一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位装置及方法，所述方法利用反射调幅超声波来测量目标上的多个定位点的位置信息，然后根据目标上的各个定位点的相对位置确定目标的姿态。所述装置包括控制单元和传感器单元，控制单元包括数字信号处理器、乘法器、振荡器、分频器和包络检波器；传感器单元包括若干目标器件、若干接收传感器；其中目标器件由具有开关功能的传感器、若干个发射换能器和反射器组成；目标和主控单元之间采用有线或无线连接。本发明专利技术能够准确进行三维目标姿态定位，并且装置成本低廉，结构简单，安装使用方便，可以应用于多种姿态定位场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声定位
，具体涉及一种利用超声发射器件产生环向发射调幅超 声波进行指定区域内的刚体目标姿态定位的装置及方法。
技术介绍
目前常用的超声换能器的发射角度在90度以内，即只能朝某一个固定的方向区域发 射超声波信号。由于受到发射角度的制约，在使用普通的超声换能器发射超声信号来确定 目标的位置时，就需要对准方向，导致使用时不是非常方便灵活。目前确定目标的姿态定位， 一般利用光学、射频、红外、超声脉冲等信号的直射波， 来进行三角测量和相关定位技术确定目标上若干超声发射点的位置，从而确定刚体的姿 态。以上方法中都是利用测量信号的直射波，而不利用其反射波来进行姿态定位，这是因 为测量信号经过反射面发射后，其相位可能发生变化，使得难于利用其反射信号的相差来 定位。对于超声波来说，反射后的超声波其相位可能会产生跳变，因而目前没有利用反射 超声波作为信号源来做目标的定位。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术存在的上述不足，提供一种利用环向反射调幅超声波的姿态 定位装置及方法。本专利技术通过如下技术方案实现一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位方法，该方法利用反射调幅超声波来测量目 标上的多个定位点的位置信息，然后根据目标上的各个定位点的相对位置确定目标的姿 态，具体包括如下步骤首先触发目标上的开关传感器，触发后目标就发射出请求定位信号，通过有线或无线 方式传送到控制单元，当控制单元接收到请求信号后，控制单元立即给该目标中的各个定 位点上的发射换能器分配低频测量信号和调制超声频信号，即配置分频器的控制参数来控 制输出超声载频信号频率，随后低频测量信号经超声频调制信号调制后通过有线或无线方 式传送到该目标，并由其上的发射换能器发射然后通过反射器反射出去；其后进入接收处理过程，利用包络检波器调制出目标各个定位点的多路测量信号，然 后这些多路测量信号送入DSP中进行A/D采样转化成为多路数字信号，并且数字信号处 理单元根据该多路数字信号计算出目标离各个接收传感器的距离，从而得到运动目标的三 维姿态信息定位。上述的方法中，目标上每个定位点的定位通过如下方法确定空间有4个不在同一平面上的接收换能器点阵山、d2 、 d3和d4，其空间三维坐标分别为(x^^)、 Oc2sy2,a)、(A J^3)和(X4J4，Z4)，有一空间目标点d距离该四个接收点的距离分别为/！、 /2、 /3和/4，通过三维空间几何的计算唯一地确定这个目标的坐标0^,Z)。实现上述方法的装置，其包括控制单元和传感器单元，控制单元包括数字信号处理 器、乘法器、振荡器、分频器和包络检波器，控制单元各部分的信号传输关系为控制单 元中各部分的信号传输关系为控制单元中的数字信号处理器控制分频器将振荡器的振荡 信号分频成所需的超声载波信号，超声载波信号和数字信号处理器产生的多路测量信号通 过乘法器产生调幅超声信号送到目标器件上发射，接收传感器阵列接收到的超声信号和超 声载波信号在包络检波检波器中检出幅度包络，然后将这包络送到数字信号处理器中处理 计算；传感器单元包括若干目标器件、若干接收传感器；其中目标器件由具有开关功能的 传感器、若干个发射换能器和反射器组成，目标器件上的信号传输关系为目标器件上的 开关功能传感器闭合时，就将控制单元传输过来的调幅信号发送到发射传感器上发射，反 射后的超声信号经过目标器件上的反射器反射后形成环向超声发射出去；目标器件和控制 单元之间采用有线或无线连接。上述装置中，所述目标器件上的反射器采用高声阻抗材料，能产生环向360度覆盖的发射超声波信号。上述装置中，所述反射器采用金属(例如钢)或塑胶材料(例如有机玻璃)，钢的声 阻抗为453 g.cm—ls—1,有机玻璃的声阻抗为32 g.cm—ls—1。上述装置中，所述反射器的外表曲面为锥形，并且其外表边反射面为光滑曲面， 上述装置中，所述反射器的经过锥顶的切面是由两个抛物线构成，并且信号源位于这 两个抛物线的焦点处，经锥顶切面中的任一抛物线反射的各个反射波均相互平行。上述装置中，目标器件和控制单元之间釆用无线连接，所述控制单元还包括射频收发 模块，所述传感器单元还包括射频收发模块。上述装置中，所述具有开关功能的传感器为压电传感器或摩擦传感器。 本专利技术的优点有本专利技术克服现有普通换能器只能发射定向区域内的超声信号，利用 超声发射器件产生环向发射调幅超声波，且利用反射调幅超声波包络不变化的特性，并通 过一个或多个此类器件的调幅超声波进行指定区域内的刚体目标姿态定位。本专利技术的超声 反射器利用普通的超声换能器，就能产生环向360度覆盖的超声波信号。本专利技术能够准确 进行三维目标姿态定位，并且装置成本低廉，结构简单，安装使用方便，可以应用于多种 姿态定位场合。 附图说明图1有线工作方式下姿态定位装置的系统组成框图。 图2无线工作方式下姿态定位装置的系统组成框图。图3本专利技术的目标器件上的发射器和反射器件结构切面图(发射换能器位于反射曲 面指定点)，图中，301反射器，302光滑反射曲面切面，303光滑反射曲面切面，304发射换能器。图4信号源经抛物线的反射原理示意图，图中，401反射后平行信号，402光滑抛物 面切面抛物线，403抛物面焦点。图5本专利技术目标发射器件距离接收参考点的距离示意图，其中SD- (SR + RD) — 图中，501为反射器，502为发射换能器，503为接收换能器。图6 —种以手写笔为例的姿态定位(笔尖定位)示意图。图7系统定位处理工作流程。 具体实施例方式本实施方式的装置结构如图1所示，专利技术装置包括控制单元和传感器单元，控制单元 包括数字信号处理器(DSP)、乘法器、振荡器、分频器和包络检波器。传感器单元包括一 定数量的目标器件、若干接收换能器阵列。其中目标器件由各类具有开关功能的传感器4 (压电、摩擦传感器等)、若干个发射换能器(如图中的发射换能器1、发射换能器2)和 反射器3组成。目标和主控单元有两种连接方式有线连接(图l)和无线连接(图2) 工作方式。在无线连接工作方式中，控制单元电路还包括射频收发模块，传感器单元也还 包括射频收发模块。本装置的超声反射器结合普通的超声换能器，能产生环向360度覆盖的发射超声波信 号。超声反射器的设计包括两个方面材料选择和外表曲面的构造。本装置的反射器采用高声阻抗材料来制作(比如高反射率金属材料)，使得超声换能 器发出的超声波尽可能无损耗地反射出去。超声波在两个不同传播介质交界面会发生发射 现象。设发射超声波从第一介质射到第二介质上，如果入射波声压为iV交界面反射超声波的声压为A，它们之间的关系为尸,=/^ (公式l)r = ^Zj L (公式2) z2 + 4其中r表示声压发射率，是一个0到1之间的数，r越大表示反射超声波声压越强， 即界面上超声波损耗越小。A为第一介质的声阻抗，Z2为第二介质的声阻抗。举例选择金属材料(例如钢)或塑胶材料(例如有机玻璃)为反射器材料，因为气体的声阻抗为0.00004 g.cm气s"(克每平方厘米每秒)，钢的声阻抗为453 g.cm:s'1， 对应的r为0.99999999;有机玻璃的声阻抗为32 g.cm、s"，对应的r为0.999998。所以利 用这类材料作反射器，在界面上的声压发射率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用环向反射调幅超声波的姿态定位方法，其特征在于利用反射调幅超声波来测量目标上的多个定位点的位置信息，然后根据目标上的各个定位点的相对位置确定目标的姿态，具体包括如下步骤：　首先触发目标上的开关传感器，触发后目标就发射出请求定位信 号，通过有线或无线方式传送到控制单元，当控制单元接收到请求信号后，控制单元立即给该目标中的各个定位点上的发射换能器分配低频测量信号和调制超声频信号，即配置分频器的控制参数来控制输出超声载频信号频率，随后低频测量信号经超声频调制信号调制后通过有线或无线方式传送到该目标，并由其上的发射换能器发射然后通过反射器反射出去；　其后进入接收处理过程，利用包络检波器调制出目标各个定位点的多路测量信号，然后这些多路测量信号送入数字信号处理器中进行Ａ／Ｄ采样转化成为多路数字信号，并且数字 信号处理单元根据该多路数字信号计算出目标离各个接收传感器的距离，从而得到运动目标的三维姿态信息定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，韦岗，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]