專利名稱：一種紅外定位的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及位置定位技術領域，特別是涉及一種紅外定位系統(tǒng)與方法，本發(fā)明適用于向地面可移動裝置、墻面爬行裝置等位于一特定矩形平面區(qū)域內的物體提供位置、速度信息。
背景技術：
隨著國民經濟的迅速發(fā)展，對各種物體的定位服務也隨之增加，借助于定位技術，可以準確地獲知被定位物體的位置信息，并提供相關的導航服務?，F(xiàn)有技術中，主要有以下幾種定位方案在地面上繪制標志線被定位裝置主要通過光電檢測地面反射信號的強度探測標志線，進行粗略定位。地上繪制標志線只能對定位起到極為有限的輔助作用，比如，接通管理系統(tǒng)中，對闖紅燈的車輛堿性定位監(jiān)測，但是車輛不能通過它來確定自己的確切位置。
利用電子眼和超聲傳感器等裝置獲得方位信息通過強大的數(shù)字信號處理單元實時對數(shù)據(jù)進行處理，判別周圍物體的方位，從而得到自身的相對位置。這是對人類和其他動物通過眼睛定位的一種仿真，也許是機器人定位技術發(fā)展的最終方式，如果這種技術成熟，將會得到非常廣泛的應用，但目前這種技術尚未成熟，不論是硬件還是軟件都很復雜，效果也不是很好，尚不可能被推廣。
被定位區(qū)域上空固定攝像機采集到的信息傳到計算機后通過相應軟件進行物體識別、坐標計算，確定被定位目標的坐標，并通過無線通信的方式把坐標傳給地面目標或直接對目標進行控制。這種定位方式和方案二類似，但在原理上(主要是軟件上)比方案二簡單，但只能在某些特殊場合值得應用，這種方案硬件上花費很大且只能對幾個預知形狀和顏色的物體定位。
在某些特殊的場合，比如在某個特定的小范圍內，上述定位技術還不能較好地適用，目前，尚未檢索到適用較小范圍內定位的相應的技術文獻。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提出一種適合小范圍的紅外定位系統(tǒng)與方法，本發(fā)明定位迅速、精確可靠、結構簡單、安裝方便、成本低廉。
本發(fā)明所述紅外定位系統(tǒng)，包括掃描裝置和接收裝置；所述掃描裝置中，包括掃描裝置微電腦、X方向紅外光發(fā)射裝置、X轉筒位置傳感器、Y方向紅外光發(fā)射裝置；Y轉筒位置傳感器；時間基準信號發(fā)射器；所述掃描裝置微電腦，用于接收轉筒位置傳感信號，控制時間基準信號發(fā)射器和紅外光發(fā)射裝置；所述X方向紅外光發(fā)射裝置，用于產生紅外光，對被定位平面的X方向掃描；所述X轉筒位置傳感器，使紅外掃描光帶在剛好能掃到被掃描面X邊界時，產生一個X脈沖信號；所述Y方向紅外光發(fā)射裝置，用于產生紅外光，對被定位平面的Y方向掃描；所述Y轉筒位置傳感器，使紅外掃描光帶在剛好能掃到被掃描面Y邊界時，產生一個Y脈沖信號；所述時間基準信號發(fā)射器，用于產生時間基準信號，向被掃描面發(fā)射X、Y時間基準信號；所述接收裝置包括接收裝置微電腦；時間基準信號接收器；紅外光接收器；存儲器；
所述時間基準信號接收器，用于接收掃描裝置發(fā)出的X、Y時間基準信號，并通知接收裝置微電腦；所述紅外光接收器，用于接收掃描裝置發(fā)出的紅外掃描信號；所述接收裝置微電腦，具有定時器功能，用于計算時間基準信號與紅外掃描信號的時間差，得出位置坐標。
如上所述的系統(tǒng)，所述接收裝置還包括一個通信接口，負責所述接收裝置微電腦與坐標數(shù)據(jù)需求方之間的數(shù)據(jù)傳輸。
如上所述的系統(tǒng)，所述接收裝置還包括一個存儲器，存儲掃描時間與位置對應關系的換算表，供接收裝置微電腦查詢。
如上所述的系統(tǒng)，所述掃描裝置中，所述X或Y方向紅外光發(fā)射裝置，分別安裝在兩個轉筒中，通過驅動使其周期運動；所述轉筒上刻有狹縫，紅外光透過狹縫射出，照射到被定位區(qū)域上成一束光帶。
如上所述的系統(tǒng)，所述的兩個轉筒的安裝位置為相互垂直。
如上所述的系統(tǒng)，所述的X或Y轉筒位置傳感器，安裝在相應的轉筒的一側。
本發(fā)明所述紅外定位的方法，包括如下步驟X方向紅外光進行掃描，當掃描光帶剛好能掃到被掃描面的X方向零邊界時，X轉筒位置傳感器發(fā)出傳感脈沖信號通知掃描裝置微電腦，掃描裝置通過時間基準信號發(fā)射器向被掃描面發(fā)出X時間基準信號，并驅動X紅外發(fā)射裝置發(fā)射紅外光；地面接收裝置，使定時器清零并啟動計時；當掃描線掃到被定位物體時，接收裝置的紅外接收器接收到紅外光照射，發(fā)射脈沖信號通知接收裝置微電腦，微電腦令定時器停止計數(shù)，記錄此時記時值，根據(jù)記時值得出X坐標信息；接著，按如上過程進行Y方向紅外光掃描，得出Y坐標信息。
如上所述的方法，所述根據(jù)記時值得出X或Y的坐標信息，可以通過接收裝置微電腦進行實時運算得出，也可以通過預先計算的換算表查詢。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的定位方案相比，有如下優(yōu)點定位迅速，每秒能連續(xù)提供多次以上的坐標信息。被定位物體不限數(shù)量和外形，只要處在被定位面內，均能各自安裝接收器定位。精度高。體積小，掃描裝置的體積可以控制在20cm*20cm*10cm以內，接收裝置的體積在4cm*3cm*3cm以內，可方便的安裝在需要定位服務的物體上。本發(fā)明結構簡單，便于安裝。成本極低。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖；圖2是掃描裝置結構示意圖；圖3是本發(fā)明所述定位方法的掃描過程的示意圖；圖4位置傳感器和接收裝置計時配合的示意圖；圖5是紅外光掃描到接收裝置的紅外傳感器上的示意圖；圖6為紅外光對Y方向掃描過程的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明所述系統(tǒng)分為掃描裝置和接收裝置兩部分。掃描裝置利用兩束紅外光分別在互相垂直的方向上勻速轉動掃描一矩形平面區(qū)域，分別在當紅外光掃到地面兩互相垂直的邊界上時發(fā)送兩種不同時間基準信號(為敘述方便，以下稱這兩個互相垂直的方向為X，Y方向，系統(tǒng)中相應的兩套同類部件均以X，Y相區(qū)別)。地面上的接收裝置通過計算從收到時間基準信號至紅外光到達之間的時間差并將其轉換成接收裝置分別離兩邊界的距離(即橫縱坐標)。
本發(fā)明所述系統(tǒng)的結構示意圖如圖1所示，掃描裝置的結構示意圖如圖2所示，各部件功能如下支架用于安裝和固定掃描機構和其他部件。
X、Y方向的轉筒每個轉筒里面安裝有紅外光發(fā)射器，轉筒上刻有狹縫。紅外光透過狹縫射出，照射到地面上成一條光帶。光帶與被掃描平面平行，用于掃描被定位平面。轉筒由機械運動部件帶動作圓周運動(也可選擇往復運動等周期性運動方式)。轉筒上的狹縫隨著轉筒運動，紅外光透過它照射到被定位平面的光帶在平面上掃描。
時間基準信號發(fā)射器、接收器用于時間基準信號的傳輸，可使用紅外或無線等傳輸手段。
轉筒位置傳感器調整轉筒位置傳感器的安裝位置，使紅外掃描光帶在剛好能掃到被掃描面邊界時，產生一個傳感脈沖信號(注意“剛好能”三個字的意思是指如果此時轉筒里發(fā)出紅外光，那么紅外光帶將處在被掃描面邊界上，實際上紅外光是在掃描裝置接收到X轉筒位置傳感器傳來的脈沖信號后才開始發(fā)射的，本文以后出現(xiàn)的“剛好能”三個字均應作此理解)。
如圖3所示，透過X轉筒射出的X紅外掃描光帶剛好能掃描到被掃描矩形區(qū)域內X方向上的邊界AB時，安裝在X轉筒旁的X轉筒位置傳感器產生一個X傳感脈沖信號，掃描裝置上的微電腦接收到這個傳感信號后，通過時間基準信號發(fā)射器向被掃描面發(fā)送X時間基準信號。處于被掃描平面內的接收裝置通過時間基準信號接收器接收到X時間基準信號后，發(fā)出脈沖信號給接收裝置微電腦，微電腦對記時器清零并開始記時。同理，Y轉筒位置傳感器在透過Y轉筒的Y紅外掃描光帶剛好能掃描到被掃描面的Y方向上的AC邊界時，發(fā)出傳感脈沖信號通知掃描裝置微電腦，微電腦通過時間基準信號發(fā)射器向被掃描面發(fā)送Y時間基準信號。處于被掃描平面內的接收裝置通過時間基準信號接收器接收到Y時間基準信號后，發(fā)出脈沖信號給接收裝置微電腦，微電腦也對記時器清零并開始記時。值得注意的是，由于本發(fā)明所述系統(tǒng)X，Y方向上的掃描是輪流而不是同時的，所以微電腦可以只使用一個定時器，這一點將在對本發(fā)明所述系統(tǒng)工作過程的闡述中進一步解釋。
紅外光發(fā)射裝置掃描裝置在收到X轉筒位置傳感器傳感脈沖信號后，在向被掃描面發(fā)射X時間基準信號的同時，驅動X紅外發(fā)射裝置持續(xù)發(fā)射一段時間，這段時間的長度略大于X紅外光帶沿X方向從被掃描面AB邊界掃到CD邊界的時間。同理，掃描裝置在收到Y轉筒位置傳感信號時，驅動Y紅外發(fā)射裝置持續(xù)發(fā)射紅外光一段時間。這段時間的長度也略大于Y紅外光帶沿Y方向從被掃描面AC邊界到BD邊界的時間。
紅外光接收器紅外光掃描到接收裝置時，接收裝置上的紅外接收器發(fā)出脈沖信號通知傳給接收裝置微電腦，微電腦停止定時器并記錄此時計時值。
存儲器根據(jù)轉筒的運動規(guī)律可推算出紅外光帶在被掃描面上的運動規(guī)律，從而可以得到地面接收裝置定時器的計時值和坐標的對應關系。這個對應關系可通過計算機制成對應表存放在接收裝置的存儲器里。微電腦憑計時值查表可立即得出坐標值。當然接收裝置也可根據(jù)掃描光帶的運動規(guī)律實時計算出坐標而不需要存儲器，不過這會增加微電腦的運算負擔。
通信接口根據(jù)不同的需要，通信接口負責把坐標數(shù)據(jù)傳輸給坐標數(shù)據(jù)需求方。如果是對可移動機器人定位，則通信接口負責把數(shù)據(jù)傳給機器人的微電腦或其指揮機構。如果是對農場中的牲畜、區(qū)域內的障礙物等非電子裝置，通信接口負責將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央管理系統(tǒng)，用以對牲畜、障礙物進行監(jiān)測。
本發(fā)明所述方法的原理如下如附圖4所示，當X紅外掃描光帶剛好能掃到被掃描面的X方向零邊界時，(即面ABCD的AB線)時，X轉筒位置傳感器發(fā)出傳感脈沖信號通知掃描裝置微電腦，掃描裝置通過時間基準信號發(fā)射器向被掃描面發(fā)出X時間基準信號，并驅動X紅外發(fā)射裝置發(fā)射紅外光。地面接收裝置接收到這個X時間基準信號后讓定時器清零并啟動計時。
當X掃描線掃到如圖5位置時，接收裝置的紅外接收器接收到紅外光照射，發(fā)射脈沖信號通知接收裝置微電腦，微電腦令定時器停止計數(shù)，記錄此時記時值，并根據(jù)這個時間值查表得出X坐標。
X紅外掃描光帶沿X方向掃過邊界CD，移出被定位面。掃描裝置停止X紅外光的發(fā)射。根據(jù)掃描裝置轉筒的運動規(guī)律，可推算出X紅外掃描光帶沿X方向從邊界AB掃到邊界CD所需的時間T1，掃描裝置只需使X紅外發(fā)射裝置的發(fā)光時間略大于時間T1即可。
接下來掃描裝置等待Y位置傳感器的脈沖信號，當Y紅外掃描光帶剛好能掃到被掃描面的Y方向零邊界時，(即面ABCD的AC線)時，Y轉筒位置傳感器發(fā)出傳感脈沖信號。掃描裝置通過時間基準信號發(fā)射器向被掃描面發(fā)出Y時間基準信號，并驅動Y紅外發(fā)射裝置持續(xù)發(fā)射紅外光直到Y紅外掃描光帶沿Y方向從邊界AC掃到邊界BD。地面接收裝置接收到這個Y時間基準信號后讓定時器清零并啟動計時。
當Y掃描線掃到如圖6位置時，接收裝置的紅外接收器接收到紅外光照射，發(fā)射脈沖信號通知接收裝置微電腦，微電腦令定時器停止計數(shù)，記錄此時記時值，并根據(jù)這個時間值查表就可得出Y坐標。
Y紅外掃描光帶沿X方向掃過邊界BD，移出被定位面。掃描裝置停止Y紅外光的發(fā)射。根據(jù)掃描裝置轉筒的運動規(guī)律，可推算出Y紅外掃描光帶沿X方向從邊界AC掃到邊界BD所需的時間T2，掃描裝置只需使Y紅外發(fā)射裝置的發(fā)光時間略大于時間T2即可。
通過如上步驟，接收裝置就獲得了一次X、Y坐標信息。按照以上規(guī)律，掃描裝置不停的掃描，接收裝置便能不停的獲得當前的坐標信息。
上述根據(jù)記時值得出X或Y的坐標信息，可以通過接收裝置微電腦進行實時運算得出，也可以通過預先計算的換算表查詢。
下面列舉本發(fā)明的兩個具體例子掃描裝置裝在需要定位面的上方地面上需定位物體或可移動裝置安裝本發(fā)明所述系統(tǒng)的接收裝置。接收裝置便可實時向坐標信息接收方提供坐標信息，從而可以進行各種智能控制。如控制機器人的行走，機器人頭上安裝定位接收裝置，則本發(fā)明所述系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)，給機器人提供更迅速，更精確，更直接的位置信息。本發(fā)明所述系統(tǒng)也可應用于非電子裝置，如牲畜，障礙物等。接收裝置可將牲畜，障礙物的位置發(fā)送給中央管理系統(tǒng)或其他需要這些位置信息的地方做進一步的應用。
在會議室、多媒體教室等需要用大屏幕投影的場合掃描裝置可對投影幕掃描。接收裝置安裝在教鞭頂端，即可提供教鞭頂端相對于投影幕的位置。計算機上安裝相應的驅動程序。計算機通過和接收裝置通訊，可實時控制鼠標移動到教鞭所指的位置。教鞭上可安裝兩個按鍵，代替鼠標左右鍵，則可完全代替鼠標操作計算機，完成類似觸摸屏的功能，有相當?shù)膶嵱脙r值。
最后所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種紅外定位系統(tǒng)，包括掃描裝置和接收裝置；其特征在于，所述掃描裝置中，包括掃描裝置微電腦、X方向紅外光發(fā)射裝置、X轉筒位置傳感器、Y方向紅外光發(fā)射裝置；Y轉筒位置傳感器；時間基準信號發(fā)射器；所述掃描裝置微電腦，用于接收轉筒位置傳感信號，控制時間基準信號發(fā)射器和紅外光發(fā)射裝置；所述X方向紅外光發(fā)射裝置，用于產生紅外光，對被定位平面的X方向掃描；所述X轉筒位置傳感器，使紅外掃描光帶在剛好能掃到被掃描面X邊界時，產生一個X脈沖信號；所述Y方向紅外光發(fā)射裝置，用于產生紅外光，對被定位平面的Y方向掃描；所述Y轉筒位置傳感器，使紅外掃描光帶在剛好能掃到被掃描面Y邊界時，產生一個Y脈沖信號；所述時間基準信號發(fā)射器，用于產生時間基準信號，向被掃描面發(fā)射X、Y時間基準信號；所述接收裝置包括接收裝置微電腦；時間基準信號接收器；紅外光接收器；存儲器；所述時間基準信號接收器，用于接收掃描裝置發(fā)出的X、Y時間基準信號，并通知接收裝置微電腦；所述紅外光接收器，用于接收掃描裝置發(fā)出的紅外掃描信號；所述接收裝置微電腦，具有定時器功能，用于計算時間基準信號與紅外掃描信號的時間差，得出位置坐標。
2.根據(jù)權利要求1所述的紅外定位系統(tǒng)，其特征在于，所述接收裝置還包括一個通信接口，負責所述接收裝置微電腦與坐標數(shù)據(jù)需求方之間的數(shù)據(jù)傳輸。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的紅外定位系統(tǒng)，其特征在于，所述接收裝置還包括一個存儲器，存儲掃描時間與位置對應關系的換算表，供接收裝置微電腦查詢。
4.根據(jù)權利要求3所述的紅外定位系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描裝置中，所述X或Y方向紅外光發(fā)射裝置，分別安裝在兩個轉筒中，通過驅動使其周期運動；所述轉筒上刻有狹縫，紅外光透過狹縫射出，照射到被定位區(qū)域上成一束光帶。
5.根據(jù)權利要求1、2或4所述的紅外定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個轉筒的安裝位置為相互垂直。
6.根據(jù)權利要求5所述的紅外定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的X或Y轉筒位置傳感器，安裝在相應的轉筒的一側。
7.一種紅外定位的方法，其特征在于，包括如下步驟首先，X方向紅外光進行掃描，當掃描光帶剛好能掃到被掃描面的X方向零邊界時，X轉筒位置傳感器發(fā)出傳感脈沖信號通知掃描裝置微電腦，掃描裝置通過時間基準信號發(fā)射器向被掃描面發(fā)出X時間基準信號，并驅動X紅外發(fā)射裝置發(fā)射紅外光；地面接收裝置，使定時器清零并啟動計時；當掃描線掃到被定位物體時，接收裝置的紅外接收器接收到紅外光照射，發(fā)射脈沖信號通知接收裝置微電腦，微電腦令定時器停止計數(shù)，記錄此時記時值，根據(jù)記時值得出X坐標信息；接著，按如上過程進行Y方向紅外光掃描，得出Y坐標信息。
8.根據(jù)權利要求1所述的紅外定位方法，其特征在于，所述根據(jù)記時值得出X或Y的坐標信息，可以通過接收裝置微電腦進行實時運算得出，也可以通過預先計算的換算表查詢。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外定位的系統(tǒng)和方法，所述方法包括X方向紅外光進行掃描，當掃描光帶剛好能掃到被掃描面的X方向零邊界時，X轉筒位置傳感器發(fā)出傳感脈沖信號通知掃描裝置微電腦，掃描裝置通過時間基準信號發(fā)射器向被掃描面發(fā)出X時間基準信號，并驅動X紅外發(fā)射裝置發(fā)射紅外光；地面接收裝置，使定時器清零并啟動計時；當掃描線掃到被定位物體時，接收裝置的紅外接收器接收到紅外光照射，發(fā)射脈沖信號通知接收裝置微電腦，微電腦令定時器停止計數(shù)，記錄此時記時值，根據(jù)記時值得出X坐標信息；同理得出Y坐標信息。本發(fā)明定位迅速，可方便的安裝在需要定位服務的物體上。本發(fā)明結構簡單，便于安裝。成本極低。
文檔編號G01S5/16GK1619330SQ20031011355
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月17日 優(yōu)先權日2003年11月17日
發(fā)明者李明, 王庫, 賈貴如, 董韶鵬 申請人:中國農業(yè)大學