CN101320094B - 一种光源扫描定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光源扫描定位系统，其包括：至少两个光源发射装置，至少一个光源接收装置，所述光源接收装置包括光信号接收器和光电转换模块，光电转换模块将所接收的检测光源转换为电信号，通过提取电信号中表征各光源发射装置的位置参量，结合光源发射装置的偏移角度和/或两束检测光源的夹角信息，引用正弦定理，经计算得出各光源发射装置分别与光源接收装置之间的相对间距，从而确定光源接收装置的位置。本发明还提供了一种光源扫描定位方法，通过检测光源的发射和接收，扫描并确定可移动物体的方位，使得可移动物体能够自动分辨自我位置，自动完成设定的移动路线。

Description

一种光源扫描定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及定位系统及其定位方法，尤指一种采用光源作为定位媒介，使可移动物体能自动分辨自我位置，自动完成设定的移动路线的光源扫描定位系统及其定位方法。

背景技术

随着通讯技术的迅猛发展，人们可以采用全球定位系统(GPS)替代传统的纸质地图，来确定自己的位置。只是，GPS系统需要借助卫星系统来进行定位，故常受限于卫星接收信号的好差。由于室内往往不能接收到卫星信号，因此GPS只能应用于室外的定位。

当遥控车、机器人等可移动物体在室内活动时，如果超出了可遥控的空间，可移动物体往往无法辨认方向，不明确该如何移动，造成无法控制的状态。

因此，提供一种能够使得可移动物体能够自动分辨自我位置的光源扫描定位系统及其定位方法以解决上述问题实为必要。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种光源扫描定位系统，其通过检测光源的发射和接收，扫描并确定可移动物体的方位，使得可移动物体能够自动分辨自我位置，自动完成设定的移动路线。

本发明的另一目的在于，提供了采用该定位系统进行定位的方法，在一组定位系统中，通过检测光源的交互发射和反射，确定可移动物体相对已知参照物的方位，再经计算得出可移动物体的绝对位置，以帮助可移动物体自动分辨自我位置，自动完成设定的移动路线。

本发明提供了一种光源扫描定位系统，其包括：

至少两个光源发射装置，用于发射检测光源；

至少一个光源接收装置，用于接收所述检测光源；

所述光源接收装置包括光信号接收器和光电转换模块，光电转换模块将所接收的检测光源转换为电信号，通过提取电信号中表征各光源发射装置的位置参量，结合光源发射装置的偏移角度和/或两束检测光源的夹角信息，引用正弦定理，经计算得出各光源发射装置分别与光源接收装置之间的相对间距，从而确定光源接收装置的所在位置。

在本发明中，所述光源扫描定位系统还可进一步包括以下技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述光源发射装置或/和光源接收装置包括驱动系统、活动基座以及安装于其上的光源发射器或光源接收器，驱动系统与活动基座相连接，用于驱动活动基座旋转。

在本发明的另一个实施例中，所述光源发射装置或/和光源接收装置还可包括：

归零反射片，用于反射检测光源；

归零检测器，与归零反射片相对设置，通过两者相互配合，检测光源的接收或/和发射状态。

在本发明的又一个实施例中，所述光源发射装置或/和光源接收装置还可包括透镜，其设置于出射口或/和入射口，其中，光源发射器或光源接收器与透镜之间的间距可调节。

在本发明的又一个实施例中，所述光源扫描定位系统进一步包括：分别与光源接收装置和/或光源发射装置的归零检测器、驱动系统以及光源发射器和/或光源接收器电性连接的发射控制处理器和接收控制处理器。

在本发明中，所述检测光源可为红外线、X射线或紫外线。

本发明还提供了一种光源扫描定位方法，其包括以下步骤：

步骤1)任意选取一个光源接收装置和两个光源发射装置作为一组定位系统，预设光源发射装置中检测光源的基准发射位置；

步骤2)光源发射装置分时发射检测光源，当检测光源被光源接收装置接收到时，光源发射装置确定所发出的检测光源相对于基准发射位置的偏移角度，光源接收装置确定所接收到的两束检测光源的夹角；

步骤3)光源接收装置将接收到的光信号分别转换为电信号，提取电信号中表征各光源发射装置的位置参量，结合光源发射装置的偏移角度和/或所接收到的两束检测光源的夹角信息，引用正弦定理，经计算得出各光源发射装置分别与光源接收装置之间的相对间距，从而确定光源接收装置的位置。

其中，在步骤1)中，所述同一组定位系统中的基准发射位置方向相同。

所述步骤2)进一步包括以下步骤：

步骤21)检测光源经光源接收装置的光源接收器接收，光源接收器反馈信号至接收控制处理器，记录第一次的接收光源的位置；

步骤22)光源接收装置的归零反射片将部分检测光源发射回光源发射装置的归零反射片，经该归零反射片反射至归零检测器，归零检测器反馈信号至发射控制处理器，记录第一次的发射光源相对于基准发射位置的偏移角度；

步骤23)重复步骤21)及步骤22)，记录第二次的发射光源相对于基准发射位置的偏移角度以及第二次的光源接收位置；

步骤24)根据第一次和第二次的光源接收位置计算得出所接收到的两束检测光源的夹角。

与现有技术相比，本发明一种光源扫描定位系统及其定位方法相当简单，不需要对装置做出太大改动，成本低，容易实现，应用性强，解决了难于进行室内精确定位的问题。另外，通过调整光源发射或接收扫描角度的宽窄，来提高光源扫描定位系统的工作效率，采用宽扫描角度时，能够快速地找到可移动物体，而采用窄扫描角度时，能精确地对可移动物体进行定位，从而实现快速且精确的定位。另一方面，该定位系统具有灵活适应性，只要光线扫描的讯号能够被侦测到，即可实现定位，因此可应用于任何场所，甚至能实现物体在三维空间中的定位。采用该定位系统，提高了可移动物体的方向感，能帮助其自动地寻找并分辨自我位置，从而使其能够自动完成设定的移动路线或工作任务。

为使本发明更加容易理解，下面将结合附图进一步阐述本发明不同的具体实施例。

附图说明

图1为本发明一种光源扫描定位系统的示意图；

图2为本发明一种光源扫描定位系统的光源发射装置的结构示意图；

图3为本发明一种光源扫描定位系统的光源接收装置的结构示意图；

图4为本发明一种光源扫描定位系统的光源发射装置在窄扫描角度时的工作状态示意图；

图5为本发明一种光源扫描定位系统的光源发射装置在宽扫描角度时的工作状态示意图；

具体实施方式

以确定可移动物体的位置为目的，设光源接收装置安装于某一可移动物体上，光源发射装置为相对固定的参照物，以此说明光源扫描定位系统的组成：

参照图1所示，一种光源扫描定位系统，其包括：

两个光源发射装置1，用于发射检测光源；

一个光源接收装置2，用于接收所述检测光源；

所述光源接收装置2包括光源接收器和光电转换模块，光电转换模块将所接收的检测光源转换为电信号。

这其中，通过提取电信号中表征各光源发射装置的位置参量，结合光源发射装置1的偏移角度和/或两束检测光源的夹角信息，引用正弦定理，经计算得出各光源发射装置1分别与光源接收装置2之间的相对间距，从而确定光源接收装置2的位置，即可确定可移动物体的位置。

在本实施例中，参照图2所示，所述光源发射装置1包括固定基座10和活动基座12，活动基座12可相对固定基座旋转或转动。这其中，固定基座10中内设有驱动系统101、归零检测器102和发射控制处理器103。驱动系统101与活动基座12相连接，驱动系统101可通过相互啮合的齿轮(未标示)驱动活动基座12相对固定基座10进行360°旋转或转动。归零检测器102安装于固定基座10的顶部。活动基座12上开设有出射筒120，出射筒120包括透镜121、光源发射器122以及归零反射片123，其中，透镜121装设于出射筒120的出射口处，用于汇聚或发散光源；光源发射器122装设于出射筒120的内部，用于发射检测光源，透镜121与光源接收器122之间的间距可调节；归零反射片123与归零检测器102相对设置，可反射接收到的检测光源至归零检测器102，并通过两者相互配合，检测光源的发射状态。发射控制处理器103分别与归零检测器102、光源发射器122和驱动系统101电性连接，以控制各组件的工作。

参照图3所示，与光源发射装置1相对应的光源接收装置2，两者结构基本相同，其包括固定基座20和活动基座22，活动基座22可相对固定基座旋转或转动。这其中，固定基座20中内设有驱动系统201、归零检测器202和接收控制处理器203。驱动系统201与活动基座22相连接，驱动系统201可通过相互啮合的齿轮(未标示)驱动活动基座22相对固定基座20旋转或转动。归零检测器202安装于固定基座20的顶部。活动基座22上开设有出射筒220，出射筒220包括透镜221、光源接收器222以及归零反射片223。其中，透镜221装设于出射筒220的入射口处，用于汇聚或发散光源；光源接收器222装设于出射筒220的内部，用于接收检测光源，透镜221与光源接收器222之间的间距可调节，归零反射片223与归零检测器202相对设置，可反射接收到的检测光源至归零检测器202及光源发射装置1的归零反射片223，通过两者相互配合，检测光源的接收状态。接收控制处理器203分别与归零检测器202、光源接收器222和驱动系统201电性连接，以控制各组件的工作。光电转换模块(未标示)内置于接收控制处理器203中，用于将所接收的检测光源转换为电信号。

参照图4和图5所示，发射控制处理器103通过可伸缩的杠杆14与光源发射器122的一端连接，使得发射控制处理器103通过驱动杠杆14前后伸缩作动，以推动或后拉光源发射器122于出射筒120向前或向后滑动，从而实现射出光线的发散或汇聚。即当杠杆14向前推进光源发射器122时，光源发射器122与透镜121之间的间距缩短，靠近出射口，使得射出光线向外发散，光线扫描的范围更广，从而更容易发现光源接收装置2；而当杠杆14向后拉光源发射器122时，光源发射器122与透镜121之间的间距加大，远离出射口，使得射出光线汇聚集中，光线扫描的范围缩小，从而能够精确地确定光源接收装置2的位置。同理，光源接收装置2的光源接收角度亦可以通过类似设置实现宽窄调整。

为了提高光源发射装置和接收装置的工作效率，可先采用宽散射角度进行发射或接收扫描，迅速地寻找到光源接收装置或发射装置，然后，再调整为窄散射角度进行发射或接收扫描，以精确地确定光源接收装置的位置。

在本发明中，所述检测光源可为红外线、X射线、紫外线或其他射线。所述定位系统的光源发射装置和光源接收装置的个数不受限制。

所述驱动系统为马达，优选步进马达。步进马达不同于交流马达、直流马达和伺服马达，其因为在低转速时具有高的转矩值，且静止时仍保持很高的转矩值，正反转的响应良好，旋转角度和输入的脉波数成正比角度误差小，因此使用开回路控制，即可达成闭回路控制高精确角度及高精度定位的需求。步进马达可能除繁杂的机械结构，使物品小型化、响应快，应用于定速运动、变形运动、角度控制或位置控制的场合。在本发明中，步进马达作为光源发射装置或接收装置的驱动系统，配合归零装置，处理器就可以以开回路控制的方式，对四周作出角度的定位，用以发射或接收检测光源。而若采用一般的直流马达，需要额外增加编码器形成闭回路控制，处理器从转轴上的编码器得知现在的角度，再控制直流马达转动到指定的位置。为了让转轴锁定在当前角度，还需增设煞车装置，以将转轴锁定为既定位置。

所述光源发射装置亦可以安装于可移动物体上，而光源接收装置则安装于相对固定的参照物上，工作原理同前类似，在此不在详述。

本发明还提供了一种采用所述光源扫描定位系统进行定位的方法，其包括以下步骤：

步骤1)任意选取一个光源接收装置和两个光源发射装置作为一组定位系统，并预设光源发射装置中检测光源的基准发射位置；

步骤2)光源发射装置分时发射检测光源时，只要检测光源被光源接收装置接收到时，光源发射装置就可确定所发出的检测光源相对于基准发射位置的偏移角度，使得光源接收装置确定所接收到的两束检测光源的夹角；

步骤3)光源接收装置将接收到的光信号分别转换为电信号，提取电信号中表征各光源发射装置的位置参量，结合光源发射装置的偏移角度和/或所接收到的两束检测光源的夹角信息，引用正弦定理，经计算得出各光源发射装置分别与光源接收装置之间的相对间距，从而确定光源接收装置的位置。

其中，参照图1所示，在步骤1)中，为了方便计算出两组光源发射装置的扫描角度，采用相同的参照标准，将所述同一组定位系统中的基准发射位置方向相同。参照图1所示，在本实施例中，将两个光源发射装置A、B的基准发射位置方向均定为正北(N)方向。

所述步骤2)进一步包括以下步骤：

步骤21)首先，光源发射装置A的驱动系统沿着顺时针转动活动转盘，光源发射器以宽散射角度向外发出检测光源，并当检测光源被某一光源接收装置C的光源接收器接收时，由其归零反射片反射回光源发射装置，而扫描发现光源接收装置C；

然后，发射控制处理器发出指令驱动杠杆推动光源发射器，使之靠近出射口，将宽散射角度改为窄散射角度，以精确确定光源接收装置C的具体位置；

接着，光源接收装置的光源接收器接收到光源，反馈信号至接收控制处理器，记录第一次的接收光源的位置T1；

步骤22)光源接收装置C的归零反射片将部分检测光源发射回光源发射装置A的归零反射片，再经该归零反射片反射至归零检测器，使得归零检测器反馈信号至发射控制处理器，而记录第一次的发射光源相对于基准发射位置的偏移角度Q1；

步骤23)重复步骤21)及步骤22)，光源接收装置C旋转扫描，接收到另一台光源发射装置B发射的检测光源，记录第二次的发射光源相对于基准发射位置的偏移角度Q2以及第二次的光源接收位置T2；

步骤24)根据第一次和第二次的光源接收位置T1和T2计算得出所接收到的两束检测光源的夹角Q3。

所述步骤3)，进一步包括以下步骤：

步骤31)光源接收装置中的光源接收器将光源信号传送至光源转换模块，光源转换模块将接收到的光信号分别转换为电信号，并将电信号传送至接收控制处理器；

步骤32)接收控制处理器提取电信号中表征各光源发射装置的位置参量，即两光源发射装置的坐标参数，计算得出两光源发射装置的间距L1；

步骤33)假设：光源发射装置A与光源接收装置C之间的间距为L2，光源发射装置B与光源接收装置C之间的间距为L3，

已知：两光源发射装置的间距L1、光源发射装置的偏移角度Q1、Q2和所接收到的两束检测光源的夹角信息Q3，引用正弦定理，如下所述：

$\frac{\mathrm{Sin\; Q}1}{L2}=\frac{\mathrm{Sin\; Q}2}{L3}=\frac{\mathrm{Sin\; Q}3}{L1}$

经计算，得出光源发射装置A、B分别与光源接收装置C之间的相对间距L2和L3，从而确定光源接收装置的坐标位置，即确定可移动物体的坐标位置，使得可移动物体能够借助该定位信息完成设定的移动路线。

Claims (6)

1.一种光源扫描定位系统，其特征在于包括：

至少两个光源发射装置，用于发射检测光源；

至少一个光源接收装置，用于接收所述检测光源，所述光源接收装置包括光信号接收器和光电转换模块，光电转换模块将所接收的检测光源转换为电信号；

其中，所述光源发射装置或/和光源接收装置进一步包括：

活动基座以及安装于其上的光源发射器或光源接收器；

驱动系统，其与活动基座相连接，用于驱动活动基座旋转；

归零反射片，用于反射检测光源；

归零检测器，与归零反射片相对设置；

通过该归零反射片与该归零检测器相互配合，检测光源的接收或/和发射状态；

并且，通过提取电信号中表征各光源发射装置的位置参量，结合光源发射装置的偏移角度和/或两束检测光源的夹角信息，引用正弦定理，经计算得出各光源发射装置分别与光源接收装置之间的相对间距，从而确定光源接收装置的所在位置。

2.根据权利要求1所述的光源扫描定位系统，其特征在于：所述光源发射装置或/和光源接收装置还包括透镜，其设置于出射口或/和入射口，其中，光源发射器或光源接收器与透镜之间的间距可调节。

3.根据权利要求1所述的光源扫描定位系统，其特征在于：所述光源扫描定位系统进一步包括：分别与光源接收装置和/或光源发射装置的归零检测器、驱动系统以及光源发射器和/或光源接收器电性连接的发射控制处理器和接收控制处理器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光源扫描定位系统，其特征在于：所述检测光源为红外线、X射线或紫外线。

5.一种光源扫描定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)任意选取一个光源接收装置和两个光源发射装置作为一组定位系统，预设光源发射装置中检测光源的基准发射位置；

步骤2)光源发射装置分时发射检测光源，当检测光源被光源接收装置接收到时，光源发射装置确定所发出的检测光源相对于基准发射位置的偏移角度，光源接收装置确定所接收到的两束检测光源的夹角；

步骤3)光源接收装置将接收到的光信号分别转换为电信号，提取电信号中表征各光源发射装置的位置参量，结合光源发射装置的偏移角度和/或所接收到的两束检测光源的夹角信息，引用正弦定理，经计算得出各光源发射装置分别与光源接收装置之间的相对间距，从而确定光源接收装置的位置；

所述步骤2)进一步包括以下步骤：

步骤21)检测光源经光源接收装置的光源接收器接收，光源接收器反馈信号至接收控制处理器，记录第一次的接收光源的位置；

步骤22)光源接收装置的归零反射片将部分检测光源发射回光源发射装置的归零反射片，经该归零反射片反射至归零检测器，归零检测器反馈信号至发射控制处理器，记录第一次的发射光源相对于基准发射位置的偏移角度；

步骤23)重复步骤21)及步骤22)，记录第二次的发射光源相对于基准发射位置的偏移角度以及第二次的光源接收位置；

步骤24)根据第一次和第二次的光源接收位置计算得出所接收到的两束检测光源的夹角。

6.根据权利要求5所述的光源扫描定位方法，其特征在于：

在步骤1)中，所述同一组定位系统中的基准发射位置方向相同。

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