专利名称：基于网络环境下的超声波定位控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波定位，尤其涉及多个目标的超声波定位，具体讲，涉及基于网络 环境下的超声波定位控制系统。
背景技术：
超声波具有定向性好、能量消耗小、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优 点，它不受光线、被测物颜色等影响，在恶劣工作环境下具有一定的适应能力。可以利用超 声波这些性质进行定位、测量、探伤和加工处理等。很多领域都通过与超声波定位技术的结 合，获得了更好的领域拓展和新品开发。现在常见的实景游戏的缺点是玩家在游戏中不能直观的看到游戏模型的具体位置和状态，尤其是游戏场地过大 或有障碍物的影响时，玩家不能对游戏模型进行正确的操作。另一种常见的游戏方式是网络游戏，玩家虽然能看到游戏模型的位置和状态，但 是其缺点是1、玩家缺乏实际的操作感觉，特别是无法亲手操作；2、网络游戏由于操作场所随意，且电脑的使用很难控制，因此，易使青少年沉迷， 而无法控制。

发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种基于网络环境下的超声波定位控制系统，实现 将实景游戏和室内超声波定位技术有机结合的创新模式。突破了原本网络游戏的虚拟性和 传统实景游戏的缺少实时游戏模型定位的信息，既优化了传统的实景游戏系统，也使游戏 更直观更真实本发明采用的技术方案是，基于网络环境下的超声波定位控制系统，包括参考点，参考点中设有与模型坦克相对应的超声波接收电路，无线射频接收电路， 参考点中的CPLD负责计量参考点与模型坦克间的超声波测距值，并由WiPort回传给服务 器进行处理；模型坦克，包括接入无线局域网的WiPort，超声波发射电路，无线射频信号发射电 路，还包括控制单元CPLD，控制单元CPLD将WiPort所接收的信息进行解码，并根据接收到 指令的不同，控制坦克运动、控制超声波发射以及射频信号的发射；服务器，用于处理所有相关的数据，服务器需要向模型坦克发送控制命令，并接收 模型坦克回传的实时信息，在定位系统中，服务器又需要处理若干超声波测距值，快速计算 并显示模型坦克的实时位置。 所述服务器需要向模型坦克发送控制命令是，服务器通过无线局域网的WiPort 给模型坦克发送超声波定位指令，模型坦克上的控制单元CPLD解码该命令产生控制信号， 分别驱动控制单元CPLD芯片内部设置的超声波发射和接收电路，参考点通过接收射频信 号和超声波信号去控制参考点内基于CPLD编程实现的计数器计数，并通过WiPort将该计 数值回传给服务器；计数器用于记录参考点从接收射频信号后启动到首次接收到超声波信号的时间启动计数器开始计数，参考点接收到超声波后计数器停止计数，计数器的数值乘 以驱动计数器计数的时钟周期，即可得出计数器所计的时间，即参考点从启动到接收到超 声波的时间，也就是从模型坦克发射超声波到参考点接收到超声波的时间。所述的超声波接收电路的时钟频率采用9600的16倍，所述超声波发送电路的时 钟频率采用9600HZ。模型坦克收到服务器发送的超声波定位指令后，模型坦克上设置的解码芯片 SC2272产生一个控制通用编码芯片SC2262的发射使能端/TE的信号，控制发射使能端/ TE保持有效的时间内模型坦克上无线射频发射电路能够发送两帧无关信号，在发送第三帧 有用信号之前，模型坦克上的控制单元CPLD内存储的address地址信号去控制编码芯片
SC2262的一个地址引脚，即在发射使能信号&有效之前，编码芯片SC2262的地址已与解
码芯片SC2272的地址相匹配，SC2262的第17脚输出经调制的串行数据信号，该信号对无 线射频发射电路中的射频发射模块F05P进行幅度键控调制，从而发射315M射频信号。参考点的WiPort通过无线网络把计数值回传给服务器，服务器由S = v*t，算出模 型坦克距参考点的距离，根据模型坦克距参考点的距离，即可算出坦克在模拟战场上的位 置，由于坦克定位，只需要知道坦克距三个参考点的距离，所以要设置一个全局变量CNT，记 录接收到超声波的参考点个数，每当参考点接收到超声波信号，CNT就加1，当全局变量CNT 等于3时，就关闭所有的参考点，复位系统，等待下一次定位。模型坦克的定位信息的回传，采用时分复用的方式，在时间轴上η辆坦克模型的 一次轮询称为一帧，每辆坦克模型的一次定位称为一个时隙，一帧由若干个时隙构成，为防 止时隙间和帧间串扰，时隙与时隙之间有时隙间隔，帧与帧之间有帧间隔，当一个时隙开始 时，服务器向模型坦克发送控制指令，然后等待参考点的回传信号，一旦接收到回传信号， 服务器就会根据超声波定位原理，计算出该模型坦克的坐标并显示结果，然后结束时隙，如 果在规定时间内未接收到回传信号，服务器就会强行终止时隙，之后等待一个短暂的时隙 间隔，然后开始下一个时隙，当若干辆模型坦克都轮询完一遍，一帧结束，经过一个短暂的 帧间隔之后开始下一帧，时间轮询不断循环进行，直到游戏结束。模型坦克的定位信息的获取，采用时分复用的方式，在Tl时刻，服务器发出模型 坦克1发射超声波的命令，该命令通过无线局域网传送到模型坦克1和参考点S相关模块， 使得模型坦克1开始发射超声波，同时参考点S模块开始计时，当超声波的首波被三个超声 波接收头收到时，计时停止，然后根据渡越时间检测法，对模型坦克1进行定位，同样道理， 在Τ2、Τ3、Τ4…Tn时刻，由服务器发出分别使模型坦克2、模型坦克3、模型坦克4…模型坦 克η发射超声波的指令，完成对η辆模型坦克的定位。本发明具有如下技术效果1、采用无线射频和超声波测距，能可靠的对模型坦克进行准确定位；2、定位信息的回传，采用时分复用的方式，能够对多点进行定位；3、结构简单易于实现。


图1单一坦克模型超声波定位控制系统模型。图2服务器启动定位方式。
图3参考点安装示意图。图4多坦克超声波定位控制系统框图。图5用户界面设计。图6MATLAB仿真结果。图7软件测得的位置与实际位置对照。图 8TC401IBP 引脚图。图9逻辑图。图10超声波发射电路。图11超声波接收电路。图12发射端仿真结果。图13计数值回传仿真结果。
具体实施例方式本发明公开了一种基于无线局域网的超声波定位控制系统。该系统包括服务器控 制中心、利用超声波定位的移动目标、超声波发射点及不少于三个的超声波接收点。超声波 发射电路安装在前述的移动目标上，它不断地向室内设置的超声波定位接收点发射超声波 群，并通过射频信号同步启动其计时系统。通过无线局域网，将各超声波接收点对超声波计 时结果传回服务器控制中心，由于超声波发射点与各接收点的距离与超声波的传输时间密 切相关，经在服务器控制中心进行计算与处理后，最后得到移动目标的三维位置坐标信息， 并将移动目标的位置实时显示在屏幕上。本系统可通过时分复用技术实现多目标的实时定 位。为提高超声波定位精度，本系统采用两个措施其一是超声波接收参考点位置的选择运 用了病态数学理论和病态方程组理论中计算各种参考点组合下的布点相关矩阵的条件数， 通过控制条件数的大小，使测距误差达到厘米级。其二是为使作为同步启动超声波发射端 的发射和超声波接收端计数器工作的射频信号的处理，采用了先向接收端发射一个预启动 信号，使其先稳定工作，再发射正式启动信号的方法，使收发端精确同步，从而提高了定位 精度。经实验表明，在大于IOmX IOmX IOm空间内，本方法的定位误差小于10cm，即可达
分米级。本发明通过在实景数字游戏中的应用表明，它完全满足对移动目标定位精度的要 求，因此，该定位系统也可以应用于其他领域中的测距、定位及目标监测等，具有广泛的应 用价值。一种网络环境下的数字化实景游戏的定位系统，模拟战场是一块20mX IOmX IOm 的室内场地，其地面是由沙丘、障碍、河流等构成的一个真实场景。其中参考点是模拟战场 的核心部件，主要用来配合超声波定位。在参考点中，设有与模型坦克相对应的超声波接收 电路，无线射频接收电路；另外，其中的CPLD负责计量超声波测距值，并由WiPort回传给服 务器进行处理。模型坦克作为整个游戏的主体，其内部集成了多种部件，包括接入无线局域网的 WiPort，红外炮弹发射接收电路，超声波发射电路，无线射频信号发射电路。其中最主要的 控制单元就是CPLD，它需要将WiPort所接收的信息进行解码，并根据接收到指令的不同， 控制坦克运动(前进、后退、左右转等动作)、发射炮弹、控制超声波发射以及315M射频信号的发射。服务器端是整个游戏系统的控制中枢与信息交换中心，几乎所有与游戏进程相关 的数据(如模型坦克战绩、超声波测距值)都要经过服务器进行处理。服务器需要向模型 坦克发送控制命令，并接收模型坦克回传的实时信息，在定位系统中，服务器又需要处理若 干超声波测距值，快速计算并显示坦克的实时位置。所述CPLD芯片包括超声波发射和接收电路，其中超声波发射电路让服务器给模型坦克端发送超声波定位指令，模型坦克端解码该 命令产生控制信号，分别驱动无线射频发射电路和超声波发射电路。接收端通过接收315M 射频信号和超声波信号去控制基于CPLD编程实现的计数器计数，并通过WiPort将该计数 值回传给服务器。超声波接受电路中的计数器用于记录参考点从启动到首次接收到超声波信号的 时间。启动参考点计数器开始计数，参考点接收到超声波后计数器停止计数。计数器的数 值乘以驱动计数器计数的时钟周期，即可得出计数器所计的时间，即参考点从启动到接收 到超声波的时间，也就是从模型坦克发射超声波到参考点接收到超声波的时间。同时模型 坦克发射超声波。射频发射采用了先向接收端发射一个预启动信号，使其先稳定工作，再发 射正式启动信号的方法，使收发端精确同步，保证了计数时间的准确性，从而提高了定位精 度。所述的接收电路的时钟频率采用9600的16倍。所述的发送电路的时钟频率采用9600HZ。所述实景数字游戏中的定位系统，超声波发射电路控制发射使能端/TE保持有效 的时间内无线射频发射电路能够发送两帧无关信号，在发送第三帧有用信号之前，用编程 实现的address信号去控制编码芯片SC2262的一个地址引脚，即在发射使能信号TE有效 之前，编码芯片SC2262的地址已与解码芯片SC2272的地址相匹配。SC2262的第17脚输 出经调制的串行数据信号，该信号对射频发射模块F05P进行幅度键控调制，从而发射315M 射频信号。由于SC2262/2272的编解码需要一定的时间，经实验延时30. 07ms之后发送 ultrasonic_cntrl信号，能较准确的对模型坦克进行定位。接收端的WiPort通过无线网络把计数值回传给服务器。由S = v*t，很容易算出 模型坦克距参考点的距离。根据模型坦克距参考点的距离，即可算出坦克在模拟战场上的 位置。由于坦克定位，只需要知道坦克距三个参考点的距离，所以要设置一个全局变量CNT， 记录接收到超声波的参考点个数。每当参考点接收到超声波信号，CNT就加1，当全局变量 CNT等于3时，就关闭所有的参考点，复位系统，等待下一次定位。所述定位参考点的选取，用C语言编写了一个简单的矩阵处理程序，计算各种参 考点组合下的布点相关矩阵的条件数，表中条件数的最大值为13. 22，处于我们可以接受的 范围之内。10辆坦克的定位信息的回传，采用时分复用的方式，在时间轴上10坦克模型的一 次轮询称为一帧，每辆坦克模型的一次定位称为一个时隙。一帧由10个时隙构成。为防止 时隙间和帧间串扰，时隙与时隙之间有时隙间隔，帧与帧之间有帧间隔。当一个时隙开始 时，服务器向模型坦克发送控制指令，然后等待参考点的回传信号。一旦接收到回传信号， 服务器就会根据超声波定位原理，计算出该模型坦克的坐标并显示结果，然后结束时隙。如果在规定时间内未接收到回传信号，服务器就会强行终止时隙，之后等待一个短暂的时隙 间隔，然后开始下一个时隙。当10辆模型坦克都轮询完一遍，一帧结束。经过一个短暂的 帧间隔之后开始下一帧。时间轮询不断循环进行，直到游戏结束。这样，服务器就可以实时 监控模拟战场中的所有模型坦克。10辆模型坦克的定位信息的获取，采用时分复用的方式。在Tl时刻，服务器发出 模型坦克1发射超声波的命令，该命令通过无线局域网传送到模型坦克1和参考点S相关 模块，使得模型坦克1开始发射超声波，同时参考点S模块开始计时。当超声波的首波被三 个超声波接收头收到时，计时停止，然后根据渡越时间检测法，对模型坦克1进行定位。同 样道理，在Τ2、Τ3、Τ4···Τ10时刻，由服务器发出分别使模型坦克2、模型坦克3、模型坦克4··· 模型坦克10发射超声波的指令，完成对10辆坦克的定位。发明了一种定位系统的误差分析方法，并对定位系统进行了准确的分析。下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。本发明是在无线局域网环境中建立超声波定位控制系统。超声波发射器安装在坦 克模型中，超声波的发射受无线局域网模块信号控制。在服务器端，通过对坦克模型不断变 化的坐标值进行处理与变换与用户界面融合，形成实时准确反映坦克运行状态的画面，实 现了多模型坦克的实时跟踪定位。单一坦克模型超声波定位控制系统模型如图1所示。在空间中特定位置上设立3个接收点Sl (xl，yl，zl)、S2(x2，y2，z2)、S3(x3，y3, z3)，分别在目标点和接收点上安装超声波发射和接收装置，利用超声波测距原理分别测量 出目标点到每个接收点的距离11、12、13，假设模型坦克的坐标为(X，y, ζ)，那么下述方程 组会成立
最终通过Gauss消去法求出方程组的解。我们利用微软公司的VS2005开发平台，
权利要求
1.一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，包括参考点，参考点中设有与模型坦克相对应的超声波接收电路，无线射频接收电路，参考 点中的CPLD负责计量参考点与模型坦克间的超声波测距值，并由WiPort回传给服务器进 行处理；模型坦克，包括接入无线局域网的WiPort，超声波发射电路，无线射频信号发射电路， 还包括控制单元CPLD，控制单元CPLD将WiPort所接收的信息进行解码，并根据接收到指令 的不同，控制坦克运动、控制超声波发射以及射频信号的发射；服务器，用于处理所有相关的数据，服务器需要向模型坦克发送控制命令，并接收模型 坦克回传的实时信息，在定位系统中，服务器又需要处理若干超声波测距值，快速计算并显 示模型坦克的实时位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，所述服 务器需要向模型坦克发送控制命令是，服务器通过无线局域网的WiPort给模型坦克发送 超声波定位指令，模型坦克上的控制单元CPLD解码该命令产生控制信号，分别驱动控制单 元CPLD芯片内部设置的超声波发射和接收电路，参考点通过接收射频信号和超声波信号 去控制参考点内基于CPLD编程实现的计数器计数，并通过WiPort将该计数值回传给服务 器；计数器用于记录参考点从接收射频信号后启动到首次接收到超声波信号的时间启动 计数器开始计数，参考点接收到超声波后计数器停止计数，计数器的数值乘以驱动计数器 计数的时钟周期，即可得出计数器所计的时间，即参考点从启动到接收到超声波的时间，也 就是从模型坦克发射超声波到参考点接收到超声波的时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，所述 的超声波接收电路的时钟频率采用9600的16倍，所述超声波发送电路的时钟频率采用 9600HZ。
4.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，模型坦 克收到服务器发送的超声波定位指令后，模型坦克上设置的解码芯片SC2272产生一个控 制通用编码芯片SC2262的发射使能端/TE的信号，控制发射使能端/TE保持有效的时间内 模型坦克上无线射频发射电路能够发送两帧无关信号，在发送第三帧有用信号之前，模型 坦克上的控制单元CPLD内存储的address地址信号去控制编码芯片SC2262的一个地址引脚，即在发射使能信号TE有效之前，编码芯片SC2262的地址已与解码芯片SC2272的地址相匹配，SC2^52的第17脚输出经调制的串行数据信号，该信号对无线射频发射电路中的射 频发射模块F05P进行幅度键控调制，从而发射315M射频信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，参考点 的WiPort通过无线网络把计数值回传给服务器，服务器由S = v*t，算出模型坦克距参考 点的距离，根据模型坦克距参考点的距离，即可算出坦克在模拟战场上的位置，由于坦克定 位，只需要知道坦克距三个参考点的距离，所以要设置一个全局变量CNT，记录接收到超声 波的参考点个数，每当参考点接收到超声波信号，CNT就加1，当全局变量CNT等于3时，就 关闭所有的参考点，复位系统，等待下一次定位。
6.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，模型坦 克的定位信息的回传，采用时分复用的方式，在时间轴上η辆坦克模型的一次轮询称为一帧，每辆坦克模型的一次定位称为一个时隙，一帧由若干个时隙构成，为防止时隙间和帧间 串扰，时隙与时隙之间有时隙间隔，帧与帧之间有帧间隔，当一个时隙开始时，服务器向模 型坦克发送控制指令，然后等待参考点的回传信号，一旦接收到回传信号，服务器就会根据 超声波定位原理，计算出该模型坦克的坐标并显示结果，然后结束时隙，如果在规定时间内 未接收到回传信号，服务器就会强行终止时隙，之后等待一个短暂的时隙间隔，然后开始下 一个时隙，当若干辆模型坦克都轮询完一遍，一帧结束，经过一个短暂的帧间隔之后开始下 一帧，时间轮询不断循环进行，直到游戏结束。
7.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，模型坦 克的定位信息的获取，采用时分复用的方式，在Tl时刻，服务器发出模型坦克1发射超声波 的命令，该命令通过无线局域网传送到模型坦克1和参考点S相关模块，使得模型坦克1开 始发射超声波，同时参考点S模块开始计时，当超声波的首波被三个超声波接收头收到时， 计时停止，然后根据渡越时间检测法，对模型坦克1进行定位，同样道理，在T2、T3、T4…Tn 时刻，由服务器发出分别使模型坦克2、模型坦克3、模型坦克4…模型坦克η发射超声波的 指令，完成对η辆模型坦克的定位。
全文摘要
本发明涉及超声波定位，尤其涉及多个目标的超声波定位。为现将实景游戏和室内超声波定位技术有机结合的创新模式，本发明采用的技术方案是，基于网络环境下的超声波定位控制系统，包括参考点，参考点中设有与模型坦克相对应的超声波接收电路，无线射频接收电路；模型坦克，包括接入无线局域网的WiPort，超声波发射电路，无线射频信号发射电路，还包括控制单元CPLD；服务器，用于处理所有相关的数据，服务器需要向模型坦克发送控制命令，并接收模型坦克回传的实时信息，在定位系统中，服务器又需要处理若干超声波测距值，快速计算并显示模型坦克的实时位置。本发明主要应用于超声波定位。
文档编号G01S5/18GK102139160SQ20101060958
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者兰国樑, 腾明, 苏寒松 申请人:天津信息港智能社区科技有限公司