一种基于超声波的智能车自动定位系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声波二维定位装置及方法，包括：可移动的超声波发射部分通过单片机控制，超声波模块采用温度补偿；固定的超声波接收部分对信号进行两级放大，经比较器输出至单片机端口；定位算法利用接收头收到超声信号的顺序及相互时间差信号计算小车二维空间坐标；软件监测部分采用多线程串口通讯，搭建MDI界面用于实时监测。该定位系统不仅能够对物体进行有效定位，同时可对其实时监测，在保证较高定位精度的同时降低了定位系统设计成本。
【专利说明】一种基于超声波的智能车自动定位系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动设备定位【技术领域】，具体涉及一种超声波二维定位系统及方法， 使用该系统其定位精度较高且系统更简化，同时具备实时监测功能。
[0002]
【背景技术】
[0003] 超声波与其他声波相比传输的方向性更好，穿透能力更强。超声波测距技术无需 与测距物体接触，即可方便地测量距离。超声波在速度距离的测量，金属探伤，厨具清洁等 很多行业具有特定功能。
[0004] 超声波传感器是目前传感器技术中应用最为普及的传感器之一，短距离的超声波 测距系统已经在实际中有所应用，测距精度为厘米级。
[0005] 目前，公知的超声波二维定位装置包括两种形式：一种在三面有墙壁的场所，利用 装载在定位物体的反射式测距系统测得到三面墙的距离，这种方案在实际应用中受到多种 限制。另一种应用比较普遍的方案是将超声波接收探头固定不动，将超声波发射探头安装 在待定位的移动物体上（反之亦可)，用单片机测量发射探头到接收探头之间超声波的传播 时间，再利用公式计算传播距离，最终确定待测物体与固定探头之间的相对二维位置关系。 传统的超声波定位系统需要在主体部分中设置无线电地址编码发射电路和无线电地址编 码触发电路，以实现对超声波传播时间进行记录，通过编码电路提供时间基准将信号同步， 这种系统结构比较复杂。
[0006]
【发明内容】
[0007] 为了优化传统超声波定位中采用统一时间基准的系统结构，本发明的目的在于提 供一种超声波二维定位装置，该装置从硬件电路和计算方法两方面对定位系统结构进行优 化，保证定位精度的同时降低了设计成本；同时对定位系统进行动态监视，能够对待定位物 体进行实时跟踪监测。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 本发明提供了一种基于超声波的智能车自动定位系统，包括超声发射单元、超声接收 单元以及控制计算单元，所述超声波发射单元安装在智能车上，所述超声接收单元分别安 装在三个定点上，所述超声发射单元与超声接收单元分别与控制计算单元相连。
[0009] 本发明还提供一种基于超声波的智能车自动定位方法，采用所述的自动定位系 统，所述方法包括以下步骤： 1)信号检测步骤：发射头周期性地向上发射超声信号，单片机则不断地查询端口是否 有跳变信号；接收头所在a、b、c三点任一点最先接收到超声信号后，该信号经过放大比较， 送到单片机对应端口；单片机查询到三个端口中的任意一个有跳变信号时，记录下该端口 号，打开两个定时器，并屏蔽该端口号，然后继续查询另外两个端口； 2) 信号记录步骤：a、b、c三点中第二点接收到超声信号后，同样把信号传到单片机端 口，单片机查询到第二个端口的跳变信号时，记录下该端口号，同时关闭定时器一，并保存 超声波到达前两点的时间差Λ h，然后再屏蔽该端口号，继续查询最后一个端口；同样，接 收到最后一个跳变信号后，关闭定时器二，记录第三点与第一点收到的时间差Λ h ;由此获 得三个点接收到超声波的顺序及两个时间差Λ h，Λ h ; 3) 信号计算步骤：单片机将超声波接收顺序和两个时间差这三个量由RS232总线发 送到PC机的串口，PC机收到这三个量，代入已知方程，并求解一个二元二次方程，便可计算 出动点m当前时刻在坐标系的位置。
[0010] 本发明的有益效果是：该定位系统不仅能够对物体进行有效定位，同时可对其实 时监测，在保证较高定位精度的同时降低了定位系统设计成本。
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【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的定位系统设计原理图； 图2为本发明的定位系统结构示意图； 图3为本发明的逐渐逼近算法验证效果图； 图4为本发明的超声波发射部分硬件电路结构图； 图5为本发明的超声波发射头示意图； 图6为本发明的超声波接收部分硬件电路结构图； 图7为本发明的串行通信软件流程图； 图8为本发明的监测软件主程序框图； 图9为本发明的监测软件运行示意图。
[0013]
【具体实施方式】
[0014] 本发明设计了基于超声波的智能车定位系统，系统设计原理图及系统结构示意图 分别如图1、图2所示。具体结构如图2,在底面的智能车m上安放一个超声发射头，房间顶 面的三个定点a、b、c上安放三个超声接收头，a、b、c三点连成的三角形为等边三角形；接 收头经过放大比较电路连接到单片机的I/O端口。
[0015] 在实验过程中，点m周期性地向上发射超声信号，单片机则不断地查询端口是否 有跳变信号。a、b、c三点任一点最先接收到超声信号后，该信号经过放大，比较，送到51 单片机对应端口 P1. 5, P1. 6和P1. 7 ;单片机查询到三个端口中的任意一个有跳变信号时， 记录下该端口号，打开TimO, Timl两个定时器，并屏蔽该端口号，然后继续查询另外两个端 口。a、b、c三点中第二点接收到超声信号后，同样把信号传到单片机端口，单片机查询到第 二个端口的跳变信号时，记录下该端口号，同时关闭定时器TimO,并保存超声波到达前两点 的时间差Λ h，然后再屏蔽该端口号，继续查询最后一个端口。同样，接收到最后一个跳变 信号后，关闭定时器Timl，记录第三点与第一点收到的时间差Λ A。这样，我们就知道了三 个点接收到超声波的顺序及两个时间差Λ、，Λ h。单片机将这三个量(顺序和两个时间 差）由RS232总线发送到PC机的串口，PC机收到这三个量，代入已知方程，并求解一个二元 二次方程，便可计算出动点m当前时刻在坐标系的位置。
[0016] 具体计算过程如下描述： 如图2所示，设a、b、c三点构成的等边三角形边长为6a,三角形的中心点作为坐标的 原点，动点在接收平面的映射坐标为（x，y)，动点与接收平面的垂直距离为h，超声波传播 速度为V，动点到三个接收点的超声波传播时间分别为Ta、Tb、Tc，可以得到发送点到三点 的距离分别为：
【权利要求】
1. 一种基于超声波的智能车自动定位系统，所述系统包括超声发射单元、超声接收单 元以及控制计算单元，其特征在于，所述超声波发射单元安装在智能车上，所述超声接收单 元分别安装在三个定点上，所述超声发射单元与超声接收单元分别与控制计算单元相连。
2. 根据权利要求1所述的自动定位系统，其特征在于，所述超声波发射单元包括超声 波发射头，所述超声接收单元包括超声波接收头，所述控制计算单元为单片机，所述超声波 发射单元通过单片机的控制，完成周期性的超声信号的发射。
3. 根据权利要求2所述的自动定位系统，其特征在于，所述单片机包括多个I/O端口， 两个定时器及串口。
4. 根据权利要求3所述的自动定位系统，其特征在于，采用MAX232芯片增大超声波发 射单元的电路驱动能力，MAX232芯片的10, 11引脚接收到单片机40kHz的脉冲信号后，将 其放大为正负IOV的驱动电压，再通过7, 14引脚送给超声波发射头，带动超声发射头的压 电晶片起振，以发出超声信号。
5. 根据权利要求3所述的自动定位系统，其特征在于，所述超声波接收单元对接收的 超声信号进行两级放大，并将放大的信号经比较器输出至单片机的端口。
6. -种基于超声波的智能车自动定位方法，米用权利要求1-5之一所述的自动定位系 统，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 1) 信号检测步骤：发射头周期性地向上发射超声信号，单片机则不断地查询端口是否 有跳变信号；接收头所在a、b、c三点任一点最先接收到超声信号后，该信号经过放大比较， 送到单片机对应端口；单片机查询到三个端口中的任意一个有跳变信号时，记录下该端口 号，打开两个定时器，并屏蔽该端口号，然后继续查询另外两个端口； 2) 信号记录步骤：a、b、c三点中第二点接收到超声信号后，同样把信号传到单片机端 口，单片机查询到第二个端口的跳变信号时，记录下该端口号，同时关闭定时器一，并保存 超声波到达前两点的时间差Ah，然后再屏蔽该端口号，继续查询最后一个端口；同样，接 收到最后一个跳变信号后，关闭定时器二，记录第三点与第一点收到的时间差Ah;由此获 得三个点接收到超声波的顺序及两个时间差A、，Ah; 3) 信号计算步骤：单片机将超声波接收顺序和两个时间差这三个量由RS232总线发 送到PC机的串口，PC机收到这三个量，代入已知方程，并求解一个二元二次方程，便可计算 出动点m当前时刻在坐标系的位置。
7. 根据权利要求6所述的自动定位方法，其特征在于，在所述步骤3)中具体的算法 为： 设a、b、c三点构成的等边三角形边长为6a,三角形的中心点作为坐标的原点，动点m在接收平面的映射坐标为Cr, _7)，动点与接收平面的垂直距离为I超声波传播速度为^动 点到三个接收点的超声波传播时间分别为7?、/&、7b，代入二元二次方程组：
通过求解此方程组即可计算出X和y的值，得到动点m的二维定位信息。
8. 根据权利要求7所述的自动定位方法，其特征在于，采取温度补偿的方法，在不同的 温度使用不同的超声波速h
9.根据权利要求7所述的自动定位方法，其特征在于，所述方法还包括监测步骤，具体 包括载入地图、设置中心坐标、设置发射点与接收点坐标、读取环境温度、添加网格、局部缩 放等。
【文档编号】G01S5/06GK104267376SQ201410505728
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】杨婷婷, 王耀函, 吕游 申请人:华北电力大学