专利名称：空间位置检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明属于超声传感技术领域，特别涉及一种空间位置检测系统及其检测方法。更具体说，该检测系统对物体(物体顶端或者物体上某一点)相对于某个参照坐标系的三维空间位置的检测；或被测目标被限制在某一固定平面上，则该系统也可作二维平面上的位置检测。
背景技术：
超声波作为一种信息载体，已在海洋探查与开发、无损评价与检测、医学诊断以及微电子学等领域发挥着不可取代的作用。将超声传感技术运用到三维空间位置的检测系统当中去，测量物体到每一个超声接收器之间的准确距离，从而便可以获得物体在某个参照坐标系内非常精确的坐标位置。而有的时候，我们可能更关心的是物体尖端的位置，如电子笔的笔头、手术刀的刀尖等，超声发射器不太可能非常精确的安装在这些尖端位置，这时候，就需要超声发射装置包含两个或两个以上固定位置的超声发射器，通过精确测量这两个或两个以上超声发射器的三维空间位置，经过简单立体几何的演算，从而得出该物体尖端位置的准确三维坐标值。若被测目标(物体顶端或者物体上其它某一点)被限制在某一固定平面上，则该系统和方法也可用作在此二维平面上的位置检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间位置检测系统及其检测方法。所述空间位置检测系统，包括含光同步信号空间位置检测系统和无光同步信号空间位置检测系统两种形式；主要由超声发射装置、超声接收装置、数据处理系统、数据传输接口这四个部分组成。其特征在于所述含光同步信号空间位置检测系统，包括含一个或多个超声发射器的超声发射装置、三个或三个以上超声接收器的超声接收装置、光同步信号产生与接收装置、数据处理系统和数据传输接口。
所述无光同步信号空间位置检测系统，包括含一个或多个超声发射器的超声发射装置、四个或四个以上超声接收器的超声接收装置、数据处理系统和数据传输接口。
所述超声发射装置由压力检测装置的触发信号输出端的一路与光同步信号产生装置连接，另一路通过发射控制器与一个或多个超声发射器连接组成。
所述压力检测装置是压力传感器或按压开关或压电膜，用于产生用于触发超声；发射器和光同步信号产生装置的触发信号，同时触发超声发射器发射超声波和光同步信号产生装置产生光同步信号。
所述光同步信号产生装置是红外发射器或光发射器或无线电波发射器。
所述超声接收装置由三个或三个以上超声接收器分别与光同步信号接收装置并联后与数据处理系统和数据传输接口串连；并且所有的超声接收器不在同一条直线上。
所述光同步信号接收装置是红外接收器或光探测器或无线电波接收器。
所述的数据传输接口，用于连接数据处理系统和设备(如电脑、手机、PDA等)，使数据处理系统与设备的操作系统进行数据的传输、交换与控制。
所述空间位置检测方法是数据处理系统利用光同步信号的传输，测量出超声波在介质中传播的渡越时间；或者不用光同步信号的传输，直接测量出超声波从超声发射器到每个超声接收器的传播渡越时间之间的差值，进而确定超声发射器到每个超声接收器的距离，从而计算出超声发射器的三维空间位置；当超声发射装置包含两个或两个以上超声发射器，而且其位置坐标值在某个参照坐标系内是固定可知的，则该系统可检测该发射装置顶端(如笔尖、杆尖、刀尖等)或该发射装置上某一固定点的三维空间位置。该发射装置外壳为杆状刚性固体物质(如笔、杆、刀等)。若只有两个超声发射器，则发射装置顶端(或其上某一固定点)、第一超声发射器、第二超声发射器，此三点成一条直线；若有三个超声发射器，则发射装置顶端(或其上某一固定点)、第一超声发射器、第二超声发射器、第三超声发射器，此四点成一条直线；若有四个超声发射器，则发射装置顶端(或其上某一固定点)、第一超声发射器、第二超声发射器、第三超声发射器、第四超声发射器，此五点成一条直线，或者，发射装置顶端(或其上某一固定点)、第一超声发射器、第二超声发射器，此三点成一条直线，发射装置顶端(或其上某一固定点)、第三超声发射器、第四超声发射器，此三点也成一条直线；依此类推，该超声发射装置除了包括一个或多个超声发射器、光同步信号产生装置、压力检测装置之外，还应包括发射控制器。该发射控制器使第一超声发射器和第二超声发射器交替的产生和传输超声波信号。当有三个或三个以上超声发射器，则该发射控制器使这些超声发射器交替的产生和传输超声波信号。确定超声发射器与第一超声接收器之间的距离；确定超声发射器与第二超声接收器之间的距离；确定超声发射器与第三超声接收器之间的距离，确定超声发射器与第四超声接收器之间的距离，等等，这些超声接收器不在同一条直线上；由此便可计算出超声发射器的三维空间位置。当超声发射装置包含两个或两个以上超声发射器，确定第一超声发射器在此参照坐标系内的三维空间位置；确定第二超声发射器在此参照坐标系内的三维空间位置；由于发射装置顶端(或其上某一固定点)、第一超声发射器、第二超声发射器，此三点在一条直线上，由此可计算出该杆状刚性固体顶端(或其上某一固定点)在此参照坐标系内的三维空间的位置。若超声发射装置包含三个或三个以上超声发射器，如上一段所述，它们两两组合，得出该杆状刚性固体顶端(或其上某一固定点)在此参照坐标系内的三维空间位置的多个数据，将这些数据求平均，便可得出更为精确的数值。
当被测目标被限制在某一固定平面上，则该系统和方法也可用作在此二维平面上的位置检测，如无线电子笔的各种应用等。
本发明的有益效果是利用本系统，只通过简单立体几何的演算就可以检测出物体在三维空间的精确位置，给航空、航天、航海、军事、测绘和医疗方面带来简单快捷的位置确定方法，有广泛的应用前途。
图1为本发明中的超声发射装置的电路方框示意图。
图2为本发明中的超声接收装置、数据处理系统以及数据传输接口的电路方框示意图。
图3为含光同步信号空间位置检测系统的解析几何原理图。
图4为无光同步信号空间位置检测系统的解析几何原理图。
图5为含两个超声发射器的超声发射装置的示意图。
图6为含三个超声发射器的超声发射装置的示意图。
图7为含四个超声发射器的超声发射装置的一种示意图。
图8为含四个超声发射器的超声发射装置的另一种示意图。
具体实施例方式
本发明提供一种空间位置检测系统及其检测方法。所述空间位置检测系统，包括含光同步信号空间位置检测系统和无光同步信号空间位置检测系统两种形式；主要由超声发射装置、超声接收装置、数据处理系统、数据传输接口这四个部分组成。下面结合附图进一步说明本发明的原理和实施例。
图1所示是本发明中的超声发射装置的电路方框示意图，它只示出了电路部分，至于装置的外壳等机械部分并未画出。这部分电路包括压力检测装置101、发射控制器102、超声发射器103和光同步信号产生装置104。
对于只含单个超声发射器的超声发射装置而言，不包括发射控制器102，压力检测装置101触发的信号输出端直接与超声发射器103和光同步信号产生装置104相连，用于触发超声发射器和光同步信号产生装置，同时分别产生并发射超声波和光同步信号；而对于包含两个或两个以上超声发射器的超声发射装置而言，则需要包含发射控制器102，用于控制各个超声发射器交替的产生和传输超声波信号。所述的压力检测装置101是压力传感器或按压开关或压电膜。
图2所示是本发明中的超声接收装置、数据处理系统以及数据传输接口的电路方框示意图。这部分电路包括超声接收器201、光同步信号接收装置202、数据处理系统203、数据传输接口204。
所述的数据处理系统203，可利用光同步信号的传输，测量出超声波在介质中传播的渡越时间，或者可不用光同步信号的传输，直接测量出超声波从超声发射器到每个超声接收器的传播渡越时间之间的差值，进而确定超声发射器到每个超声接收器的距离，从而计算出超声发射器的三维空间位置。所述的数据传输接口204，用于连接所述数据处理系统和设备(如电脑、手机、PDA等)，使数据处理系统与设备的操作系统进行数据的传输、交换与控制。
在图1和图2当中，所谓的光同步信号产生装置104指的是红外发射器或光发射器或无线电波发射器，光同步信号接收装置202指的是红外接收器或光探测器或无线电波接收器。对于含光同步信号的空间位置检测系统而言，则包含光同步信号产生装置104和光同步信号接收装置202，利用光同步信号的传输测量出超声波在介质中传播的渡越时间，进而确定超声发射器到每个超声接收器的距离；而对于无光同步信号的空间位置检测系统而言，则不包含光同步信号产生装置104和光同步信号接收装置202，直接由数据处理系统测量出每个超声接收器的接收到超声波信号的时间之间的差值，从而计算出超声发射器的三维空间位置，但它要比含光同步信号的空间位置检测系统多耗费一个超声接收器。
图3所示是一个含光同步信号的空间位置检测系统的解析几何原理图。其中，主要的器件除了光同步信号产生和接收装置之外，还包括三个或三个以上超声接收器301、302、303和一个超声发射器304。其中，这三个或三个以上超声接收器不能在同一条直线上，而且其位置坐标值在某个参照坐标系内是固定可知的，分别是R1(x1，y1，z1)、R2(x2，y2，z2)、R3(x3，y3，z3)。定义从光同步信号接收装置接收到信号开始，到第一超声接收器301、第二超声接收器302、第三超声接收器303分别接收到超声波信号的时间，它们分别是t1、t2、t3，超声波在媒介中传播的速度为v。由此可以得到以下的联立方程组(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=D12=(v·t1)2(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=D22=(v·t2)2(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2=D32=(v·t3)2---(1)]]>解这个三元二次方程组(1)可以得到x、y、z的两组关于平面R1R2R3对称的根，可以根据被检测区域的实际位置，选取一组有意义的根，作为标的物，即超声发射器304所在位置T点的坐标值，从而实现了三维空间位置检测的功能。
图4所示是一个无光同步信号的空间位置检测系统的解析几何原理图。该系统中并不包含光同步信号产生和接收装置，但要包括四个或四个以上超声接收器401、402、403、404和一个超声发射器405。其中，这四个或四个以上超声接收器不能在同一条直线上，而且其位置坐标值在某个参照坐标系内是固定可知的，分别是R1(x1，y1，z1)、R2(x2，y2，z2)、R3(x3，y3，z3)、R4(x4，y4，z4)。定义从超声发射器405到第一超声接收器401、第二超声接收器402、第三超声接收器403、第四超声接收器404，超声波信号的渡越时间分别是t1、t2、t3、t4，超声波在媒介中传播的速度为v。Δt12、Δt13、Δt14分别是第二超声接收器402、第三超声接收器403、第四超声接收器404接收到超声波信号与第一超声接收器401接收到超声波信号的时间差，可由数据处理系统203测量计算得出。由此可以得到以下的联立方程组(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=D12=(v·t1)2(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=D22=(v·t2)2(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2=D32=(v·t3)2(x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2=D32=(v·t4)2t2-t1=Δt12t3-t1=Δt13t4-t1=Δt14---(2)]]>解这个七元二次方程组(2)可以得到t1、t2、t3、t4的值，以及x、y、z的两组根，可以根据被检测区域的实际位置，选取一组有意义的根(x，y，z)，作为标的物，即超声发射器304所在位置T点的坐标值，从而实现了三维空间位置检测的功能。
下面来分析一下超声发射装置中含有多个超声发射器，用来检测该发射装置顶端(如笔尖、杆尖、刀尖等)或该发射装置上某一固定点的三维空间位置的原理。
如图5所示是含两个超声发射器的超声发射装置的示意图。该超声发射装置主要包括杆状刚性固体外壳501、第一超声发射器502、第二超声发射器503、压力检测装置506，另外还包括发射控制器(图中未画出)，如果是含光同步信号的空间位置检测系统，则该发射装置还应包括光同步信号产生装置505。点T(x，y，z)的位置504便是我们需要测量的具体点的位置。T点到T1点的距离为L1，T1点到T2点的距离为L2，这些距离都是固定可知的，而且T、T1、T2三点在一条直线上。发射控制器使第一超声发射器和第二超声发射器交替的产生和传输超声波信号。由上述图3或图4的方法可以检测出第一超声发射器502和第二超声发射器503的三维空间位置坐标T1(x1，y1，z1)和T2(x2，y2，z2)。则有方程x-x1x1-x2=y-y1y1-y2=z-z1z1-z2=L1L2---(3)]]>由该方程(3)便可计算得出点T(x，y，z)的准确位置。
如图6所示是含三个超声发射器的超声发射装置的示意图。该超声发射装置主要包括杆状刚性固体外壳601、第一超声发射器602、第二超声发射器603、第三超声发射器604、压力检测装置607，另外还包括发射控制器(图中未画出)，如果是含光同步信号的空间位置检测系统，则该发射装置还应包括光同步信号产生装置606。点T(x，y，z)的位置605便是我们需要测量的具体点的位置。T点到T1点的距离为L1，T1点到T2点的距离为L2，T2点到T3点的距离为L3，这些距离都是固定可知的，而且T、T1、T2、T3四点在一条直线上。发射控制器使第一超声发射器、第二超声发射器和第三超声发射器交替的产生和传输超声波信号。由上述图3或图4的方法可以检测出第一超声发射器602、第二超声发射器603、第三超声发射器604的三维空间位置坐标T1(x1，y1，z1)、T2(x2，y2，z2)、T3(x3，y3，z3)。将这三个点两两组合后，利用方程(3)可得出三个T点坐标的三个值T’(x’，y’，z’)、T”(x”，y”，z”)、T(x，y，z)，将这三个值取平均之后，便可得出T(x，y，z)点较为精确的三维空间位置坐标。
如图7所示是含四个超声发射器的超声发射装置的一种示意图。该超声发射装置主要包括杆状刚性固体外壳701、第一超声发射器702、第二超声发射器703、第三超声发射器704、第四超声发射器705、压力检测装置708，另外还包括发射控制器(图中未画出)，如果是含光同步信号的空间位置检测系统，则该发射装置还应包括光同步信号产生装置707。点T(x，y，z)的位置706便是我们需要测量的具体点的位置。T点到T1点的距离为L1，T1点到T2点的距离为L2，T2点到T3点的距离为L3，T3点到T4点的距离为L4，这些距离都是固定可知的，而且T、T1、T2、T3、T4五点在一条直线上。发射控制器使第一超声发射器、第二超声发射器、第三超声发射器和第四超声发射器交替的产生和传输超声波信号。由上述图3或图4的方法可以检测出第一超声发射器702、第二超声发射器703、第三超声发射器704、第四超声发射器705的三维空间位置坐标T1(x1，y1，z1)、T2(x2，y2，z2)、T3(x3，y3，z3)、T4(x4，y4，z4)。将这四个点两两组合后，利用方程(3)可得出T点坐标的六个值，将这六个值取平均之后，便可得出T(x，y，z)点更为精确的三维空间位置坐标。
如图8所示是含四个超声发射器的超声发射装置的另一种示意图。该超声发射装置主要包括杆状刚性固体外壳801、第一超声发射器802、第二超声发射器803、第三超声发射器804、第四超声发射器805、压力检测装置808，另外还包括发射控制器(图中未画出)，如果是含光同步信号的空间位置检测系统，则该发射装置还应包括光同步信号产生装置807。点T(x，y，z)的位置806便是我们需要测量的具体点的位置。T点到T1点的距离为L1，T1点到T2点的距离为L2，T点到T3点的距离为L3，T3点到T4点的距离为L4，这些距离都是固定可知的，而且T、T1、T2三点在一条直线上，T、T3、T4三点在一条直线上。发射控制器使第一超声发射器、第二超声发射器、第三超声发射器和第四超声发射器交替的产生和传输超声波信号。由上述图3或图4的方法可以检测出第一超声发射器802、第二超声发射器803、第三超声发射器804、第四超声发射器805的三维空间位置坐标T1(x1，y1，z1)、T2(x2，y2，z2)、T3(x3，y3，z3)、T4(x4，y4，z4)。将T1点和T2点组合、T3点和T4点组合，利用方程(3)可得出T点坐标的两个值T’(x’，y’，z’)和T”(x”，y”，z”)，将这两个值取平均之后，便可得出T(x，y，z)点较为精确的三维空间位置坐标。
当超声发射装置包含四个以上超声发射器时，可按照上述思路进行超声发射器的不同排列，以求获得更好的三维空间位置坐标的精度。
若被测目标被限制在某一固定平面上，则该系统和方法也可用作在此二维平面上的位置检测，如无线电子笔的各种应用等。
权利要求
1.一种空间位置检测系统，所述空间位置检测系统，包括含光同步信号空间位置检测系统和无光同步信号空间位置检测系统两种形式，其特征在于所述空间位置检测系统由超声发射装置、超声接收装置、光同步信号装置、数据处理系统和数据传输接口分别按照发射与接收两部分连接组成，其中发射部分没有数据处理系统和数据传输接口；所述含光同步信号空间位置检测系统包括含一个或多个超声发射器的超声发射装置、三个或三个以上超声接收器的超声接收装置、光同步信号产生与接收装置、数据处理系统和数据传输接口；所述无光同步信号空间位置检测系统包括含一个或多个超声发射器的超声发射装置、四个或四个以上超声接收器的超声接收装置、数据处理系统和数据传输接口。
2.根据权利要求1所述空间位置检测系统，其特征在于所述超声发射装置由压力检测装置的触发信号输出端的一路与光同步信号产生装置连接，另一路通过发射控制器与一个或多个超声发射器连接组成。
3.根据权利要求1所述空间位置检测系统，其特征在于所述超声接收装置由三个或三个以上超声接收器分别与光同步信号接收装置并联后与数据处理系统和数据传输接口串连；
4.根据权利要求1或3所述空间位置检测系统，其特征在于所述的三个或三个以上超声接收器，它们不能在同一条直线上，而且其位置坐标值在某个参照坐标系内是固定可知的。
5.根据权利要求1或2所述空间位置检测系统，其特征在于所述压力检测装置为压力传感器或按压开关或压电膜，用于产生触发超声发射器和光同步信号产生装置的触发信号，同时触发超声发射器发射超声波和光同步信号产生装置产生光同步信号。
6.根据权利要求1或2所述空间位置检测系统，其特征在于所述光同步信号产生装置是红外发射器或光发射器或无线电波发射器。
7.根据权利要求1或3所述空间位置检测系统，其特征在于所述光同步信号接收装置是红外接收器或光探测器或无线电波接收器。
8.根据权利要求1所述空间位置检测系统，其特征在于所述的数据传输接口，用于连接数据处理系统和电脑、手机或PDA，使数据处理系统与电脑、手机或PDA的操作系统进行数据的传输、交换与控制。
9.根据权利要求1和2所述空间位置检测系统，其特征在于所述超声发射装置外壳为笔、杆、刀等杆状刚性固体物。
10.一种利用权利要求1所述空间位置检测系统的检测方法，其特征在于所述空间位置检测方法是数据处理系统利用光同步信号的传输，测量出超声波在介质中传播的渡越时间；或者不用光同步信号的传输，直接测量出超声波从超声发射器到每个超声接收器的传播渡越时间之间的差值，进而确定超声发射器到每个超声接收器的距离，从而计算出超声发射器的三维空间位置。
11.根据权利要求10所述空间位置检测系统的检测方法，其特征在于所述超声发射装置具有两个或两个以上超声发射器时，与其连接的发射控制器使这些超声发射器交替的产生和传输超声波信号，则经过简单立体几何的演算，该系统即可检测该发射装置顶端或该发射装置上某一固定点的三维空间位置。
12.根据权利要求10所述空间位置检测系统的检测方法，其特征在于所述物体顶端或者物体上其它某一固定点被限制在某一固定平面上，则该系统检测此二维平面上的物体顶端或者物体上其它某一固定点的位置。
全文摘要
本发明公开了属于超声传感技术领域的一种空间位置检测系统及其检测方法。该空间位置检测系统，由超声发射装置、超声接收装置、光同步信号装置、数据处理系统和数据传输接口这几部分组成。主要应用于物体相对于某个参照坐标系的三维或二维平面上空间位置的检测。其数据处理系统利用光同步信号的传输，测量出超声波在介质中传播的渡越时间，或者可不用光同步信号的传输，直接测量出超声波从超声发射器到每个超声接收器的传播渡越时间之间的差值，进而确定超声发射器到每个超声接收器的距离，经过简单立体几何的演算，就能计算出超声发射器或发射装置顶端的三维空间位置，给航空航天、军事、医疗方面带来简单快捷的位置确定方法，有广泛的应用前途。
文档编号G01S5/00GK1719277SQ200510085529
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月26日 优先权日2005年7月26日
发明者任天令, 朱一平, 伍晓明, 杨轶, 刘理天 申请人:清华大学