一种定位设备、定位基站、空间定位系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种定位设备、定位基站、空间定位系统及方法，所述定位设备包括：壳体；光敏传感器，设置于所述壳体上；超声波接收器，设置于所述壳体上，所述超声波接收器的位置与所述光敏传感器的位置不相同。本发明实施例中的技术方案根据激光扫描信号来确定定位设备相对于定位基站的方向，并根据定位基站发出的超声波信号，确定定位设备相对于定位基站的距离，由于激光扫描定位的精度和超声波测距的精度都在毫米级，并且定位速度都在毫秒级，所以定位速度较快，因此实现了快速和精准地实现空间定位的技术效果。
【专利说明】
一种定位设备、定位基站、空间定位系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及空间定位领域，尤其涉及一种定位设备、定位基站、空间定位系统及方法。【背景技术】
[0002]空间定位是指定位设备在空间的位置，例如，可以通过GPS (英文:Global Posit1ning System;中文:全球定位系统)技术来确定设备的位置。但是，随着人们对定位精度的要求越来越高，GPS技术提供的米级精度已经无法满足人们的需要，并且在一些特定的空间如室内、地下室等等，由于墙壁等障碍物会遮挡GPS信号，所以GPS技术也无法应用在这些特定的空间。
[0003]目前，在室内、地下室等特定的空间，一般通过无线定位技术来进行定位，具体是根据设备接收到多个位置已知的无线AP(英文:Access Point;中文:接入点，又被称为热点)的信号强度，然后利用信号衰减模型估算出移动设备距离各个AP的距离，最后利用三角定位算法确定出该设备所在的位置。但是，无线定位技术提供的精度仍然在米级，无法满足人们对空间定位精度越来越高的要求。
[0004]随着虚拟现实领域的日益繁荣，虚拟游戏开始出现，在虚拟游戏提供的沉浸式交互体验中，精确的空间定位追踪技术显得尤为关键，因此如何快速和精准地实现空间定位， 成为亟待解决的问题之一。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种定位设备、定位基站、空间定位系统及方法，以快速和精准地实现空间定位。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供一种定位设备，包括:
[0007]壳体；
[0008]光敏传感器，设置于所述壳体上；
[0009]超声波接收器，设置于所述壳体上，所述超声波接收器的位置与所述光敏传感器的位置不相同。
[0010]可选地，所述壳体具体为球形壳体。
[0011]可选地，所述定位设备的定位范围为A;
[0012]每个所述光敏传感器的光束接收范围为B，所述壳体上至少设置有M个所述光敏传感器，M为对A/B进行向上取整而获得；
[0013]每个所述超声波接收器的波束宽度接收范围为C，所述壳体上至少设置有N个所述光敏传感器，N为对A/C进行向上取整而获得。
[0014]可选地，M个所述光敏传感器的接收面和N个所述超声波接收器的接收面均匀分布在所述壳体上。
[0015]可选地，所述光敏传感器上还设置有滤光片。
[0016]可选地，所述光敏传感器为光敏二极管、光敏三极管或硅光电池。
[0017]可选地，所述定位设备还包括射频信号接收装置，所述射频信号接收装置设置于所述壳体内，所述射频信号接收装置用于接收同步信号。
[0018]可选地，所述定位设备还包括运动传感器。
[0019]本发明实施例第二方面提供一种定位基站，包括:[0〇2〇]底座；[0021 ]旋转轴，设置于所述底座上；
[0022]第一激光扫描器，设置于所述旋转轴的第一位置；
[0023]第二激光扫描器，设置于所述旋转轴的第二位置，第二位置和第一位置不相同，所述第一激光扫描器对应的第一扫描平面和所述第二激光扫描器对应的第二扫描平面扫描到空间中同一点时能够相交成一条直线，且所述第一扫描平面和所述第二扫描平面不垂直于所述旋转轴；
[0024]超声波发射器，设置于所述底座上。
[0025]可选地，所述第一激光扫描器发出的激光扫描信号的波长为第一波长，所述第二激光扫描器发出的激光扫描信号的波长为第二波长，所述第一波长与所述第二波长不相同。
[0026]可选地，所述第一激光扫描器和所述第二激光扫描器的光源为同一个激光光源， 所述激光光源生成的激光通过分光装置被分别传导至所述第一激光扫描器和所述第二激光扫描器。
[0027]可选地，所述定位基站还包括同步装置，所述同步装置设置于所述底座上，所述同步装置用于发送同步信号。
[0028]可选地，所述同步装置具体为LED阵列和/或射频信号发生器。
[0029]可选地，所述定位基站还包括旋转轴定位装置，所述转轴定位装置设用于检测所述旋转轴的转动位置。
[0030]本发明实施例第三方面还提供一种空间定位系统，包括定位基站、定位设备和数据处理设备；
[0031]如第一方面提供的定位设备；
[0032]如第二方面提供的定位基站；
[0033]所述数据处理设备具体用于根据所述定位基站发出的激光扫描信号，确定所述定位设备相对于所述定位基站的方向，并根据所述定位基站发出的超声波信号，确定所述定位设备相对于所述定位基站的距离，从而确定所述定位设备在空间中的位置。
[0034]本发明实施例第四方面还提供一种空间定位方法，包括:
[0035]定位基站通过一个旋转轴带动第一激光扫描器和第二激光扫描器进行旋转，并发出第一激光扫描信号、第二激光扫描信号和超声波信号，所述第一激光扫描器对应的第一扫描平面和所述第二激光扫描器对应的第二扫描平面扫描到空间中同一点时能够相交成一条直线，且所述第一激光扫描器发出的第一扫描线和所述第二激光扫描器发出的第二扫描线均不垂直于所述旋转轴；[〇〇36]定位设备通过光敏传感器和超声波接收器，接收所述第一激光扫描信号、所述第二激光扫描信号和所述超声波信号；
[0037]数据处理设备根据所述第一激光扫描信号、所述第二激光扫描信号和所述超声波信号的发送时间点以及接收时间点，确定所述定位设备相对于所述定位基站的位置。
[0038]可选地，在所述定位基站通过一个旋转轴带动第一激光扫描器和第二激光扫描器进行旋转，并发出第一激光扫描信号、第二激光扫描信号和超声波信号之前，所述方法还包括:[〇〇39]所述定位基站向所述定位设备发送同步光信号和同步射频信号；[〇〇4〇]所述定位设备在接收到同步光信号时，若同时接收到所述同步射频信号，则将所述同步光信号的上升沿作为同步时刻。
[0041]本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点:
[0042]本发明实施例中的技术方案利用了光沿直线传播的特性，根据激光扫描信号来确定定位设备相对于定位基站的方向，并利用了超声波测距的原理，根据定位基站发出的超声波信号，确定定位设备相对于定位基站的距离，从而能够确定定位设备在空间的位置，由于激光扫描定位的精度和超声波测距的精度都在毫米级，并且定位速度都在毫秒级，所以定位速度较快，因此实现了快速和精准地实现空间定位的技术效果。【附图说明】
[0043]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图:
[0044]图1为本发明实施例提供的空间定位系统的模块图；
[0045]图2为本发明实施例提供的定位设备10的正视图；
[0046]图3为本实施例提供的定位设备的定位范围的示意图；
[0047]图4为本实施例提供的定位设备10的内部结构示意图；
[0048]图5为本发明实施例提供的定位设备10的电路图；
[0049]图6为本实施例提供的定位基站的结构不意图；
[0050]图7为本实施例提供的定位基站20发出激光扫描信号的示意图。【具体实施方式】
[0051]下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
[0052]本实施例提供了一种空间定位系统，请参考图1，图1为本发明实施例提供的空间定位系统的模块图，如图1所示，该空间定位系统包括定位设备10、定位基站20和数据处理设备30,数据处理设备30能够根据定位基站20发出的激光扫描信号，确定定位设备10相对于定位基站20的方向，并根据定位基站20发出的超声波信号，确定定位设备10相对于定位基站20的距离，从而确定定位设备10在空间中的位置。
[0053]可以看出，本实施例中的技术方案利用了光沿直线传播的特性，根据激光扫描信号来确定定位设备10相对于定位基站20的方向，并利用了超声波测距的原理，根据定位基站20发出的超声波信号，确定定位设备10相对于定位基站20的距离，从而能够确定定位设备10在空间的位置，由于激光扫描定位的精度和超声波测距的精度都在毫米级，并且定位速度都在毫秒级，所以定位速度较快，因此实现了快速和精准地实现空间定位的技术效果。 [〇〇54]在接下来的部分中，将详细介绍上述技术方案。
[0055]请参考图2,图2为本发明实施例提供的定位设备10的正视图，如图2所示，定位设备10包括:
[0056]壳体 101;[〇〇57] 光敏传感器102，设置于壳体101上，在本实施例中，光敏传感器102在壳体101表面的接收窗口为六角形；[〇〇58]超声波接收器103,设置于壳体101上，超声波接收器103的位置与光敏传感器102 的位置不相同，在本实施例中，超声波接收器103在壳体101表面的接收窗口为圆形。
[0059]在具体实施过程中，如图2所示，壳体101具体为球形壳体。当然，在其他实施例中， 壳体101根据实际情况，可以设置为立方体形状的壳体、椭球体形状的壳体、椎体形状的壳体等等，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。
[0060]在具体实施过程中，请参考图3,图3为本实施例提供的定位设备的定位范围的示意图，如图3所示，在本实施例中，定位设备的定位范围为A，例如A可以为300° ;
[0061]设定每个光敏传感器102的光束接收范围为B，例如B可以为25°或30°等等，壳体 101上至少设置有M个光敏传感器102，M为对A/B进行向上取整而获得；
[0062]具体来讲，光敏传感器102的光束接收范围可以为光束半角(half angle)的两倍， 具体为一个圆锥形状，所以，为了保证光敏传感器102能够采集到定位设备的定位范围A内所有的激光扫描信号，因此需要在壳体101上至少设置M个光敏传感器，M为对A/B进行向上取整而获得，例如，在本实施例中，M为12个，在另一实施例，若A为300°，B为35°，则M为对 (300°/35° =8.5714)进行向上取整而为9个，在此就不再赘述了。[〇〇63]需要说明的是，光敏传感器102的数量还与定位基站20上发出的激光扫描信号有关，具体的，若定位基站20上发出的激光扫描信号只包括1个波长的信号，则光敏传感器102 的数量为至少M个，若定位基站20上发出的激光扫描信号只包括2个波长的信号，则光敏传感器102的数量为至少2M个。[0〇64]设定每个超声波接收器103的波束宽度(total beam angle)接收范围为C，例如C 可以为40°或50°等等，壳体101上至少设置有N个光敏传感器102，N为对A/C进行向上取整而获得。超声波接收器103的数量设置与光敏传感器102的原理一致，在此就不再赘述了。 [〇〇65]当然了，在另一实施例中，为了保证能够准确接收到定位基站20发送的激光扫描信号和超声波信号，可以在定位设备10的壳体101上设置更多的光敏传感器和超声波传感器，在此不做限制。
[0066]在本实施例中，为了保证能够准确接收到定位基站20发送的激光扫描信号和超声波信号，如图2所示，M个光敏传感器102的接收面和N个超声波接收器103的接收面均匀分布在壳体101上。
[0067]当然，在另一实施例中，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，合适地调整M 个光敏传感器102的接收面和N个超声波接收器103的接收面的位置，使得M个光敏传感器102的接收面和N个超声波接收器103的接收面非均匀地分布在壳体101上，以满足实际情况的需求，例如在定位设备10上定位频繁的范围内设置较多的光敏传感器102和超声波接收器103,而在定位较少的范围内设置较少的光敏传感器102和超声波接收器103,等等，在此就不做限制。
[0068]在具体实施过程中，为了避免外界环境光线对光敏传感器102的干扰，光敏传感器 102上还设置有滤光片，滤光片用于滤去环境光，使得光敏传感器只能够接收到定位基站20 发出的激光扫描光线，在此就不再赘述了。当然了，若定位基站20通过LED阵列发出的光线来传输同步信号，则滤光片也不能滤去该LED阵列发出的光线。
[0069]请参考图4,图4为本实施例提供的定位设备10的内部结构示意图，如图4所示，定位设备10的壳体101内部的柱体即为光敏传感器102或超声波接收器103,当然，光敏传感器 102超声波接收器103还需要通过一定的电路连接至内部的处理芯片，在此就不再赘述了。
[0070]如前，若定位基站20发出的激光扫描信号包括两个波长，则每个六角形的接收面所在空心柱体中会设置两个对应波长的光敏传感器102,以便接收两个波长的激光扫描信号，在此就不再赘述了。
[0071]请参考图5,图5为本发明实施例提供的定位设备10的电路图，如图5所示，M个光敏传感器102和N个超声波接收器103分别并联，这样，所有光敏传感器和超声波接收器总共只需两路信号处理电路，对激光扫描信号和超声波信号只需要处理最早接收的信号即可，电路成本和处理成本大大降低。[〇〇72]在具体实施过程中，光敏传感器102为光敏二极管、光敏三极管或硅光电池等等， 在此不做限制。
[0073]在具体实施过程中，定位设备10还包括射频信号接收装置，射频信号接收装置设置于壳体101内，射频信号接收装置用于接收同步信号。
[0074]在具体实施过程中，定位设备10还可以包括运动传感器，运动传感器检测定位终端的运动数据，利用运动数据对定位终端的空间位置进行修正计算和弥补。运动传感器可以为惯性传感器(英文:Inertial measurement unit;简称:IMU)、加速度传感器、陀螺仪中的一种或多种。当本实施例的定位设备10被安装在其他智能终端上使用时，该运动传感器可以借用智能终端上的运动传感器，在此就不再赘述了。
[0075]在实际应用中，定位设备10可以集成在手持设备、头戴设备上，在此不做限制。 [〇〇76]在接下来的部分中，将介绍定位基站20的具体结构及运行过程。[〇〇77]请参考图6A和图6B，图6A为本实施例提供的定位基站的正视图，图6B为本实施例提供的定位基站的立体图，如图6A和图6B所示，定位基站20包括:
[0078]底座 201;[〇〇79]旋转轴202，设置于底座201上;在具体实施过程中，可以通过一个或者多个电机来带动旋转轴202进行旋转，在此不做限制；
[0080]第一激光扫描器203,设置于旋转轴202的第一位置；[〇〇81]第二激光扫描器204,设置于旋转轴202的第二位置，第二位置和第一位置不相同， 第一激光扫描器203对应的第一扫描平面和第二激光扫描器204对应的第二扫描平面扫描到空间中同一点时能够相交成一条直线，且第一激光扫描器203发出的第一扫描线和所述第二激光扫描器204发出的第二扫描线均不垂直于所述旋转轴；
[0082]超声波发射器205，设置于底座201上；在本实施例中，超声波发射器205为一个全向的超声波发射器，。[〇〇83] 在本实施例中，第一激光扫描器203可以通过一个激光发生器发出点激光，再通过一字线透镜如柱透镜、鲍威尔棱镜或一字线波浪棱镜等将点激光整形为一字线激光，这样， 由第一激光扫描器203出射的一字线激光即形成了第一激光扫描平面，再通过旋转轴202的旋转，实现了对空间的扫描。在另一实施例中，第一激光扫描器203也可以直接通过一字线激光器发出一字线激光，在此就不再赘述了。[〇〇84] 第二激光扫描器204的具体结构与第一激光扫描器203—致，在此就不再赘述了。 [〇〇85]当然，在另一实施例中，还可以通过在旋转轴202上设置更多的激光扫描器来提高对定位设备10的方向进行定位的准确性，但其原理不会发生变化，在此就不再赘述了。 [〇〇86]需要说明的是，在本实施例中，第一激光扫描器203和第二激光扫描器204在垂直方向上的高度相同，在其他实施例中，第一激光扫描器203和第二激光扫描器204在垂直方向上的高度也可以不相同，也即第一激光扫描器203和第二激光扫描器204可以在旋转轴 202上呈一上一下的相对位置，在此不做限制。
[0087]请参考图7,图7为本实施例提供的定位基站20发出激光扫描信号的示意图，如图7 所示，在本实施例中，第一激光扫描器203对应的第一扫描平面701为竖直方向的平面，第二激光扫描器204对应的第二扫描平面702为与竖直方向呈45°的平面。[〇〇88]在具体实施过程中，为了区分第一激光扫描器203发出的激光扫描信号和第二激光扫描器204发出的激光扫描信号，第一激光扫描器203发出的激光扫描信号的波长为第一波长，第二激光扫描器204发出的激光扫描信号的波长为第二波长，第一波长与第二波长不相同。
[0089]在实际应用中，例如可以通过两个激光发生器，分别生成的不同波长的激光，并传递到第一激光扫描器203和第二激光扫描器204中。
[0090]当然，在另一实施例中，所述第一激光扫描器和所述第二激光扫描器的光源可以为同一个激光光源，该激光光源生成的激光可以通过分光装置如分光器等，分束至第一激光扫描器203和第二激光扫描器204中，再通过时序的方式来区分第一激光扫描器203发出的激光扫描信号和第二激光扫描器204发出的激光扫描信号，例如，定位基站20还可以包括同步装置，先由同步装置发出同步信号，再根据第一激光扫描器203和第二激光扫描器204 的扫描顺序，从而区分第一激光扫描器203发出的激光扫描信号和第二激光扫描器204发出的激光扫描信号。
[0091]在具体实施过程中，同步装置具体可以为LED阵列和/或射频信号发生器，例如，通过LED阵列发出同步光信号，同步光信号例如可以为红外光信号等等，定位设备10通过光敏传感器102接收到同步光信号后，即能够将当前时间点作为同步时间点；同理，射频信号发生装置生成同步射频信号并发送后，定位设备10通过射频信号接收装置接收到同步射频信号后，也能够将当前时间点作为同步时间点，在此就不再赘述了。
[0092]需要说明的是，在同步装置为LED阵列时，定位设备10可以通过光敏传感器102来接收LED阵列发出的同步光信号，也可以专门设置额外的光敏传感器来接收LED阵列发出的同步光信号，在此不做限制。[〇〇93] 请继续参考图6A和图6B，如图6A和图6B所示，在本实施例中，LED阵列2061包括多个子阵列，射频信号发生器可以设置定位基站20中的任意位置，图中未示出。
[0094]需要说明的是，图6A和图6B均为示意图，在另一实施例中，底座201可以根据实际情况，设置为其他合适的形状，LED阵列2061也可以设置为合适的数量，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。
[0095]在单独使用LED阵列发送同步光信号的时候，会因为LED阵列和定位设备10上的光敏传感器102之间的距离远近、角度问题而导致光敏传感器102的脉宽发生变化，并且还会因为外界光线而产生杂波，单独判断同步光信号的上升沿容易出错，这样无法获得准确的同步时刻，所以单独使用LED阵列发送同步信号有可能导致误差。
[0096]在单独使用射频信号发生装置来发送同步射频信号的时候，因为电路特性会导致同步射频信号到达定位设备上的射频信号接收装置的时间不确定，存在一定的时延，这样无法获得准确的同步时刻，所以单独使用射频信号发生装置来发送同步射频信号也有可能导致误差。
[0097]因此，为了避免在实际应用时单独使用LED阵列和/或射频信号发生装置来发送同步信号有可能导致误差的缺陷，本实施例采用将两者进行结合的方式，具体如下:
[0098]在同步时刻到达时，也即在需要发出同步信号的时刻到达时，定位基站20同时通过LED阵列发出同步光信号和射频信号发生装置发送同步射频信号，定位设备10中的光敏传感器102接收到同步光信号时，判断是否同时收到了同步射频信号，若收到了同步射频信号，具体地，例如检测是否接收到持续时长超过预设值的同步射频信号，则表明该次信号为有效地同步信号，可以将同步光信号的上升沿作为同步时刻。
[0099]可以看出，通过LED阵列发出同步光信号的方式具有能够精确地确定同步光信号的接收时刻的优点，但因实际应用情况或外界干扰而会导致信号不稳定，而通过射频信号发生装置发送同步射频信号的方式具有发出信号的可靠性高的优点，但因电路特性等原因而会导致一定的时延，本实施例中的方案将两者结合后，能够保留通过LED阵列发出同步光信号的方式具有的精确确定接收时刻的优点、以及通过射频信号发生装置发送同步射频信号的方式具有的信号的可靠性高的优点，同时避免了通过LED阵列发出同步光信号的方式具有的信号不稳定的缺点，也避免了射频信号发生装置发送同步射频信号的方式具有一定的时延的缺点。
[0100]在同步装置发送同步信号，定位设备10接收到同步信号后，根据旋转轴202的旋转方向，设置先由第一激光扫描器203发出激光扫描信号，再由第二激光扫描器204发出激光扫描信号，这样，即能够确定定位设备10第一次接收到的激光扫描信号为第一激光扫描器203发出的，并确定定位设备10第二次接收到的激光扫描信号为第二激光扫描器204发出的。
[0101]在具体实施过程中，定位基站20还包括旋转轴定位装置，旋转轴定位装置设用于检测旋转轴的转动位置。在实际应用中，旋转轴定位装置可以由霍尔传感器和磁体组成，或者可以由激光发生器和光敏传感器组成，或者可以由码盘组成。
[0102]首先，介绍旋转轴定位装置由霍尔传感器和磁体组成的情形:磁体可以设置在旋转轴202上的固定位置，霍尔传感器设置于底座201上磁体的运动路径附近，这样，在旋转轴202旋转的时候，磁体经过霍尔传感器所在的位置，引起霍尔传感器附近的磁场变化，因此霍尔传感器会输出一个脉冲信号，定位基站20内的控制装置如单片机、处理芯片等等接收该脉冲信号后，即会控制同步装置发出同步信号，而旋转轴202会带动第一激光扫描器203和第二激光扫描器204进行扫描，磁体在旋转轴202旋转一周后再次经过霍尔传感器所在的位置时，即会再次触发霍尔传感器输出脉冲信号，在此就不再赘述了。
[0103]当然，在实际应用中，也可以设定在霍尔传感器输出预设次数的脉冲信号后，例如可以设定霍尔传感器输出两次脉冲信号后，也即旋转轴202每旋转两次，定位基站20内的控制装置才输出同步信号，预设次数的具体数值可以根据实际情况确定，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。
[0104]然后，介绍旋转轴定位装置由激光发生器和光敏传感器组成的情形:光敏传感器可以设置在旋转轴202上，激光发生器可以设置在底座201上，这样，光敏传感器在旋转轴202的带动下，光敏传感器经过激光发生器所在的位置时，就会在激光发生器发出的激光的触发下而生成电信号，该电信号被定位基站20内的控制装置接收后，即会控制同步装置发出同步信号，而旋转轴202会带动第一激光扫描器203和第二激光扫描器204进行扫描，光敏传感器在旋转轴202旋转一周后再次经过激光发生器所在的位置时，即会再次触发光敏传感器输出电信号，在此就不再赘述了。
[0105]当然，在实际应用中，激光发生器和光敏传感器的位置不限于上述方式，例如可以将激光发生器设置在旋转轴202上，以及将光敏传感器设置在底座201上，或者将激光发生器和光敏传感器同时设置在旋转轴202或底座201上，并在底座201或旋转轴202上对应的位置贴上反光条或者反光镜，或者将红外一体收发器设置在旋转轴202或底座201上，并在底座201或旋转轴202上对应的位置贴上反光条或者反光镜，等等，在此就不再赘述了。
[0106]需要说明的是，旋转轴定位装置中的光敏传感器和激光发生器需要和定位设备10中的光敏传感器、以及定位基站20中的光扫描器区分开来，以避免对定位设备10和定位基站20中激光定位数据造成干扰，例如可以通过设置不同波长的方式进行区分等等。
[0107]最后，介绍旋转轴定位装置由码盘组成的情形:码盘(英文:encoding disk)是测量角位移的数字编码器，包括接触编码器和光学编码器两类，接触编码器或光学编码器可以设置在旋转轴202上，从而能够在旋转轴202旋转的过程中准确测量出旋转轴202的位置，并生成相应的信号，定位基站20内的控制装置根据该信号即能够控制同步装置生成发出同步信号，在此就不再赘述了。
[0?08]当然，在一个理想的情况下，若定位设备10和定位基站20上的时间均相同，则无需定位基站20生成同步信号，根据定位基站发出激光扫描信号和超声波信号的发送时间点，以及定位设备接收激光扫描信号和超声波信号的接收时间点，即能够确定定位设备的位置，在此就不再赘述了。
[0109]在介绍完定位设备10和定位基站20之后，在接下来的部分中，将介绍本实施例提供的空间定位系统具体如何进行定位，本实施例中的数据处理设备30通过激光测方向原理和超声波测距离原理结合进行定位:
[0110]1、激光测方向原理:假设激光扫描信号按Θ/秒角速度扫描，从启动位置开始计时，从定位光束启动到激光扫描信号被定位设备10接收到的时间为t秒，则定位设备10所在的方位与激光扫描信号的启动位置夹角a = 9*t。这样，通过两个方向激光进行扫射，即可准确确定定位终端相对于基站的方向向量；
[0111]具体来讲，以定位设备10上的01号光敏传感器为例，设该点为PO，假设定位基站20上的旋转轴202恒定以Θ角速度进行旋转，贝Ij定位基站20指向pO点的方向向量的计算方法如下:
[0112]第一激光扫描器203在接收到同步信号后发出第一激光扫描信号，记录下发送时间点，直到定位设备10上的01号光敏传感器被第一激光扫描器203对应的第一扫描平面扫描到，也即定位设备10接收到该第一激光扫描信号，记录下接收时间点，设定第一激光扫描信号的发送时间点与接收时间点之间的差值为11，则获得的偏转角度α = Θ*t I为p0点相对于第一扫描平面的偏转角度；
[0113]同理，通过记录第二激光扫描器204发出的第二扫描信号的发送时间点和接收时间点，设定第二激光扫描信号的发送时间点与接收时间点之间的差值为t2，获得的偏转角度i3 = 0*t2为pO点相对于第二扫描平面的偏转角度；
[0114]这样，已知两个方位角，作为约束，即可以求得原点指向ρ0点的方向向量，即定位基站20指向ρΟ点的方向向量，具体的数学计算方法有多种，在此就不再赘述了。
[0115]2、超声波测距离原理:超声波信号在空气中的传播速度为V，则从超声波信号的发出到被定位设备10接收到的时间为t3秒，则定位设备10与定位基站20之间的举例d = V*t3。当然，在实际计算中，由于不同温度下，超声波的传输速度不同，因此，需要根据当前温度对V进行调整，以保证计算结果的准确性，在此就不再赘述了。
[0116]在具体实施过程中，数据处理设备30可以通过有线或者无线的方式获得定位设备10和定位基站20中的数据，在此就不再赘述了。
[0117]当然，在实际应用中，为了避免超声波的回波干扰，可以设定发出两次超声波信号之间的时间间隔足够大，另外，由于超声波的回波干扰的信号强度值较小，还可以设定滤除强度值过小的超声波信号，这样来保证测量所得距离的准确性。
[0?18]以定位基站20的定位准确距离为5m为例，超声波信号传播5111所耗费的时间大约为15ms，因此，可以将两次超声波信号之间的间隔设置为20ms，当然，理论上上只要大于15ms即可；另外，可以将距定位基站20的距离为5m处的超声波信号的强度值作为标准强度值，滤除小于该标准强度值的信号。通过这两种方式中的任一种或者组合，都能够较佳地避免超声波回波信号的干扰，在此就不再赘述了。
[0119]由于激光测量和超声波测量的精度在毫米级，并且定位速度在毫秒级，所以定位精度和定位速度相比于现有技术都大大提高，实现了快速和精准地实现空间定位的技术效果O
[0120]在实际应用中，数据处理设备30在物理上可以集成在定位设备10或者定位基站20上，或者独立存在，在此不做限制。
[0121 ]基于前述部分的介绍可知，通过本实施例中的一个定位基站20，即能够实现全向定位的效果，也即在一空间中，通过单个定位基站20，就能够实现对定位设备10在该空间中的定位。
[0122]本实施例还提供一种空间定位方法，该方法包括:
[0123]首先，定位基站通过一个旋转轴带动第一激光扫描器和第二激光扫描器进行旋转，并发出第一激光扫描信号、第二激光扫描信号和超声波信号，第一激光扫描器对应的第一扫描平面和第二激光扫描器对应的第二扫描平面扫描到空间中同一点时能够相交成一条直线，且第一扫描平面和第二扫描平面均不垂直于旋转轴；
[0124]然后，定位设备通过光敏传感器和超声波接收器，接收第一激光扫描信号、第二激光扫描信号和超声波信号；
[0125]最后，数据处理设备根据第一激光扫描信号、第二激光扫描信号和超声波信号的发送时间点以及接收时间点，确定定位设备相对于定位基站的位置。
[0126]在具体实施过程中，在定位基站通过一个旋转轴带动第一激光扫描器和第二激光扫描器进行旋转，并发出第一激光扫描信号、第二激光扫描信号和超声波信号之前，方法还包括:
[0127]定位基站向定位设备发送同步光信号和同步射频信号；
[0128]定位设备在接收到同步光信号时，若同时接收到同步射频信号，则将同步光信号的上升沿作为同步时刻。
[0129]本实施例提供的空间定位方法的具体运行过程在前述部分中已经进行了详细的介绍，在此为了说明书的简洁，就不再赘述了。
[0130]本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点:
[0131]本发明实施例中的技术方案利用了光沿直线传播的特性，根据激光扫描信号来确定定位设备10相对于定位基站20的方向，并利用了超声波测距的原理，根据定位基站20发出的超声波信号，确定定位设备10相对于定位基站20的距离，从而能够确定定位设备10在空间的位置，由于激光扫描定位的精度和超声波测距的精度都在毫米级，并且定位速度都在毫秒级，所以定位速度较快，因此实现了快速和精准地实现空间定位的技术效果。
[0132]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0133]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0134]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1.一种定位设备，其特征在于，包括: 壳体； 光敏传感器，设置于所述壳体上； 超声波接收器，设置于所述壳体上，所述超声波接收器的位置与所述光敏传感器的位置不相同。2.如权利要求1所述的定位设备，其特征在于，所述壳体具体为球形壳体。3.如权利要求1所述的定位设备，其特征在于，所述定位设备的定位范围为A; 每个所述光敏传感器的光束接收范围为B，所述壳体上至少设置有M个所述光敏传感器，M为对A/B进行向上取整而获得； 每个所述超声波接收器的波束宽度接收范围为C，所述壳体上至少设置有N个所述光敏传感器，N为对A/C进行向上取整而获得。4.如权利要求3所述定位设备，其特征在于，M个所述光敏传感器的接收面和N个所述超声波接收器的接收面均匀分布在所述壳体上。5.如权利要求1所述定位设备，其特征在于，所述光敏传感器上还设置有滤光片。6.如权利要求1所述定位设备，其特征在于，所述光敏传感器为光敏二极管、光敏三极管或硅光电池。7.如权利要求1所述定位设备，其特征在于，所述定位设备还包括射频信号接收装置，所述射频信号接收装置设置于所述壳体内，所述射频信号接收装置用于接收同步信号。8.如权利要求1所述定位设备，其特征在于，所述定位设备还包括运动传感器。9.一种定位基站，其特征在于，包括: 底座； 旋转轴，设置于所述底座上； 第一激光扫描器，设置于所述旋转轴的第一位置； 第二激光扫描器，设置于所述旋转轴的第二位置，所述第二位置与所述第一位置不相同，所述第一激光扫描器对应的第一扫描平面和所述第二激光扫描器对应的第二扫描平面扫描到空间中同一点时能够相交成一条直线，且所述第一激光扫描器发出的第一扫描线和所述第二激光扫描器发出的第二扫描线均不垂直于所述旋转轴； 超声波发射器，设置于所述底座上。10.如权利要求9所述的定位基站，其特征在于，所述第一激光扫描器发出的激光扫描信号的波长为第一波长，所述第二激光扫描器发出的激光扫描信号的波长为第二波长，所述第一波长与所述第二波长不相同。11.如权利要求9所述的定位基站，其特征在于，所述第一激光扫描器和所述第二激光扫描器的光源为同一个激光光源，所述激光光源生成的激光通过分光装置被分束至所述第一激光扫描器和所述第二激光扫描器。12.如权利要求9所述的定位基站，其特征在于，所述定位基站还包括同步装置，所述同步装置设置于所述底座上，所述同步装置用于发送同步信号。13.如权利要求12所述的定位基站，其特征在于，所述同步装置具体为LED阵列和/或射频信号发生器。14.如权利要求9所述的定位基站，其特征在于，所述定位基站还包括旋转轴定位装置，所述转轴定位装置设用于检测所述旋转轴的转动位置。15.—种空间定位系统，其特征在于，包括定位基站、定位设备和数据处理设备；如权利要求1-8中任一权项所述的定位设备；如权利要求9-14中任一权项所述的定位基站；所述数据处理设备具体用于根据所述定位基站发出的激光扫描信号，确定所述定位设 备相对于所述定位基站的方向，并根据所述定位基站发出的超声波信号，确定所述定位设 备相对于所述定位基站的距离，从而确定所述定位设备在空间中的位置。16.—种空间定位方法，其特征在于，包括:定位基站通过一个旋转轴带动第一激光扫描器和第二激光扫描器进行旋转，并发出第 一激光扫描信号、第二激光扫描信号和超声波信号，所述第一激光扫描器对应的第一扫描 平面和所述第二激光扫描器对应的第二扫描平面扫描到空间中同一点时能够相交成一条 直线，且所述第一激光扫描器发出的第一扫描线和所述第二激光扫描器发出的第二扫描线 均不垂直于所述旋转轴；定位设备通过光敏传感器和超声波接收器，接收所述第一激光扫描信号、所述第二激 光扫描信号和所述超声波信号；数据处理设备根据所述第一激光扫描信号、所述第二激光扫描信号和所述超声波信号 的发送时间点以及接收时间点，确定所述定位设备相对于所述定位基站的位置。17.如权利要求16所述的空间定位方法，其特征在于，在所述定位基站通过一个旋转轴 带动第一激光扫描器和第二激光扫描器进行旋转，并发出第一激光扫描信号、第二激光扫 描信号和超声波信号之前，所述方法还包括:所述定位基站向所述定位设备发送同步光信号和同步射频信号；所述定位设备在接收到同步光信号时，若同时接收到所述同步射频信号，则将所述同 步光信号的上升沿作为同步时刻。
【文档编号】G01S5/30GK105974359SQ201610522023
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】冯州, 李小虎, 张超
【申请人】成都理想境界科技有限公司