专利名称：楼宇环境下目标的声学定位系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种空间定位技术，尤其涉及一种楼宇环境下移动目标的声学定位系统及其方法。
背景技术：
[I]声学定位和增强，200710087941. 3，国家发明专利[2]基于网络环境下的超声波定位控制系统，201010609587. 8，国家发明专利[3]有源远距离射频电子标签的超声波定位方法，200610024717. 5，国家发明专利声学定位技术是为了避免对可听音的影响，通常采用超声频段进行定位的一种技术。这种技术的基本原理是利用声波传播速度慢、音频信号处理容易实现的特点，通过测定传播时延(或到不同接收点的时延差)实现测距和声源空间位置解算。声学定位技术的特点是精度高(室内环境可以达到厘米量级)，不受电磁环境的干扰；不足之处在于超声频段传播吸收衰减大，对障碍物的穿透能力弱；因此，该技术通常用于较近距离定位(传播距离〈50m)。在楼宇环境下，空间结构十分复杂，声脉冲多途干扰严重，严重制约了声学定位系统的工程应用。如何建立一种既能实现高精度定位要求，同时系统体系结构简单、工程适用性好的定位系统，这是复杂环境声学定位方法的技术实现关键。在所查阅的相关文献中，专利[I]通过分布的麦克风接收声源信号，通过网络同步方式对采集音频信号加入时间标记，从而实现接收信号的相关时延测量和定位。这种方式主要用于自然声定位，例如枪声和说话人定位。由于是非合作目标定位，定位精度低、易受环境干扰，因此不适用于复杂环境及需要精确目标定位的场合。 专利[2]中采用待定位目标(标签)同时发射超声脉冲和无线同步脉冲方式实现目标测距和定位，采用数据输出起始码的无线同步方式不仅时间上有延迟，而且定时精度不高(在良好环境下约100微秒量级，复杂空间环境误差可以达到毫秒量级)，制约了定位解算精度。与此同时，采用标签启动的无线同步方式，其作用距离通常要远大于超声传播距离，因此在楼宇环境下使用时，定位标签不能同时/并行工作，严重制约了复杂环境下目标定位更新率。因此，该发明的应用环境是单个立体空间(单个房间)环境下定位，系统可扩展性差。专利[3]采用阅读器(参考点)广播的方式实现定位，其难点在于待定位标签需要接收和处理声学脉冲，这样声学标签的复杂度较高，难以满足标签便携式要求。同时，在复杂楼宇环境下需要许多阅读器发射超声脉冲进行广播，测量时间长且系统扩展性不好。英国“Active-Bat”系统是一套工程实用的超声定位系统，在基站同步下，通过接收标签发射的超声脉冲实现测距和定位，与本发明方法有最大的相似度。不同点在于，没有采用声脉冲匹配技术及对有效定位脉冲进行筛选，因此需要在房间天花板上密布超声探头单元，系统成本高且难以适用于楼梯、大堂等复杂区域。来自于无线定位领域的超宽带定位技术可以提供比较好的室内定位方案，如英国的Ubisense定位系统采用1G-2G带宽的无线脉冲发射方式，通过AOA(到达角估计)和TDOA(到达时差估计)两种方式将室内定位精度做到15厘米(良好环境条件)。这种定位方法由于电磁波的速度很高，系统需要复杂的精确同步系统和超高速采样及处理技术，系统实现难度大，成本高昂。同时，系统定位精度很难得到进一步提升(无线带宽资源受限和时间同步技术限制)，这在某些具有特定要求的定位需求中难以满足精度指标。为此，面对楼宇复杂环境条件下对目标定位的需求，需要一种定位精度高、系统扩展能力强且成本低廉的超声定位系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有定位技术不能在复杂的楼宇环境下提供高精度、低成本的移动目标定位方式，将声学定位技术与无线物联网技术相结合，提供一种高精度、高可靠性并且具备性价比优势的分布式声学定位系统。为实现上述目的·在本发明的第一方面，提供了一种楼宇环境下目标的声学定位方法，包括通过全局广播方式发射对目标的定位查询指令；所述目标接收所述定位查询指令，并且根据所述定位查询指令定时发射超声脉冲；与所述定时发射超声脉冲同步，从多个采集点对所述超声脉冲的音频信号进行采集，得到多通道音频信号；对所述多通道音频信号进行匹配滤波，并且通过预定阈值对匹配滤波后的多通道音频信号进行检波，筛选出有效音频信号；根据所述有效音频信号的第一峰值位置确定对应通道的超声脉冲的传播时延；以及根据所述超声脉冲的传播时延及其相对应的采集点坐标解算出所述目标的位置坐标。在本发明的第二方面，提供了一种楼宇环境下目标的声学定位系统，包括无线查询-同步控制器，用于通过全局广播方式发射对目标的定位查询指令；定位标签，其安置在所述目标上，用于接收所述定位查询指令，并且根据所述定位查询指令定时发射超声脉冲；定位传感单元，其安置在楼宇内的单位空间中并且通过以太网与所述无线查询-同步控制器相连，用于与所述定时发射超声脉冲同步，从多个采集点对所述超声脉冲的音频信号进行采集，得到多通道音频信号，对所述多通道音频信号进行匹配滤波，并且通过预定阈值对匹配滤波后的多通道音频信号进行检波，筛选出有效音频信号，根据所述有效音频信号的第一峰值位置确定对应通道的超声脉冲的传播时延，根据所述超声脉冲的传播时延及其相对应的采集点坐标解算出所述目标的位置。本发明通过将声学定位技术与无线物联网技术相结合，在方案中对声脉冲进行匹配并筛选出有效脉冲，克服了多径干扰和高频杂散噪声干扰，提高了测量精度和系统稳健性，揭示了一种定位精度高、系统扩展能力强且成本低廉的超声定位系统。
图I为根据本发明实施例的楼宇环境下目标的声学定位系统的示意图；图2为根据本发明实施例的楼宇环境下目标的声学定位方法的流程图；图3为根据本发明实施例的无线查询指令帧格式的示意图；图4为根据本发明实施例的定位标签位置解算方法的流程图；图5为根据本发明实施例的仿真的接收波形及匹配滤波后波形图；以及
图6为根据本发明实施例的三点定位方法的示意图。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。图I为根据本发明实施例的楼宇环境下目标的声学定位系统的结构示意图。如图I所示，该系统包括无线查询-同步控制器(WISC)，多个定位传感器(图中只示出单位空间中的一个)，每个定位传感器引出的多个超声探头(图中只示出一个定位传感器引出的3个超声探头，分别为超声探头I、超声探头2和超声探头3)，以及定位标签。一个定位传感器与其引出的超声探头可并称为定位传感单元，其通过以太网连接到WISC。在具有定位要求的楼宇空间区域中建立的WISC由高性能工控机和无线发射模块组成，可以采用标准的物联网发射系统，例如常用无线频率433MHz或470MHz，也可以选择其他开放频段。如同本专业技术人员所能理解的，WISC也可以采用具有百兆及更高速度以太网接口的嵌入式模块，这样对于小规模应用可以带来系统成本上的优势。WISC的操作系统需要采用实时操作系统，例如VxWorks 6.0及以上版本。根据需覆盖的区域范围，可以适当调整发射功率，保证该区域内的定位标签和定位传感单元能够可靠的接收定位查询指令。WISC采用全局广播方式，通过发射定位标签的ID码及控制码实现指定标签的定位测量和控制。在多目标定位下，由WISC对各目标实现巡检定位。在这种方法下，无线同步的精度小于10微秒(系统波特率选择112500bps及以上)。第一，采用查询定位的方式，有利于系统服务器根据任务需求灵活调整各定位标签的定位频度。特别是在较大规模系统应用时，可以控制分布的定位单元和标签并行工作，提高全系统定位数据更新率。第二，在无线同步方式的选择上接收端(包括定位标签和定位传感单元)不以无线发射的前端码作为定时基准，而以码字发射结束时状态信号(上跳沿)触发中断来完成同步。定位标签根据WISC广播的定位查询指令，完成系统同步并按规定时刻发射超声脉冲。定位标签是小型化的有源声学标签，其安装在待定位目标上(比如特警战士 )，推荐安装于头盔顶端，也可以置于肩上或身体的其他位置。定位标签由低功耗单片机、无线接收模块和超声发射模块三个部分组成，定位标签可采用锂电池或以其他方式供电。定位标签的工作过程是无线接收模块接收WISC系统发出的定位查询指令，如果指令中的标签ID码字匹配，则启动超声发射模块待机。无线同步的方法是在码字匹配条件下，定位查询指令码结束时通过状态电平中断方式启动定时器完成同步。在定时器产生中断时，声学发射模块发射超声脉冲，优选地发射双曲调频脉冲。采用双曲调频脉冲原因是利用双曲调频脉冲的大多普勒容限实现高速移动目标的可靠匹配检测。定位传感单元布设在楼宇中诸如房间之类的单位空间中，原则上一个房间布设一个定位传感单元，部分特殊环境，如楼梯、走廊和礼堂，可以考虑增加定位传感单元。定位传感单元包括定位传感器和从其引出的多个超声探头，优选地包括8 16个超声探头。超声探头被分别安装于房间顶部及墙壁上端固定位置，一般采用均匀分布。根据现场实测定位性能，在建筑拐角和狭小空间需要增加超声探头的密度。定位传感单元可以采用符合IEEE802. 3af标准的以太网供电方式供电(PoE)。定位传感单元的主要功能是在WISC定位查询指令的控制下，接收定位标签发射的超声脉冲，测定各超声探头与待定位目标之间的距离，实现区域范围内标签位置的定位解算，最后通过以太网将定位解算结果传输给WISC。、定位传感单元通过分布的传声器采集超声脉冲数据，直接解算标签位置，而无需将超声脉冲数据传送给中心服务器进行解算。这种以空间分布的、以定位传感单元为中心的定位方式可以大大降低系统通讯要求和实现复杂度。特别是在较大规模工程应用时，大大降低了系统调试的工作量，只需对每一房间区域的定位单元进行调整即可，无需频繁调整控制系统服务器参数设置。定位传感单元还包括微控制器(MCU)、DSP信号处理器、无线接收单元、等部件，其工作过程为无线接收模块接收WISC发出的定位查询脉冲；在收到同步脉冲后启动定时电路，同时对多个超声探头输出的多通道声音信号进行同步采集；对多通道数据进行匹配滤波处理；根据定位测量同步时间对接收信号进行时间增益控制(TGC)，设定阈值门限进行 检波，每一通道只取检波后第I个脉冲作为直达声脉冲，并根据其匹配峰值估计其到达时亥IJ，然后取最先到达的3个脉冲的传播时间及相应通道的超声探头位置参数解算标签的3D坐标。匹配滤波的方式可以克服多径干扰造成的脉冲时延测定的困难，提高时延测量精度，同时还可以降低高频杂散噪声的干扰，提高系统的稳健性。声脉冲时延测量精度优于20微秒，对应距离为7毫米。然后，通过3组距离值及相应的超声探头在该单位空间中的坐标值解算出标签位置。最后，通过以太网将定位传感器ID号、定位标签ID号以及相对定位值(SP相对单位空间的定位基准点)传送给WISC。WISC在收到各定位传感单元测得的目标位置后，根据内置的楼宇空间几何模型求解待定位目标位置，完成一次目标巡检测量过程。完成一次单独定位测量的时间约为50毫秒。图2为根据本发明实施例的楼宇环境下目标的声学定位方法的流程图。在步骤210中，“无线查询-同步”控制系统(WISC)无线发射定位查询指令，启动定位标签和定位传感单元的定位测量过程。转到图3，图3为根据本发明实施例的无线查询指令帧格式的示意图。如图3所示，首先是4个字节的前端引导码，然后用I个字节给出指令字节数，接着是I个字节的控制字、2个字节的标签ID、I个字节的传感单元ID、I个保留字节以及I个字节的结束字节。查询指令帧长度为11个字节。这样，在112500bps波特率条件下定位查询指令的长度小于I毫秒。回到图2。在步骤220中，被指定的定位标签在查询指令同步下定时发射超声定位脉冲。在WISC进行全局广播时，所有的定位标签的无线模块接收WISC系统发出的定位查询指令，如果对应的标签ID的码字匹配，则启动声学发射模块待机。请注意，本发明中的定位标签采用查询指令结束状态进行同步的方法，它采用的无线模块可以为TI的CC1101，其给出的片选CSn信号在接收查询指令结束时电平会从低到高跳变。因此，具体的同步方法是在定位标签ID码字匹配条件下，在定位查询指令码结束时通过中断方式启动定时器(定时器时延
O.5毫秒)完成同步。在定时器产生中断时，声学发射模块发射超声脉冲，优选地发射双曲调频脉冲(HFM)。这种无线同步方式的精度与通讯波特率是有关的，在系统推荐的112500bps条件下，同步精度小于10us。双曲调频脉冲的频率区间为23. 5kHz-26. 5kHz (中心频率25kHz)，波形数据存储在单片机的数据存储器内，通过单片机内部DA转换、放大电路后，驱动超声探头(可以采用“TCT25-16T”或类似型号)完成脉冲发射。
在步骤230中,指定或非指定的定位传感单元在该定位查询指令同步下定时启动数据采集，接收声脉冲信号。指定或非指定的定位传感单元由查询码的控制字决定，这对应着两种工作方式一种是已知目标所在的区域，根据查表方式选择对应的定位传感单元(即指定定位传感单元方式)；另一种是未知目标所在区域，换用全局搜索方式，所有的定位传感单元都进行定位测量(即非指定定位传感单元方式)。定位传感单元启动定位过程及无线同步的方法与定位标签工作流程基本相同，因此不再赘述。不同之处在于，在标签发射超声脉冲的时刻，传感单元启动多通道音频信号的采集和处理。多通道音频信号由超声探头采集，经过前级放大(增益IOdB),模拟带通滤波(20kHz - 30kHz)后传输给定位传感单元的数据采集模块。数据采样率推荐采用120kHz和16bit量化，每通道采集4096点后停止采样过程。对于模拟电路工程师而言，该过程是能够清晰理解的。在步骤240中，指定或非指定的定位传感单元对接收到的脉冲信号进行匹配滤波、阈值检测及到达时延排序后选择前3个到达脉冲时刻进行目标位置解算。转到图4，图4为根据本发明实施例的定位标签位置解算方法的流程图。
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步骤405和410已经在步骤230中进行了描述，因此不再赘述。在步骤415中，对采集到的音频数据进行正交解调处理，然后对基带信号进行匹配滤波，匹配滤波器可以选择FIR滤波器等实现方式。在步骤420中，对匹配滤波后的音频信号进行时间增益控制(TGC)。首先，根据超声脉冲传播的扩展损失建立TGC调整序列，其中，所述扩展损失采用球面波扩展公式得到。然后，将步骤415输出的匹配滤波结果与该TGC调整序列相乘实现对匹配滤波后的音频信号的时间增益控制。在步骤425中，通过预先设定的阈值对TGC调整后的输出进行检波。如果某通道信号幅度没有超过预定阈值，则将其定义为无效通道(意味着没有接收到有效脉冲)，参见图5。转到图5，图5为根据本发明实施例的仿真的接收波形及匹配滤波后的波形图。如图5所示，纵坐标为幅度、横坐标为时间(毫秒)，其中，上半图是接收到的超声脉冲；下半图是匹配滤波后的超声脉冲压缩结果，并可见虚线所示的阈值门限。回到图4。在步骤430中，分别针对每一通道的音频信号提取波达时刻。简言之，根据检波后序列的匹配脉冲的第一峰值位置来确定脉冲传播时延。注意，第一峰值位置之后检测到的脉冲是多途干扰。时延测定的精度由接收信噪比决定，因此提高发射脉冲的声源级是有利的。至此，对于步骤415至430的说明对于本领域技术人员来说可以充分理解的，具体的技术细节及参数可以根据实际情况进行适应性改进。在步骤435中，对检测到的有效脉冲数(有效通道数)进行计数并检测计数值。如果计数值检测结果小于3，则流程转到步骤440 ;如果计数值检测结果大于或等于3，则流程转到步骤445。很容易理解，步骤430和步骤435的顺序可以互换，即在计数值检测结果大于或等于3的情况下，流程进行到原步骤430，即分别针对每一通道的音频信号提取波达时刻，流程的其他步骤顺序关系不做变化。
在步骤440中，定位传感单元向WISC发出“定位无效”的信息，WISC系统服务器在接收到该信息的一定时隙后，重新对该标签进行查询定位。在步骤445中，取前3个到达脉冲的时延值进行定位解算，具体过程为首先，对每一房间建立局部坐标系(即该房间对应定位传感单元的计算参考坐标)，选择坐标系原点为房间地面中心点处，以水平面内正东方向为X轴，正北方向为y轴，竖直向上方向为z轴。每一定位单元解算的标签坐标数值均相对于对应的局部坐标系。参见图6，图6为根据本发明实施例的三点定位方法的示意图，为简洁起见，图6用平面图的形式示出了定位标签和超声探头的三维坐标关系。如图6中所示，已知最先收到脉冲的三个超声探头的位置分别为(a” a2, a3)、(b1； b2, b3)和(C1, c2, c3),通过所述3个时延值可计算出定位标签到三个超声探头的距离分别为ra，rb，r。，假设标签位置为(x，y，z)。则可以得到方程组
权利要求
1.一种楼宇环境下目标的声学定位方法，包括 通过全局广播方式发射对目标的定位查询指令； 所述目标接收所述定位查询指令，并且根据所述定位查询指令定时发射超声脉冲； 与所述定时发射超声脉冲同步，从多个采集点对所述超声脉冲的音频信号进行采集，得到多通道音频信号； 对所述多通道音频信号进行匹配滤波，并且通过预定阈值对匹配滤波后的多通道音频信号进行检波，筛选出有效音频信号； 根据所述有效音频信号的第一峰值位置确定对应通道的超声脉冲的传播时延；以及 根据所述超声脉冲的传播时延及其相对应的采集点坐标解算出所述目标的位置坐标。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述超声脉冲是双曲调频脉冲。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，所述同步是根据所述定位查询指令的码字发射结束时的状态信号触发中断启动定时器，在定时器中断时发射超声脉冲并且同时从所述多个采集点对所述超声脉冲的音频信号进行采集。
4.根据权利要求I所述的方法，还包括 在所述检波之前，根据超声脉冲传播的扩展损失建立时间增益控制调整序列，其中，所述扩展损失采用球面波扩展公式得到； 根据所述时间增益控制调整序列对所述匹配滤波之后的音频信号进行时间增益控制。
5.根据权利要求I所述的方法，还包括 对筛选得出的有效音频信号进行计数，检测计数值，以及对所述脉冲传播时延进行时间排序； 如果计数值检测结果大于或等于3，则选择排序后的前3个脉冲传播时延以用于随后的目标位置解算； 如果计数值检测结果小于3，则在一定时隙后重新发射对所述目标的定位查询指令。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，根据所述超声脉冲的传播时延及其相对应的采集点坐标解算出所述目标的位置的步骤包括 根据所述超声脉冲的传播时延计算出对应采集点与所述目标之间的距离； 根据所述距离与采集点坐标计算出所述目标的位置坐标。
7.根据权利要求I所述的方法，还包括 在所述匹配滤波之前，对所述多通道音频信号进行前级放大和模拟带通滤波。
8.一种楼宇环境下目标的声学定位系统，包括 无线查询-同步控制器，用于通过全局广播方式发射对目标的定位查询指令； 定位标签，其安置在所述目标上，用于接收所述定位查询指令，并且根据所述定位查询指令定时发射超声脉冲； 定位传感单元，其安置在楼宇内的单位空间中并且通过以太网与所述无线查询-同步控制器相连，用于与所述定时发射超声脉冲同步，从多个采集点对所述超声脉冲的音频信号进行采集，得到多通道音频信号，对所述多通道音频信号进行匹配滤波，并且通过预定阈值对匹配滤波后的多通道音频信号进行检波，筛选出有效音频信号，根据所述有效音频信号的第一峰值位置确定对应通道的超声脉冲的传播时延，根据所述超声脉冲的传播时延及其相对应的采集点坐标解算出所述目标的位置。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述定位传感单元包括多个超声探头，所述超声探头从所述定位传感单元有线引出，分别安置在各个采集点的位置，用于执行所述采集处理。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述定位传感单元还用于 将所述位置坐标通过以太网发送回所述无线查询-同步控制器。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述定位标签根据所述定位查询指令定时发射的超声脉冲是双曲调频脉冲。
12.根据权利要求8或9所述的系统，其中，所述同步是所述定位标签和所述传感器单元根据所述定位查询指令的码字发射结束时的状态信号触发中断启动定时器，在定时器中断时，所述定位标签发射超声脉冲，同时所述定位传感单元启动所述超声探头从所述多个采集点对所述超声脉冲的音频信号进行采集。
13.根据权利要求8所述的系统，其中，所述无线查询-同步控制器还包括用于在所述检波之前，根据超声脉冲传播的扩展损失建立时间增益控制调整序列的模块，其中，所述扩展损失采用球面波扩展公式得到；所述定位传感单元还包括用于根据所述时间增益控制序列对所述匹配滤波之后的音频信号进行时间增益控制的模块。
14.根据权利要求8所述的系统，其中，所述定位传感单元还包括 用于对筛选得出的有效音频信号进行计数，检测计数值，以及对所述脉冲传播时延进行时间排序的模块； 如果计数值检测结果大于或等于3，则选择排序后的前3个脉冲传播时延以用于随后的目标位置解算； 如果计数值检测结果小于3，则在一定时隙后重新发射对所述目标的定位查询指令。
15.根据权利要求8所述的系统，其中，所述超声探头还包括 用于在所述匹配滤波之前，对所述多通道音频信号进行前级放大和模拟带通滤波的模块。
全文摘要
本发明涉及一种楼宇环境下目标的声学定位系统及其方法，该方法包括通过全局广播方式发射对目标的定位查询指令；目标根据定位查询指令定时发射超声脉冲；与之同步从多个采集点对超声脉冲的音频信号进行采集；对采集到的多通道音频信号进行匹配滤波和检波，筛选出有效音频信号；根据有效音频信号的第一峰值位置确定对应通道的超声脉冲的传播时延；以及根据超声脉冲的传播时延及其相对应的采集点坐标解算出目标的位置坐标。本发明通过将声学定位技术与无线物联网技术相结合，对声脉冲进行匹配并筛选出有效脉冲，克服了多径干扰和高频杂散噪声干扰，提高了测量精度和系统稳健性，揭示了一种定位精度高、系统扩展性好且成本低廉的超声定位系统。
文档编号G01S1/80GK102721942SQ201210225710
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者丁健, 李冰, 王磊, 陈新桥 申请人:中国科学院声学研究所