专利名称：一种利用超声波进行三维定位的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维定位技术领域，尤其涉及一种利用超声波进行三维定位的方法及系统。
背景技术：
随着物流以及人员管理应用的井喷式发展，出现了各种各样的人员或物品跟踪管理定位技术。定位技术为人员权限管理、禁止区域授权管理、进出入管理等人员身份识别应用提供了极大的方便。同时为各种物品跟踪、室内导航等应用提供了确切的技术途径。目前市场上较常见的定位技术采用2. 4GHz无线定位技术，在这其中分为能量检测和时间到达估计两个大类。该两类产品都具有明显的限制，如成本高、室内环境应用误差大以及能耗高等。Takahiro Mishima等在会议(Conference on Cybernetics and Intelligent System)上公开了基于大范围射频识别感知的移动系统(Toward Construction of a Mobile System with Long-range RFID Sensors ；),提出了全方位定位的构想，但该系统也存在上述问题。微软公司研制的RADAR采用了基于能量检测的方法， 由于针对使用环境数学建模较复杂，导致容易丢失信号，成本高，误差大。CN1595348A公开了一种遥控无线定位电子白板系统，包括笔划感应器、信号笔、板擦、和普通书写白板，还包括遥控器，该遥控器可采用通用的无线电遥控器，至少应具有四个按健，具有将遥控信息发送出去的调制模块和天线。信号笔机械结构较为复杂，能耗高， 不能依靠电池长时间工作。CN101029931A公开了一种超声波定位装置和定位方法，它包括可发射超声波的信号笔、超声波接收模块、主处理模块，当信号笔位于书写平面上时，通过轻触开关控制信号笔的超声波发射模块发射周期性的超声波脉冲信号；设置在定位范围内的至少四个超声波接收模块分别接收超声波信号，并分别放大输出至主处理模块；主处理模块的自动增益电路将各个接收方向上的超声波信号放大，并通过脉冲转换电路转换成脉冲信号；信号选通电路可选择输入各方向的脉冲信号，主处理模块的微处理器依据该各方向上接收超声波的时间和超声波的波速，计算出坐标点值，实现定位。该定位系统能够覆盖的范围过小，无法实现大范围的定位和追踪过程，由于超声波笔一直处于发射状态，同样导致功率过大，无法依靠电池连续工作。
发明内容
本发明提供了一种利用超声波进行三维定位的方法，解决了现有定位系统由于超声波发射模块设置在被测物上导致无法长时间连续工作的问题。—种利用超声波进行三维定位的方法，包括在同一区域周期性同时发出至少三路频率互异的超声波信号，超声波信号的发射点固定且不共线；被测物所在点接收所有超声波信号，测算每路超声波信号从各自的发射点传播到被测物所在点的时间，联合超声波传播速率，求解得到被测物所在点的空间位置。
如当只发出三路超声波信号时，因为超声波信号的发射点是固定的，因此在三维空间坐标系中，它们的坐标是已知，分别为P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (X2, y2, Z2)，P3 (X3，Y3, Z3)，而超声波的传播速率K也是已知的，如果设被测物的坐标为P (X，y，ζ)，则通过如下方程可以计算得到被测物的坐标。(xrx)2+ (yi-y)2+ (Z1-Z)2 = K2、2(x2-x) 2+ (y2-y) 2+ (z2-z) 2 = K2t22
(x3-x) 2+ (y3-y) 2+ (z3"z) 2 = Kh32其中tl，t2，t3为三路超声波信号从各自发射点传播到被测物所在点的时间。由于现有定位系统，它所采用的超声波信号频率一般为40KHZ，方向性较强，而且发射源固定在被测物上，导致系统需要在周围布置多个接收器，而且体积较大，功耗很高， 导致它不能连续长时间工作，本发明超声波信号频率采用16 24KHz，覆盖范围广，而且功耗低。优选的，每个周期内超声波信号发射持续为1 2ms，间隔周期为5 10ms。本发明还提供了一种利用超声波进行三维定位的系统，包括发射端和固定在被测物上的接收端，所述的发射端包括超声波发射模块，包括至少三个不共线的超声波信号发射点，所有超声波发射点周期性同时发出频率互异的超声波信号；第一无线收发模块，在超声波发射模块发出超声波信号的同时，发出计时射频信号；第一处理器，控制超声波发生模块和第一无线收发模块协同工作；所述的接收端包括超声波接收模块，接收超声波发射模块发送的超声波信号；第二无线收发模块，接收计时射频信号，输出至第二处理器；第二处理器，对从各自发射点传播到超声波接收模块的每路超声波信号进行计时；每路超声波信号从各自发射点传播到超声波接收模块的时间依次通过第二无线收发模块和第一无线收发模块上传到第一处理器，第一处理器联合超声波信号的传播速率计算被测物的空间位置。优选的，上述系统包括连接第一处理的温度传感器和湿度传感器，可以根据环境的实际温度和湿度对超声波信号传播速率进行补偿。与现有技术相比，本发明优点体现在本发明改变了传统的超声波发射器和超声波接收器的位置，采用被测物体接收超声 波信号的方式，大幅度的减小了被测物体上附着装置的体积，降低了对能量的消耗，在不更换电池的状况下可以大大延长系统使用寿命。本发明采用三种以上频率的超声波同时发射，使得定位过程大大加快，降低了系统的通信碰撞概率，使得系统更加健壮。本发明采用2. 4GHz电磁波信号作为同步计时信号，使得系统避免了传统的使用红外光信号进行同步带来的一系列问题，扩展了系统的应用范围以及定位区域的范围。
图1为本发明三维定位系统的结构示意图；图2为图1所示系统第一处理器的结构示意图。图3为图1所示系统中超声波发射模块结构示意图；图4为图1所示系统中超声波接收模块的结构示意图；图5为本发明正弦信号电路的结构示意图；图6为本发明无线收发模块的结构示意图；图7为系统分析时各测试点的坐标示意图；图8为系统分析利用matlab计算得到的定位误差分布图。
具体实施例方式如图1所示，一种利用超声波的三维定位系统，包括发射端1和接收端2，使用时接收端固定在被测物上。发射端由第一处理器11、第一无线收发模块12和超声波发射模块 13组成，接收端2由第二处理器21、第二无线收发模块22和超声波接收模块23组成。如图2所示，第一处理器11采用32位的ARM处理器(Tl公司的LM3S6611)，它两个输入管脚连接温度传感器111和湿度传感器112，一个输出管脚连接第一无线收发模块 12，其余三个输出管脚连接超声波发射模块13。如图3所示，超声波发射模块包括三路发射超声波信号的电路，分别与第一处理器11的三个输出管脚连接。每路电路由正弦信号电路131、信号功率放大电路132和超声波换能器133组成，三路正弦信号电路产生频率分别为18KHz、20KHz和22KHz的正弦信号， 最终超声波发射模块发出相应频率的超声波信号，三个超声波换能器不共线。正弦信号电路采用如图5所示的文氏振荡电路，它以运算放大器Ql (ADI公司的 0P27)为核心，将电容C1、C2和电阻R3、R4组成的阻容网络跨接在运算放大器Ql输出端和反向输入端从而形成反馈回路，这是振荡的关键部分。电阻Rl、R2组成分压网络跨接在运算放大器Ql的输出端和正向输入端，调节输出电压值。如图4所示，超声波接收模块22由超声波换能器221、三个无源电感电容带通滤波器222、223、224以及三个多重反馈带通滤波器225、226、227组成。超声波换能器将接收到超声波信号转换为电信号，三个无源电感电容滤波器222、223、224分别对18KHz、20KHz和 22KHz的电信号进行滤波处理，输出分别耦合入多重反馈带通滤波器225、226、227后接到第二处理器的通用管脚上。第二处理器可以采用TI公司的单片机MSP430F2012无线收发模块包括接收天线602、发射天线603以及无线芯片601 (Nordic公司的 nRF24L01+)。它可以发射出2. 4GHz的无线信号，它在空气中传播速率为光速3X 108m/s，而超声波在室温空气下的传播速率为340m/s。在有限的距离内，相对于超声波的传播时间，电磁波的传播时间可以忽略。上述系统的工作过程如下接收端安装在被测物上，第一处理器11使用定时器产生周期性定时中断，每个周期5ms，中断到来时，第一处理器11控制第一无线收发模块12发出2. 4GHz的无线信号，同时触发三路正弦信号电路产生频率为18KHz、20KHz和22KHz的正弦信号，经功率放大电路放大后激发换能器产生超声波信号。超声波换能器连续发出Ims超声波信号后，停止发送， 等待定时器再次产生定时中断。第二无线收发模块22接收到2. 4GHz的无线信号后，输出至第二处理器21，第二处理器开始计时，同时超声波接收模块23开始接收超声波信号。第二处理器将输入的模拟信号转换为数字信号，当到来信号超过0. 5倍电源电压时认为有超声波信号到来，记录三路超声波信号达到的时间，分别为t1; t2，t3。由于无线信号的传播速率为光速，相对于超声波的传播时间，它的传播时间可以忽略不计。假如超声波发射模块中三个超声波换能器在三维空间中的坐标为P1 (Xl，Y1, Z1)， P2 (x2, y2，Z2)，P3 (x3, y3，z3)，超声波的传播速率为K，K为根据环境实际温度和湿度经过矫正的，实际温度和湿度通过温度传感器和湿度传感器测量得到，公式如下
权利要求
1.一种利用超声波进行三维定位的方法，包括在同一区域周期性同时发出至少三路频率互异的超声波信号，超声波信号的发射点固定且不共线；被测物所在点接收所有超声波信号，测算每路超声波信号从各自的发射点传播到被测物所在点的时间，联合超声波传播速率，求解得到被测物所在点的空间位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的超声波信号频率为16 MKHz。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个周期内超声波信号发射持续为1 ans，间隔周期为5 10ms。
4.一种利用超声波进行三维定位的系统，包括发射端和固定在被测物上的接收端，其特征在于，所述的发射端包括超声波发射模块，包括至少三个不共线的超声波信号发射点，所有超声波发射点周期性同时发出频率互异的超声波信号；第一无线收发模块，在超声波发射模块发出超声波信号的同时，发出计时射频信号；第一处理器，控制超声波发生模块和第一无线收发模块协同工作；所述的接收端包括超声波接收模块，接收超声波发射模块发送的超声波信号；第二无线收发模块，接收计时射频信号，输出至第二处理器；第二处理器，对从各自发射点传播到超声波接收模块的每路超声波信号进行计时；每路超声波信号从各自发射点传播到超声波接收模块的时间依次通过第二无线收发模块和第一无线收发模块上传到第一处理器，第一处理器联合超声波信号的传播速率计算被测物的空间位置。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，包括连接第一处理的温度传感器和湿度传感器。
全文摘要
本发明公开了一种利用超声波进行三维定位的方法及系统，该方法包括在同一区域周期性同时发出至少三路频率互异的超声波信号，超声波信号的发射点固定且不共线；被测物所在点接收所有超声波信号，测算每路超声波信号从各自的发射点传播到被测物所在点的时间，联合超声波传播速率，求解得到被测物所在点的空间位置。本发明改变了传统的超声波发射器和超声波接收器的位置，采用被测物体接收超声波信号的方式，大幅度的减小了被测物体上附着装置的体积，降低了对能量的消耗，在不更换电池的状况下可以大大延长系统使用寿命。
文档编号G01S15/06GK102156285SQ201110062928
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者付涛, 任阳, 吴正珏 申请人:杭州华韵天略电子科技有限公司