CN107356679B - 一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，包括以下步骤：选定针状物体在三维空间中的运动平面，使用超声传感器对该平面成像；控制针状物体在该平面中运动，同时测量针状物体当前的三个转动自由度；根据测量的转动自由度以及超声传感器探测的图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，如果其运动方向产生了偏离，则立刻调整其运动方向直至其回到选定的运动平面上；通过上述的方法，约束针状物体在三维空间中一固定平面上运动。本发明使用了超声检测方式，提出了一种可用于精密控制领域的约束针状物体在三维空间中运动的方法。

Description

一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法

技术领域

本发明属于超声检测及处理领域，尤其涉及一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法。

背景技术

经过几十年的研究，超声检测在各领域的应用也日趋深入。在超声检测的方法中，超声成像是一种简便、直观、有效的检测手段，通过超声波对目标区域的反射信号成像，能够快速且精准地定位目标区域中所需检测的物体，但同时，超声成像检测法也存在缺点，首先，目前应用较为广泛的超声成像技术都是使用的手持超声传感器，在精密控制领域，手持超声传感器很难直接满足检测的需求，其次，超声成像检测法是通过人眼分析超声图像进而做出判断的一种检测方法，其过程中存在一定的主观性影响。因此，需要一种方法，能在现有超声检测方法的基础上进行改进与创新，实现精密控制领域的超声检测。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有的超声检测方式，提供了一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，改进了超声检测过程的精确性与可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，包括如下步骤：

步骤1，选定针状物体在三维空间中的运动平面，使用超声传感器对该运动平面成像，得到重建的二维超声图像；

步骤2，控制针状物体在该运动平面中运动，同时测量针状物体当前的三个转动自由度；

步骤3，根据测量的转动自由度以及重建的二维超声图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，如果其运动方向产生了偏离，则立刻调整其运动方向直至其回到选定的运动平面上；

步骤4，通过步骤1～步骤3，约束针状物体在三维空间中一固定平面上运动。

所述线阵超声传感器包括一组以上的线性排列的传感器元组，线阵超声传感器通过手持方式自由控制。在对目标三维空间发射与采集超声信号过程中，可以对目标三维空间的任意位置进行探测。

步骤1中，所述针状物体是一细长的刚体，用于探测三维空间中选定平面内的目标区域，针状物体能够在三维空间的选定平面内运动，但其运动范围不能超出选定平面，超出时则判定为偏离了正确的运动方向。

步骤1中，超声传感器包括一组线性排列的传感器元组，选定成像平面后，超声传感器必须固定位置不得移动，保持对该目标平面的实时成像。

步骤1中，所述使用超声传感器对运动平面成像，使用的重建信号是线阵超声传感器采集到的目标三维空间对超声波的反射信号，使用的重建方法是基于反射信号的波束形成以及延时叠加重建方法：

波束形成法，是利用线阵传感器发射不同时延的信号使信号能够聚焦在一个区域或者一个方向；目的是为了使最终重建出的超声辉度图成像质量更高，在这个过程中，若使信号沿着一个方向聚焦，其目的是为了避免在其它方向上可能存在的遮挡物干扰超声信号传输的情况，若使信号在一个区域聚焦，其目的是为了更好地在成像结果中显示出该区域的信息，也可以两种聚焦方式结合使用，以此来反应出成像区域中不同层次的信息，

延迟叠加法，是对应波束形成法的一种图像重建方法，在接收信号延迟叠加时，延迟是对应波束形成时的发射信号延迟，通过延迟后的叠加能够重建出发射信号的聚焦成像区域，对于沿某一方向聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：

其中d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，round代表四舍五入取整函数，i_n代表第n个传感器元，比如对于第1个传感器元，i_n＝1，对于第二个传感器元，则i_n＝2，以此类推，pitch代表传感器元的长度，θ代表发射波阵面聚焦的方向角，c₀代表成像区域的背景声速值，dt代表抽样时间间隔；

对于沿某一区域聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为

其中F代表聚焦区域中心点与传感器阵列中心之间的距离，其余参数的含义与沿某一方向聚焦的波束形成的信号延迟的计算公式中相同。

引用文献为:Von Ramm O T,Smith S W.Beam steering with linear arrays[J].IEEE transactions on biomedical engineering,1983(8):438-452.

已知每个传感器元发射信号延迟d_n后，根据传感器元接收的信号重建二维超声图像。

所述根据传感器元接收的信号重建二维超声图像包括如下步骤：

步骤1-1，将每个传感器元接收的信号根据该传感器元的发射信号延迟作时延处理；

步骤1-2，根据二维图像中每个像素点和传感器元之间的距离，将超声接收信号对应叠加到每一个像素点上，从而重建出二维超声图像，计算公式如下：

P_i代表一个截面内二维超声图像中第i个像素点的值，N代表一个线阵超声传感器中传感器元的总数，S_n代表第n个传感器元的接收信号，t表示时间自变量，d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，R_n代表当前计算的像素点与第n个传感器元之间的距离，c₀代表成像区域的背景声速值。

步骤2中，使用角度传感器测量针状物体的三个转动自由度(所述角度传感器为三轴加速度传感器)，具体包括如下步骤：

步骤2-1，以角度传感器芯片所在处为原点，根据右手定则建立三维直角坐标系，即右手背对角度传感器芯片放置，伸出拇指即指向X轴的正方向，伸出食指即指向Y轴的正方向，伸出中指即指向Z轴的正方向，当芯片倾斜时，重力加速度大小为g，所在方向为g轴，X轴方向的加速度大小为A_x，其与水平线夹角为α₁，与重力加速度夹角为α，Y轴方向的加速度大小为A_y，其与水平线夹角为β₁，与重力加速度夹角为β，Z轴方向的加速度大小为A_z，其与水平线夹角为γ₁，与重力加速度夹角为γ，其中α＝90°-α₁，β＝90°-β₁，γ＝90°-γ₁，A_x＝gcosα，A_y＝g cosβ，A_z＝g cosγ；

步骤2-2，根据g轴和X、Y、Z轴间的几何关系得到：

步骤2-3，计算出角度和加速度之间的关系：

根据这组公式实时计算出超声传感器的角度信息。

步骤3包括：

步骤3-1，根据超声传感器探测的图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，其原理是针状物体与探测区域的分界面会反射超声波，通过超声传感器接收相应的反射信号，就能对选定的运动平面成像，通过直接观察超声图像，可以分辨出针状物体是否处于选定平面内，若未能在超声图像中观测到针状物体，则立刻调整针状物体的运动方向直至其回到选定的运动平面上。

步骤3-2，根据测量的转动自由度判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，其原理是当针状物体在目标空间中以某一固定角度运动时，角度传感器会测量出唯一的角度信息，分别是步骤2中所测量到的α₁，β₁，γ₁三个方向的角度值，当针状物体改变运动角度时，这三个角度值也会产生相应的变化，其中若α₁发生变化，则说明针状物体在以自身为旋转轴进行旋转，若β₁发生变化，则说明针状物体在当前平面的垂直方向上旋转，若γ₁发生变化，则说明针状物体在当前平面的水平方向上旋转，在这三种旋转方式中，在当前平面的垂直方向上旋转是会使针状物体偏离选定的运动平面的，在其它两种旋转方式下，针状物体依然会在当前平面内运动，因此，在针状物体的运动过程中，只需要关注角度传感器测量到的β₁值是否发生变化，若发生变化，则立刻调整针状物体的运动方向直至β₁值回到初始值且不再发生变化。

有益效果：本发明提供了一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，通过使用超声传感器成像检测与角度传感器检测结合的方式，约束针状物体在三维空间中选定的平面上运动，本方法针对传统超声检测方法的不足，在现有超声检测方法的基础上进行改进与创新，实现了一种适用于精密控制领域的超声检测与约束方式。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明流程图。

图2为本发明系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，包括以下步骤：

步骤1，选定针状物体在三维空间中的运动平面，使用超声传感器对该平面成像；

步骤2，控制针状物体在该平面中运动，同时测量针状物体当前的三个转动自由度；

步骤3，根据测量的转动自由度以及超声传感器探测的图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，如果其运动方向产生了偏离，则立刻调整其运动方向直至其回到选定的运动平面上；

步骤4，通过上述的方法，约束针状物体在三维空间中一固定平面上运动。

如图2所示，实验中使用一个线阵超声传感器对针状物体在三维空间中的运动进行检测与约束，线阵超声传感器放置在成像区域的外侧，用于对选定运动平面成像，针状物体上装有角度传感器，用于检测针状物体当前的空间角度信息。图2所示意的结构既是实验设备结构，也是超声检测过程中目标区域及其相关信息的示意图。

本实例中，步骤1中的针状物体是一细长的刚体，其作用是探测三维空间中选定平面内的目标区域，针状物体的运动范围不得超出选定平面，在选定平面内，针状物体可以自由移动寻找需要探测的目标。

本实例中，步骤1中的重建目标三维空间的二维超声图像，使用的重建信号是线阵超声传感器采集到的目标三维空间对超声波的反射信号，使用的重建方法是基于反射信号的波束形成以及延时叠加重建方法：

波束形成法，是利用线阵传感器发射不同时延的信号使信号能够聚焦在一个区域或者一个方向；目的是为了使最终重建出的超声辉度图成像质量更高，在这个过程中，若使信号沿着一个方向聚焦，其目的是为了避免在其它方向上可能存在的遮挡物干扰超声信号传输的情况，若使信号在一个区域聚焦，其目的是为了更好地在成像结果中显示出该区域的信息，也可以两种聚焦方式结合使用，以此来反应出成像区域中不同层次的信息，

延迟叠加法，是对应波束形成法的一种图像重建方法，在接收信号延迟叠加时，延迟是对应波束形成时的发射信号延迟，通过延迟后的叠加能够重建出发射信号的聚焦成像区域，对于沿某一方向聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：

其中d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，round代表四舍五入取整函数，i_n代表第n个传感器元，比如对于第1个传感器元，i_n＝1，对于第二个传感器元，则i_n＝2，以此类推，pitch代表传感器元的长度，θ代表发射波阵面聚焦的方向角，c₀代表成像区域的背景声速值，dt代表抽样时间间隔，对于沿某一区域聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为

其中F代表聚焦区域中心点与传感器阵列中心之间的距离，其余参数的含义与沿某一方向聚焦的波束形成的信号延迟的计算公式中相同。

已知每个传感器元发射信号延迟d_n后，根据传感器元接收的信号重建二维超声图像。

所述根据传感器元接收的信号重建二维超声图像包括如下步骤：

步骤1-1，将每个传感器元接收的信号根据该传感器元的发射信号延迟作时延处理；

步骤1-2，根据二维图像中每个像素点和传感器元之间的距离，将超声接收信号对应叠加到每一个像素点上，从而重建出二维超声图像，计算公式如下：

P_i代表一个截面内二维超声图像中第i个像素点的值，N代表一个线阵超声传感器中传感器元的总数，S_n代表第n个传感器元的接收信号，d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，R_n代表当前计算的像素点与第n个传感器元之间的距离，c₀代表成像区域的背景声速值。

本实例中，步骤2中的角度传感器为三轴加速度传感器，其检测角度信息的过程如下：

步骤2-1，以角度传感器芯片所在处为原点，根据右手定则建立三维直角坐标系，即右手背对角度传感器芯片放置，伸出拇指即指向X轴的正方向，伸出食指即指向Y轴的正方向，伸出中指即指向Z轴的正方向，当芯片倾斜时，重力加速度大小为g，所在方向为g轴，X轴方向的加速度大小为A_x，其与水平线夹角为α₁，与重力加速度夹角为α，Y轴方向的加速度大小为A_y，其与水平线夹角为β₁，与重力加速度夹角为β，Z轴方向的加速度大小为A_z，其与水平线夹角为γ₁，与重力加速度夹角为γ，其中α＝90°-α₁，β＝90°-β₁，γ＝90°-γ₁，A_x＝gcosα，A_y＝g cosβ，A_z＝g cosγ；

步骤2-2，根据g轴和X、Y、Z轴间的几何关系得到：

步骤2-3，计算出角度和加速度之间的关系：

根据这组公式实时计算出超声传感器的角度信息。

本实例中，步骤3包括：

步骤3-1，根据超声传感器探测的图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，其原理是针状物体与探测区域的分界面会反射超声波，通过超声传感器接收相应的反射信号，就能对选定的运动平面成像，通过直接观察超声图像，可以分辨出针状物体是否处于选定平面内，若未能在超声图像中观测到针状物体，则立刻调整针状物体的运动方向直至其回到选定的运动平面上。

步骤3-2，根据测量的转动自由度判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，其原理是当针状物体在目标空间中以某一固定角度运动时，角度传感器会测量出唯一的角度信息，分别是步骤2中所测量到的α₁，β₁，γ₁三个方向的角度值，当针状物体改变运动角度时，这三个角度值也会产生相应的变化，其中若α₁发生变化，则说明针状物体在以自身为旋转轴进行旋转，若β₁发生变化，则说明针状物体在当前平面的垂直方向上旋转，若γ₁发生变化，则说明针状物体在当前平面的水平方向上旋转，在这三种旋转方式中，在当前平面的垂直方向上旋转是会使针状物体偏离选定的运动平面的，在其它两种旋转方式下，针状物体依然会在当前平面内运动，因此，在针状物体的运动过程中，只需要关注角度传感器测量到的β₁值是否发生变化，若发生变化，则立刻调整针状物体的运动方向直至β₁值回到初始值且不再发生变化。

本实例流程图参照图1。

本发明提出了一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，应当指出，步骤2中涉及的实验设备型号形式不对本发明构成限制；超声检测过程中的成像区域大小等非关键参数，不对本发明构成限制。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离发明原理的前提下还可以做出若干改进和润饰，这些也应视为本发明的保护范围。另外，本实例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选定针状物体在三维空间中的运动平面，使用超声传感器对该运动平面成像，得到重建的二维超声图像；

步骤2，控制针状物体在运动平面中运动，同时测量针状物体当前的三个转动自由度；

步骤3，根据测量的转动自由度以及重建的二维超声图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，如果其运动方向产生了偏离，则立刻调整其运动方向直至其回到选定的运动平面上；

步骤4，通过步骤1～步骤3，约束针状物体在三维空间中一固定平面上运动；

步骤1中，所述针状物体是一细长的刚体，用于探测三维空间中选定平面内的目标区域，针状物体能够在三维空间的选定平面内运动，但其运动范围不能超出选定平面，超出时则判定为偏离了正确的运动方向；

步骤1中，超声传感器包括一组线性排列的传感器元组，选定成像平面后，超声传感器固定位置并不得移动，保持对该目标平面的实时成像；

步骤1中，所述使用超声传感器对运动平面成像，使用的重建信号是超声传感器采集到的目标区域对超声波的反射信号，使用的重建方法是基于反射信号的波束形成以及延时叠加重建方法：

波束形成法，是利用线阵传感器发射不同时延的信号使信号能够聚焦在一个区域或者一个方向；

延迟叠加法，是对应波束形成法的一种图像重建方法，在接收信号延迟叠加时，延迟是对应波束形成时的发射信号延迟，通过延迟后的叠加能够重建出发射信号的聚焦成像区域，对于沿一个方向聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：

其中d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，round代表四舍五入取整函数，i_n代表第n个传感器元，pitch代表传感器元的长度，θ代表发射波阵面聚焦的方向角，c₀代表成像区域的背景声速值，dt代表抽样时间间隔；

对于沿一个区域聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：

其中F代表聚焦区域中心点与传感器阵列中心之间的距离；

已知每个传感器元发射信号延迟d_n后，根据传感器元接收的信号重建二维超声图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据传感器元接收的信号重建二维超声图像包括如下步骤：

步骤1-1，将每个传感器元接收的信号根据该传感器元的发射信号延迟作时延处理；

步骤1-2，根据二维图像中每个像素点和传感器元之间的距离，将超声接收信号对应叠加到每一个像素点上，从而重建出二维超声图像，计算公式如下：

P_i代表一个截面内二维超声图像中第i个像素点的值，N代表一个线阵超声传感器中传感器元的总数，S_n代表第n个传感器元的接收信号，t表示时间自变量，d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，R_n代表当前计算的像素点与第n个传感器元之间的距离，c₀代表成像区域的背景声速值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，使用角度传感器测量针状物体的三个转动自由度，具体包括如下步骤：

步骤2-1，以角度传感器芯片所在处为原点，根据右手定则建立三维直角坐标系，即右手背对角度传感器芯片放置，伸出拇指即指向X轴的正方向，伸出食指即指向Y轴的正方向，伸出中指即指向Z轴的正方向，当芯片倾斜时，重力加速度大小为g，所在方向为g轴，X轴方向的加速度大小为A_x，其与水平线夹角为α₁，与重力加速度夹角为α，Y轴方向的加速度大小为A_y，其与水平线夹角为β₁，与重力加速度夹角为β，Z轴方向的加速度大小为A_z，其与水平线夹角为γ₁，与重力加速度夹角为γ，其中

α＝90°-α₁，β＝90°-β₁，γ＝90°-γ₁，A_x＝gcosα，A_y＝gcosβ，A_z＝gcosγ；

步骤2-2，根据g轴和X、Y、Z轴间的几何关系得到：

步骤2-3，计算出角度和加速度之间的关系：

根据这组公式实时得到超声传感器的角度信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中所述根据测量的转动自由度判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，包括：当针状物体在目标空间中以一固定角度运动时，角度传感器会测量出唯一的角度信息，分别是步骤2中所测量到的α₁，β₁，γ₁三个方向的角度值，当针状物体改变运动角度时，这三个角度值也产生相应的变化，其中若α₁发生变化，则说明针状物体在以自身为旋转轴进行旋转，若β₁发生变化，则说明针状物体在当前平面的垂直方向上旋转，若γ₁发生变化，则判定针状物体在当前平面的水平方向上旋转，在这三种旋转方式中，在当前平面的垂直方向上旋转是会使针状物体偏离选定的运动平面的，在其它两种旋转方式下，针状物体依然会在当前平面内运动，在针状物体的运动过程中，只关注角度传感器测量到的β₁值是否发生变化，若发生变化，则立刻调整针状物体的运动方向直至β₁值回到初始值且不再发生变化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中所述根据超声传感器探测的图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，包括：针状物体与探测区域的分界面会反射超声波，通过超声传感器接收相应的反射信号，对选定的运动平面成像，通过直接观察超声图像，分辨出针状物体是否处于选定平面内，若未能在超声图像中观测到针状物体，则立刻调整针状物体的运动方向直至其回到选定的运动平面上。