CN101482608A - 一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位装置及方法，所述方法利用反射调幅超声波来测量目标上的多个定位点的位置信息，然后根据目标上的各个定位点的相对位置确定目标的姿态。所述装置包括控制单元和传感器单元，控制单元包括数字信号处理器、乘法器、振荡器、分频器和包络检波器；传感器单元包括若干目标器件、若干接收传感器；其中目标器件由具有开关功能的传感器、若干个发射换能器和反射器组成；目标和主控单元之间采用有线或无线连接。本发明能够准确进行三维目标姿态定位，并且装置成本低廉，结构简单，安装使用方便，可以应用于多种姿态定位场合。

Description

一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位装置及方法

技术领域

本发明属于超声定位技术领域，具体涉及一种利用超声发射器件产生环向发射调幅超声波进行指定区域内的刚体目标姿态定位的装置及方法。

背景技术

目前常用的超声换能器的发射角度在90度以内，即只能朝某一个固定的方向区域发射超声波信号。由于受到发射角度的制约，在使用普通的超声换能器发射超声信号来确定目标的位置时，就需要对准方向，导致使用时不是非常方便灵活。

目前确定目标的姿态定位，一般利用光学、射频、红外、超声脉冲等信号的直射波，来进行三角测量和相关定位技术确定目标上若干超声发射点的位置，从而确定刚体的姿态。以上方法中都是利用测量信号的直射波，而不利用其反射波来进行姿态定位，这是因为测量信号经过反射面发射后，其相位可能发生变化，使得难于利用其反射信号的相差来定位。对于超声波来说，反射后的超声波其相位可能会产生跳变，因而目前没有利用反射超声波作为信号源来做目标的定位。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的上述不足，提供一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位装置及方法。本发明通过如下技术方案实现：

一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位方法，该方法利用反射调幅超声波来测量目标上的多个定位点的位置信息，然后根据目标上的各个定位点的相对位置确定目标的姿态，具体包括如下步骤：

首先触发目标上的开关传感器，触发后目标就发射出请求定位信号，通过有线或无线方式传送到控制单元，当控制单元接收到请求信号后，控制单元立即给该目标中的各个定位点上的发射换能器分配低频测量信号和调制超声频信号，即配置分频器的控制参数来控制输出超声载频信号频率，随后低频测量信号经超声频调制信号调制后通过有线或无线方式传送到该目标，并由其上的发射换能器发射然后通过反射器反射出去；

其后进入接收处理过程，利用包络检波器调制出目标各个定位点的多路测量信号，然后这些多路测量信号送入DSP中进行A/D采样转化成为多路数字信号，并且数字信号处理单元根据该多路数字信号计算出目标离各个接收传感器的距离，从而得到运动目标的三维姿态信息定位。

上述的方法中，目标上每个定位点的定位通过如下方法确定：空间有4个不在同一平面上的接收换能器点阵d₁、d₂、d₃和d₄，其空间三维坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，₂₃)和(x₄，y₄，z₄)，有一空间目标点d距离该四个接收点的距离分别为l₁、l₂、l₃和l₄，通过三维空间几何的计算唯一地确定这个目标的坐标(x，y，z)。

实现上述方法的装置，其包括控制单元和传感器单元，控制单元包括数字信号处理器、乘法器、振荡器、分频器和包络检波器，控制单元各部分的信号传输关系为：控制单元中各部分的信号传输关系为：控制单元中的数字信号处理器控制分频器将振荡器的振荡信号分频成所需的超声载波信号，超声载波信号和数字信号处理器产生的多路测量信号通过乘法器产生调幅超声信号送到目标器件上发射，接收传感器阵列接收到的超声信号和超声载波信号在包络检波检波器中检出幅度包络，然后将这包络送到数字信号处理器中处理计算；传感器单元包括若干目标器件、若干接收传感器；其中目标器件由具有开关功能的传感器、若干个发射换能器和反射器组成，目标器件上的信号传输关系为：目标器件上的开关功能传感器闭合时，就将控制单元传输过来的调幅信号发送到发射传感器上发射，反射后的超声信号经过目标器件上的反射器反射后形成环向超声发射出去；目标器件和控制单元之间采用有线或无线连接。

上述装置中，所述目标器件上的反射器采用高声阻抗材料，能产生环向360度覆盖的发射超声波信号。

上述装置中，所述反射器采用金属(例如：钢)或塑胶材料(例如：有机玻璃)，钢的声阻抗为453g.cm^-2.s^-1，有机玻璃的声阻抗为32g.cm^-2.s^-1。

上述装置中，所述反射器的外表曲面为锥形，并且其外表边反射面为光滑曲面，

上述装置中，所述反射器的经过锥顶的切面是由两个抛物线构成，并且信号源位于这两个抛物线的焦点处，经锥顶切面中的任一抛物线反射的各个反射波均相互平行。

上述装置中，目标器件和控制单元之间采用无线连接，所述控制单元还包括射频收发模块，所述传感器单元还包括射频收发模块。

上述装置中，所述具有开关功能的传感器为压电传感器或摩擦传感器。

本发明的优点有：本发明克服现有普通换能器只能发射定向区域内的超声信号，利用超声发射器件产生环向发射调幅超声波，且利用反射调幅超声波包络不变化的特性，并通过一个或多个此类器件的调幅超声波进行指定区域内的刚体目标姿态定位。本发明的超声反射器利用普通的超声换能器，就能产生环向360度覆盖的超声波信号。本发明能够准确进行三维目标姿态定位，并且装置成本低廉，结构简单，安装使用方便，可以应用于多种姿态定位场合。

附图说明

图1有线工作方式下姿态定位装置的系统组成框图。

图2无线工作方式下姿态定位装置的系统组成框图。

图3本发明的目标器件上的发射器和反射器件结构切面图(发射换能器位于反射曲面指定点)，图中，301反射器，302光滑反射曲面切面，303光滑反射曲面切面，304发射换能器。

图4信号源经抛物线的反射原理示意图，图中，401反射后平行信号，402光滑抛物面切面抛物线，403抛物面焦点。

图5本发明目标发射器件距离接收参考点的距离示意图，其中SD＝(SR+RD)—Δ；图中，501为反射器，502为发射换能器，503为接收换能器。

图6一种以手写笔为例的姿态定位(笔尖定位)示意图。

图7系统定位处理工作流程。

具体实施方式

本实施方式的装置结构如图1所示，发明装置包括控制单元和传感器单元，控制单元包括数字信号处理器(DSP)、乘法器、振荡器、分频器和包络检波器。传感器单元包括一定数量的目标器件、若干接收换能器阵列。其中目标器件由各类具有开关功能的传感器4(压电、摩擦传感器等)、若干个发射换能器(如图中的发射换能器1、发射换能器2)和反射器3组成。目标和主控单元有两种连接方式：有线连接(图1)和无线连接(图2)工作方式。在无线连接工作方式中，控制单元电路还包括射频收发模块，传感器单元也还包括射频收发模块。

本装置的超声反射器结合普通的超声换能器，能产生环向360度覆盖的发射超声波信号。超声反射器的设计包括两个方面：材料选择和外表曲面的构造。

本装置的反射器采用高声阻抗材料来制作(比如高反射率金属材料)，使得超声换能器发出的超声波尽可能无损耗地反射出去。超声波在两个不同传播介质交界面会发生发射现象。设发射超声波从第一介质射到第二介质上，如果入射波声压为P0，交界面反射超声波的声压为Pr，它们之间的关系为：

P_r＝P₀r              (公式1)

$r=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}$             (公式2)

其中r表示声压发射率，是一个0到1之间的数，r越大表示反射超声波声压越强，即界面上超声波损耗越小。Z₁为第一介质的声阻抗，Z₂为第二介质的声阻抗。

举例：选择金属材料(例如：钢)或塑胶材料(例如：有机玻璃)为反射器材料，因为气体的声阻抗为0.00004g.cm^-2.s^-1(克每平方厘米每秒)，钢的声阻抗为453g.cm^-2.s^-1，对应的r为0.99999999；有机玻璃的声阻抗为32g.cm^-2.s^-1，对应的r为0.999998。所以利用这类材料作反射器，在界面上的声压发射率r非常地接近1，也即发射的超声信号基本全部都通过反射器反射出去。

本实施方式中反射器的外表曲面为任意指定锥形体，并且其外表边(反射面)为光滑曲面，并且可根据实际需要设计外表曲面的形状。比如要产生环向360度的环向平行信号，就可以使用一个如图4所示的锥形反射器，该反射器经过锥顶的切面是由两个抛物线构成，并且信号源位于这两个抛物线的焦点处。本装置能将信号源发出的超声波信号通过反射器反射后可以形成环向360度的发射波，并且在经过锥顶切面中的任一抛物线反射的各个反射波均相互平行。原理如图3所示，一个信号源位于抛切线的焦点，那么通过抛物线切面的反射信号均为相互平行信号。

本设计的反射器件，可以产生环向360度的超声波信号，解决了普通超声换能器只能向一定方向区域内发射超声波的问题。

本发明提供一种采用光滑反射器反射的调幅超声波来进行多点定位，确定刚体目标的姿态，其定位原理如下：

反射调幅超声波包络不变的原理：利用反射后的调幅超声波来定位，反射超声波只影响超声波的相位，不影响其包络。故采用一个或几个低频测量叠加信号作为调制信号调幅超声波，发射调幅后的超声波即可测量发射和接收点之间的距离。具体的距离测量采用专利“利用多频声波进行三维多运动目标定位的方法与装置”(申请号：200810198166.3)中所述的目标点与一个接收点的距离计算方法计算。即根据接收点接收并解调后的测量信号的动态多普勒频率偏移和相位差计算出目标点离各个接收点的距离。

本发明利用反射超声波信号来进行定位，这与前一个专利(申请号：200810198166.3)不同，其测距原理如图5所示，信号源(图5中“S”点)发出的超声波经过反射器反射后(图5中“R”点为反射点)到达接收参考点(图5中“D”点)，那么信号源与接收参考点的距离为：

l_SD＝(l_SR+l_RD)-Δ      (公式3)

其中l_SR+l_RD可由前一个专利申请(申请号：200810198166.3)中所述的目标点与一个接收点的距离计算方法计算进行计算，Δ是补偿因子，初始化根据参考点的距离差来确定。

本发明利用反射调幅超声波来测量目标上的多个定位点(发射换能器)位置信息，然后根据目标上的各个定位点的相对位置确定目标的姿态。目标上每个定位点(发射换能器)的定位原理：空间有4个不在同一平面上的参考点(接收换能换能器点阵)d₁、d₂、d₃和d₄，其空间三维坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x₄，y₄，z₄)。有一空间目标点d距离四个参考点的距离分别为l₁、l₂、l₃和l₄，那么这个目标的坐标(x，y，z)唯一确定。

对于目标姿态的确定，本发明以一种手写板中的手写笔姿态确定为例加以说明。如图6所示，手写板系统中的手写笔，需定位的是手写笔的笔尖，一般笔尖很小，其上不可能放一个发射器，因此笔尖的定位就需要通过笔的姿态来间接计算得到。利用本专利的反射调幅超声波测距方法可以得到图6目标笔上的两个发射换能器的参考坐标，分别为(x₁，y₁，z₁)和(x₂，y₂，z₂)，并且由于图6中的换能器2在笔尖和换能器1的中点上，那么笔尖的三维坐标(x，y，z)为：

$\left\{\begin{array}{c}x=2x_2-x_1\\ y=2y_2-y_1\\ z=2z_2-z_1\end{array}\right.$       (公式4)

本发明的工作过程为：首先触发目标上的开关传感器，触发后目标就发射出特定的请求定位信号，通过有线或无线方式传送到控制单元。当控制单元接收到请求信号后，控制单元立即给该目标中的各个定位点(发射换能器)分配特定的低频测量信号和调制超声频信号，即配置分频器(控制输出超声载频信号频率)的控制参数。随后低频测量信号经超声频调制信号调制后通过有线或无线方式传送到该目标，并由其上的发射换能器发射然后通过反射器反射出去。

其后接收处理过程开始启动，利用包络检波器调制出目标各个定位点的多路测量信号，然后这些多路测量信号送入DSP中进行A/D采样模/数转化成为多路数字信号，并且数字信号处理单元根据这多路数字信号计算出目标离各个接收传感器的距离，从而得到运动目标的三维姿态信息定位。最后计算出的三维姿态信息被送到装置输出端输出，输出端可以接到计算机或其他设备上做进一步的应用处理。

本发明定位装置的工作步骤如图7所示，具体如下：

步骤1目标物体开关传感器发射一开始请求定位信号，通过有线或无线方式传送到控制单元。

应用举例：手写板系统中的手写笔，需定位的是手写笔的笔尖，一般笔尖很小，其上不可能放一个发射器在上面，那么笔尖的定位就需要通过笔的姿态来间接计算出来。当笔写的时候，笔尖上的压力传感器感受到压力就通过发射换能器发射一个特定频率的超声请求信号，表明电子笔开始书写，请求姿态定位。

步骤2接收到请求信号后，控制单元分配低频测量信号和调制超声波频，配置分频器控制参数。

本发明可同时检测目标上的多个定位点，每个定位点的区分可以通过：1)每个运动目标分配相同的测量频率、不同的超声载波；2)每个运动目标分配相同的超声载波、不同的测量频率；3)每个运动目标分配相同的超声载频和测量频率但是不同时间发送等方式来实现。这样根据实际情况确定。

步骤3测量信号通过超声频调制信号调制后通过有线或无线方式发送到目标的换能传感器发射，然后通过反射器反射出去。

为了避开干扰，易于发射，降低电信号的运动速度，将测量信号调制到超声波频段发射。多声频测量信号经由超声频载波信号调幅后，送到发射换能器转化成超声波信号发射，在经反射器反射出去，形成环向360度信号覆盖。

步骤4接收解调，A/D采样模数转化后成为数字信号，计算姿态定位信息。

接收包络检波，解调后的测量信号经过DSP中的A/D采样单元后转化成数字信号，送到数字信号处理单元计算姿态定位。

应用举例：以手写板系统中的手写笔为例，图6所示。首先计算出笔上两个定位点的三维坐标，然后根据(公式四)就可以得到笔尖的位置。

Claims (9)

1、一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位方法，其特征在于利用反射调幅超声波来测量目标上的多个定位点的位置信息，然后根据目标上的各个定位点的相对位置确定目标的姿态，具体包括如下步骤：

首先触发目标上的开关传感器，触发后目标就发射出请求定位信号，通过有线或无线方式传送到控制单元，当控制单元接收到请求信号后，控制单元立即给该目标中的各个定位点上的发射换能器分配低频测量信号和调制超声频信号，即配置分频器的控制参数来控制输出超声载频信号频率，随后低频测量信号经超声频调制信号调制后通过有线或无线方式传送到该目标，并由其上的发射换能器发射然后通过反射器反射出去；

其后进入接收处理过程，利用包络检波器调制出目标各个定位点的多路测量信号，然后这些多路测量信号送入数字信号处理器中进行A/D采样转化成为多路数字信号，并且数字信号处理单元根据该多路数字信号计算出目标离各个接收传感器的距离，从而得到运动目标的三维姿态信息定位。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于目标上每个定位点的定位通过方法确定：空间有4个不在同一平面上的接收换能器点阵d₁、d₂、d₃和d₄，其空间三维坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x₄，y₄，z₄)，有一空间目标点d距离该四个接收点的距离分别为l₁、l₂、l₃和l₄，通过三维空间几何的计算唯一地确定这个目标的坐标(x，y，z)。

3、实现权利要求1或2所述的方法的装置，其特征在于包括控制单元和传感器单元，控制单元包括数字信号处理器、乘法器、振荡器、分频器和包络检波器，控制单元中各部分的信号传输关系为：控制单元中的数字信号处理器控制分频器将振荡器的振荡信号分频成所需的超声载波信号，超声载波信号和数字信号处理器产生的多路测量信号通过乘法器产生调幅超声信号送到目标器件上发射，接收传感器阵列接收到的超声信号和超声载波信号在包络检波检波器中检出幅度包络，然后将这包络送到数字信号处理器中处理计算；传感器单元包括若干目标器件、若干接收传感器；其中目标器件由具有开关功能的传感器、若干个发射换能器和反射器组成，目标器件上的信号传输关系为：目标器件上的开关功能传感器闭合时，就将控制单元传输过来的调幅信号发送到发射传感器上发射，反射后的超声信号经过目标器件上的反射器反射后形成环向超声发射出去；目标器件和控制单元之间采用有线或无线连接。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述目标器件上的反射器采用高声阻抗材料，能产生环向360度覆盖的发射超声波信号。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述反射器采用采用金属材料(例如：钢)或塑胶材料(例如：有机玻璃)，钢或有机玻璃材料，钢的声阻抗为453g.cm^-2.s^-1，有机玻璃的声阻抗为32g.cm^-2.s^-1。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述反射器的外表曲面为锥形，并且其外表边反射面为光滑曲面，

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述反射器的经过锥顶的切面是由两个抛物线构成，并且信号源位于这两个抛物线的焦点处，经锥顶切面中的任一抛物线反射的各个反射波均相互平行。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于目标器件和控制单元之间采用无线连接，所述控制单元还包括射频收发模块，所述传感器单元还包括射频收发模块。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述具有开关功能的传感器为压电传感器或摩擦传感器。

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