CN104848972A - 压力感应垫及基于应变式压力传感器网络的定位系统 - Google Patents

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丁芃
金宇清
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Abstract

本发明提供一种压力感应垫,包括一由易变形材料形成的垫本体,其限定了一个第一表面、第二表面以及夹在第一表面与第二表面之间的填充层;所述填充层内等间距地设置多条由导电线构成的经线和纬线,构成网状排布,所述经线被设置成用于连接到直流电源的正极,纬线被设置成用于连接到直流电源的负极;所述多条经线中的第i条经线与所述多条纬线中的第j条纬线的交点处电连接一个应变式压力传感器Rij,使得在该交点处电流从第i条经线经由该应变式压力传感器Rij流入第j条纬线;所述应变式压力传感器Rij的电阻值随其受力形变的大小而改变,从而改变第i条经线和第j条纬线中流过的电流大小。本发明还涉及一种基于压力感应垫的定位系统与定位方法。

Description

压力感应垫及基于应变式压力传感器网络的定位系统
技术领域
本发明的各个方面涉及定位系统领域,具体而言涉及一种压力感应垫以及基于这些一个或多个压力感应垫的定位系统、定位方法。
背景技术
室内定位技术是未来智能家居、智能安防、大型公共场合室内导航的基础,应用前景广阔。
目前可见的室内定位技术主要基于Wifi、WLAN、超声波、可见光通信系统等,这些技术的一个共同特点是需要同时具有信号源和信号接收器。一种实现方式是在室内布置多个信号源,被定位人或物体需要持有信号接收器,接收器根据接收到的多个信号的强度、相位、相关性等信息来判断接收器距离各个信号源的距离,从而实现定位;另一种实现方式是被定位人或物体持有信号源,而在室内布置多个信号接收器,同样是利用所接收信号的强度、相位、相关性等信息来实现定位。另一些基于无线射频技术的定位方法,则需要在室内布置多个RFID阅读器,而被定位人或物体需要持有RFID标签。
由于这些定位技术都需要被定位人或物体持有某种定位设备,因此可看做是被动式的定位技术。要在这样的室内定位系统中获得与定位相关的服务就要时刻携带定位设备,这适合于大型公共场合中基于手机等手持设备的多目标室内导航,但对于智能家居而言便利性不足,而对于智能安防而言难以实现对防控对象的发现和定位。
发明内容
本发明的第一方面提出一种压力感应垫,包括一由易变形材料形成的垫本体,其限定了一个第一表面、第二表面以及夹在第一表面与第二表面之间的填充层;
所述填充层内等间距地设置多条由导电线构成的经线和纬线,构成网状排布,所述经线被设置成用于连接到直流电源的正极,纬线被设置成用于连接到直流电源的负极;
所述多条经线中的第i条经线与所述多条纬线中的第j条纬线的交点处电连接一个应变式压力传感器Rij,使得在该交点处电流从第i条经线经由该应变式压力传感器Rij流入第j条纬线;
所述应变式压力传感器Rij的电阻值随其受力形变的大小而改变,从而改变第i条经线和第j条纬线中流过的电流大小。
进一步的例子中,所述垫本体为泡沫垫本体或橡胶垫本体。
进一步的例子中,所述经线和纬线的数量均为正整数。
进一步的例子中,所述经线和纬线的数量相等。
进一步的例子中,所述经线和纬线的数量不等。
进一步的例子中,所述垫本体的第一表面和第二表面构造为长方形或者正方形形状。
进一步的例子中,所述经线和纬线各自的两个边缘分别设置有耦合组件的公接头和母接头。
根据本发明的公开,还提出一种压力感应垫,包括一由易变形材料形成的垫本体,其限定了一个第一表面、第二表面以及夹在第一表面与第二表面之间的填充层;
所述填充层内与所述第一平面大致平行的位置上设置有:
等间距地沿着第一方向排布的M条第一导电线;
等间距地沿着第二方向排布的N条第二导电线;
其中,所述第一导电线与第二导电线垂直,M、N均为正整数;
所述第一导电线被设置成用于连接到一直流电源的正极,所述第二导电线被设置成用于连接到该直流电源的负极;
所述第一导电线与第二导电线的每个交点处电连接一个应变式压力传感器,使得在该交点处电流从第一导电线经由该应变式压力传感器流入第二导电线;
所述一个或多个应变式压力传感器的电阻值随其受力形变的大小而改变,从而改变相应的第一导电线和第二导电线中流过的电流大小。
进一步的例子中,所述压力感应垫的第一导电线和第二导电线的边缘分别设置有耦合接头,用于将该压力感应垫与另一个或多个这样的压力感应垫相耦合。
根据本发明的改进,还提出一种基于前述压力感应垫的定位系统,包括:
至少一个压力感应垫;
直流稳压电源;
第一通道切换开关以及第一电流测量电路;
第二通道切换开关以及第二电流测量电路;
微处理器;
所述压力感应垫的经线连接到直流电源的正极,纬线连接到直流电源的负极;
所述第一通道切换开关以及第一电流测量电路分别设置在经线与直流电源的正极之间,第二通道切换开关以及第二电流测量电路分别设置在纬线与直流电源的负极之间;
所述微处理器控制进行通道切换和电流检测,以实现环境压力下各经线和纬线中流过的电流值的检测、在定位时各经线和纬线中流过的电流值的检测以及根据前述电流值的检测结果进行定位,其中定位时各经线和纬线中流过的电流值的检测以循环检测的方式进行。
根据本发明的改进,还提出一种基于前述压力感应垫的定位方法,包括以下步骤:
将一个或多个压力感应垫布置在待定位的室内构成应变式压力传感器网络;
一微处理器根据设定的压力感应垫的经线和纬线数量、相邻经线的距离、相邻纬线的距离、定位坐标系中零点对应的压力传感器编号生成定位坐标系;
微处理器控制在没有移动的人或物体的情况下对应变式压力传感器网络初始化,控制通道切换开关和电流测量模块对每一条经线和纬线的电流值进行测量并记录,实现对环境压力的检测;
微处理器控制通道切换开关和电流测量模块循环检测各经线和纬线中流过电流的变化情况,将其与环境压力下的电流值进行对比,判别出进入应变式压力传感器网络的人或物体所在的经线和纬线编号,然后根据前述定位坐标系的设定求出坐标数值,实现定位。
进一步的实施例中,前述方法更加包含以下步骤:
微处理器通过监测各条经线和纬线中的电流变化情况检测出哪个应变式压力传感器受到了压力,得到该应变式压力传感器所在的经线和纬线编号,进而实现定位;
并且,如果有连续多条经线和连续多条纬线检测到电流变化时,则定位到该区域的压力最大点位置,即电流变化最大的经线和纬线交点位置,得到此处应变式压力传感器所在的经线和纬线编号,进而实现定位。
应当理解,前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外,所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见,或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中,在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见,在每个图中,并非每个组成部分均被标记。现在,将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例,其中:
图1是说明根据本发明某些实施例的压力感应垫的整体结构示意图。
图2是说明根据本发明某些实施例的压力感应垫的内部由经线和纬线构成的网状排布结构的示意图。
图3是说明根据本发明某些实施例的压力感应垫的内部由经线和纬线构成的网状排布结构的另一方向示意图。
图4是说明利用本发明某些实施例的压力感应垫实现定位的原理示意图。
图5是说明根据本发明某些实施例的压力感应垫的定位系统的示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面,附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解,上面介绍的多种构思和实施例,以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施,这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外,本发明公开的一些方面可以单独使用,或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
如图1所示,一种压力感应垫100,包括一由易变形材料形成的垫本体,其限定了一个第一表面102、第二表面104以及夹在第一表面102与第二表面104之间的填充层。
第一表面102与第二表面104相对地设置。
在一些实施例中,由易变形材料形成的垫本体可以采用诸如橡胶、泡沫等材料来制作。其尺寸可定制以适应铺设场地的形状。
在垫本体的内部,也即由橡胶或者泡沫等易变形材料构成的填充层中布置了一个压力应变式传感网络。
结合图2和图3所示,所述填充层内与前述第一平面102或者第二平面104大致平行的位置上设置有:
等间距地沿着第一方向排布的M条第一导电线106;
等间距地沿着第二方向排布的N条第二导电线108。
如图2、3所示,第一导电线106与第二导电线108垂直,M、N均为正整数。
第一方向与第二方向在与前述第一平面102或者第二平面104大致平行的平面内,且大致垂直。
优选地,前述M条第一导电线106、N条第二导电线108,都是按相同的间距来布置的。
第一导电线106与第二导电线108,诸如铜芯导线,铝芯导线等。
在一些例子中,第一导电线106被设置成用于连接到一直流电源的正极,所述第二导电线108被设置成用于连接到该直流电源的负极。
该直流电源优选为一个直流稳压电源,用于在利用该压力感应垫进行定位时为压力感应垫提供恒定电流供应。
在第一导电线106与第二导电线108的每个交点处电连接一个应变式压力传感器110,使得在该交点处电流从第一导电线106经由该应变式压力传感器110流入第二导电线108。
这些一个或多个应变式压力传感器110的电阻值随其受力形变的大小而改变,从而改变相应的第一导电线106和第二导电线108中流过的电流大小。
值得一提的是,这些电流的大小变化将在后续的定位实现中进行处理和计算以实现室内精确定位。
结合图2、图3,第一导电线106与第二导电线108的数量,M、N均为正整数,可以相等,也可以不等。因此,感应垫中布设的应变式压力传感器110的数量可以根据定位精度要求进行适当增减。
整个压力感应垫100,可以做成正方形、长方形的形状,以利于将这样的压力感应垫100,通过与另一个或者多个同样的压力感应垫100进行拼接,以形成一个规模较大的应变式压力传感器网络。
该压力感应垫的垫本体的第一表面102和第二表面104构造为长方形或者正方形形状。
为了方便拼接,压力感应垫100的第一导电线106和第二导电线108的边缘分别设置有耦合接头,用于将该压力感应垫与另一个或多个这样的压力感应垫相耦合。
这样的耦合接头,如图4,优选地,在第一导电线106和第二导电线108的两端都分别设置一个公接头和一个母接头。这样在拼接时,通过公、母接头实现多块这样的压力感应垫100的耦合。
结合图2和图3所示,前述的第一导电线106和第二导电线108,在一些实施例中分别被称作为经线和纬线,以方便识别和便于进行布置的安装实现。也就是说,在前述的填充层内等间距地设置多条由导电线构成的经线和纬线,构成网状排布。
经线被设置成用于连接到直流电源的正极,纬线被设置成用于连接到直流电源的负极。
如图3,所述多条经线中的第i条经线与所述多条纬线中的第j条纬线的交点处电连接一个应变式压力传感器Rij,使得在该交点处电流从第i条经线经由该应变式压力传感器Rij流入第j条纬线;
所述应变式压力传感器Rij的电阻值随其受力形变的大小而改变,从而改变第i条经线和第j条纬线中流过的电流大小。
利用应变式压力传感器网络实现定位的原理如图4所示,经线(第一导电线106)连接到直流稳压电源的正极、纬线(第二导电线108)连接到直流稳压电源的负极。应变式压力传感器Rij的电阻值随其受力形变的大小而改变,从而改变了第i条经线和第j条纬线中流过的电流大小,比如图4中应变式压力传感器R12受压导致电阻变化,则其所在经线1和纬线2中电流表AJ1和AW2中流过的电流就会发生变化。通过监测各条经线和纬线中的电流变化情况即可检测出哪个应变式压力传感器受到了压力,进而实现定位。
本发明提出的压力感应垫上方还可以覆盖地毯、复合地板等受力易形变材料。定位场地摆放的物体可以放置在应变式压力传感器网络上;或者在铺设应变式压力传感器网络时,沿物体边缘铺设压力感应垫。采用该压力感应垫,在定位系统中被定位的人或物体不需要持有特定的定位设备即可实现精确的定位,该压力感应垫铺设简便、扩展能力强,适用于智能家居的室内定位、智能安防的侵入监测及定位等各种应用场合。
图5说明了根据本发明某些实施例的定位系统的示意图。结合图1-图3,该定位系统是基于这些压力感应垫100而实现的。
结合图5所示,该定位系统,包括:
至少一个前述的压力感应垫100;
直流稳压电源200;
微处理器300;
第一通道切换开关以及第一电流测量电路;
第二通道切换开关以及第二电流测量电路;
所述压力感应垫100的经线连接到直流电源200的正极,纬线连接到直流电源200的负极;
所述第一通道切换开关以及第一电流测量电路分别设置在经线与直流电源的正极之间,第二通道切换开关以及第二电流测量电路分别设置在纬线与直流电源的负极之间;
所述微处理器300控制进行通道切换和电流检测,以实现环境压力下各经线和纬线中流过的电流值的检测、在定位时各经线和纬线中流过的电流值的检测以及根据前述电流值的检测结果进行定位,其中定位时各经线和纬线中流过的电流值的检测以循环检测的方式进行。
结合图3和图4所示,利用该定位系统进行室内定位时,首先需要铺设前述公开中提出的压力感应垫100。根据实际室内场地的大小和尺寸,可布置一个或多个这样的压力感应垫100构成一个较大的应变式压力传感器网络。同时,如以上描述的,压力感应垫100中布设的应变式压力传感器数量可以根据定位精度要求进行增减。
在完成压力感应垫的铺设后,就需要将应变式压力传感器网络与定位系统内的其他部分进行连接,一个完整的室内定位系统结构如图5所示。当利用该定位系统进行定位时,首先需要通过人机接口,诸如键盘鼠标等输入设备,设定压力传感器网络的经线和纬线数量、相邻经线的距离、相邻纬线的距离、定位坐标系中零点对应的压力传感器编号(即Rij中的参数i和j)参数,微处理器300根据这些参数生成定位坐标系;然后,在没有移动的人或物体的情况下对应变式压力传感器网络初始化,控制通道切换开关和电流测量模块对每一条经线和纬线的电流值进行测量并记录,实现对环境压力的检测;完成以上初始化工作后,室内定位系统就可以正常工作了。微处理器控制通道切换开关和电流测量模块循环检测各经线和纬线中流过电流的变化情况,将其与环境压力下的电流值进行对比,判别出进入应变式压力传感器网络的人或物体所在的经线和纬线编号,然后根据前述定位坐标系的设定求出坐标数值,实现定位。
定位结果可以在定位系统的人机接口中进行展示,还可以将定位坐标通过通讯接口送出,以供其他基于室内定位的高级应用功能使用。
本例中,微处理器300通过监测整个应变式压力传感器网络的各条经线和纬线中的电流变化情况检测出哪个应变式压力传感器受到了压力,得到该应变式压力传感器所在的经线和纬线编号,进而实现定位;
并且,如果有连续多条经线和连续多条纬线检测到电流变化时,则定位到该区域的压力最大点位置,即电流变化最大的经线和纬线交点位置,得到此处应变式压力传感器所在的经线和纬线编号,进而实现定位。
根据以上本发明的压力感应垫以及定位系统的描述,还涉及一种基于前述压力感应垫100的定位方法,包括以下步骤:
将一个或多个压力感应垫100布置在待定位的室内构成应变式压力传感器网络;
一微处理器300根据设定的压力感应垫的经线和纬线数量、相邻经线的距离、相邻纬线的距离、定位坐标系中零点对应的压力传感器编号生成定位坐标系;
微处理器300控制在没有移动的人或物体的情况下对应变式压力传感器网络初始化,控制通道切换开关和电流测量模块对每一条经线和纬线的电流值进行测量并记录,实现对环境压力的检测;
微处理器300控制通道切换开关和电流测量模块循环检测各经线和纬线中流过电流的变化情况,将其与环境压力下的电流值进行对比,判别出进入应变式压力传感器网络的人或物体所在的经线和纬线编号,然后根据前述定位坐标系的设定求出坐标数值,实现定位。
优选地,微处理器300通过监测各条经线和纬线中的电流变化情况检测出哪个应变式压力传感器受到了压力,得到该应变式压力传感器所在的经线和纬线编号,进而实现定位;
并且,如果有连续多条经线和连续多条纬线检测到电流变化时,则定位到该区域的压力最大点位置,即电流变化最大的经线和纬线交点位置,得到此处应变式压力传感器所在的经线和纬线编号,进而实现定位。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种压力感应垫,其特征在于,包括一由易变形材料形成的垫本体,其限定了一个第一表面、第二表面以及夹在第一表面与第二表面之间的填充层;
所述填充层内等间距地设置多条由导电线构成的经线和纬线,构成网状排布,所述经线被设置成用于连接到直流电源的正极,纬线被设置成用于连接到直流电源的负极;
所述多条经线中的第i条经线与所述多条纬线中的第j条纬线的交点处电连接一个应变式压力传感器Rij,使得在该交点处电流从第i条经线经由该应变式压力传感器Rij流入第j条纬线;
所述应变式压力传感器Rij的电阻值随其受力形变的大小而改变,从而改变第i条经线和第j条纬线中流过的电流大小。
2.根据权利要求1所述的压力感应垫,其特征在于,所述垫本体为泡沫垫本体或橡胶垫本体。
3.根据权利要求1所述的压力感应垫,其特征在于,所述经线与经线之间的间隔以及所述纬线和纬线之间的间隔均相等。
4.根据权利要求1所述的压力感应垫,其特征在于,所述经线和纬线的数量相等或不等。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的压力感应垫,其特征在于,所述经线和纬线各自的两个边缘分别设置有耦合组件的公接头和母接头。
6.一种压力感应垫,包括一由易变形材料形成的垫本体,其限定了一个第一表面、第二表面以及夹在第一表面与第二表面之间的填充层;
所述填充层内与所述第一平面大致平行的位置上设置有:
等间距地沿着第一方向排布的M条第一导电线;
等间距地沿着第二方向排布的N条第二导电线;
其中,所述第一导电线与第二导电线垂直,M、N均为正整数;
所述第一导电线被设置成用于连接到一直流电源的正极,所述第二导电线被设置成用于连接到该直流电源的负极;
所述第一导电线与第二导电线的每个交点处电连接一个应变式压力传感器,使得在该交点处电流从第一导电线经由该应变式压力传感器流入第二导电线;
所述一个或多个应变式压力传感器的电阻值随其受力形变的大小而改变,从而改变相应的第一导电线和第二导电线中流过的电流大小。
7.根据权利要求6所述的压力感应垫,其特征在于,所述压力感应垫的第一导电线和第二导电线的边缘分别设置有耦合接头,用于将该压力感应垫与另一个或多个这样的压力感应垫相耦合。
8.一种基于前述权利要求1-5中任意一项所述压力感应垫的定位系统,其特征在于,包括:
至少一个所述的压力感应垫;
直流稳压电源;
第一通道切换开关以及第一电流测量电路;
第二通道切换开关以及第二电流测量电路;
微处理器;
所述压力感应垫的经线连接到直流电源的正极,纬线连接到直流电源的负极;
所述第一通道切换开关以及第一电流测量电路分别设置在经线与直流电源的正极之间,第二通道切换开关以及第二电流测量电路分别设置在纬线与直流电源的负极之间;
所述微处理器控制进行通道切换和电流检测,以实现环境压力下各经线和纬线中流过的电流值的检测、在定位时各经线和纬线中流过的电流值的检测以及根据前述电流值的检测结果进行定位,其中定位时各经线和纬线中流过的电流值的检测以循环检测的方式进行。
9.一种基于前述权利要求1-5中任意一项所述压力感应垫的定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
将一个或多个压力感应垫布置在待定位的室内构成应变式压力传感器网络;
一微处理器根据设定的压力感应垫的经线和纬线数量、相邻经线的距离、相邻纬线的距离、定位坐标系中零点对应的压力传感器编号生成定位坐标系;
微处理器控制在没有移动的人或物体的情况下对应变式压力传感器网络初始化,控制通道切换开关和电流测量模块对每一条经线和纬线的电流值进行测量并记录,实现对环境压力的检测;
微处理器控制通道切换开关和电流测量模块循环检测各经线和纬线中流过电流的变化情况,将其与环境压力下的电流值进行对比,判别出进入应变式压力传感器网络的人或物体所在的经线和纬线编号,然后根据前述定位坐标系的设定求出坐标数值,实现定位。
10.根据权利要求9所述的定位方法,其特征在于,前述方法更加包含以下步骤:
微处理器通过监测各条经线和纬线中的电流变化情况检测出哪个应变式压力传感器受到了压力,得到该应变式压力传感器所在的经线和纬线编号,进而实现定位;
并且,如果有连续多条经线和连续多条纬线检测到电流变化时,则定位到该区域的压力最大点位置,即电流变化最大的经线和纬线交点位置,得到此处应变式压力传感器所在的经线和纬线编号,进而实现定位。
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