基于超声波和红外线的三维空间追踪定位装置的制作方法

本实用新型属于三维空间立体定位领域，具体涉及一种基于超声波和红外线的三维空间追踪定位装置。

背景技术：

目前，主要的三维空间定位技术是依靠摄像头、加速度计电子陀螺仪等，摄像头模块的价格相对较高，识别目标不稳定，受光环境响较大。加速度计电子陀螺仪漂移严重，通过积分求得位置，受先前状况影响，定位不准。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于超声波和红外线的三维空间追踪定位装置，通过运用一定的技术手段减弱超声波和红外线本身的缺陷，优势互补，具有较强的实用性，成本低廉，由于超声波和红外线的定位具有一定的方向局限性，使用红外盘对信标追踪定位方向，可以实现360°无死角定位。应用范围广泛，如室内无人机的定位，室外物体高度位置的测量等。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于超声波和红外线的三维空间追踪定位装置，包括信标模块、接收模块、红外接收盘，

所述信标模块，包括一个超声波发送探头和一个红外线发送灯；

所述接收模块，包括温度计、三个超声波接收探头、一个红外线接收探头及处理芯片，三个所述超声波接收探头，分别为超声波接收探头一、超声波接收探头二、超声波接收探头三，所述温度计、三个超声波接收探头、一个红外线接收探头均与处理芯片连接；

所述红外接收盘，包括六个红外线接收管，分别为红外线接收管一、红外线接收管二、红外线接收管三、红外线接收管四、红外线接收管五、红外线接收管六，红外线接收管之间相互成60°分布在一个环状的红外接收盘上。

其中，所述红外线接收探头，选取HS-0038红外线接收管。

其中，所述红外线发送灯以100ms为周期，间歇性的发送红外线，将红外线和超声波异步。

有益效果：

本实用新型所述的一种基于超声波和红外线的三维空间追踪定位装置，红外接收盘实现对信标的追踪判断方向，再求出信标到三个超声波接收探头的距离，从而实现对信标的三维空间立体定位。环境中时常存在红外线光的干扰，如太阳光，超声波也存在反射、干涉等现象，普通方式难以准确测量距离。而十厘米的距离误差会导致计算出的信标的三维空间位置偏差二三十厘米。要保证信标位置的准确性，需要保证测得的误差在两三厘米以内。因此间歇性的发送红外线，选取HS-0038红外线接收管可以保证距离的同时排除外界恒定红外线的干扰。将红外线和超声波异步，红外线接收探头接收到信号后关闭红外线感应，开启超声波感应，超声波接收探头接收到信号后关闭超声波感应，开启红外线感应，保证获取的信号时间是每一个周期内第一次接收到的信号，从而排除超声波反射的影响。超声波红外线可接收到的信号角度有限，通过红外接收盘对信标进行方向追踪，判断信标方向。超声波传播速度受温度影响，因此使用一个温度计测量温度，进行声速矫正。本实用新型选用超声波和红外线进行三维空间定位，极大地降低了成本，使用5V供电能耗低，通过选取合适的信号和控制方法，提高了抗干扰性和可靠性，在保证探测范围的同时还保证了精度。本实用新型可以应用到室内无人机的定位，室外小范围尺度内某物体某位置的准确定位。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是信标模块的模型图。

图2是接收模块的模型图。

图3是红外接收盘的模型图。

图4是本实用新型工作说明图。

图中：

1-超声波发送探头；2-红外线发送灯；3-超声波接收探头一；4- 超声波接收探头二；5-超声波接收探头三；6-红外线接收探头；7- 处理芯片；8-温度计；9-红外线接收管一；10-红外线接收管二；11- 红外线接收管三；12-红外线接收管四；13-红外线接收管五；14-红外线接收管六。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图和实施例对该实用新型技术方案进行详细说明如下。

在图1中，红外线发送灯2以100ms为周期，50ms发送红外线， 50ms停止工作。在红外线停止发送的同时，超声波发送探头1发送超声波。

在图3中，六个红外线接收管之间相互成60°分布在一个环状的红外接收盘上。分别为红外线接收管一9、红外线接收管二10、红外线接收管三11、红外线接收管四12、红外线接收管五13、红外线接收管六14，红外发送灯2发送红外线后，对准信标的一个红外线接收管收到信号，从而得到信标方向，进而通过舵机调整方向使超声波接收探头对准信标，提高测量精度。

在图2中，所述温度计8、三个超声波接收探头、一个红外线接收探头6均与处理芯片7连接。红外线接收探头6在接收到红外线信号后(时间t0)，关闭红外线感应，开启超声波感应，超声波接收探头一3，超声波接收探头二4，超声波接收探头三5接收到信号后(时间分别为t1，t2，t3)，分别关闭自身的超声波感应，最后一个超声波接收探头接收到超声波信号后，开启红外线感应。

获取三个超声波接收探头各自接收到信号与红外线接收探头6 接收到红外线的时间差后(△t1＝t1-t0，△t2＝t2-t0，△t1＝t3-t0)，各自减去50ms，乘以温度计8检测到的温度T下的声速Vt，即可得到信标到接收模块的三个超声波接收探头的距离。

d1＝(△t1-50ms)*Vt，

d2＝(△t2-50ms)*Vt，

d3＝(△t3-50ms)*Vt

得到信标到三个超声波接收探头的距离d1，d2，d3后，结合图 4说明求得信标的三维空间位置。不妨建立空间直角坐标系，设a(x1, y1,0)，b(x2,y2,0)，c(x3,y3,0)，d＝(x,y,z)；

有(1)(x-x1)^2+(y-y1)^2+z^2＝d1^2；

(2)(x-x2)^2+(y-y2)^2+z^2＝d2^2；

(3)(x-x3)^2+(y-y3)^2+z^2＝d3^2；

解得

x＝

(d1^2*y2-d1^2*y3-d2^2*y1+d2^2*y3+d3^2*y1-d3^2*y2- x1^2*y2+x1^2*y3+x2^2*y1-x2^2*y3-x3^2*y1+x3^2*y2- y1^2*y2+y1^2*y3+y1*y2^2-y1*y3^2-y2^2*y3+ y2*y3^2)/(2*(x1*y2-x2*y1-x1*y3+x3*y1+x2*y3-x3*y2))；

y＝

(d1^2*x2-d1^2*x3-d2^2*x1+d2^2*x3+d3^2*x1-d3^2*x2- x1^2*x2+x1^2*x3+x1*x2^2-x1*x3^2+x1*y2^2-x1*y3^2- x2^2*x3+x2*x3^2-x2*y1^2+x2*y3^2+x3*y1^2- x3*y2^2)/(2*(x1*y2-x2*y1-x1*y3+x3*y1+x2*y3-x3*y2))；

z＝

(d1^2-(x-x1)^2+(y-y1)^2)^0.5

则d(x,y,z)即为信标的三维空间位置。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。