專利名稱：空間位置檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種空間位置檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。更具體說，該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)物體(物體頂端或者物體上某一點(diǎn))相對(duì)于某個(gè)參照坐標(biāo)系的三維空間位置的檢測(cè)；或被測(cè)目標(biāo)被限制在某一固定平面上，則該系統(tǒng)也可作二維平面上的位置檢測(cè)。
背景技術(shù)：
超聲波作為一種信息載體，已在海洋探查與開發(fā)、無損評(píng)價(jià)與檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷以及微電子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的作用。將超聲傳感技術(shù)運(yùn)用到三維空間位置的檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中去，測(cè)量物體到每一個(gè)超聲接收器之間的準(zhǔn)確距離，從而便可以獲得物體在某個(gè)參照坐標(biāo)系內(nèi)非常精確的坐標(biāo)位置。而有的時(shí)候，我們可能更關(guān)心的是物體尖端的位置，如電子筆的筆頭、手術(shù)刀的刀尖等，超聲發(fā)射器不太可能非常精確的安裝在這些尖端位置，這時(shí)候，就需要超聲發(fā)射裝置包含兩個(gè)或兩個(gè)以上固定位置的超聲發(fā)射器，通過精確測(cè)量這兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲發(fā)射器的三維空間位置，經(jīng)過簡(jiǎn)單立體幾何的演算，從而得出該物體尖端位置的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)值。若被測(cè)目標(biāo)(物體頂端或者物體上其它某一點(diǎn))被限制在某一固定平面上，則該系統(tǒng)和方法也可用作在此二維平面上的位置檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種空間位置檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，包括含光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)和無光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)兩種形式；主要由超聲發(fā)射裝置、超聲接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸接口這四個(gè)部分組成。其特征在于所述含光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，包括含一個(gè)或多個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置、三個(gè)或三個(gè)以上超聲接收器的超聲接收裝置、光同步信號(hào)產(chǎn)生與接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口。
所述無光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，包括含一個(gè)或多個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置、四個(gè)或四個(gè)以上超聲接收器的超聲接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口。
所述超聲發(fā)射裝置由壓力檢測(cè)裝置的觸發(fā)信號(hào)輸出端的一路與光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置連接，另一路通過發(fā)射控制器與一個(gè)或多個(gè)超聲發(fā)射器連接組成。
所述壓力檢測(cè)裝置是壓力傳感器或按壓開關(guān)或壓電膜，用于產(chǎn)生用于觸發(fā)超聲；發(fā)射器和光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)超聲發(fā)射器發(fā)射超聲波和光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生光同步信號(hào)。
所述光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置是紅外發(fā)射器或光發(fā)射器或無線電波發(fā)射器。
所述超聲接收裝置由三個(gè)或三個(gè)以上超聲接收器分別與光同步信號(hào)接收裝置并聯(lián)后與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口串連；并且所有的超聲接收器不在同一條直線上。
所述光同步信號(hào)接收裝置是紅外接收器或光探測(cè)器或無線電波接收器。
所述的數(shù)據(jù)傳輸接口，用于連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和設(shè)備(如電腦、手機(jī)、PDA等)，使數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與設(shè)備的操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、交換與控制。
所述空間位置檢測(cè)方法是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用光同步信號(hào)的傳輸，測(cè)量出超聲波在介質(zhì)中傳播的渡越時(shí)間；或者不用光同步信號(hào)的傳輸，直接測(cè)量出超聲波從超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的傳播渡越時(shí)間之間的差值，進(jìn)而確定超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的距離，從而計(jì)算出超聲發(fā)射器的三維空間位置；當(dāng)超聲發(fā)射裝置包含兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲發(fā)射器，而且其位置坐標(biāo)值在某個(gè)參照坐標(biāo)系內(nèi)是固定可知的，則該系統(tǒng)可檢測(cè)該發(fā)射裝置頂端(如筆尖、桿尖、刀尖等)或該發(fā)射裝置上某一固定點(diǎn)的三維空間位置。該發(fā)射裝置外殼為桿狀剛性固體物質(zhì)(如筆、桿、刀等)。若只有兩個(gè)超聲發(fā)射器，則發(fā)射裝置頂端(或其上某一固定點(diǎn))、第一超聲發(fā)射器、第二超聲發(fā)射器，此三點(diǎn)成一條直線；若有三個(gè)超聲發(fā)射器，則發(fā)射裝置頂端(或其上某一固定點(diǎn))、第一超聲發(fā)射器、第二超聲發(fā)射器、第三超聲發(fā)射器，此四點(diǎn)成一條直線；若有四個(gè)超聲發(fā)射器，則發(fā)射裝置頂端(或其上某一固定點(diǎn))、第一超聲發(fā)射器、第二超聲發(fā)射器、第三超聲發(fā)射器、第四超聲發(fā)射器，此五點(diǎn)成一條直線，或者，發(fā)射裝置頂端(或其上某一固定點(diǎn))、第一超聲發(fā)射器、第二超聲發(fā)射器，此三點(diǎn)成一條直線，發(fā)射裝置頂端(或其上某一固定點(diǎn))、第三超聲發(fā)射器、第四超聲發(fā)射器，此三點(diǎn)也成一條直線；依此類推，該超聲發(fā)射裝置除了包括一個(gè)或多個(gè)超聲發(fā)射器、光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置、壓力檢測(cè)裝置之外，還應(yīng)包括發(fā)射控制器。該發(fā)射控制器使第一超聲發(fā)射器和第二超聲發(fā)射器交替的產(chǎn)生和傳輸超聲波信號(hào)。當(dāng)有三個(gè)或三個(gè)以上超聲發(fā)射器，則該發(fā)射控制器使這些超聲發(fā)射器交替的產(chǎn)生和傳輸超聲波信號(hào)。確定超聲發(fā)射器與第一超聲接收器之間的距離；確定超聲發(fā)射器與第二超聲接收器之間的距離；確定超聲發(fā)射器與第三超聲接收器之間的距離，確定超聲發(fā)射器與第四超聲接收器之間的距離，等等，這些超聲接收器不在同一條直線上；由此便可計(jì)算出超聲發(fā)射器的三維空間位置。當(dāng)超聲發(fā)射裝置包含兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲發(fā)射器，確定第一超聲發(fā)射器在此參照坐標(biāo)系內(nèi)的三維空間位置；確定第二超聲發(fā)射器在此參照坐標(biāo)系內(nèi)的三維空間位置；由于發(fā)射裝置頂端(或其上某一固定點(diǎn))、第一超聲發(fā)射器、第二超聲發(fā)射器，此三點(diǎn)在一條直線上，由此可計(jì)算出該桿狀剛性固體頂端(或其上某一固定點(diǎn))在此參照坐標(biāo)系內(nèi)的三維空間的位置。若超聲發(fā)射裝置包含三個(gè)或三個(gè)以上超聲發(fā)射器，如上一段所述，它們兩兩組合，得出該桿狀剛性固體頂端(或其上某一固定點(diǎn))在此參照坐標(biāo)系內(nèi)的三維空間位置的多個(gè)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)求平均，便可得出更為精確的數(shù)值。
當(dāng)被測(cè)目標(biāo)被限制在某一固定平面上，則該系統(tǒng)和方法也可用作在此二維平面上的位置檢測(cè)，如無線電子筆的各種應(yīng)用等。
本發(fā)明的有益效果是利用本系統(tǒng)，只通過簡(jiǎn)單立體幾何的演算就可以檢測(cè)出物體在三維空間的精確位置，給航空、航天、航海、軍事、測(cè)繪和醫(yī)療方面帶來簡(jiǎn)單快捷的位置確定方法，有廣泛的應(yīng)用前途。


圖1為本發(fā)明中的超聲發(fā)射裝置的電路方框示意圖。
圖2為本發(fā)明中的超聲接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸接口的電路方框示意圖。
圖3為含光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)的解析幾何原理圖。
圖4為無光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)的解析幾何原理圖。
圖5為含兩個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置的示意圖。
圖6為含三個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置的示意圖。
圖7為含四個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置的一種示意圖。
圖8為含四個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置的另一種示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種空間位置檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，包括含光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)和無光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)兩種形式；主要由超聲發(fā)射裝置、超聲接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸接口這四個(gè)部分組成。下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理和實(shí)施例。
圖1所示是本發(fā)明中的超聲發(fā)射裝置的電路方框示意圖，它只示出了電路部分，至于裝置的外殼等機(jī)械部分并未畫出。這部分電路包括壓力檢測(cè)裝置101、發(fā)射控制器102、超聲發(fā)射器103和光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置104。
對(duì)于只含單個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置而言，不包括發(fā)射控制器102，壓力檢測(cè)裝置101觸發(fā)的信號(hào)輸出端直接與超聲發(fā)射器103和光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置104相連，用于觸發(fā)超聲發(fā)射器和光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置，同時(shí)分別產(chǎn)生并發(fā)射超聲波和光同步信號(hào)；而對(duì)于包含兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置而言，則需要包含發(fā)射控制器102，用于控制各個(gè)超聲發(fā)射器交替的產(chǎn)生和傳輸超聲波信號(hào)。所述的壓力檢測(cè)裝置101是壓力傳感器或按壓開關(guān)或壓電膜。
圖2所示是本發(fā)明中的超聲接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸接口的電路方框示意圖。這部分電路包括超聲接收器201、光同步信號(hào)接收裝置202、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)203、數(shù)據(jù)傳輸接口204。
所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)203，可利用光同步信號(hào)的傳輸，測(cè)量出超聲波在介質(zhì)中傳播的渡越時(shí)間，或者可不用光同步信號(hào)的傳輸，直接測(cè)量出超聲波從超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的傳播渡越時(shí)間之間的差值，進(jìn)而確定超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的距離，從而計(jì)算出超聲發(fā)射器的三維空間位置。所述的數(shù)據(jù)傳輸接口204，用于連接所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和設(shè)備(如電腦、手機(jī)、PDA等)，使數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與設(shè)備的操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、交換與控制。
在圖1和圖2當(dāng)中，所謂的光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置104指的是紅外發(fā)射器或光發(fā)射器或無線電波發(fā)射器，光同步信號(hào)接收裝置202指的是紅外接收器或光探測(cè)器或無線電波接收器。對(duì)于含光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)而言，則包含光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置104和光同步信號(hào)接收裝置202，利用光同步信號(hào)的傳輸測(cè)量出超聲波在介質(zhì)中傳播的渡越時(shí)間，進(jìn)而確定超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的距離；而對(duì)于無光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)而言，則不包含光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置104和光同步信號(hào)接收裝置202，直接由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)測(cè)量出每個(gè)超聲接收器的接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間之間的差值，從而計(jì)算出超聲發(fā)射器的三維空間位置，但它要比含光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)多耗費(fèi)一個(gè)超聲接收器。
圖3所示是一個(gè)含光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)的解析幾何原理圖。其中，主要的器件除了光同步信號(hào)產(chǎn)生和接收裝置之外，還包括三個(gè)或三個(gè)以上超聲接收器301、302、303和一個(gè)超聲發(fā)射器304。其中，這三個(gè)或三個(gè)以上超聲接收器不能在同一條直線上，而且其位置坐標(biāo)值在某個(gè)參照坐標(biāo)系內(nèi)是固定可知的，分別是R1(x1，y1，z1)、R2(x2，y2，z2)、R3(x3，y3，z3)。定義從光同步信號(hào)接收裝置接收到信號(hào)開始，到第一超聲接收器301、第二超聲接收器302、第三超聲接收器303分別接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間，它們分別是t1、t2、t3，超聲波在媒介中傳播的速度為v。由此可以得到以下的聯(lián)立方程組(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=D12=(v·t1)2(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=D22=(v·t2)2(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2=D32=(v·t3)2---(1)]]>解這個(gè)三元二次方程組(1)可以得到x、y、z的兩組關(guān)于平面R1R2R3對(duì)稱的根，可以根據(jù)被檢測(cè)區(qū)域的實(shí)際位置，選取一組有意義的根，作為標(biāo)的物，即超聲發(fā)射器304所在位置T點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)了三維空間位置檢測(cè)的功能。
圖4所示是一個(gè)無光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)的解析幾何原理圖。該系統(tǒng)中并不包含光同步信號(hào)產(chǎn)生和接收裝置，但要包括四個(gè)或四個(gè)以上超聲接收器401、402、403、404和一個(gè)超聲發(fā)射器405。其中，這四個(gè)或四個(gè)以上超聲接收器不能在同一條直線上，而且其位置坐標(biāo)值在某個(gè)參照坐標(biāo)系內(nèi)是固定可知的，分別是R1(x1，y1，z1)、R2(x2，y2，z2)、R3(x3，y3，z3)、R4(x4，y4，z4)。定義從超聲發(fā)射器405到第一超聲接收器401、第二超聲接收器402、第三超聲接收器403、第四超聲接收器404，超聲波信號(hào)的渡越時(shí)間分別是t1、t2、t3、t4，超聲波在媒介中傳播的速度為v。Δt12、Δt13、Δt14分別是第二超聲接收器402、第三超聲接收器403、第四超聲接收器404接收到超聲波信號(hào)與第一超聲接收器401接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間差，可由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)203測(cè)量計(jì)算得出。由此可以得到以下的聯(lián)立方程組(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=D12=(v·t1)2(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=D22=(v·t2)2(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2=D32=(v·t3)2(x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2=D32=(v·t4)2t2-t1=Δt12t3-t1=Δt13t4-t1=Δt14---(2)]]>解這個(gè)七元二次方程組(2)可以得到t1、t2、t3、t4的值，以及x、y、z的兩組根，可以根據(jù)被檢測(cè)區(qū)域的實(shí)際位置，選取一組有意義的根(x，y，z)，作為標(biāo)的物，即超聲發(fā)射器304所在位置T點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)了三維空間位置檢測(cè)的功能。
下面來分析一下超聲發(fā)射裝置中含有多個(gè)超聲發(fā)射器，用來檢測(cè)該發(fā)射裝置頂端(如筆尖、桿尖、刀尖等)或該發(fā)射裝置上某一固定點(diǎn)的三維空間位置的原理。
如圖5所示是含兩個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置的示意圖。該超聲發(fā)射裝置主要包括桿狀剛性固體外殼501、第一超聲發(fā)射器502、第二超聲發(fā)射器503、壓力檢測(cè)裝置506，另外還包括發(fā)射控制器(圖中未畫出)，如果是含光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，則該發(fā)射裝置還應(yīng)包括光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置505。點(diǎn)T(x，y，z)的位置504便是我們需要測(cè)量的具體點(diǎn)的位置。T點(diǎn)到T1點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1，T1點(diǎn)到T2點(diǎn)的距離為L(zhǎng)2，這些距離都是固定可知的，而且T、T1、T2三點(diǎn)在一條直線上。發(fā)射控制器使第一超聲發(fā)射器和第二超聲發(fā)射器交替的產(chǎn)生和傳輸超聲波信號(hào)。由上述圖3或圖4的方法可以檢測(cè)出第一超聲發(fā)射器502和第二超聲發(fā)射器503的三維空間位置坐標(biāo)T1(x1，y1，z1)和T2(x2，y2，z2)。則有方程x-x1x1-x2=y-y1y1-y2=z-z1z1-z2=L1L2---(3)]]>由該方程(3)便可計(jì)算得出點(diǎn)T(x，y，z)的準(zhǔn)確位置。
如圖6所示是含三個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置的示意圖。該超聲發(fā)射裝置主要包括桿狀剛性固體外殼601、第一超聲發(fā)射器602、第二超聲發(fā)射器603、第三超聲發(fā)射器604、壓力檢測(cè)裝置607，另外還包括發(fā)射控制器(圖中未畫出)，如果是含光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，則該發(fā)射裝置還應(yīng)包括光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置606。點(diǎn)T(x，y，z)的位置605便是我們需要測(cè)量的具體點(diǎn)的位置。T點(diǎn)到T1點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1，T1點(diǎn)到T2點(diǎn)的距離為L(zhǎng)2，T2點(diǎn)到T3點(diǎn)的距離為L(zhǎng)3，這些距離都是固定可知的，而且T、T1、T2、T3四點(diǎn)在一條直線上。發(fā)射控制器使第一超聲發(fā)射器、第二超聲發(fā)射器和第三超聲發(fā)射器交替的產(chǎn)生和傳輸超聲波信號(hào)。由上述圖3或圖4的方法可以檢測(cè)出第一超聲發(fā)射器602、第二超聲發(fā)射器603、第三超聲發(fā)射器604的三維空間位置坐標(biāo)T1(x1，y1，z1)、T2(x2，y2，z2)、T3(x3，y3，z3)。將這三個(gè)點(diǎn)兩兩組合后，利用方程(3)可得出三個(gè)T點(diǎn)坐標(biāo)的三個(gè)值T’(x’，y’，z’)、T”(x”，y”，z”)、T(x，y，z)，將這三個(gè)值取平均之后，便可得出T(x，y，z)點(diǎn)較為精確的三維空間位置坐標(biāo)。
如圖7所示是含四個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置的一種示意圖。該超聲發(fā)射裝置主要包括桿狀剛性固體外殼701、第一超聲發(fā)射器702、第二超聲發(fā)射器703、第三超聲發(fā)射器704、第四超聲發(fā)射器705、壓力檢測(cè)裝置708，另外還包括發(fā)射控制器(圖中未畫出)，如果是含光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，則該發(fā)射裝置還應(yīng)包括光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置707。點(diǎn)T(x，y，z)的位置706便是我們需要測(cè)量的具體點(diǎn)的位置。T點(diǎn)到T1點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1，T1點(diǎn)到T2點(diǎn)的距離為L(zhǎng)2，T2點(diǎn)到T3點(diǎn)的距離為L(zhǎng)3，T3點(diǎn)到T4點(diǎn)的距離為L(zhǎng)4，這些距離都是固定可知的，而且T、T1、T2、T3、T4五點(diǎn)在一條直線上。發(fā)射控制器使第一超聲發(fā)射器、第二超聲發(fā)射器、第三超聲發(fā)射器和第四超聲發(fā)射器交替的產(chǎn)生和傳輸超聲波信號(hào)。由上述圖3或圖4的方法可以檢測(cè)出第一超聲發(fā)射器702、第二超聲發(fā)射器703、第三超聲發(fā)射器704、第四超聲發(fā)射器705的三維空間位置坐標(biāo)T1(x1，y1，z1)、T2(x2，y2，z2)、T3(x3，y3，z3)、T4(x4，y4，z4)。將這四個(gè)點(diǎn)兩兩組合后，利用方程(3)可得出T點(diǎn)坐標(biāo)的六個(gè)值，將這六個(gè)值取平均之后，便可得出T(x，y，z)點(diǎn)更為精確的三維空間位置坐標(biāo)。
如圖8所示是含四個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置的另一種示意圖。該超聲發(fā)射裝置主要包括桿狀剛性固體外殼801、第一超聲發(fā)射器802、第二超聲發(fā)射器803、第三超聲發(fā)射器804、第四超聲發(fā)射器805、壓力檢測(cè)裝置808，另外還包括發(fā)射控制器(圖中未畫出)，如果是含光同步信號(hào)的空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，則該發(fā)射裝置還應(yīng)包括光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置807。點(diǎn)T(x，y，z)的位置806便是我們需要測(cè)量的具體點(diǎn)的位置。T點(diǎn)到T1點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1，T1點(diǎn)到T2點(diǎn)的距離為L(zhǎng)2，T點(diǎn)到T3點(diǎn)的距離為L(zhǎng)3，T3點(diǎn)到T4點(diǎn)的距離為L(zhǎng)4，這些距離都是固定可知的，而且T、T1、T2三點(diǎn)在一條直線上，T、T3、T4三點(diǎn)在一條直線上。發(fā)射控制器使第一超聲發(fā)射器、第二超聲發(fā)射器、第三超聲發(fā)射器和第四超聲發(fā)射器交替的產(chǎn)生和傳輸超聲波信號(hào)。由上述圖3或圖4的方法可以檢測(cè)出第一超聲發(fā)射器802、第二超聲發(fā)射器803、第三超聲發(fā)射器804、第四超聲發(fā)射器805的三維空間位置坐標(biāo)T1(x1，y1，z1)、T2(x2，y2，z2)、T3(x3，y3，z3)、T4(x4，y4，z4)。將T1點(diǎn)和T2點(diǎn)組合、T3點(diǎn)和T4點(diǎn)組合，利用方程(3)可得出T點(diǎn)坐標(biāo)的兩個(gè)值T’(x’，y’，z’)和T”(x”，y”，z”)，將這兩個(gè)值取平均之后，便可得出T(x，y，z)點(diǎn)較為精確的三維空間位置坐標(biāo)。
當(dāng)超聲發(fā)射裝置包含四個(gè)以上超聲發(fā)射器時(shí)，可按照上述思路進(jìn)行超聲發(fā)射器的不同排列，以求獲得更好的三維空間位置坐標(biāo)的精度。
若被測(cè)目標(biāo)被限制在某一固定平面上，則該系統(tǒng)和方法也可用作在此二維平面上的位置檢測(cè)，如無線電子筆的各種應(yīng)用等。
權(quán)利要求
1.一種空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，包括含光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)和無光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)兩種形式，其特征在于所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)由超聲發(fā)射裝置、超聲接收裝置、光同步信號(hào)裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口分別按照發(fā)射與接收兩部分連接組成，其中發(fā)射部分沒有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口；所述含光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)包括含一個(gè)或多個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置、三個(gè)或三個(gè)以上超聲接收器的超聲接收裝置、光同步信號(hào)產(chǎn)生與接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口；所述無光同步信號(hào)空間位置檢測(cè)系統(tǒng)包括含一個(gè)或多個(gè)超聲發(fā)射器的超聲發(fā)射裝置、四個(gè)或四個(gè)以上超聲接收器的超聲接收裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述超聲發(fā)射裝置由壓力檢測(cè)裝置的觸發(fā)信號(hào)輸出端的一路與光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置連接，另一路通過發(fā)射控制器與一個(gè)或多個(gè)超聲發(fā)射器連接組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述超聲接收裝置由三個(gè)或三個(gè)以上超聲接收器分別與光同步信號(hào)接收裝置并聯(lián)后與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口串連；
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的三個(gè)或三個(gè)以上超聲接收器，它們不能在同一條直線上，而且其位置坐標(biāo)值在某個(gè)參照坐標(biāo)系內(nèi)是固定可知的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述壓力檢測(cè)裝置為壓力傳感器或按壓開關(guān)或壓電膜，用于產(chǎn)生觸發(fā)超聲發(fā)射器和光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)超聲發(fā)射器發(fā)射超聲波和光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生光同步信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述光同步信號(hào)產(chǎn)生裝置是紅外發(fā)射器或光發(fā)射器或無線電波發(fā)射器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述光同步信號(hào)接收裝置是紅外接收器或光探測(cè)器或無線電波接收器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)傳輸接口，用于連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和電腦、手機(jī)或PDA，使數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與電腦、手機(jī)或PDA的操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、交換與控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述超聲發(fā)射裝置外殼為筆、桿、刀等桿狀剛性固體物。
10.一種利用權(quán)利要求1所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，其特征在于所述空間位置檢測(cè)方法是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用光同步信號(hào)的傳輸，測(cè)量出超聲波在介質(zhì)中傳播的渡越時(shí)間；或者不用光同步信號(hào)的傳輸，直接測(cè)量出超聲波從超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的傳播渡越時(shí)間之間的差值，進(jìn)而確定超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的距離，從而計(jì)算出超聲發(fā)射器的三維空間位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，其特征在于所述超聲發(fā)射裝置具有兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲發(fā)射器時(shí)，與其連接的發(fā)射控制器使這些超聲發(fā)射器交替的產(chǎn)生和傳輸超聲波信號(hào)，則經(jīng)過簡(jiǎn)單立體幾何的演算，該系統(tǒng)即可檢測(cè)該發(fā)射裝置頂端或該發(fā)射裝置上某一固定點(diǎn)的三維空間位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述空間位置檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，其特征在于所述物體頂端或者物體上其它某一固定點(diǎn)被限制在某一固定平面上，則該系統(tǒng)檢測(cè)此二維平面上的物體頂端或者物體上其它某一固定點(diǎn)的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于超聲傳感技術(shù)領(lǐng)域的一種空間位置檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。該空間位置檢測(cè)系統(tǒng)，由超聲發(fā)射裝置、超聲接收裝置、光同步信號(hào)裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸接口這幾部分組成。主要應(yīng)用于物體相對(duì)于某個(gè)參照坐標(biāo)系的三維或二維平面上空間位置的檢測(cè)。其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用光同步信號(hào)的傳輸，測(cè)量出超聲波在介質(zhì)中傳播的渡越時(shí)間，或者可不用光同步信號(hào)的傳輸，直接測(cè)量出超聲波從超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的傳播渡越時(shí)間之間的差值，進(jìn)而確定超聲發(fā)射器到每個(gè)超聲接收器的距離，經(jīng)過簡(jiǎn)單立體幾何的演算，就能計(jì)算出超聲發(fā)射器或發(fā)射裝置頂端的三維空間位置，給航空航天、軍事、醫(yī)療方面帶來簡(jiǎn)單快捷的位置確定方法，有廣泛的應(yīng)用前途。
文檔編號(hào)G01S5/00GK1719277SQ200510085529
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者任天令, 朱一平, 伍曉明, 楊軼, 劉理天 申請(qǐng)人:清華大學(xué)