[发明专利]多目标三维超声跟踪定位系统和方法

权利要求书

1.一种多目标三维超声跟踪定位系统，其特征包括：

发射组件，包含超声发射器和红外发射器，用于周期的发射超声信号和红外信号，将他们分别安装在相应目标上，超声和红外信号都采用频分复用的方式实现所述目标的区分；

接收组件，包含超声接收组件和红外接收组件，其中超声接收组件包含三个超声信号接收处理单元，用于接收和处理所述的发射单元发射的超声信号，红外接收组件包含红外接收处理单元，用于接收和处理所述的发射单元发射的红外信号；三个超声接收处理单元位于三角形的三个顶点，红外接收处理单元位于三角形内部，超声接收处理单元与红外接收处理单元一起协调完成三维空间的目标跟踪定位；

信号处理与显示组件，包括控制单元和LCD显示单元，用于自动增益、响应红外信号、采样超声信号、提取超声时延、计算和显示定位目标位置；控制单元由多路A/D采样电路、存储器、处理器及外围电路组成，完成自动增益控制、数字滤波、时延提取、坐标计算和传送；LCD显示单元由LCD驱动芯片和LCD显示屏组成，用于显示目标的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的多目标三维超声跟踪定位系统，其特征在于，接收组件中超声接收单元与红外接收单元位置是：三个超声接收单元分布在等边三角形的顶点，红外接收处理单元位于等边三角形内部。

3.根据权利要求1或2所述的多目标三维超声跟踪定位系统，其特征在于：接收组件中三个超声接收处理单元均包含覆盖多个频率的麦克接收器和相同的超声信号处理单元，该超声信号处理单元包括低噪滤波电路、放大电路、陷波器电路和自动增益控制电路；红外接收处理单元包含多种频率的红外接收头和相同的外围处理电路，用以实现分压功能。

4.根据权利要求3所述的多目标三维超声跟踪定位系统，其特征在于：

陷波器电路采用正反馈的双T型带阻滤波器，根据RC谐振，滤除固定频率的信号，实现多个目标超声信号的分离；

自动增益控制电路采用基于AD603的放大电路与反馈回路相结合，处理器根据接收到超声信号的幅度，给控制引脚高低电平信号，从而调节超声信号放大倍数，实现目标远近无缝切换。

5.根据权利要求1所述的多目标三维超声跟踪定位系统，其特征在于多目标是指跟踪目标数大于等于2的情况，由于不同的超声信号发射器和红外信号发射器发射的超声和红外信号是具有不同频率的，任意两目标发射的超声信号的频率间隔至少为15KHz，非等间隔分布；任意两目标发射的红外信号的频率间隔至少为18KHz，非等间隔分布。

6.一种多目标三维超声跟踪定位方法，其特征在于包括下列步骤：

1）将不同频率的超声信号发射器和红外信号发射器安装在不同目标上，用于周期的发射超声和红外信号，不同频率的红外信号作为相应目标的时基信号；

2）各个超声信号接收处理单元中的麦克接收器用于接收上述的超声发射器发射的超声信号，红外接收处理单元中的红外接收头用于接收处理红外发射器发射的红外信号；

3）在超声接收处理单元中，先利用低噪滤波和放大电路将接收到微弱的超声信号低噪处理并放大，再经过陷波器电路，对其进行陷波器滤波，不同频率的超声信号最终被送到不同的A/D通道中；

4）当目标超声信号幅度衰减至70%时，由处理器控制启动自动增益控制电路，增加放大倍数，提高定位精度，实现目标远近的无缝切换；

5）控制单元定时检测是否有新目标进入，当控制单元检测到有目标发送的红外信号到达后，根据红外信号的频率，开始对匹配目标频率的超声信号采样，由于红外光的速度近似为光速，故接收到红外信号的时刻作为超声信号开始发射的时刻；

6）控制单元对超声信号采样结束后，通过内部的数字滤波器，滤除影响定位的其他目标频率的超声信号，最终获得只包含待定位目标的超声信号。

7）经过数字滤波器之后，通过过零检测方法，对超声信号采样后的数据分析处理，得到超声信号到达的时间延迟，从而可以计算出目标到达各个麦克接收器的距离，最后利用三维空间中的几何关系，得到目标位置；

8）LCD显示与控制单元间传输目标三维空间位置坐标时，在XYZ各轴坐标前分别增加字符X、Y、Z，保证目标位置三维坐标传输的实时性和无误性。

7.根据权利要求6所述多目标三维超声跟踪定位方法，其特征在于：

步骤3）所述的陷波器电路采用正反馈的双T型带阻滤波器，根据RC谐振和正反馈原理，用以滤除谐振频率点处的信号。