[发明专利]基于超声波传感器和线阵电荷耦合器件的室内空间定位系统

权利要求书

1.一种基于超声波传感器和线阵电荷耦合器件的室内空间定位系统，由线阵电荷耦合模块(Ⅰ)、控制模块(Ⅱ)、信息传输模块(Ⅲ)、超声波模块(Ⅳ)以及大功率红外灯光组(Ⅴ)组成，其特征在于：所述控制模块(Ⅱ)连接线阵电荷耦合模块(Ⅰ)、信息传输模块(Ⅲ)和超声波模块(Ⅳ)；所述线阵电荷耦合模块(Ⅰ)由三个线阵电荷耦合器(21)成星型摆放，以保证每个线阵电荷耦合器(21)获取到的点光源(10)位置信息相互独立，从而获取点光源(10)相对传感器的方位，并能够反推算出传感器坐标(5)；天花板(11)上放置复数个点光源(10)，并发射红外光线；一个球面镜支架(23)设置三个球面镜(20)，使其与三个线阵电荷耦合器(21)无相对位置变动，保证三个线阵电荷耦合器(21)始终分别处于三个球面镜(20)的焦平面上；点光源(10)在距离球面镜(20)较远的情况下，其发射的光将在球面镜(20)焦平面上形成一条清晰的光线，照射在线阵电荷耦合器(21)上后，线阵电荷耦合器(21)将数据记录并传输给控制模块；所述三个球面镜(20)为精密的光学设备，保证其精度；超声波模块(Ⅳ)与控制模块(Ⅱ)通信，传输线阵电荷耦合器(21)的实时高度信息；控制模块(Ⅱ)获取到线阵电荷耦合器(21)的位置信息、姿态信息、高度信息后，进行数据融合，再通过信息传输模块(Ⅲ)将数据传输至服务器或上位机上。

2.根据权利要求1所述基于超声波传感器和线阵电荷耦合器件的室内空间定位系统，其特征在于：所述线阵电荷耦合模块(Ⅰ)由三个线阵电荷耦合器(21)、球面镜(20)、球面镜支架(23)组成；所述三个线阵电荷耦合器(21)底部相接，两两间隔120°组合成星型结构；球面镜(20)放置在球面镜支架(23)上，使球面镜(20)与电荷耦合器(21)距离固定，所述距离为球面镜(20)的焦距f；球面镜(20)放置在电荷耦合器(21)中心上方；空间点光源(10)发射的光线通过球面镜(20)会形成一条与光心线(22)平行，与电荷耦合器(21)垂直的直线，电荷耦合器(21)获得此直线所在坐标，并储存和发送给控制模块(Ⅱ)；所述点光源(10)在电荷耦合器(21)上形成的直线与透镜焦点以及点光源(10)在同一个平面内，每个成像单元会产生一个感知平面，三个成像单元所产生的三个感知平面相交的点，就是点光源(10)的位置；通过三个线阵电荷耦合器(21)得到的坐标信息，通过坐标变换算法，即可获得点光源(10)相对传感器的坐标与方向，由此推算出线阵电荷耦合器(21)相对点光源(10)的位置和姿态；所述线阵电荷耦合器(21)是东芝公司生产的电荷耦合器件TCD1304AP。

3.根据权利要求2所述基于超声波传感器和线阵电荷耦合器件的室内空间定位系统，其特征在于：球面镜(20)外覆盖红外滤光膜，去掉可见光，提高线阵电荷耦合器(21)的稳定性和抗干扰性；所述点光源(10)为大功率红外光源，可进一步提高线阵电荷耦合器(21)的稳定性。

4.根据权利要求1所述基于超声波传感器和线阵电荷耦合器件的室内空间定位系统，其特征在于：所述线阵电荷耦合器(21)与球面镜(20)的光心线(22)相互垂直，光点在其物距远大于透镜焦距时，在球面镜(20)焦平面上形成一条线状像，像线平行于球面镜(20)的光心线(22)；当光源(10)作垂直光心线(22)的移动时，像线会始终平行于光心线(22)；且垂直于线阵电荷耦合器(21)进行反向移动，其移动至线阵电荷耦合器(21)上不同的位置，线阵电荷耦合器(21)能够检测并将位置信息输出；其输出结果与光源(10)实际位置的关系为：其中y线阵电荷耦合器(21)的输出数据，f是球面镜(20)焦距，Y′和Z′分别是点光源(10)相对线阵电荷耦合器(21)的垂直位置与高度，y₀是误差偏移。

5.根据权利要求1所述基于超声波传感器和线阵电荷耦合器件的室内空间定位系统，其特征在于：所述控制模块(Ⅱ)为STM32处理器。处理器使用驱动电路，将一个驱动信号通过驱动电路放大，同时控制三个线阵电荷耦合器(21)工作，以保证三个线阵电荷耦合器(21)在同一时刻获取到位置信息；每个电荷耦合器(21)通过一个独立电荷转换通道与控制模块(Ⅱ)相连接，按照控制模块(Ⅱ)的控制信号，依次发送每个像素点的电压值，该电压值代表电荷耦合器(21)上每个像素点的光线强度。