用于3D位置确定的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于确定发射机单元的三维位置和/或方向的接收机单元(100)。该接收机单元包括：至少三个接收机(110、120、130)，每个接收机被配置为从发射机单元接收波长为λ的超声波信号，第一接收机被布置在距第二接收机和第三接收机至多超声波信号的一半波长λ/2的距离处，并且至少三个接收机被布置在一个平面中；以及处理器(140)，被配置为根据在至少三个接收机中的每个处接收的超声波信号来确定相应的飞行时间，该相应的飞行时间是超声波信号在定义的开始时间点从发射机单元到达相应的接收机所花费的时间，并且处理器还被配置为根据所确定的飞行时间和至少三个接收机的布置来确定发射机单元的三维位置和/或方向。置来确定发射机单元的三维位置和/或方向。置来确定发射机单元的三维位置和/或方向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于3D位置确定的装置和方法


[0001]本专利技术涉及用于发射单元的3D位置确定和/或方向确定的装置和方法。

技术介绍

[0002]从现有技术的背景中已知各种技术，这些技术可以确定发射机的位置。
[0003]EP 0 215 940 B1涉及多个目标的位置确定，其中，从目标反射的时间脉冲由至少三个传感器检测。
[0004]US 2007/0197229 A1涉及一种用于确定目标、物体或位置相对于无线通信装置的相对位置的系统。
[0005]US 2011/0111751 A1涉及一种用于在无线网络中识别、跟踪和定位物体的系统。
[0006]WO 2010/085877 A1涉及一种使用一个或多个接收机对一个或多个发射机进行位置确定的系统。
[0007]US 2018/0143292 A1涉及一种使用超声波信号确定三维位置的方法。
[0008]然而，上述公开文件在位置确定的准确性方面存在缺陷，或者基于复杂的方法。
[0009]例如，在一些已知的方法中，一个接一个地执行单独的飞行时间测量。因此，这些方法实现了相对较低的测量频率。

技术实现思路

[0010]本专利技术基于提供允许在三维空间中以很高的精度和很小的努力来确定发射机的位置的方法和装置的目的。
[0011]通过独立权利要求的特征实现这个目的。从属权利要求涉及本专利技术的其他方面。
[0012]根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于确定发射单元的三维位置和/或方向的接收单元。该接收单元包括：至少三个、优选仅三个接收机，每个接收机被配置为从发射单元接收波长为λ的超声波信号，其中，第一接收机被布置在距第二接收机和第三接收机至多超声波信号的一半波长λ/2的距离处，其中，第一接收机和第二接收机被布置在第一直线上，并且第一接收机和第三接收机被布置在第二直线上，其中，第一直线和第二直线彼此之间形成80
°
至100
°
的角度，优选地85
°
至95
°
，特别优选地大致为90
°
，特别为90
°
，并且其中，至少三个接收机优选设置在一个平面中；以及处理器，该处理器被配置为根据在至少三个接收机中的每个处接收的超声波信号来确定相应的飞行时间，其中，相应的飞行时间是超声波信号在定义的开始时间从发射单元到相应的接收机所需的时间，并且其中，处理器还被配置为根据所确定的飞行时间和至少三个接收机的布置来确定发射单元的三维位置和/或方向。
[0013]通过从单个超声波信号确定不同的飞行时间，与一个接一个地执行每个飞行时间测量的系统相比，可以增加测量频率。换言之，根据本专利技术，“同时”执行飞行时间测量，其中，各种飞行时间测量仅由它们在飞行时间上的特定差异(信号需要到达第一接收机的时间与信号需要到达第二接收机的时间之间的差异)来分开。
[0014]如果使用被描述为可选的接收机的上述布置，则本专利技术的方法的精度在第一直线与第二直线之间的角度为90
°
时最高。然而，这种可选的设置并不局限于90
°
的精确值，而是以精度为代价，偏离90
°
角(直角)也可以产生可用的结果，如上述90
°
附近的范围所表示的。
[0015]然而，本专利技术并不局限于被描述为可选的接收机的上述布置。相反，接收机可以自由地布置在平面中。在预定布置(例如，直角布置)的情况下，计算算法变得更简单，因此需要更少的计算能力。此外，由于例如舍入误差的量由于计算复杂度的降低而减少，因此结果更加准确。
[0016]由于制造过程中的公差，接收机可能会偏离目标位置。这种误差可以通过校准(确定麦克风的实际位置)和自由布置的计算算法来校正。
[0017]由于接收机的自由布置，所以可以实现不同的设计，这意味着接收单元的设计更加灵活。
[0018]处理器优选地被设计为接收单元的组成部分。
[0019]可替代地，处理器可以被设计为独立的组件，并且经由电缆或无线方式连接到接收单元。
[0020]优选地，至少三个接收机均包括麦克风。
[0021]接收单元优选地还具有至少一个被配置为放大所接收的超声波信号的放大单元和/或至少一个被配置为过滤所接收的超声波信号的过滤单元。
[0022]放大单元和/或过滤单元可以通过放大所接收的超声波信号或通过滤除干扰信号来提高所接收的超声波信号的信号质量。因此，可以提高实际测量信号对任何干扰信号的信噪比，这可以提高位置确定的精度。
[0023]优选地，接收单元还被配置为在接收超声波信号之前发送同步信号，以启动发射单元发送超声波信号，并定义用于确定相应的飞行时间的开始时间。
[0024]优选地，接收单元具有无线电模块，该无线电模块被配置为发送同步信号。
[0025]优选地，处理器还被配置为在发送同步信号时为至少三个接收机中的每个启动定时器，以确定相应的飞行时间。
[0026]如果信号被一个接收机接收，则飞行时间可以由相应的定时器确定。换言之，相应的飞行时间对应于接收到相应信号时相应定时器的时间。
[0027]通过如上所述发送同步信号，可以确定相应的飞行时间的定义的开始时间。
[0028]处理器还可以被配置为通过相交来确定在第一接收机处的超声波信号的接收时间，以便确定飞行时间，其中，相交包括通过所接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧的相应拐点的多项式插值，其中，优选地仅使用高于正幅度的特定的第一极限值的拐点、以及其中仅低于负幅度的特定的第二极限值的拐点，其中，第一极限值优选地等于第二极限值。
[0029]所接收的超声波信号的瞬态过程可以被定义为所接收的超声波信号的幅度大小随时间增加，其中，幅度的正侧上的拐点是瞬态过程中正幅度的相应最大值，并且幅度的负侧上的拐点是瞬态过程中负幅度的相应最小值。
[0030]根据本专利技术的另一方面，可以确定发射机的方向。如上所述，确定发射机的方向不需要同步信号，因为飞行时间差是相对的，并且不依赖于飞行时间测量的定义的开始时间。如上所述确定接收信号的飞行时间差。飞行时间差清楚地表明了相对于接收机平面的方位
角或仰角。这样，就可以确定发射机的方向。
[0031]优选地，处理器还被配置为基于所接收的超声波信号之间的相移来确定相应的飞行时间。
[0032]优选地，处理器还被配置为基于相交的圆形路径来确定发射单元的三维位置。
[0033]优选地，处理器还被配置为基于相应的飞行时间来确定圆形路径的半径。
[0034]优选地，确定所接收的超声波信号之间的相移包括：确定在第一接收机处接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧的相应拐点与在第二接收机处接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧的相应拐点之间的相移、以及在第一接收机处接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧的相应拐点与在第三接收机处接收的超声波信号的幅度的瞬态过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定发射单元的三维位置和/或方向的接收单元，其中，所述接收单元包括：至少三个接收机，每个接收机被配置为从所述发射单元接收波长为λ的超声波信号，其中，第一接收机被布置在距第二接收机和第三接收机至多超声波信号的一半波长λ/2的距离处，并且其中，所述至少三个接收机被布置在一个平面中；以及处理器，被配置为根据在所述至少三个接收机中的每个处接收的所述超声波信号来确定相应的飞行时间，其中，所述相应的飞行时间是所述超声波信号在定义的开始时间从所述发射单元到相应的接收机所需的时间，并且其中，所述处理器还被配置为根据所确定的飞行时间和所述至少三个接收机的布置来确定所述发射单元的所述三维位置和/或所述方向。2.根据权利要求1所述的接收单元，其中，所述接收单元还被配置为在接收所述超声波信号之前发送同步信号以启动所述发射单元发送所述超声波信号，并且定义所述开始时间，并且其中，所述处理器优选地还被配置为在所述同步信号发送时为所述至少三个接收机中的每个启动定时器，以确定所述相应的飞行时间。3.根据权利要求1或2所述的接收单元，其中，所述处理器还被配置为通过相交来确定在所述第一接收机处的所述超声波信号的接收时间，以确定所述相应的飞行时间，其中，所述相交包括通过所接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧上的相应拐点而得的多项式插值，其中，优选地仅使用高于正幅度的特定的第一极限值的拐点、以及其中仅低于负幅度的特定的第二极限值的拐点，其中，所述第一极限值优选地等于所述第二极限值。4.根据权利要求1至3中任一项所述的接收单元，其中，所述处理器还被配置为基于所接收的超声波信号之间的相移来确定所述相应的飞行时间，和/或其中，所述处理器还被配置为基于相交的圆形路径来确定所述发射单元的所述三维位置，并且所述圆形路径的半径优选地基于所述相应的飞行时间来确定。5.根据权利要求4所述的接收单元，其中，确定所接收的超声波信号之间的所述相移包括：确定在所述第一接收机处接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧上的相应拐点与在所述第二接收机处接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧上的相应拐点之间的相移、以及在所述第一接收机处接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧上的相应拐点与在所述第三接收机处接收的超声波信号的幅度的瞬态过程的正侧和负侧上的相应拐点之间的相移，并且形成所述相移的相应平均值，并且其中，在每种情况下，优选地将所述相应平均值添加至所述第一接收机处的超声波信号的接收时间，以确定所述超声波信号到所述第二接收机和所述第三接收机的相应的飞行时间。6.根据权利要求1至5中任一项所述的接收单元，其中，所述处理器还被配置为确定所接收的超声波信号的信号质量，其中，所述信号质量的确定优选地包括：确定所接收的超声波信号的从第一拐点到第n拐点中连续的拐点之间的第一时间t
fn
；确定所述第一拐点与从第三拐点到第n拐点中的一个拐点之间的第二时间t
pn
；并且通过将时间t
fn
与相应的预定目标值t
fn_target
、以及将时间t
pn
与相应的预定目标值t
pn_target
进行比较来确定所述信号质量。7.根据权利要求1至6中任一项所述的接收单元，其中，所述第一接收机和所述第二接收机被布置在第一直线上，并且所述第一接收机和所述第三接收机被布置在第二直线上，
其中，所述第一直线与所述第二直线彼此之间形成的角度为80
°
至100
°
，优选地为85
°
至95
°
，特别优选地大致为90
°
，并且具体地为90
°

【专利技术属性】
技术研发人员：阿雷山德尔，
申请(专利权)人：托波森斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：