CN108646220B - 超声波室内定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波室内定位装置，包括：第一超声波收发模块组，包括用于在第一方向上间隔设置的多个超声波收发模块；第二超声波收发模块组，包括用于在不同于所述第一方向的第二方向上间隔设置的多个超声波收发模块；控制模块，连接所述第一超声波收发模块组和所述第二超声波收发模块组中的各个超声波收发模块，用于根据各个所述超声波收发模块接收到的信号强度和所述超声波收发模块间的距离进行室内定位。本发明的超声波室内定位装置能够实现室内精准定位，而且使用简便，安装简易。

Description

超声波室内定位装置

技术领域

本发明涉及智能家居领域，具体而言，涉及一种超声波室内定位装置。

背景技术

目前，智能家居已经大范围进入人们的生活，但是室内精准定位技术发展缓慢，对于要求定制智能家居个性化服务会产生很多问题，比如住户半夜上洗手间，前往洗手间的夜灯不能自动开启，空调出风口不能跟随人体移动调整方向，造成一定程度上的资源浪费。因此急需一种新颖、实用的室内精准定位装置来改善这种情况。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种实现室内精准定位的超声波室内定位装置。

根据本发明的一个实施方式，提供一种超声波室内定位装置，包括：

第一超声波收发模块组，包括用于在第一方向上间隔设置的多个超声波收发模块；

第二超声波收发模块组，包括用于在不同于所述第一方向的第二方向上间隔设置的多个超声波收发模块；

控制模块，连接所述第一超声波收发模块组和所述第二超声波收发模块组中的各个超声波收发模块，用于根据各个所述超声波收发模块接收到的信号强度和所述超声波收发模块间的距离进行室内定位。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，所述第一超声波收发模块组中的多个超声波收发模块以第一预定间隔设置；所述第二超声波收发模块组中的多个超声波收发模块以第二预定间隔设置。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，所述多个超声波收发模块设置在固定带上。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，各个所述超声波收发模块可拆卸地设置在所述固定带上。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，各个所述超声波收发模块设置有开关以开启或关闭超声波的发送和接收。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，所述第一超声波收发模块组设置在室内的第一侧壁上；所述第二超声波收发模块组设置在与所述第一侧壁相邻的第二侧壁上。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，还包括：

第三超声波收发模块组，包括多个超声波收发模块，设置在与所述第一侧壁相对的第三侧壁上；

第四超声波收发模块组，包括多个超声波收发模块，设置在与所述第二侧壁相对的第四侧壁上。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，所述第三超声波收发模块组的多个超声波收发模块以第一预定间隔排列，并且所述第一超声波收发模块组和所述第三超声波收发模块组中各个超声波收发模块一一正对设置；所述第四超声波收发模块组的多个超声波收发模块以第二预定间隔排列，并且所述第二超声波收发模块组和第四超声波收发模块组中各个超声波收发模块一一正对设置。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，在所述第一超声波收发模块组和第三超声波收发模块组的两个模块组之间以及第二超声波收发模块组和第四超声波收发模块组的两个模块组之间存在障碍物的相对位置，两个模块组上一一正对设置有效的所述超声波收发模块；在不存在障碍物的相对位置，仅在其中一组模块上设置有效的所述超声波收发模块。

在上述的超声波室内定位装置中，可选地，所述第一超声波收发模块组和所述第二超声波收发模块组的超声波发射方向相互垂直。

本发明的超声波室内定位装置能够实现室内精准定位，而且使用简便，安装简易。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了根据本发明实施例的超声波室内定位装置结构的示意图。

图2示出了根据本发明实施例的超声波室内定位装置安装在室内的结构示意图。

图3示出了根据本发明实施例的超声波室内定位装置的定位示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“A或/和B”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合，可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“横向”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

图1示出了根据本发明实施例的超声波室内定位装置结构的示意图。

超声波室内定位装置100包括第一超声波收发模块组10，包括多个超声波收发模块11，以第一预定间隔设置在第一方向上；第二超声波收发模块组20，包括多个超声波收发模块11，用于以第二预定间隔排列在不同于所述第一方向的第二方向上；控制模块50，连接所述第一超声波收发模块组和所述第二超声波收发模块组20中的各个超声波收发模块11，用于根据各个所述超声波收发模块接收到的信号强度和所述超声波收发模块间的距离进行室内定位。

在图1中，第一超声波收发模块组10和第二超声波收发模块组20的多个超声波收发模块11分别以第一预定间隔和第二预定间隔进行设置。然而同一收发模块组中，各个模块之间的间隔也可以是不同的。下文涉及的第三和第四超声波收发模块组同样如此。

超声波收发模块11中包括超声波发生器和超声波接收器。

超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。本发明中优选采用压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器通常具有两个压电晶片和一个共振板。当它的作为两极的压电晶片外加脉冲信号，频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

超声波收发模块11可以设置在固定带12上。各个超声波收发模块11可分别经所述固定带12内的数据线13与控制模块50连接。此外，各个超声波收发模块11和控制模块50之间也可以通过无线通信方式进行数据传输。

优选地，各个所述超声波收发模块11可拆卸地设置在所述固定带10上。固定带10可以根据需要通过粘结剂、机械固定方式等固定在室内的侧壁上。

优选地，各个所述超声波收发模块11上设置有开关以开启或关闭超声波的发送和接收。

各个超声波收发模块组优选设置在室内侧壁上，这样能够监测整个室内空间。当然，在一些特殊情况下，也可以不设置在侧壁上，而可以与侧壁间隔一定距离，例如可以设置在紧靠侧壁的家具表面。

图2示出了根据本发明实施例的超声波室内定位装置安装在室内的结构示意图。

在图2中图超声波室内定位装置100包括第一超声波收发模块组10、第二超声波收发模块组20、第三超声波收发模块组30和第四超声波收发模块组40。四组超声波收发模块均通过数据线连接至控制模块50(图2中未示出)。

在图2的实例中，第一超声波收发模块组10设置在室内的第一侧壁上；第二超声波收发模块组20设置在室内的第二侧壁上；第三超声波收发模块组30也包括多个超声波收发模块11，设置在与第一侧壁相对的第三侧壁上；第四超声波收发模块组40包括多个超声波收发模块11，设置在与所述第二侧壁相对的第四侧壁上。

第一超声波收发模块组10至第四超声波收发模块组40均以相同的预定间隔排列，并且第一超声波收发模块组10和所述第三超声波收发模块组30中各个超声波收发模块11一一正对设置；第二超声波收发模块组20和第四超声波收发模块组40中各个超声波收发模块11也一一正对设置。各个超声波收发模块组之间的超声波收发模块设置间隔可以不同，但是优选相同，由此，可以简化定位计算。

四组超声波收发模块可以安装在侧壁的相同高度，或者可以不设置在相同高度，只要设置在预定高度范围内即可。例如可以根据用户的身高范围设定安装的高度范围。如果用户家中还有猫、狗等宠物，也可以考虑将各组超声波收发模块设置在靠近地面的位置。

由于室内存在沙发、床、餐桌、书桌等各种家具，当这些家具靠墙放置时，超声波收发模块可能被这些家具完全遮挡，因此，没有必要在这些位置进行超声波测距。因此，在超声波收发模块11可拆卸地设置在所述固定带10上时，可以灵活地设置各个模块组上的超声波收发模块11的数量和设置位置。

此外，也可以针对各个超声波收发模块11设置相应的开关，用以开启或关闭超声波的发送和接收。在此情况下，若超声波收发模块11被这些家具完全遮挡，将相应的超声波收发模块11关闭。

在图2的示例中，四个侧壁均设置有超声波收发模块组，然而，在室内障碍物较少的情况下，也可以仅在相邻的两个侧壁设置超声波收发模块组。例如，在图2中仅有书桌为固定障碍物，则可以仅设置第一超声波收发模块组10和第四超声波收发模块组10，由此，可以减少超声波收发模块组的布置，此外，也可以减少控制模块50的计算量。

此外，在图2的示例中，相对的两个超声波收发模块组之间，两者之间即使不存在固定障碍物，也一一对应设置超声波收发模块11，但是对于较小的室内空间，若相对的两个超声波模块组之间不存在固定障碍物，也可以仅在其中一个超声波收发模块组上设置超声波收发模块11。在第一超声波收发模块组10和第三超声波收发模块组30的两个模块组之间以及第二超声波收发模块组20和第四超声波收发模块组40的两个模块组之间存在障碍物的相对位置，两个模块组上一一正对设置有效的超声波收发模块11；在不存在障碍物的相对位置，仅在其中一组模块上设置有效的超声波收发模块11。所谓有效的超声波收发模块是指：在没有针对超声波收发模块的开关时，设置有超声波收发模块；而在设置有针对超声波收发模块的开关时，不仅设置有超声波收发模块，而且相应的开关开启。

由此，在室内布局有变化时，可以根据家具的遮挡情况，通过拆装超声波收发模块11或者开关相应的模块，就可轻松、灵活地进行定位装置的布置。

在图2中示出的是一个矩形的房间，也就是说，第一方向和第二方向是垂直的，此时，各个超声波收发模块组的超声波发射方向是相互垂直的。在房间的四壁之间并非矩形时，例如为非矩形的平行四边形时，第一方向和第二方向之间交叉，超声波的发射方向与侧壁垂直时，相邻超声波收发模块组的超声波发射方向是并非相互垂直的，定位相对复杂。因此，可调整相邻超声波收发模块组的安装方式，使得两个模块组的超声波发射方向是相互垂直的，从而可以简化定位计算。

超声波是弹性机械振动波，它与可听声相比传播的方向较强，可聚集成定向狭小的线束。从声源发出的声波向某一方向(其他方向甚弱)定向地传播，称之为束射。超声波由于它的波长较短，当它通过小孔(大于波长的孔)时，会呈现出集中的一束射线向一定方向前进。又由于超声方向性强，所以可定向采集信息。同样当超声波传播的方向上有一障碍物的直径大于波长时，便会在障碍物后产生“声影”。这些犹如光线通过小孔和障碍物一样，所以超声波具有和光波相似的束射特性。

超声波的束射性的好坏，一般用发散角的大小来衡量(习惯上用半发散角θ表示)。以平面圆形活塞式声源为例，其大小决定于声源的直径(D)和声波的波长(λ)。要使发声体发射出方向性有较好的超声波，必须使θ角尽量小，发射体(声源)的直径D必须很大或发射的频率f也必须很高才能得到，否则将适得其反。由于超声波的波长要比可听声的波长短，所以它就比可听声波有较好的束射特性，频率愈高的超声波，波长愈短，这种向一定方向传播的特性就愈显著。因此，根据上述原理设计出的超声波发生器可以获得指向性良好的超声波波束。

超声波在各种介质传播时，随着传播距离的增加，超声强度会渐渐减弱，能量逐渐消耗，这种能量被介质吸收掉的特性，称之为声吸收。吸收系数a与声波频率的平方成正比，当频率增加10倍，则吸收系数就增大100倍。即频率愈高，吸收愈大，因而声波传播的距离愈小。低频声波在空气中可以传播很远距离，而高频声波在空气中很快的衰减了。超声波是高频率的声波，在同一介质中传播时，随着频率的增大，被介质吸收的能量就愈大。例如频率为10⁵Hz的超声波在空气中被吸收的能量比频率为10⁴Hz的声波大100倍。因此，可以根据室内空间的大小，适当地选择超声波的频率。

因此本发明中利用超声波进行室内测距定位。通常的超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离，即所谓的时间差测距法。

然而，在本发明中，由于在室内采用了多个超声波收发模块，为了减少各模块之间的干扰，利用超声波的反射信号强度来进行测距定位。在室内空间通常较小，对于移动的物体，采用时间差测距产生的误差较大，而超声波及其反射波在空气中的信号强度衰减相对较快，由此在与移动物体正对的超声波收发模块所接收到的反射超声波的信号强度与其相邻位置的超声波收发模块所接收到的反射超声波的信号强度相差较大，因此，可以通过信号强度的差异排除非正对移动物体的超声波收发模块的检测数据。

在图2的示例中，在房间墙壁贴上超声波收发模块带，首次贴好后，各超声波模块将测距数据传给控制模块，预定时间后重新上传一次，若前后两次数据一样，则默认对应物体为家具等不易移动物品，由此，可以获得房间的整体布局图。在首次确定室内布局时，可以利用时间测距法来定位家具的位置，此时，为了排除干扰，可以利用超声波模块组中的各个模块进行逐个地进行发送接收，由此，能够精确地获得室内布局图。除了可以物理开启关闭超声波模块外，也可以由控制模块控制超声波模块组中各个模块的收发操作。此外，室内整体布局图也可以通过人工测量的方式获得，然后输入定位装置。

在获得室内整体布局图后，可以利用获取的超声波的信号强度以及各个超声波模块之间的间隔计算出移动物体在室内的具体位置。图3示出了矩形的室内空间，在X轴和Y轴的侧壁上等距地布置有超声波收发模块，假设各个模块之间的距离为L。假设图3中黑色三角图标表示的住户从A(X2，Y2)点的位置移动至B(X2，Y2)。在住户处于A位置时，由于超声波的指向性很强，在X轴方向，仅超声波收发模块X2发射出的超声波在到达A位置，并且反射波被超声波收发模块X2接收。此外，在X轴方向上，可能有少量反射波被附近的超声波收发模块X1和X3接收，但是由于大部分的反射波返回至X2的位置，而且在X轴上，X2与A的距离最短，接收到的反射波衰减最小。因此，X2接收到信号最强，由此控制模块50可以确定住户在X轴方向距离原点O的距离为2L。类似地，在Y轴方向上，Y2接收到的信号最强，由此可以确定住户在Y轴方向距离原点O的距离为2L，由此可以获得住户在室内的定位坐标为(2L，2L)。

类似地，当住户移动至B点时，控制模块可以根据各个超声波收发模块11收到的信号强度和所述超声波收发模块间的距离确定在B的定位坐标为(4L，2L)。由此，在室内存在移动物体时，通过垂直水平两个方向数据可得到物体移动的精准位置，实现定位和轨迹记录。

为了说明上的简便，在图3的示例中，各个模块间的间距是相同的，当然各个模块间的间距也可以不同，此时，只需要记录各个模块间的间距，控制模块50可以利用记录的模块间的间距进行上述类似的计算。优选每个超声波收发模块组中各个模块之间的间距相同，更优选所有超声波收发模块组中各个模块之间的间距都相同，这样方便布置，而且计算更为简单。

此外，在图3的示例中，X轴和Y轴的墙面垂直，然而，X轴和Y轴的墙面也可以不是垂直的，例如它们之间可呈锐角，比如Y轴向X轴倾斜。此时，优选将Y轴墙面上的超声波收发模块的发射方向设置为与X轴墙面上的超声波收发模块的发射方向垂直，当然，超声波接收面相应地垂直于发射方向。Y轴墙面上的各个超声波收发模块在X轴的超声波发射方向上的间隔可以通过测量获得，或者可以根据X轴和Y轴间的角度计算获得。当然，以上描述也适用于在多于两个的墙面上设置超声波收发模块组的情况。

另外，即使如上所述，在X轴和Y轴的墙面之间呈锐角时，也可以将相应的Y轴墙面上的超声波收发模块的发射方向设置与Y轴墙面垂直，在进行定位时，只需要根据设置参数进行相应的数学变换计算即可，具体的数学变换在这里不再赘述。

由此，本发明可以利用各个超声波收发模块的预定间隔以及信号强弱来确定移动物体在室内的精确位置，并且计算简单、高效。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波室内定位装置，其特征在于，包括：

第一超声波收发模块组，包括用于在第一方向上间隔设置的多个超声波收发模块；

第二超声波收发模块组，包括用于在不同于所述第一方向的第二方向上间隔设置的多个超声波收发模块；

控制模块，连接所述第一超声波收发模块组和所述第二超声波收发模块组中的各个超声波收发模块，用于根据各个所述超声波收发模块接收到的信号强度和所述超声波收发模块间的距离进行室内定位，具体为：以所述第一方向、所述第二方向建立坐标系，根据所述间隔确定所述第一超声波收发模块组中各个所述超声波收发模块在所述第一方向上的坐标，根据所述间隔确定所述第二超声波收发模块组中各个所述超声波收发模块在所述第二方向上的坐标，根据所述第一方向上具有最强接收信号强度的超声波收发模块的坐标、所述第二方向上具有最强接收信号强度的超声波收发模块的坐标进行定位。

2.根据权利要求1所述的超声波室内定位装置，其特征在于，所述第一超声波收发模块组中的多个超声波收发模块以第一预定间隔设置；所述第二超声波收发模块组中的多个超声波收发模块以第二预定间隔设置。

3.根据权利要求1所述的超声波室内定位装置，其特征在于，所述多个超声波收发模块设置在固定带上。

4.根据权利要求3所述的超声波室内定位装置，其特征在于，各个所述超声波收发模块可拆卸地设置在所述固定带上。

5.根据权利要求1所述的超声波室内定位装置，其特征在于，各个所述超声波收发模块设置有开关以开启或关闭超声波的发送和接收。

6.根据权利要求1所述的超声波室内定位装置，其特征在于，所述第一超声波收发模块组设置在室内的第一侧壁上；所述第二超声波收发模块组设置在与所述第一侧壁相邻的第二侧壁上。

7.根据权利要求6所述的超声波室内定位装置，其特征在于，还包括：

第三超声波收发模块组，包括多个超声波收发模块，设置在与所述第一侧壁相对的第三侧壁上；

第四超声波收发模块组，包括多个超声波收发模块，设置在与所述第二侧壁相对的第四侧壁上。

8.根据权利要求7所述的超声波室内定位装置，其特征在于，所述第三超声波收发模块组的多个超声波收发模块以第一预定间隔排列，并且所述第一超声波收发模块组和所述第三超声波收发模块组中各个超声波收发模块一一正对设置；所述第四超声波收发模块组的多个超声波收发模块以第二预定间隔排列，并且所述第二超声波收发模块组和第四超声波收发模块组中各个超声波收发模块一一正对设置。

9.根据权利要求8所述的超声波室内定位装置，其特征在于，在所述第一超声波收发模块组和第三超声波收发模块组的两个模块组之间以及第二超声波收发模块组和第四超声波收发模块组的两个模块组之间存在障碍物的相对位置，两个模块组上一一正对设置有效的所述超声波收发模块；在不存在障碍物的相对位置，仅在其中一组模块上设置有效的所述超声波收发模块。

10.根据权利要求1所述的超声波室内定位装置，其特征在于，所述第一超声波收发模块组和所述第二超声波收发模块组的超声波发射方向相互垂直。