一种超声波主动式目标定位方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波主动式目标定位方法与装置，装置包括超声波传感器阵列、控制模块以及计算机。本发明专利技术采用四个超声波传感器组成阵列，其构型满足目标位置坐标解析解存在且唯一条件，该阵列采用一发多收式信号收发模式，其中一个超声波传感器作为基准超声波传感器，工作在发射/接收双模式，其余三个超声波传感器工作在接收模式。本发明专利技术确定了一个实际超声波传感器阵列构型，通过该构型实现三维目标坐标的求解以及目标与基准超声波传感器之间距离的测量。本发明专利技术具有传感器阵列构型结构简单、所需超声波传感器数量最少、目标坐标求解理论上计算量最小且具有最好的数值稳定性。理论上计算量最小且具有最好的数值稳定性。理论上计算量最小且具有最好的数值稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波主动式目标定位方法与装置


[0001]本专利技术涉及超声波定位技术，尤其涉及一种超声波主动式目标定位方法与装置。

技术介绍

[0002]随着计算机科学、传感器技术以及人工智能的发展，从制造业、交通运输业到对外太空以及深海的探索研究，机器人技术都起到了至关重要的作用。目标定位技术作为机器人技术中的关键技术之一，越来越受到重视。
[0003]目前，视觉传感器、激光传感器以及超声波传感器是机器人目标定位技术中采用的几种主流传感器。视觉传感器获得信息丰富，然而在弱光或黑暗条件下难以正常工作。激光传感器精度较高，但其存在安全风险、成本较高且无法实现对透明目标的测量。与其他传感器相比，超声波传感器具有成本低、功耗低、体积小和重量轻等优点，且适用范围很广，可适用于透明物体，并能适用于低能见度或黑暗环境，因此超声波传感器在机器人目标定位领域的研究和应用相当普及。
[0004]然而在实际应用中超声波定位技术仍然存在一些问题需要解决。目前，多数超声波定位方法是采用较多数量的超声波传感器获得多个收到超声回波的到达时间或时间差，并通过相对复杂的数值算法利用获得的到达时间求解目标位置。这些方法存在计算量较大、传感器数量较多的问题，并且多数情况下需要先验知识和人工干预。
[0005]寻求一种使用相对较少的超声波传感器且计算成本较低的目标定位方法是研究者们一直以来的目标。本专利技术旨在通过优化超声波传感器阵列构型，采用最少的超声波传感器和最简单的阵列结构，以理论上计算量最小且最稳定的解析方法来实现目标定位。本专利技术提出了一种超声波主动式目标定位方法与装置，该方法涉及一种超声波传感器阵列构型和目标位置解算与距离测量，其使用最少的超声波传感器，能保证三维目标位置的求解存在唯一的解析解，并具有传感器数量少、理论上计算量最小且解的稳定性最好、传感器构型结构简单、定位准确性高等优点。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对基于多超声波传感器的目标定位技术的现状，提供了一种超声波主动式目标定位方法与装置，该定位装置中的超声波传感器阵列构型能够实现三维空间中的目标定位。本专利技术采用四个超声波传感器组成超声波传感器阵列，该阵列采用一发多收式信号收发模式，其中一个超声波传感器作为基准超声波传感器，工作在T/R双模式，即既作为超声波发射器，又作为超声波接收器，其余三个超声波传感器工作在R模式，即只作为接收器。通过基准超声波传感器发射超声波的时间以及传感器收到超声回波的达到时间获得时间差，求解得到目标位置。该超声波传感器阵列构型和方法在目标定位方面具有构型结构简单、理论上计算量最小且解的稳定性最好、准确性高等优势。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]本专利技术首先提供了一种超声波主动式目标定位的装置，其包括超声波传感器阵
列、控制模块以及计算机；
[0009]所述超声波传感器阵列包括四个不在同一个平面内的超声波传感器；且其中一个超声波传感器作为基准超声波传感器，其工作在发射/接收双模式下，即既作为超声波发射器，又作为超声波接收器；
[0010]控制模块操控各超声波传感器发射和接收超声波信号，每个传感器将包含到达时间信息的信号传送至控制模块，控制模块获得到达时间后根据基准超声波传感器发射超声波的时间以及各超声波传感器接收超声回波的时间计算相应的时间差，并通过USB数据线与计算机进行通信，将该时间差发送给计算机，计算机利用该时间差求解目标物体的三维坐标以及目标到基准超声波传感器的距离，并显示和保存定位及测距的结果。
[0011]作为本专利技术的优选方案，以基准超声波传感器所在位置为坐标原点，另外三个超声波传感器分别在三个坐标轴上，并且另外三个超声波传感器到基准超声波传感器的距离相等。
[0012]作为本专利技术的优选方案，其余三个超声波传感器工作在接收模式下，即只作为超声波接收器。
[0013]本专利技术还提供了一种基于上述装置的超声波主动式目标定位方法，其包括如下步骤：
[0014]步骤一：采用所述超声波传感器阵列中的基准超声波传感器主动发射超声波，超声波传播至目标物体处发生反射，四个超声波传感器分别接收反射回来的超声波，即超声回波，获得到达时间；
[0015]步骤二：根据基准超声波传感器发射超声波的时间t0以及四个超声波传感器收到超声回波的到达时间t1、t2、t3和t4，计算相应的时间差Δt
10
、Δt
21
、Δt
31
和Δt
41
；Δt
10
＝t1‑
t0，Δt
i1
＝t
i
‑
t1，i＝2，3，4；
[0016]步骤三：计算获得目标坐标(x,y,z)的解析解；
[0017]步骤四：计算获得目标到基准超声波传感器的距离ρ的解析解。
[0018]本专利技术与现有技术相比具有的有益效果：
[0019]1)本专利技术利用解析方法求解目标坐标，采用了一种新的超声波传感器阵列构型，该构型满足目标位置三维空间坐标的解存在且唯一的条件，克服了现有超声波定位技术中计算代价较高、传感器数量较多、传感器阵列相对复杂、通常需要先验知识和人工干预的问题，从而具有需要的超声波传感器数量少、构型结构简单、并且不需要先验知识和人工干预的优点。
[0020]2)本专利技术通过将超声波传感器布置在坐标轴上并从条件数的角度对传感器坐标进行优化，有效简化了解析解、减小了计算量、提高了解的稳定性，使得目标坐标求解的计算复杂度低、理论上计算量最小且具有最好的数值稳定性、定位精度高。
[0021]3)本专利技术装置安装方便、体积小、功耗低、价格低，可应用范围广。
附图说明
[0022]图1是一种超声波主动式目标定位装置的结构示意图；
[0023]图2是四个超声波传感器在同一平面内时的示意图；
[0024]图3是四个超声波传感器不在同一平面内时的示意图；
[0025]图4是图3所示超声波传感器阵列空间构型的一个进一步优化构型；
[0026]图5是图4所示超声波传感器阵列空间构型的一个进一步优化构型。
具体实施方式
[0027]本专利技术在基于超声波信号到达时间的目标定位问题的基础上，提出了一种新的超声波传感器阵列构型，以及针对该构型的目标定位方法。该方法较现有方法具有超声波传感器数量少，构型简单，理论上计算量最小且具有最好的数值稳定性，定位精度高的特点。
[0028]如图1所示，本专利技术提供了一种基于超声波传感器的目标定位的装置，包括超声波传感器阵列、控制模块以及计算机。四个超声波传感器组成阵列，其构型满足目标位置解算线性方程组的系数矩阵非奇异。本专利技术提供了的目标定位超声波传感器阵列的构型，其包含四个超声波传感器，这四个超声波传感器不在同一个平面内。取四个超声波传感器中的任意一个作为基准超声波传感器，其坐标定为(0,0,0)；基准超声波传感器工作在T/R双模式，即既发射超声波也接收超声波；其余的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波主动式目标定位的装置，其特征在于包括超声波传感器阵列、控制模块以及计算机；所述超声波传感器阵列包括四个不在同一个平面内的超声波传感器；且其中一个超声波传感器作为基准超声波传感器，其工作在发射/接收双模式下，即既作为超声波发射器，又作为超声波接收器；控制模块操控各超声波传感器发射和接收超声波信号，每个传感器将包含到达时间信息的信号传送至控制模块，控制模块获得到达时间后根据基准超声波传感器发射超声波的时间以及各超声波传感器接收超声回波的时间计算相应的时间差，并通过USB数据线与计算机进行通信，将该时间差发送给计算机，计算机利用该时间差求解目标物体的三维坐标以及目标到基准超声波传感器的距离，并显示和保存定位及测距的结果。2.根据权利要求1所述的超声波主动式目标定位的装置，其特征在于，以基准超声波传感器所在位置为坐标原点，另外三个超声波传感器分别在三个坐标轴上，并且另外三个超声波传感器到基准超声波传感器的距离相等。3.根据权利要求1或2所述的超声波主动式目标定位的装置，其特征在于，其余三个超声波传感器工作在接收模式下，即只作为超声波接收器。4.一种权利要求2所述装置的超声波主动式目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：采用所述超声波传感器阵列中的基准超声波传感器主动发射超声波，超声波传播至目标物体处发生反射，四个超声波传感器分别接收反射回来的超声波，即超声回波，获得到达时间；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜燕丹，邱奕臻，黄志尧，冀海峰，王保良，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：