一種基于超聲波的智能車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種超聲波二維定位裝置及方法，包括：可移動(dòng)的超聲波發(fā)射部分通過(guò)單片機(jī)控制，超聲波模塊采用溫度補(bǔ)償；固定的超聲波接收部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，經(jīng)比較器輸出至單片機(jī)端口；定位算法利用接收頭收到超聲信號(hào)的順序及相互時(shí)間差信號(hào)計(jì)算小車(chē)二維空間坐標(biāo)；軟件監(jiān)測(cè)部分采用多線(xiàn)程串口通訊，搭建MDI界面用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該定位系統(tǒng)不僅能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行有效定位，同時(shí)可對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在保證較高定位精度的同時(shí)降低了定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于超聲波的智能車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)設(shè)備定位【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種超聲波二維定位系統(tǒng)及方法， 使用該系統(tǒng)其定位精度較高且系統(tǒng)更簡(jiǎn)化，同時(shí)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003] 超聲波與其他聲波相比傳輸?shù)姆较蛐愿?，穿透能力更?qiáng)。超聲波測(cè)距技術(shù)無(wú)需 與測(cè)距物體接觸，即可方便地測(cè)量距離。超聲波在速度距離的測(cè)量，金屬探傷，廚具清潔等 很多行業(yè)具有特定功能。
[0004] 超聲波傳感器是目前傳感器技術(shù)中應(yīng)用最為普及的傳感器之一，短距離的超聲波 測(cè)距系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際中有所應(yīng)用，測(cè)距精度為厘米級(jí)。
[0005] 目前，公知的超聲波二維定位裝置包括兩種形式：一種在三面有墻壁的場(chǎng)所，利用 裝載在定位物體的反射式測(cè)距系統(tǒng)測(cè)得到三面墻的距離，這種方案在實(shí)際應(yīng)用中受到多種 限制。另一種應(yīng)用比較普遍的方案是將超聲波接收探頭固定不動(dòng)，將超聲波發(fā)射探頭安裝 在待定位的移動(dòng)物體上（反之亦可)，用單片機(jī)測(cè)量發(fā)射探頭到接收探頭之間超聲波的傳播 時(shí)間，再利用公式計(jì)算傳播距離，最終確定待測(cè)物體與固定探頭之間的相對(duì)二維位置關(guān)系。 傳統(tǒng)的超聲波定位系統(tǒng)需要在主體部分中設(shè)置無(wú)線(xiàn)電地址編碼發(fā)射電路和無(wú)線(xiàn)電地址編 碼觸發(fā)電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳播時(shí)間進(jìn)行記錄，通過(guò)編碼電路提供時(shí)間基準(zhǔn)將信號(hào)同步， 這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了優(yōu)化傳統(tǒng)超聲波定位中采用統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的目的在于提 供一種超聲波二維定位裝置，該裝置從硬件電路和計(jì)算方法兩方面對(duì)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu) 化，保證定位精度的同時(shí)降低了設(shè)計(jì)成本；同時(shí)對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，能夠?qū)Υㄎ晃?體進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是： 本發(fā)明提供了一種基于超聲波的智能車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)，包括超聲發(fā)射單元、超聲接收 單元以及控制計(jì)算單元，所述超聲波發(fā)射單元安裝在智能車(chē)上，所述超聲接收單元分別安 裝在三個(gè)定點(diǎn)上，所述超聲發(fā)射單元與超聲接收單元分別與控制計(jì)算單元相連。
[0009] 本發(fā)明還提供一種基于超聲波的智能車(chē)自動(dòng)定位方法，采用所述的自動(dòng)定位系 統(tǒng)，所述方法包括以下步驟： 1)信號(hào)檢測(cè)步驟：發(fā)射頭周期性地向上發(fā)射超聲信號(hào)，單片機(jī)則不斷地查詢(xún)端口是否 有跳變信號(hào)；接收頭所在a、b、c三點(diǎn)任一點(diǎn)最先接收到超聲信號(hào)后，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大比較， 送到單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口；單片機(jī)查詢(xún)到三個(gè)端口中的任意一個(gè)有跳變信號(hào)時(shí)，記錄下該端口 號(hào)，打開(kāi)兩個(gè)定時(shí)器，并屏蔽該端口號(hào)，然后繼續(xù)查詢(xún)另外兩個(gè)端口； 2) 信號(hào)記錄步驟：a、b、c三點(diǎn)中第二點(diǎn)接收到超聲信號(hào)后，同樣把信號(hào)傳到單片機(jī)端 口，單片機(jī)查詢(xún)到第二個(gè)端口的跳變信號(hào)時(shí)，記錄下該端口號(hào)，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器一，并保存 超聲波到達(dá)前兩點(diǎn)的時(shí)間差Λ h，然后再屏蔽該端口號(hào)，繼續(xù)查詢(xún)最后一個(gè)端口；同樣，接 收到最后一個(gè)跳變信號(hào)后，關(guān)閉定時(shí)器二，記錄第三點(diǎn)與第一點(diǎn)收到的時(shí)間差Λ h ;由此獲 得三個(gè)點(diǎn)接收到超聲波的順序及兩個(gè)時(shí)間差Λ h，Λ h ; 3) 信號(hào)計(jì)算步驟：?jiǎn)纹瑱C(jī)將超聲波接收順序和兩個(gè)時(shí)間差這三個(gè)量由RS232總線(xiàn)發(fā) 送到PC機(jī)的串口，PC機(jī)收到這三個(gè)量，代入已知方程，并求解一個(gè)二元二次方程，便可計(jì)算 出動(dòng)點(diǎn)m當(dāng)前時(shí)刻在坐標(biāo)系的位置。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：該定位系統(tǒng)不僅能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行有效定位，同時(shí)可對(duì)其實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)，在保證較高定位精度的同時(shí)降低了定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。
[0011]

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖； 圖2為本發(fā)明的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的逐漸逼近算法驗(yàn)證效果圖； 圖4為本發(fā)明的超聲波發(fā)射部分硬件電路結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明的超聲波發(fā)射頭示意圖； 圖6為本發(fā)明的超聲波接收部分硬件電路結(jié)構(gòu)圖； 圖7為本發(fā)明的串行通信軟件流程圖； 圖8為本發(fā)明的監(jiān)測(cè)軟件主程序框圖； 圖9為本發(fā)明的監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行示意圖。
[0013]

【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于超聲波的智能車(chē)定位系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 分別如圖1、圖2所示。具體結(jié)構(gòu)如圖2,在底面的智能車(chē)m上安放一個(gè)超聲發(fā)射頭，房間頂 面的三個(gè)定點(diǎn)a、b、c上安放三個(gè)超聲接收頭，a、b、c三點(diǎn)連成的三角形為等邊三角形；接 收頭經(jīng)過(guò)放大比較電路連接到單片機(jī)的I/O端口。
[0015] 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，點(diǎn)m周期性地向上發(fā)射超聲信號(hào)，單片機(jī)則不斷地查詢(xún)端口是否 有跳變信號(hào)。a、b、c三點(diǎn)任一點(diǎn)最先接收到超聲信號(hào)后，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，比較，送到51 單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口 P1. 5, P1. 6和P1. 7 ;單片機(jī)查詢(xún)到三個(gè)端口中的任意一個(gè)有跳變信號(hào)時(shí)， 記錄下該端口號(hào)，打開(kāi)TimO, Timl兩個(gè)定時(shí)器，并屏蔽該端口號(hào)，然后繼續(xù)查詢(xún)另外兩個(gè)端 口。a、b、c三點(diǎn)中第二點(diǎn)接收到超聲信號(hào)后，同樣把信號(hào)傳到單片機(jī)端口，單片機(jī)查詢(xún)到第 二個(gè)端口的跳變信號(hào)時(shí)，記錄下該端口號(hào)，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器TimO,并保存超聲波到達(dá)前兩點(diǎn) 的時(shí)間差Λ h，然后再屏蔽該端口號(hào)，繼續(xù)查詢(xún)最后一個(gè)端口。同樣，接收到最后一個(gè)跳變 信號(hào)后，關(guān)閉定時(shí)器Timl，記錄第三點(diǎn)與第一點(diǎn)收到的時(shí)間差Λ A。這樣，我們就知道了三 個(gè)點(diǎn)接收到超聲波的順序及兩個(gè)時(shí)間差Λ、，Λ h。單片機(jī)將這三個(gè)量(順序和兩個(gè)時(shí)間 差）由RS232總線(xiàn)發(fā)送到PC機(jī)的串口，PC機(jī)收到這三個(gè)量，代入已知方程，并求解一個(gè)二元 二次方程，便可計(jì)算出動(dòng)點(diǎn)m當(dāng)前時(shí)刻在坐標(biāo)系的位置。
[0016] 具體計(jì)算過(guò)程如下描述： 如圖2所示，設(shè)a、b、c三點(diǎn)構(gòu)成的等邊三角形邊長(zhǎng)為6a,三角形的中心點(diǎn)作為坐標(biāo)的 原點(diǎn)，動(dòng)點(diǎn)在接收平面的映射坐標(biāo)為（x，y)，動(dòng)點(diǎn)與接收平面的垂直距離為h，超聲波傳播 速度為V，動(dòng)點(diǎn)到三個(gè)接收點(diǎn)的超聲波傳播時(shí)間分別為T(mén)a、Tb、Tc，可以得到發(fā)送點(diǎn)到三點(diǎn) 的距離分別為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于超聲波的智能車(chē)自動(dòng)定位系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括超聲發(fā)射單元、超聲接收單 元以及控制計(jì)算單元，其特征在于，所述超聲波發(fā)射單元安裝在智能車(chē)上，所述超聲接收單 元分別安裝在三個(gè)定點(diǎn)上，所述超聲發(fā)射單元與超聲接收單元分別與控制計(jì)算單元相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波發(fā)射單元包括超聲 波發(fā)射頭，所述超聲接收單元包括超聲波接收頭，所述控制計(jì)算單元為單片機(jī)，所述超聲波 發(fā)射單元通過(guò)單片機(jī)的控制，完成周期性的超聲信號(hào)的發(fā)射。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動(dòng)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機(jī)包括多個(gè)I/O端口， 兩個(gè)定時(shí)器及串口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動(dòng)定位系統(tǒng)，其特征在于，采用MAX232芯片增大超聲波發(fā) 射單元的電路驅(qū)動(dòng)能力，MAX232芯片的10, 11引腳接收到單片機(jī)40kHz的脈沖信號(hào)后，將 其放大為正負(fù)IOV的驅(qū)動(dòng)電壓，再通過(guò)7, 14引腳送給超聲波發(fā)射頭，帶動(dòng)超聲發(fā)射頭的壓 電晶片起振，以發(fā)出超聲信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動(dòng)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波接收單元對(duì)接收的 超聲信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，并將放大的信號(hào)經(jīng)比較器輸出至單片機(jī)的端口。
6. -種基于超聲波的智能車(chē)自動(dòng)定位方法，米用權(quán)利要求1-5之一所述的自動(dòng)定位系 統(tǒng)，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 1) 信號(hào)檢測(cè)步驟：發(fā)射頭周期性地向上發(fā)射超聲信號(hào)，單片機(jī)則不斷地查詢(xún)端口是否 有跳變信號(hào)；接收頭所在a、b、c三點(diǎn)任一點(diǎn)最先接收到超聲信號(hào)后，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大比較， 送到單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口；單片機(jī)查詢(xún)到三個(gè)端口中的任意一個(gè)有跳變信號(hào)時(shí)，記錄下該端口 號(hào)，打開(kāi)兩個(gè)定時(shí)器，并屏蔽該端口號(hào)，然后繼續(xù)查詢(xún)另外兩個(gè)端口； 2) 信號(hào)記錄步驟：a、b、c三點(diǎn)中第二點(diǎn)接收到超聲信號(hào)后，同樣把信號(hào)傳到單片機(jī)端 口，單片機(jī)查詢(xún)到第二個(gè)端口的跳變信號(hào)時(shí)，記錄下該端口號(hào)，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器一，并保存 超聲波到達(dá)前兩點(diǎn)的時(shí)間差A(yù)h，然后再屏蔽該端口號(hào)，繼續(xù)查詢(xún)最后一個(gè)端口；同樣，接 收到最后一個(gè)跳變信號(hào)后，關(guān)閉定時(shí)器二，記錄第三點(diǎn)與第一點(diǎn)收到的時(shí)間差A(yù)h;由此獲 得三個(gè)點(diǎn)接收到超聲波的順序及兩個(gè)時(shí)間差A(yù)、，Ah; 3) 信號(hào)計(jì)算步驟：?jiǎn)纹瑱C(jī)將超聲波接收順序和兩個(gè)時(shí)間差這三個(gè)量由RS232總線(xiàn)發(fā) 送到PC機(jī)的串口，PC機(jī)收到這三個(gè)量，代入已知方程，并求解一個(gè)二元二次方程，便可計(jì)算 出動(dòng)點(diǎn)m當(dāng)前時(shí)刻在坐標(biāo)系的位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的自動(dòng)定位方法，其特征在于，在所述步驟3)中具體的算法 為： 設(shè)a、b、c三點(diǎn)構(gòu)成的等邊三角形邊長(zhǎng)為6a,三角形的中心點(diǎn)作為坐標(biāo)的原點(diǎn)，動(dòng)點(diǎn)m在接收平面的映射坐標(biāo)為Cr, _7)，動(dòng)點(diǎn)與接收平面的垂直距離為I超聲波傳播速度為^動(dòng) 點(diǎn)到三個(gè)接收點(diǎn)的超聲波傳播時(shí)間分別為7?、/&、7b，代入二元二次方程組：
通過(guò)求解此方程組即可計(jì)算出X和y的值，得到動(dòng)點(diǎn)m的二維定位信息。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的自動(dòng)定位方法，其特征在于，采取溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，在不同?溫度使用不同的超聲波速h
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自動(dòng)定位方法，其特征在于，所述方法還包括監(jiān)測(cè)步驟，具體 包括載入地圖、設(shè)置中心坐標(biāo)、設(shè)置發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)坐標(biāo)、讀取環(huán)境溫度、添加網(wǎng)格、局部縮 放等。
【文檔編號(hào)】G01S5/06GK104267376SQ201410505728
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】楊婷婷, 王耀函, 呂游 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)