一种全象限超声波定位测距的方法及系统与流程

本发明涉及超声波技术领域，特别是涉及一种全象限超声波定位测距的方法及系统。

背景技术：

超声波测距系统原理简单，易于实现，成本低廉，因而已经在生产生活中得到广泛的应用。典型的应用有超声波物(料)位测量、障碍物距离测量、河床深度测量、倒车雷达、等等，都已经有了成熟的产品。其原理都是通过主动发射脉冲超声波，再检测回波信号的返回时间，通过计算后得到目标的距离。

在基于超声波测距的基础上，如何利用超声波进行测距的同时定位目标，从而达到目标跟随的目的，具有重要意义。比如可以用于行李箱定位跟随主人、无人自拍机定位跟随目标等等。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是如何利用超声波实现定位跟随。

有鉴于此，本发明实施例提供一种全象限超声波定位测距的方法及系统，通过目标物和跟随物上分别设置超声波接收器和发送器，利用超声波的传输实现定位跟踪。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面，提供一种全象限超声波定位测距的方法，所述方法包括：

根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，计算得到所述多个超声波接收器与所述目标物的距离；

根据所述多个超声波接收器与所述目标物的距离，确定所述跟随物与所述目标物之间的距离；

获取所述目标物相对于所述跟随物的方位；

根据所述跟随物与所述目标物之间的距离、以及所述目标物相对于所述跟随物的方位，控制所述跟随物移动以跟随所述目标物。

其中，述获取所述目标物相对于所述跟随物的方位包括：通过预设的系统参数中获取所述目标物相对于所述跟随物的方位，或通过跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，计算得到所述目标物相对于所述跟随物的方位。

其中，当通过预设的系统参数中获取所述目标物相对于所述跟随物的方法时，所述多个超声波接收器为至少2个；当通过跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，计算得到所述目标物相对于所述跟随物的方位时，所述多个超声波接收器为至少4个，且其中任意3个超声波接收器不在同一条直线上。

其中，所述通过跟随物上的多个超声波接收器分别接收来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，计算得到所述目标物相对于所述跟随物的方位包括：

根据至少4个超声波接收器中的任意2个超声波接收器接收的超声波，确定所述跟随物与所述目标物的距离；

结合利用所述任意2个超声波接收器、第3个以及第4个超声波接收器接收的超声波，确定所述目标物所处的水平方向的象限以及所述目标物所处的垂直方向的象限；

结合所述目标物所处的水平方向的象限、垂直方向的象限，确定所述目标物相对于所述跟随物的方位。

其中，所述任意2个超声波接收器与所述第3个超声波接收器或第4个超声波接收器所在的第一平面、与所述跟随物和所述目标物所在的第二平面重合或平行。

其中，根据所述任意2个超声波接收器、第3个和第4个超声波接收器之外的其他超声波接收器的超声波，计算得到不同的所述目标物的坐标，以用于辅助校正所述目标物的坐标。

其中，所述根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，计算得到所述多个超声波接收器与所述目标物的距离包括：

根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发送的超声波，确定所述超声波的传输时间；

检测当前环境的温度和气压，根据所述温度和气压确定所述当前环境下的超声波传播速度；

结合所述传输时间和所述当前环境下的超声波传播速度，计算得到所述多个超声波接收器与所述目标物的距离。

其中，采用无线电信号的方式保持所述超声波接收器以及所述超声波全向发射器的时间同步。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第二方面，提供一种全象限超声波定位测距的系统，所述系统包括处理模块、获取模块以及控制模块，其中：

所述处理模块用于根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，计算得到所述多个超声波接收器与所述目标物的距离；

所述处理模块用于根据所述多个超声波接收器与所述目标物的距离，确定所述跟随物与所述目标物之间的距离；

所述获取模块用于获取所述目标物相对于所述跟随物的方位；

所述控制模块用于根据所述跟随物与所述目标物之间的距离、以及所述目标物相对于所述跟随物的方位，控制所述跟随物移动以跟随所述目标物。

其中，所述处理模块包括确定单元、检测单元以及计算单元，其中：

确定单元用于根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发送的超声波，确定所述超声波的传输时间；

所述检测单元用于检测当前环境的温度和气压；

所述确定单元进一步根据所述温度和气压确定所述当前环境下的超声波传播速度；

所述计算单元用于结合所述传输时间和所述当前环境下的超声波传播速度，计算得到所述多个超声波接收器与所述目标物的距离。

本发明提供的技术方案与现有技术相比存在的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过跟随物上设置多个超声波接收器构成接收阵列，通过超声波接收阵列接收来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，根据接收的超声波确定跟随物与目标物之间的距离，并通过进一步获取目标物相对于跟随物的方位，从而根据跟随物与目标物之间的距离、目标物相对于跟随物的方位，控制跟随物移动以跟随目标物。通过这样的方式，能够利用跟随物和目标物上的超声波收发器，实现超声波目标物的定位，进而控制对目标物进行跟随。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种全象限超声波定位测距的方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中根据接收的超声波计算得到超声波接收器与目标物的距离的方法流程示意图；

图3是本发明实施例中利用至少4个接收器接收的超声波计算得到目标物相对于跟随物的方位的方法流程示意图；

图4是本发明实施例中定位算法建立坐标系的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种全象限超声波定位测距的系统的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的处理模块的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种全象限超声波定位测距的系统的实际应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，给出了诸多技术特征的说明示意图，以便透切理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种全象限超声波定位测距的方法的流程示意图，为了便于说明，图1仅示出了与本发明实施例相关的部分，图1示例的全象限超声波定位测距的方法包括以下步骤：

s101：根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，计算得到多个超声波接收器与目标物的距离；

s102：根据多个超声波接收器与目标物的距离，确定跟随物与目标物之间的距离；

s103：获取目标物相对于跟随物的方位；

s104：根据跟随物与目标物之间的距离、以及目标物相对于跟随物的方位，控制跟随物移动以跟随目标物。

本发明实施例采用超声波测距的方法，在跟随物上安装一组超声波接收器来组成接收阵列，通过接收携带在目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，来计算出超声波全向发射器(目标物)与接收器的距离和方位。超声波测距的原理是根据检测声波传输的时间，结合声波传输的速度计算出每个接收器与发射器的距离，以接收器组成的阵列中的某一点为原点，建立三维坐标系，从而解算出目标物的坐标，从而计算出需要跟随的距离和角度。

其中，本发明实施例进一步提供根据接收的超声波计算得到超声波接收器与目标物的距离的方法，请参阅图2，如图所示，计算的方法包括：

s11：根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发送的超声波，确定超声波的传输时间；

s12：检测当前环境的温度和气压，根据温度和气压确定当前环境下的超声波传播速度；

s13：结合传输时间和当前环境下的超声波传播速度，计算得到多个超声波接收器与目标物的距离。

其中，接收器跟发射器必须实现时钟同步，所测得的超声波的传输时间才能准确。

本发明实施例中，采用由无线电信号的方式进行时钟同步。当系统启动时，接收器先发出一个无线电信号到发送器，由于两者的距离较近(2米范围)，所以无线电波的传输时间基本可以忽略不计。当发射器收到无线电信号后，立即发送超声波信号。当接收器收到超声波信号后，其发射无线电信号和接收到超声波信号之间的时间差，即为超声波的传输时间。再用传输时间和超声波传输速度的函数关系，解算出距离信息。

接收阵列中的其他接收器在发射无线电信号时均为同时发射，由于距离不同，所以接收的时间不同，按照上述方式同样可以计算出各个接收器距发射器的距离。

由于超声波在空气中传播速度受到温度和气压的影响，因此，作为一种优选的实现方式，还需要检测环境温度和气压，用来确定超声波的传输速度。

其中，接收器和发射器在设计上可以互换，根据实际产品选择使用对应的设计方式。

其中，接收器的数量取决于定位跟随系统的应用场合，在能够确定目标物相对于跟随物的方位的前提下，只需要设置至少2个接收器即可实现定位跟踪。例如跟随物是车辆的话，目标物总是位于跟随的车辆的上面和前方，而跟随物是无人机的话，目标物通常总是位于跟随物的前面和下方。跟随物是自拍类无人机的话，目标物都要位于跟随物的后面和下方。

也就是说，这种情况下，可以通过预设的系统参数设定目标物相对于跟随物的方位，从而可以通过至少2个接收器就可以实现定位跟随。

但是，对于定位跟随系统应用于不能明确确定目标物相对于跟随物的方位时，则至少需要设置4个接收器，通过第3个、第4个接收器接收的超声波来辅助确定目标物在空间上的方位。

其中，本发明实施例进一步提供在不能明确确定目标物相对于跟随物的方位时，利用至少4个接收器接收的超声波计算得到目标物相对于跟随物的方法，请参阅图3，利用至少4个接收器接收的超声波计算得到目标物相对于跟随物的方法包括：

s21：根据至少4个超声波接收器中的任意2个超声波接收器接收的超声波，确定跟随物与目标物的距离；

s22：结合利用任意2个超声波接收器、第3个以及第4个超声波接收器接收的超声波，确定目标物所处的水平方向的象限以及所述目标所处的垂直方向的象限；

s23：结合目标所处的水培方向的象限、垂直方向的象限，确定目标物相对于跟随物的方位。

其中，至少4个超声波接收器中的任意3个超声波接收器都不在同一直线上。另外，上述所用到的至少2个超声波接收器与第3个超声波接收器或第4个超声波接收器所在的第一平面，跟随物与目标物所在的第二平面，在实际应用过程中，为了减少计算量，可以设计硬件结构，使得第一平面与第二平面重合或平行。

而在实际应用过程中，除4个超声波接收器以外，还可以另外增设1个或多个超声波接收器，每个超声波接收器接收的超声波都能计算得到一个目标物的坐标，用来辅助校正目标物的坐标，使得定位更准确。

这种情况下，实际上只需要4个接收装置其中任意3个不在同一条直线上，即可构成接收阵列。在进行跟随时，有2个接收器能够收到超声波信号，即可以完成测定目标物距离，以及角度的信息。但此时计算的角度有两个，以坐标系原点对称，所以第3个接收器接收的超声波解算得到的数据用于确定目标物所处的水平方向的象限(即跟随物的前方还是后方)。第4个接收器用于确定目标所处的垂直方向的象限(即跟随物的上方还是下方)。如果可以默认目标物是处于跟随物的前方和上方(或者其他的方位)，那么可以最少只使用2个接收器。同时可以设置5个或5个以上的接收器，从而可以计算出不同的目标物坐标，用于校正目标物的坐标，得到更精确的位置信息。

请参阅图4，本发明实施例以其中3个接收器为例，详细说明本发明中定位的算法。如图所示，在二维平面上，通过在接收器a\b\c和目标物t之间的测距方法测出ta\tb\tc的长度，在平面abc上建立坐标系，z轴垂直于平面abc。a\b\c点的坐标已知，由ta/tb/ab的长度(测得的距离)可以计算出t和t’两点，并且这两点基于直线ab对称。又按照tc的长度，判定t’不是真实的目标点，从而确定t点的坐标。再根据平面abc和跟随物和目标所处的平面(简称跟随平面)的夹角，即可确定目标在跟随平面的位置信息。在产品设计上，可以通过结构设计的方法，让平面abc和跟随平面重合或平行，从而减少计算量。

对于定位跟随系统而言，还需要考虑空间位置。所以借助第4个测距装置，即可解算出三维空间里目标物的正确坐标。

在以上实施例提供的全象限超声波定位测距的方法的基础上，本发明实施例进一步提供一种全象限超声波定位测距系统，该全象限超声波定位测距系统用于实现上述全象限超声波定位测距的方法。请参阅图5，图5是本发明实施例提供的全象限超声波定位测距系统的结构示意图，如图所示，本发明实施例的全象限超声波定位测距系统100包括处理模块11、获取模块12以及控制模块13，其中：

处理模块11用于根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，计算得到多个超声波接收器与目标物的距离。

处理模块11用于根据多个超声波接收器与目标物的距离，确定跟随物与所述目标物之间的距离。

获取模块12用于获取目标物相对于跟随物的方位。

控制模块13用于根据跟随物与目标物之间的距离、以及目标物相对于跟随物的方位，控制跟随物移动以跟随目标物。

其中，请进一步参阅图6，图6是本发明另一实施例中处理模块的结构示意图，如图所示，在另一个实施例中，本发明实施例的处理模块11进一步包括确定单元111、检测单元112以及计算单元113，其中：

确定单元111用于根据跟随物上的多个超声波接收器分别接收的来自目标物上的超声波全向发射器发送的超声波，确定超声波的传输时间。

检测单元112用于检测当前环境的温度和气压。

确定单元111进一步根据温度和气压确定当前环境下的超声波传播速度。

计算单元113用于结合传输时间和当前环境下的超声波传播速度，计算得到多个超声波接收器与目标物的距离。

其中，上述各个功能模块或单元的具体功能实现过程请参见上述全象限超声波定位测距的方法实施例中的详细描述，此处不再赘述。

另外，在另一个实施例中，请参阅图6，图6是本发明实施例提供的一种全象限超声波定位测距的系统的实际应用示意图。

全象限超声波定位测距系统设计分为发射装置和接收装置。具体实现时，发射装置由一片stm32mcu作为核心，一个基于433mhz无线电的通信模块，一个max232驱动的超声波发射模块，一套3.7v锂电池电源作为供能，共同构成。

具体实现时，接收装置由一片stm32mcu作为核心，一个基于433mhz无线电的通信模块，四个lm324驱动的超声波接收器，一套3.7v锂电池电源作为供能，一个18b20温度传感器共同组成。接收装置的4个接收器可以组成一个水平面上360°接收方向的接收阵列。

以上本发明实施例所提供的全象限超声波定位测距的方法及系统，可以理解，本发明通过跟随物上设置多个超声波接收器构成接收阵列，通过超声波接收阵列接收来自目标物上的超声波全向发射器发射的超声波，根据接收的超声波确定跟随物与目标物之间的距离，并通过进一步获取目标物相对于跟随物的方位，从而根据跟随物与目标物之间的距离、目标物相对于跟随物的方位，控制跟随物移动以跟随目标物。通过这样的方式，能够利用跟随物和目标物上的超声波收发器，实现超声波目标物的定位，进而控制对目标物进行跟随。

需要说明的是，本发明所有实施例中涉及“第一”、“第二”等词，例如第一平面、第二平面等在此仅为表述和指代的方便，并不意味着在本发明的具体实现方式中一定会有与之对应的第一平面和第二平面。

以上所述仅为结合具体的实施例对本发明原理及实施方式所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本发明所属技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，都应当视为属于本发明的专利保护范围。