一種用于模擬座艙內的超聲波無線位移測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于模擬座艙內的超聲波無線位移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：發(fā)射裝置，發(fā)射超聲波并偵測攜帶該發(fā)射裝置的移動物體的速度、方向以及角度；多個接收器，接收發(fā)射裝置中的超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波；位置計算器，與發(fā)射裝置和多個接收器以無線方式連接，根據獲得的數據計算移動物體的實時位置、修正位置以及最優(yōu)位置估計值，并利用計算所獲得的多個位置計算移動物體的準確位置。
【專利說明】一種用于模擬座艙內的超聲波無線位移測量方法及系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種位移測量方法及系統(tǒng)，尤其是一種用于模擬座艙內的超聲波無線位移測量方法及系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]使用虛擬現實技術開發(fā)的人機交互平臺已得到越來越廣泛的關注，整個系統(tǒng)由模擬座艙、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及控制臺五大部分組成，是綜合了機器設計、液壓或電動控制、數學建模、計算機圖形學、人機交互、網絡通訊等多學科的前沿技術，無論在軍用還是在民用方面都有廣闊的應用前景。其中模擬座艙系統(tǒng)是虛擬現實技術在航空航天、車輛制造、船只設計中最成功的應用，其技術的改進對于新機型的研發(fā)、駕駛員的培訓有著重要的意義。
[0003]位移測量是工業(yè)中經常遇到的一個問題。針對不同用途和要求(從測量范圍、精度要求、測量條件等考慮)，位移測量有多種測量技術。同核輻射測位移、微波測位移、光學測位移等相比，超聲波測位移有很多優(yōu)點，與放射性技術相比不需防護；與目前的激光測距相比，超聲技術雖在精度上略遜一籌，但比較簡單、價格低廉；更重要的是在惡劣環(huán)境下，激光測距將受到嚴重干擾，此時超聲測量的高精度就會體現出來。
[0004]傳統(tǒng)的超聲波測距，設計單一，數據傳輸過程繁瑣，且需要TXD、RXD與計算機相連完成數據通訊。另外，由于模擬座艙內空間小，又有儀表、駕駛桿、腳蹬等多個設備同時操作，超聲波在小空間內傳導會產生波形疊加，影響測量數值的準確性。因此，傳統(tǒng)的方法不能完成模擬座艙內超聲波精確測距的要求。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，針對上述缺陷，提供一種用于模擬座艙內的超聲波無線位移測量方法及系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明提供一種用于模擬座艙內的超聲波無線位移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:發(fā)射裝置，包括發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射器，偵測攜帶該發(fā)射裝置的移動物體的速度、方向以及角度的修正裝置，無線傳輸裝置以及處理裝置；多個接收器，接收發(fā)射裝置中的超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波，并發(fā)送信息至位置計算器；位置計算器，包括:接收單元，接收多個接收器以無線的方式發(fā)送的信息以及無線傳輸裝置以無線的方式發(fā)射的修正裝置所獲得的速度、方向以及角度數據；實時位置計算單元，使用接收器發(fā)送的信息計算移動物體的實時位置；修正位置計算單元，使用修正裝置提供的速度、方向以及角度數據計算移動物體的修正位置；估算位置計算單元，使用最小均方誤差為最佳估計準則，采用超聲波信號的狀態(tài)空間模型，利用前一時刻的位置估計值和當前時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出當前時刻的最優(yōu)位置估計值；控制單元，利用上述獲得的移動物體的實時位置、修正位置以及最優(yōu)位置估計值，計算移動物體的準確位置。
[0007]其中超聲波發(fā)射器連接處理裝置，在處理裝置的控制下發(fā)射超聲波并在發(fā)射的超聲波中攜帶二元組[EptLEi為超聲波發(fā)射器i的ID，該ID是系統(tǒng)預先分配給超聲波發(fā)射器的，可以在該系統(tǒng)內唯一標識該超聲波發(fā)射器，t是發(fā)射此次超聲波的時間。
[0008]其中接收器從接收的超聲波中解析出二元組[Ei, t]，根據該二元組形成四元組[Ei, Rj, Pj, Dij],其中Ei為發(fā)射器的ID，Rj為接收器的ID，Pj為該接收器j的位置數據，Pj=(\，7」，\)，為接收器」的三維坐標，Dij為發(fā)射器i和接收器j之間的距離，使用如下公式計算Dij:
[0009]Dij = (T-t) *v
[0010]T為接收器j接收到發(fā)射器i所發(fā)射的超聲波的時間，t為發(fā)射器i發(fā)射超聲波的時間，V為超聲波的傳播速度。
[0011]其中位置計算器的接收單元接收接收器發(fā)送的四元組，實時位置計算單元利用下述公式計算移動物體的實時位置I = (X，Y, Z):
[0012](X-Xj)2+ (y-yj)2+ (Z-Zj)2 = Dij
[0013]設置接收器的數量大于等于3，即可求解出I的解，即移動物體的實時位置。
[0014]其中修正位置計算單元利用下述公式計算移動物體的修正位置K:
[0015]K = Γ +ΔΧ
[0016]其中I’為前一時刻的實時位置，Λ X為根據修正裝置發(fā)送的數據而獲得的移動物體的慣性位移。
[0017]其中估算位置計算單元在計算最優(yōu)位置估計值之前需要建立系統(tǒng)數學模型，使用如下線性方程標識K時刻的位置估計值Xk:
[0018]Xk = AXk-JBU1^Wk
[0019]其中A和B為狀態(tài)變換矩陣，是狀態(tài)變換過程中的調整系數，是從建立的系統(tǒng)數學模型中導出來的，Xk-!為K-1時刻的位置估計值，Uk為對系統(tǒng)的控制量，Wk系統(tǒng)過程激勵噪聲;
[0020]Zk = HXk+Vk
[0021]其中Zk為觀測值，H為狀態(tài)變換矩陣，是狀態(tài)變換過程中的調整系數，是從建立的系統(tǒng)數學模型中導出的，Vk為觀測噪聲；同時使得:
[0022]Wk ^ N(0, Q)
[0023]Vk ^ N(0, R)
[0024]即假設Wk，Vk為相互獨立，正態(tài)分布的白色噪聲，過程激勵噪聲協(xié)方差矩陣為Q，觀測噪聲協(xié)方差矩陣為R。
[0025]其中估算位置計算單元從建立的系統(tǒng)數學模型出發(fā)，計算移動物體最優(yōu)的位置估計值:
[0026]步驟一:計算先驗估計誤差和后驗估計誤差:
[0027]Ek =Xk-Xt
[0028]Ek=Xk-Xt
[0029]其中W代表第k步之前的狀態(tài)已知的情況下第k步的先驗狀態(tài)估計值，代表測量變量Zk已知情況下第k步的后驗狀態(tài)估計值；先驗估計誤差的協(xié)方差矩陣為:
[0030]Pk =E{Ek-EkT)
[0031]后驗估計誤差的協(xié)方差矩陣為:
[0032]Pk=EiEk-El)
[0033]進一步可獲得后驗狀態(tài)估計的估計公式:
[0034]X^=Xk + K(Zk — X1 )
[0035]其中的K使用如下公式計算:
[0036]Kk =Pk 11' (IIPk Il1 +R) '
[0037]步驟二:計算更新方程:
[0038]Xk= AXkS +BUk-1
[0039]Pk = APiiA1 +Q
[0040]Kk =Pk /I1 (HPL +R) 2
[0041 ] I, 二 Xk + Kk(Zk-HXt)
[0042]Pk =(1-KkH)Pli
[0043]根據上述公式獲得移動物體的最優(yōu)位置估計X,
[0044]其中控制單元控制接收單元、實時位置計算早兀、修正位置計算單元以及估算位置計算單元，并接收實時位置計算單元、修正位置計算單元以及估算位置計算單元分別輸出的實時位置1、修正位置K以及估算位置計算，利用接收的數據計算移動物體的準確位置P:
[0045]P = al + βΚ + skk
[0046]其中的α、β、ε是控制單元預先設定的參數值，用于平衡實時位置1、修正位置K以及估算位置計算X,在準確位置P的計算中所占的權重。
[0047]使用本發(fā)明所提供的方法和系統(tǒng)可以更加準確的提供模擬座艙內駕駛員的三維位置，從而為模擬座艙的控制提供精確的位置數據。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖；
[0049]圖2為發(fā)射裝置的結構示意圖；
[0050]圖3為位置計算器的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0051]下面闡述的實施例代表允許本領域技術人員實踐本發(fā)明的必要信息，并且示出實踐本發(fā)明的最佳方式。一旦根據附圖閱讀了以下的描述，本領域技術人員就將理解本發(fā)明的構思并且將認識到此處未特別闡明的這些構思的應用。應當理解，這些構思和應用落入本公開和所附權利要求書的范圍。
[0052]圖1示出了本發(fā)明用于模擬座艙內的超聲波無線位移測量系統(tǒng)的結構示意圖。參照圖1，該系統(tǒng)包括多個接收器，多個發(fā)射裝置以及位置計算器，下面分別介紹這些設備:
[0053]一、發(fā)射裝置
[0054]發(fā)射裝置發(fā)射超聲波信號，并可偵測攜帶該發(fā)射裝置的移動物體的速度、方向以及角度，其具體配置如圖2所示:
[0055]發(fā)射裝置包括超聲波發(fā)射器，修正裝置，無線傳輸裝置以及處理裝置。
[0056]超聲波發(fā)射器連接處理裝置，在處理裝置的控制下發(fā)射超聲波并在發(fā)射的超聲波中攜帶二元組[Ei, t]，Ei為超聲波發(fā)射器i的ID，該ID是系統(tǒng)預先分配給超聲波發(fā)射器的，可以在該系統(tǒng)內唯一標識該超聲波發(fā)射器，t是發(fā)射此次超聲波的時間。
[0057]修正裝置用于偵測攜帶該發(fā)射裝置的移動物體的速度、方向以及角度，可包括例如加速度計量儀、電子羅盤以及陀螺儀等。并將獲得的各項數據傳輸到處理裝置。
[0058]無線傳輸裝置以無線的方式向位置計算器傳送修正裝置獲得的各項數據。
[0059]二、接收器
[0060]在模擬座艙內設置多個接收器，接收發(fā)射裝置中的超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波，并從中解析出二元組[Ei, t],根據該二元組形成四元組[Ei, Rj, Pj, Dij], Ei為發(fā)射器的ID,Rj為接收器的ID，Pj為該接收器j的位置數據，Pj = (Xj, Yj, Zj)，使用三維坐標標識接收器j的位置，Dij為發(fā)射器i和接收器j之間的距離，
[0061]Dij = (T_t)*v (公式 I)
[0062]T為接收器j接收到發(fā)射器i所發(fā)射的超聲波的時間，t為發(fā)射器i發(fā)射超聲波的時間，V為超聲波的傳播速度。
[0063]接收器j將該四元組[EyRpPyDij]以無線的方式發(fā)送到位置計算器，無線的方式例如藍牙、無線射頻等等已知的無線連接方式。
[0064]三、位置計算器
[0065]位置計算器包括接收單元，控制單元，實時位置計算單元，修正位置計算單元以及估算位置計算單元。
[0066](一 )接收單元
[0067]接收單元接收接收器發(fā)射的四元組，并將獲得的四元組發(fā)送給實時位置計算單元；還接收發(fā)射裝置以無線的方式發(fā)射的修正裝置所獲得的各項慣性數據，包括移動物體的速度、方向以及角度，將接收的慣性數據發(fā)送到修正位置計算單元。
[0068]( 二)實時位置計算單元
[0069]實時位置計算單元接收接收單元發(fā)送的四元組，利用下述公式計算移動物體的實時位置I = (X，y, z)，利用下述公式計算1:
[0070](X-Xj)2+ (y-yj2+ (Z-Zj)2 = Dij (公式 2)
[0071]設置接收器的數量大于等于3，即可求解出I的解，即移動物體的實時位置。
[0072](三)修正位置計算單元
[0073]修正位置計算單元利用下述公式計算移動物體的修正位置K:
[0074]K = Γ +ΔΧ (公式 3)
[0075]其中I’為前一時刻的實時位置，Λ X為根據修正裝置發(fā)送的各項慣性數據而獲得的移動物體的慣性位移。
[0076](四)估算位置計算單元
[0077]估算位置計算單元使用最小均方誤差為最佳估計準則，采用超聲波信號的狀態(tài)空間模型，利用前一時刻的位置估計值和當前時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出當前時刻的位置估計值，算法根據建立的系統(tǒng)方程和觀測方程對需要處理的信號做出滿足最小均方誤差的估計。
[0078]第一步:建立系統(tǒng)數學模型
[0079]使用如下線性方程標識K時刻的位置估計值Xk:
[0080]Xk = AXk — !+BU.+ff, (公式四)
[0081]其中A和B為狀態(tài)變換矩陣，是狀態(tài)變換過程中的調整系數，是從建立的系統(tǒng)數學模型中導出來的，Xk-!為K-1時刻的位置估計值，Uk為對系統(tǒng)的控制量，Wk系統(tǒng)過程激勵噪聲。
[0082]Zk = HXk+Vk (公式五)
[0083]其中Zk為觀測值，H為狀態(tài)變換矩陣，是狀態(tài)變換過程中的調整系數，是從建立的系統(tǒng)數學模型中導出來的，Xk為K時刻的位置估計值，Vk為觀測噪聲。假設wk，vk為相互獨立，正態(tài)分布的白色噪聲，過程激勵噪聲協(xié)方差矩陣為Q，觀測噪聲協(xié)方差矩陣為R，即:
[0084]Wk ^ N(0, Q) (公式六)
[0085]Vk ^ N(0, R) (公式七)
[0086]第二步:計算最優(yōu)位置估計值
[0087]從建立的系統(tǒng)數學模型出發(fā)，計算移動物體最優(yōu)的位置估計值。
[0088]步驟2.1，計算先驗估計誤差(公式八)和后驗估計誤差(公式九):
[0089]Ek = Xk —(公式八)
[0090]Ek=Xk-Xk (公式九)
[0091]其中γ,代表第k步之前的狀態(tài)已知的情況下第k步的先驗狀態(tài)估計值，代表測量變量Zk已知情況下第k步的后驗狀態(tài)估計值。先驗估計誤差的協(xié)方差矩陣為:
[0092]Pk = E(Ek - Ef) (公式十)
[0093]后驗估計誤差的協(xié)方差矩陣為:
[0094]Pk = E(El1-E1li ) (公式^^一 )
[0095]進一步可獲得后驗狀態(tài)估計的估計公式:
[0096]X: =Xk+K{Zk -X,) (公式十二)
[0097]其中的K使用如下公式計算:
[0098]Kk =Pk Ili (IIP, !I丨 + R)1 (公式十三)
[0099]步驟2.2,計算更新方程:
[0100] Xk= AXk-X+BlJk I (公式十四)
[0101 ] pk = APk_,AT + Q (公式十五)
[0102]Kk = Pk II 丨[UPk + R) 2 (公式十六)
[0103]Xi = Xk + KkiZk-HXk) (公式十七)
[0104]Pk = (1.- Kk 11 )Pk (公式十八)
[0105]根據上述公式獲得移動物體的最優(yōu)位置估計；h






O
[0106](五)控制單元
[0107]控制單元控制接收單元、實時位置計算單元、修正位置計算單元以及估算位置計算單元，并接收實時位置計算單元、修正位置計算單元以及估算位置計算單元分別輸出的實時位置1、修正位置K以及估算位置計算，利用接收的數據計算移動物體的準確位置
Po
[0108]控制單元使用如下公式計算準確位置P:
[0109]ρ = αι + βκ + ε X k (公式十九)
[0110]其中的α、β、ε可以是控制單元預先設定的參數值，用于平衡實時位置1、修正位置K以及估算位置計算在準確位置P的計算中所占的權重。
[0111]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種用于模擬座艙內的超聲波無線位移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 發(fā)射裝置，包括發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射器，偵測攜帶該發(fā)射裝置的移動物體的速度、方向以及角度的修正裝置，無線傳輸裝置以及處理裝置； 多個接收器，接收發(fā)射裝置中的超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波，并發(fā)送信息至位置計算器； 位置計算器，包括: 接收單元，接收多個接收器以無線的方式發(fā)送的信息以及無線傳輸裝置以無線的方式發(fā)射的修正裝置所獲得的速度、方向以及角度數據； 實時位置計算單元，使用接收器發(fā)送的信息計算移動物體的實時位置； 修正位置計算單元，使用修正裝置提供的速度、方向以及角度數據計算移動物體的修正位置; 估算位置計算單元，使用最小均方誤差為最佳估計準則，采用超聲波信號的狀態(tài)空間模型，利用前一時刻的位置估計值和當前時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出當前時刻的最優(yōu)位置估計值； 控制單元，利用上述獲得的移動物體的實時位置、修正位置以及最優(yōu)位置估計值，計算移動物體的準確位置。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中超聲波發(fā)射器連接處理裝置，在處理裝置的控制下發(fā)射超聲波并在發(fā)射的超聲波中攜帶二元組[EptLEi為超聲波發(fā)射器i的ID，該ID是系統(tǒng)預先分配給超聲波發(fā)射器的，可以在該系統(tǒng)內唯一標識該超聲波發(fā)射器，t是發(fā)射此次超聲波的時間。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中接收器從接收的超聲波中解析出二元組[Ei,t]，根據該二元組形成四元組[Ei, Rj, PjlDij],其中Ei為發(fā)射器的ID，Rj為接收器的ID，Pj為該接收器j的位置數據，Pj = (Xj, Yj, Zj)，為接收器j的三維坐標，Dij為發(fā)射器i和接收器j之間的距離，使用如下公式計算Dij:
Dij = (T-t) *v T為接收器j接收到發(fā)射器i所發(fā)射的超聲波的時間，t為發(fā)射器i發(fā)射超聲波的時間，V為超聲波的傳播速度。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中位置計算器的接收單元接收接收器發(fā)送的四元組，實時位置計算單元利用下述公式計算移動物體的實時位置I = U，y, z):
(X-Xj)2+ (y-yj)2+ (Z-Zj)2 = Dij 設置接收器的數量大于等于3，即可求解出I的解，即移動物體的實時位置。
5.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中修正位置計算單元利用下述公式計算移動物體的修正位置K: K = I，+ΔΧ 其中I’為前一時刻的實時位置，ΛX為根據修正裝置發(fā)送的數據而獲得的移動物體的慣性位移。
6.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中估算位置計算單元在計算最優(yōu)位置估計值之前需要建立系統(tǒng)數學模型，使用如下線性方程標識K時刻的位置估計值Xk:
Xk = AXk —i+BUk+Wk其中A和B為狀態(tài)變換矩陣，是狀態(tài)變換過程中的調整系數，是從建立的系統(tǒng)數學模型中導出來的，Xk-!為K-1時刻的位置估計值，Uk為對系統(tǒng)的控制量，Wk系統(tǒng)過程激勵噪聲；Zk = HXk+Vk 其中Zk為觀測值，H為狀態(tài)變換矩陣，是狀態(tài)變換過程中的調整系數，是從建立的系統(tǒng)數學模型中導出的，Vk為觀測噪聲；同時使得:
Wk w N (O，Q)
Vk w N (O，R) 即假設Wk，Vk為相互獨立，正態(tài)分布的白色噪聲，過程激勵噪聲協(xié)方差矩陣為Q，觀測噪聲協(xié)方差矩陣為R。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中估算位置計算單元從建立的系統(tǒng)數學模型出發(fā)，計算移動物體最優(yōu)的位置估計值: 步驟一:計算先驗估計誤差和后驗估計誤差: Ek =Xk -Xk Ek = Xk-Xk 其中代表第k步之前的狀態(tài)已知的情況下第k步的先驗狀態(tài)估計值，Iifc代表測量變量Zk已知情況下第k步的后驗狀態(tài)估計值；先驗估計誤差的協(xié)方差矩陣為: Pk =E(Ek-Ek') 后驗估計誤差的協(xié)方差矩陣為: Pk=E(Ek-Eik) 進一步可獲得后驗狀態(tài)估計Xi的估計公式: xl=xk+K(zk-xk) 其中的K使用如下公式計算:
Kk =PkH1 {H!\ IIt +R)1 步驟二:計算更新方程:
根據上述公式獲得移動物體的最優(yōu)位置估計
8.如權利要求7所述的系統(tǒng)，其中控制單元控制接收單元、實時位置計算單元、修正位置計算單元以及估算位置計算單元，并接收實時位置計算單元、修正位置計算單元以及估算位置計算單元分別輸出的實時位置1、修正位置K以及估算位置計算，利用接收的數據計算移動物體的準確位置P:
其中的α、β、ε是控制單元預先設定的參數值，用于平衡實時位置1、修正位置K以及估算位置計算在準確位置P的計算中所占的權重。
【文檔編號】G01S15/46GK104199038SQ201410468583
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權日:2014年9月15日
【發(fā)明者】趙丁選, 逯焱 申請人:吉林大學