【室内定位技术】——超声波技术

概述

室内定位系统(IPS-Indoor positioning system)类似于全球定位系统(GPS-Global positioning system ),只是GPS用于全球范围的定位，而IPS用于较小的室内区域以获得更高精度的定位。我们一直依赖谷歌地图、苹果地图、腾讯地图、百度地图、高德地图等应用。在日常基础上。接受这些软件对我们是非常有用的事实，我们必须考虑将其扩展到室内环境中，以便将这种位置便利扩展到建筑物中，从而提供点对点的导航系统。由于建筑物的高信号衰减，GPS不能在室内使用。因此，需要设计一个室内的点到点的导航系统，而不是GPS提供的地点到地点的导航系统。

IPS室内定位有很多不同的技术，UWB、蓝牙、RFID、ZigBee、红外线定位等都各有其优缺点；利用超声波范围进行定位是自然界中常见的技巧。众所周知，蝙蝠依靠回声定位来检测昆虫，发射高达200 kHz的超声波脉冲，并且对极其细微的差异（低至.0001 kHz）很敏感。许多鲸目动物和一些鱼类使用超声波进行导航，狩猎和交流。在陆地上，狗和猫对超声波光谱很敏感，鼩鼱可以在近距离使用超声波来检测穿过草和苔藓的物体。

超声波频谱

超声波是指频率高于20000HZ的一种人耳无法听见的声波，由于人耳的听觉范围在20赫兹-20000赫兹之间，如果声音的震动频率高于20000赫兹人耳就无法听到，因此，习惯上把频率高于20000HZ的声波称为超声波。

超声波被美国国家标准协会定义为“频率大于20 kHz的声音”。在大气压力下的空气中，超声波的波长为1.9厘米或更小

超声波历史

超声波可以追溯到公元前6世纪的毕达哥拉斯，他写了弦乐器的数学性质。蝙蝠中的回声定位是由意大利生物学家斯帕拉捷（Lazzaro Spallanzani）在1794年发现的，当时他证明蝙蝠是通过听不见的声音而不是视觉来狩猎和导航的。弗朗西斯·高尔顿（Francis Galton）在1893年发明了高尔顿哨子，这是一种可调节的哨子，可以产生超声波，他用它来测量人类和其他动物的听觉范围，证明许多动物可以听到超过人类听觉范围的声音。超声波的第一个技术应用是保罗·朗之万（Paul Langevin）公开了第一个使用静电方法（唱歌电容器）的超声波潜艇探测器，在1917年试图探测潜艇。雅克和皮埃尔·居里于1880年发现的压电效应在换能器中很有用，可以在空气和水中产生和检测超声波。

超声波应用

非接触式传感器

超声波液位或传感系统不需要与目标接触；运动传感器和流量测量，常见的超声波应用是自动开门器，其中超声波传感器检测人的接近并打开门

无损检测

超声波检测是一种无损检测，通常用于发现材料中的缺陷并测量物体的厚度，低频超声波（50-500 kHz）也可用于检测密度较低的材料，如木材、混凝土和水泥

焊接接头的超声检查一直是射线照相无损检测的替代方案

超声波厚度测量是用于监测焊缝质量的一种技术

超声波测距

超声波的常见用途是水下范围发现;这种用法也称为声纳，通过测量发射脉冲和接收回波之间的时间差，可以确定距离

超声波成像

医用超声波检查，利用超声产生的波在人体内传播时，通过示波屏显示体内各种器官和组织对超声的反射和减弱规律来诊断疾病

声学显微镜技术：超声波在介质中传播时，若遇到不同密度或弹性系数的物质，会产生反射回波，而此种反射回波强度会因材料密度不同而有所差异，扫描声学显微镜（SAM）利用 此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收的信号变化将之成图像

超声波功率器件

超声波的高功率应用通常使用20 kHz至几百kHz之间的频率。强度可能非常高;高于每平方厘米10瓦，气蚀可以在液体介质中感应，有些应用使用高达每平方厘米1000瓦。这种高强度可以通过直接的机械作用诱导化学变化或产生显着效果，并且可以灭活有害微生物。因此应用这种特性可以做超声波治疗、冶金加工、超声波清洗机、超声波加湿器、超声波焊接

超声波定位

基于超声波的定位系统的应用是对人和移动设备的室内跟踪，但是由于以下三个原因，这些系统很少用于室外环境:(1),室外的温度变化更大，因此建模或补偿更复杂。（2），风会显著降低系统精度。（3），大约10米的距离测量的典型限制对于户外使用是不实际的。尽管超声系统可以通过添加更多的固定节点来扩展，但是由于没有天花板或附近的墙壁，在室外环境中部署节点是有问题的。

对超声波声速vUS最关键的影响是温度t。相关性为

vUS=(331.3 + 0.606 ∙T )米/秒；其中T为是绝对温度，单位为摄氏度(°C)

超声波定位的三种方式

1. 有源设备系统中，移动设备主动发送信号。因此，超声脉冲的传输需要在移动设备之间被很好地调度。有源设备系统的缺点是可扩展性不足，即如果太多使用超声设备的用户聚集在一个房间，信号重叠的机会就会增加。器件间脉冲传输的良好协调方案可能解决这一问题，但代价是降低测量速率
2. 无源系统依赖于永久安装的发射器，该发射器向接收设备广播超声波信号。这种架构的优点是可以保护用户的隐私。移动无源设备只接收信号，不发射任何东西。因此，定位专门在设备上执行，不需要任何网络交互。用户数量可以在没有任何信号重叠风险的情况下进行缩放
3. 回升测距,类似于蝙蝠等几种动物使用的生物声纳，有可能通过发射器向环境发射声音脉冲，并利用返回的回声来定位和识别物体，甚至确定发射器的位置。双耳(即基于两个接收器)定位的原理如下图所示。回声定位系统的优势在于，它们可以在不需要信标或标签的情况下运行

超声波定位成功企业

针对无线室内定位问题，许多学者和研究人员进行了大量的研究，提出了许多有效的室内定位算法。根据定位原理，室内定位算法主要分为两类:时间测距定位和接收信号强度指示(RSSI)定位。基于时间的测距方法主要有:到达时间(TOA)定位、到达时间差(TDOA)定位等。基于TOA的定位算法存在噪声敏感、多径反射和参考时钟不准确、距离估计误差大等缺陷。基于TDOA的定位算法需要设备之间的同步。但由于室内距离有限，距离测量误差较大。

Sonitor IPS Holding AS可以说是一个以超声波技术进行定位应用很成功的一个公司，据说是目前是唯一一家基于超声波的室内跟踪系统的制造商，它使用相对较少的探测器系统（目前每四个房间一个）来监听来自跟踪器的特定信号，并确定哪些跟踪器位于哪个房间中。自从1997年成立以来一直以超声波技术作为其核心计算，经过20多年的发展，其产品已经得到很多客户的认可，尤其是在医疗领域获得了很多客户的认可，从病人的保健，护士呼叫到感染控制，从患者流量到资产管理。

Quad-LT（Location Transmitters 定位发射器）是无线（以太网供电（PoE）可选），多功能，电池供电（4节标准D节1.5V标准电池）设备，安装在天花板上（通过简单的夹子）或墙壁上，并分配唯一标识（ID）。这些LT传输由网关同步的超声波信号，然后由也具有唯一ID的标签/徽章拾取。当标签/徽章从LT接收位置信息时，它们通过Wi-Fi将该位置传达给服务器，在接收信号的确切时刻提供该标签的确切位置。超声LT可以将超声和低频发射器组合在一个单元中，并提高接收超声信号的SmartTags和SmartBadges的定位精度和更新速率。