CN205157772U - 超声波三维定位系统 - Google Patents

Abstract

一种超声波三维定位系统，包括至少一发射模块、至少一接收模块、上位机，其中所述发射模块包括第一微控制器，第一供电模块，第一时钟模块，第一通信模块，同步信号发射接收模块，至少三个超声波发射模块，所述超声波发射模块设置在坐标已知且不共线间的位置上；所述接收模块包括第二微控制器，第二供电模块，第二时钟模块，第二通信模块，同步信号接收模块、至少一个超声波接收模块；所述发射模块和接收模块通过同步信号发射接收模块与同步信号接收模块进行时间同步信号连接，所述第二通信模块与上位机通信连接。相较于现有的定位技术，本实用新型能够在一定的空间区域内，为多个目标提供精确三维位置信息。

Description

超声波三维定位系统

技术领域

本实用新型涉及空间定位装置，尤指一种超声波三维定位系统。

背景技术

目前，小范围(诸如室内)定位技术主要是三种：1.无线电定位，各个频段的都有(RFID技术也可以归为此类)，其原理是通过测量无线电信号的强度来确定位置，系统复杂、定位精度不高(米级)；2.视觉定位，这种方法主要是基于摄像机采集到的地标的图像，采用几何方法来确定位置，其缺陷主要在于对摄像头要求较高(需要标定)，对计算能力要求较高(需要进行图像处理)，一旦地标脱离摄像机的视野则无法定位，因而这类系统成本高、功耗大、结构复杂；3.超声波定位，这种方法的原理主要是测试通过测量超声波从多个发射点到接收点的传送时间，计算多个发射点到接收点之间的距离，然后利用几何的方法求出接收点的位置，这类系统的结构简单、成本低、定位精度较高(厘米级)，已经在室内机器人定位中得到应用。目前，超声波三维定位主要采用一个发射器和多个接收器的方式对发射器的位置进行定位，不能够同时对多个目标进行三维定位。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种能够在一定的空间区域内，为多个目标提供较为精确三维位置信息的超声波三维定位系统。

为实现上述目，本实用新型采用的技术方案是：一种超声波三维定位系统，包括至少一发射模块、至少一接收模块、上位机，其中所述发射模块包括第一微控制器，第一供电模块，第一时钟模块，第一通信模块，同步信号发射接收模块，至少三个超声波发射模块，所述超声波发射模块设置在坐标已知且不共线间的位置上；所述第一时钟模块、第一通信模块、同步信号发射接收模块、超声波发射模块分别与第一微控制器连接；所述接收模块包括第二微控制器，第二供电模块，第二时钟模块，第二通信模块，同步信号接收模块、至少一个超声波接收模块；所述第二供电模块、第二时钟模块、第二通信模块、同步信号接收模块、超声波接收模块分别与第二微控制器相连；所述发射模块和接收模块通过同步信号发射接收模块与同步信号接收模块进行时间同步信号连接，所述第二通信模块与上位机通信连接。

具体地，所述超声波发射模块包括超声波驱动电路和超声波发射探头，所述超声波驱动电路的输入端与第一微控制器连接，超声波驱动电路的输出端与超声波发射探头连接；所述超声波接收模块包括超声波接收探头和超声波信号调理电路，所述超声波信号调理电路的输入端与超声波接收探头，超声波信号调理电路的输出端与第二微控制器连接。

具体地，所述接收模块还包括气温湿度与大气压强测量模块，所述温湿度与大气压强测量模块与上位机或第二微控制器连接，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器。

具体地，所述时间同步信号采用光信号、有线电信号或无线电信号。

为实现上述目的，本实用新型提供一种如权利要求1所述超声波三维定位系统的定位方法，包括以下步骤：

a.将发射模块中至少三个以上超声波发射模块安装在坐标已知且不共线的位置上；

b.发射模块中，第一微控制器控制同步信号发射接收模块发送时间同步信号，再控制超声波发射模块以已知时间间隔轮流发射超声波信号；

c.接收模块中，通过同步信号接收模块接收步骤b中的时间同步信号并发送给第二微控制器，通过至少一个超声波接收模块接收步骤b中的超声波信号并发送给第二微控制器；

d.第二微控制器记录接收到步骤c中时间同步信号后，开始记录步骤c中超声波接收模块接收到的每个超声波信号的时刻，并对超声波接收模块接收到的每个超声波信号的时刻进行处理计算得出超声波接收模块的空间位置，再通过第二通信模块发给上位机；

e.重复步骤a-d。

具体地，超声波发射模块包括超声波驱动电路和超声波发射探头，第一微控制器控制超声波驱动电路生成超声波信号并放大，通过超声波发射探头发射；超声波接收模块包括超声波接收探头和超声波信号调理电路，超声波接收探头将接收到的超声波信号经过超声波信号调理电路放大、滤波、整形后发送给第二微控制器。

具体地，还包括气温湿度与大气压强测量模块，所述气温湿度与大气压强测量模块与第二通微控制器连接，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器，其中温度传感器、湿度传感器、气压传感器分别收集获得大气温度、湿度和压强值并发送给第二微控制器，第二微控制器结合所述大气温度、湿度和压强值及步骤d中得出的超声波接收模块的空间位置数值进行再处理，进一步得出超声波接收模块的空间位置，再通过第二通信模块发送给上位机。

为实现上述目的，本实用新型提供一种超声波三维定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将发射模块中至少三个以上超声波发射模块安装在坐标已知且不共线的位置上；

b.发射模块中，第一微控制器控制同步信号发射接收模块发送时间同步信号，再控制超声波发射模块以已知时间间隔轮流发射超声波信号；

c.接收模块中，通过同步信号接收模块接收步骤b中的时间同步信号并发送给第二微控制器，通过至少一个超声波接收模块接收步骤b中的超声波信号并发送给第二微控制器；

d.第二微控制器记录接收到步骤c中时间同步信号后，开始记录步骤c中超声波接收模块接收到的每个超声波信号的时刻，并通过第二通信模块发给上位机；

e.上位机对步骤d中的数值进行处理计算得出超声波接收模块的空间位置；

f.重复步骤a-e。

具体地，还包括气温湿度与大气压强测量模块，所述气温湿度与大气压强测量模块与上位机连接，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器，其中温度传感器、湿度传感器、气压传感器分别收集获得大气温度、湿度和压强值并发送给上位机，上位机结合所述大气温度、湿度、压强值及步骤e中得出的超声波接收模块的空间位置数值进行再处理，进一步得出超声波接收模块的空间位置。

由于时间同步信号的延迟远小于超声波信号的延迟，从而可以计算出超声波接收模块接收到超声波发射模块所发出的超声波的时间延迟，从而计算出超声波接收模块与超声波发射模块之间的距离，然后根据三角定位方法计算出超声波接收模块的空间位置；

本实用新型的有益效果在于：

1.多目标定位：能够同时对多个目标进行定位，由于采用接收端定位的方式，发射模块仅提供时间同步和超声波基准信号，接收模块与超声波接收模块数量的多少对发射端没有影响。

2.定位精度高：采用本系统所述的方式定位精度可达1cm以下。

3.成本低：本实用新型的成本远低于基于无线电或者视觉技术的三维定位系统的成本。

附图说明

图1是本实用新型的模块框图；

图2是超声波发射与接收模块结构框图；

图3是本实用新型的定位原理图；

图4是本实用新型的定位时序图。

附图标号说明：1-发射模块；10-第一微控制器；11-第一供电模块；12-第一时钟模块；13-第一通信模块；14-同步信号发射接收模块；15-超声波发射模块；151-超声波驱动电路；152-超声波发射探头；2-接收模块；20-第二微控制器；21-第二供电模块；22-第二时钟模块；23-第二通信模块；24-同步信号接收模块；25-超声波接收模块；251-超声波接收探头；252-超声波信号调理电路；26-气温湿度与大气压强测量模块；3-上位机。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步说明。

请参阅图1-4所示，本实用新型关于一种超声波三维定位系统，包括一发射模块1、一接收模块2、上位机3，

所述发射模块1包括第一第一微控制器10，第一供电模块11，第一时钟模块12，第一通信模块13，同步信号发射接收模块14，四个超声波发射模块15，所述超声波发射模块15设置在坐标已知且不共线间的位置上；所述第一时钟模块12、第一通信模块13、同步信号发射接收模块14、超声波发射模块15分别与第一微控制器10连接，所述第一供电模11块为发射模块1供电；

所述接收模块2包括第二微控制器20，第二供电模块21，第二时钟模块22，第二通信模块23，同步信号接收模块24、四个超声波接收模块25；所述第二时钟模块22、第二通信模块23、同步信号接收模块24、超声波接收模块25分别与第二微控制器20相连，所述第二供电模块21为接收模块2供电；

所述发射模块1和接收模块2通过同步信号发射接收模块14与同步信号接收模块24进行时间同步信号连接，所述第二通信模块23与上位机3通信连接，其中时间同步信号采用红外光信号，超声波发射模块15包括超声波驱动电路151和超声波发射探头152，第一微控制器10控制超声波驱动电路151生成超声波信号并放大，通过超声波发射探头152发射，超声波接收模块25由超声波接收探头251和超声波信号调理电路252构成，超声波信号调理电路252用来对超声波接收探头251接收到的信号进行放大、滤波、整形。

参照图3，将四个超声波发射模块15分别安装在空间ABCD四点，ABCD四点不共线。发射模块1中的第一微控制器10按照图4所示的时序，在T0时刻控制同步信号发射接收模块14发送时间同步信号，在T1时刻控制超声波发射模块15在A点发射超声波信号，在T2时刻控制超声波发射模块15在B点发射超声波信号，在T3时刻控制超声波发射模块15在C点发射超声波信号，在T4时刻控制超声波发射模块15在D点发射超声波信号。

对于接收模块2，当同步信号接收模块25接收到红外时间同步信号后，将其送入第二微控制器20，第二微控制器20重置内部计数器并开始计数，当每个超声波接收模块25接收到超声波信号后，将此信号送入第二微控制器20，第二微控制器20记录接收到此信号时计数器的计数值。

当接收完第四个超声波发射模块发送的信号后，第二微控制器20将记录下的接收到各个超声波信号时的时刻(计数器的计数值)通过第二通信模块23发送到上位机3(本系统采用无线信号传输数据)，然后发射模块1和接收模块2自动开始下一个发送接收循环。

上位机3接收到数据后采用如下算法对每个超声波接收模块25的位置进行计算。

图3中，在A，B，C，D四点安装超声波发射模块15，E，F为超声波接收模块25的位置。按照如图的方式建立坐标系，A，B，C，D，E点的坐标分别为(X_A，Y_A，Z_A)(X_B，Y_B，Z_B)(X_C，Y_C，Z_C)(X_D，Y_D，Z_D)(X_E，Y_E，Z_E)。从A，B，C，D四点依次以时间间隔t₀发送一个宽度为t₁(t₀＞10t₁)的超声波脉冲，假设空气中声速为v，E点接收到从A，B，C，D四点发出的超声波的时刻分别为T₁₁，T₂₂，T₃₃，T₄₄，则有如下关系：

将公式(1)化简得：

通过将(2-5)中任意3个可以求解出(X_E，Y_E，Z_E)，下面给出其中一种计算方法。用(2)-(3)，(2)-(4)，(3)-(4)得：

将(6)(7)(8)表示成矩阵形式：

设

则有

这样，便计算出了超声波接收模块25在三维空间中的坐标。用同样的方法可解出其他超声波接收模块25的三维坐标。

由于大气中声速是变化的，声速与大气温度、湿度和压强之间有一定关系，故，为了得到更加准确的声速，本系统还包括气温湿度与大气压强测量模块24，气温湿度与大气压强测量模块24与第二微控制器20或上位机3连接，本实施例中采用温湿度与大气压强测量模块24与第二微控制器20连接，在位置结算时，通过该模块获得当前的大气温度、湿度和压强值，代入如下公式计算出更加准确的声速。

其中t为测出的摄氏温度，P为大气压强，e为测量温度t下水蒸气的饱和蒸汽压(可通过查表获得)，H为相对湿度。

然后将此声速带入到公式(12)中从而计算出更为准确的位置。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种超声波三维定位系统，其特征在于，包括至少一发射模块、至少一接收模块、上位机，其中

所述发射模块包括第一微控制器，第一供电模块，第一时钟模块，第一通信模块，同步信号发射接收模块，至少三个超声波发射模块，所述超声波发射模块设置在坐标已知且不共线间的位置上；所述第一时钟模块、第一通信模块、同步信号发射接收模块、超声波发射模块分别与第一微控制器连接，所述第一供电模块为发射模块供电；

所述接收模块包括第二微控制器，第二供电模块，第二时钟模块，第二通信模块，同步信号接收模块、至少一个超声波接收模块；所述第二供电模块、第二时钟模块、第二通信模块、同步信号接收模块、超声波接收模块分别与第二微控制器相连，所述第二供电模块为接收模块供电；

所述发射模块和接收模块通过同步信号发射接收模块与同步信号接收模块进行时间同步信号连接，所述第二通信模块与上位机通信连接。

2.根据权利要求1所述的超声波三维定位系统，其特征在于，所述超声波发射模块包括超声波驱动电路和超声波发射探头，所述超声波驱动电路的输入端与第一微控制器连接，超声波驱动电路的输出端与超声波发射探头连接；所述超声波接收模块包括超声波接收探头和超声波信号调理电路，所述超声波信号调理电路的输入端与超声波接收探头，超声波信号调理电路的输出端与第二微控制器连接。

3.根据权利要求1所述的超声波三维定位系统，其特征在于，还包括气温湿度与大气压强测量模块，所述温湿度与大气压强测量模块与第二微控制器连接，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器。

4.根据权利要求1所述的超声波三维定位系统，其特征在于，还包括气温湿度与大气压强测量模块，所述温湿度与大气压强测量模块与上位机连接，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器。

5.根据权利要求1所述的超声波三维定位系统，其特征在于，所述时间同步信号采用光信号、有线电信号或无线电信号。