【技术实现步骤摘要】
一种多目标六自由度超声定位系统和方法
本专利技术涉及一种用于六自由度超声定位系统和方法，具体涉及一种支持多个超声信号接收单元同时工作的六自由度超声定位系统和一种实时并行求解多目标六自由度信息的超声定位方法，可应用于虚拟现实、人机交互、动画制作、医学健康、运动分析和工业测量与控制等各个领域。
技术介绍
随着智能家居产业、可穿戴设备和智能装备产业、影视动画产业以及医疗健康产业等领域的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，六自由度定位技术的应用范围越来越广泛，精度需求也越来越高。目前市场上常见的六自由度定位技术主要是：(1)基于光学的六自由度定位技术，其原理主要分两类，第一类是通过对运动物体的关键节点加装识别器来实现对目标物体的六自由度定位，场景布置复杂，前期准备工作较多。第二类则是通过相应的算法直接对摄像头拍下的运动物体进行六自由度定位，由于现有的AI识别技术精确度并不高，定位难度大，而且运算复杂，刷新频率低；(2)基于IMU的六自由度定位技术，IMU主要由加速度计和陀螺仪组成，基本原理是通过对传感器采集信号的积分来获得目标物体的六...
【技术保护点】
1.一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于，包括：一个超声信号发射单元和N个超声信号接收单元，N≥1，每个超声信号发射单元包含一个无线同步信号发射器和m
【技术特征摘要】
1.一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于，包括：一个超声信号发射单元和N个超声信号接收单元，N≥1，每个超声信号发射单元包含一个无线同步信号发射器和m1个超声信号发射器，其中至少包含三个不共线的超声信号发射器，每个超声信号接收单元包含一个无线同步信号接收传感器和m2个超声信号接收传感器、其中至少包含三个不共线的超声信号接收传感器。
2.根据权利要求1所述的一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于：所述超声信号发射单元包括无线同步信号发射器、超声信号发射器一、超声信号发射器二、超声信号发射器三、微处理器一、滤波放大电路一、滤波放大电路二，其中三个超声信号发射器在世界坐标系OB下的坐标已知且不共线；其中微处理器一为超声信号发射单元提供发射信号，经滤波放大电路一、滤波放大电路二分别生成超声驱动信号、无线驱动信号，经超声信号发射器一、超声信号发射器二、超声信号发射器三、无线同步信号发射器，发出超声信号、无线同步信号。
3.根据权利要求1所述的一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于：所述N个超声信号接收单元中的一个超声信号接收单元包括无线同步信号接收传感器、超声信号接收传感器一、超声信号接收传感器二、超声信号接收传感器三、微处理器二、滤波放大电路三、滤波放大电路四、增益控制电路、模数转换电路，其中超声信号接收传感器一、超声信号接收传感器二、超声信号接收传感器三在该超声信号接收单元所在坐标系OC1的坐标已知、且不共线其中滤波放大电路四的增益可调，超声信号接收传感器一、超声信号接收传感器二、超声信号接收传感器三、无线同步信号接收传感器接收到超声信号、无线同步信号产生电压信号，信号经滤波放大后，由模数转换电路对其采样，并传送到微处理器二。
4.根据权利要求2所述的一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于：所述超声信号发射单元的超声信号发射器一、超声信号发射器二、超声信号发射器三在一个周期中以时间间隔t0依次发射超声信号，使超声信号接收传感器能明确当前接收的超声信号来自哪个超声信号发射器，其中时间间隔t0需大于等于三个超声信号发射器间的最大距离与超声信号在空气中传播速度的比值，在超声信号发射器一发射超声信号之前一段时间到超声信号发射器三发射超声信号之前的任意时刻无线同步信号发射器发射一次无线同步信号作为超声信号的时间同步信号。
5.根据权利要求2所述的一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于：所述无线同步信号发射器采用一种以光速传播的无线信号的信号发射器。
6.根据权利要求5所述的一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于：所述无线同步信号发射器采用包括红外、2.4G、5G、射频、无线电的无线同步信号的信号发射器。
7.根据权利要求3所述的一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于：所述无线同步信号接收传感器采用一种以光速传播的无线信号的信号接收传感器。
8.根据权利要求7所述的一种多目标六自由度超声定位系统，其特征在于：所述无线同步信号接收传感器包括红外、2.4G、5G、射频、无线电的无线同步信号的信号接收传感器。
9.一种多目标六自由度超声定位的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(一)、每个超声信号接收单元可以定位一个目标，定义某任意给定三维直角坐标系OC1为一个超声信号接收单元所在的坐标系，即该超声信号接收单元在坐标系OC1下的位置已知且固定，分别为P1(x′1，y′1，z′1)，P2(x′2，y′2，z′2)和P3(x′3，y′3，z′3)；定义某任意给定三维直角坐标系OB为世界坐标系，在世界坐标系中三个超声信号接收传感器的坐标分别为T1(x′4，y′4，z′4)，T2(x′5，y′5，z′5)和T3(x′6，y′6，z′6)；超声信号发射单元在世界坐标系下的位置已知且固定，三个超声信号发射器的坐标分别为E1(x′7，y′7，z′7)，E2(x′8，y′8，z′8)和E3(x′9，y′9，z′9)；
(二)、定义该超声信号发射单元的三个不共线超声信号发射器所构成的平面P的一般方程为Ax+By+Cz+D＝0，其中A、B、C、D由超声信号发射器在世界坐标系下的坐标决定，世界坐标系被平面P分成Ax+By+Cz+D＞0和Ax+By+Cz+D≤0两部分，超声信号发射器发射端朝向Ax+By+Cz+D＞0部分；
(三)、由E1(x′7，y′7，z′7)在平面P上可知，平面P的数学表达式亦可写作：
A(x-x′7)+B(y-y′7)+C(z-z′7)＝0.............①
结合方程①与平面P的一般方程可以得到：
D＝-(Ax′7+By′7+Cz′7).............②
又因为E2(x′8，y′8，z′8)和E3(x′9，y′9，z′9)都在此平面上，因此它们的坐标都满足方程A(x-x′7)+B(y-y′7)+C(z-z′7)＝0，将它们的坐标依次代入得：
A(x′8-x′7)+B(y′8-y′7)+C(z′8-z′7)＝0.............③
A(x′9-x′7)+B(y′9-y′7)+C(z′9-z′7)＝0.............④
公式①③④是关于A、B、C的线性方程组，此方程组有非零解的充要条件是关于A、B、C的系数行列式Δ＝0；即：
展开此行列式可得：
A＝(y′8-y′7)(z′9-z′7)-(z′8-z′7)(y′9-y′7)
B＝(x′8-x′7)(z′9-z′7)-(z′8-z′7)(x′9-x′7)
C＝(x′8-x′7)(y′9-y′7)-(y′8-y′7)(x′9-x′7)
将A、B、C代入公式②中，可得：
D＝x′7y′9z′8+x′8y′7z′9+x′9y′8z′7-x′7y′8z′9-x′8y′9z′...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓颖，张逸飞，燕学智，陈建，于嘉鑫，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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