本實用新型屬于電子信息技術領域，涉及一種位移變化監測裝置，尤其涉及一種空間相對位移變化監測裝置；同時，本實用新型還涉及一種利用上述空間相對位移變化監測裝置技術的掃地機器人。

背景技術：

隨著科學技術的飛速發展，電子產品的種類日漸豐富。電子產品的控制方式通常是利用遙控器控制。

近年來，虛擬現實、動作感應技術出現在了一些游戲設備中；現有的控制方式通常采用機器視覺做姿態和位移檢測；此類方法在虛擬現實中的應用較廣，但存在諸多缺點，例如采用3D攝像頭和結構光的機器視覺方案，其硬件成本高，功耗高，并對使用場合的光線，場所的大小，是否有遮擋，檢測的距離等都有要求，這些要求限制了此種技術的普及。其他例如飛鼠，體感槍，在不借助外置攝像頭時，只能由內部的運動傳感器做旋轉角度變化的檢測，由于無法解決位移計算的誤差累積，而不能做位移運動時的距離量化跟蹤，此類方法對于有位移要求的姿態檢測，無法很好的解決問題。

有鑒于此，如今迫切需要設計一種空間相對位移變化的感知方式，以便克服現有感知方式存在的上述缺陷。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是：提供一種空間相對位移變化監測裝置，可精確獲取空間內兩物體的相對運動以及位置變化。

此外，本實用新型還提供一種掃地機器人，可精確獲取掃地機器人在房間中的位置，并能記錄已經清掃的區域。

為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案：

一種空間相對位移變化監測裝置，其特征在于，所述監測裝置包括：設置于 第一裝置的第一處理器、第一電脈沖機構、第一超聲波機構，設置于第二裝置的第二處理器、第二電脈沖機構、至少三個中心不共線的第二超聲波機構；第一處理器分別連接第一電脈沖機構、第一超聲波機構，第二處理器分別連接第二電脈沖機構、各第二超聲波機構；其中，第一裝置或/和第二裝置為移動裝置；

所述第一電脈沖機構為電脈沖發生器，第二電脈沖機構為電脈沖接收器；或者，所述第一電脈沖機構為電脈沖接收器，第二電脈沖機構為電脈沖發生器；

所述第一超聲波機構為超聲波發生器，第二超聲波機構為超聲波接收器；或者，所述第一超聲波機構為超聲波接收器，第二超聲波機構為超聲波發生器；

所述超聲波接收器連接計時器；超聲波發生器用以發送超速波脈沖，電脈沖發生器用以發送同步用電脈沖；電脈沖接收器用以接收電脈沖，超聲波接收器用以接收超聲波發生器發送的超聲波，計時器用以計時。

作為本實用新型的一種優選方案，所述監測裝置還包括位置輔助判斷機構；所述位置輔助判斷機構包括第三超聲波機構、第三電脈沖機構、第三計時器，第三超聲波機構的中心與上述至少三個第二超聲波機構中心不共面；第三超聲波機構與第一超聲波機構配合；

所述第三電脈沖機構為電脈沖發生器，第一電脈沖機構為電脈沖接收器；或者，所述第三電脈沖機構為電脈沖接收器，第一電脈沖機構為電脈沖發生器；

所述第三超聲波機構為超聲波發生器，第一超聲波機構為超聲波接收器；或者，所述第三超聲波機構為超聲波接收器，第一超聲波機構為超聲波發生器。

作為本實用新型的一種優選方案，所述監測裝置還包括轉動角度獲取模塊；所述轉動角度獲取模塊設置于移動裝置，運動傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁場計中的一種或多種。

作為本實用新型的一種優選方案，所述第一超聲波機構為超聲波發生器，第二超聲波機構為超聲波接收器；第一時間同步機構為電脈沖發生器，第二時間同步機構為電脈沖接收器。

作為本實用新型的一種優選方案，所述第一超聲波機構為超聲波接收器，第二超聲波機構為超聲波發生器；第一時間同步機構為電脈沖接收器，第二時間同步機構為電脈沖發生器。

作為本實用新型的一種優選方案，所述第一處理器或/和第二處理器還連接時序控制器。

一種掃地機器人，所述掃地機器人包括：殼體、清掃機構、控制電路、空間相對位移變化監測裝置，所述控制電路分別連接清掃機構、空間相對位移變化監測裝置；

所述清掃機構包括吸塵器；

所述空間相對位移變化監測裝置包括：設置于所述殼體內或殼體外的第一處理器、第一電脈沖機構、第一超聲波機構，設置于所述殼體外、固定設置的第二處理器、第二電脈沖機構、至少三個中心不共線的第二超聲波機構；第一處理器分別連接第一電脈沖機構、第一超聲波機構，第二處理器分別連接第二電脈沖機構、各第二超聲波機構；

所述第一電脈沖機構為電脈沖發生器，第二電脈沖機構為電脈沖接收器；或者，所述第一電脈沖機構為電脈沖接收器，第二電脈沖機構為電脈沖發生器；

所述第一超聲波機構為超聲波發生器，第二超聲波機構為超聲波接收器；或者，所述第一超聲波機構為超聲波接收器，第二超聲波機構為超聲波發生器；

所述超聲波接收器連接計時器；超聲波發生器用以發送超速波脈沖，電脈沖發生器用以發送同步用電脈沖；電脈沖接收器與電脈沖發生器配合，用以接收電脈沖，超聲波接收器與超聲波發生器配合，用以接收超聲波發生器發送的超聲波，計時器用以計時。

作為本實用新型的一種優選方案，所述掃地機器人還包括設置于殼體周邊的紅外線感應器，各紅外線感應器連接控制電路。

作為本實用新型的一種優選方案，所述監測裝置還包括位置輔助判斷機構；所述位置輔助判斷機構包括第三超聲波機構、第三電脈沖機構、第三計時器，第三超聲波機構的中心與上述至少三個第二超聲波機構中心不共面；第三超聲波機構與第一超聲波機構配合；

所述第三電脈沖機構為電脈沖發生器，第一電脈沖機構為電脈沖接收器；或者，所述第三電脈沖機構為電脈沖接收器，第一電脈沖機構為電脈沖發生器；

所述第三超聲波機構為超聲波發生器，第一超聲波機構為超聲波接收器；或 者，所述第三超聲波機構為超聲波接收器，第一超聲波機構為超聲波發生器。

作為本實用新型的一種優選方案，所述監測裝置還包括轉動角度獲取模塊；所述轉動角度獲取模塊設置于移動裝置，運動傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁場計中的一種或多種。

本實用新型的有益效果在于：本實用新型提出的空間相對位移變化監測裝置，可精確獲取空間內兩物體的相對運動以及位置變化。本實用新型提出的掃地機器人，可精確獲取掃地機器人在房間中的位置，并能記錄已經清掃的區域。

附圖說明

圖1為本實用新型空間相對位移變化監測系統的原理示意圖。

圖2為本實用新型系統中距離計算的原理示意圖。

圖3為本實用新型系統中時間同步的原理示意圖。

圖4為本實用新型系統中位置輔助判斷機構(第二位置確定單元)的原理示意圖。

圖5為本實用新型系統中時間同步的原理示意圖(五路信號)。

圖6為利用余玄定律計算示意圖。

圖7為本實用新型系統中距離計算的原理示意圖。

圖8為本實用新型系統中時間同步的原理示意圖(四路信號)。

圖9為本實用新型監測裝置中發生器的組成示意圖。

圖10為本實用新型監測裝置中接收器的組成示意圖。

圖11為實施例七中包含多個第二裝置的監測裝置的組成示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本實用新型的優選實施例。

實施例一

請參閱圖1、圖9、圖10，本實用新型揭示了一種空間相對位移變化監測裝置，所述監測裝置包括：設置于第一裝置103的第一處理器、第一電脈沖機構、 第一超聲波機構，設置于第二裝置101的第二處理器、第二電脈沖機構、至少三個中心不共線的第二超聲波機構，位置輔助判斷機構，轉動角度獲取模塊；其中，第一裝置或/和第二裝置為移動裝置。第一處理器分別連接第一電脈沖機構、第一超聲波機構，第二處理器分別連接第二電脈沖機構、各第二超聲波機構。所述第一處理器或/和第二處理器還可以連接時序控制器。

本實施例中，所述第二電脈沖機構為電脈沖接收器，第一電脈沖機構為電脈沖發生器；所述第二超聲波機構為超聲波接收器102-a、102-b、102-c，第一超聲波機構為超聲波發生器104。如，第二裝置可以為VR頭顯，相應地，第一裝置為人機交互輸入控制器(第一裝置、第二裝置均運動，接收、發送端均運動)。

所述超聲波接收器連接計時器；超聲波發生器用以發送超速波脈沖，電脈沖發生器用以發送同步用電脈沖，以同步各個超聲波接收器的計時器；電脈沖接收器用以接收電脈沖，超聲波接收器用以接收超聲波發生器發送的超聲波，計時器用以計時。

所述位置輔助判斷機構包括第三超聲波機構、第三電脈沖機構、第三計時器，第三超聲波機構的中心與上述至少三個第二超聲波機構中心不共面；第三超聲波機構與第一超聲波機構配合。

所述第三電脈沖機構為電脈沖發生器，第一電脈沖機構為電脈沖接收器；或者，所述第三電脈沖機構為電脈沖接收器，第一電脈沖機構為電脈沖發生器。所述第三超聲波機構為超聲波發生器，第一超聲波機構為超聲波接收器；或者，所述第三超聲波機構為超聲波接收器，第超聲波機構為超聲波發生器。

所述轉動角度獲取模塊設置于移動裝置，運動傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁場計中的一種或多種。

實施例二

本實施例與實施例一的區別在于，本實施例中，所述第二電脈沖機構為電脈沖發生器，第一電脈沖機構為電脈沖接收器；所述第二超聲波機構為超聲波發生器，第一超聲波機構為超聲波接收器。

實施例三

本實施例與實施例一的區別在于，本實施例中，第一裝置可以為電視，第二裝置可以為遙控設備(第一裝置不動，第二裝置運動；接收端不動，發送端運動)；第一裝置也可以為遙控裝置，第二裝置為電視(第一裝置運動，第二裝置不動；接收端運動，發送端不動)。

實施例四

一種空間相對位移變化監測裝置，所述監測裝置包括：設置于第一裝置的第一電脈沖機構、第一超聲波機構，設置于第二裝置的第二電脈沖機構、至少三個中心不共線的第二超聲波機構；其中，第一裝置或/和第二裝置為移動裝置；

所述第一電脈沖機構為電脈沖發生器，第二電脈沖機構為電脈沖接收器；或者，所述第一電脈沖機構為電脈沖接收器，第二電脈沖機構為電脈沖發生器；

所述第一超聲波機構為超聲波發生器，第二超聲波機構為超聲波接收器；或者，所述第一超聲波機構為超聲波接收器，第二超聲波機構為超聲波發生器；

所述超聲波接收器連接計時器；超聲波發生器用以發送超速波脈沖，電脈沖發生器用以發送同步用電脈沖，以同步各個超聲波接收器的計時器；電脈沖接收器用以接收電脈沖，超聲波接收器用以接收超聲波發生器發送的超聲波，計時器用以計時。

實施例五

本實用新型還揭示一種掃地機器人，所述掃地機器人包括：殼體、清掃機構、控制電路、空間相對位移變化監測裝置，所述控制電路分別連接清掃機構、空間相對位移變化監測裝置；所述清掃機構包括吸塵器。

所述空間相對位移變化監測裝置包括：設置于所述殼體內或殼體外的第一電脈沖機構、第一超聲波機構，設置于所述殼體外、固定設置的第二電脈沖機構、至少三個中心不共線的第二超聲波機構。

所述第一電脈沖機構為電脈沖發生器，第二電脈沖機構為電脈沖接收器；或者，所述第一電脈沖機構為電脈沖接收器，第二電脈沖機構為電脈沖發生器。

所述第一超聲波機構為超聲波發生器，第二超聲波機構為超聲波接收器；或者，所述第一超聲波機構為超聲波接收器，第二超聲波機構為超聲波發生器。

所述超聲波接收器連接計時器；超聲波發生器用以發送超速波脈沖，電脈沖發生器用以發送同步用電脈沖，以同步各個超聲波接收器的計時器；電脈沖接收器用以接收電脈沖，超聲波接收器用以接收超聲波發生器發送的超聲波，計時器用以計時。

實施例六

本實施例與實施例一的區別在于，本實施例中，所述超聲波接收器連接計時器，在時序控制器模塊的控制下，在超聲波發生器發送超聲波脈沖時，或發送前設定的固定短時間內，電脈沖發生器發送同步用電脈沖(包括但不限于無線電波、可見光、不可見光，不可見光例如紅外光線)，以同步各個超聲波接收器的計時器；電脈沖接收器在收到電脈沖后，在時序控制模塊的控制下，清零計時器，同時啟動計時，在接收到超聲波脈沖后停止計時器，通過獲得計時器的計時值、即時間T。計時器的計數值達到設定的特定閾值數值后將不再計數，此設定值用以表示超聲波接收器由于某些原因沒有成功檢測到超聲波脈沖，計時器的計時值為無效值，此路超聲波接收器在此次檢測工作為無效。

所述距離計算模塊用以計算各個第二超聲波機構與第一超聲波機構之間的距離，通過各個計時器獲取的時間T乘以超聲波在空氣中的傳播速度V，得到超聲波接收器和超聲波發生器之間的距離S，距離S＝速度V*時間T。

超聲波在25攝氏度空氣中的傳播速度V近似于346米/秒。空氣中音速與溫度的關系式：V＝331×根號(1+T/273)(m/S)；其中，T：是攝氏溫度；V：在T℃時的音速。由于測量的距離在幾米內，速度隨溫度的變化對整體精度的影響可以忽略。

所述實時位置確定模塊包括第一位置確定單元、第二位置確定單元。所述第一位置確定單元用以根據各第二超聲波機構與第一超聲波機構之間的距離、三個第二超聲波機構的位置，確定第一裝置與第二裝置之間的初步位置關系。

請參閱圖2、圖3，聲音在25攝氏度空氣中傳播速度約為346米每秒的常量， 電信號在空氣中傳播速度約為30萬公里每秒的常量；電信號由裝載有超聲波發生器104的第一裝置103到達第二裝置101的超聲波接收器102-a和超聲波接收器102-b位置的時間為納秒級別，由于兩者的放置距離較近，產生的時間差接近為0，在此發明中對精度的影響微乎其微，可忽略；本發明中第二裝置101僅需裝載一路同步電脈沖接收器。

超聲波發生器104發出同步電脈沖(電信號包括但不限于無線電波、可見光、非可見光，非可見光例如紅外光線)的同時發出超聲波脈沖；超聲波發生器104發出的超聲波到達超聲波接收器102-a(三角形頂點)經歷時間為Ta；超聲波發生器104發出的超聲波到達超聲波接收器102-b(三角形頂點)經歷時間為Tb；計算獲得超聲波發生器104(三角形頂點)和超聲波接收器102-a距離Sa為346米/秒*Ta；計算獲得超聲波發生器104和超聲波接收器102-b距離Sb為346米/秒*Tb；三角形頂點超聲波接收器102-a和超聲波接收器102-b間距離Sab已知；通過三角形的余玄定律，三角形頂點超聲波發生器104的在二維平面的坐標可以計算獲得。

所謂“余玄定律”請參閱圖6，圖6中三角形ABC，由頂點A,B,C，簡稱為角A，B，C，和相應對邊a,b,c構成；以頂點C在坐標原點，頂點A在X軸上為例，有如下關系：

a^2＝b^2+c^2-2bc*cos(A)；

b^2＝c^2+a^2-2ac*cos(B)；

c^2＝a^2+b^2-2ab*cos(C)。

繼續推導可獲得：

cos(C)＝(a^2+b^2–c^2)/(2*a*b)；

B點坐標：

X＝a*cos(C)；

Y＝a*sin(C)，Y有正負兩種可能值，可通過其他約束條件進行結果的進一步過濾。

在此二維平面中，也可設置如下方程式來獲得B點坐標：

(X-0)^2+(Y-0)^2＝a^2；

(X-b)^2+(Y-0)^2＝c^2；

得到和上述余玄定律同樣的結果。

請參閱圖7、圖8，超聲波發生器104發出同步電脈沖(電信號)的同時發出超聲波脈沖；超聲波發生器104(三角體頂點O)發出的超聲波到達超聲波接收器102-a(三角體頂點A)經歷時間為Toa；超聲波發生器104發出的超聲波到達超聲波接收器102-b(三角體頂點B)經歷時間為Tob；超聲波發生器104發出的超聲波到達超聲波接收器102-c(三角體頂點C)經歷時間為Toc；計算獲得超聲波發生器104(三角體頂點O)和超聲波接收器102-a距離Soa為346米/秒*Ta；計算獲得超聲波發生器104和超聲波接收器102-b距離Sob為346米/秒*Tb；計算獲得超聲波發生器104和超聲波接收器102-c距離Soc為346米/秒*Tc；通過余玄定律可知，三角形頂點超聲波接收器102-a和超聲波接收器102-b間距離Sab已知；三角形頂點超聲波接收器102-a和超聲波接收器102-c間距離Sac已知；三角形頂點超聲波接收器102-b和超聲波接收器102-c間距離Sbc已知；

在此三維空間中，頂點A,B,C的坐標已知，分別為A(Ax,Ay,Az),B(Bx,By,Bz),C(Cx,Cy,Cz)；設置頂點O坐標為待求值O(x,y,z)，可成立如下方程式組獲得頂點O坐標(x,y,z)：

(x-Ax)^2+(y-Ay)^2+(z-Az)^2＝Soa^2

(x-Bx)^2+(y-By)^2+(z-Bz)^2＝Sob^2

(x-Cx)^2+(y-Cy)^2+(z-Cz)^2＝Soc^2

通過此方程式組可得到2組坐標結果，分別位于由頂點A,B,C構成的平面的兩側；或者是一組坐標，位于A,B,C構成的平面上。通過其他約束條件，例如實際應用中如若不存在某一種可能，可對結果進行進一步過濾以獲得最終的坐標值。

請參閱圖4、圖5，所述第二位置確定單元包括第三超聲波機構、第三電脈沖機構、第三計時器(計時方式與上述超聲波接收器接收方式類似)，第三超聲波機構的中心與上述至少三個第二超聲波機構中心不共面；第三超聲波機構與第一超聲波機構配合，通過距離計算模塊獲取第三超聲波機構與第一超聲波機構之 間的距離(此處，第一超聲波機構是超聲波發生器，對應圖4的標記O；第二超聲波機構為超聲波接收器，對應圖4中的A、B、C；D表示第二位置確定單元，第二位置確定單元的第三超聲波機構也為超聲波接收器)；從而進一步確認第一裝置在三個第二超聲波機構所呈平面的哪一側，具體確定第一裝置與第二裝置之間的位置關系。由于通過第一位置確定單元確認的點有兩個，分別位于三個超聲波接收器中心所在平面的兩側，通過第二位置確定單元可以確定是哪一面。

實際應用中存在兩種方式做物體位移的檢測：1、檢測單元靜止，例如放置在桌上的檢測設備，去跟蹤游戲柄的移動，此種情況只需要一個運動檢測單元，在被監測物內(游戲手柄)；檢測單元和參考坐標是重疊的。

2、檢測單元本身也在移動或者轉動，例如頭盔和游戲手柄，這時需要兩個運動檢測單元，分別放置在頭盔和手柄中；這個情況下需要有第三個靜止的坐標系作為參考(也可以通過相對位置的變化來計算)，具體計算方式可參照上述描述。

所述第二裝置還設有至少一個輔助超聲波機構；所述輔助超聲波機構為超聲波接收器。在存在無法參與距離計算的第二超聲波機構時，將輔助超聲波機構作為對應無法參與距離計算的第二超聲波機構；利用部分第二超聲波機構及輔助超聲波機構確定第一裝置與第二裝置之間的位置關系，第二超聲波機構與輔助超聲波機構的數量大于等于3；或者利用至少三個輔助超聲波機構確定第一裝置與第二裝置之間的位置關系。

所述轉動角度獲取模塊設置于移動裝置，用以通過運動傳感器通過融合算法獲得移動裝置的角度旋轉信息。

本實用新型在揭示上述系統的同時，還揭示一種上述空間相對位移變化監測系統的監測方法，所述監測方法包括如下步驟：

【步驟S1】在超聲波發生器發送超聲波脈沖時，或發送前設定短時間內，電脈沖發生器發送同步用電脈沖，以同步各個超聲波接收器的計時器；

【步驟S2】電脈沖接收器在收到電脈沖后，清零計時器，同時啟動計時，在接收到超聲波脈沖后停止計時器，通過獲得計時器的計時值、即時間T；

【步驟S3】距離計算模塊計算各個第二超聲波機構與第一超聲波機構之間 的距離，通過各個計時器獲取的時間T乘以超聲波在空氣中的傳播速度V，得到超聲波接收器和超聲波發生器之間的距離S，距離S＝速度V*時間T；

【步驟S4】第一位置確定單元根據各第二超聲波機構與第一超聲波機構之間的距離、三個第二超聲波機構的位置，確定第一裝置與第二裝置之間的初步位置關系；

【步驟S5】第二位置確定單元獲取第三超聲波機構與第一超聲波機構之間的距離；從而進一步確認第一裝置在三個第二超聲波機構所呈平面的哪一側，具體確定第一裝置與第二裝置之間的位置關系。本步驟與以上步驟可以同時進行，本步驟原理與步驟S1至步驟S3的流程類似，通常可以與上述步驟同時進行。

【步驟S6】轉動角度獲取模塊設置于移動裝置，通過運動傳感器通過融合算法獲得移動裝置的角度旋轉信息；運動傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁場計中的一種或多種。

此外，所述監測方法中，如果檢測單元本身也在移動或者轉動，例如頭盔和游戲手柄，這時需要兩個運動檢測單元，分別放置在頭盔和手柄中；這個情況下需要有第三個靜止的坐標系作為參考(也可以通過相對位置的變化來計算)，具體計算方式可參照上述描述。

實施例七

本實施例與實施例一的區別在于，本實施例中，所述監測系統包括：第一裝置、第二裝置、第三裝置(甚至可以包括第四裝置、第五裝置等等)，可參閱圖11。

第一裝置用于發出同步電脈沖、超聲波(第一裝置設置電脈沖發生器、超聲波發生器)；第二裝置用于接收電脈沖和超聲波，并計算得到和第一裝置的空間相對位置。第三裝置和第二裝置一樣原理，通過接收同步電脈沖和超聲波，獲得和第一裝置的空間相對位置(第二裝置、第三裝置分別設置電脈沖接收器、超聲波接收器、距離計算模塊)。

例如VR案例，固定設置(可以固定設置于墻上、桌子上，當然也可以不固定)的第一裝置設有發射模塊，頭盔(對應實施例一的第二裝置)上有超聲波接 收模塊，手柄(對應實施例一的第三裝置)上同樣安裝接收模塊，以分別獲得頭盔和手柄的位置，甚至是兩個手柄的位置(通過設置第四裝置實現)。

此實例的目的是當空間中需要對多個移動裝置做位置檢測時，只需要一個發射源。

綜上所述，本實用新型提出的空間相對位移變化監測裝置，可精確獲取空間內兩物體的相對運動以及位置變化。本實用新型提出的掃地機器人，可精確獲取掃地機器人在房間中的位置，并能記錄已經清掃的區域。

這里本實用新型的描述和應用是說明性的，并非想將本實用新型的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本實用新型的精神或本質特征的情況下，本實用新型可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現。在不脫離本實用新型范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。