RU131500U1 - SYSTEM OF MULTI-POSITION ULTRASONIC ECHOLOCATION FOR DETERMINING THE POSITION AND / OR IDENTIFICATION OF THE FORM OF OBJECTS IN PLANE SPACE - Google Patents

Abstract

1. Система многопозиционной ультразвуковой эхолокации для определения положения и/или идентификации формы объектов в плоском пространстве, выполненная с возможностью определения положения объектов по длительности распространения прямого и отраженного сигнала с помощью излучателя ультразвуковых колебаний и приемника ультразвуковых колебаний, отличающаяся тем, что содержит не менее одного ультразвукового излучателя и не менее двух приемников либо не менее двух ультразвуковых излучателей и не менее одного приемника, причем излучатели выполнены с возможностью формирования панорамных и/или секторных звуковых колебаний в плоскости контрапертурным и/или полуконтрапертурным способом и/или посредством многоэлементных конвексных фазированных решеток и/или других угловых (секторных) излучателей.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнена таким образом, что излучатели являются также и приемниками.1. The system of multi-position ultrasonic echolocation for determining the position and / or identification of the shape of objects in a flat space, made with the possibility of determining the position of objects by the duration of the propagation of the direct and reflected signal using an ultrasonic vibrations emitter and an ultrasonic vibrations receiver, characterized in that it contains at least one an ultrasonic emitter and at least two receivers or at least two ultrasonic emitters and at least one receiver, the emitter and are configured to generate panoramic and / or sectorial sound vibrations in the plane in a counter-aperture and / or semicontrapert method and / or by means of multi-element convex phased arrays and / or other angular (sector) emitters. 2. The system according to claim 1, characterized in that it is made in such a way that the emitters are also receivers.

Description

Полезная модель относится к системам обнаружения и определения местонахождения и/или идентификации формы объектов посредством многопозиционного излучения или переизлучения и приема ультразвука, направленного в плоском пространстве. Более конкретно полезная модель относится к системам многопозиционной ультразвуковой локации объектов в плоском пространстве и может быть использована как для обнаружения вещественных (физических) объектов, их местонахождения, перемещения, формы, так и для ввода управляющей информации в различные электронные устройства.The utility model relates to systems for detecting and determining the location and / or identification of the shape of objects by means of multiposition radiation or re-radiation and reception of ultrasound directed in a flat space. More specifically, the utility model relates to systems of multi-position ultrasonic location of objects in a flat space and can be used both for detecting material (physical) objects, their location, movement, shape, and for entering control information into various electronic devices.

Из уровня техники известна технология ультразвуковой диагностики [http://euromedcompany.ru/ultrazvuk/klinicheskoe-rukovodstvo-po-ultrazvukovoj-diagnostike#Glava2]. В этой технологии ультразвук излучается в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения, которые и фиксируются различными датчиками.The prior art technology for ultrasound diagnosis [http://euromedcompany.ru/ultrazvuk/klinicheskoe-rukovodstvo-po-ultrazvukovoj-diagnostike#Glava2]. In this technology, ultrasound is emitted in the form of short pulses (pulsed). It is generated when short electrical impulses are applied to the piezoelectric element. Additional parameters are used to characterize pulsed ultrasound. When ultrasound passes through tissues at the interface between media with different acoustic impedances and the speed of ultrasound, reflection, refraction, scattering and absorption phenomena occur, which are detected by various sensors.

Недостатком такой технологии являются - ограниченность, сложность измерений, низкокачественные изображения УЗИ, дороговизна устройств вследствие наличия множества датчиков и множества форм измерений. Объясняется это тем, что при измерении используется только 1 луч и все данные собирают по динамике изменения расстояний отраженных сигналов.The disadvantage of this technology is limitedness, complexity of measurements, low-quality images of ultrasound, the high cost of devices due to the presence of many sensors and many forms of measurements. This is explained by the fact that when measuring, only 1 beam is used and all data is collected on the dynamics of changes in the distances of the reflected signals.

Из уровня техники и природы известны различные системы и методы многопозиционной локации объектов и плоской фокусировки звука (JР 60052782, JР 60052785, JР 60181674, US 4638467, WO 2007030016, US 2011118603, RU 2221494, RU 2030900, RU 2065289, RU 2065289, ЕР 0369127А2 и другие), функционирующие на основе радиолокации с использованием методов триангуляции (определения координат объектов по угловым параметрам и базису) и методов трилатерации (определения координат объектов по измеренным расстояниям до объектов и базису).Various systems and methods are known from the prior art and nature for multi-position location of objects and flat focusing of sound (JP 60052782, JP 60052785, JP 60181674, US 4638467, WO 2007030016, US 2011118603, RU 2221494, RU 2030900, RU 2065289, RU 2065289, EP 0369127A and others) that operate on the basis of radar using triangulation methods (determining the coordinates of objects by angular parameters and a basis) and trilateration methods (determining coordinates of objects by measured distances to objects and a basis).

В таких системах ультразвуковой эхолокации для определения положения и/или идентификации формы объектов методом триангуляционного определения их положения по длительности распространения прямого и отраженного сигнала также используют как правило один источник излучения (хотя может иметь и несколько генерирующих частот) и один приемник. Излучатели в системе создают панорамные и/или секторные звуковые колебания в объемном пространстве, что также связано с возникающей проблемой неоднозначности результатов измерений. Недостатками таких известных технологий являются - ограниченность, сложность измеряемых устройств, дороговизна устройств. Объясняется это тем, что ультразвуковой локатор содержит дополнительное множество сложных устройств, например, таких как высокочастотные генератор и усилитель, низкочастотный и резонансный усилители, приемник и громкоговоритель, амплитудный ограничитель, частотный детектор, выпрямитель, интегратор, компаратор, схема формирования микротактов, генераторы импульсов, схема реверсивного счета, блоки счетчиков, схема совпадения, умножитель частоты.In such systems of ultrasonic echolocation, to determine the position and / or to identify the shape of objects by triangulating determination of their position by the duration of the propagation of the direct and reflected signal, they also usually use one radiation source (although it can have several generating frequencies) and one receiver. The emitters in the system create panoramic and / or sectorial sound vibrations in the volumetric space, which is also associated with the arising problem of ambiguity of the measurement results. The disadvantages of such well-known technologies are limited, the complexity of the measured devices, the high cost of the devices. This is explained by the fact that the ultrasonic locator contains an additional set of complex devices, for example, such as a high-frequency generator and amplifier, low-frequency and resonant amplifiers, a receiver and a loudspeaker, an amplitude limiter, a frequency detector, a rectifier, an integrator, a comparator, a microtact circuit, pulse generators, reverse counting circuit, counter blocks, coincidence circuit, frequency multiplier.

Техническим результатом заявленного решения является возможность определения положения и/или идентификации формы объектов в плоском пространстве или в трехмерном пространстве простым и дешевым способом.The technical result of the claimed solution is the ability to determine the position and / or identification of the shape of objects in a flat space or in three-dimensional space in a simple and cheap way.

Указанный технический результат достигается за счет того, что система многопозиционной ультразвуковой эхолокации для определения положения и/или идентификации формы объектов в плоском пространстве, выполненная с возможностью определением положения объектов по длительности распространения прямого и отраженного сигнала с помощью излучателя ультразвуковых колебаний и приемника ультразвуковых колебаний, отличающаяся тем, что содержит не менее одного ультразвукового излучателя и не менее двух приемников, либо не менее двух ультразвуковых излучателей и не менее одного приемника, причем излучатели выполнены с возможностью формирования панорамных и/или секторных звуковых колебаний в плоскости контрапертурным и/или полуконтрапертурным способом и/или посредством многоэлементных конвексных фазированных решеток и/или других угловых (секторных) излучателей. Система может быть выполнена таким образом, что излучатели являются также и приемниками.The specified technical result is achieved due to the fact that the system of multi-position ultrasonic echolocation for determining the position and / or identification of the shape of objects in flat space, made with the possibility of determining the position of objects by the duration of the propagation of the direct and reflected signal using an ultrasonic oscillator and an ultrasonic vibration receiver, characterized the fact that it contains at least one ultrasonic emitter and at least two receivers, or at least two ultrasounds new emitters and at least one receiver, and the emitters are configured to generate panoramic and / or sectorial sound vibrations in the plane in a counter -perture and / or semicontrapert method and / or by means of multi-element convex phased arrays and / or other angular (sector) emitters. The system can be designed in such a way that the emitters are also receivers.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На Фиг.1 показана схема определения положения объекта на плоскости с использованием двух излучателей-приемников (а - вид сверху, б - вид в объеме).Figure 1 shows a diagram for determining the position of an object on a plane using two emitters-receivers (a - top view, b - view in volume).

На Фиг.2 показана схема определения положения объекта на плоскости и отображением координат объекта на мониторе.Figure 2 shows a diagram for determining the position of an object on a plane and displaying the coordinates of the object on the monitor.

На Фиг.3 показана схема определения положения объекта на плоскости с использованием двух излучателей и одного приемника (а - вид сверху, б - вид в объеме).Figure 3 shows a diagram for determining the position of an object on a plane using two emitters and one receiver (a - top view, b - view in volume).

На Фиг.4 показана схема определения положения объекта на плоскости с использованием двух приемников и одного излучателя (а - вид сверху, б - вид в объеме).Figure 4 shows a diagram for determining the position of an object on a plane using two receivers and one emitter (a - top view, b - view in volume).

На Фиг.5 показана схема определения положения объемного объекта путем сканирования во множестве плоскостей.Figure 5 shows a diagram for determining the position of a three-dimensional object by scanning in multiple planes.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Система локации состоит из нескольких синхронизированных ультразвуковых излучателей и приемников, работающих в одной группе, и вычислительного блока или вычислительных блоков, которые производят расчет положения до поверхности объектов при помощи метода трилатерации.The location system consists of several synchronized ultrasonic emitters and receivers operating in one group, and a computing unit or computing units that calculate the position to the surface of objects using the trilateration method.

Возможны различные комбинации как количественного соотношения излучателей и приемников, так и мест их позиционирования возле сканируемой зоны. Пара излучатель-приемник могут находиться вместе, представляя собой единое устройство "радар" и в таком случае минимальное количество таких радаров может быть ограничено двумя. Радары также могут находиться вместе, представляя собой единое устройство. Локация в плоском пространстве достигается за счет панорамной фокусировки ультразвука контрапертурным и/или полуконтрапертурным способом, а также может быть реализована посредством ультразвуковых излучателей-датчиков многоэлементных конвексных фазированных решеток и/или других угловых (секторных) излучателей. Обнаружение координат и/или идентификация формы сканируемых объектов достигается за счет периодической фиксации времени прохождения ультразвукового сигнала до объекта и от него (прямого и обратного) и последующего расчета координат объекта по методу трилатерации.Various combinations are possible both of the quantitative ratio of emitters and receivers, and of their positioning points near the scanned area. A pair of emitter-receiver can be together, representing a single device "radar" and in this case, the minimum number of such radars can be limited to two. Radars can also be together, representing a single device. Location in a flat space is achieved due to the panoramic focusing of ultrasound by the counter -perture and / or semicontrapert method, and can also be realized by means of ultrasonic emitters-sensors of multi-element convex phased arrays and / or other angular (sector) emitters. The detection of coordinates and / or identification of the shape of scanned objects is achieved by periodically recording the transit time of the ultrasonic signal to and from the object (direct and reverse) and subsequent calculation of the coordinates of the object using the trilateration method.

В случае совмещенного излучателя и приемника ультразвуковых волн (см. Фиг.1) расстояние до объекта (3) рассчитывается исходя из скорости распространения ультразвуковой волны в среде, деленное на половину времени, прошедшего от момента излучения сигнала (импульса) до приема отраженного сигнала. В случае разделенных излучателя и приемника ультразвуковых волн (см. Фиг.3) расстояние до объекта (3) рассчитывается по исходя из скорости распространения ультразвуковой волны в среде, умноженное на k и деленное на половину времени, прошедшего от момента излучения сигнала (импульса) до приема отраженного сигнала, где k - это коэффициент коррекции, который зависит от расстояния между приемником и излучателем.In the case of a combined emitter and receiver of ultrasonic waves (see Figure 1), the distance to the object (3) is calculated based on the propagation velocity of the ultrasonic wave in the medium, divided by half the time elapsed from the moment of radiation of the signal (pulse) to the reception of the reflected signal. In the case of a separated emitter and receiver of ultrasonic waves (see Figure 3), the distance to the object (3) is calculated based on the propagation velocity of the ultrasonic wave in the medium, multiplied by k and divided by half the time elapsed from the moment of signal (pulse) emission to receiving a reflected signal, where k is the correction coefficient, which depends on the distance between the receiver and the emitter.

В системе используют не менее одного ультразвукового излучателя и не менее двух приемников (Фиг.4), либо не менее двух ультразвуковых излучателей и не менее одного приемника (Фиг.3).The system uses at least one ultrasonic emitter and at least two receivers (Figure 4), or at least two ultrasonic emitters and at least one receiver (Figure 3).

Если излучатели и приемники (1, 2) находятся в нескольких параллельных плоскостях (4) (см. Фиг.5), то излучатели в каждой плоскости получают информацию о координатах в каждой ближайшей точке объемного объекта (3). Такое решение позволяет ускорить процесс сканирования и получить больше информации за один такт измерений. При наличии излучателей по всему периметру вокруг сканируемого объекта можно вести сканирования объемных объектов.If the emitters and receivers (1, 2) are in several parallel planes (4) (see Figure 5), then the emitters in each plane receive information about the coordinates at each nearest point of the volumetric object (3). This solution allows you to speed up the scanning process and get more information in one measurement cycle. In the presence of emitters around the perimeter around the scanned object, you can scan volumetric objects.

Координаты объекта (3) определяют посредством получения расстояний от излучателя до объекта и от объекта до приемника.The coordinates of the object (3) are determined by obtaining the distances from the emitter to the object and from the object to the receiver.

Когда излучатель одновременно является приемником (см. Фиг.1), необходимо минимум два излучателя-приемника (1, 2) и определение расстояний от них до объекта (3). Поскольку расстояние между двумя излучателями-приемниками (1, 2) известно, формируется треугольник, все стороны которого известны и координаты объекта (3) на плоскости (4) определяют (см. Фиг.2) высчитывая их относительно координат излучателей-приемников (1, 2). Данные можно обработать на компьютере (5) и выдать пользователю положение объекта (3) на мониторе (6).When the emitter is simultaneously a receiver (see Figure 1), at least two emitter-receivers (1, 2) and the determination of the distances from them to the object (3) are necessary. Since the distance between the two emitter-receivers (1, 2) is known, a triangle is formed, all sides of which are known and the coordinates of the object (3) on the plane (4) are determined (see Figure 2) by calculating them relative to the coordinates of the emitter-receivers (1, 2). Data can be processed on a computer (5) and give the user the position of the object (3) on the monitor (6).

Когда излучателей два, а приемник один (Фиг.3) определяют расстояния от излучателей до объекта (3) с учетом k - коэффициента коррекции, который зависит от расстояния между приемником (7) и излучателем (1, 2). Поскольку расстояния (1, 7) и (2, 7) известны, формируется треугольник, все стороны которого известны и координаты объекта (3) на плоскости (4) определяют высчитывая их относительно координат излучателей (1, 2). Аналогичным образом определяют координаты объекта (3), когда приемников (8, 9) два, а излучатель (1) один (Фиг.4).When there are two emitters, and one receiver (Figure 3), the distances from the emitters to the object (3) are determined taking into account k, the correction coefficient, which depends on the distance between the receiver (7) and the emitter (1, 2). Since the distances (1, 7) and (2, 7) are known, a triangle forms, all sides of which are known and the coordinates of the object (3) on the plane (4) are determined by calculating them relative to the coordinates of the emitters (1, 2). Similarly determine the coordinates of the object (3) when the receivers (8, 9) are two, and the emitter (1) is one (Figure 4).

Объект (3) может представлять собой перо или палец, которым водят по планшету (плоскости) (4), что позволяет определять положение пера (пальца) на планшете. Это может найти применение в следующих областях: бытовая и общественная техника, автоматизация различных устройств и управление ими, осветительная техника, писуары, унитазы, мыльницы, водопроводные краны, лифты, турникеты, ворота, двери, роботы пылесосы, настенные регуляторы освещения, проекционные на стену часы, лого и слайд-проекторы, калькуляторы и т.д.Object (3) can be a pen or finger, which is driven along the tablet (plane) (4), which allows you to determine the position of the pen (finger) on the tablet. It can find application in the following areas: household and public equipment, automation and control of various devices, lighting equipment, urinals, toilets, soap dishes, water taps, elevators, turnstiles, gates, doors, robotic vacuum cleaners, wall dimmers, projection onto the wall watches, logo and slide projectors, calculators, etc.

Также это может использоваться в компьютерной периферии для управления и ввода данных: сенсорные экраны, мыши, тачпады, проекционные и другие интерактивные столы, и т.д.It can also be used in computer peripherals to control and enter data: touch screens, mice, touchpads, projection and other interactive tables, etc.

На макроуровне система может найти применение в охранных системах для определения присутствия объектов и их движения.At the macro level, the system can find application in security systems to determine the presence of objects and their movement.

Система также применима и в качестве автоматической настройки баланса звуковой панорамы в помещении по местоположению слушателя; в эхолокации и иных отраслях техники.The system is also applicable as an automatic adjustment of the balance of the sound panorama in the room according to the location of the listener; in echolocation and other branches of technology.

Claims (2)

1. Система многопозиционной ультразвуковой эхолокации для определения положения и/или идентификации формы объектов в плоском пространстве, выполненная с возможностью определения положения объектов по длительности распространения прямого и отраженного сигнала с помощью излучателя ультразвуковых колебаний и приемника ультразвуковых колебаний, отличающаяся тем, что содержит не менее одного ультразвукового излучателя и не менее двух приемников либо не менее двух ультразвуковых излучателей и не менее одного приемника, причем излучатели выполнены с возможностью формирования панорамных и/или секторных звуковых колебаний в плоскости контрапертурным и/или полуконтрапертурным способом и/или посредством многоэлементных конвексных фазированных решеток и/или других угловых (секторных) излучателей.1. The system of multi-position ultrasonic echolocation for determining the position and / or identification of the shape of objects in a flat space, made with the possibility of determining the position of objects by the duration of the propagation of the direct and reflected signal using an ultrasonic vibrations emitter and an ultrasonic vibrations receiver, characterized in that it contains at least one an ultrasonic emitter and at least two receivers or at least two ultrasonic emitters and at least one receiver, the emitter and are configured to generate panoramic and / or sectorial sound vibrations in the plane in a contra -perture and / or semicontrapertural manner and / or by means of multi-element convex phased arrays and / or other angular (sector) emitters. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнена таким образом, что излучатели являются также и приемниками.

2. The system according to claim 1, characterized in that it is made in such a way that the emitters are also receivers.

Images