如何为信标选择超声波频率？
快速提示：选相同频率还是不同频率？
适用于95%情况的简短回答：如果购买Super-Beacon或Industrial Super-Beacon，请尽可能多选 不同 的频率。这能让系统具有更大的灵活性和自由度：
- 适用于IA
- 适用于MF NIA
- 适用于NIA
简介
Marvelmind精确室内定位系统 依托两项关键技术：
本文主要讨论第一个主题——三边测量，回答如何在Marvelmind信标的不同超声波频率之间做出选择，以及为什么这样选。
这里不详细讨论 无线电连接 。不过请记住，您的信标和调制解调器必须支持相同的无线电频段，例如868/915MHz频段。433MHz频段的Beacons HW v4.9不能与915MHz频段的Beacons HW v4.9或915MHz频段的Super-Beacon混用。
详见 无线电连接.
钢铁厂的真实超声波信号示例
以下示波图是钢铁厂的真实示例：
- 装在Industrial-RX信标上的Horn接收到的信号（左）
- 仅用Industrial Beacon主麦克风接收的信号（右）
注意以下几点：
- 较低频率（19kHz-22kHz）上的外部噪声较高
- 带Horn的信标信号明显强于不带Horn的信标
- 带Horn的信标噪声明显更低，这是屏蔽效应所致：外部声学噪声来自地面，而Horn安装在靠近天花板处或指向水平方向，因为它用于桥式起重机的定位
- 较高频率（34kHz和37kHz）的超声波信号强度明显下降；45kHz的信号更弱（未显示）。
- 较高频率（34kHz-45kHz）的外部噪声明显更低
帮助：如何使用内置示波器
示波器是深入调试系统的实用工具。通过它可以看到系统“听到”了什么，并识别：
- 噪声
- 信噪比
- 可能触发错误测距的虚假信号
为什么需要不同的超声波频率？
潜在用户自然会有这样的疑问：
- 信标应该使用相同的频率还是不同的频率？
- 如何为信标选择合适的频率，为什么？
- 不同超声波频率在实际使用中有哪些差异？
为了简化选择，我们为机器人、无人机、叉车、人员等提供了不同的套件。购买这些套件，就已经得到了配好正确频率的推荐信标配置。
但为什么这样推荐？这些建议和信标选型背后的原理是什么？下面深入讨论。
问： 好吧。但为什么一开始要选用谐振换能器？为什么不用宽带“超声波扬声器”之类的器件？
答： 确实可以用宽带超声波扬声器发射超声波，这会简化系统。但这类扬声器产生的超声波信号通常弱得多，从而限制了系统的工作距离。例如，Marvelmind室内定位系统可以轻松地与30米外的信标配合工作；使用Marvelmind Horn时，距离可达120米。
效率低：要产生与谐振换能器同样强度的超声波信号，需要多得多的能量。
问： 那为什么不给超声波扬声器加大功率，产生强超声波信号呢？
答： 这也可以。但由于非谐振的宽带超声波扬声器效率通常很低，要产生与谐振换能器相同强度的超声波信号，需要多得多的能量。这意味着使用宽带扬声器的信标必须始终由外部电源供电，而这往往会成为此类信标的限制因素。
尽管如此，仍然可以用低效率的宽带超声波扬声器构建系统。在许多情况下，这可能是很好的选择，为构建精确室内定位系统带来新的灵活性。
问： 那么，不同频率的信标有什么用？
答： 既然不能用调制，就可以在时间上或频率上把不同的超声波信号分开。
时分多址（TDMA）更直接，这正是NIA的基础：在约50米范围的开阔空间内，不会同时发射超声波信号。这种系统简单可靠，但随着发射超声波的移动信标数量增加，每个移动信标的更新率会按比例下降。也就是说，如果整个系统的更新率为16Hz，那么一个移动信标的更新率为16Hz；两个移动信标为16Hz/2=8Hz；十个移动信标则为1.6Hz，依此类推。对许多应用来说，这太慢了。
此外，在某些情况下，让移动信标发射超声波并不方便，例如佩戴在人身上时，因为信标会发出虽然轻微、但仍能察觉的“嘀嗒”声：这是一个极短的超声波脉冲，人听起来像“嘀嗒”一声。人耳听不到超声波，但超声波脉冲含有微弱的可闻频率成分，可能会打扰人，在安静的区域尤其如此。让“嘀嗒”作响的信标，即发射超声波的信标，位于5-30米之外要好得多，这时在实际中根本察觉不到这种声音。
但要区分同时发射的超声波信号，它们必须使用不同的频率。
频率接近的超声波信号不易通过滤波分开，而短脉冲的发射频谱又相当宽。因此，系统可用的超声波频率数量在实际中是有限的。但总体而言，频率越多，就越容易构建由几十个子地图组成的大型地图，无人机集群的表现也越好。
Marvelmind室内定位系统支持八种超声波频率：
- 19kHz
- 22kHz
- 25kHz
- 28kHz
- 31kHz
- 34kHz
- 37kHz
- 45kHz
下面将讨论不同超声波频率在实际使用中的差异，并建议订购时为信标选择哪些频率。
其他快速提示
- 需要很远的作用距离（1D模式下配合Horn可达120米）？选择19kHz-25kHz
- 外部声学噪声大、距离在30米以内？——选择31kHz-45kHz
- 如需更高的灵活性，请选购尽可能多种频率的信标
超声波发射频率无法通过软件更改
请记住， 发射用的超声波频率不能随意设置。信标的超声波频率由其超声波换能器决定。Marvelmind Robotics为信标所用的每一种超声波频率专门定制了超声波换能器。
同时，Super-Beacon、Industrial Super-Beacon、Mini-RX以及由它们衍生、支持IA的产品（如头盔、背心、胸牌、帽子等）都可以接收一种、几种或全部超声波频率，而且可以同时接收，因为它们的接收麦克风是宽带的，信标的数字滤波器能够区分不同的超声波频率。
总结如下：
- 超声波发射频率 由硬件决定，无法通过软件更改
- 超声波接收频率由软件决定，可以轻松更改 （适用于Super-Beacon及其他带数字滤波器的设备）。用户无需任何操作，系统会自动选择正确的频率
- 较早期的Beacons HW v4.9采用模拟滤波器，同一时间只支持一个接收频率和一个发射频率。不过，Beacons HW v4.9有5种频率可选（19kHz、25kHz、31kHz、37kHz、45kHz）
选择相同还是不同的超声波频率？
何时为信标选择相同的超声波频率？
在某些情况下，必须为信标选择相同的超声波频率，或者选择相同频率更合适、更值得推荐。也有一些情况下，选哪种频率其实无关紧要，最终决定可能取决于其他因素，例如供货情况或价格：
1）以下情况请选择相同频率：例如，您已有 Beacons HW v4.9 （31kHz），正在运行 NIA 架构，并希望扩展系统:
- 假设您想为现有系统增购Beacons HW v4.9，以覆盖更大区域、构建更多子地图或跟踪更多移动目标。这种情况下，您 必须 使用相同的超声波频率，因为Beacons HW v4.9无法同时接收不同的超声波频率——它们的模拟滤波器不够陡峭，不像 Super-Beacon的数字滤波器那样。因此，如果您已有31kHz的信标，就必须订购新的31kHz Beacons HW v4.9
- 顺便说明：Beacons HW v4.9已无现货，也不再生产，但仍处于软件维护模式：新版本软件仍然支持它们，只是不再为其开发新功能。 Beacons HW v4.9 正逐步被 Super-Beacon取代，后者几乎在各方面都更强大，是Marvelmind室内“GPS”的主力产品
2）在NIA中，可以添加任意频率的固定 Super-Beacon ，用于扩展基于 Beacons HW v4.9 （31kHz）的系统：
- 如果要扩展由31kHz Beacons HW 4.9构建的系统，可以直接为 固定 信标选购任意超声波频率的Super-Beacon。Super-Beacon可以接收任意一种超声波频率，也可以同时接收全部频率。因此，Beacons HW v4.9-31与任意频率的Super-Beacon完全可以混合用作 固定 信标。不过，该系统中的 移动 信标仍必须只用Super-Beacons-31kHz，因为即使是Super-Beacon也只能以其换能器的固有频率发射超声波。如果您已有31kHz的Beacons HW v4.9，那么 新的移动 Super-Beacon必须是31kHz，而 固定 Super-Beacon可以是任意频率，因为它们只接收超声波、不发射超声波，详见 NIA
- 顺便说明：Beacons HW v4.9目前仍有库存，但已处于软件维护模式：新版本软件仍然支持它们，但不再开发新功能，也不再生产新批次。Beacons HW v4.9正逐步被Super-Beacon取代，后者几乎在各方面都更强大，是Marvelmind室内“GPS”的主力产品。剩余Beacons HW v4.9的主要优势在于价格较低
影响超声波频率选择的因素有哪些？
有几个因素会影响信标超声波频率的选择：
- 所需的作用距离或子地图大小，即能够可靠测量的最大距离
- 典型宽带声学噪声的水平
- 定位系统的精度
- 来自其他声源的潜在干扰或声学噪声，例如窄带或宽带开关电源、荧光灯
发射强度
- 25kHz
- 19kHz、22kHz、28kHz
- 31kHz、34kHz
- 37kHz
- 45kHz
- 外部声学噪声大——在45kHz频段噪声最低
- 45kHz的超声波波长最短，因此理论上精度最高
接收灵敏度
- 25kHz
- 19kHz、22kHz、28kHz
- 31kHz、34kHz
- 37kHz
- 45kHz
- 25kHz附近有一个峰值，即麦克风在该频率附近异常灵敏。同样，25kHz换能器看起来整体上功率也是最强的
- 19kHz——刚好低于峰值的频率
- 22kHz和28kHz——位于峰值附近及其上方
- 31kHz——开始变弱，但总体较平坦
- 34kHz、37kHz和45kHz——仍相对平坦，只是灵敏度略低
空气吸收导致的随距离衰减
道理很简单：频率越低，衰减越小。一般建议用较低的频率获得更远的作用距离。不过要记住，其他因素（首先是外部声学噪声）可能对最终的信噪比产生很大影响。
因此，强烈建议在工厂车间现场进行实际测试，例如：
- 将信标面对面放置，相距30-50米，保持直接视距
- 使用内置示波器测量不同超声波频率的信号（即使用几个不同超声波频率的信标），并比较信噪比。更多信息见下方示例
更多信息请参阅：
- http://resource.npl.co.uk/acoustics/techguides/absorption/
- http://www.sengpielaudio.com/calculator-air.htm
例如，按公式计算，19kHz的衰减约为0.5dB/m，45kHz约为1.5dB/m，在30米距离上两者相差约30dB。这差距很大！——幅度相差30多倍，功率相差1000倍。
出人意料的是，实际中各频率之间的差别确实很大，但没有这么大。不过如前所述，影响因素很多（灵敏度、发射效率、方向性等）
不同频率在实际中有何区别？
19kHz
- 在我们提供的各频率中，它在空气中的衰减最低，因此推荐用于超长子地图，距离可达120米，需配合使用 Horn
- 非标准频率——受外部干扰的可能性较低
- 严格来说，19kHz并不属于超声波：它仍处于人耳可听的频率范围（20-20,000Hz）内。这意味着当人距离信标不到2-3米时，不仅可能听到脉冲声，还可能听到音调本身；由于脉冲的音调非常高（处于听觉边缘），人们可能会觉得相当刺耳
- 不建议用于博物馆等安静场所
- 不建议在人员附近使用
- 它的频率最接近工厂车间的典型声学噪声。因此，必须实际测量信噪比。由于空气衰减低，信号在远距离上可能仍然很强，但外部噪声也可能很强。因此，信噪比未必理想
22kHz
- 空气吸收低，适合远距离和超长子地图
- 人耳已听不到
- 发射强
- 预期外部噪声比22kHz略低
- 非标准频率——受外部干扰的可能性较低
25kHz
- 总体发射信号最强
- 空气衰减低——推荐用于大型子地图
- 麦克风灵敏度非常高（对该频率的外部噪声同样敏感）
- 25kHz是通用频率，市场上也有其他超声波设备使用这一频率。因此可能存在外部窄带干扰，例如机器人中的避障传感器等通用设备
28kHz
- 发射信号仍然较强
- 空气衰减适中
- 非标准频率——受外部干扰的可能性较低
31kHz
- 我们典型的“默认”频率，因为它各方面都居中：发射仍较强，外部噪声已较弱，空气衰减仍较低，等等
- 发射信号仍然较强
- 空气衰减适中
- 非标准频率——受外部干扰的可能性较低
34kHz
- 总体上与31kHz相近，但空气衰减略高，外部噪声略低。因此，整体信噪比大致相同——具体取决于噪声的频谱特性（“颜色”）和子地图内的距离
- 非标准频率——受外部干扰的可能性较低
37kHz
- 信号明显较弱，距离远时尤其如此
- 外部噪声较低，因此非常适合受外部噪声限制的系统，而不是受信号强度限制的系统
- 波长更短，潜在精度更高
45kHz
- 外部噪声水平最低——非常适合噪声大的应用
- 超声波信号波长最短，潜在精度最高
- 空气衰减最高——不建议用于较大的子地图
- 可能受到工作在42kHz或44kHz的其他外部系统的干扰
超声波会影响人和动物吗？
实践表明，在安静的房间里，人们能听到发射超声波的信标发出的轻微滴答声；而动物，即使是可能听得到超声波的动物，对此也毫不在意，至少它们的行为完全没有变化。
我们认为，发射超声波的信标以约8Hz的频率发出的短促（0.5-1.5毫秒）超声波脉冲，在动物听来只是响亮的滴答声，仅此而已——与人能听到的类似，只是更响。无论如何，动物对附近是否有信标都无动于衷。
虽然信标工作在人耳听不到的超声波频段，而且发射的是非常短的脉冲，因此平均发射信号（即超声波噪声水平）约为峰值的1/1000，但我们仍建议让发射超声波的信标与人员保持至少2-3米的距离，把长期暴露于超声波可能产生影响的概率降到最低。
超声波信号很容易被阻挡，位于墙壁、门甚至一张纸后面的信标，其超声波信号很可能被完全挡住。正因如此，我们才如此重视直接视距对精确跟踪的重要性。2-3米的建议仅适用于与人耳之间有直接视距的超声波发射信标。