一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括依次連接的超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元和數(shù)據(jù)處理單元；該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方法：超聲波發(fā)射單元產(chǎn)生兩種不同頻率的超聲波，并以預(yù)定的時(shí)間間隔按預(yù)定的順序發(fā)送超聲波；超聲波接收單元接收超聲波發(fā)射單元發(fā)出的超聲波，濾除干擾雜波，并將處理后的信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元；數(shù)據(jù)處理單元對(duì)超聲波接收單元傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得移動(dòng)物體的三維坐標(biāo)。本發(fā)明通過超聲波發(fā)射單元的特殊設(shè)計(jì)，以及時(shí)間差的應(yīng)用，解決了超聲波發(fā)射端與接收端的時(shí)間同步問題，移動(dòng)物體不需發(fā)射信號(hào)，僅靠接收信號(hào)就能完成定位；定位解算高效，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)物體的空間準(zhǔn)確定位。
【專利說明】一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于室內(nèi)導(dǎo)航定位【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，用于 對(duì)室內(nèi)移動(dòng)物體進(jìn)行定位，本發(fā)明還介紹了該室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 室內(nèi)定位與導(dǎo)航是指實(shí)時(shí)地確定移動(dòng)機(jī)器人的方位，并指引其沿正確路線運(yùn)動(dòng)。 移動(dòng)機(jī)器人的定位方法可分為相對(duì)定位方法和絕對(duì)定位方法。
[0003] 相對(duì)定位技術(shù)主要有航位推測(cè)法和慣性導(dǎo)航法，基本思路都是基于測(cè)量值的累 積，因而無法避免時(shí)間漂移問題。隨著路徑的增長，任何小的誤差經(jīng)過累積都會(huì)無限增加。 因此，相對(duì)定位技術(shù)不適合長距離和長時(shí)間的準(zhǔn)確定位。
[0004] 絕對(duì)定位技術(shù)主要有全球定位系統(tǒng)（GPS)和路標(biāo)定位。目前民用GPS的精度一般 在5到10米，用于移動(dòng)機(jī)器人定位時(shí)存在近距離定位精度低的問題。路標(biāo)定位是一種常見 的定位技術(shù)，路標(biāo)是具有明顯特征的能被機(jī)器人傳感器識(shí)別的特殊物體。根據(jù)路標(biāo)的不同， 分為基于自然路標(biāo)定位和基于人工路標(biāo)定位。其中人工路標(biāo)定位技術(shù)應(yīng)用最為成熟。人工 路標(biāo)是指在機(jī)器人的工作環(huán)境中，人為地設(shè)置一些坐標(biāo)已知的路標(biāo)，機(jī)器人通過對(duì)路標(biāo)的 探測(cè)來確定自身的位置。移動(dòng)機(jī)器人需要利用傳感器才能對(duì)路標(biāo)進(jìn)行感知以獲得環(huán)境信 息。用于感知的傳感器主要分兩類：視覺傳感器和非視覺傳感器。視覺傳感器用于獲取環(huán) 境的視覺信息，而非視覺傳感器用于獲取機(jī)器人與周圍路標(biāo)的距離信息。常用的非視覺傳 感器包括超聲波傳感器、紅外傳感器、激光測(cè)距儀等等。
[0005] 激光測(cè)距儀的測(cè)量結(jié)果精度較高，但是由于其高分辨率造成數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性較 差，而且激光測(cè)距儀的能源消耗較大。紅外線技術(shù)通過移動(dòng)設(shè)備在一個(gè)預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā) 射紅外線，然后接收這些紅外線并利用到達(dá)時(shí)間算法或到達(dá)角度算法計(jì)算目標(biāo)位置，缺點(diǎn) 是紅外線是直線短距離傳播的，容易受太陽光干擾且精確度不是很高。超聲波由于其廉價(jià)、 使用簡單、數(shù)據(jù)處理方便等特點(diǎn)得到了廣泛使用，但由于超聲波傳感器信息量相對(duì)較少、遇 到障礙物會(huì)丟失、受物體反射會(huì)造成虛假信號(hào)，因此其感知信息存在較大的不確定性。
[0006] 目前，常見的基于超聲波的室內(nèi)定位技術(shù)主要有以下幾種方案：
[0007] 第一種為多超聲波定位技術(shù)。該技術(shù)米用全局定位，可在移動(dòng)機(jī)器人身上4個(gè)朝 向安裝4個(gè)超聲波傳感器，將待定位空間分區(qū)，由超聲波傳感器測(cè)距形成坐標(biāo)。采用這種方 法定位，如果遇到平面上有障礙物，必然會(huì)出現(xiàn)定位坐標(biāo)錯(cuò)誤。
[0008] 第二種是采用反射式測(cè)距法。系統(tǒng)由一個(gè)主接收器和若干電子標(biāo)簽組成，主接收 器可放置于移動(dòng)機(jī)器人上，各個(gè)電子標(biāo)簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。先由上位機(jī)發(fā)送信 號(hào)給各個(gè)電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收到信號(hào)后又發(fā)射超聲波傳輸給主測(cè)距器，從而可以確定 各個(gè)電子標(biāo)簽到移動(dòng)機(jī)器人之間的距離，并解算出定位坐標(biāo)。這種方法的缺點(diǎn)是需要采集 發(fā)射點(diǎn)的時(shí)間信號(hào)，即需要上位機(jī)告知移動(dòng)機(jī)器人發(fā)射的時(shí)間點(diǎn)。
[0009] 還有一種常見方法是將超聲波的發(fā)送端放置于移動(dòng)機(jī)器人上，各個(gè)電子標(biāo)簽作為 接收端放置于室內(nèi)空間的固定位置，這樣通過在移動(dòng)機(jī)器人上發(fā)送超聲波，就可以確定各 個(gè)電子標(biāo)簽到移動(dòng)機(jī)器人之間的距離，并解算出定位坐標(biāo)。但是通過這種方法，解算的定位 坐標(biāo)信息在上位機(jī)上，必須與移動(dòng)機(jī)器人建立通信。
[0010] 此外，出現(xiàn)了一種新的方法是將超聲波與射頻技術(shù)（或紅外線等技術(shù)）相結(jié)合進(jìn) 行定位。由于射頻信號(hào)傳輸速率接近光速，遠(yuǎn)高于射頻速率，那么可以利用射頻信號(hào)先激活 電子標(biāo)簽而后使其接收超聲波信號(hào)，利用時(shí)間差的方法測(cè)距。這種方法雖然解決了需要采 集時(shí)間信號(hào)的問題，但是使用射頻技術(shù)必然會(huì)增加大量成本。
[0011] 以上常見超聲波的室內(nèi)定位方法多采用三點(diǎn)測(cè)位方式，即測(cè)量待測(cè)點(diǎn)到三個(gè)坐標(biāo) 已知的固定點(diǎn)之間的距離，然后通過距離交會(huì)法求解出待測(cè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。這種方法在 理論上，有三個(gè)圓相交于一點(diǎn)即移動(dòng)機(jī)器人的位置，但實(shí)際上由于測(cè)量數(shù)據(jù)誤差的存在，這 三個(gè)圓并非相交于一點(diǎn)而是三點(diǎn)，給定位坐標(biāo)帶來較大的誤差。因此，需要對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)定位 方法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種更加合理的室內(nèi)定位系統(tǒng)和方法，從而減小移動(dòng)物體的定位誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 針對(duì)上述現(xiàn)有超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的缺陷，本發(fā)明的主要目的在于設(shè)計(jì)一種基于 超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)。本發(fā)明的室內(nèi)定位系統(tǒng)簡單可行，設(shè)計(jì)合理。通過本發(fā)明的室內(nèi)定 位系統(tǒng)及創(chuàng)新性的定位方法能夠準(zhǔn)確的定出移動(dòng)物體在建立的空間坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。
[0013] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0014] 一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于包括依次連接的超聲波發(fā)射單元、 超聲波接收單元和數(shù)據(jù)處理單元。
[0015] 所述超聲波發(fā)射單元，用于產(chǎn)生兩種不同頻率的超聲波，并以預(yù)定的時(shí)間間隔按 預(yù)定的順序發(fā)送超聲波。
[0016] 所述超聲波接收單元，用于接收超聲波發(fā)射單元發(fā)出的超聲波，濾除干擾雜波，并 將處理后的信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元。
[0017] 所述數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)超聲波接收單元傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得移動(dòng)物體 的三維坐標(biāo)。
[0018] 進(jìn)一步地，所述超聲波發(fā)射單元包括超聲波發(fā)射探頭、單片機(jī)控制單元、信號(hào)傳輸 單元和信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元。
[0019] 所述單片機(jī)控制單元，含有控制器，用于產(chǎn)生遠(yuǎn)程控制信號(hào)，控制超聲波發(fā)射探頭 產(chǎn)生兩種不同頻率的超聲波信號(hào)，并控制超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波信號(hào)的時(shí)間間隔與循 環(huán)方式。
[0020] 所述信號(hào)傳輸單元，通過預(yù)定的通信協(xié)議將單片機(jī)控制單元產(chǎn)生的遠(yuǎn)程控制信號(hào) 遠(yuǎn)距離傳輸給信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元。
[0021] 所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元，包含驅(qū)動(dòng)器，用于增強(qiáng)遠(yuǎn)程控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)超聲波 發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。
[0022] 進(jìn)一步地，所述超聲波接收單元包括信號(hào)放大單元和信號(hào)整形單元。
[0023] 所述信號(hào)放大單元包括超聲波接收探頭和放大器，超聲波接收探頭用于接收超聲 波信號(hào)，并將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻的電壓正弦信號(hào)；放大器用于將電壓正弦信號(hào)進(jìn)行放 大，并將放大后的電壓正弦信號(hào)傳給信號(hào)整形單元。
[0024] 所述信號(hào)整形單元，包括比較器，用于將電壓正弦信號(hào)整形為方波。
[0025] 進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理單元包括溫度傳感器和單片機(jī)處理器。
[0026] 所述溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)測(cè)量室內(nèi)溫度，并將測(cè)得的室內(nèi)溫度傳送給單片機(jī)處 理器。
[0027] 所述單片機(jī)處理器，用于對(duì)超聲波接收單元傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，確定移動(dòng)物體 在空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
[0028] 進(jìn)一步地，所述超聲波發(fā)射探頭為若干個(gè)，所有超聲波發(fā)射探頭在室內(nèi)坐標(biāo)系中 位置已知，彼此之間相對(duì)位置固定，并構(gòu)成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基線對(duì)。
[0029] 進(jìn)一步地，所述超聲波發(fā)射探頭中的一個(gè)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射一種頻率的超聲 波，其余的超聲波發(fā)射探頭均發(fā)射不同于該頻率的超聲波。
[0030] 進(jìn)一步地，所述超聲波發(fā)射探頭按預(yù)定的時(shí)間間隔和預(yù)定的順序發(fā)射超聲波，并 按此循環(huán)。
[0031] 進(jìn)一步地，所述超聲波接收單元和數(shù)據(jù)處理單元均安裝在移動(dòng)物體上。
[0032] 進(jìn)一步地，所述超聲波發(fā)射探頭安裝在室內(nèi)的天花板上。
[0033] 本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步包括：
[0034] 一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)的室內(nèi)定位方法，包括下述步驟：
[0035] 步驟一、單片機(jī)控制單元依次通過信號(hào)傳輸單元和信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元，控制每個(gè)超聲 波發(fā)射探頭以預(yù)訂的時(shí)間間隔依次循環(huán)發(fā)射超聲波信號(hào)，第一個(gè)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲 波的頻率為Π ，其余超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波的頻率為f2。
[0036] 步驟二、超聲波接收單元中的超聲波接收探頭接受傳入的兩種頻率的超聲波信 號(hào)，經(jīng)放大、整形后傳輸給單片機(jī)處理器。
[0037] 步驟三，單片機(jī)處理器在收到超聲波接收單元傳來的信號(hào)后，開始記時(shí)，得到相鄰 兩次超聲波到達(dá)的時(shí)間差，由此時(shí)間差得到移動(dòng)物體到相鄰超聲波發(fā)射探頭的距離差；由 前兩次距離差列出一個(gè)方程組，解得移動(dòng)物體在此坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)；再在另一個(gè)空間坐標(biāo) 系內(nèi)，根據(jù)空間中的幾何關(guān)系，確定出移動(dòng)物體的坐標(biāo)。
[0038] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0039] (1)本發(fā)明通過超聲波發(fā)射單元的特殊設(shè)計(jì)，以及時(shí)間差的應(yīng)用，解決了超聲波發(fā) 射端與接收端的時(shí)間同步問題，待定位物體（移動(dòng)物體）不需要發(fā)射信號(hào)，僅靠接收信號(hào)就 能完成定位，從而高效的實(shí)現(xiàn)了無源定位。
[0040] (2)本發(fā)明通過高效的定位解算算法，可以確定出移動(dòng)物體的空間坐標(biāo)，從而不僅 可以定位出地面上的移動(dòng)物體,也可以定位出空間中的移動(dòng)物體。
[0041] 以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0043] 圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中超聲波發(fā)射單元的具體設(shè)計(jì)方案圖。
[0044] 圖3是本發(fā)明系統(tǒng)中超聲波接收單元與數(shù)據(jù)處理單元的具體設(shè)計(jì)方案圖。
[0045] 圖4是本發(fā)明系統(tǒng)時(shí)間差計(jì)算分析圖。
[0046] 圖5是本發(fā)明系統(tǒng)超聲波接收端解算定位算法分析圖。

【具體實(shí)施方式】
[0047] 現(xiàn)有室內(nèi)定位方法普遍存在的技術(shù)缺陷是對(duì)移動(dòng)物體（待定位物體）的定位誤差 較大，定位不準(zhǔn)確。為此，本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)定位方法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波的 室內(nèi)定位系統(tǒng)，并對(duì)該室內(nèi)定位系統(tǒng)的室內(nèi)定位方法進(jìn)行了介紹。
[0048] 如圖1所示，本發(fā)明的室內(nèi)定位系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、數(shù)據(jù) 處理單元三部分。所述三個(gè)單元都是單向連接的，即超聲波發(fā)射單元產(chǎn)生信號(hào)，信號(hào)經(jīng)超聲 波接收單元傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。進(jìn)一步地，超聲波發(fā)射單元產(chǎn)生兩種不同頻率的超聲波 信號(hào)，經(jīng)過大氣傳播后由超聲波接收單元收到，并將信號(hào)進(jìn)行放大與整形，傳遞給數(shù)據(jù)處理 單元，在數(shù)據(jù)處理單元中通過解算定位算法，確定被移動(dòng)物體的空間坐標(biāo)。
[0049] 三個(gè)單元的具體功能描述如下。超聲波發(fā)射單元，用于產(chǎn)生兩種不同頻率的超聲 波，并以預(yù)定的時(shí)間間隔按預(yù)定的順序發(fā)送超聲波。超聲波接收單元，用于接收超聲波發(fā)射 單元發(fā)出的超聲波，濾除干擾雜波，并將處理后的信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單 元，用于對(duì)超聲波接收單元傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得移動(dòng)物體的三維坐標(biāo)。
[0050] 超聲波發(fā)射單元的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，包括超聲波發(fā)射探頭、單片機(jī)控制單元、 信號(hào)傳輸單元和信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元。
[0051] 超聲波發(fā)射單元中可以包含多個(gè)超聲波發(fā)射探頭，超聲波發(fā)射探頭安裝在室內(nèi)的 天花板上或室內(nèi)較高的位置，所有超聲波發(fā)射探頭處于同一高度，且只有其中的三個(gè)超聲 波發(fā)射探頭處在同一條直線上。此外，超聲波發(fā)射探頭中的一個(gè)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射一種 頻率的超聲波，其余的超聲波發(fā)射探頭均發(fā)射不同于該頻率的超聲波。
[0052] 單片機(jī)控制單元包含有控制器，用于產(chǎn)生遠(yuǎn)程控制信號(hào)，控制超聲波發(fā)射探頭產(chǎn) 生兩種不同頻率的超聲波信號(hào)，并控制超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波信號(hào)的時(shí)間間隔與循環(huán) 方式。
[0053] 信號(hào)傳輸單元，通過預(yù)定的通信協(xié)議將單片機(jī)控制單元產(chǎn)生的遠(yuǎn)程控制信號(hào)遠(yuǎn)距 離傳輸給信號(hào)驅(qū)動(dòng)單兀。
[0054] 信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元包含驅(qū)動(dòng)器，用于增強(qiáng)遠(yuǎn)程控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射 探頭發(fā)射超聲波。
[0055] 在圖2中，超聲波發(fā)射單元通過一個(gè)控制器，運(yùn)用MAX485通信協(xié)議，將控制信號(hào)遠(yuǎn) 距離傳輸給超聲波發(fā)射探頭，并通過非門的連接增加信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。本發(fā)明的室內(nèi)定位 系統(tǒng)可以設(shè)置有四路超聲波發(fā)射單元，每個(gè)超聲波發(fā)射單元分別隔一定時(shí)間間隔發(fā)射一組 超聲波，需要說明的是，四路超聲波發(fā)射單元產(chǎn)生兩種不同頻率的超聲波。超聲波的發(fā)射是 由超聲波發(fā)射探頭實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示，1' 1、1'2、1'3、1'4均為超聲波發(fā)射探頭，其中1' 1為251(的 超聲波發(fā)射探頭，T2、T3、T4皆為40K的超聲波發(fā)射探頭。
[0056] 超聲波接收單元的結(jié)構(gòu)組成包括信號(hào)放大單元和信號(hào)整形單元，如圖3所示。其 中，信號(hào)放大單元包括超聲波接收探頭和放大器。超聲波接收探頭用于接收超聲波信號(hào)，并 將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻的電壓正弦信號(hào)。超聲波發(fā)射探頭為若干個(gè)，安裝在室內(nèi)的天花 板上或室內(nèi)較高的位置，所有超聲波發(fā)射探頭在室內(nèi)坐標(biāo)系中位置已知，彼此之間相對(duì)位 置固定，并構(gòu)成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基線對(duì)。放大器用于將電壓正弦信號(hào)進(jìn)行放大，并將放大后的電 壓正弦信號(hào)傳給信號(hào)整形單元。所述信號(hào)整形單元，包括比較器，用于將電壓正弦信號(hào)整形 為方波。
[0057] 在圖3中，&表示25K的超聲波接收探頭，R2表示40K的超聲波接收探頭。札與 馬在接收到超聲波發(fā)射端（超聲波發(fā)射探頭）傳來的超聲波信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)化為同頻的電 壓正弦信號(hào)。由于超聲波發(fā)射探頭與超聲波接收探頭的距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致接收到的信號(hào)比較 微弱，因此需通過放大器放大到一定幅度，再通過比較器將正弦信號(hào)整形為方波信號(hào)。整形 后的方波信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元。
[0058] 整形后的方波信號(hào)傳送到MSP430單片機(jī)處理器中進(jìn)行處理，通過定位算法得到 移動(dòng)物體的具體坐標(biāo)值。由于超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響，因此通過溫度傳感 器測(cè)得溫度，將得到的結(jié)果傳到MSP430單片機(jī)處理器上可算出此時(shí)聲波在空氣中的傳播 速度v。MSP430單片機(jī)處理器在定位后，可以通過與電腦間的串口通信，將定位結(jié)果傳到PC 機(jī)上，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
[0059] 從上述描述可以看出，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位的基本思路是：在天花板或較高位置安放 四個(gè)超聲波發(fā)射探頭，其中第一個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射頻率定為Π ，其余探頭的發(fā)射頻率選為 f2。發(fā)射單元使用一個(gè)控制器控制發(fā)射端的每個(gè)探頭，以一定的時(shí)間間隔依次循環(huán)發(fā)射超 聲波，該時(shí)間間隔越小，每次定位所需時(shí)間越小，但應(yīng)當(dāng)大于超聲波通過房間對(duì)角線所需時(shí) 間。在移動(dòng)物體上安放超聲波接收單元與數(shù)據(jù)處理單元。當(dāng)移動(dòng)物體接收到第一個(gè)發(fā)射探 頭的超聲波時(shí)，開始進(jìn)行計(jì)時(shí)，接收到后面三個(gè)探頭的超聲波的時(shí)間分別為t 2、t3、t4，從而 利用超聲波定位解算算法進(jìn)行解算，解算完后再等待接收第一個(gè)探頭的超聲波作為下一次 定位的起始，從而循環(huán)進(jìn)行定位解算。
[0060] 為了更好地理解本發(fā)明室內(nèi)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的原理，現(xiàn)結(jié)合具體的定位 過程進(jìn)行描述。如圖4所示，四個(gè)超聲波發(fā)射探頭每隔30ms發(fā)一組超聲波信號(hào)，即?\先發(fā) 一組25Κ的超聲波信號(hào)，30ms后，Τ 2發(fā)一組40Κ的超聲波信號(hào)，過30ms，Τ3發(fā)一組40Κ的超 聲波信號(hào)，再過30ms，Τ 4發(fā)一組40Κ的超聲波信號(hào)。Λ &為超聲波發(fā)射探頭?\發(fā)出25Κ超 聲波信號(hào)到超聲波接收探頭&接收到信號(hào)需的時(shí)間，△ t2為超聲波發(fā)射探頭發(fā)出40Κ超聲 波信號(hào)到超聲波接收探頭R2接收到信號(hào)需的時(shí)間，△ t3為發(fā)射端T3發(fā)出40K超聲波信號(hào)到 超聲波接收探頭R2接收到信號(hào)需的時(shí)間，△ t4為發(fā)射端Τ4發(fā)出40Κ超聲波信號(hào)到超聲波接 收探頭馬接收到信號(hào)需的時(shí)間。
[0061] 測(cè)量札、測(cè)量Μ2、測(cè)量Μ3分別是通過MSP430單片機(jī)處理器測(cè)得的時(shí)間值。由圖4 可知 Δ?^-Δ?^: (M2-30)ms;At4-At3= (M3_30)ms。
[0062] 在如圖5所示的空間直角坐標(biāo)系中，?\為25K的超聲波發(fā)射探頭，T2、T 3、T4分別為 40Κ的超聲波發(fā)射探頭，且相鄰超聲波發(fā)射探頭?\與Τ2、Τ 2與Τ3、Τ3與Τ4的距離皆為2Cl。 超聲波發(fā)射探頭?\、T 2、T3、T4位于同一平面上，T4、T3所在的直線垂直于?\、T 2、T3所在的直 線。超聲波接收探頭R的坐標(biāo)為（x，y，z)。qi、q 2、q3分別表示為抑3、1^'、1?1'4的長度。
[0063] ai為超聲波發(fā)射探頭T2與?\到超聲波接收探頭R的距離差，即圖5中的RI^-RTi。 a2為超聲波發(fā)射探頭T3與T2到超聲波接收探頭R的距離差，即圖5中的RT 3-RT2。根據(jù)雙 曲線的定義，到兩點(diǎn)的距離差為常數(shù)的點(diǎn)在雙曲線上，由距離差叫、a 2可以聯(lián)立兩個(gè)雙曲線 方程，得到方程組①，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于包括依次連接的超聲波發(fā)射單元、超 聲波接收單元和數(shù)據(jù)處理單元； 所述超聲波發(fā)射單元，用于產(chǎn)生兩種不同頻率的超聲波，并以預(yù)定的時(shí)間間隔按預(yù)定 的順序發(fā)送超聲波； 所述超聲波接收單元，用于接收超聲波發(fā)射單元發(fā)出的超聲波，濾除干擾雜波，并將處 理后的信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元； 所述數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)超聲波接收單元傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得移動(dòng)物體的三 維坐標(biāo)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波發(fā)射 單元包括超聲波發(fā)射探頭、單片機(jī)控制單元、信號(hào)傳輸單元和信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元； 所述單片機(jī)控制單元，含有控制器，用于產(chǎn)生遠(yuǎn)程控制信號(hào)，控制超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生 兩種不同頻率的超聲波信號(hào)，并控制超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波信號(hào)的時(shí)間間隔與循環(huán)方 式； 所述信號(hào)傳輸單元，通過預(yù)定的通信協(xié)議將單片機(jī)控制單元產(chǎn)生的遠(yuǎn)程控制信號(hào)遠(yuǎn)距 離傳輸給信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元； 所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元，包含驅(qū)動(dòng)器，用于增強(qiáng)遠(yuǎn)程控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射 探頭發(fā)射超聲波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波接收 單元包括信號(hào)放大單元和信號(hào)整形單元； 所述信號(hào)放大單元包括超聲波接收探頭和放大器，超聲波接收探頭用于接收超聲波信 號(hào)，并將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻的電壓正弦信號(hào)；放大器用于將電壓正弦信號(hào)進(jìn)行放大，并 將放大后的電壓正弦信號(hào)傳給信號(hào)整形單元； 所述信號(hào)整形單元，包括比較器，用于將電壓正弦信號(hào)整形為方波。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單 元包括溫度傳感器和單片機(jī)處理器； 所述溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)測(cè)量室內(nèi)溫度，并將測(cè)得的室內(nèi)溫度傳送給單片機(jī)處理 器； 所述單片機(jī)處理器，用于對(duì)超聲波接收單元傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，確定移動(dòng)物體在空 間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波發(fā)射 探頭為若干個(gè)，所有超聲波發(fā)射探頭在室內(nèi)坐標(biāo)系中位置已知，彼此之間相對(duì)位置固定，并 構(gòu)成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基線對(duì)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波發(fā) 射探頭中的一個(gè)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射一種頻率的超聲波，其余的超聲波發(fā)射探頭均發(fā)射不 同于該頻率的超聲波。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波發(fā) 射探頭按預(yù)定的時(shí)間間隔和預(yù)定的順序發(fā)射超聲波，并按此循環(huán)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波接收 單元和數(shù)據(jù)處理單元均安裝在移動(dòng)物體上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波發(fā) 射探頭安裝在室內(nèi)的天花板上。
10. -種基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)的室內(nèi)定位方法，其特征在于包括下述步驟： 步驟一、單片機(jī)控制單元依次通過信號(hào)傳輸單元和信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元，控制每個(gè)超聲波發(fā) 射探頭以預(yù)訂的時(shí)間間隔依次循環(huán)發(fā)射超聲波信號(hào)，第一個(gè)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波的 頻率為Π ，其余超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波的頻率為f2 ; 步驟二、超聲波接收單元中的超聲波接收探頭接受傳入的兩種頻率的超聲波信號(hào)，經(jīng) 放大、整形后傳輸給單片機(jī)處理器； 步驟三，單片機(jī)處理器在收到超聲波接收單元傳來的信號(hào)后，開始記時(shí)，得到相鄰兩次 超聲波到達(dá)的時(shí)間差，由此時(shí)間差得到移動(dòng)物體到相鄰超聲波發(fā)射探頭的距離差；由前兩 次距離差列出一個(gè)方程組，解得移動(dòng)物體在此坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)；再在另一個(gè)空間坐標(biāo)系內(nèi)， 根據(jù)空間中的幾何關(guān)系，確定出移動(dòng)物體的坐標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01S5/26GK104062633SQ201410330642
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】張華 , 許錄平, 焦榮, 謝春暉, 周偉, 孫景榮, 宋詩斌, 申洋赫, 閆博 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)