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專(zhuān)利名稱(chēng)：一種利用環(huán)向反射調(diào)幅超聲波的姿態(tài)定位裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用超聲發(fā)射器件產(chǎn)生環(huán)向發(fā)射調(diào)幅超 聲波進(jìn)行指定區(qū)域內(nèi)的剛體目標(biāo)姿態(tài)定位的裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前常用的超聲換能器的發(fā)射角度在90度以?xún)?nèi)，即只能朝某一個(gè)固定的方向區(qū)域發(fā) 射超聲波信號(hào)。由于受到發(fā)射角度的制約，在使用普通的超聲換能器發(fā)射超聲信號(hào)來(lái)確定 目標(biāo)的位置時(shí)，就需要對(duì)準(zhǔn)方向，導(dǎo)致使用時(shí)不是非常方便靈活。
目前確定目標(biāo)的姿態(tài)定位， 一般利用光學(xué)、射頻、紅外、超聲脈沖等信號(hào)的直射波， 來(lái)進(jìn)行三角測(cè)量和相關(guān)定位技術(shù)確定目標(biāo)上若干超聲發(fā)射點(diǎn)的位置，從而確定剛體的姿 態(tài)。以上方法中都是利用測(cè)量信號(hào)的直射波，而不利用其反射波來(lái)進(jìn)行姿態(tài)定位，這是因 為測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)反射面發(fā)射后，其相位可能發(fā)生變化，使得難于利用其反射信號(hào)的相差來(lái) 定位。對(duì)于超聲波來(lái)說(shuō)，反射后的超聲波其相位可能會(huì)產(chǎn)生跳變，因而目前沒(méi)有利用反射 超聲波作為信號(hào)源來(lái)做目標(biāo)的定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種利用環(huán)向反射調(diào)幅超聲波的姿態(tài) 定位裝置及方法。本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種利用環(huán)向反射調(diào)幅超聲波的姿態(tài)定位方法，該方法利用反射調(diào)幅超聲波來(lái)測(cè)量目 標(biāo)上的多個(gè)定位點(diǎn)的位置信息，然后根據(jù)目標(biāo)上的各個(gè)定位點(diǎn)的相對(duì)位置確定目標(biāo)的姿 態(tài)，具體包括如下步驟
首先觸發(fā)目標(biāo)上的開(kāi)關(guān)傳感器，觸發(fā)后目標(biāo)就發(fā)射出請(qǐng)求定位信號(hào)，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn) 方式傳送到控制單元，當(dāng)控制單元接收到請(qǐng)求信號(hào)后，控制單元立即給該目標(biāo)中的各個(gè)定 位點(diǎn)上的發(fā)射換能器分配低頻測(cè)量信號(hào)和調(diào)制超聲頻信號(hào)，即配置分頻器的控制參數(shù)來(lái)控 制輸出超聲載頻信號(hào)頻率，隨后低頻測(cè)量信號(hào)經(jīng)超聲頻調(diào)制信號(hào)調(diào)制后通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方 式傳送到該目標(biāo)，并由其上的發(fā)射換能器發(fā)射然后通過(guò)反射器反射出去；
其后進(jìn)入接收處理過(guò)程，利用包絡(luò)檢波器調(diào)制出目標(biāo)各個(gè)定位點(diǎn)的多路測(cè)量信號(hào)，然 后這些多路測(cè)量信號(hào)送入DSP中進(jìn)行A/D采樣轉(zhuǎn)化成為多路數(shù)字信號(hào)，并且數(shù)字信號(hào)處 理單元根據(jù)該多路數(shù)字信號(hào)計(jì)算出目標(biāo)離各個(gè)接收傳感器的距離，從而得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三 維姿態(tài)信息定位。
上述的方法中，目標(biāo)上每個(gè)定位點(diǎn)的定位通過(guò)如下方法確定空間有4個(gè)不在同一平
面上的接收換能器點(diǎn)陣山、d2 、 d3和d4，其空間三維坐標(biāo)分別為(x^^)、 Oc2sy2,a)、
(A J^3)和(X4J4，Z4)，有一空間目標(biāo)點(diǎn)d距離該四個(gè)接收點(diǎn)的距離分別為/！、 /2、 /3和/4，通過(guò)三維空間幾何的計(jì)算唯一地確定這個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)0^,Z)。
實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，其包括控制單元和傳感器單元，控制單元包括數(shù)字信號(hào)處理 器、乘法器、振蕩器、分頻器和包絡(luò)檢波器，控制單元各部分的信號(hào)傳輸關(guān)系為控制單 元中各部分的信號(hào)傳輸關(guān)系為控制單元中的數(shù)字信號(hào)處理器控制分頻器將振蕩器的振蕩 信號(hào)分頻成所需的超聲載波信號(hào)，超聲載波信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生的多路測(cè)量信號(hào)通 過(guò)乘法器產(chǎn)生調(diào)幅超聲信號(hào)送到目標(biāo)器件上發(fā)射，接收傳感器陣列接收到的超聲信號(hào)和超 聲載波信號(hào)在包絡(luò)檢波檢波器中檢出幅度包絡(luò)，然后將這包絡(luò)送到數(shù)字信號(hào)處理器中處理 計(jì)算；傳感器單元包括若干目標(biāo)器件、若干接收傳感器；其中目標(biāo)器件由具有開(kāi)關(guān)功能的 傳感器、若干個(gè)發(fā)射換能器和反射器組成，目標(biāo)器件上的信號(hào)傳輸關(guān)系為目標(biāo)器件上的 開(kāi)關(guān)功能傳感器閉合時(shí)，就將控制單元傳輸過(guò)來(lái)的調(diào)幅信號(hào)發(fā)送到發(fā)射傳感器上發(fā)射，反 射后的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)目標(biāo)器件上的反射器反射后形成環(huán)向超聲發(fā)射出去；目標(biāo)器件和控制 單元之間采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接。
上述裝置中，所述目標(biāo)器件上的反射器采用高聲阻抗材料，能產(chǎn)生環(huán)向360度覆蓋的
發(fā)射超聲波信號(hào)。
上述裝置中，所述反射器采用金屬(例如鋼)或塑膠材料(例如有機(jī)玻璃)，鋼的聲 阻抗為453 g.cm—ls—1,有機(jī)玻璃的聲阻抗為32 g.cm—ls—1。
上述裝置中，所述反射器的外表曲面為錐形，并且其外表邊反射面為光滑曲面， 上述裝置中，所述反射器的經(jīng)過(guò)錐頂?shù)那忻媸怯蓛蓚€(gè)拋物線(xiàn)構(gòu)成，并且信號(hào)源位于這 兩個(gè)拋物線(xiàn)的焦點(diǎn)處，經(jīng)錐頂切面中的任一拋物線(xiàn)反射的各個(gè)反射波均相互平行。
上述裝置中，目標(biāo)器件和控制單元之間釆用無(wú)線(xiàn)連接，所述控制單元還包括射頻收發(fā) 模塊，所述傳感器單元還包括射頻收發(fā)模塊。
上述裝置中，所述具有開(kāi)關(guān)功能的傳感器為壓電傳感器或摩擦傳感器。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有本發(fā)明克服現(xiàn)有普通換能器只能發(fā)射定向區(qū)域內(nèi)的超聲信號(hào)，利用 超聲發(fā)射器件產(chǎn)生環(huán)向發(fā)射調(diào)幅超聲波，且利用反射調(diào)幅超聲波包絡(luò)不變化的特性，并通 過(guò)一個(gè)或多個(gè)此類(lèi)器件的調(diào)幅超聲波進(jìn)行指定區(qū)域內(nèi)的剛體目標(biāo)姿態(tài)定位。本發(fā)明的超聲 反射器利用普通的超聲換能器，就能產(chǎn)生環(huán)向360度覆蓋的超聲波信號(hào)。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確 進(jìn)行三維目標(biāo)姿態(tài)定位，并且裝置成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝使用方便，可以應(yīng)用于多種 姿態(tài)定位場(chǎng)合。


圖1有線(xiàn)工作方式下姿態(tài)定位裝置的系統(tǒng)組成框圖。 圖2無(wú)線(xiàn)工作方式下姿態(tài)定位裝置的系統(tǒng)組成框圖。
圖3本發(fā)明的目標(biāo)器件上的發(fā)射器和反射器件結(jié)構(gòu)切面圖(發(fā)射換能器位于反射曲 面指定點(diǎn))，圖中，301反射器，302光滑反射曲面切面，303光滑反射曲面切面，304發(fā)射換能器。
圖4信號(hào)源經(jīng)拋物線(xiàn)的反射原理示意圖，圖中，401反射后平行信號(hào)，402光滑拋物 面切面拋物線(xiàn)，403拋物面焦點(diǎn)。
圖5本發(fā)明目標(biāo)發(fā)射器件距離接收參考點(diǎn)的距離示意圖，其中SD- (SR + RD) — 圖中，501為反射器，502為發(fā)射換能器，503為接收換能器。
圖6 —種以手寫(xiě)筆為例的姿態(tài)定位(筆尖定位)示意圖。
圖7系統(tǒng)定位處理工作流程。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施方式的裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)明裝置包括控制單元和傳感器單元，控制單元 包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、乘法器、振蕩器、分頻器和包絡(luò)檢波器。傳感器單元包括一 定數(shù)量的目標(biāo)器件、若干接收換能器陣列。其中目標(biāo)器件由各類(lèi)具有開(kāi)關(guān)功能的傳感器4 (壓電、摩擦傳感器等)、若干個(gè)發(fā)射換能器(如圖中的發(fā)射換能器1、發(fā)射換能器2)和 反射器3組成。目標(biāo)和主控單元有兩種連接方式有線(xiàn)連接(圖l)和無(wú)線(xiàn)連接(圖2) 工作方式。在無(wú)線(xiàn)連接工作方式中，控制單元電路還包括射頻收發(fā)模塊，傳感器單元也還 包括射頻收發(fā)模塊。
本裝置的超聲反射器結(jié)合普通的超聲換能器，能產(chǎn)生環(huán)向360度覆蓋的發(fā)射超聲波信 號(hào)。超聲反射器的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面材料選擇和外表曲面的構(gòu)造。
本裝置的反射器采用高聲阻抗材料來(lái)制作(比如高反射率金屬材料)，使得超聲換能 器發(fā)出的超聲波盡可能無(wú)損耗地反射出去。超聲波在兩個(gè)不同傳播介質(zhì)交界面會(huì)發(fā)生發(fā)射 現(xiàn)象。設(shè)發(fā)射超聲波從第一介質(zhì)射到第二介質(zhì)上，如果入射波聲壓為iV交界面反射超
聲波的聲壓為A，它們之間的關(guān)系為
尸,=/^ (公式l)
r = ^Zj L (公式2) z2 + 4
其中r表示聲壓發(fā)射率，是一個(gè)0到1之間的數(shù)，r越大表示反射超聲波聲壓越強(qiáng)， 即界面上超聲波損耗越小。A為第一介質(zhì)的聲阻抗，Z2為第二介質(zhì)的聲阻抗。
舉例選擇金屬材料(例如鋼)或塑膠材料(例如有機(jī)玻璃)為反射器材料，因
為氣體的聲阻抗為0.00004 g.cm氣s"(克每平方厘米每秒)，鋼的聲阻抗為453 g.cm:s'1， 對(duì)應(yīng)的r為0.99999999;有機(jī)玻璃的聲阻抗為32 g.cm、s"，對(duì)應(yīng)的r為0.999998。所以利 用這類(lèi)材料作反射器，在界面上的聲壓發(fā)射率r非常地接近l，也即發(fā)射的超聲信號(hào)基本 全部都通過(guò)反射器反射出去。
本實(shí)施方式中反射器的外表曲面為任意指定錐形體，并且其外表邊(反射面)為光滑 曲面，并且可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)外表曲面的形狀。比如要產(chǎn)生環(huán)向360度的環(huán)向平行信號(hào)，就可以使用一個(gè)如圖4所示的錐形反射器，該反射器經(jīng)過(guò)錐頂?shù)那忻媸怯蓛蓚€(gè)拋物線(xiàn)構(gòu) 成，并且信號(hào)源位于這兩個(gè)拋物線(xiàn)的焦點(diǎn)處。本裝置能將信號(hào)源發(fā)出的超聲波信號(hào)通過(guò)反 射器反射后可以形成環(huán)向360度的發(fā)射波，并且在經(jīng)過(guò)錐頂切面中的任一拋物線(xiàn)反射的各 個(gè)反射波均相互平行。原理如圖3所示， 一個(gè)信號(hào)源位于拋切線(xiàn)的焦點(diǎn)，那么通過(guò)拋物線(xiàn) 切面的反射信號(hào)均為相互平行信號(hào)。
本設(shè)計(jì)的反射器件，可以產(chǎn)生環(huán)向360度的超聲波信號(hào)，解決了普通超聲換能器只能 向一定方向區(qū)域內(nèi)發(fā)射超聲波的問(wèn)題。
本發(fā)明提供一種采用光滑反射器反射的調(diào)幅超聲波來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)定位，確定剛體目標(biāo)的 姿態(tài)，其定位原理如下
反射調(diào)幅超聲波包絡(luò)不變的原理:利用反射后的調(diào)幅超聲波來(lái)定位，反射超聲波只影響 超聲波的相位，不影響其包絡(luò)。故采用一個(gè)或幾個(gè)低頻測(cè)量疊加信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)調(diào)幅超 聲波，發(fā)射調(diào)幅后的超聲波即可測(cè)量發(fā)射和接收點(diǎn)之間的距離。具體的距離測(cè)量采用專(zhuān)利 "利用多頻聲波進(jìn)行三維多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的方法與裝置"(申請(qǐng)?zhí)?00810198166.3)中 所述的目標(biāo)點(diǎn)與一個(gè)接收點(diǎn)的距離計(jì)算方法計(jì)算。即根據(jù)接收點(diǎn)接收并解調(diào)后的測(cè)量信號(hào) 的動(dòng)態(tài)多普勒頻率偏移和相位差計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)離各個(gè)接收點(diǎn)的距離。
本發(fā)明利用反射超聲波信號(hào)來(lái)進(jìn)行定位，這與前一個(gè)專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?00810198166.3) 不同，其測(cè)距原理如圖5所示，信號(hào)源(圖5中"S"點(diǎn))發(fā)出的超聲波經(jīng)過(guò)反射器反 射后(圖5中"R"點(diǎn)為反射點(diǎn))到達(dá)接收參考點(diǎn)(圖5中"D"點(diǎn))，那么信號(hào)源與接 收參考點(diǎn)的距離為
"=(^+U) —△ (公式3)
其中^+^o可由前一個(gè)專(zhuān)利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?00810198166.3)中所述的目標(biāo)點(diǎn)與一 個(gè)接收點(diǎn)的距離計(jì)算方法計(jì)算進(jìn)行計(jì)算，A是補(bǔ)償因子，初始化根據(jù)參考點(diǎn)的距離差來(lái)確 定。
本發(fā)明利用反射調(diào)幅超聲波來(lái)測(cè)量目標(biāo)上的多個(gè)定位點(diǎn)(發(fā)射換能器)位置信息，然 后根據(jù)目標(biāo)上的各個(gè)定位點(diǎn)的相對(duì)位置確定目標(biāo)的姿態(tài)。目標(biāo)上每個(gè)定位點(diǎn)(發(fā)射換能器) 的定位原理空間有4個(gè)不在同一平面上的參考點(diǎn)(接收換能換能器點(diǎn)陣)山、d2 、d3和
dt，其空間三維坐標(biāo)分別為(;CU!,Zi)、 (JC2sy2,Z2)、 (A ^A)和0C4J^4)。有一空間目標(biāo)點(diǎn)d距 離四個(gè)參考點(diǎn)的距離分別為h、 /2、 /3和/4，那么這個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)(X,乂Z)唯一確定。
對(duì)于目標(biāo)姿態(tài)的確定，本發(fā)明以一種手寫(xiě)板中的手寫(xiě)筆姿態(tài)確走為例加以說(shuō)明。如圖
6所示，手寫(xiě)板系統(tǒng)中的手寫(xiě)筆，需定位的是手寫(xiě)筆的筆尖， 一般筆尖很小，其上不可能 放一個(gè)發(fā)射器，因此筆尖的定位就需要通過(guò)筆的姿態(tài)來(lái)間接計(jì)算得到。利用本專(zhuān)利的反射 調(diào)幅超聲波測(cè)距方法可以得到圖6目標(biāo)筆上的兩個(gè)發(fā)射換能器的參考坐標(biāo)，分別為Ocu^)
7和0C2^A)，并且由于圖6中的換能器2在筆尖和換能器1的中點(diǎn)上，那么筆尖的三維坐 標(biāo)(x ，y,z)為
=2x2_A
少=2少2一乂
z—2z2-A
本發(fā)明的工作過(guò)程為首先觸發(fā)目標(biāo)上的開(kāi)關(guān)傳感器，觸發(fā)后目標(biāo)就發(fā)射出特定的請(qǐng) 求定位信號(hào)，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳送到控制單元。當(dāng)控制單元接收到請(qǐng)求信號(hào)后，控制 單元立即給該目標(biāo)中的各個(gè)定位點(diǎn)(發(fā)射換能器)分配特定的低頻測(cè)量信號(hào)和調(diào)制超聲頻 信號(hào)，即配置分頻器(控制輸出超聲載頻信號(hào)頻率)的控制參數(shù)。隨后低頻測(cè)量信號(hào)經(jīng)超 聲頻調(diào)制信號(hào)調(diào)制后通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳送到該目標(biāo)，并由其上的發(fā)射換能器發(fā)射然后 通過(guò)反射器反射出去。
其后接收處理過(guò)程開(kāi)始啟動(dòng)，利用包絡(luò)檢波器調(diào)制出目標(biāo)各個(gè)定位點(diǎn)的多路測(cè)量信 號(hào)，然后這些多路測(cè)量信號(hào)送入DSP中進(jìn)行A/D采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)化成為多路數(shù)字信號(hào)，并且
數(shù)字信號(hào)處理單元根據(jù)這多路數(shù)字信號(hào)計(jì)算出目標(biāo)離各個(gè)接收傳感器的距離，從而得到運(yùn) 動(dòng)目標(biāo)的三維姿態(tài)信息定位。最后計(jì)算出的三維姿態(tài)信息被送到裝置輸出端輸出，輸出端 可以接到計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備上做進(jìn)一步的應(yīng)用處理。
本發(fā)明定位裝置的工作步驟如圖7所示，具體如下 步驟1目標(biāo)物體開(kāi)關(guān)傳感器發(fā)射一開(kāi)始請(qǐng)求定位信號(hào)，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳送到 控制單元。
應(yīng)用舉例手寫(xiě)板系統(tǒng)中的手寫(xiě)筆，需定位的是手寫(xiě)筆的筆尖， 一般筆尖很小，其上 不可能放一個(gè)發(fā)射器在上面，那么筆尖的定位就需要通過(guò)筆的姿態(tài)來(lái)間接計(jì)算出來(lái)。當(dāng)筆 寫(xiě)的時(shí)候，筆尖上的壓力傳感器感受到壓力就通過(guò)發(fā)射換能器發(fā)射一個(gè)特定頻率的超聲請(qǐng) 求信號(hào)，表明電子筆開(kāi)始書(shū)寫(xiě)，請(qǐng)求姿態(tài)定位。
步驟2 接收到請(qǐng)求信號(hào)后，控制單元分配低頻測(cè)量信號(hào)和調(diào)制超聲波頻，配置分 頻器控制參數(shù)。
本發(fā)明可同時(shí)檢測(cè)目標(biāo)上的多個(gè)定位點(diǎn)，每個(gè)定位點(diǎn)的區(qū)分可以通過(guò)1)每個(gè)運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)分配相同的測(cè)量頻率、不同的超聲載波；2)每個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分配相同的超聲載波、不 同的測(cè)量頻率；3 )每個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分配相同的超聲載頻和測(cè)量頻率但是不同時(shí)間發(fā)送等方 式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣根據(jù)實(shí)際情況確定。
步驟3 測(cè)量信號(hào)通過(guò)超聲頻調(diào)制信號(hào)調(diào)制后通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送到目標(biāo)的換 能傳感器發(fā)射，然后通過(guò)反射器反射出去。
為了避開(kāi)干擾，易于發(fā)射，降低電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)速度，將測(cè)量信號(hào)調(diào)制到超聲波頻段發(fā)射。多聲頻測(cè)量信號(hào)經(jīng)由超聲頻載波信號(hào)調(diào)幅后，送到發(fā)射換能器轉(zhuǎn)化成超聲波信號(hào)發(fā)射，
在經(jīng)反射器反射出去，形成環(huán)向360度信號(hào)覆蓋。
步驟4 接收解調(diào)，A/D采樣模數(shù)轉(zhuǎn)化后成為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算姿態(tài)定位信息。 接收包絡(luò)檢波，解調(diào)后的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP中的A/D采樣單元后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，
送到數(shù)字信號(hào)處理單元計(jì)算姿態(tài)定位。
應(yīng)用舉例以手寫(xiě)板系統(tǒng)中的手寫(xiě)筆為例，圖6所示。首先計(jì)算出筆上兩個(gè)定位點(diǎn)的
三維坐標(biāo)，然后根據(jù)(公式四)就可以得到筆尖的位置。
權(quán)利要求
1、一種利用環(huán)向反射調(diào)幅超聲波的姿態(tài)定位方法，其特征在于利用反射調(diào)幅超聲波來(lái)測(cè)量目標(biāo)上的多個(gè)定位點(diǎn)的位置信息，然后根據(jù)目標(biāo)上的各個(gè)定位點(diǎn)的相對(duì)位置確定目標(biāo)的姿態(tài)，具體包括如下步驟首先觸發(fā)目標(biāo)上的開(kāi)關(guān)傳感器，觸發(fā)后目標(biāo)就發(fā)射出請(qǐng)求定位信號(hào)，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳送到控制單元，當(dāng)控制單元接收到請(qǐng)求信號(hào)后，控制單元立即給該目標(biāo)中的各個(gè)定位點(diǎn)上的發(fā)射換能器分配低頻測(cè)量信號(hào)和調(diào)制超聲頻信號(hào)，即配置分頻器的控制參數(shù)來(lái)控制輸出超聲載頻信號(hào)頻率，隨后低頻測(cè)量信號(hào)經(jīng)超聲頻調(diào)制信號(hào)調(diào)制后通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳送到該目標(biāo)，并由其上的發(fā)射換能器發(fā)射然后通過(guò)反射器反射出去；其后進(jìn)入接收處理過(guò)程，利用包絡(luò)檢波器調(diào)制出目標(biāo)各個(gè)定位點(diǎn)的多路測(cè)量信號(hào)，然后這些多路測(cè)量信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行A/D采樣轉(zhuǎn)化成為多路數(shù)字信號(hào)，并且數(shù)字信號(hào)處理單元根據(jù)該多路數(shù)字信號(hào)計(jì)算出目標(biāo)離各個(gè)接收傳感器的距離，從而得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維姿態(tài)信息定位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于目標(biāo)上每個(gè)定位點(diǎn)的定位通過(guò)方法確定 空間有4個(gè)不在同一平面上的接收換能器點(diǎn)陣di、 d2 、 d3和山，其空間三維坐標(biāo)分別 為0Cl,》,Zl)、 (X2,",Z2)、 (JC3 ,刃；3)和(JC4j;4,Z4)，有一空間目標(biāo)點(diǎn)d距離該四個(gè)接收點(diǎn)的距離 分別為"、/2、 /3和/4，通過(guò)三維空間幾何的計(jì)算唯一地確定這個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)OCJ力。
3、實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述的方法的裝置，其特征在于包括控制單元和傳感器單元，控制單元包括數(shù)字信號(hào)處理器、乘法器、振蕩器、分頻器和包絡(luò)檢波器，控制單元中各部分的信號(hào)傳輸關(guān)系為控制單元中的數(shù)字信號(hào)處理器控制分頻器將振蕩器的振蕩信號(hào)分頻成所需的超聲載波信號(hào)，超聲載波信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生的多路測(cè)量信號(hào)通過(guò)乘法器 產(chǎn)生調(diào)幅超聲信號(hào)送到目標(biāo)器件上發(fā)射，接收傳感器陣列接收到的超聲信號(hào)和超聲載波信號(hào)在包絡(luò)檢波檢波器中檢出幅度包絡(luò)，然后將這包絡(luò)送到數(shù)字信號(hào)處理器中處理計(jì)算；傳 感器單元包括若干目標(biāo)器件、若干接收傳感器；其中目標(biāo)器件由具有開(kāi)關(guān)功能的傳感器、若干個(gè)發(fā)射換能器和反射器組成，目標(biāo)器件上的信號(hào)傳輸關(guān)系為目標(biāo)器件上的開(kāi)關(guān)功能傳感器閉合時(shí)，就將控制單元傳輸過(guò)來(lái)的調(diào)幅信號(hào)發(fā)送到發(fā)射傳感器上發(fā)射，反射后的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)目標(biāo)器件上的反射器反射后形成環(huán)向超聲發(fā)射出去；目標(biāo)器件和控制單元之間 采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述目標(biāo)器件上的反射器釆用高聲阻抗 材料，能產(chǎn)生環(huán)向360度覆蓋的發(fā)射超聲波信號(hào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述反射器采用采用金屬材料(例如鋼) 或塑膠材料(例如有機(jī)玻璃)，鋼或有機(jī)玻璃材料，鋼的聲阻抗為453 g.cm-2.s4，有機(jī)玻 璃的聲阻抗為32 g.cm'ls'1。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述反射器的外表曲面為錐形，并且其外表邊反射面為光滑曲面，
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述反射器的經(jīng)過(guò)錐頂?shù)那忻媸怯蓛蓚€(gè) 拋物線(xiàn)構(gòu)成，并且信號(hào)源位于這兩個(gè)拋物線(xiàn)的焦點(diǎn)處，經(jīng)錐頂切面中的任一拋物線(xiàn)反射的 各個(gè)反射波均相互平行。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于目標(biāo)器件和控制單元之間采用無(wú)線(xiàn)連接， 所述控制單元還包括射頻收發(fā)模塊，所述傳感器單元還包括射頻收發(fā)模塊。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述具有開(kāi)關(guān)功能的傳感器為壓電傳感 器或摩擦傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用環(huán)向反射調(diào)幅超聲波的姿態(tài)定位裝置及方法，所述方法利用反射調(diào)幅超聲波來(lái)測(cè)量目標(biāo)上的多個(gè)定位點(diǎn)的位置信息，然后根據(jù)目標(biāo)上的各個(gè)定位點(diǎn)的相對(duì)位置確定目標(biāo)的姿態(tài)。所述裝置包括控制單元和傳感器單元，控制單元包括數(shù)字信號(hào)處理器、乘法器、振蕩器、分頻器和包絡(luò)檢波器；傳感器單元包括若干目標(biāo)器件、若干接收傳感器；其中目標(biāo)器件由具有開(kāi)關(guān)功能的傳感器、若干個(gè)發(fā)射換能器和反射器組成；目標(biāo)和主控單元之間采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確進(jìn)行三維目標(biāo)姿態(tài)定位，并且裝置成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝使用方便，可以應(yīng)用于多種姿態(tài)定位場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01S5/30GK101482608SQ200910037458
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者寧更新, 崗 韋 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)