CN106226772B - 一种基于超声波传感器的运动物体识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于超声波传感器的运动物体识别方法，属于识别技术领域。本方法将包括超声波发射器和超声波接收器的位置识别装置安装到测量主体之上，并使超声波发射端与接收端朝向待测方向；测量时，测量主体与待识别物体相对运动，超声波发射器发出超声波，超声波接收器接收待识别物体返回的超声波；测量主体根据获取的发射超声波的信息和接收的超声波信息，通过测量发射器发射超声波与各接收器接收超声波之间的时间差,并根据超声波的传播速度得到待识别物体与各个超声波接收器的距离；再根据各超声波接收器的相对位置，计算得到待识别物体所在范围区域。本发明不需在待识别物体之上安装任何设备，便可对其运动状态进行识别。

Description

一种基于超声波传感器的运动物体识别方法

技术领域

本发明属于识别技术领域,特别涉及一种基于超声波传感器的运动物体识别的方法。

背景技术

随着传感器技术的不断进步，用于识别物体空间位置及运动的传感器种类越来越多。传感器通过增强对环境中物体的识别，可以增强机器人对环境的感知能力，有利于机器人躲避障碍物及可能存在的危险物体。除应用于机器人之外，传感器也可以用于人体姿态识别。

现有识别技术通常包括红外传感器、光学传感器等。光学传感器的精度较高，但无法应用于透明介质的识别，如玻璃，镜面等。且现有光学传感器基于激光技术，由于受到太阳光的影响，在室外环境使用效果不佳。

PCT/CN2013/080457号专利提出了一种姿态识别的方法及装置，该发明装置由超声波发射器和超声波接收器组成。超声波发射器固定在被识别物体上，且发射器的数量至少为一个；超声波接收器的数量至少为三个。通过获取声波从发射器到接收器的间隔时间，计算得到发射器到接收器的距离，进而根据此距离对被识别物体进行识别。该发明的不足之处在于需要将发射器固定在被识别物体之上，因而只能应用于人体等自愿携带发射器的物体之上，对于空中未知障碍物等无法安装发射器的物体无法得到其位置及运动信息。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种基于超声波传感器的运动物体识别方法。本发明不需要在待识别物体之上安装任何设备，便可对其运动状态进行识别，方法简便易行，应用前景广阔。

本发明提出的一种基于超声波传感器的运动物体识别方法，具体包括以下步骤：

(1)设备安装；将位置识别装置安装到测量主体之上，所述位置识别装置包括一个超声波发射器和至少两个超声波接收器，并使其超声波发射端与接收端朝向待测方向；

(2)测量开始；测量主体与待识别物体开始相对运动，超声波发射器发出超声波，超声波接收器接收待识别物体返回的超声波；

(3)接收信息；测量主体连续固定间隔时间获取超声波发射器发射超声波的信息，并获取超声波接收器接收所述超声波的信息；

(4)分析和识别；测量主体根据获取到的超声波发射器发射超声波的信息和获取到的超声波接收器接收的超声波信息，通过测量所述发射器发射超声波与各接收器接收超声波之间的时间差，并根据超声波在空气中的传播速度计算得到待识别物体与各个超声波接收器的距离；根据位置识别装置各超声波接收器的相对位置即几何关系，以及所测得的待识别物体与各个超声波接收器的距离，计算得到待识别物体所在的范围区域。

本发明的特点和有益效果是：

本发明方法可以确定超声波覆盖范围内的待识别物体所处空间位置，并通过计算不同时间点待识别物体的空间位置计算出其运动速度。对于机器人来说，本发明方法可以帮助机器人获取周围移动物体的速度和位置信息，增加机器人对周围世界的感知能力，使机器人可以躲避可能出现的危险。

附图说明

图1为本发明的基于超声波传感器的运动物体识别方法的流程框图

图2为本发明实施例中单个超声波发射器和三个超声波接收器组成的装置结构示意图。

图3为本发明实施例中单个超声波发射器和三个超声波接收器所组成的装置应用于机器人检测障碍物的示意图。

图4为本发明实施例中单个超声波发射器和两个超声波接收器组成的装置结构示意图。

图5为单个超声波发射器，两个超声波接收器所组成的装置应用于机器人检测障碍物的示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于超声波传感器的运动物体识别方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出的一种基于超声波传感器的运动物体识别方法，流程框图如图1所示，该方法具体步骤如下：

(1)设备安装；将位置识别装置安装到测量主体之上，所述位置识别装置包括一个超声波发射器和至少两个超声波接收器，并使其超声波发射端与接收端朝向待测方向；

(2)测量开始；测量主体与待识别物体开始相对运动，超声波发射器发出超声波，超声波接收器接收待识别物体返回的超声波；

(3)接收信息；测量主体连续固定间隔时间获取超声波发射器发射超声波的信息，并获取超声波接收器接收所述超声波的信息；

(4)分析和识别；测量主体根据获取到的超声波发射器发射超声波的信息和获取到的超声波接收器接收的超声波信息，通过测量所述发射器发射超声波与各接收器接收超声波之间的时间差，并根据超声波在空气中的传播速度计算得到待识别物体与各个超声波接收器的距离；根据位置识别装置各超声波接收器的相对位置即几何关系，以及所测得的待识别物体与各个超声波接收器的距离，计算得到待识别物体所在的范围区域；

(5)测量主体继续前进，在固定时间间隔的下一采样时刻，测量主体重复步骤(2)至步骤(4)，计算得到待识别物体新的范围区域；

(6)根据步骤(4)和(5)的计算结果，进而计算得到待识别物体的运动方向以及移动速度。

本发明方法的工作原理：位置识别装置中超声波的发射波形呈喇叭形向外扩散，相较于激光传感器具有较宽的覆盖范围，当超声波接收器接收到反射回的超声波时，说明该覆盖范围内存在可以反射超声波的物体。当两个超声波接收器中同时接收到反射的超声波时，说明两个超声波接收器覆盖范围的交集内存在反射超声波的物体。通过连续固定间隔时间采集超声波接收器的数据，根据接收器的历史数据及不少于两个的接受器数据，可以判断出物体的运动方向及计算出物体的运动速度。

上面所述的超声波发射器与超声波接收器均为常规设备。

本发明提出的一种基于超声波传感器的运动物体识别的方法，下面结合两个具体实施例进一步说明如下。

实施例1：

实施例1采用的位置识别装置结构，如图2所示，包括1个超声波发射器和3个超声波接收器。图2中，101为超声波发射器，102、103、104为超声波接收器；101、102、103、104固定于一平面上。103、101、104位于同一条直线上，103与104的连线垂直于102与101的连线。101距103、104的距离相等，分别为5厘米；101与102之间的距离为5厘米。实际应用中，超声波发射器与三个超声波接收器之间的距离可以相等或不相等。101超声波发射器连接超声波发射电路，可以发出固定频率的超声波，超声波发射电路为一般的超声波发射电路即可；102、103、104超声波接收器连接超声波接收电路，超声波接收电路将接收到的超声波信号转换为电压信号。本实施例中，超声波发射电路和超声波接收电路安装在机器人上。超声波发射电路与超声波接收电路均通过安装在机器人身上的处理芯片进行控制，在处理芯片内部存有测量从发射超声波到接收超声波之时间间隔的程序。

如图2所示装置应用于机器人检测障碍物时，如图3所示，具体步骤包括：

(1)设备安装；将具有如图2所示结构的位置识别装置301安装到机器人302之上，将位置识别装置通过导线连接到机器人电路，并使位置识别装置的超声波发射与接收端朝向待测方向；位置识别装置由超声波发射器101和超声波接收器102,103和104构成:超声波发射器101连接安装在机器人身上的超声波发射电路，发出固定频率的超声波；超声波接收器102,103和104连接安装在机器人身上的超声波接收电路，超声波接收电路将接收到的超声波信号转换为电压信号，超声波发射电路与超声波接收电路均通过安装在机器人上的处理芯片进行控制。

(2)测量开始；在某一采样时刻，机器人302与障碍物303开始相对运动，打开电路，机器人上的位置识别装置301开始工作，超声波发射器101开始以固定时间间隔(时间间隔在10ms到20ms之间)发出超声波，超声波接收器102、103和104接收超声波；当机器人向前运动时，识别装置上的超声波发射器101会持续以固定频率发射出超声波，当机器人前方超声波覆盖范围内有物体反射超声波，会被三个超声波接收器接收。

(3)接收信息；机器人中的处理芯片获取超声波发射器101发射超声波的信息，同时获取超声波接收器102、103和104接收所述超声波的信息，

(4)分析和识别；处理芯片根据获取到的超声波发射器101发射超声波的信息和获取到的超声波接收器102，103和104接收的超声波信息，根据三个接收器接收到超声波的时间距发射器发射超声波的不同时间T102、T103和T104，以及超声波在空气中的传播速度V(在室温下为340m/s)，可以得到超声波在三条路径的传播距离L102＝T102*V；L103＝T103*V；L104＝T104*V。以101超声波发射器为原点，101与102的连线为y轴，101与103和104的连线为x轴，垂直传感器所在平面并穿过101中心为z轴，建立直角坐标系，如图3所示。设障碍物所在空间位置坐标为(x，y，z)。根据障碍物距已知点102，103，104的距离可以得到如下所示的方程组。

求解此方程组，便可以得到反射超声波的障碍物所在位置的三维坐标(x，y，z)。

(5)机器人302继续前进，在固定的时间间隔的下一采样时刻，重复步骤(2)至步骤(4)，计算得到障碍物303新的空间位置坐标(x’,y’,z’)；

(6)根据步骤(4)和(5)的计算结果，进而计算得到障碍物303的运动方向以及移动速度。

实施例2：

实施例2采用的位置识别装置结构，如图4所示，包括1个超声波发射器和2个超声波接收器。图4中，201为超声波发射器，202为超声波接收器，203为另一超声波接收器；201、202、203在同一直线上。本实施例中201超声波发射器与202超声波接收器的距离为5厘米，201超声波发射器与203超声波接收器的距离同样为5厘米。实际应用中，201超声波发射器与202超声波接收器的距离和与203超声波接收器的距离可以不相等。实施例2与实施例1的原理类似，但无法精确获得空间物体的位置信息，仅能通过计算得到空间物体的位置范围。该实施例可以用于平面障碍物的检测。根据实施例中的距离计算方法可以得到202超声波接收器距反射超声波的障碍物的距离为L202，203超声波接收器距同一反射超声波的障碍物的距离为L203。在201、202、203轴线所在的平面中，可以得到该障碍物位置在以202超声波接收器为圆心，L202为半径的圆上，同时也在以203超声波接收器为圆心，L203为半径的圆上。因此两圆的交点即位该障碍物的所在位置。

如图4所示装置应用于机器人检测障碍物时，示意图如如图5所示，具体步骤包括：

(1)设备安装；将具有如图4所示结构的位置识别装置401安装到机器人402之上，将位置识别装置通过导线连接到机器人电路，并使位置识别装置的超声波发射与接收端朝向待测方向；位置识别装置由超声波发射器201和超声波接收器202和203构成：超声波发射器201连接安装在机器人身上的超声波发射电路，发出固定频率的超声波；超声波接收器202和203连接安装在机器人身上的超声波接收电路，超声波接收电路将接收到的超声波信号转换为电压信号，超声波发射电路与超声波接收电路均通过安装在机器人上的处理芯片进行控制。本实施例中，所述超声波发射器的数量为一个，所述超声波接收器的数量为两个。

(2)测量开始；在某一采样时刻，机器人402与障碍物403开始相对运动，打开电路，机器人上的位置识别装置401开始工作，超声波发射器201开始以固定时间间隔(时间间隔在10ms到20ms之间)发出超声波，超声波接收器202和203接收超声波；当机器人向前运动时，识别装置上的超声波发射器201会持续以固定频率发射出超声波，当机器人前方超声波覆盖范围内有障碍物反射超声波，会被两个超声波接收器接收。

(3)接收信息；机器人中的处理芯片获取超声波发射器201发射超声波的信息，同时获取超声波接收器202和203接收所述超声波的信息，

(4)分析和识别；处理芯片根据获取到的超声波发射器201发射超声波的信息,和获取到的超声波接收器202和203接收的超声波信息,根据两个接收器接收到超声波的时间距发射器发射超声波的不同时间T202和T203，以及超声波在空气中的传播速度V(在室温下为340m/s)，可以得到超声波在两条路径的传播距离L202＝T202*V；L203＝T203*V。以201超声波发射器为原点，201、202和203所在直线为x轴，在201、202和203所在固定平面内建立垂直于x轴的y轴，以此建立二维平面坐标系，如图5所示，空间物体在该平面的投影坐标为(x，y)。因机器人的运动是基于地面的，在竖直方向没有位移，因此仅需要判断运动前方是否存在障碍物，并躲避即可。假设机器人前方存在障碍物403，当机器人靠近障碍物时需要确定障碍物的具体方位，即障碍物所在位置。根据障碍物到202、203超声波接收器的距离可以得到如下的方程组。

求解此方程组，便可以得到障碍物的平面坐标(x，y)。

(5)机器人402继续前进，在固定的时间间隔的下一采样时刻，重复步骤(2)至步骤(4)，计算得到障碍物403新的平面位置坐标(x’,y’)；

(6)根据步骤(4)和(5)的计算结果，进而计算得到障碍物403在该平面所在截面的运动方向和运动速度。

Claims (1)

1.一种基于超声波传感器的运动物体识别的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

(1)设备安装；将位置识别装置安装到测量主体之上，所述位置识别装置包括一个超声波发射器和至少两个超声波接收器，并使其超声波发射端与接收端朝向待测方向；

(2)测量开始；测量主体与待识别物体开始相对运动，超声波发射器发出超声波，超声波接收器接收待识别物体返回的超声波；

(3)接收信息；测量主体连续固定间隔时间获取超声波发射器发射超声波的信息，并获取超声波接收器接收所述超声波的信息；

(4)分析和识别；测量主体根据获取到的超声波发射器发射超声波的信息和获取到的超声波接收器接收的超声波信息，通过测量所述发射器发射超声波与各接收器接收超声波之间的时间差，并根据超声波在空气中的传播速度计算得到待识别物体与各个超声波接收器的距离；根据位置识别装置各超声波接收器的相对位置即几何关系，以及所测得的待识别物体与各个超声波接收器的距离，计算得到待识别物体所在的范围区域；

若所述位置识别装置包括一个超声波发射器和三个超声波接收器，且101为超声波发射器，102、103、104为超声波接收器，101、102、103、104固定于一平面上，103、101、104位于同一条直线上，103与104的连线垂直于102与101的连线，101距102、103、104的距离相等，分别为a，则根据公式计算待识别物体所在位置的三维坐标；其中，L₁₀₃为101与103的距离，L₁₀₄为101与104的距离，L₁₀₂为101与102的距离，(x，y，z)为待识别物体所在位置的三维坐标；

若所述位置识别装置包括一个超声波发射器和两个超声波接收器，201为超声波发射器，202、203为超声波接收器，201、202、203在同一直线上，201距202、203的距离相等，分别为a，则根据公式计算待识别物体所在位置的平面坐标；其中，L₂₀₃为201与203的距离，L₂₀₂ 为201与202的距离，(x，y)为待识别物体所在位置的平面坐标；

(5)测量主体继续前进，在固定时间间隔的下一采样时刻，测量主体重复步骤(2)至步骤(4)，计算得到待识别物体新的范围区域；

(6)根据步骤(4)和(5)的计算结果，进而计算得到待识别物体的运动方向以及移动速度。