一种基于眼镜架的头部运动轨迹射频追踪系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线定位和追踪系统，尤其是涉及一种基于眼镜架的头部运动轨迹射 频追踪系统。
【背景技术】
[0002] 无线定位和追踪是近年来随着无线通信的发展而被广泛应用的一种新兴技术手 段，目前它在飞行器控制、虚拟人机交互、远程医疗、残疾人生活辅助等领域有广泛的应用 前景。目前相关的技术主要有光学和射频两种技术手段。
[0003] 对于光学定位和追踪来说，主要是在红外和可见光频段，通过多摄像头采集图像 进行分析和识别，根据目标尺寸和角度的变化得到物体的姿态和位置。此种技术无法应用 于有障碍物的场合，在阳光直射和光线条件不好的情况下效果也会很差。
[0004]射频定位和追踪技术包括WIFI、蓝牙、RFID、UWB、A0A(Angle of Arrival)、 TOA (Time of Arrival)、TD0A (Time Difference of Arrival)HFI、蓝牙和RFID技术是基 于RSSI信号传输强度的衰减来进行距离估计和定位的，此种方法定位精度很差。UWB技术 可以进行高精度定位，但是收发装置复杂，性能指标和部署环境要求高，难以应用和推广。 Α0Α技术其原理是利用收发装置之间的方向偏移信息来判断目标的相对位置，它对天线的 指向性要求较高，实现复杂度高，精度较差。Τ0Α和TD0A技术在同一频率点通过多个已知位 置的基站接收被定位目标的无线信号，并根据收到信号的时间或时间差来计算目标位置。
【发明内容】
[0005] 为了获得人头部的姿态和位置以及运动轨迹，本发明的目的在于提供一种基于眼 镜架的头部运动轨迹射频追踪系统，安装于眼镜架和定位信息接收装置上的多发多收的射 频系统，在五个频率通道上同时进行信号的收发，利用射频信号的传输延时获得眼镜架上 不同部位相对定位信息接收装置的位置信息，从而计算出佩戴者头部的空间位置和姿态， 以追踪人的头部运动信息。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明包括装有中频信号源S，不在同一平面上的四个射频信号发射模块A、B、C、 D及各自的天线和一个射频信号接收模块0及其天线的眼镜架，眼镜架的眼镜腿内置3. 7V 锂电池供电，中频信号源S与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接，射频信号接收模块0与 四个射频信号发射模块A、B、C、D连接；
[0008] 装有不在同一平面上的四个射频信号接收模块A'、B'、C'、D'及各自的天线和一 个射频信号发射模块〇'及其天线的定位信息接收装置，定位信息接收装置用5V有源直流 电源供电；
[0009] 所述眼镜架上的天线为线极化偶极子天线；所述定位信息接收装置上的天线为圆 极化窄带贴片天线；眼镜架和定位信息接收装置之间通过天线连接。
[0010] 所述射频信号接收模块〇,由工作频率为2. 4GHz的线极化偶极子天线、2. 4GHz低 噪声放大器、2. 4GHz窄带带通滤波器和2. 4GHz-4. 8GHz的倍频器构成。
[0011] 所述四个射频信号发射模块A、B、C、D结构相同，均由工作频率为4. 8GHz的射频 信号和10-40MHZ的中频信号的混频器、对应混频器输出频率的4. 8GHz窄带带通滤波器、功 率放大器和4. 8GHz的线极化偶极子发射天线构成。
[0012] 所述中频信号源S，由晶振产生频率10MHz的fA信号，并通过倍频电路输出等幅 度的10ΜΗζ、20ΜΗΖ、30ΜΗΖ、40ΜΗζ四组中频信号分别通过窄带带通滤波输送到各自的射频 信号发射模块A、B、C、D。
[0013] 所述射频信号发射模块0'，由2. 4GHz的单点射频载频输入与基带信号L进行混 频，然后在2. 4GHz进行滤波和放大，通过圆极化窄带贴片天线发送信号。
[0014] 所述四个射频信号接收模块A'、B'、C'、D'结构相同，均由4. 8GHz的圆极化窄带 贴片接收天线、4. 8GHz的低噪声放大器、对应工作频率的窄带滤波器、与4. 8GHz的载频信 号进行下混频解调的混频器以及对应不同模块的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz的中频滤波 器和各自的放大器构成。
[0015] 所述定位信息接收装置内，包括多通道模数转换电路和数字处理电路FPGA，多通 道模数转换电路的四个通道分别与数字处理电路FPGA中的距离计算模块A、距离计算模块 B、距离计算模块C和距离计算模块D连接，数字处理电路FPGA内部的伪随机序列发生器产 生一个伪随机序列L，一路传输至射频信号发射模块0'，另一路分别传输至所述四个距离 计算模块，并与解调出的基带信息进行卷积，通过位置姿态计算得到位置和姿态信息。
[0016] 本发明具有的有益效果是：
[0017] 本发明不同于传统的Τ0Α和TD0A定位系统，它利用多个频率收发多个参考点之间 的时延，每对参考点都既是定位目标也是定位参考基站。通过两组多个模块构成的收发装 置，可以实时精确地算出装置之间的相对位置和姿态。
[0018] 不同于传统的光学追踪方法，本发明通过多发多收的射频系统进行定位，工作过 程克服了障碍物的阻挡和工作场合光照不足等不利因素的影响。本发明结构紧凑，系统占 用空间小，便于佩戴，可应用于飞行器控制、虚拟人机交互、远程医疗、残疾人生活辅助等场 合。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明的系统装置结构图。
[0020] 图2是本发明的系统整体结构框图。
[0021] 图3是图2中0处的原理电路图。
[0022] 图4是图2中A、B、C、D处的原理电路图。
[0023] 图5是图2中八'』'、(：'、0'处的原理电路图。
[0024] 图6是图2中0'处的原理电路图。
[0025] 图7是与A/D相连的FPGA内部结构原理框图。
[0026] 图8是图7的距离计算模块电路图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对和实施例对本发明作进一步说明。
[0028] 如图1所示，本发明它包括装有中频信号源S，不在同一平面上的四个射频信号发 射模块A、B、C、D及各自的天线和一个射频信号接收模块0及其天线的眼镜架，眼镜架的眼 镜腿内置3. 7V锂电池供电，中频信号源S与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接，射频信 号接收模块〇与四个射频信号发射模块A、B、C、D连接；
[0029] 装有不在同一平面上的四个射频信号接收模块A'、B'、C'、D'及各自的天线和一 个射频信号发射模块〇'及其天线的定位信息接收装置，定位信息接收装置用5V有源直流 电源供电；
[0030] 所述眼镜架上的天线为线极化偶极子天线；所述定位信息接收装置上的天线为圆 极化窄带贴片天线；眼镜架和定位信息接收装置之间通过天线连接。
[0031] 如图3所示，所述射频信号接收模块0,由工作频率为2. 4GHz的线极化偶极子天 线、2. 4GHz低噪声放大器、2. 4GHz窄带带通滤波器和2. 4GHz-4. 8GHz的倍频器构成。
[0032] 如图4所示，所述四个射频信号发射模块A、B、C、D结构相同，均由工作频率为 4. 8GHz的射频信号和10-40MHZ的中频信号的混频器、对应混频器输出频率的4. 8GHz窄带 带通滤波器、功率放大器和4. 8GHz的线极化偶极子发射天线构成。
[0033] 如图2所示，所述中频信号源S，由晶振产生频率10MHz的fA信号，并通过倍频电 路输出等幅度的10MHz、20MHz、30MHz、40MHz四组中频信号分别通过窄带带通滤波输送到 各自的射频信号发射模块A、B、C、D。
[0034] 如图6所示，所述射频信号发射模块0'，由2. 4GHz的单点射频载频输入与基带信 号L进行混频，然后在2. 4GHz进行滤波和放大，通过圆极化窄带贴片天线发送信号。
[0035] 如图5所示，所述四个射频信号接收模块A'、B'、C'、D'结构相同，均由4. 8GHz的圆 极化窄带贴片接收天线、4. 8GHz的低噪声放大器、对应工作频率的窄带滤波器、与4. 8GHz 的载频信号进行下混频解调的混频器以及对应不同模块的1〇ΜΗζ、20ΜΗΖ、30ΜΗΖ、40ΜΗζ的 中频滤波器和各自的放大器构成。
[0036] 如图7所示，所述定位信息接收装置内，包括多通道模数转换电路和数字处理电 路FPGA，多通道模数转换电路的四个通道分别与数字处理电路FPGA中的距离计算模块Α、 距离计算模块Β、距离计算模块C和距离计算模块D连接，数字处理电路FPGA内部的伪随机 序列发生器产生一个伪随机序列L，一路传输至射频信号发射模块0'，另一路分别传输至 所述四个距离计算模块，并与解调出的基带信息进行卷积，通过位置姿态计算得到位置和 姿态信息。
[0037] 如图1、图7所示，定位信息接收装置上A'、Β'、C'、D'、0'模块之间的相对位置已 知，眼镜架上A、B、C、D、0模块之间的相对位置已知。将其分别视为空间点A、B、C、D、0、Α'、 Β'、C'、D'、0'。则根据眼镜架上A、B、C、D、0五点相对位置可列出方程组：
[0038]
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[0040]
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[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 同理，定位信息接收装置上A'、B'、C'、D'、0'五点之间位置关系方程组也相同。
[0049] 如果眼镜架上A、B、C、D四点和定位信息接收装置上A'、B'、C'、D'四点之间的距 离已知，同时将定位信息接收装置作为参考位置，根据前述公式确定A'、B'、C'、D'四点的 坐标，同时，则可列出如下4组方程式：