[發明專利]一種利用環向反射調幅超聲波的姿態定位裝置及方法

無效

• 申請號: 200910037458.3
• 申請日: 2009-02-27
• 公開（公告）號: CN101482608A
• 公開（公告）日: 2009-07-15
• 發明（設計）人: 韋崗;寧更新
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01S5/30
• 分類號: G01S5/30;G01S15/08;G01S7/523
• 代理公司: 廣州粵高專利代理有限公司
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明屬于超聲定位技術領域，具體涉及一種利用超聲發射器件產生環向發射調幅超聲波進行指定區域內的剛體目標姿態定位的裝置及方法。

背景技術

目前常用的超聲換能器的發射角度在90度以內，即只能朝某一個固定的方向區域發射超聲波信號。由于受到發射角度的制約，在使用普通的超聲換能器發射超聲信號來確定目標的位置時，就需要對準方向，導致使用時不是非常方便靈活。

目前確定目標的姿態定位，一般利用光學、射頻、紅外、超聲脈沖等信號的直射波，來進行三角測量和相關定位技術確定目標上若干超聲發射點的位置，從而確定剛體的姿態。以上方法中都是利用測量信號的直射波，而不利用其反射波來進行姿態定位，這是因為測量信號經過反射面發射后，其相位可能發生變化，使得難于利用其反射信號的相差來定位。對于超聲波來說，反射后的超聲波其相位可能會產生跳變，因而目前沒有利用反射超聲波作為信號源來做目標的定位。

發明內容

本發明為了克服現有技術存在的上述不足，提供一種利用環向反射調幅超聲波的姿態定位裝置及方法。本發明通過如下技術方案實現：

一種利用環向反射調幅超聲波的姿態定位方法，該方法利用反射調幅超聲波來測量目標上的多個定位點的位置信息，然后根據目標上的各個定位點的相對位置確定目標的姿態，具體包括如下步驟：

首先觸發目標上的開關傳感器，觸發后目標就發射出請求定位信號，通過有線或無線方式傳送到控制單元，當控制單元接收到請求信號后，控制單元立即給該目標中的各個定位點上的發射換能器分配低頻測量信號和調制超聲頻信號，即配置分頻器的控制參數來控制輸出超聲載頻信號頻率，隨后低頻測量信號經超聲頻調制信號調制后通過有線或無線方式傳送到該目標，并由其上的發射換能器發射然后通過反射器反射出去；

其后進入接收處理過程，利用包絡檢波器調制出目標各個定位點的多路測量信號，然后這些多路測量信號送入DSP中進行A/D采樣轉化成為多路數字信號，并且數字信號處理單元根據該多路數字信號計算出目標離各個接收傳感器的距離，從而得到運動目標的三維姿態信息定位。

上述的方法中，目標上每個定位點的定位通過如下方法確定：空間有4個不在同一平面上的接收換能器點陣d₁、d₂、d₃和d₄，其空間三維坐標分別為(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，₂₃)和(x₄，y₄，z₄)，有一空間目標點d距離該四個接收點的距離分別為l₁、l₂、l₃和l₄，通過三維空間幾何的計算唯一地確定這個目標的坐標(x，y，z)。

實現上述方法的裝置，其包括控制單元和傳感器單元，控制單元包括數字信號處理器、乘法器、振蕩器、分頻器和包絡檢波器，控制單元各部分的信號傳輸關系為：控制單元中各部分的信號傳輸關系為：控制單元中的數字信號處理器控制分頻器將振蕩器的振蕩信號分頻成所需的超聲載波信號，超聲載波信號和數字信號處理器產生的多路測量信號通過乘法器產生調幅超聲信號送到目標器件上發射，接收傳感器陣列接收到的超聲信號和超聲載波信號在包絡檢波檢波器中檢出幅度包絡，然后將這包絡送到數字信號處理器中處理計算；傳感器單元包括若干目標器件、若干接收傳感器；其中目標器件由具有開關功能的傳感器、若干個發射換能器和反射器組成，目標器件上的信號傳輸關系為：目標器件上的開關功能傳感器閉合時，就將控制單元傳輸過來的調幅信號發送到發射傳感器上發射，反射后的超聲信號經過目標器件上的反射器反射后形成環向超聲發射出去；目標器件和控制單元之間采用有線或無線連接。

上述裝置中，所述目標器件上的反射器采用高聲阻抗材料，能產生環向360度覆蓋的發射超聲波信號。

上述裝置中，所述反射器采用金屬(例如：鋼)或塑膠材料(例如：有機玻璃)，鋼的聲阻抗為453g.cm^-2.s^-1，有機玻璃的聲阻抗為32g.cm^-2.s^-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，