红外超声平面定位测量装置及定位方法与流程

本发明属于平面测绘技术领域，具体涉及一种利用红外及超声信号进行平面定位的装置以及利用该装置进行的定位方法。

背景技术：

目前，在对各种平面中的点进行定位时一般采用三点定位算法，需要已知三点的位置坐标，并需要测量未知点到三点的距离，然后分别以三个已知点为圆心并以已知点到未知点的距离为半径作三个圆，三个圆的交点就是测量点的坐标。然而，这是一个理想情况，实际由于测量精度的限制，实际上他们通常交不到一个点上，交出来的是一块面积区域。

现有技术中一般采用超声波对定位所需的距离进行测量，超声波传播的时间乘以速度就是超声波传播距离，其关键在于对超声波传播的时间进行测量，然而现有技术对超声波传播时间的测量只是单纯的利用时钟上的时间求发送时刻和接收时刻的时间差，存在不小的误差，再加上超声波的传播速度达到了340m/s，即使时间误差只有1s，定位距离也存在340m的误差，定位精度低。这样，就导致了利用现有技术中的超声波定位装置不能适用于小区域的定位。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种红外超声平面定位测量装置，解决现有技术中超声定位精度较低的技术问题，用于进行平面定位测量能够大大提高定位精度，扩大超声定位的测量范围。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种红外超声平面定位测量装置，包括定位笔以及测量杆；所述定位笔包括笔杆、电源以及信号控制电路，所述笔杆内靠近笔尾与笔尖两端分别设有与笔尖共线的超声波发生波器c1以及超声波发生器c2，笔杆上还设有红外线发生器h0；所述信号控制电路能够产生分别驱动超声波发生波器c1、c2的脉冲信号t1、t2，两个脉冲驱动信号的周期均为t0；脉冲信号t1与脉冲信号t2的时间间隔为t1，0<t1<0.5t0；脉冲信号t1能够同时驱动超声波发生波器c1与红外线发生器h0工作；脉冲信号t2能够同时驱动超声波发生c2与红外线发生器h0工作；

所述测量杆包括单片机、红外线接收器hs0以及位于测量杆两端的超声波接收器cs1、cs2；所述单片机为超声波接收器cs1、cs2分别提供计数器j1、j2；在红外线接收器hs0接收到红外信号时，计数器j1、j2开始计数；在超声波接收器cs1接收到超声信号时，计数器j1停止计数；在超声波接收器cs2接收到超声信号时，计数器j2停止计数。

优选的，所述红外线发生器h0设置在笔杆内靠近超声波发生器c2的位置，红外线发生器h0与笔尖共线；电源设置在笔杆中部；信号控制电路设置在靠近超声波发生器c1的位置。

优选的，单片机的晶振为18mhz，经1/2分频后，为计数器j1、j2提供均为9mhz的计数频率。

本发明还提供了一种采用本发明的红外超声平面定位测量装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤s1：将测量杆水平放置在平面上，将定位笔的笔尖点触到平面的待测点上；

步骤s2：开启测量杆以及定位笔；两个脉冲信号t1、t2的其中之一驱动定位笔的红外线发生器h0向测量杆发送红外信号，同时驱动超声波发生波器c1、c2中的一个向测量杆发送超声信号；时间间隔t1后，另一脉冲信号驱动定位笔的红外线发生器h0向测量杆发送红外信号，同时驱动超声波发生波器c1、c2中的另一个向测量杆发送超声信号；

步骤s3：测量杆接收到红外信号，计数器j1、j2同时开始计数；之后，测量杆的超声波接收器cs1、cs2先后接收到超声信号，计数器j1、j2先后停止计数；

步骤s4：单片机根据识别规则识别当前发送超声信号的超声波发生器，识别规则为：若当前超声信号与上一次超声信号的时差大于0.5t0，则当前超声波发生器为c1；若当前超声信号与上一次超声信号的时差小于0.5t0，则当前超声波发生器为c2；

步骤s5：计算超声波传输时间，按如下规则：

当超声波接收器cs1、cs2当前接收到的是超声波发生器c1发送的超声波，则超声波发生器c1到超声波接收器cs1、cs2的传输时间分别为t1cs1、t1cs2，按如下公式：

t1cs1＝n1cs1×tjs0；其中，n1cs1为计数器j1的计数，tjs0为计数器j1的计数周期；

t1cs2＝n1cs2×tjs0；其中，n1cs2为计数器j2的计数，tjs0为计数器j2的计数周期；

当超声波接收器cs1、cs2当前接收到的是超声波发生器c2发送的超声波，则超声波发生器c2到超声波接收器cs1、cs2的传输时间分别为t2cs1、t2cs2，按如下公式：

t2cs1＝n2cs1×tjs0；其中，n2cs1为计数器j1的计数，tjs0为计数器j1的计数周期；

t1cs2＝n2cs2×tjs0；其中，n2cs2为计数器j2的计数，tjs0为计数器j2的计数周期；

步骤s6：计算超声波发生器到超声波接收器的距离，设超声波在空气中的传播速度为按如下公式：

超声波发生器c1到超声波接收器cs1为

超声波发生器c1到超声波接收器cs2为

超声波发生器c2到超声波接收器cs1为

超声波发生器c2到超声波接收器cs2为

步骤s7：分别计算定位笔笔尖到超声波接收器cs1、cs2之间的距离locs1、locs2，按如下公式：

其中，l20为笔尖到超声波发生器c2的距离，l12为超声波发生器c1到c1的距离；

步骤s8：以超声波接收器cs1、cs2以及定位笔笔尖三点所确定的平面建立平面直角坐标系r：以超声波接收器cs1为原点o′，以超声波接收器cs1、cs2之间的连线为y轴，以垂直于y轴的直线为x轴；计算定位笔笔尖与超声波接收器cs1的连线与y轴的夹角φ0，按如下公式：

步骤s9：计算定位笔笔尖在坐标系r中的坐标(x,y)，按如下公式：

以定位笔笔尖的坐标作为平面内待测点的坐标，从而实现对待测点的定位。

优选的，当坐标系r与所测平面的标准坐标系r不重合时，步骤s9还对定位笔笔尖坐标(x,y)进行校正，其中，标准坐标系r的原点为o，横坐标轴为x，纵坐标轴为y，按如下步骤校正定位笔笔尖坐标(x,y)：

步骤s901：原点o在坐标系r中的坐标为(x0,y0)，选取横坐标轴x上任意一点(xm,ym)，计算x轴与x轴之间的夹角τ：

步骤s902：计算定位笔笔尖坐标(x,y)在标准坐标系r中的坐标(x,y)，按如下公式：

以校正后的定位笔笔尖坐标(x,y)作为平面内待测点的坐标，从而实现对待测点的定位。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在超声波测距的基础上结合红外线控制技术，精确采集超声波传播时间，使得超声波测距精度更高，是提高定位精度的有利保障。

2、本发明利用了红外线传播速度远大于超声波的特性，实现了对计数器启闭的控制，利用计数器来采集超声波传播时间，由于计数器能够具有较高的计数频率，合理配置计数器频率参数，能够大大提高测距精度。本发明采用9mhz的计数频率，计数周期则为0.11μs，距离精度可达0.04mm。

3、本发明的红外超声平面定位测量装置采用标准器件制造，具有结构简单、体积小重量轻、成本低廉、可靠性好、精度高以及稳定性高的优点。

4、本发明的装置测量范围广，在脉冲信号周期t0为50ms，时间间隔t1为20ms，无干扰情况下，超声信号20ms可以传播距离为6800mm；考虑信号盲区和信号强度问题，本发明测量范围可达5～6000mm。

附图说明

图1是定位笔的结构示意图；

图2是测量杆的结构示意图；

图3是定位笔笔尖位置测量示意图；

图4是利用计数器计量超声波传输时间的原理图；

图5是计算夹角φ0的原理图；

图6是平面直角坐标系转换示意图。

具体实施方式

如图1至图2所示，一种红外超声平面定位测量装置，包括定位笔以及测量杆；所述定位笔包括笔杆、电源2以及信号控制电路3，所述笔杆内靠近笔尾与笔尖1两端分别设有与笔尖共线的超声波发生波器c1以及超声波发生器c2，笔杆上还设有红外线发生器h0；所述信号控制电路3能够产生分别驱动超声波发生波器c1、c2的脉冲信号t1、t2，两个脉冲驱动信号的周期均为t0；脉冲信号t1与脉冲信号t2的时间间隔为t1，0<t1<0.5t0；脉冲信号t1能够同时驱动超声波发生波器c1与红外线发生器h0工作；脉冲信号t2能够同时驱动超声波发生c2与红外线发生器h0工作；

所述测量杆包括单片机4、红外线接收器hs0以及位于测量杆两端的超声波接收器cs1、cs2；所述单片机4为超声波接收器cs1、cs2分别提供计数器j1、j2；在红外线接收器hs0接收到红外信号时，计数器j1、j2开始计数；在超声波接收器cs1接收到超声信号时，计数器j1停止计数；在超声波接收器cs2接收到超声信号时，计数器j2停止计数。

在利用本具体实施方式中的红外超声平面定位测量装置采集到超声波传输时间后，再利用定位算法计算出定位笔笔尖1的坐标即可实现定位。定位算法可以以软件程序写入测量杆的单片机4中，也可以另外设置上位机，将红外超声平面定位测量装置采集到的相关数据，如超声波发生器识别信号、超声波传输时间、超声波发生器与超声波接收器之间的距离，通过数据通信模块传输到上位机中，再由上位机运行定位算法。定位算法可以采用但不限于本发明中步骤s4到步骤s9的定位算法。

本具体实施方式中的，红外超声平面定位测量装置中的定位笔能够同时发出超声波与红外线，由于红外线传播速度远大于超声波，红外线会比超声波先到达测量杆，测量杆先接收到红外线以启动计数器，计数器开始计数，之后超声波到达测量杆，计数器便会停止计数，统计计数器的计数，然后乘以计数周期便能获得超声波传播时间。另外，由于两个超声波接收器距离超声波发生器的距离不相同，因此计数器j1、j2会先后接收到超声波。

本具体实施方式中，所述红外线发生器h0设置在笔杆内靠近超声波发生器c2的位置，红外线发生器h0与笔尖共线；电源2设置在笔杆中部；信号控制电路3设置在靠近超声波发生器c1的位置。这样，各电气元件在笔杆中布局更加合理，定位杆配重平衡。

本具体实施方式中，单片机的晶振为18mhz，经1/2分频后，为计数器j1、j2提供均为9mhz的计数频率。这样，计数器的计数周期则为0.11μs，距离精度可达0.04mm。

本具体实施方式中，脉冲信号的周期t0为50ms，脉冲信号t1、t2的时间间隔t1为20ms。这样，测量范围广，在脉冲信号周期t0为50ms，时间间隔t1为20ms，无干扰情况下，超声信号20ms可以传播距离为6800mm；考虑信号盲区和信号强度问题，本发明测量范围可达5～6000mm。

如图3至图6所示，采用本具体实施方式中的红外超声平面定位测量装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤s1：将测量杆水平放置在平面上，将定位笔的笔尖1点触到平面的待测点o上；

步骤s2：开启测量杆以及定位笔；两个脉冲信号t1、t2的其中之一驱动定位笔的红外线发生器h0向测量杆发送红外信号，同时驱动超声波发生波器c1、c2中的一个向测量杆发送超声信号；时间间隔t1后，另一脉冲信号驱动定位笔的红外线发生器h0向测量杆发送红外信号，同时驱动超声波发生波器c1、c2中的另一个向测量杆发送超声信号；

步骤s3：测量杆接收到红外信号，计数器j1、j2同时开始计数；之后，测量杆的超声波接收器cs1、cs2先后接收到超声信号，计数器j1、j2先后停止计数；

步骤s4：单片机根据识别规则识别当前发送超声信号的超声波发生器，识别规则为：若当前超声信号与上一次超声信号的时差大于0.5t0，则当前超声波发生器为c1；若当前超声信号与上一次超声信号的时差小于0.5t0，则当前超声波发生器为c2；

步骤s5：计算超声波传输时间，按如下规则：

当超声波接收器cs1、cs2当前接收到的是超声波发生器c1发送的超声波，则超声波发生器c1到超声波接收器cs1、cs2的传输时间分别为t1cs1、t1cs2，按如下公式：

t1cs1＝n1cs1×tjs0；其中，n1cs1为计数器j1的计数，tjs0为计数器j1的计数周期；

t1cs2＝n1cs2×tjs0；其中，n1cs2为计数器j2的计数，tjs0为计数器j2的计数周期；

当超声波接收器cs1、cs2当前接收到的是超声波发生器c2发送的超声波，则超声波发生器c2到超声波接收器cs1、cs2的传输时间分别为t2cs1、t2cs2，按如下公式：

t2cs1＝n2cs1×tjs0；其中，n2cs1为计数器j1的计数，tjs0为计数器j1的计数周期；

t1cs2＝n2cs2×tjs0；其中，n2cs2为计数器j2的计数，tjs0为计数器j2的计数周期；

步骤s6：计算超声波发生器到超声波接收器的距离，设超声波在空气中的传播速度为按如下公式：

超声波发生器c1到超声波接收器cs1为

超声波发生器c1到超声波接收器cs2为

超声波发生器c2到超声波接收器cs1为

超声波发生器c2到超声波接收器cs2为

步骤s7：分别计算定位笔笔尖到超声波接收器cs1、cs2之间的距离locs1、locs2，按如下公式：

其中，l20为笔尖到超声波发生器c2的距离，l12为超声波发生器c1到c1的距离；

步骤s8：以超声波接收器cs1、cs2以及定位笔笔尖三点所确定的平面建立平面直角坐标系r：以超声波接收器cs1为原点o，以超声波接收器cs1、cs2之间的连线为y轴，以垂直于y轴的直线为x轴；计算定位笔笔尖与超声波接收器cs1的连线与y轴的夹角φ0，按如下公式：

步骤s9：计算定位笔笔尖在坐标系r中的坐标(x,y)，按如下公式：

以定位笔笔尖的坐标作为平面内待测点的坐标，从而实现对待测点的定位。

本具体实施方式中，当坐标系r与所测平面的标准坐标系r不重合时，步骤s9还对定位笔笔尖坐标(x,y)进行校正，其中，标准坐标系r的原点为o′，横坐标轴为x，纵坐标轴为y，按如下步骤校正定位笔笔尖坐标(x,y)：

步骤s901：原点o′在坐标系r中的坐标为(x0,y0)，选取横坐标轴x上任意一点(xm,ym)，计算x轴与x轴之间的夹角τ：

步骤s902：计算定位笔笔尖坐标(x,y)在标准坐标系r中的坐标(x,y)，按如下公式：

以校正后的定位笔笔尖坐标(x,y)作为平面内待测点的坐标，从而实现对待测点的定位。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。