一种基于反射锥的超声波定位系统 |
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| 申请号 | CN201610551753.0 | 申请日 | 2016-07-13 | 公开(公告)号 | CN105974420A | 公开(公告)日 | 2016-09-28 |
| 申请人 | 南京邮电大学; | 发明人 | 郭俊; 戎舟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于反射锥的 超 声波 定位 系统，包含发射模 块 、N个接收模块、 无线通信模块 、 温度 传感器 和控 制模 块，N为大于等于3的自然数；无线通信模块包含一个汇总 节点 和N+1个分支节点；所述汇总节点和所述 控制模块 相连，所述N+1个分支节点分别和发射模块、N个接收模块一一对应相连；所述汇总节点和分支节点之间基于无线通信；发射模块和接收模块中均添加反射锥；控制模块和温度传感器相连，用于根据温度传感器感应到的温度和各个接收模块传递的 超声波 信号 计算出所述发射模块的坐标。本发明有效解决传统超声波定位中节点布置不便捷、节点数量多的问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于反射锥的超声波定位系统，其特征在于，包含发射模块、N个接收模块、无线通信模块、温度传感器和控制模块，N为大于等于3的自然数； 所述无线通信模块包含一个汇总节点和N+1个分支节点；所述汇总节点和所述控制模块相连，所述N+1个分支节点分别和发射模块、N个接收模块一一对应相连;所述汇总节点和分支节点之间基于无线通信； 所述发射模块设置在待定位的物体上，用于发出超声波，包含超声波发射器、发射反射锥和发射微控制器;所述发射反射锥呈圆锥状，设置在超声波发射器的发射端，锥尖面朝超声波发射器，轴心与超声波发射器的发射方向在同一直线上;所述发射微控制器分别和超声波发射器、发射模块对应的分支节点相连，用于根据接收到的命令控制超声波发射器工作； 所述接收模块包含超声波接收器、接收反射锥和接收微控制器;所述接收反射锥呈圆锥状，设置在超声波接收器的接收端，锥尖面朝超声波接收器，轴心与超声波接收器的接收方向在同一直线上;所述接收微控制器分别和超声波接收器、接收模块对应的分支节点相连，用于将接收到的超声波信号传递给所述控制模块； 所述控制模块和温度传感器相连，用于根据温度传感器感应到的温度和各个接收模块传递的超声波信号计算出所述发射模块的坐标。 |
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| 说明书全文 | 一种基于反射锥的超声波定位系统技术领域背景技术[0002]目前很多定位系统都是借助于GPS卫星实现对目标的定位，这种定位虽然很方便，但是其定位精度相对较低，定位区域大多处于室外空旷地区，很多时候我们需要对定位目标实现高精度的定位，这是GPS无法实现的。超声波所具有方向性好，能在界面上产生反射、折射、能量高等特点，现有的超声波定位系统受限于超声波的这些特点，很多都是将部分节点布置于天花板上，这给节点的布置带来了不便，同时由于受限于发射器发射角度的限制，定位很小的区域就需要布置大量的接收节点，也造成了成本的上升，鉴于传统超声波定位系统中的节点布置问题，如果能够增加超声波发射端的辐射范围，那么就能有效地减少接收端节点的个数，从而达到降低成本的目的。 发明内容[0004]本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于反射锥的超声波定位系统，利用反射圆锥有效地扩大超声波发射器发射的超声波的辐射范围，实现发射端和接收端对超声波的全向发射和接收。 [0005]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:一种基于反射锥的超声波定位系统，包含发射模块、N个接收模块、无线通信模块、温度传感器和控制模块，N为大于等于3的自然数； 所述无线通信模块包含一个汇总节点和N+1个分支节点;所述汇总节点和所述控制模块相连，所述N+1个分支节点分别和发射模块、N个接收模块一一对应相连;所述汇总节点和分支节点之间基于无线通信； 所述发射模块设置在待定位的物体上，用于发出超声波，包含超声波发射器、发射反射锥和发射微控制器;所述发射反射锥呈圆锥状，设置在超声波发射器的发射端，锥尖面朝超声波发射器，轴心与超声波发射器的发射方向在同一直线上;所述发射微控制器分别和超声波发射器、发射模块对应的分支节点相连，用于根据接收到的命令控制超声波发射器工作； 所述接收模块包含超声波接收器、接收反射锥和接收微控制器;所述接收反射锥呈圆锥状，设置在超声波接收器的接收端，锥尖面朝超声波接收器，轴心与超声波接收器的接收方向在同一直线上;所述接收微控制器分别和超声波接收器、接收模块对应的分支节点相连，用于将接收到的超声波信号传递给所述控制模块； 所述控制模块和温度传感器相连，用于根据温度传感器感应到的温度和各个接收模块传递的超声波信号计算出所述发射模块的坐标。 [0006]作为本发明一种基于反射锥的超声波定位系统进一步的优化方案，所述发射反射锥、接收反射锥均为表面平整的金属圆锥，且顶角均为90度。 [0007]作为本发明一种基于反射锥的超声波定位系统进一步的优化方案，所述温度传感器采用IC温度传感器。 [0008]作为本发明一种基于反射锥的超声波定位系统进一步的优化方案，所述IC温度传感器采用DS18B20型温度传感器。 [0009]作为本发明一种基于反射锥的超声波定位系统进一步的优化方案，所述控制模块采用PC。 [0010]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:1.通过在超声波发射模块加上反射锥，有效地扩大了超声波发射模块发出的超声波的辐射范围，更便于超声波接收节点的布置； 2.在超声波接收模块安装反射锥后，将超声波接收端原来只有约60度的接收角度有效地改进为360度全向接收； 3.在PC端进行数据的运算和位置的显示，PC的运行速度和图形显示相对于单片机有很大优势； 4.有效减少超声波的接收节点的数量，解决节点布置不便捷的问题。 附图说明 [0011 ]图1是超声波经反射锥反射过后的路线图； 图2是超声波经发射端发射锥反射后侧面辐射范围示意图； 图3是超声波经发射端反射锥反射后俯视辐射范围示意图； 图4为超声波发射端增加反射锥后示意图； 图5为超声波接收端增加反射锥后示意图。 具体实施方式[0012]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:本发明公开了一种基于反射锥的超声波定位系统，包含发射模块、N个接收模块、无线通信模块、温度传感器和控制模块，N为大于等于3的自然数； 所述无线通信模块包含一个汇总节点和N+1个分支节点;所述汇总节点和所述控制模块相连，所述N+1个分支节点分别和发射模块、N个接收模块一一对应相连;所述汇总节点和分支节点之间基于无线通信； 所述发射模块设置在待定位的物体上，用于发出超声波，包含超声波发射器、发射反射锥和发射微控制器;所述发射反射锥呈圆锥状，设置在超声波发射器的发射端，锥尖面朝超声波发射器，轴心与超声波发射器的发射方向在同一直线上;所述发射微控制器分别和超声波发射器、发射模块对应的分支节点相连，用于根据接收到的命令控制超声波发射器工作； 所述接收模块包含超声波接收器、接收反射锥和接收微控制器;所述接收反射锥呈圆锥状，设置在超声波接收器的接收端，锥尖面朝超声波接收器，轴心与超声波接收器的接收方向在同一直线上;所述接收微控制器分别和超声波接收器、接收模块对应的分支节点相连，用于将接收到的超声波信号传递给所述控制模块； 所述控制模块和温度传感器相连，用于根据温度传感器感应到的温度和各个接收模块传递的超声波信号计算出所述发射模块的坐标。 [0013]所述发射反射锥、接收反射锥均为表面平整的金属圆锥，顶角优先设置为90度，所述温度传感器采用IC温度传感器，型号为DS18B20。 [0014]所述控制模块采用PC。 [0015]由传统室内定位的三边算法可知，要得到具体的三维位置信息，一个发射端至少要配备3个接收端才能进行三维定位，超声波发射端发出的超声波信号当有3个或3个以上的接收端接收到，结合定位算法就可得到具体坐标。 [0016]由于PC端的开发环境和运算能力均优于单片机，坐标计算更容易实现，且可以方便的实现定位对象的运动轨迹显示，这是许多定位系统所需要的，此外，当需要用超过四个接收点组成的阵列实现较大区域的定位时，通过此方式相对容易许多。 [0017]在发射端用一个金属圆锥(因为金属较硬，可以提高反射效率)作为反射锥将超声波经圆锥反射形成360度水平发散的圆环，经过反射锥反射后，发射的超声波被扩散成一个近似水平的环形波束，水平方向360度全部覆盖;垂直方向角度大约从5度到30度范围，距离可以达到5m，相对于原来的60左右的辐射角来说范围扩大了很多，同时在接收端也安装了一个发射锥，用来实现对超声波的全向接收。 [0018]图1为超声波信号路线示意图:超声波发射器发出超声波信号，经过发射反射锥反射(发射反射锥为表面平整的金属圆锥，金属较硬，可以提高反射率)到达接收端反射锥，经过反射后到达超声波接收器。 [0019]图2为超声波经发射反射锥反射后从侧面看的辐射范围图:从侧面看，其中的阴影部分为超声波经发射反射锥反射后的辐射范围，其辐射范围与发射反射锥的形状有关。 [0020]图3为超声波经发射反射锥反射后俯视辐射范围示意图:由图中可以看出，其辐射范围类似一个圆环状，相对于原来的圆锥状辐射范围来说，扩大了不少。 [0021 ]图4为超声波发射端增加发射反射锥后示意图: 由图可知发射端的发射反射锥以倒三角的形式安装于超声波发射器的上方，圆锥的大小和形状不同会引起辐射范围的不同。 [0022]图5为超声波接收端增加接收反射锥后示意图:由图可知接收反射锥安装于超声波超声波接收器的下方，超声波经接收反射锥反射后可实现接收端对超声波的全向接收。 [0023]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 [0024]以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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