CN201266322Y

CN201266322Y - 超声波目标定位与跟踪装置

Info

Publication number: CN201266322Y
Application number: CNU2008201601693U
Authority: CN
Inventors: 王富东; 陈婷; 张玉芳; 范腾
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2018-09-27

Abstract

本实用新型公开了一种超声波目标定位与跟踪装置，包括一组超声波收发装置、定位模块和跟踪模块，所述定位模块和跟踪模块由微控制器及驱动电路与执行机构构成，其特征在于：所述超声波收发装置主要由一个超声波信号发射器以及偶数个超声波信号接收器构成，所述超声波信号接收器对称分布于超声波信号发射器的两侧。本实用新型可以实现对目标的定位，结构简单，适用范围广。

Description

超声波目标定位与跟踪装置

技术领域

本实用新型涉及一种目标定位装置，具体涉及一种采用超声波实现的目标定位与跟踪装置。

背景技术

超声波测距***原理简单，易于实现，成本低廉，因而已经在生产生活中得到广泛的应用。典型的应用有超声波物(料)位测量、障碍物距离测量、河床深度测量、倒车雷达、等等，都已经有了成熟的产品。其原理都是通过主动发射脉冲超声波，再检测回波信号的返回时间，通过计算后得到目标的距离。

在此基础上，如果能够确定目标的方位，则可以实现对于目标的定位。这对于很多实际应用(如机器人***)具有重要的意义。

中国发明专利申请CN101226405A公开了一种基于超声波源的二维定位控制***，包括两个静止超声波基站、安装在受控二维平面作业的机械上的超声波收发器和定位控制器，超声波基站在收到超声波信号后转发超声波信号，定位控制器包括距离计算模块，用于计算当前点与两个超声波基站的距离L1和L2，目标点与两个超声波基站的距离L3和L4；数据存储模块，用于存储两个静止超声波基站之间的距离L、L1和L2、L3和L4；定位移动控制模块，用于当机械从当前点移动到目标点时，通过X轴和Y轴移动来实现，将所述X轴和Y轴移动距离控制指令输出到机械的X轴受控电机和Y轴受控电机。该控制***可以实现二维平面上的定位，但其至少需要3对超声波发送器和接收器，结构比较复杂，成本较高；并且其中一对需要安装在待定位的目标上，而在很多应用场合，给目标加装超声波收发器是不现实的。由此限制了该定位装置的应用场合。

发明内容

本实用新型目的是提供一种结构简单的超声波目标定位与跟踪装置，不需要在目标上安装超声波收发器，即可实现对目标的定位与跟踪。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种超声波目标定位与跟踪装置，包括至少一组超声波收发装置、定位模块和跟踪模块，所述定位模块和跟踪模块由微控制器及驱动电路与执行机构构成，所述超声波收发装置包括一个超声波信号发射器以及偶数个超声波信号接收器，所述超声波信号接收器对称分布于超声波信号发射器的两侧。

上述技术方案中，所述定位模块是根据超声波信号的往返时间差及本实用新型的原理进行计算，以确定目标的距离和方位的模块，可以由微控制器实现；所述跟踪模块是根据物体的方位确定装置的运动方向的模块，通常由微控制器及驱动电路与执行机构构成，通过例如电机等装置驱动携带本装置的载体运动，实现跟踪。

进一步的技术方案，设有2个所述超声波信号接收器，所述超声波信号发射器与2个超声波信号接收器位于一条直线上，且超声波信号发射器发射强度最大的方向与该直线垂直。

为了实现对不同距离的目标的定位，需要调整超波信号接收器至超声波信号发射器的距离，当目标较远时，增加所述距离，当目标较近时，减小所述距离。由此，一种实现方案是：所述2个超声波信号接收器设于一间距调整机构上，所述间距调整机构的运动方向与超声波信号接收器和超声波信号发射器的连线方向平行。

优选的技术方案是，所述超声波信号接收器与超声波信号发射器间的距离为被测目标距离的1/4～1/2之间，以1/2距离为最佳。

另一种实现方案是：设有至少2对所述超声波信号接收器，每对中的2个接收器相对发射器对称分布。根据需要，可以设置2对、3对或更多的接收器，以根据目标的距离情况切换选择使用对应的接收器对。

上述技术方案中，还可以设有显示模块，所述显示模块与所述微控制器的输出端电连接。显示模块用于显示目标的方位和距离。

上述技术方案中，可以设有由微控制器控制的移动机构，所述的移动机构装载着超声波目标定位与跟踪装置的所有部件，并能够在微控制器的控制下向目标方向移动，从而实现对于目标的跟踪。

本实用新型的工作原理说明如下：

参见附图1所示，先将超声波传感器和目标都理想化为一个点。***采用一个超声波发射器(SP)和两个对称配置相互距离为2S的超声波接收器(R1、R2)。

利用超声波测量距离的方法，可以得到从发射器到两个接收器之间的超声波的往返传送时间t1和t2，它们与距离L+L1和L+L2成正比，v为超声波传播速度，利用三角关系经过计算后可以得到平均距离L(即从发射器到目标之间的距离)以及方位角

之间的关系如下：

L1+L＝v×t1＝C1

L2+L＝v×t2＝C2

经过简单的推导后可以得到：

L = \frac{{C 1}^{2} + {C 2}^{2} - {2 S}^{2}}{2 (C 1 + C 2)};

若L1>L2，则有

反之，则有

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有的优点是：

1、由于本实用新型相对于超声波信号发射器对称设置了接收器，利用三角关系，可以实现对目标的定位，而不需要在目标上设置超声波装置，由此，结构简单，适用范围广。

2、本实用新型的装置对于单个小尺寸独立物体的定位效果很好，实验中在相当大的范围内移动目标都能够进行准确的定位，通过选择合适的超声波传感器和检测电路，最大探测距离可达5米，最大探测角可达120度。

3、通过与跟踪模块的配合，可以实现对目标的跟踪，适合于制作例如玩具、智能机器人等产品。

附图说明

图1是超声波目标定位的基本原理示意图；

图2是实施例一的装置电路组成结构示意框图；

图3是实施例二的间距调整机构示意图；

图4是实施例二的装置电路组成结构示意框图；

图5是实施例三的装置电路组成结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：参见附图2所示，一种超声波目标定位与跟踪装置，包括一组超声波收发装置、定位模块、跟踪模块和显示模块，所述定位模块和跟踪模块由微控制器及驱动电路与执行机构，所述显示模块与所述微控制器的输出端电连接，所述超声波收发装置由一个超声波信号发射器以及2个超声波信号接收器构成，所述超声波信号接收器对称分布于超声波信号发射器的两侧，2个超声波信号接收器至超声波信号发射器的距离相等。所述超声波信号发射器包括由微控制器驱动的超声波信号驱动放大器、发声装置SP；所述超声波信号接收器包括2个超声波传感器R1、R2，超声波信号放大、滤波与检波电路，其输出连接微控制器的输入端口。超声波信号发射器与2个超声波信号接收器位于一条直线上，且超声波信号发射器发射强度最大的方向与该直线垂直。超声波信号接收器与超声波信号发射器间的距离为100～500毫米。

本实施例中的装置的实现除了需要超声波的驱动与检测电路外，还需要利用微控制器进行相应的数学计算、结果显示与整体控制。***结构框图如图2所示。

在图2中，由微控制器(MCU)发出一个经过调制的超声波脉冲波，同时启动计时器开始计时。接收传感器接收到的回波信号经过放大、滤波与检波电路处理后得到一个变化的电平信号送到微控制器。微控制器对两个接收信号进行计算后即可得到目标物体的方位信息。这些信息可以在显示模块中以所需要的形式进行显示，同时也提供给跟踪模块以进行对于目标的跟踪控制。

本实施例中，可以选用任何一种能实现上述功能的微控制器；显示电路可以采用数码管显示或者液晶显示器。

本实施例的装置对于单个小尺寸独立物体的定位效果很好，实验中在相当大的范围内移动目标都能够进行准确的定位。通过选择合适的超声波传感器和检测电路，最大探测距离可达5米，最大探测角可达120度。

本实施例可以配合其它结构，构成具有定位与跟踪功能的装置。

例如：

自动跟踪物体的玩具：

在能够自主移动的玩具，例如玩具狗上安装该装置，就能够测量周围一定距离内物体的距离和方位，并且通过控制自身的运动装置向目标移动。在有效距离内探测不到物体时，则一边原地转动，一边继续探测。这样的玩具将更具有趣味性和娱乐性。

供盲人使用的障碍物探测器：

可以利用该装置制作成供盲人使用的障碍物探测器。目标的距离和方位信息通过立体声耳机发出的特殊间歇报警音给出。距离越近，间歇音的间隔越短，直至连续。目标在正前方时，两个耳机所发出的声音音量是一样的。目标偏左，则左边的耳机音量大于右边；反之，则右边的耳机音量大于左边。角度偏差越大，则音量差也越大，直至一侧的声音完全消失。这样的装置可以给盲人提供一定的周围环境的信息。

安装在机器人上的环境感知***：

可以利用该装置制作自主移动机器人感知周围环境的传感器(超声波雷达)。在理想的情况下可以形成周围物体的粗略图象，以便机器人进行避障运动和运动路径的规划。

实施例二：参见附图3和附图4所示，一种超声波目标定位与跟踪装置，其基本结构与实施例一相同，其中，所述2个超声波信号接收器设于一个间距调整机构上，所述间距调整机构的运动方向与超声波信号接收器和超声波信号发射器的连线方向平行。本实施例的间距调整机构可以采用一双出头电机，电机的两个输出端分别连接左旋螺杆和右旋螺杆，实现超声波信号接收器间距的同步调整。

使用时，利用微控制器控制间距调整机构的运动，在保证2个超声波信号接收器对称布置的前提下，改变其与发射器之间的距离，从而适用于不同远近的目标的定位。

实施例三：参见附图5所示，一种超声波目标定位与跟踪装置，其基本结构与实施例一相同，其中，对称配置2对以上的接收传感器R1、......、Rn，当目标较远时使用外侧的传感器，而目标较近时使用内侧的传感器。

Claims

1.一种超声波目标定位与跟踪装置，包括一组超声波收发装置、定位模块和跟踪模块，所述定位模块和跟踪模块由微控制器及驱动电路与执行机构构成，其特征在于：所述超声波收发装置主要由一个超声波信号发射器以及偶数个超声波信号接收器构成，所述超声波信号接收器对称分布于超声波信号发射器的两侧。

2.根据权利要求1所述的超声波目标定位与跟踪装置，其特征在于：设有2个所述超声波信号接收器，所述超声波信号发射器与2个超声波信号接收器位于一条直线上，且超声波信号发射器发射强度最大的方向与该直线垂直。

3.根据权利要求1所述的超声波目标定位与跟踪装置，其特征在于：所述2个超声波信号接收器设于一间距调整机构上，所述间距调整机构的运动方向与超声波信号接收器和超声波信号发射器的连线方向平行。

4.根据权利要求1或3所述的超声波目标定位与跟踪装置，其特征在于：所述超声波信号接收器与超声波信号发射器间的距离在被测目标距离的1/4～1/2之间。

5.根据权利要求1所述的超声波目标定位与跟踪装置，其特征在于：设有至少2对所述超声波信号接收器，每对中的2个接收器相对发射器对称分布。

6.根据权利要求1所述的超声波目标定位与跟踪装置，其特征在于：设有信息显示模块，所述信息显示模块与所述微控制器的输出端电连接。

7.根据权利要求1所述的超声波目标定位与跟踪装置，其特征在于：设有由微控制器控制的移动机构，所述超声波收发装置、定位模块和跟踪模块安装于所述移动机构上。