一种基于超声的空间定位系统技术方案

一种基于超声的空间定位系统，包括信标装置及定位计算器；信标装置包括按键、超声信号发生器，不同按键与不同频率发生器联接，频率发生器与超声信号发生器相联；定位计算器包括两个在同一平面间隔布置的超声阵列，每个超声阵列包括若干个十字分布的超声传感器，超声传感器与带通滤波器连接，带通滤波器经模数转换模块后与角度计算模块连接，角度计算模块与空间计算器连接，空间计算器与输出装置连接。本发明专利技术，信标装置结构简单、体积小、功耗较低；定位计算器的采样频率可以使用较低的频率，降低硬件成本、算法计算量少，实时性高，具有较高的定位精度。

A space positioning system based on ultrasound

A space positioning system based on ultrasonic beacon, including device and positioning device comprises a key, a calculator; a beacon signal generator, different keys connected with different frequency generator, frequency generator and ultrasonic signal generator is connected; including two in positioning calculator arranged in the same plane interval of ultrasonic array, each ultrasonic array comprises a plurality of cross distribution the ultrasonic sensor, an ultrasonic sensor and a band-pass filter with band-pass filter by the analog-to-digital converter module and connection angle calculation module, angle calculation module and space calculator connected with an output device connected space calculator. The beacon device has the advantages of simple structure, small volume and low power consumption. The sampling frequency of the location calculator can use lower frequency, reduce the cost of hardware, calculate the amount of algorithm, and achieve high real-time accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声的空间定位系统
本专利技术涉及一种计算机配件的定位方法及系统，特别涉及基于超声的空间定位方法及系统。
技术介绍
CN201510542367-三维空中鼠标以及与其一起使用的显示器：需要在鼠标上发射射频信号，通过计算接收到的超声信号的时间差计算距离，导致鼠标结构复杂，不利于降低功耗和成本。CN201510428091-一种空间鼠标系统：鼠标上发射超声和射频信号，通过计算两种信号到达显示器的时间差计算距离并定位，导致鼠标结构复杂，成本高功耗大且接收器布设困难。CN201310309020-一种超声定位系统和具有定位功能的电子装置：利用收到反射超声波的时间差计算物体距离多个超声接收装置的距离，要求物体足够大且反射足够多的超声波，导致系统定位精度有限。CN03137730-超声波定位的多功能笔形鼠标系统：利用超声波在不同介质上的传播延时计算距离进而得出笔形鼠标在平板或屏幕上的具体位置，主要不足为需要借助介质，只能用于二维输入，不便于移动和携带，且不同介质对环境温湿度的响应不同，从而影响定位精度。CN200420105025-一种新型超声定位无绳鼠标：利用鼠标移动前后发射的超声波到达3个接收器的时间差计算鼠标相对位移，存在误差累计的问题及风险，另外，该专利并未提及任何信号处理手段用于降低计算量，以至于该系统没有办法用较低成本的硬件实现。其他未一一列出的基于超声波的空间定位技术存在布设困难、定位精度较低、系统结构复杂、空间分辨率低、需要支撑物、只支持2维平面定位等不足。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，提供一种一种基于超声的空间定位方法及系统，本专利技术可以有效提高空间定位应用的精度、实时性，并且降低空间应用系统的硬件成本。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于超声的空间定位系统，包括信标装置及定位计算器；信标装置包括按键、超声信号发生器，不同按键与不同频率发生器联接，频率发生器与超声信号发生器相联；定位计算器包括两个在同一平面间隔布置的超声阵列，每个超声阵列包括若干个十字分布的超声传感器，超声传感器与带通滤波器连接，带通滤波器经模数转换模块后与角度计算模块连接，角度计算模块与空间计算器连接，空间计算器与输出装置连接；其中角度计算模块用于计算信标装置的俯仰角、方位角；空间计算器获取两个超声阵列的俯仰角、方位角后结合阵列的间距得到信标装置的空间位置；输出装置用于将信标装置的空间位置信息传输给计算机。上述的一种基于超声的空间定位系统，每个超声阵列的超声传感器为四个，且呈十字分布。上述的一种基于超声的空间定位系统，其特征在于每个超声阵列的多个超声传感器间的最大间距小于超声波波长的二分之一。上述的一种基于超声的空间定位方法，通过两个间隔布置在同一平面的超声阵列获取信标装置的超声信号，分别算出两个超声阵列获取的信标装置的俯仰角、方位角，再结合两个超声阵列的间距得出鼠标的空间位置。每个超声阵列的信号输入与角度计算器，角度计算器根据超声阵列输出的离散信号及空间普估计算法计算信标装置相对超声阵列的方位角和俯仰角；空间计算器接收所有角度计算器输出的方位角和俯仰角，结合各个超声阵列的布设情况，可以计算出信标装置的空间位置。超声阵列的多个超声传感器可按需排列成不同的阵型，且阵元间的最大间距小于超声波波长的二分之一。带通滤波器用于滤除超声传感器输出信号中除超声信号外的其他信号。模数转换器与带通滤波器联接，其中模数转换器可以采用远低于超声频率的采样频率，以降低硬件成本。根据信号采样定律，模数转换器的采样频率必须大于2两倍的信号频率，才能够保证离散信号可以完美还原模拟信号，但是本专利技术采用远低于信号频率的采样频率，也同样可以很好地处理信号，并且可以降低模数转换器的硬件成本。本专利技术，信标装置结构简单，体积小，容易安装至各种被定位物体上，且功耗较低；定位计算器的采样频率可以使用较低的频率，降低硬件成本、算法计算量少，实时性高；同时超声阵列孔径小，携带及布设容易；由于采用了空间普估计算法，所以定位精度对超声波的传播衰减不敏感，具有较高的定位精度。附图说明图1为本专利技术的一种定位计算器和信标装置结构示意图。图2为本专利技术的鼠标作为信标装置的结构框图。图3为本专利技术的定位计算器的结构框图。图4为本专利技术的定位计算器中的超声阵列结构框图。图中标记为：1鼠标，2定位计算器，3超声阵列，41-43鼠标按键。具体实施方式参照附图，一种基于超声阵列和空间普估算法的空间鼠标，鼠标包括左、中、右三个按键及超声信号发生器，不同按键与不同频率发生器联接，频率发生器与超声信号发生器相联；定位计算器包括两个在同一平面间隔布置的超声阵列，每个超声阵列的超声传感器为四个，且呈十字分布；超声传感器与带通滤波器连接，带通滤波器经模数转换模块后与角度计算模块连接，角度计算模块与空间计算器连接，空间计算器与输出装置连接；其中角度计算模块用于计算信标装置的俯仰角、方位角；空间计算器获取两个超声阵列的俯仰角、方位角后结合阵列的间距得到信标装置的空间位置；输出装置用于将信标装置的空间位置信息传输给计算机。两个超声阵列可选用MEMS器件或压电陶瓷亦或者压电薄膜传感器等元器件，孔径4毫米，可接收40KHz，40.2KHz，39.8KHz，39.6KHz四种频率的超声波。两个超声阵列中心间距为15毫米。定位计算器使用通带为39KHz到41KHz的带通滤波器处理超声阵列接收到的信号，使用采样频率为3KHz的模数转换器将信号离散化，其中通带是指滤波器中允许通过的信号的频率范围。对应上述四种频率，可获得1KHz，1.2KHz，0.8KHz，0.6KHz四种离散信号。角度计算器首先对离散信号进行傅里叶变换，辨识出所接收到信号的频率，再采用诸如多重信号分类算法等空间谱估计算法计算出超声信号的俯仰角和方位角。空间计算器根据角度信息和两个超声阵列的间距，可以计算出超声声源的空间位置。从而将鼠标的空间位置信息通过输出装置传递给计算机等电子设备。用户手持鼠标，距离定位计算器约3厘米到300厘米远处，为使超声信号接收更为完全，可将超声发生器大致朝向定位计算器，从而将鼠标操作信号及空间位置信息输入到电脑中。本例中，鼠标的频率发生器在无按键事件时，产生40KHz的信号，当左键按下，则改为产生40.2KHz的信号，中键按下，改为39.8KHz，右键按下，改为39.6KHz。超声发生器根据频率发生器是否工作，发射相应频率的间断性的超声波。本例所述无线空间鼠标定位系统可以达到1毫米及以下的定位精度。详细的工作原理如下：鼠标根据按键情况发射相应频率的间断性的超声波，两个超声阵列各自有4个十字排列且在同一平面的超声传感器用于接收超声信号。每个超声传感器输出的模拟信号经由各自的带通滤波器及模数转换器转换为数字信号。其中带通滤波器的频率范围为39KHz到41KHz。模数转换器采样频率为3KHz。同一超声阵列的模数转换器连接到同一个角度计算器，角度计算器首先辨识空中所传输的超声波的频率，然后计算用于角度计算的复数矩阵，针对某一个超声阵列，具体计算步骤如下。1)选取10ms长的离散信号进行分帧操作，帧长5ms，帧间重叠4ms，共分得6帧，记为Fij(t)，其中：i＝1，2，3，4，表示数据来自第i个阵元；j＝1，2，…本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超声的空间定位系统，包括信标装置及定位计算器；信标装置包括按键、超声信号发生器，不同按键与不同频率发生器联接，频率发生器与超声信号发生器相联；定位计算器包括两个在同一平面间隔布置的超声阵列，每个超声阵列包括若干个十字分布的超声传感器，超声传感器与带通滤波器连接，带通滤波器经模数转换模块后与角度计算模块连接，角度计算模块与空间计算器连接，空间计算器与输出装置连接；其中角度计算模块用于计算信标装置的俯仰角、方位角；空间计算器获取两个超声阵列的俯仰角、方位角后结合阵列的间距得到信标装置的空间位置；输出装置用于将信标装置的空间位置信息传输给计算机。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声的空间定位系统，包括信标装置及定位计算器；信标装置包括按键、超声信号发生器，不同按键与不同频率发生器联接，频率发生器与超声信号发生器相联；定位计算器包括两个在同一平面间隔布置的超声阵列，每个超声阵列包括若干个十字分布的超声传感器，超声传感器与带通滤波器连接，带通滤波器经模数转换模块后与角度计算模块连接，角度计算模块与空间计算器连接，空间计算器与输出装置连接；其中角度计算模块用于计算信标装置的俯仰角、方位角；空间计算器获取两个超声阵列的俯仰角、方位角后结合阵列的间距得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：周韩伟，尹萌，陈凌豪，郭雪飞，胡海根，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33