/⑴通过低通滤波器，获得基带信号h2’ (t)o 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I)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。 本专利技术的有益效果: I本专利技术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，提高了系统的动态响应速度，节约了接收终端处理器资源。 2、本专利技术由于将发射终端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、本专利技术引入扩频技术，采用本方法的系统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。 【专利附图】【附图说明】 图1为本专利技术流程示意图； 图2为本专利技术发射端扩频调制模式框图； 图3为本专利技术接收端解扩解调模式框图； 图4为本专利技术发射端数据与接收端解调数据波形对比图。 【具体实施方式】 下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明: 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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t16)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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：熊剑，林舟杰，杨祖华，郭杭，周先赞，马号，王吉旭，杨欢，徐江颖，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36