СИСТЕМА МНОГОПОЗИЦИОННОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОЛОКАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И/ИЛИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ФОРМЫ ОБЪЕКТОВ В ПЛОСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Полезная модель относится к системам обнаружения и определения местонахождения и/или идентификации формы объектов посредством многопозиционного излучения или переизлучения и приема ультразвука, направленного в плоском пространстве. Более конкретно полезная модель относится к системам многопозиционной ультразвуковой локации объектов в плоском пространстве и может быть использована как для обнаружения вещественных (физических) объектов, их местонахождения, перемещения, формы, так и для ввода управляющей информации в различные электронные устройства.
Из уровня техники известна технология ультразвуковой диагностики [http://euromedcompany.ru/ultrazvuk/klinicheskoe-rukovodstvo-po-ultrazvukovoj-diagnostike#Glava2]. В этой технологии ультразвук излучается в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения, которые и фиксируются различными датчиками.
Недостатком такой технологии являются - ограниченность, сложность измерений, низкокачественные изображения УЗИ, дороговизна устройств вследствие наличия множества датчиков и множества форм измерений. Объясняется это тем, что при измерении используется только 1 луч и все данные собирают по динамике изменения расстояний отраженных сигналов.
Из уровня техники и природы известны различные системы и методы многопозиционной локации объектов и плоской фокусировки звука (JР 60052782, JР 60052785, JР 60181674, US 4638467, WO 2007030016, US 2011118603, RU 2221494, RU 2030900, RU 2065289, RU 2065289, ЕР 0369127А2 и другие), функционирующие на основе радиолокации с использованием методов триангуляции (определения координат объектов по угловым параметрам и базису) и методов трилатерации (определения координат объектов по измеренным расстояниям до объектов и базису).
В таких системах ультразвуковой эхолокации для определения положения и/или идентификации формы объектов методом триангуляционного определения их положения по длительности распространения прямого и отраженного сигнала также используют как правило один источник излучения (хотя может иметь и несколько генерирующих частот) и один приемник. Излучатели в системе создают панорамные и/или секторные звуковые колебания в объемном пространстве, что также связано с возникающей проблемой неоднозначности результатов измерений. Недостатками таких известных технологий являются - ограниченность, сложность измеряемых устройств, дороговизна устройств. Объясняется это тем, что ультразвуковой локатор содержит дополнительное множество сложных устройств, например, таких как высокочастотные генератор и усилитель, низкочастотный и резонансный усилители, приемник и громкоговоритель, амплитудный ограничитель, частотный детектор, выпрямитель, интегратор, компаратор, схема формирования микротактов, генераторы импульсов, схема реверсивного счета, блоки счетчиков, схема совпадения, умножитель частоты.
Техническим результатом заявленного решения является возможность определения положения и/или идентификации формы объектов в плоском пространстве или в трехмерном пространстве простым и дешевым способом.
Указанный технический результат достигается за счет того, что система многопозиционной ультразвуковой эхолокации для определения положения и/или идентификации формы объектов в плоском пространстве, выполненная с возможностью определением положения объектов по длительности распространения прямого и отраженного сигнала с помощью излучателя ультразвуковых колебаний и приемника ультразвуковых колебаний, отличающаяся тем, что содержит не менее одного ультразвукового излучателя и не менее двух приемников, либо не менее двух ультразвуковых излучателей и не менее одного приемника, причем излучатели выполнены с возможностью формирования панорамных и/или секторных звуковых колебаний в плоскости контрапертурным и/или полуконтрапертурным способом и/или посредством многоэлементных конвексных фазированных решеток и/или других угловых (секторных) излучателей. Система может быть выполнена таким образом, что излучатели являются также и приемниками.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана схема определения положения объекта на плоскости с использованием двух излучателей-приемников (а - вид сверху, б - вид в объеме).
На Фиг.2 показана схема определения положения объекта на плоскости и отображением координат объекта на мониторе.
На Фиг.3 показана схема определения положения объекта на плоскости с использованием двух излучателей и одного приемника (а - вид сверху, б - вид в объеме).
На Фиг.4 показана схема определения положения объекта на плоскости с использованием двух приемников и одного излучателя (а - вид сверху, б - вид в объеме).
На Фиг.5 показана схема определения положения объемного объекта путем сканирования во множестве плоскостей.
Осуществление полезной модели
Система локации состоит из нескольких синхронизированных ультразвуковых излучателей и приемников, работающих в одной группе, и вычислительного блока или вычислительных блоков, которые производят расчет положения до поверхности объектов при помощи метода трилатерации.
Возможны различные комбинации как количественного соотношения излучателей и приемников, так и мест их позиционирования возле сканируемой зоны. Пара излучатель-приемник могут находиться вместе, представляя собой единое устройство "радар" и в таком случае минимальное количество таких радаров может быть ограничено двумя. Радары также могут находиться вместе, представляя собой единое устройство. Локация в плоском пространстве достигается за счет панорамной фокусировки ультразвука контрапертурным и/или полуконтрапертурным способом, а также может быть реализована посредством ультразвуковых излучателей-датчиков многоэлементных конвексных фазированных решеток и/или других угловых (секторных) излучателей. Обнаружение координат и/или идентификация формы сканируемых объектов достигается за счет периодической фиксации времени прохождения ультразвукового сигнала до объекта и от него (прямого и обратного) и последующего расчета координат объекта по методу трилатерации.
В случае совмещенного излучателя и приемника ультразвуковых волн (см. Фиг.1) расстояние до объекта (3) рассчитывается исходя из скорости распространения ультразвуковой волны в среде, деленное на половину времени, прошедшего от момента излучения сигнала (импульса) до приема отраженного сигнала. В случае разделенных излучателя и приемника ультразвуковых волн (см. Фиг.3) расстояние до объекта (3) рассчитывается по исходя из скорости распространения ультразвуковой волны в среде, умноженное на k и деленное на половину времени, прошедшего от момента излучения сигнала (импульса) до приема отраженного сигнала, где k - это коэффициент коррекции, который зависит от расстояния между приемником и излучателем.
В системе используют не менее одного ультразвукового излучателя и не менее двух приемников (Фиг.4), либо не менее двух ультразвуковых излучателей и не менее одного приемника (Фиг.3).
Если излучатели и приемники (1, 2) находятся в нескольких параллельных плоскостях (4) (см. Фиг.5), то излучатели в каждой плоскости получают информацию о координатах в каждой ближайшей точке объемного объекта (3). Такое решение позволяет ускорить процесс сканирования и получить больше информации за один такт измерений. При наличии излучателей по всему периметру вокруг сканируемого объекта можно вести сканирования объемных объектов.
Координаты объекта (3) определяют посредством получения расстояний от излучателя до объекта и от объекта до приемника.
Когда излучатель одновременно является приемником (см. Фиг.1), необходимо минимум два излучателя-приемника (1, 2) и определение расстояний от них до объекта (3). Поскольку расстояние между двумя излучателями-приемниками (1, 2) известно, формируется треугольник, все стороны которого известны и координаты объекта (3) на плоскости (4) определяют (см. Фиг.2) высчитывая их относительно координат излучателей-приемников (1, 2). Данные можно обработать на компьютере (5) и выдать пользователю положение объекта (3) на мониторе (6).
Когда излучателей два, а приемник один (Фиг.3) определяют расстояния от излучателей до объекта (3) с учетом k - коэффициента коррекции, который зависит от расстояния между приемником (7) и излучателем (1, 2). Поскольку расстояния (1, 7) и (2, 7) известны, формируется треугольник, все стороны которого известны и координаты объекта (3) на плоскости (4) определяют высчитывая их относительно координат излучателей (1, 2). Аналогичным образом определяют координаты объекта (3), когда приемников (8, 9) два, а излучатель (1) один (Фиг.4).
Объект (3) может представлять собой перо или палец, которым водят по планшету (плоскости) (4), что позволяет определять положение пера (пальца) на планшете. Это может найти применение в следующих областях: бытовая и общественная техника, автоматизация различных устройств и управление ими, осветительная техника, писуары, унитазы, мыльницы, водопроводные краны, лифты, турникеты, ворота, двери, роботы пылесосы, настенные регуляторы освещения, проекционные на стену часы, лого и слайд-проекторы, калькуляторы и т.д.
Также это может использоваться в компьютерной периферии для управления и ввода данных: сенсорные экраны, мыши, тачпады, проекционные и другие интерактивные столы, и т.д.
На макроуровне система может найти применение в охранных системах для определения присутствия объектов и их движения.
Система также применима и в качестве автоматической настройки баланса звуковой панорамы в помещении по местоположению слушателя; в эхолокации и иных отраслях техники.