超声波三维定位系统及其定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间定位装置，尤指一种超声波三维定位系统及其定位方法。
【背景技术】
[0002] 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。
【发明内容】
[0003] 为解决上述问题，本发明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。
[0004] 为实现上述目，本发明采用的技术方案是：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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 为实现上述目的，本发明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：
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] e.重复步骤a-d。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 为实现上述目的，本发明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：
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] 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；
[0022] f.重复步骤a-e。
[0023] 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。
[0024] 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；
[0025] 本发明的有益效果在于：
[0026] 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。
[0027] 2.定位精度高：采用本系统所述的方式定位精度可达Icm以下。
[0028] 3.成本低：本发明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】
[0029] 图1是本发明的模块框图；
[0030] 图2是超声波发射与接收模块结构框图；
[0031] 图3是本发明的定位原理图；
[0032] 图4是本发明的定位时序图。
[0033] 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】
[0034] 下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
[0035] 请参阅图1-4所示，本发明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，
[0036] 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；
[0037] 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；
[0038] 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 号米用红外光信号，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