專利名稱：一種利用超聲波進(jìn)行三維定位的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用超聲波進(jìn)行三維定位的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著物流以及人員管理應(yīng)用的井噴式發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的人員或物品跟蹤管理定位技術(shù)。定位技術(shù)為人員權(quán)限管理、禁止區(qū)域授權(quán)管理、進(jìn)出入管理等人員身份識別應(yīng)用提供了極大的方便。同時(shí)為各種物品跟蹤、室內(nèi)導(dǎo)航等應(yīng)用提供了確切的技術(shù)途徑。目前市場上較常見的定位技術(shù)采用2. 4GHz無線定位技術(shù)，在這其中分為能量檢測和時(shí)間到達(dá)估計(jì)兩個大類。該兩類產(chǎn)品都具有明顯的限制，如成本高、室內(nèi)環(huán)境應(yīng)用誤差大以及能耗高等。Takahiro Mishima等在會議(Conference on Cybernetics and Intelligent System)上公開了基于大范圍射頻識別感知的移動系統(tǒng)(Toward Construction of a Mobile System with Long-range RFID Sensors ；),提出了全方位定位的構(gòu)想，但該系統(tǒng)也存在上述問題。微軟公司研制的RADAR采用了基于能量檢測的方法， 由于針對使用環(huán)境數(shù)學(xué)建模較復(fù)雜，導(dǎo)致容易丟失信號，成本高，誤差大。CN1595348A公開了一種遙控?zé)o線定位電子白板系統(tǒng)，包括筆劃感應(yīng)器、信號筆、板擦、和普通書寫白板，還包括遙控器，該遙控器可采用通用的無線電遙控器，至少應(yīng)具有四個按健，具有將遙控信息發(fā)送出去的調(diào)制模塊和天線。信號筆機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，能耗高， 不能依靠電池長時(shí)間工作。CN101029931A公開了一種超聲波定位裝置和定位方法，它包括可發(fā)射超聲波的信號筆、超聲波接收模塊、主處理模塊，當(dāng)信號筆位于書寫平面上時(shí)，通過輕觸開關(guān)控制信號筆的超聲波發(fā)射模塊發(fā)射周期性的超聲波脈沖信號；設(shè)置在定位范圍內(nèi)的至少四個超聲波接收模塊分別接收超聲波信號，并分別放大輸出至主處理模塊；主處理模塊的自動增益電路將各個接收方向上的超聲波信號放大，并通過脈沖轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號；信號選通電路可選擇輸入各方向的脈沖信號，主處理模塊的微處理器依據(jù)該各方向上接收超聲波的時(shí)間和超聲波的波速，計(jì)算出坐標(biāo)點(diǎn)值，實(shí)現(xiàn)定位。該定位系統(tǒng)能夠覆蓋的范圍過小，無法實(shí)現(xiàn)大范圍的定位和追蹤過程，由于超聲波筆一直處于發(fā)射狀態(tài)，同樣導(dǎo)致功率過大，無法依靠電池連續(xù)工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種利用超聲波進(jìn)行三維定位的方法，解決了現(xiàn)有定位系統(tǒng)由于超聲波發(fā)射模塊設(shè)置在被測物上導(dǎo)致無法長時(shí)間連續(xù)工作的問題。—種利用超聲波進(jìn)行三維定位的方法，包括在同一區(qū)域周期性同時(shí)發(fā)出至少三路頻率互異的超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射點(diǎn)固定且不共線；被測物所在點(diǎn)接收所有超聲波信號，測算每路超聲波信號從各自的發(fā)射點(diǎn)傳播到被測物所在點(diǎn)的時(shí)間，聯(lián)合超聲波傳播速率，求解得到被測物所在點(diǎn)的空間位置。
如當(dāng)只發(fā)出三路超聲波信號時(shí)，因?yàn)槌暡ㄐ盘柕陌l(fā)射點(diǎn)是固定的，因此在三維空間坐標(biāo)系中，它們的坐標(biāo)是已知，分別為P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (X2, y2, Z2)，P3 (X3，Y3, Z3)，而超聲波的傳播速率K也是已知的，如果設(shè)被測物的坐標(biāo)為P (X，y，ζ)，則通過如下方程可以計(jì)算得到被測物的坐標(biāo)。(xrx)2+ (yi-y)2+ (Z1-Z)2 = K2、2(x2-x) 2+ (y2-y) 2+ (z2-z) 2 = K2t22
(x3-x) 2+ (y3-y) 2+ (z3"z) 2 = Kh32其中tl，t2，t3為三路超聲波信號從各自發(fā)射點(diǎn)傳播到被測物所在點(diǎn)的時(shí)間。由于現(xiàn)有定位系統(tǒng)，它所采用的超聲波信號頻率一般為40KHZ，方向性較強(qiáng)，而且發(fā)射源固定在被測物上，導(dǎo)致系統(tǒng)需要在周圍布置多個接收器，而且體積較大，功耗很高， 導(dǎo)致它不能連續(xù)長時(shí)間工作，本發(fā)明超聲波信號頻率采用16 24KHz，覆蓋范圍廣，而且功耗低。優(yōu)選的，每個周期內(nèi)超聲波信號發(fā)射持續(xù)為1 2ms，間隔周期為5 10ms。本發(fā)明還提供了一種利用超聲波進(jìn)行三維定位的系統(tǒng)，包括發(fā)射端和固定在被測物上的接收端，所述的發(fā)射端包括超聲波發(fā)射模塊，包括至少三個不共線的超聲波信號發(fā)射點(diǎn)，所有超聲波發(fā)射點(diǎn)周期性同時(shí)發(fā)出頻率互異的超聲波信號；第一無線收發(fā)模塊，在超聲波發(fā)射模塊發(fā)出超聲波信號的同時(shí)，發(fā)出計(jì)時(shí)射頻信號；第一處理器，控制超聲波發(fā)生模塊和第一無線收發(fā)模塊協(xié)同工作；所述的接收端包括超聲波接收模塊，接收超聲波發(fā)射模塊發(fā)送的超聲波信號；第二無線收發(fā)模塊，接收計(jì)時(shí)射頻信號，輸出至第二處理器；第二處理器，對從各自發(fā)射點(diǎn)傳播到超聲波接收模塊的每路超聲波信號進(jìn)行計(jì)時(shí)；每路超聲波信號從各自發(fā)射點(diǎn)傳播到超聲波接收模塊的時(shí)間依次通過第二無線收發(fā)模塊和第一無線收發(fā)模塊上傳到第一處理器，第一處理器聯(lián)合超聲波信號的傳播速率計(jì)算被測物的空間位置。優(yōu)選的，上述系統(tǒng)包括連接第一處理的溫度傳感器和濕度傳感器，可以根據(jù)環(huán)境的實(shí)際溫度和濕度對超聲波信號傳播速率進(jìn)行補(bǔ)償。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在本發(fā)明改變了傳統(tǒng)的超聲波發(fā)射器和超聲波接收器的位置，采用被測物體接收超聲 波信號的方式，大幅度的減小了被測物體上附著裝置的體積，降低了對能量的消耗，在不更換電池的狀況下可以大大延長系統(tǒng)使用壽命。本發(fā)明采用三種以上頻率的超聲波同時(shí)發(fā)射，使得定位過程大大加快，降低了系統(tǒng)的通信碰撞概率，使得系統(tǒng)更加健壯。本發(fā)明采用2. 4GHz電磁波信號作為同步計(jì)時(shí)信號，使得系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)的使用紅外光信號進(jìn)行同步帶來的一系列問題，擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍以及定位區(qū)域的范圍。


圖1為本發(fā)明三維定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示系統(tǒng)第一處理器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1所示系統(tǒng)中超聲波發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖1所示系統(tǒng)中超聲波接收模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明正弦信號電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明無線收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為系統(tǒng)分析時(shí)各測試點(diǎn)的坐標(biāo)示意圖；圖8為系統(tǒng)分析利用matlab計(jì)算得到的定位誤差分布圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種利用超聲波的三維定位系統(tǒng)，包括發(fā)射端1和接收端2，使用時(shí)接收端固定在被測物上。發(fā)射端由第一處理器11、第一無線收發(fā)模塊12和超聲波發(fā)射模塊 13組成，接收端2由第二處理器21、第二無線收發(fā)模塊22和超聲波接收模塊23組成。如圖2所示，第一處理器11采用32位的ARM處理器(Tl公司的LM3S6611)，它兩個輸入管腳連接溫度傳感器111和濕度傳感器112，一個輸出管腳連接第一無線收發(fā)模塊 12，其余三個輸出管腳連接超聲波發(fā)射模塊13。如圖3所示，超聲波發(fā)射模塊包括三路發(fā)射超聲波信號的電路，分別與第一處理器11的三個輸出管腳連接。每路電路由正弦信號電路131、信號功率放大電路132和超聲波換能器133組成，三路正弦信號電路產(chǎn)生頻率分別為18KHz、20KHz和22KHz的正弦信號， 最終超聲波發(fā)射模塊發(fā)出相應(yīng)頻率的超聲波信號，三個超聲波換能器不共線。正弦信號電路采用如圖5所示的文氏振蕩電路，它以運(yùn)算放大器Ql (ADI公司的 0P27)為核心，將電容C1、C2和電阻R3、R4組成的阻容網(wǎng)絡(luò)跨接在運(yùn)算放大器Ql輸出端和反向輸入端從而形成反饋回路，這是振蕩的關(guān)鍵部分。電阻Rl、R2組成分壓網(wǎng)絡(luò)跨接在運(yùn)算放大器Ql的輸出端和正向輸入端，調(diào)節(jié)輸出電壓值。如圖4所示，超聲波接收模塊22由超聲波換能器221、三個無源電感電容帶通濾波器222、223、224以及三個多重反饋帶通濾波器225、226、227組成。超聲波換能器將接收到超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，三個無源電感電容濾波器222、223、224分別對18KHz、20KHz和 22KHz的電信號進(jìn)行濾波處理，輸出分別耦合入多重反饋帶通濾波器225、226、227后接到第二處理器的通用管腳上。第二處理器可以采用TI公司的單片機(jī)MSP430F2012無線收發(fā)模塊包括接收天線602、發(fā)射天線603以及無線芯片601 (Nordic公司的 nRF24L01+)。它可以發(fā)射出2. 4GHz的無線信號，它在空氣中傳播速率為光速3X 108m/s，而超聲波在室溫空氣下的傳播速率為340m/s。在有限的距離內(nèi)，相對于超聲波的傳播時(shí)間，電磁波的傳播時(shí)間可以忽略。上述系統(tǒng)的工作過程如下接收端安裝在被測物上，第一處理器11使用定時(shí)器產(chǎn)生周期性定時(shí)中斷，每個周期5ms，中斷到來時(shí)，第一處理器11控制第一無線收發(fā)模塊12發(fā)出2. 4GHz的無線信號，同時(shí)觸發(fā)三路正弦信號電路產(chǎn)生頻率為18KHz、20KHz和22KHz的正弦信號，經(jīng)功率放大電路放大后激發(fā)換能器產(chǎn)生超聲波信號。超聲波換能器連續(xù)發(fā)出Ims超聲波信號后，停止發(fā)送， 等待定時(shí)器再次產(chǎn)生定時(shí)中斷。第二無線收發(fā)模塊22接收到2. 4GHz的無線信號后，輸出至第二處理器21，第二處理器開始計(jì)時(shí)，同時(shí)超聲波接收模塊23開始接收超聲波信號。第二處理器將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，當(dāng)?shù)絹硇盘柍^0. 5倍電源電壓時(shí)認(rèn)為有超聲波信號到來，記錄三路超聲波信號達(dá)到的時(shí)間，分別為t1; t2，t3。由于無線信號的傳播速率為光速，相對于超聲波的傳播時(shí)間，它的傳播時(shí)間可以忽略不計(jì)。假如超聲波發(fā)射模塊中三個超聲波換能器在三維空間中的坐標(biāo)為P1 (Xl，Y1, Z1)， P2 (x2, y2，Z2)，P3 (x3, y3，z3)，超聲波的傳播速率為K，K為根據(jù)環(huán)境實(shí)際溫度和濕度經(jīng)過矯正的，實(shí)際溫度和濕度通過溫度傳感器和濕度傳感器測量得到，公式如下
權(quán)利要求
1.一種利用超聲波進(jìn)行三維定位的方法，包括在同一區(qū)域周期性同時(shí)發(fā)出至少三路頻率互異的超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射點(diǎn)固定且不共線；被測物所在點(diǎn)接收所有超聲波信號，測算每路超聲波信號從各自的發(fā)射點(diǎn)傳播到被測物所在點(diǎn)的時(shí)間，聯(lián)合超聲波傳播速率，求解得到被測物所在點(diǎn)的空間位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的超聲波信號頻率為16 MKHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個周期內(nèi)超聲波信號發(fā)射持續(xù)為1 ans，間隔周期為5 10ms。
4.一種利用超聲波進(jìn)行三維定位的系統(tǒng)，包括發(fā)射端和固定在被測物上的接收端，其特征在于，所述的發(fā)射端包括超聲波發(fā)射模塊，包括至少三個不共線的超聲波信號發(fā)射點(diǎn)，所有超聲波發(fā)射點(diǎn)周期性同時(shí)發(fā)出頻率互異的超聲波信號；第一無線收發(fā)模塊，在超聲波發(fā)射模塊發(fā)出超聲波信號的同時(shí)，發(fā)出計(jì)時(shí)射頻信號；第一處理器，控制超聲波發(fā)生模塊和第一無線收發(fā)模塊協(xié)同工作；所述的接收端包括超聲波接收模塊，接收超聲波發(fā)射模塊發(fā)送的超聲波信號；第二無線收發(fā)模塊，接收計(jì)時(shí)射頻信號，輸出至第二處理器；第二處理器，對從各自發(fā)射點(diǎn)傳播到超聲波接收模塊的每路超聲波信號進(jìn)行計(jì)時(shí)；每路超聲波信號從各自發(fā)射點(diǎn)傳播到超聲波接收模塊的時(shí)間依次通過第二無線收發(fā)模塊和第一無線收發(fā)模塊上傳到第一處理器，第一處理器聯(lián)合超聲波信號的傳播速率計(jì)算被測物的空間位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括連接第一處理的溫度傳感器和濕度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用超聲波進(jìn)行三維定位的方法及系統(tǒng)，該方法包括在同一區(qū)域周期性同時(shí)發(fā)出至少三路頻率互異的超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射點(diǎn)固定且不共線；被測物所在點(diǎn)接收所有超聲波信號，測算每路超聲波信號從各自的發(fā)射點(diǎn)傳播到被測物所在點(diǎn)的時(shí)間，聯(lián)合超聲波傳播速率，求解得到被測物所在點(diǎn)的空間位置。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)的超聲波發(fā)射器和超聲波接收器的位置，采用被測物體接收超聲波信號的方式，大幅度的減小了被測物體上附著裝置的體積，降低了對能量的消耗，在不更換電池的狀況下可以大大延長系統(tǒng)使用壽命。
文檔編號G01S15/06GK102156285SQ201110062928
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者付濤, 任陽, 吳正玨 申請人:杭州華韻天略電子科技有限公司