CN103698747A - 频分制超声波定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频分制超声波定位系统，具有：超声波发送端，按照预定周期同时发射第一频率、第二频率、第三频率的超声波信号和同步信号；超声波接收端，接收由超声波发送端发送过来的同步信号和超声波信号，根据同步信号和超声波信号，确定超声波发送端与超声波接收端的相对位置，超声波发送端，在第一位置发射第一频率的超声波信号，在第二位置发射第二频率的超声波信号，在第三位置发射第三频率的超声波信号，第一频率、第二频率、第三频率为彼此不同的频率，第一位置、第二位置、第三位置为空间中不共线的三点。由此，实现了定位精度高、实时性好、抗干扰能力强的定位。

Description

频分制超声波定位系统及方法

技术领域

本发明涉及三维定位技术领域，尤其涉及一种频分制超声波定位系统及方法。

背景技术

近年来，户外定位技术已经十分成熟，无论是美国的GPS(全球定位系统)、俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯)，还是欧洲的“伽利略”全球定位系统，中国的“北斗”，均已得到大量的应用。然而，对于室内定位这类小范围、高精度的定位需求，囿于成本和环境的限制，一直以来都没有得到很好的解决。总的来说，目前小范围(诸如室内)定位技术主要是三种：①无线电定位，各个频段的都有(RFID技术也可以归为此类)，其原理是通过测量无线电信号的强度来确定位置，系统复杂、定位精度不高(米级)；②视觉定位，这种方法主要是基于摄像机采集到的地标的图像，采用几何方法来确定位置，其缺陷主要在于对摄像头要求较高(需要标定)，对计算能力要求较高(需要进行图像处理)，一旦地标脱离摄像机的视野则无法定位，因而这类系统成本高、功耗大、结构复杂；③超声波定位，这种方法的原理主要是测试通过测量超声波从多个发射点到接收点的传送时间，计算多个发射点到接收点之间的距离，然后利用几何的方法求出接收点的位置，这类系统的结构简单、成本低、定位精度较高(厘米级)，已经在室内机器人定位中得到应用。

然而，已有超声波定位系统多为时分制系统，也就是各个超声波发射点发射的超声波的频率是一样的，为了避免互相干扰，需要在一段时间内依次轮流发射同步信号和超声波(譬如，发射点有5个，在1秒中内，各占0.2秒)，相对于频分制系统，这种方法最大缺陷在于：①定位精度低，尤其是对于快速移动的物体；②实时性较低，主要是由于其依次轮流发射的工作方式，每一个发射点都要占用一个时间片；③抗干扰能力较差，主要是超声波的多次反射可能窜入另外的超声波发射点的时间片中，从而干扰真实信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频分制超声波定位系统和方法，以解决原有系统定位精度低、实时性低、抗干扰能力差等缺陷。

本发明的一个方面的频分制超声波定位系统，具有：超声波发送端，按照预定周期同时发射第一频率、第二频率、第三频率的超声波信号和同步信号；超声波接收端，接收由超声波发送端发送过来的同步信号和超声波信号，根据同步信号和超声波信号，确定超声波发送端与超声波接收端的相对位置，超声波发送端，在第一位置发射第一频率的超声波信号，在第二位置发射第二频率的超声波信号，在第三位置发射第三频率的超声波信号，第一频率、第二频率、第三频率为彼此不同的频率，第一位置、第二位置、第三位置为空间中不共线的三点。

本发明的另一个方面的频分制超声波定位方法，具有：超声波发送步骤，由超声波发送端按照预定周期同时发射第一频率、第二频率、第三频率的超声波信号和同步信号；超声波接收端步骤，由超声波接收端接收由超声波发送步骤发送的同步信号和超声波信号，根据同步信号和超声波信号，确定超声波发送端与超声波接收端的相对位置，超声波发送步骤，在第一位置发射第一频率的超声波信号，在第二位置发射第二频率的超声波信号，在第三位置发射第三频率的超声波信号，第一频率、第二频率、第三频率为彼此不同的频率，第一位置、第二位置、第三位置为空间中不共线的三点。

根据本发明的频分制超声波定位系统和方法，具有下列有益效果：

①定位精度高：由于各个超声波发射点发射的超声波的频率不同，所以根据机械波的“互不干涉原理”，各个超声波发射点可同时发射频率不同的超声波信号和同步信号，超声波接收点通过频率区分各个超声波发射点并计算各个传送时间，从而计算出超声波接收点到各个超声波发射点的距离，故定位精度高，尤其是对于快速移动的物体。

②实时性高：由于无依次轮流发射超声波的过程，单位时间内定位频率提升显著，实时性显著提高；

③抗干扰能力强：各个超声波发射点所发射的超声波的频率不同，因此互相干扰的概率大大降低。

附图说明

图1是根据本发明频分制超声波定位系统100的总体结构图。

图2是根据本发明的频分制超声波定位系统100的超声波发送端1的框图。

图3是根据本发明频分制超声波定位系统100的超声波接收端2的框图。

图4是根据本发明频分制超声波定位系统的频分制测距方法示意图。

图5是根据本发明频分制超声波定位系统的定位方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明频分制超声波定位系统100的总体结构图。如图1所示，该系统包括两个部分：超声波发送端1、超声波接收端2。

超声波发送端1，按照预定周期T同时发射三种不同频率的超声波信号和同步信号(可为光、红外、无线电等)。

超声波接收端2，接收由超声波发送端1发送过来的同步信号和三种不同频率的超声波信号，经由放大、滤波、检波等处理测量出超声波发送端1与超声波接收端2的相对位置信息，从而实现定位。

图2是根据本发明的频分制超声波定位系统100的超声波发送端1的框图。如图2所示，超声波发送端1包含九个部分：发送端中央控制器11、第一驱动电路12、第二驱动电路13、第三驱动电路14、第一超声波发送器15、第二超声波发送器16、第三超声波发送器17、同步信号发送器18、发送端电源19。

发送端中央控制器11是超声波发送端1的核心，全面控制第一超声波发送器15、第二路超声波发送器16、第三路超声波发送器17及同步信号发送器18的工作。

第一驱动电路12、第二驱动电路13、第三驱动电路14，对发送端中央控制器11发出的相应通道的控制信号分别进行功率放大，以驱动第一超声波发送器15、第二超声波发送器16、第三超声波发送器17。

第一超声波发送器15、第二超声波发送器16、第三超声波发送器17，接收到其对应通道驱动电路的驱动信号时，分别发送出频率为f1、f2、f3的超声波信号，完成由电能向机械能的转换，一般情况下三者的物理位置不集中，分别安装在空间中不共线的三点上。另外，为了简化计算，可将它们安装在空间中虚拟的坐标轴上。

同步信号发送器18，发送同步信号(可为光、红外、无线电等)，由于无线电波的传递速度为光速，远远高于声速，故当超声波接收端2接收到同步信号时，则认为超声波已同步发送，可开始计时。

发送端电源19，给整个超声波发送端1供电，无需专门说明，专业人士可根据实际系统的需要自行选择电压等级、功率大小，或者可以理解为根据需要作相应的修改。

图3是根据本发明频分制超声波定位系统100的超声波接收端2的框图。如图3所示，超声波接收端2包括十六个部分：第一超声波接收器21、第二超声波接收器22、第三超声波接收器23、第一放大器24、第二放大器25、第三放大器26、第一带通滤波器27、第二带通滤波器28、第三带通滤波器29、第一检波器2A、第二检波器2B、第三检波器2C、同步信号接收器2D、人机交互接口2E、接收端中央控制器2F、接收端电源2G。

第一超声波接收器21、第二超声波接收器22、第三超声波接收器23，均是接收超声波发送端1传送过来的超声波信号，并转换成电压信号，其敏感频率分别为f1、f2、f3，一般情况下三者的物理位置在一起。

第一放大器24、第二放大器25、第三放大器26，分别对由第一超声波接收器21、第二超声波接收器22、第三超声波接收器23传过来的微弱的电压信号进行放大。

第一带通滤波器27、第二带通滤波器28、第三带通滤波器29，分别对由第一放大器24、第二放大器25、第三放大器26传送过来的信号进行带通滤波，其通频段的中心频率分别为f1、f2、f3。

第一检波器2A、第二检波器2B、第三检波器2C，当检测到频率分别为f1、f2、f3时，在对应的通道上向接收端中央控制器2F发送信号(上升沿或下降沿)，以表示收到了对应频率的超声波信号。

同步信号接收器2D接收同步信号，并传递给接收端中央控制器2F，以此表征超声波发送端1已经发送超声波信号，可以开始计时。

人机交互接口2E，主要用于参数输入和结果输出。

接收端中央控制器2F是整个超声波接收端2的核心，接收同步信号和各个通道表征收到超声波的信号并完成测距，从而计算出超声波接收端2的位置并由人机交互接口2E完成输入和输出。

接收端电源2G的功能是给整个超声波接收端2供电，无需专门说明，专业人士可根据实际系统的需要自行选择电压等级、功率大小，或者可以理解为根据需要作相应的修改。

图4是根据本发明频分制超声波定位系统的频分制测距方法示意图，如图4所示，频分制测距方法可简述如下：

步骤1：在t₀时刻，超声波发送端1的第一超声波发送器15、第二超声波发送器16、第三超声波发送器17、同步信号发送器18同时发送频率分别为f1、f2、f3的超声波信号及同步信号；

步骤2：超声波接收端2在t₀时刻收到同步信号，则开始计时；

步骤3：超声波接收端2在t₁时刻收到第一超声波发送器15发送的频率为f1的超声波信号，则可以计算出超声波从第一超声波发送器15的位置传递到超声波接收端2的时间Δt₁＝t₁-t₀，由以下公式则可以计算出第一超声波发送器15与超声波接收端2之间的距离l₁：

l₁＝V·Δt₁   (1)

式中V表示声速，由以下公式计算：

V＝331.3+0.606·T   (2)

其中T为摄氏温度；

步骤4：超声波接收端2在t₂时刻收到第二超声波发送器16发送的频率为f2的超声波信号，则可以计算出超声波从第二超声波发送器16的位置传递到超声波接收端2的时间Δt₂＝t₂-t₀，由以下公式则可以计算出第二超声波发送器16与超声波接收端2之间的距离l₂(V为声速，由式(2)确定)：

l₂＝V·Δt₂   (3)

步骤5：超声波接收端2在t₃时刻收到第三超声波发送器17发送的频率为f3的超声波信号，则可以计算出超声波从第三超声波发送器17的位置传递到超声波接收端2的时间Δt₃＝t₃-t₀，由以下公式则可以计算出第二超声波发送器17与超声波接收端2之间的距离l₃(V为声速，由式(2)确定)：

l₃＝V·Δt₃   (4)

图5是根据本发明频分制超声波定位系统的定位方法示意图，如图5所示，本发明定位方法可简述如下：将第一超声波发送器15安装在A点，其坐标为(x₁ y₁ z₁)，将第二超声波发送器16安装在B点，其坐标为(x₂ y₂ z₂)，将第三超声波发送器17安装在C点，其坐标为(x₃ y₃ z₃)，将第一超声波接收器21、第二超声波接收器22、第三超声波接收器23均安装在D点，并假定其坐标为(x₄ y₄ z₄)，由空间点的欧式距离计算公式可得如下方程：

$\begin{array}{c}\sqrt{{(x_4-x_1)}^2+{(y_4-y_1)}^2+{(z_4-z_1)}^2}=l_1\\ \sqrt{{(x_4-x_2)}^2+{(y_4-y_2)}^2+{(z_4-z_2)}^2}=l_2\\ \sqrt{{(x_4-x_3)}^2+{(y_4-y_3)}^2+{(z_4-z_3)}^2}=l_3\end{array}---\left(5\right)$

通过求解以上方程即可求解出(x₄ y₄ z₄)，从而实现定位。

下面举一个优选实施例来进一步说明本发明的系统和方法。在该优先例中，T选为0.1秒，f1＝100KHz，f2＝200KHz，f3＝300KHz。实验表明，其定位精度在厘米级别，较传统时分方式有较大提高。

以上对本发明频分制超声波定位系统进行了详细说明，从上述可以看出，本发明具有下列有益效果：

①定位精度高：由于各个超声波发射点发射的超声波的频率不同，所以根据机械波的“互不干涉原理”，各个超声波发射点可同时发射频率不同的超声波信号和同步信号，超声波接收点通过频率区分各个超声波发射点并计算各个传送时间，从而计算出超声波接收点到各个超声波发射点的距离，故定位精度高，尤其是对于快速移动的物体。

②实时性高：由于无依次轮流发射超声波的过程，单位时间内定位频率提升显著，实时性显著提高；

③抗干扰能力强：各个超声波发射点所发射的超声波的频率不同，因此互相干扰的概率大大降低。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种频分制超声波定位系统，其特征在于，

具有：超声波发送端，按照预定周期同时发射第一频率、第二频率、第三频率的超声波信号和同步信号；

超声波接收端，接收由所述超声波发送端发送过来的同步信号和超声波信号，根据同步信号和超声波信号，确定所述超声波发送端与所述超声波接收端的相对位置，

所述超声波发送端，在第一位置发射第一频率的超声波信号，在第二位置发射第二频率的超声波信号，在第三位置发射第三频率的超声波信号，

所述第一频率、第二频率、第三频率为彼此不同的频率，所述第一位置、第二位置、第三位置为空间中不共线的三点。

2.根据权利要求1所述的频分制超声波定位系统，其特征在于，

所述同步信号是光、红外线、无线电的任意一种。

3.根据权利要求1所述的频分制超声波定位系统，其特征在于，

所述超声波发送端包含：发送端中央控制器、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第一超声波发送器、第二超声波发送器、第三超声波发送器、同步信号发送器、发送端电源，

所述发送端中央控制器，全面控制第一超声波发送器、第二路超声波发送器、第三路超声波发送器及同步信号发送器的工作，

所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路，对发送端中央控制器发出的相应通道的控制信号分别进行功率放大，以驱动第一超声波发送器、第二超声波发送器、第三超声波发送器，

所述第一超声波发送器、第二超声波发送器、第三超声波发送器，分别位于第一位置、第二位置、第三位置，接收到其对应通道驱动电路的驱动信号时，发送出第一频率、第二频率、第三频率的超声波信号，

所述同步信号发送器，发送同步信号，

所述发送端电源，给整个超声波发送端供电。

4.根据权利要求3所述的频分制超声波定位系统，其特征在于，

所述超声波接收端包括：第一超声波接收器、第二超声波接收器、第三超声波接收器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、第一检波器、第二检波器、第三检波器、同步信号接收器、人机交互接口、接收端中央控制器、接收端电源，

所述第一超声波接收器、第二超声波接收器、第三超声波接收器，分别对第一频率、第二频率、第三频率敏感，接收超声波发送端传送过来的超声波信号，并转换成电压信号，

所述第一放大器、第二放大器、第三放大器，分别对由第一超声波接收器、第二超声波接收器、第三超声波接收器传过来的电压信号进行放大，

所述第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器，分别对由第一放大器、第二放大器、第三放大器传送过来的信号进行带通滤波，其通频段的中心频率分别为第一频率、第二频率、第三频率，

所述第一检波器、第二检波器、第三检波器，当检测到频率分别为第一频率、第二频率、第三频率时，在对应的通道上向接收端中央控制器发送表示收到了对应频率的超声波信号的信号，

所述同步信号接收器接收同步信号，并传递给接收端中央控制器以表征超声波发送端已经发送超声波信号，使接收端中央控制器开始计时，

所述人机交互接口，用于参数输入和结果输出，

所述接收端中央控制器，接收同步信号和各个通道表征收到超声波的信号并完成测距，从而计算出超声波接收端的位置并由人机交互接口完成输入和输出，

所述接收端电源给整个超声波接收端供电。

5.根据权利要求3所述的频分制超声波定位系统，其特征在于，

所述超声波接收端在t₀时刻收到同步信号，超声波接收端在t₁时刻收到第一超声波发送器发送的第一频率的超声波信号，超声波接收端在t₂时刻收到第二超声波发送器发送的第二频率的超声波信号，超声波接收端在t₃时刻收到第三超声波发送器发送的第三频率的超声波信号，

则第一超声波发送器与超声波接收端之间的距离l₁、则第二超声波发送器与超声波接收端之间的距离l₂、则第三超声波发送器与超声波接收端之间的距离l₃分别为：

l₁＝V*(t₁-t₀)

l₂＝V*(t₂-t₀)

l₃＝V*(t₃-t₀)

其中，V＝331.3+0.606·T，T为摄氏温度，

若设第一位置的坐标为(x₁ y₁ z₁)、第二位置的坐标为(x₂ y₂ z₂)、第三位置的坐标为(x₃ y₃ z₃)、超声波接收端的坐标为(x₄ y₄ z₄)，则根据欧式距离计算公式有：

$\sqrt{{(x_4-x_1)}^2+{(y_4-y_1)}^2+{(z_4-z_1)}^2}=l_1$

$\sqrt{{(x_4-x_2)}^2+{(y_4-y_2)}^2+{(z_4-z_2)}^2}=l_2$

$\sqrt{{(x_4-x_3)}^2+{(y_4-y_3)}^2+{(z_4-z_3)}^2}=l_3$

通过求解如上方程组对超声波接收端进行定位。

6.根据权利要求1所述的频分制超声波定位系统，其特征在于，

所述预定周期是0.1秒，

所述第一频率是100KHz、所述第二频率是200KHz、所述第3频率是300KHz。

7.一种频分制超声波定位方法，其特征在于，

具有：超声波发送步骤，由超声波发送端按照预定周期同时发射第一频率、第二频率、第三频率的超声波信号和同步信号；

超声波接收端步骤，由超声波接收端接收由所述超声波发送步骤发送的同步信号和超声波信号，根据同步信号和超声波信号，确定超声波发送端与超声波接收端的相对位置，

所述超声波发送步骤，在第一位置发射第一频率的超声波信号，在第二位置发射第二频率的超声波信号，在第三位置发射第三频率的超声波信号，

所述第一频率、第二频率、第三频率为彼此不同的频率，所述第一位置、第二位置、第三位置为空间中不共线的三点。

8.根据权利要求7所述的频分制超声波定位方法，其特征在于，

所述同步信号是光、红外线、无线电的任意一种。

9.根据权利要求8所述的频分制超声波定位方法，其特征在于，

超声波接收步骤中，设在t₀时刻收到同步信号，在t₁时刻收到第一频率的超声波信号，在t₂时刻收到第二频率的超声波信号，在t₃时刻收到第三频率的超声波信号，

则第一位置与超声波接收端之间的距离l₁、第二位置与超声波接收端之间的距离l₂、第三位置与超声波接收端之间的距离l₃分别为：

l₁＝V*(t₁-t₀)

l₂＝V*(t₂-t₀)

l₃＝V*(t₃-t₀)

其中，V＝331.3+0.606·T，T为摄氏温度，

若设第一位置的坐标为(x₁ y₁ z₁)、第二位置的坐标为(x₂ y₂ z₂)、第三位置的坐标为(x₃ y₃ z₃)、超声波接收端的坐标为(x₄ y₄ z₄)，则根据欧式距离计算公式有：

$\sqrt{{(x_4-x_1)}^2+{(y_4-y_1)}^2+{(z_4-z_1)}^2}=l_1$

$\sqrt{{(x_4-x_2)}^2+{(y_4-y_2)}^2+{(z_4-z_2)}^2}=l_2$

$\sqrt{{(x_4-x_3)}^2+{(y_4-y_3)}^2+{(z_4-z_3)}^2}=l_3$

通过求解如上方程组对超声波接收端进行定位。

10.根据权利要求7所述的频分制超声波定位方法，其特征在于，

所述预定周期是0.1秒，

所述第一频率是100KHz、所述第二频率是200KHz、所述第3频率是300KHz。

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