[发明专利]一种基于超声的空间定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机配件的定位方法及系统，特别涉及基于超声的空间定位方法及系统。

背景技术

CN201510542367-三维空中鼠标以及与其一起使用的显示器：需要在鼠标上发射射频信号，通过计算接收到的超声信号的时间差计算距离，导致鼠标结构复杂，不利于降低功耗和成本。

CN201510428091-一种空间鼠标系统：鼠标上发射超声和射频信号，通过计算两种信号到达显示器的时间差计算距离并定位，导致鼠标结构复杂，成本高功耗大且接收器布设困难。

CN201310309020-一种超声定位系统和具有定位功能的电子装置：利用收到反射超声波的时间差计算物体距离多个超声接收装置的距离，要求物体足够大且反射足够多的超声波，导致系统定位精度有限。

CN03137730-超声波定位的多功能笔形鼠标系统：利用超声波在不同介质上的传播延时计算距离进而得出笔形鼠标在平板或屏幕上的具体位置，主要不足为需要借助介质，只能用于二维输入，不便于移动和携带，且不同介质对环境温湿度的响应不同，从而影响定位精度。

CN200420105025-一种新型超声定位无绳鼠标：利用鼠标移动前后发射的超声波到达3个接收器的时间差计算鼠标相对位移，存在误差累计的问题及风险，另外，该专利并未提及任何信号处理手段用于降低计算量，以至于该系统没有办法用较低成本的硬件实现。

其他未一一列出的基于超声波的空间定位技术存在布设困难、定位精度较低、系统结构复杂、空间分辨率低、需要支撑物、只支持2维平面定位等不足。

发明内容

为解决现有技术的不足，提供一种一种基于超声的空间定位方法及系统，本发明可以有效提高空间定位应用的精度、实时性，并且降低空间应用系统的硬件成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于超声的空间定位系统，包括信标装置及定位计算器；

信标装置包括按键、超声信号发生器，不同按键与不同频率发生器联接，频率发生器与超声信号发生器相联；

定位计算器包括两个在同一平面间隔布置的超声阵列，每个超声阵列包括若干个十字分布的超声传感器，超声传感器与带通滤波器连接，带通滤波器经模数转换模块后与角度计算模块连接，角度计算模块与空间计算器连接，空间计算器与输出装置连接；其中角度计算模块用于计算信标装置的俯仰角、方位角；空间计算器获取两个超声阵列的俯仰角、方位角后结合阵列的间距得到信标装置的空间位置；输出装置用于将信标装置的空间位置信息传输给计算机。

上述的一种基于超声的空间定位系统，每个超声阵列的超声传感器为四个，且呈十字分布。

上述的一种基于超声的空间定位系统，其特征在于每个超声阵列的多个超声传感器间的最大间距小于超声波波长的二分之一。

上述的一种基于超声的空间定位方法，通过两个间隔布置在同一平面的超声阵列获取信标装置的超声信号，分别算出两个超声阵列获取的信标装置的俯仰角、方位角，再结合两个超声阵列的间距得出鼠标的空间位置。

每个超声阵列的信号输入与角度计算器，角度计算器根据超声阵列输出的离散信号及空间普估计算法计算信标装置相对超声阵列的方位角和俯仰角；

空间计算器接收所有角度计算器输出的方位角和俯仰角，结合各个超声阵列的布设情况，可以计算出信标装置的空间位置。

超声阵列的多个超声传感器可按需排列成不同的阵型，且阵元间的最大间距小于超声波波长的二分之一。

带通滤波器用于滤除超声传感器输出信号中除超声信号外的其他信号。

模数转换器与带通滤波器联接，其中模数转换器可以采用远低于超声频率的采样频率，以降低硬件成本。根据信号采样定律，模数转换器的采样频率必须大于2两倍的信号频率，才能够保证离散信号可以完美还原模拟信号，但是本发明采用远低于信号频率的采样频率，也同样可以很好地处理信号，并且可以降低模数转换器的硬件成本。

本发明，信标装置结构简单，体积小，容易安装至各种被定位物体上，且功耗较低；定位计算器的采样频率可以使用较低的频率，降低硬件成本、算法计算量少，实时性高；同时超声阵列孔径小，携带及布设容易；由于采用了空间普估计算法，所以定位精度对超声波的传播衰减不敏感，具有较高的定位精度。

附图说明

图1为本发明的一种定位计算器和信标装置结构示意图。

图2为本发明的鼠标作为信标装置的结构框图。

图3为本发明的定位计算器的结构框图。