CN108802688A - 待测目标物体在空间中的定位方法、空间定位系统 - Google Patents

待测目标物体在空间中的定位方法、空间定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种待测目标物体在空间中的定位方法、空间定位系统。定位方法利用电磁波的传播速度远远大于声波的传递速度（在较近（<100米）的空间距离内）的特征，在同步发射电磁波信号和声波信号的前提下，各个接收装置以接收到电磁波信号的时间作为声波信号发射时间，并在接收到声波信号后确定声波信号从待测目标物体到接收装置的传送时间。进而结合测定的声波信号在空间中的传播速度，得到所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离，从而利用空间几何算法对待测目标物体进行定位。本技术方案算法较为简单，且不受多径或杂波干扰，测距和定位精度也较高。

Description

待测目标物体在空间中的定位方法、空间定位系统
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种待测目标物体在空间中的定位方法、空间定位系统。
背景技术
对目标进行空间定位是测量技术领域中一个重要方向，具体定位方式有很多种，例如：雷达定位、激光雷达定位、毫米波雷达定位、GPS（Global Positioning System）卫星定位、基站定位、图像识别等。具体定位的算法也有很多种，例如：多点测距定位算法、目标空间相位定位算法等。算法中比较著名的有束波成形、RSS（Received Signal Strength）三边定位、AOA（Angle-of-Arrival）角度定位和TDOA（Time Difference of Arrival ）双曲线定位等算法。随着数据实时处理能力的提升，利用视觉图像目标识别以及多传感器融合的算法也不断涌现。这些定位方式和相应算法对应的应用场景各不相同，但都相对较为复杂，装置成本和计算量相对较高，不适用与一些简单的、小范围的、低成本要求的场景。
超声波因其本身特性经常被用于避障、测距和定位场合，相对系统成本和算法要求较低。但现有超声系统通常采用雷达波反射原理进行工作，对环境干扰的抵抗能力较弱，易受到多径或杂波干扰，测距和定位精度也较低，应用受到极大限制。
发明内容
本发明解决的问题是现有的对目标进行空间定位技术中，雷达定位、GPS卫星定位等存在算法较为复杂、装置成本较高的问题，而超声波定位对环境干扰的抵抗能力较弱，易受到多径或杂波干扰，测距和定位精度也较低。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种待测目标物体在空间中的定位方法，其中所述待测目标物体上设有声波发射器，空间中包括电磁波发射器、计时器、若干个接收装置和信息处理器，该定位方法包括：
所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号；
各个接收装置在接收到电磁波信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从待测目标物体到各个接收装置的传送时间；
测定声波信号在空间中的传播速度；
信息处理器基于声波信号从所述待测目标物体到各个接收装置的传送时间和声波信号在空间中的传播速度，确定所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离；
信息处理器根据所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离确定所述待测目标物体在空间中的位置。
可选的，所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号是指：所述电磁波发射器和声波发射器分别同时发射电磁波信号和声波信号；或者，所述电磁波发射器发射电磁波信号与声波发射器发射声波信号的时间具有相对时延。
本发明实施例还提供了一种待测目标物体在空间中的定位方法，该定位方法包括：在所述待测目标物体运动过程中，在预设周期内重复执行上述实施例的待测目标物体在空间中的定位方法的步骤，以对所述待测目标物体进行动态定位。
可选的，所述待测目标物体的不同部位上设有多个声波发射器；在所述待测目标物体运动过程中，基于预设周期内获得的多个声波发射器的位置信息构建出所述待测目标物体的运动姿态。
可选的，所述预设周期是根据声波信号在空间中的传播速度以及与所述待测目标物体的距离最远的接收装置与所述待测目标物体之间的直线距离之比来确定。
本发明实施例还提供了一种空间定位系统，用于对待测目标物体进行空间定位，包括：
待测目标物体，所述待测目标物体上设有声波发射器；
电磁波发射器、计时器和若干个接收装置；其中，
所述电磁波发射器和声波发射器分别用于同步发射电磁波信号和声波信号；所述接收装置用于在接收到电磁波信号时触发所述计时器开始计时，并在接收到声波信号时触发关闭所述计时器；所述计时器用于确定声波信号从待测目标物体到各个接收装置的传送时间；
信息处理器，用于基于声波信号从所述待测目标物体到各个接收装置的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离；并根据所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离确定所述待测目标物体在空间中的位置。
可选的，所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号是指：所述电磁波发射器和声波发射器分别同时发射电磁波信号和声波信号；或者，所述电磁波发射器发射电磁波信号与声波发射器发射声波信号的时间具有相对时延。
可选的，所述计时器设置于各个接收装置中或者设置于所述信息处理器中。
可选的，所述信息处理器与各个接收装置之间通过信息通道进行通信；若所述计时器设置于所述信息处理器中，当接收装置接收到电磁波信号时触发信息处理器中的计时器开始计时，当接收装置接收到声波信号后通过所述信息通道触发信息处理器关闭所述计时器。
可选的，所述信息处理器是嵌入式设备或者服务器。
可选的，所述待测目标物体为运动物体，所述空间定位系统在所述待测目标物体运动过程中，在预设周期内对待测目标物体进行动态定位。
可选的，所述待测目标物体的不同部位上设有多个声波发射器；所述空间定位系统在所述待测目标物体运动过程中，基于预设周期内获得的多个声波发射器的位置信息构建出所述待测目标物体的运动姿态。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例提供的待测目标物体在空间中的定位方法中，利用电磁波的传播速度远远大于声波的传递速度（在较近（<100米）的空间距离内）的特征，在同步发射电磁波信号和声波信号的前提下，各个接收装置以接收到电磁波信号的时间作为声波信号发射时间，并在接收到声波信号后确定声波信号从待测目标物体到接收装置的传送时间。进而结合测定的声波信号在空间中的传播速度，得到所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离，从而利用空间几何算法对待测目标物体进行定位。本技术方案算法较为简单，且不受多径或杂波干扰，测距和定位精度也较高。
进一步，若待测目标物体为运动物体，在预设周期内重复上述定位方法，以实现对待测目标物体的动态定位。通过在待测目标物体的不同部位上设有多个声波发射器，根据获得的多个声波发射器的位置信息还可以构建出待测目标物体的运动姿态。
附图说明
图1是本发明实施例的一种待测目标物体在空间中的定位方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中空间的三维坐标系O-XYZ及空间定位系统的示意图。
具体实施方式
发明人发现现有的对目标进行空间定位技术中，雷达定位、GPS卫星定位等存在算法较为复杂、装置成本较高的问题，而超声波定位对环境干扰的抵抗能力较弱，易受到多径或杂波干扰，测距和定位精度也较低。
针对上述问题，发明人经过研究，提供了一种待测目标物体在空间中的定位方法以及空间定位系统，本技术方案算法较为简单，且不受多径或杂波干扰，测距和定位精度也较高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1所示的是本发明实施例的一种待测目标物体在空间中的定位方法的流程示意图。
本实施例中，在该空间中包括待测目标物体、设置于待测目标物体上的声波发射器、信息处理器、电磁波发射器、计时器和若干个接收装置。需要说明的是，由于电磁波的传播速度在较近（<100米）的空间距离内远远大于声波的传递速度，因此在该空间中，各个接收装置与待测目标物体之间距离较近（例如十米到几十米左右的量级范围）。
参考图1，该定位方法包括如下步骤：
步骤S1：所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号；
步骤S2：各个接收装置在接收到电磁波信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从待测目标物体到各个接收装置的传送时间；
步骤S3：测定声波信号在空间中的传播速度；
步骤S4：信息处理器基于声波信号从所述待测目标物体到各个接收装置的传送时间和声波信号在空间中的传播速度，确定所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离；
步骤S5：信息处理器根据所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离确定所述待测目标物体在空间中的位置。
结合图2所示的本发明实施例中空间的三维坐标系O-XYZ，其中图示标号说明如下：
空间的三维坐标系O-XYZ，其中O为坐标系原点；
标号4：待测目标物体；
标号5、6：声波发射器；
标号7、8、9、10：接收装置；
标号13：声波信号；
标号14：电磁波信号；
标号15、16、17、18：信息处理器与各个接收装置之间的信息通道；
标号19：信息处理器。
具体地，如步骤S1所述，所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号。
在本实施例中，所述声波发射器（如图2中的5和6）必须设置于所述待测目标物体4上，电磁波发射器（图中未示出）可以设置于待测目标物体上，也可以设置于信息处理器19上或者各个接收装置7-10等其它位置上。但无论电磁波发射器设置于空间中何处，电磁波发射器发射电磁波信号与声波发射器发射声波信号必须保持同步。
进一步地，所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号包含两种情形：1）所述电磁波发射器和声波发射器分别同时发射电磁波信号和声波信号，即两者发射信号的时刻没有时间差。2）所述电磁波发射器发射电磁波信号与声波发射器发射声波信号的时间具有相对时延，即两者发射信号的时刻之间有一个时延，只要各个接收装置获得这个时延，则不影响后续计算声波信号的传送时间。
如步骤S2所述，各个接收装置在接收到电磁波信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从待测目标物体到各个接收装置的传送时间。
在本实施例中，所述计时器（图2中未示出）可以设置于各个接收装置中，接收装置在接收到电磁波信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器。计时器也可以设置于信息处理器19中，当接收装置接收到电磁波信号时通过信息通道15、16、17和18触发信息处理器19中的计时器开始计时，当接收装置接收到声波信号后可以通过信息通道15、16、17和18触发关闭信息处理器19中的计时器。
之所以采用上述方式来计算声波信号从待测目标物体到各个接收装置的传送时间，是因为发明人利用了在较近（<100米）的空间距离内，电磁波的传送速度远远大于声波的传送速度的特征，因此电磁波的传送时间几乎可以忽略不计，而声波的传送时间在微秒至毫秒级比较容易计量。
基于上述电磁波与声波传送速度的特征，在同步发射电磁波信号和声波信号的前提下，各个接收装置以接收到电磁波信号的时间作为声波信号发射时间，并在接收到声波信号后确定声波信号从待测目标物体到接收装置的传送时间。
如步骤S3所述，测定声波信号在空间中的传播速度。
本领域技术人员理解，声速在不同介质、不同温度等条件下有所不同，为达到更高精度，需要测定该空间的介质、温度等特性参数，以此来确定声波信号在该空间中的传播速度的具体数值。本实施例并不限定具体的测定声波信号传播速度的方式，本领域技术人员可以利用现有技术来测定空间的介质、温度等参数，进而确定声波信号的传播速度。
如步骤S4所述，信息处理器基于声波信号从所述待测目标物体到各个接收装置的传送时间和声波信号在空间中的传播速度，确定所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离。
具体地，利用公式：直线距离d=传送时间t传播速度v可以换算出的距离d是声波信号从待测目标物体4到接收装置（例如图2中的7、8、9、10中任一个接收装置）的直线距离。
本领域技术人员理解，声波信号在空间介质中传播所发生的散射、反射等多径传播距离皆长于直线距离，即其计时皆大于传送时间t，因此采用本方法得到的时间t是声波信号最优直线距离的传递时间，具有良好的抗干扰能力。而如果待测目标物体4到接收装置的传递路径中有障碍物阻挡使声波信号发生绕射，会导致传送时间大于最优直线距离的传递时间。在理论上，选择合适的声波波长大于障碍物阻挡截面的对角线尺寸即可克服该问题。
如步骤S5所述，信息处理器根据所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离确定所述待测目标物体在空间中的位置。
如图2所示空间的三维坐标系中，预先测定各个接收装置（即标号7、8、9、10）在坐标系中的位置坐标P7（x7、y7、z7）~ P10（x10、y10、z10），然后根据待测目标物体4与各个接收装置之间的直线距离，通过空间几何算法可以确定在该空间中待测目标物体的位置坐标，从而实现对待测目标物体的定位。
需要说明的是，本实施例并不限定具体采用何种空间几何算法，而接收装置具体个数和放置位置需基于采用的空间几何算法而决定，图2所示的各个接收装置的位置和个数仅为示意图，并非对本发明的限定。
上述实施例中所述待测目标物体为固定物体，发明人进一步研究，利用上述实施例的定位方法还可以对运动物体进行动态定位。即，针对待测目标物体为运动物体的情形，在该待测目标物体运动过程中，可以在预设周期内重复上述实施例中的定位方法，以对待测目标物体进行动态定位。
具体来说，当待测目标物体4为运动物体时，设置于待测目标物体上的声波发射器5、6也随之运动，并在运动过程中按预设周期T发射声波信号，例如，1s内发射100次声波信号，即每次声波信号的发射时间为0.2ms，间隔9.8ms后发射下一次声波信号。接收装置按照上述实施例的定位方法来定位每次声波信号发射点（即声波发射器所在位置）的位置坐标，在待测目标物体运动的一段时间里，可定位到一系列位置坐标，这些坐标的连接线就是该待测目标物体的运动轨迹的定位描述。
对于预设周期T的取值范围是根据声波信号在空间中的传播速度以及与所述待测目标物体的距离最远的接收装置与所述待测目标物体之间的直线距离之比来确定。例如，与所述待测目标物体的距离最远的接收装置与所述待测目标物体之间的直线距离为3.4m，假定声波信号的传播速度为340m/s，此时声波信号的传递时间为10ms，为保证前后发射的两次声波不被混淆，一般要求预设周期T不能小于10ms。预设周期T的最大值需要跟据具体应用来确定，取决于应用需要对待测目标物体的运动轨迹每秒钟描述多少个定位点。
进一步地，还可以在所述待测目标物体的不同部位上设有多个声波发射器，在所述待测目标物体运动过程中，基于预设周期内获得的多个声波发射器的位置信息构建出所述待测目标物体的运动姿态。
具体地，在待测目标物体运动过程中，通过动态定位待测目标物体上不同部位上的声波发射器的位置坐标，并结合待测目标物体上声波发射器的位置信息构建出待测目标物体的运动姿态。
基于上述定位方法实施例，本发明实施例还提供了一种空间定位系统，用于对待测目标物体进行空间定位。
参考图2所示的空间的三维坐标系O-XYZ及空间定位系统的示意图，空间定位系统包括：
待测目标物体，所述待测目标物体上设有声波发射器；
电磁波发射器、计时器和若干个接收装置；其中，
所述电磁波发射器和声波发射器分别用于同步发射电磁波信号和声波信号；所述接收装置用于在接收到电磁波信号时触发所述计时器开始计时，并在接收到声波信号时触发关闭所述计时器；所述计时器用于确定声波信号从待测目标物体到各个接收装置的传送时间；
信息处理器，用于基于声波信号从所述待测目标物体到各个接收装置的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离；并根据所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离确定所述待测目标物体在空间中的位置。
其中，所述计时器设置于各个接收装置中或者设置于所述信息处理器中。
所述信息处理器与各个接收装置之间通过信息通道进行通信；若所述计时器设置于所述信息处理器中，当接收装置接收到电磁波信号时通过所述信息通道触发信息处理器中的计时器开始计时，当接收装置接收到声波信号后通过所述信息通道触发信息处理器关闭所述计时器。
所述信息处理器是嵌入式设备或者服务器。
若所述待测目标物体为运动物体，所述空间定位系统在所述待测目标物体运动过程中，在预设周期内对待测目标物体进行动态定位。通过在所述待测目标物体的不同部位上设有多个声波发射器，所述空间定位系统在所述待测目标物体运动过程中，基于预设周期内获得的多个声波发射器的位置信息构建出所述待测目标物体的运动姿态。
上述空间定位系统对待测目标物体进行定位以及在预设周期内对运动状态的待测目标物体进行动态定位的具体方法可以参考上述方法实施例，在此不再赘述。
综上所述，本技术方案主要利用电磁波的传播速度远远大于声波的传递速度（在较近（<100米）的空间距离内）的特征，在同步发射电磁波信号和声波信号的前提下，接收装置以接收到电磁波信号的时间作为声波信号的发射时间，以接收到声波信号的时间作为声波信号到达接收装置的时间，从而确定声波信号从待测目标物体到接收装置的传送时间。进而结合测定的声波信号在空间中的传播速度，得到所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离，从而利用空间几何算法对待测目标物体进行定位。
进一步，若待测目标物体为运动物体，在预设周期内重复上述定位方法，以实现对待测目标物体的动态定位。通过在待测目标物体的不同部位上设有多个声波发射器，根据获得的多个声波发射器的位置信息还可以构建出待测目标物体的运动姿态。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.一种待测目标物体在空间中的定位方法，其中所述待测目标物体上设有声波发射器，空间中包括电磁波发射器、计时器、若干个接收装置和信息处理器，其特征在于，该定位方法包括：
所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号；
各个接收装置在接收到电磁波信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从待测目标物体到各个接收装置的传送时间；
测定声波信号在空间中的传播速度；
信息处理器基于声波信号从所述待测目标物体到各个接收装置的传送时间和声波信号在空间中的传播速度，确定所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离；
信息处理器根据所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离确定所述待测目标物体在空间中的位置。
2.如权利要求1所述的待测目标物体在空间中的定位方法，其特征在于，所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号是指：
所述电磁波发射器和声波发射器分别同时发射电磁波信号和声波信号；或者，所述电磁波发射器发射电磁波信号与声波发射器发射声波信号的时间具有相对时延。
3.一种待测目标物体在空间中的定位方法，所述待测目标物体为运动物体，其特征在于，该定位方法包括：
在所述待测目标物体运动过程中，在预设周期内重复执行权利要求1和2中任一项所述的待测目标物体在空间中的定位方法的步骤，以对所述待测目标物体进行动态定位。
4.如权利要求3所述的待测目标物体在空间中的定位方法，其特征在于，所述待测目标物体的不同部位上设有多个声波发射器；
在所述待测目标物体运动过程中，基于预设周期内获得的多个声波发射器的位置信息构建出所述待测目标物体的运动姿态。
5.如权利要求3所述的待测目标物体在空间中的定位方法，其特征在于，所述预设周期是根据声波信号在空间中的传播速度以及与所述待测目标物体的距离最远的接收装置与所述待测目标物体之间的直线距离之比来确定。
6.一种空间定位系统，用于对待测目标物体进行空间定位，其特征在于，所述空间系统包括：
待测目标物体，所述待测目标物体上设有声波发射器；
电磁波发射器、计时器和若干个接收装置；其中，
所述电磁波发射器和声波发射器分别用于同步发射电磁波信号和声波信号；所述接收装置用于在接收到电磁波信号时触发所述计时器开始计时，并在接收到声波信号时触发关闭所述计时器；所述计时器用于确定声波信号从待测目标物体到各个接收装置的传送时间；
信息处理器，用于基于声波信号从所述待测目标物体到各个接收装置的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离；并根据所述待测目标物体与各个接收装置之间的直线距离确定所述待测目标物体在空间中的位置。
7.如权利要求6所述的空间定位系统，其特征在于，所述电磁波发射器和声波发射器分别同步发射电磁波信号和声波信号是指：所述电磁波发射器和声波发射器分别同时发射电磁波信号和声波信号；或者，所述电磁波发射器发射电磁波信号与声波发射器发射声波信号的时间具有相对时延。
8.如权利要求6所述的空间定位系统，其特征在于，所述计时器设置于各个接收装置中或者设置于所述信息处理器中。
9.如权利要求6所述的空间定位系统，其特征在于，所述信息处理器与各个接收装置之间通过信息通道进行通信；若所述计时器设置于所述信息处理器中，当接收装置接收到电磁波信号时触发信息处理器中的计时器开始计时，当接收装置接收到声波信号后通过所述信息通道触发信息处理器关闭所述计时器。
10.如权利要求6所述的空间定位系统，其特征在于，所述信息处理器是嵌入式设备或者服务器。
11.如权利要求6所述的空间定位系统，其特征在于，所述待测目标物体为运动物体，所述空间定位系统在所述待测目标物体运动过程中，在预设周期内对待测目标物体进行动态定位。
12.如权利要求11所述的空间定位系统，其特征在于，所述待测目标物体的不同部位上设有多个声波发射器；所述空间定位系统在所述待测目标物体运动过程中，基于预设周期内获得的多个声波发射器的位置信息构建出所述待测目标物体的运动姿态。
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