超聲波三維定位系統(tǒng)及其定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間定位裝置，尤指一種超聲波三維定位系統(tǒng)及其定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，小范圍（諸如室內(nèi)）定位技術(shù)主要是三種：1·無線電定位，各個(gè)頻段的都 有（RFID技術(shù)也可以歸為此類），其原理是通過測量無線電信號(hào)的強(qiáng)度來確定位置，系統(tǒng)復(fù) 雜、定位精度不高（米級(jí)）；2.視覺定位，這種方法主要是基于攝像機(jī)采集到的地標(biāo)的圖像， 采用幾何方法來確定位置，其缺陷主要在于對(duì)攝像頭要求較高（需要標(biāo)定），對(duì)計(jì)算能力要 求較高（需要進(jìn)行圖像處理），一旦地標(biāo)脫離攝像機(jī)的視野則無法定位，因而這類系統(tǒng)成本 高、功耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；3.超聲波定位，這種方法的原理主要是測試通過測量超聲波從多個(gè) 發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的傳送時(shí)間，計(jì)算多個(gè)發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)之間的距離，然后利用幾何的方法 求出接收點(diǎn)的位置，這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位精度較高（厘米級(jí)），已經(jīng)在室內(nèi)機(jī) 器人定位中得到應(yīng)用。目前，超聲波三維定位主要采用一個(gè)發(fā)射器和多個(gè)接收器的方式對(duì) 發(fā)射器的位置進(jìn)行定位，不能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行三維定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種能夠在一定的空間區(qū)域內(nèi)，為多個(gè)目標(biāo)提供較 為精確三維位置信息的超聲波三維定位系統(tǒng)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種超聲波三維定位系統(tǒng)，包括至少一 發(fā)射模塊、至少一接收模塊、上位機(jī)，其中所述發(fā)射模塊包括第一微控制器，第一供電模塊， 第一時(shí)鐘模塊，第一通信模塊，同步信號(hào)發(fā)射接收模塊，至少三個(gè)超聲波發(fā)射模塊，所述超 聲波發(fā)射模塊設(shè)置在坐標(biāo)已知且不共線間的位置上；所述第一時(shí)鐘模塊、第一通信模塊、同 步信號(hào)發(fā)射接收模塊、超聲波發(fā)射模塊分別與第一微控制器連接；所述接收模塊包括第二 微控制器，第二供電模塊，第二時(shí)鐘模塊，第二通信模塊，同步信號(hào)接收模塊、至少一個(gè)超聲 波接收模塊；所述第二供電模塊、第二時(shí)鐘模塊、第二通信模塊、同步信號(hào)接收模塊、超聲波 接收模塊分別與第二微控制器相連；所述發(fā)射模塊和接收模塊通過同步信號(hào)發(fā)射接收模塊 與同步信號(hào)接收模塊進(jìn)行時(shí)間同步信號(hào)連接，所述第二通信模塊與上位機(jī)通信連接。
[0005] 具體地，所述超聲波發(fā)射模塊包括超聲波驅(qū)動(dòng)電路和超聲波發(fā)射探頭，所述超聲 波驅(qū)動(dòng)電路的輸入端與第一微控制器連接，超聲波驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與超聲波發(fā)射探頭連 接；所述超聲波接收模塊包括超聲波接收探頭和超聲波信號(hào)調(diào)理電路，所述超聲波信號(hào)調(diào) 理電路的輸入端與超聲波接收探頭，超聲波信號(hào)調(diào)理電路的輸出端與第二微控制器連接。
[0006] 具體地，所述接收模塊還包括氣溫濕度與大氣壓強(qiáng)測量模塊，所述溫濕度與大氣 壓強(qiáng)測量模塊與上位機(jī)或第二微控制器連接，包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器。
[0007] 具體地，所述時(shí)間同步信號(hào)采用光信號(hào)、有線電信號(hào)或無線電信號(hào)。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種如權(quán)利要求1所述超聲波三維定位系統(tǒng)的定位 方法，包括以下步驟：
[0009] a.將發(fā)射模塊中至少三個(gè)以上超聲波發(fā)射模塊安裝在坐標(biāo)已知且不共線的位置 上；
[0010] b.發(fā)射模塊中，第一微控制器控制同步信號(hào)發(fā)射接收模塊發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)，再 控制超聲波發(fā)射模塊以已知時(shí)間間隔輪流發(fā)射超聲波信號(hào)；
[0011] c.接收模塊中，通過同步信號(hào)接收模塊接收步驟b中的時(shí)間同步信號(hào)并發(fā)送給第 二微控制器，通過至少一個(gè)超聲波接收模塊接收步驟b中的超聲波信號(hào)并發(fā)送給第二微控 制器；
[0012] d.第二微控制器記錄接收到步驟c中時(shí)間同步信號(hào)后，開始記錄步驟c中超聲波 接收模塊接收到的每個(gè)超聲波信號(hào)的時(shí)刻，并對(duì)超聲波接收模塊接收到的每個(gè)超聲波信號(hào) 的時(shí)刻進(jìn)行處理計(jì)算得出超聲波接收模塊的空間位置，再通過第二通信模塊發(fā)給上位機(jī)；
[0013] e.重復(fù)步驟a-d。
[0014] 具體地，超聲波發(fā)射模塊包括超聲波驅(qū)動(dòng)電路和超聲波發(fā)射探頭，第一微控制器 控制超聲波驅(qū)動(dòng)電路生成超聲波信號(hào)并放大，通過超聲波發(fā)射探頭發(fā)射；超聲波接收模塊 包括超聲波接收探頭和超聲波信號(hào)調(diào)理電路，超聲波接收探頭將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過 超聲波信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波、整形后發(fā)送給第二微控制器。
[0015] 具體地，還包括氣溫濕度與大氣壓強(qiáng)測量模塊，所述氣溫濕度與大氣壓強(qiáng)測量模 塊與第二通微控制器連接，包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器，其中溫度傳感器、濕 度傳感器、氣壓傳感器分別收集獲得大氣溫度、濕度和壓強(qiáng)值并發(fā)送給第二微控制器，第二 微控制器結(jié)合所述大氣溫度、濕度和壓強(qiáng)值及步驟d中得出的超聲波接收模塊的空間位置 數(shù)值進(jìn)行再處理，進(jìn)一步得出超聲波接收模塊的空間位置，再通過第二通信模塊發(fā)送給上 位機(jī)。
[0016] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種超聲波三維定位系統(tǒng)的定位方法，其特征在于， 包括以下步驟：
[0017] a.將發(fā)射模塊中至少三個(gè)以上超聲波發(fā)射模塊安裝在坐標(biāo)已知且不共線的位置 上；
[0018] b.發(fā)射模塊中，第一微控制器控制同步信號(hào)發(fā)射接收模塊發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)，再 控制超聲波發(fā)射模塊以已知時(shí)間間隔輪流發(fā)射超聲波信號(hào)；
[0019] c.接收模塊中，通過同步信號(hào)接收模塊接收步驟b中的時(shí)間同步信號(hào)并發(fā)送給第 二微控制器，通過至少一個(gè)超聲波接收模塊接收步驟b中的超聲波信號(hào)并發(fā)送給第二微控 制器；
[0020] d.第二微控制器記錄接收到步驟c中時(shí)間同步信號(hào)后，開始記錄步驟c中超聲波 接收模塊接收到的每個(gè)超聲波信號(hào)的時(shí)刻，并通過第二通信模塊發(fā)給上位機(jī)；
[0021] e.上位機(jī)對(duì)步驟d中的數(shù)值進(jìn)行處理計(jì)算得出超聲波接收模塊的空間位置；
[0022] f.重復(fù)步驟a-e。
[0023] 具體地，還包括氣溫濕度與大氣壓強(qiáng)測量模塊，所述氣溫濕度與大氣壓強(qiáng)測量模 塊與上位機(jī)連接，包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器，其中溫度傳感器、濕度傳感 器、氣壓傳感器分別收集獲得大氣溫度、濕度和壓強(qiáng)值并發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)結(jié)合所述大 氣溫度、濕度、壓強(qiáng)值及步驟e中得出的超聲波接收模塊的空間位置數(shù)值進(jìn)行再處理，進(jìn)一 步得出超聲波接收模塊的空間位置。
[0024] 由于時(shí)間同步信號(hào)的延遲遠(yuǎn)小于超聲波信號(hào)的延遲，從而可以計(jì)算出超聲波接收 模塊接收到超聲波發(fā)射模塊所發(fā)出的超聲波的時(shí)間延遲，從而計(jì)算出超聲波接收模塊與超 聲波發(fā)射模塊之間的距離，然后根據(jù)三角定位方法計(jì)算出超聲波接收模塊的空間位置；
[0025] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0026] 1.多目標(biāo)定位：能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行定位，由于采用接收端定位的方式，發(fā) 射模塊僅提供時(shí)間同步和超聲波基準(zhǔn)信號(hào)，接收模塊與超聲波接收模塊數(shù)量的多少對(duì)發(fā)射 端沒有影響。
[0027] 2.定位精度高：采用本系統(tǒng)所述的方式定位精度可達(dá)Icm以下。
[0028] 3.成本低：本發(fā)明的成本遠(yuǎn)低于基于無線電或者視覺技術(shù)的三維定位系統(tǒng)的成 本。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的模塊框圖；
[0030] 圖2是超聲波發(fā)射與接收模塊結(jié)構(gòu)框圖；
[0031] 圖3是本發(fā)明的定位原理圖；
[0032] 圖4是本發(fā)明的定位時(shí)序圖。
[0033] 附圖標(biāo)號(hào)說明：1_發(fā)射模塊；10-第一微控制器；11-第一供電模塊；12-第一時(shí)鐘 模塊；13-第一通信模塊；14-同步信號(hào)發(fā)射接收模塊；15-超聲波發(fā)射模塊；151-超聲波驅(qū) 動(dòng)電路；152-超聲波發(fā)射探頭；2-接收模塊；20-第二微控制器；21-第二供電模塊；22-第 二時(shí)鐘模塊；23-第二通信模塊；24-同步信號(hào)接收模塊；25-超聲波接收模塊；251-超聲波 接收探頭；252-超聲波信號(hào)調(diào)理電路；26-氣溫濕度與大氣壓強(qiáng)測量模塊；3-上位機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0035] 請參閱圖1-4所示，本發(fā)明關(guān)于一種超聲波三維定位系統(tǒng)，包括一發(fā)射模塊1、一 接收模塊2、上位機(jī)3，
[0036] 所述發(fā)射模塊1包括第一第一微控制器10,第一供電模塊11，第一時(shí)鐘模塊12,第 一通信模塊13,同步信號(hào)發(fā)射接收模塊14,四個(gè)超聲波發(fā)射模塊15,所述超聲波發(fā)射模塊 15設(shè)置在坐標(biāo)已知且不共線間的位置上；所述第一時(shí)鐘模塊12、第一通信模塊13、同步信 號(hào)發(fā)射接收模塊14、超聲波發(fā)射模塊15分別與第一微控制器10連接，所述第一供電模11 塊為發(fā)射模塊1供電；
[0037] 所述接收模塊2包括第二微控制器20,第二供電模塊21，第二時(shí)鐘模塊22,第二通 信模塊23,同步信號(hào)接收模塊24、四個(gè)超聲波接收模塊25 ;所述第二時(shí)鐘模塊22、第二通信 模塊23、同步信號(hào)接收模塊24、超聲波接收模塊25分別與第二微控制器20相連，所述第二 供電模塊21為接收模塊2供電；
[0038] 所述發(fā)射模塊1和接收模塊2通過同步信號(hào)發(fā)射接收模塊14與同步信號(hào)接收模 塊24進(jìn)行時(shí)間同步信號(hào)連接，所述第二通信模塊23與上位機(jī)3通信連接，其中時(shí)間同步信 號(hào)米用紅外光信號(hào)，超聲波發(fā)射模塊15包括超聲波驅(qū)動(dòng)電路151和超聲波發(fā)射探頭152,第 一微控制器10控制超聲波驅(qū)動(dòng)電路151生成超聲波信號(hào)并放大，通過超聲波發(fā)射探頭152 發(fā)射，超聲波接收模塊25由超聲波接收探頭251和超聲波信號(hào)調(diào)理電路252構(gòu)成，超聲波 信號(hào)調(diào)理電路252用來對(duì)超聲波接收探頭251接收