CN104101879A - 基于超声波的车辆空间定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声波的车辆空间定位方法及系统，是利用超声波测距所测数据经几何算法求得被测物在空间中所处位置，在同一个平面内放置不少于四个的多个超声波接收传感器和一个超声波发射探头，发射超声波的同时计时，记下各自接收到信号的时间与初值的差值,根据相应的坐标利用IQmath库函数计算出发射点的坐标进行定位。该系统包括标志位设置模块、超声波脉冲发射模块、超声波信号接收模块、温度测量模块和定位算法模块本发明的定位系统定位精度高，能有效减少测量误差，使用稳定，可有效实现车辆局部空间的精确定位。

Description

基于超声波的车辆空间定位方法及系统

技术领域

本发明涉及车辆空间定位技术领域，尤其涉及一种基于超声波的车辆空间定位方法及系统。 

背景技术

目前定位主要有三大技术:AP ( Access Point )讯号定位、TOA ( Time of Arrive )型定位及 GPS( Global Position System ) 定位。利用无线网络AP的信号强度进行室内定位的优点在于配合AP可以搭载资料的特性,进而提供信息服务,最佳的定位精度可以达到1 m。但是系统受环境影响比较大,定位不稳定。GPS Re-radiating技术是将GPS应用于室内定位的改进技术,它将GPS L1信号引入室内,使GPS接收机在室内能正常工作,但受限于其定位原理,高频率的动态定位精度会落在5m至15m之间。TOA的定位技术是利用量测已知点到待测点的位置,使用几何关系算出待测点的位置。由于在室内已知点到待测点的距离通常不是很远,因此无法用无线电波进行测距，因此研究局部定位精确是很有必要的。 

国内外有很多单位及个人在超声波绝对定位方面作了大量研究工作。例如周荣莲对超声波测距误差产生的原因进行了详细的分析，陈永光等研究了无源时差定位原理与定位精度的关系，熊春山等利用波头计数与零交叉点检测的方法来提高超声测距的精度，中国香港的F Tong等把超声波精确定位系统应用在自制导航车上,进行导航研究。 

发明内容

本发明是为了解决现有车辆空间定位系统定位不稳定且误差较大，无法有效实现对车辆空间精确定位的问题而提出一种定位精度高，能有效减少测量误差，使用稳定，可有效实现车辆局部空间的精确定位的基于超声波的车辆空间定位方法及系统。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

上述的基于超声波的车辆空间定位方法，是利用超声波测距所测数据经几何算法求得被测物在空间中所处位置，在空间位置测量中，采用多点测量定位，在同一个平面内放置不少于四个的多个超声波接收传感器和一个超声波发射探头，发射探头发射超声波的同时，计时器开始计时，当接收到超声波信号时记下各自接收到信号的时间与初值的差值,根据相应的坐标利用IQmath库函数计算出发射点的坐标，进行定位。

所述的基于超声波的车辆空间定位方法，其中：所述多个超声波接收传感器为Mn，超声波发射探头为T，各自接收到信号的时间与初值的差值分别为Tn,超声波发射到超声波接收的过程中超声波的传播路径相当于是一个等腰三角形，超声波传播的速度为C , 然后以优先的3个或4个超声波接收传感器为M0、M1、M2、M3和差值T0、T1、T2、T3，可得方程组： 

上式联合求解可得：

由上述公式最终可求得被测物体在坐标系中的X坐标值与Y坐标值，即被测物体位置信息。

上述的基于超声波的车辆空间定位系统，包括标志位设置模块、超声波脉冲发射模块、超声波信号接收模块、温度测量模块和定位算法模块；所述标志位设置模块用于标记系统的工作模式，即用来对标志位进行设置；所述超声波脉冲发射模块用于控制超声波的发射，其通过输出超声波发射控制信号给超声波发射硬件，使所述超声波发射硬件根据接收到控制信号产生实际的超声波信号；所述超声波信号接收模块用于控制超声波的接收，即用于产生严格的控制信号给超声波接收硬件以接收处理超声波回波；所述温度测量模块用于测量系统的工作环境温度，其控制外部的温度传感器获取外部温度，以校正定位算法中因温度变化而产生的误差；所述定位算法模块用于计算定位信息，其根据所述标志位设置模块、超声波脉冲发射模块、超声波信号接收模块和温度测量模块分别测量出的距离数据，再结合当前温度，通过定位算法计算出当前车辆在空间中的位置信息。 

所述基于超声波的车辆空间定位系统，其中：所述标志位设置模块具有工作标志位和模式标志位，系统默认测量模式为单次测量，在系统执行时工作标志及模式标志都满足条件即进行相应测量。 

所述基于超声波的车辆空间定位系统，其中：所述超声波脉冲发射模块利用系统主控芯片的定时器0及定时器中断产生方波，在每次中断中对输出电平进行翻转，在发射脉冲产生结束后，利用中断实现延时效果，将Cut of电平拉低，实现强制短路变压器初级，使发射回路快速消耗掉谐振能量，抑制余波； 

所述基于超声波的车辆空间定位系统，其中：所述超声波脉冲发射模块可通过限制中断次数而控制产生脉冲个数，在每次中断中可对系统主控芯片的定时器周期寄存器进行重新赋值，使得方波占空比可调。

所述基于超声波的车辆空间定位系统，其中：所述超声波信号接收模块具有四个接收点，即具有四路，其在每次测量中使用与门电路，将四路中断信号接入电路，并将所述四路中断信号与四个对应的系统主控芯片的I/O口相连，与所得的信号接入中断；每次进入中断后，首先检测四个系统主控芯片的I/O口的值，判断中断信号的来源，进而将所得到的时间差值赋值到对应的数组位。 

所述基于超声波的车辆空间定位系统，其中：所述超声波信号接收模块只接收四次中断，四次中断后关闭全局中断，以避免接收到回波。 

所述基于超声波的车辆空间定位系统，其中：所述温度传感器与系统主控芯片连接且测量结果以9~12位数字量方式串行传送；所述温度传感器采用DS18B20单总线温度传感器，其可通过一条口线实现与所述系统主控芯片的双向通讯；所述DS18B20单总线温度传感器测量的温度精度达到0.1度，测量的温度的范围在-20℃~100℃之间。 

所述基于超声波的车辆空间定位系统，其中：所述定位算法模块是调用系统主控芯片中的IQmath库函数完成定位公式的求解。 

有益效果： 

本发明基于超声波的车辆空间定位系统利用声速较慢的特点，可实现局部空间内精确定位，定位精度达1cm，定位分辨率达1cm；温度对声速改变呈线性变化，引入温度对声速变化进行校正，减小测量误差；“一发多收”多点精确定位，保证了系统的稳定性，还可利用智能串口显示终端实现系统功能控制以及定位信息的显示。

附图说明

图1为本发明基于超声波的车辆空间定位方法原理图； 

图2为本发明基于超声波的车辆空间定位系统的结构框图；

图3为本发明基于超声波的车辆空间定位系统的工作流程图；

图4为本发明基于超声波的车辆空间定位系统的超声波脉冲发射模块的工作流程图；

图5为本发明基于超声波的车辆空间定位系统的超声波信号接收模块的工作流程图；

图6为实施例超声波脉冲信号及余波抑制控制信号波形图；

图7为实施例四路增益控制信号中的GCA控制信号图；

图8为实施例某次测量后结果显示。

具体实施方式

本发明的基于超声波的车辆空间定位方法，是利用超声波测距所测数据经几何算法求得被测物在空间中所处位置，在空间位置测量中，采用多点测量定位，其中接收点大于等于四个，即在同一个平面内放置不少于四个超声波接收传感器和一个超声波发射探头，发射探头发射超声波的同时，计时器开始计时，当接收到超声波信号时记下各自接收到信号的时间与初值的差值,根据相应的坐标计算出发射点的坐标，进行定位。 

下面以“一发四收”定位模式为例，详细说明本方法： 

构建高1.2m、长宽1m的模拟室内测量环境利用超声波进行定位。

空间定位设计利用超声波测距所测数据经几何算法求得被测物在空间中所处位置。在空间位置测量中，在同一个平面内放置四个超声波接收传感器M0，M1,M2,M3和一个超声波发射探头T。发射探头发射超声波的同时，计时器1开始计时，当接收到超声波信号时记下各自接收到信号的时间与初值的差值分别为T0,T1,T2,T3,根据相应的坐标计算出发射点T的坐标。定位原理如图1所示： 

超声波发射到超声波接收的过程中超声波的传播路径相当于是一个等腰三角形。超声波传播的速度为：C ,四个接收探头从开始发射超声波到接收到超声波的时间间隔分别为：T0 ,T1 ,T2 ,T3。由图2可得方程组：

由于只有两个未知数，上式联合求解可得： 

由上述公式最终可求得被测物体在坐标系中的X坐标值与Y坐标值，即被测物体位置信息。

由于本模拟环境相比实际运用环境较小，故采用四个接收点进行定位即“一发四收”定位模式。在实际运用中可增加接收点，即在同一个平面内放置四个以上的多个超声波接收传感器为Mn，超声波发射探头为T，各自接收到信号的时间与初值的差值分别为Tn,超声波发射到超声波接收的过程中超声波的传播路径相当于是一个等腰三角形，超声波传播的速度为C , 然后以优先的3个或4个超声波接收传感器为M0、M1、M2、M3和差值T0、T1、T2、T3，依然采用上述方程组最终可求得被测物体在坐标系中的X坐标值与Y坐标值，即被测物体位置信息。 

超声波的产生是采用定时器方式产生超声波脉冲信号，利用定时器0及定时器中断产生方波，在每次中断中对输出电平进行翻转。本发明可通过限制中断次数而控制产生脉冲个数，在每次中断中可对CPU定时器周期寄存器(PRDH:PRD)进行重新赋值，使得方波占空比可调。 

在发射脉冲产生结束后，系统因谐振电路产生余波干扰，在硬件抑制余波同时利用中断实现延时效果，延时约26μs后，将Cut of电平拉低，实现硬件设计中强制短路变压器初级，使发射回路快速消耗掉谐振能量，抑制余波。 

超声波信号接收：由于接收点具有四个以上的多个，在每次测量中，处理器会收到多个处理后的中断信号，但由于外部中断有限，使用前文硬件设计的与门电路，将多路Signal（中断信号）接入电路，同时将其与该多个对应的I/O口相连，与得的信号接入中断。 

每次进入中断后，首先检测该多个I/O口的值，判断中断信号的来源，进而将所得到的时间差值赋值到对应的数组位。同时为了减小回波产生的影响，系统只允许接收该多次中断，该多次中断后关闭全局中断，避免接收到回波。 

温度测量采用DS18B20单总线温度传感器。DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，其测量结果以9~12位数字量方式串行传送。测量的温度精度达到0.1度，测量的温度的范围在-20度到+100度之间。部分源代码实例： 

         a=ReadOneChar();            //a存低字节

         b=ReadOneChar();            //b存高字节

t=b;  t<<=8;             //高字节转换为10进制

t=t|a;      

          ReadOneTemperature()=t;

Ntemp=ReadOneTemperature();

        Ntemp=Ntemp*0.625;         //转换精度0.0624/LSB

          Ntemp=(int)(Ntemp/10)+0.5; //保留1位小数并四舍五入

定位算法基于空间定位原理，利用TI的IQmath库函数完成对公式（1）、（2）、（3）、（4）所构成的方程组求解。IQmath库收集了高度优化和准确的数学函数库并精确地在TMS320C28X芯片上将浮点型转换成固定点算法的运算代码，使用这些函数能拥有比用同等标准的ANSI C语言编写的代码更快的运行速度，明显缩短DSP应用开发的时间。

利用IQmath计算部分示例: 

tt1=_IQdiv(_IQ(time[n1]),_IQ(2));           //计算时间

d1=_IQdiv(_IQrsmpy(v,tt1),_IQ(1000));      //计算距离

X=_IQrsmpy(_IQdiv(B[0],F[0]),_IQ(M[n1].y-M[n3].y))-_IQrsmpy(_IQdiv(B[1],F[0]),_IQ(M[n1].y-M[n2].y));          //计算X坐标值

 Y=_IQrsmpy(_IQdiv(B[0],F[1]),_IQ(M[n1].x-M[n3].x))-_IQrsmpy(_IQdiv(B[1],F[1]),_IQ(M[n1].x-M[n2].x));           //计算Y坐标值

基于上述方法的车辆空间定位系统，如图2所示，本发明基于超声波的车辆空间定位系统，包括标志位设置模块1、超声波脉冲发射模块2、超声波信号接收模块3、温度测量模块4和定位算法模块5。

该标志位设置模块1用于标记系统的工作模式，因为系统在工作过程中对整个控制时序要求比较严格，故需要通过状态标志位来标示系统的工作,标志位设置模块1就是用来对标志位进行设置。该标志位设置模块1具有工作标志位和模式标志位，其中，系统默认测量模式为单次测量，在系统执行时需工作标志及模式标志都满足条件（Start_Flag=1开始测量，Start_Flag=0停止测量；Mode_Flag=1连续测量，Mode_Flag=0单次测量）才会进行相应测量。 

该超声波脉冲发射模块2用于控制超声波的发射，其通过输出超声波发射控制信号给超声波发射硬件，超声波发射硬件根据接收到控制信号产生实际的超声波信号；其中，该超声波脉冲发射模块2利用系统主控芯片的定时器0（内部硬件所带的一个外设，通过编程对其配置可使其在设定的时间产生一个状态信号通知系统设定的时间已到）及定时器中断产生方波，在每次中断中对输出电平进行翻转，其中，该超声波脉冲发射模块2可通过限制中断次数而控制产生脉冲个数，在每次中断中可对系统主控芯片的定时器周期寄存器（PRDH:PRD）进行重新赋值，使得方波占空比可调；在发射脉冲产生结束后，利用中断实现延时效果，延时约200μs后，将Cut of电平拉低，实现强制短路变压器初级，使发射回路快速消耗掉谐振能量，抑制余波。 

如图4所示，该超声波脉冲发射模块2的工作流程为：当进入超声波脉冲发射模块后，系统先对发射系统的硬件及中间寄存器进行初始化；初始化完成后进入超声波发射阶段，在开始发射超声波的时候关闭余波抑制，以使系统正常工作；由于超声波脉冲发射后硬件系统会产生超声波余波，故延迟一段时间待超声波完全发射后开启余波抑制以防止产生错误；单次发射完成后根据系统设置来决定是否再次发射；是则返回到发射超声波脉冲信号处重复运行，否则结束整个发射。 

该超声波信号接收模块3用于控制超声波的接收，当超声波接收硬件接收到反射回来的超声波后，必须按照严格的顺序进行处理才能还原接收到的超声波，超声波信号接收模块3就是用于产生严格的控制信号给超声波接收硬件以接收处理超声波回波；其中，该超声波信号接收模块3有四个以上接收点即四路以上，下面以该超声波信号接收模块3具有四个接收点即四路时为例说明：在每次测量中系统的系统主控芯片会收到多个处理后的中断信号，但由于外部中断有限，使用与门电路，将四路Signal（中断信号）接入电路，同时将其与四个对应的系统主控芯片的I/O口相连，四路输入的Signal通过与门电路产生复用中断信号接入主控芯片的外部中断脚；每次进入中断后，首先检测该四个系统主控芯片的I/O口的值，判断中断信号的来源，进而将所得到的时间差值赋值到对应的数组位；同时为了减小回波产生的影响，系统只允许接收四次中断，四次中断后关闭全局中断，避免接收到回波。 

如图5所示，该超声波信号接收模块3的工作流程为：当接收到超声波接收硬件发送的下降沿中断信号后，系统进入超声波信号接收模块3；超声波信号接收模块3首先判断信号来源，根据信号来源结合逻辑与门前后的反馈信号判断当前接收信号来自四路超声波接收端中的哪路；根据结果进行中断接收，并将结果存入对应的位置；当单路接收完成后，查询系统状态，看四路是否全接收完毕；未全接收则继续等待中断信号，若四路均接收完毕则保持所有结果，更改系统状态，最后关闭中断。 

该温度测量模块4用于测量系统的工作环境温度，因为超声波在不同温度下在空气中传播的速度不一样，为了实现精确定位就必须把环境温度因素考虑到测量计算中，温度测量模块4控制外部的温度传感器获取外部温度，以校正定位算法中因为温度变化而产生的误差；其中，该温度传感器采用DS18B20单总线温度传感器，其与系统主控芯片连接时，仅需要一条口线即可实现系统主控芯片与DS18B20单总线温度传感器的双向通讯，其测量结果以9~12位数字量方式串行传送，测量的温度精度达到0.1度，测量的温度的范围在－20度到+100度之间。 

该定位算法模块5用于计算定位信息，其根据标志位设置模块1、超声波脉冲发射模块2、超声波信号接收模块3和温度测量模块4分别测量出的距离数据，再结合当前温度，通过定位算法计算出当前车辆在空间中的位置信息；其中，该定位算法模块5是调用系统主控芯片中的IQmath库函数中的快速加、减、乘、除数学运算指令完成定位公式的求解。 

本发明基于超声波的车辆空间定位系统的工作流程： 

如图3所示，当系统上电后，整个系统先进行初始化；初始化完成后根据外部输入的控制信号设置系统的工作模式，进入工作状态；进入工作状态后先测量外部环境温度为后期校正温度误差做准备；然后控制系统发出超声波信号；当超声波信号发出后就等待4路超声波回波信号；接收到超声波回波信号后通过定位算法计算出车辆的空间位置；将空间位置、环境温度等信息编码以满足串口屏的数据格式，然后发送给串口屏显示；单次测量完成后根据前面设置的工作模式来选择是否进入连续测量模式，是则返回到测量环境温度处执行，否则结束测量。

实施例

以采用“一发四收”定位模式的定位系统进行试验，四角为超声波接收模块，中间为超声波发射模块。

当发射模块在接收到发射指令后，发出40KHz超声波脉冲信号（8个脉冲信号）。在开始发射同时关闭余波抑制控制，在发射完成后延时26μs，打开余波抑制控制。超声波脉冲信号及余波抑制控制信号波形如图6所示。 

在发射结束后接收模块开始等待接收超声波信号，同时打开TL852增益控制，图7中为四路增益控制信号中的GCA控制信号）。 

系统控制显示部分为触摸屏控制，在默认情况下系统为单次测量模式。显示部分显示环境温度、当前测量模式、定位坐标值、定位信息二维图显示及系统控制部分。图8为某次测量后结果显示。 

本发明基于超声波的车辆空间定位系统利用声速较慢的特点，实现局部空间内精确定位，定位精度达1cm，定位分辨率达1cm；温度对声速改变呈线性变化，引入温度对声速变化进行校正，减小测量误差；“一发多收”多点精确定位，保证了系统的稳定性。 

Claims (10)

1.一种基于超声波的车辆空间定位方法，是利用超声波测距所测数据经几何算法求得被测物在空间中所处位置，在空间位置测量中，采用多点测量定位，在同一个平面内放置不少于四个的多个超声波接收传感器和一个超声波发射探头，发射探头发射超声波的同时，计时器开始计时，当接收到超声波信号时记下各自接收到信号的时间与初值的差值，根据相应的坐标利用IQmath库函数计算出发射点的坐标，进行定位。

2.如权利要求1所述的基于超声波的车辆空间定位方法，其特征在于：所述多个超声波接收传感器为Mn，超声波发射探头为T，各自接收到信号的时间与初值的差值分别为Tn,超声波发射到超声波接收的过程中超声波的传播路径相当于是一个等腰三角形，超声波传播的速度为C , 然后以优先的3个或4个超声波接收传感器为M0、M1、M2、M3和差值T0、T1、T2、T3，可得方程组：

上式联合求解可得：

 

由上述公式最终可求得被测物体在坐标系中的X坐标值与Y坐标值，即被测物体位置信息。

3.一种基于超声波的车辆空间定位系统，其特征在于：所述车辆空间定位系统包括标志位设置模块、超声波脉冲发射模块、超声波信号接收模块、温度测量模块和定位算法模块；

所述标志位设置模块用于标记系统的工作模式，即用来对标志位进行设置；

所述超声波脉冲发射模块用于控制超声波的发射，其通过输出超声波发射控制信号给超声波发射硬件，使所述超声波发射硬件根据接收到控制信号产生实际的超声波信号；

所述超声波信号接收模块具有不少于四个的接收点，用于控制超声波的接收，即用于产生严格的控制信号给超声波接收硬件以接收处理超声波回波； 

所述温度测量模块用于测量系统的工作环境温度，其控制外部的温度传感器获取外部温度，以校正定位算法中因温度变化而产生的误差；

所述定位算法模块用于计算定位信息，其根据所述标志位设置模块、超声波脉冲发射模块、超声波信号接收模块和温度测量模块分别测量出的距离数据，再结合当前温度，通过定位算法计算出当前车辆在空间中的位置信息。

4.如权利要求3所述的基于超声波的车辆空间定位系统，其特征在于：所述标志位设置模块具有工作标志位和模式标志位，系统默认测量模式为单次测量，在系统执行时工作标志及模式标志都满足条件即进行相应测量。

5.如权利要求3所述的基于超声波的车辆空间定位系统，其特征在于：所述超声波脉冲发射模块利用系统主控芯片的定时器0及定时器中断产生方波，在每次中断中对输出电平进行翻转，在发射脉冲产生结束后，利用中断实现延时效果，将Cut of电平拉低，实现强制短路变压器初级，使发射回路快速消耗掉谐振能量，抑制余波。 

6.如权利要求3或5所述的基于超声波的车辆空间定位系统，其特征在于：所述超声波脉冲发射模块可通过限制中断次数而控制产生脉冲个数，在每次中断中可对系统主控芯片的定时器周期寄存器进行重新赋值，使得方波占空比可调。 

7.如权利要求3所述的基于超声波的车辆空间定位系统，其特征在于：所述超声波信号接收模块具有四个接收点，即具有四路，其在每次测量中使用与门电路，将四路中断信号接入电路，并将所述四路中断信号与四个对应的系统主控芯片的I/O口相连，与所得的信号接入中断；每次进入中断后，首先检测四个系统主控芯片的I/O口的值，判断中断信号的来源，进而将所得到的时间差值赋值到对应的数组位。 

8.如权利要求7所述的基于超声波的车辆空间定位系统，其特征在于：所述超声波信号接收模块只接收四次中断，四次中断后关闭全局中断，以避免接收到回波。 

9.如权利要求3所述的基于超声波的车辆空间定位系统，其特征在于：所述温度传感器与系统主控芯片连接且测量结果以9～12位数字量方式串行传送； 

所述温度传感器采用DS18B20单总线温度传感器，其可通过一条口线实现与所 述系统主控芯片的双向通讯； 

所述DS18B20单总线温度传感器测量的温度精度达到0.1度，测量的温度的范围在-20℃～100℃之间。 

10.如权利要求3所述的基于超声波的车辆空间定位系统，其特征在于：所述定位算法模块是调用系统主控芯片中的IQmath库函数完成定位公式的求解。