本發(fā)明涉及超聲波技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種全象限超聲波定位測距的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

超聲波測距系統(tǒng)原理簡單，易于實現(xiàn)，成本低廉，因而已經(jīng)在生產(chǎn)生活中得到廣泛的應(yīng)用。典型的應(yīng)用有超聲波物(料)位測量、障礙物距離測量、河床深度測量、倒車?yán)走_(dá)、等等，都已經(jīng)有了成熟的產(chǎn)品。其原理都是通過主動發(fā)射脈沖超聲波，再檢測回波信號的返回時間，通過計算后得到目標(biāo)的距離。

在基于超聲波測距的基礎(chǔ)上，如何利用超聲波進行測距的同時定位目標(biāo)，從而達(dá)到目標(biāo)跟隨的目的，具有重要意義。比如可以用于行李箱定位跟隨主人、無人自拍機定位跟隨目標(biāo)等等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是如何利用超聲波實現(xiàn)定位跟隨。

有鑒于此，本發(fā)明實施例提供一種全象限超聲波定位測距的方法及系統(tǒng)，通過目標(biāo)物和跟隨物上分別設(shè)置超聲波接收器和發(fā)送器，利用超聲波的傳輸實現(xiàn)定位跟蹤。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例的第一方面，提供一種全象限超聲波定位測距的方法，所述方法包括：

根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，計算得到所述多個超聲波接收器與所述目標(biāo)物的距離；

根據(jù)所述多個超聲波接收器與所述目標(biāo)物的距離，確定所述跟隨物與所述目標(biāo)物之間的距離；

獲取所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位；

根據(jù)所述跟隨物與所述目標(biāo)物之間的距離、以及所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位，控制所述跟隨物移動以跟隨所述目標(biāo)物。

其中，述獲取所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位包括：通過預(yù)設(shè)的系統(tǒng)參數(shù)中獲取所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位，或通過跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，計算得到所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位。

其中，當(dāng)通過預(yù)設(shè)的系統(tǒng)參數(shù)中獲取所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方法時，所述多個超聲波接收器為至少2個；當(dāng)通過跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，計算得到所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位時，所述多個超聲波接收器為至少4個，且其中任意3個超聲波接收器不在同一條直線上。

其中，所述通過跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，計算得到所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位包括：

根據(jù)至少4個超聲波接收器中的任意2個超聲波接收器接收的超聲波，確定所述跟隨物與所述目標(biāo)物的距離；

結(jié)合利用所述任意2個超聲波接收器、第3個以及第4個超聲波接收器接收的超聲波，確定所述目標(biāo)物所處的水平方向的象限以及所述目標(biāo)物所處的垂直方向的象限；

結(jié)合所述目標(biāo)物所處的水平方向的象限、垂直方向的象限，確定所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位。

其中，所述任意2個超聲波接收器與所述第3個超聲波接收器或第4個超聲波接收器所在的第一平面、與所述跟隨物和所述目標(biāo)物所在的第二平面重合或平行。

其中，根據(jù)所述任意2個超聲波接收器、第3個和第4個超聲波接收器之外的其他超聲波接收器的超聲波，計算得到不同的所述目標(biāo)物的坐標(biāo)，以用于輔助校正所述目標(biāo)物的坐標(biāo)。

其中，所述根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，計算得到所述多個超聲波接收器與所述目標(biāo)物的距離包括：

根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)送的超聲波，確定所述超聲波的傳輸時間；

檢測當(dāng)前環(huán)境的溫度和氣壓，根據(jù)所述溫度和氣壓確定所述當(dāng)前環(huán)境下的超聲波傳播速度；

結(jié)合所述傳輸時間和所述當(dāng)前環(huán)境下的超聲波傳播速度，計算得到所述多個超聲波接收器與所述目標(biāo)物的距離。

其中，采用無線電信號的方式保持所述超聲波接收器以及所述超聲波全向發(fā)射器的時間同步。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例的第二方面，提供一種全象限超聲波定位測距的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括處理模塊、獲取模塊以及控制模塊，其中：

所述處理模塊用于根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，計算得到所述多個超聲波接收器與所述目標(biāo)物的距離；

所述處理模塊用于根據(jù)所述多個超聲波接收器與所述目標(biāo)物的距離，確定所述跟隨物與所述目標(biāo)物之間的距離；

所述獲取模塊用于獲取所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位；

所述控制模塊用于根據(jù)所述跟隨物與所述目標(biāo)物之間的距離、以及所述目標(biāo)物相對于所述跟隨物的方位，控制所述跟隨物移動以跟隨所述目標(biāo)物。

其中，所述處理模塊包括確定單元、檢測單元以及計算單元，其中：

確定單元用于根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)送的超聲波，確定所述超聲波的傳輸時間；

所述檢測單元用于檢測當(dāng)前環(huán)境的溫度和氣壓；

所述確定單元進一步根據(jù)所述溫度和氣壓確定所述當(dāng)前環(huán)境下的超聲波傳播速度；

所述計算單元用于結(jié)合所述傳輸時間和所述當(dāng)前環(huán)境下的超聲波傳播速度，計算得到所述多個超聲波接收器與所述目標(biāo)物的距離。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比存在的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明通過跟隨物上設(shè)置多個超聲波接收器構(gòu)成接收陣列，通過超聲波接收陣列接收來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，根據(jù)接收的超聲波確定跟隨物與目標(biāo)物之間的距離，并通過進一步獲取目標(biāo)物相對于跟隨物的方位，從而根據(jù)跟隨物與目標(biāo)物之間的距離、目標(biāo)物相對于跟隨物的方位，控制跟隨物移動以跟隨目標(biāo)物。通過這樣的方式，能夠利用跟隨物和目標(biāo)物上的超聲波收發(fā)器，實現(xiàn)超聲波目標(biāo)物的定位，進而控制對目標(biāo)物進行跟隨。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種全象限超聲波定位測距的方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例中根據(jù)接收的超聲波計算得到超聲波接收器與目標(biāo)物的距離的方法流程示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中利用至少4個接收器接收的超聲波計算得到目標(biāo)物相對于跟隨物的方位的方法流程示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中定位算法建立坐標(biāo)系的示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的一種全象限超聲波定位測距的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例提供的處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例提供的一種全象限超聲波定位測距的系統(tǒng)的實際應(yīng)用示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。

以下描述中，為了說明而不是為了限定，給出了諸多技術(shù)特征的說明示意圖，以便透切理解本發(fā)明實施例。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在沒有這些具體細(xì)節(jié)的其它實施例中也可以實現(xiàn)本發(fā)明。在其它情況中，省略對眾所周知的方法的詳細(xì)說明，以免不必要的細(xì)節(jié)妨礙本發(fā)明的描述。

參閱圖1，圖1示出了本發(fā)明實施例提供的一種全象限超聲波定位測距的方法的流程示意圖，為了便于說明，圖1僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分，圖1示例的全象限超聲波定位測距的方法包括以下步驟：

s101：根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，計算得到多個超聲波接收器與目標(biāo)物的距離；

s102：根據(jù)多個超聲波接收器與目標(biāo)物的距離，確定跟隨物與目標(biāo)物之間的距離；

s103：獲取目標(biāo)物相對于跟隨物的方位；

s104：根據(jù)跟隨物與目標(biāo)物之間的距離、以及目標(biāo)物相對于跟隨物的方位，控制跟隨物移動以跟隨目標(biāo)物。

本發(fā)明實施例采用超聲波測距的方法，在跟隨物上安裝一組超聲波接收器來組成接收陣列，通過接收攜帶在目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，來計算出超聲波全向發(fā)射器(目標(biāo)物)與接收器的距離和方位。超聲波測距的原理是根據(jù)檢測聲波傳輸?shù)臅r間，結(jié)合聲波傳輸?shù)乃俣扔嬎愠雒總€接收器與發(fā)射器的距離，以接收器組成的陣列中的某一點為原點，建立三維坐標(biāo)系，從而解算出目標(biāo)物的坐標(biāo)，從而計算出需要跟隨的距離和角度。

其中，本發(fā)明實施例進一步提供根據(jù)接收的超聲波計算得到超聲波接收器與目標(biāo)物的距離的方法，請參閱圖2，如圖所示，計算的方法包括：

s11：根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)送的超聲波，確定超聲波的傳輸時間；

s12：檢測當(dāng)前環(huán)境的溫度和氣壓，根據(jù)溫度和氣壓確定當(dāng)前環(huán)境下的超聲波傳播速度；

s13：結(jié)合傳輸時間和當(dāng)前環(huán)境下的超聲波傳播速度，計算得到多個超聲波接收器與目標(biāo)物的距離。

其中，接收器跟發(fā)射器必須實現(xiàn)時鐘同步，所測得的超聲波的傳輸時間才能準(zhǔn)確。

本發(fā)明實施例中，采用由無線電信號的方式進行時鐘同步。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，接收器先發(fā)出一個無線電信號到發(fā)送器，由于兩者的距離較近(2米范圍)，所以無線電波的傳輸時間基本可以忽略不計。當(dāng)發(fā)射器收到無線電信號后，立即發(fā)送超聲波信號。當(dāng)接收器收到超聲波信號后，其發(fā)射無線電信號和接收到超聲波信號之間的時間差，即為超聲波的傳輸時間。再用傳輸時間和超聲波傳輸速度的函數(shù)關(guān)系，解算出距離信息。

接收陣列中的其他接收器在發(fā)射無線電信號時均為同時發(fā)射，由于距離不同，所以接收的時間不同，按照上述方式同樣可以計算出各個接收器距發(fā)射器的距離。

由于超聲波在空氣中傳播速度受到溫度和氣壓的影響，因此，作為一種優(yōu)選的實現(xiàn)方式，還需要檢測環(huán)境溫度和氣壓，用來確定超聲波的傳輸速度。

其中，接收器和發(fā)射器在設(shè)計上可以互換，根據(jù)實際產(chǎn)品選擇使用對應(yīng)的設(shè)計方式。

其中，接收器的數(shù)量取決于定位跟隨系統(tǒng)的應(yīng)用場合，在能夠確定目標(biāo)物相對于跟隨物的方位的前提下，只需要設(shè)置至少2個接收器即可實現(xiàn)定位跟蹤。例如跟隨物是車輛的話，目標(biāo)物總是位于跟隨的車輛的上面和前方，而跟隨物是無人機的話，目標(biāo)物通?？偸俏挥诟S物的前面和下方。跟隨物是自拍類無人機的話，目標(biāo)物都要位于跟隨物的后面和下方。

也就是說，這種情況下，可以通過預(yù)設(shè)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定目標(biāo)物相對于跟隨物的方位，從而可以通過至少2個接收器就可以實現(xiàn)定位跟隨。

但是，對于定位跟隨系統(tǒng)應(yīng)用于不能明確確定目標(biāo)物相對于跟隨物的方位時，則至少需要設(shè)置4個接收器，通過第3個、第4個接收器接收的超聲波來輔助確定目標(biāo)物在空間上的方位。

其中，本發(fā)明實施例進一步提供在不能明確確定目標(biāo)物相對于跟隨物的方位時，利用至少4個接收器接收的超聲波計算得到目標(biāo)物相對于跟隨物的方法，請參閱圖3，利用至少4個接收器接收的超聲波計算得到目標(biāo)物相對于跟隨物的方法包括：

s21：根據(jù)至少4個超聲波接收器中的任意2個超聲波接收器接收的超聲波，確定跟隨物與目標(biāo)物的距離；

s22：結(jié)合利用任意2個超聲波接收器、第3個以及第4個超聲波接收器接收的超聲波，確定目標(biāo)物所處的水平方向的象限以及所述目標(biāo)所處的垂直方向的象限；

s23：結(jié)合目標(biāo)所處的水培方向的象限、垂直方向的象限，確定目標(biāo)物相對于跟隨物的方位。

其中，至少4個超聲波接收器中的任意3個超聲波接收器都不在同一直線上。另外，上述所用到的至少2個超聲波接收器與第3個超聲波接收器或第4個超聲波接收器所在的第一平面，跟隨物與目標(biāo)物所在的第二平面，在實際應(yīng)用過程中，為了減少計算量，可以設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)，使得第一平面與第二平面重合或平行。

而在實際應(yīng)用過程中，除4個超聲波接收器以外，還可以另外增設(shè)1個或多個超聲波接收器，每個超聲波接收器接收的超聲波都能計算得到一個目標(biāo)物的坐標(biāo)，用來輔助校正目標(biāo)物的坐標(biāo)，使得定位更準(zhǔn)確。

這種情況下，實際上只需要4個接收裝置其中任意3個不在同一條直線上，即可構(gòu)成接收陣列。在進行跟隨時，有2個接收器能夠收到超聲波信號，即可以完成測定目標(biāo)物距離，以及角度的信息。但此時計算的角度有兩個，以坐標(biāo)系原點對稱，所以第3個接收器接收的超聲波解算得到的數(shù)據(jù)用于確定目標(biāo)物所處的水平方向的象限(即跟隨物的前方還是后方)。第4個接收器用于確定目標(biāo)所處的垂直方向的象限(即跟隨物的上方還是下方)。如果可以默認(rèn)目標(biāo)物是處于跟隨物的前方和上方(或者其他的方位)，那么可以最少只使用2個接收器。同時可以設(shè)置5個或5個以上的接收器，從而可以計算出不同的目標(biāo)物坐標(biāo)，用于校正目標(biāo)物的坐標(biāo)，得到更精確的位置信息。

請參閱圖4，本發(fā)明實施例以其中3個接收器為例，詳細(xì)說明本發(fā)明中定位的算法。如圖所示，在二維平面上，通過在接收器a\b\c和目標(biāo)物t之間的測距方法測出ta\tb\tc的長度，在平面abc上建立坐標(biāo)系，z軸垂直于平面abc。a\b\c點的坐標(biāo)已知，由ta/tb/ab的長度(測得的距離)可以計算出t和t’兩點，并且這兩點基于直線ab對稱。又按照tc的長度，判定t’不是真實的目標(biāo)點，從而確定t點的坐標(biāo)。再根據(jù)平面abc和跟隨物和目標(biāo)所處的平面(簡稱跟隨平面)的夾角，即可確定目標(biāo)在跟隨平面的位置信息。在產(chǎn)品設(shè)計上，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，讓平面abc和跟隨平面重合或平行，從而減少計算量。

對于定位跟隨系統(tǒng)而言，還需要考慮空間位置。所以借助第4個測距裝置，即可解算出三維空間里目標(biāo)物的正確坐標(biāo)。

在以上實施例提供的全象限超聲波定位測距的方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明實施例進一步提供一種全象限超聲波定位測距系統(tǒng)，該全象限超聲波定位測距系統(tǒng)用于實現(xiàn)上述全象限超聲波定位測距的方法。請參閱圖5，圖5是本發(fā)明實施例提供的全象限超聲波定位測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本發(fā)明實施例的全象限超聲波定位測距系統(tǒng)100包括處理模塊11、獲取模塊12以及控制模塊13，其中：

處理模塊11用于根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，計算得到多個超聲波接收器與目標(biāo)物的距離。

處理模塊11用于根據(jù)多個超聲波接收器與目標(biāo)物的距離，確定跟隨物與所述目標(biāo)物之間的距離。

獲取模塊12用于獲取目標(biāo)物相對于跟隨物的方位。

控制模塊13用于根據(jù)跟隨物與目標(biāo)物之間的距離、以及目標(biāo)物相對于跟隨物的方位，控制跟隨物移動以跟隨目標(biāo)物。

其中，請進一步參閱圖6，圖6是本發(fā)明另一實施例中處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，在另一個實施例中，本發(fā)明實施例的處理模塊11進一步包括確定單元111、檢測單元112以及計算單元113，其中：

確定單元111用于根據(jù)跟隨物上的多個超聲波接收器分別接收的來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)送的超聲波，確定超聲波的傳輸時間。

檢測單元112用于檢測當(dāng)前環(huán)境的溫度和氣壓。

確定單元111進一步根據(jù)溫度和氣壓確定當(dāng)前環(huán)境下的超聲波傳播速度。

計算單元113用于結(jié)合傳輸時間和當(dāng)前環(huán)境下的超聲波傳播速度，計算得到多個超聲波接收器與目標(biāo)物的距離。

其中，上述各個功能模塊或單元的具體功能實現(xiàn)過程請參見上述全象限超聲波定位測距的方法實施例中的詳細(xì)描述，此處不再贅述。

另外，在另一個實施例中，請參閱圖6，圖6是本發(fā)明實施例提供的一種全象限超聲波定位測距的系統(tǒng)的實際應(yīng)用示意圖。

全象限超聲波定位測距系統(tǒng)設(shè)計分為發(fā)射裝置和接收裝置。具體實現(xiàn)時，發(fā)射裝置由一片stm32mcu作為核心，一個基于433mhz無線電的通信模塊，一個max232驅(qū)動的超聲波發(fā)射模塊，一套3.7v鋰電池電源作為供能，共同構(gòu)成。

具體實現(xiàn)時，接收裝置由一片stm32mcu作為核心，一個基于433mhz無線電的通信模塊，四個lm324驅(qū)動的超聲波接收器，一套3.7v鋰電池電源作為供能，一個18b20溫度傳感器共同組成。接收裝置的4個接收器可以組成一個水平面上360°接收方向的接收陣列。

以上本發(fā)明實施例所提供的全象限超聲波定位測距的方法及系統(tǒng)，可以理解，本發(fā)明通過跟隨物上設(shè)置多個超聲波接收器構(gòu)成接收陣列，通過超聲波接收陣列接收來自目標(biāo)物上的超聲波全向發(fā)射器發(fā)射的超聲波，根據(jù)接收的超聲波確定跟隨物與目標(biāo)物之間的距離，并通過進一步獲取目標(biāo)物相對于跟隨物的方位，從而根據(jù)跟隨物與目標(biāo)物之間的距離、目標(biāo)物相對于跟隨物的方位，控制跟隨物移動以跟隨目標(biāo)物。通過這樣的方式，能夠利用跟隨物和目標(biāo)物上的超聲波收發(fā)器，實現(xiàn)超聲波目標(biāo)物的定位，進而控制對目標(biāo)物進行跟隨。

需要說明的是，本發(fā)明所有實施例中涉及“第一”、“第二”等詞，例如第一平面、第二平面等在此僅為表述和指代的方便，并不意味著在本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式中一定會有與之對應(yīng)的第一平面和第二平面。

以上所述僅為結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明原理及實施方式所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明，只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的專利保護范圍。