[发明专利]一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法

摘要

本发明公开了一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，包括以下步骤：选定针状物体在三维空间中的运动平面，使用超声传感器对该平面成像；控制针状物体在该平面中运动，同时测量针状物体当前的三个转动自由度；根据测量的转动自由度以及超声传感器探测的图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，如果其运动方向产生了偏离，则立刻调整其运动方向直至其回到选定的运动平面上；通过上述的方法，约束针状物体在三维空间中一固定平面上运动。本发明使用了超声检测方式，提出了一种可用于精密控制领域的约束针状物体在三维空间中运动的方法。

主权项

1.一种通过超声检测约束针状物体在三维空间中运动的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，选定针状物体在三维空间中的运动平面，使用超声传感器对该运动平面成像，得到重建的二维超声图像；步骤2，控制针状物体在运动平面中运动，同时测量针状物体当前的三个转动自由度；步骤3，根据测量的转动自由度以及重建的二维超声图像判断针状物体是否始终处于选定的运动平面上，如果其运动方向产生了偏离，则立刻调整其运动方向直至其回到选定的运动平面上；步骤4，通过步骤1～步骤3，约束针状物体在三维空间中一固定平面上运动；步骤1中，所述针状物体是一细长的刚体，用于探测三维空间中选定平面内的目标区域，针状物体能够在三维空间的选定平面内运动，但其运动范围不能超出选定平面，超出时则判定为偏离了正确的运动方向；步骤1中，超声传感器包括一组线性排列的传感器元组，选定成像平面后，超声传感器固定位置并不得移动，保持对该目标平面的实时成像；步骤1中，所述使用超声传感器对运动平面成像，使用的重建信号是超声传感器采集到的目标区域对超声波的反射信号，使用的重建方法是基于反射信号的波束形成以及延时叠加重建方法：波束形成法，是利用线阵传感器发射不同时延的信号使信号能够聚焦在一个区域或者一个方向；延迟叠加法，是对应波束形成法的一种图像重建方法，在接收信号延迟叠加时，延迟是对应波束形成时的发射信号延迟，通过延迟后的叠加能够重建出发射信号的聚焦成像区域，对于沿一个方向聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：其中d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，round代表四舍五入取整函数，i_n代表第n个传感器元，pitch代表传感器元的长度，θ代表发射波阵面聚焦的方向角，c₀代表成像区域的背景声速值，dt代表抽样时间间隔；对于沿一个区域聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：其中F代表聚焦区域中心点与传感器阵列中心之间的距离；已知每个传感器元发射信号延迟d_n后，根据传感器元接收的信号重建二维超声图像。