一种基于超声波的目标定位和追踪系统

摘要

本发明公开了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无线收发模块、带至少3个不共线的发射点的超声波发射模块以及第一处理器；所述的接收端包括第二无线收发模块、超声波接收模块以及第二处理器；服务器通过接收上传的至少3个超声波信号的传播时间和传播速率，计算发射点到目标的距离，求解目标的控制位置。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。

主权项

1.一种基于超声波的目标定位和追踪系统，其特征在于，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；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；第一无线收发模块，将计时信号无线发射；接收计时数据传输给第一处理器；带3个不共线发射点的超声波发射模块，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；所述的超声波发射模块由数模转换器、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；所述的接收端包括：第二无线收发模块，无线接收计时信号输入第二处理器；将计时数据无线发射；超声波接收模块，接收超声波信号；所述的超声波接收模块由超声波接收器、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；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；定位和追踪时，第一处理器控制超声波发射模块的每个发射超声波发射器以一定间隔时间依次发出超声波信号，同时控制第一无线收发模块发出计时信号，第二无线收发模块接收计时信号输入第二处理器，第二处理器控制超声波接收模块接收超声波信号并开始计时；第二处理器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模块和第一无线收发模块上传给第一处理器，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；所述的求解过程为：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，第一处理器从温度传感器读取温度数值，从湿度传感器读取湿度数值，从大气压传感器读取大气压信息，计算出当前的超声波波速K；$K=\sqrt{\frac{\mathrm{\gamma RT}}{M}}$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；式中为当前的相对湿度，p_s为当前温度下的饱和蒸汽压，p为当前气压，M_v为水蒸气摩尔质量，M_g为干燥空气摩尔质量；依据如下公式，联合各超声波信号的传播时间Δt₀、Δt₁、Δt₂，计算出目标的空间位置：${(x_0-x)}^2+{(y_0-y)}^2+{(z_0-z)}^2=K^2{\mathrm{\Delta t}}_0^2$${(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=K^2{\mathrm{\Delta t}}_1^2$${(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=K^2{\mathrm{\Delta t}}_2^2$（x₀,y₀,z₀）、（x₁,y₁,z₁）、（x₂,y₂,z₂）为三个超声波发射器所位于的空间点坐标值，（x,y,z）为携带接收端的目标的空间点坐标值；在一次定位完成后，重复上述步骤，跟踪绘制出目标在空间中的位置轨迹。