GPS聲納定位試驗(yàn)精確度研究

1、GPS聲納定位試驗(yàn)正確度研究指導(dǎo)老師竺江峰 A05信息劉學(xué)浩8號(hào)許松金9號(hào)摘要：水下超聲定位演示儀利用了渡越時(shí)間測距及方向角檢測法進(jìn)行定位，利用單片機(jī)進(jìn)行處理和控制 ，利用自編軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。關(guān)鍵詞：GPS 超聲波、水下聲速、換能器轉(zhuǎn)換角度水下超聲定位儀電路結(jié)構(gòu)組成如圖39-1所表示,整個(gè)系統(tǒng)由89C51系列單片機(jī)來控制。開啟測量時(shí),由單片機(jī)每隔20ms發(fā)出數(shù)個(gè)1MHz超聲波，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器功率電路發(fā)射出超聲脈沖，同時(shí)開啟單片機(jī)計(jì)時(shí)器。當(dāng)脈沖抵達(dá)被測目標(biāo)時(shí)，發(fā)生反射，經(jīng)水傳輸被超聲波接收器接收 ，再由放大電路進(jìn)行濾波放大 ，使單片機(jī)產(chǎn)生中止，計(jì)數(shù)停止，數(shù)碼顯示器把測得時(shí)間顯 示并

2、由單片機(jī)將該數(shù)據(jù)進(jìn)行存放，同時(shí)可從換能器旋轉(zhuǎn)盤上讀取方向角度值，由此實(shí)現(xiàn)定位功效。圖39-1水下超聲定位儀電路結(jié)構(gòu)超聲波探測物體位置是經(jīng)過測距和測角同時(shí)來確定。超聲波測距方法較多，比如渡越時(shí)間測距法、聲波幅值測距法、相位測距法。它們各有各自特點(diǎn)，但用得最多是渡越時(shí)間測距法，本儀器采取就是超聲波渡越時(shí)間測距法。其工作原理以下：檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波，經(jīng)水介質(zhì)傳輸?shù)浇邮掌鲿r(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與水中聲速 V相乘，就是聲波傳輸距離。因?yàn)樵谠搩x器中，利用計(jì)算機(jī)程序中已將傳輸時(shí)間除以2,所以數(shù)碼顯示器顯示時(shí)間就是探測器到被測物時(shí)間t,其探測到距離1,以下式所表示：1 vt(39-1)(39-1

3、)式兩邊微分可得：dl vdt tdv(39-2)式(39-2)說明，超聲波測距傳感器測試精度是由渡越時(shí)間和聲速兩個(gè)參數(shù)精度決定。如將v看作常量，則(39-2)式可簡化為：dl vdt v/ f(39-3)式(39-3)表明：計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)頻率越高，傳感器測試精度越高，所以我們在設(shè)計(jì)時(shí)把計(jì)時(shí)頻率設(shè)計(jì)在24MHz,時(shí)間分辨率為0.5us。超聲波傳輸速度受介質(zhì)溫度影響最大，超聲波速度v與環(huán)境溫度T關(guān)系可由以下經(jīng)驗(yàn)公式給出：v 4 331.4 (T 273.16)/273.16(39-4)同時(shí)該溫度下速度 v也可利用逐差法經(jīng)過實(shí)測方法來求得，而目標(biāo)角度測量可直接從換能器方向旋轉(zhuǎn)刻度盤讀取。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定

4、位。知道目標(biāo)相對(duì)參考點(diǎn)處于什么位置能夠用直角坐標(biāo)描述，也能夠用極坐標(biāo)描述，本試驗(yàn)用極坐標(biāo)來描述目標(biāo)位置，如圖39-2所表示，知道l和中就確定了目標(biāo)方位，l測量用超聲波。試驗(yàn)?zāi)M裝置由圓柱體容器以及安裝在容器壁上探測傳感器等附件組成。被測物1掛在含有絲桿裝置可使其沿容器半徑方向作徑向移動(dòng)橫梁2上，即被測物可位于O旋轉(zhuǎn)，3是換能器與可讀取方 角度 變動(dòng)范圍是一90° 90° +90° ,被測物在圓柱半=0o時(shí),儀器橫梁也處于0公式（39-4）求取v （亦可利用逐 波時(shí)間tP ,從而可求出探測器 儀器定標(biāo)。然后，我們利用被測 器中心O三點(diǎn)組成三角形，依圖39- 2試驗(yàn)裝

5、置結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)關(guān)系橫梁任一位置。同時(shí)橫梁2能夠繞容器中心 向角度值中旋轉(zhuǎn)盤。我們設(shè)計(jì)儀器橫梁轉(zhuǎn)動(dòng) +90。，換能器轉(zhuǎn)動(dòng)角度 中范圍也是從 徑方向能夠在 018.0cm之間改變。首先，在初始時(shí)刻，當(dāng)換能器置于中 位置，即在同一直徑上，此時(shí)能夠利用經(jīng)驗(yàn) 差法測出超聲波波速）。利用測量儀測出回 到圓柱體容器中心長度P vtP ,從而完成物1、換能器3位置與角度以及圓柱體容 據(jù)余弦定理可得：r ' JP 2 l 22 Pl cos（）（39-5）'2'2 . 2'、arccos（ P r l /2r P）（39-6）其中r和'表示了依據(jù)實(shí)測所得到試驗(yàn)值。為了使同學(xué)

6、們在試驗(yàn)中便于比較，我們在軟件中確定被測物能夠作三種形式運(yùn)動(dòng)，所以在軟件開發(fā)時(shí)我們設(shè)定了直線段、圓弧、拋物線三種標(biāo)準(zhǔn)曲線。只要在開始試驗(yàn)時(shí)，確定好被測物運(yùn)動(dòng)軌跡、起始點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)、角度步長 和長度步長 r,該軟件即可給出該被測物運(yùn)動(dòng)軌跡上每一個(gè)測量點(diǎn)坐標(biāo)理論值r與。 -，- . 一 'I學(xué)生們在試驗(yàn)完成后，將所得試驗(yàn)結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，該軟件即可自動(dòng)用列表與繪圖方法給出試驗(yàn)結(jié)果（r ,）與理論值（r,）相對(duì)誤差及運(yùn)動(dòng)軌跡圖。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)室溫度：T=11.85度，從換能器到中心時(shí)間：t0 92 s自擬表格統(tǒng)計(jì)全部定標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。表格設(shè)計(jì)要便于用逐差法求對(duì)應(yīng)位置差值和計(jì)算。ri (cm)3.

7、704.705.706.707.708.709.7010.7011.7012.70ti( s)118125132139146153160167174181Vi (m/s)1428.571428.571428.571428.571428.57V (m/s)1428.57被測物作直線運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)理論值（ri，i）和依據(jù)實(shí)測結(jié)果利用軟件計(jì)算所得試驗(yàn)值（ri , i）見表39-1,繪出試驗(yàn)與理論計(jì)算所得運(yùn)動(dòng)軌跡，參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表39-1直線運(yùn)動(dòng)測量結(jié)果編號(hào)（i）12345678ti( s)169160151143134127119109L(cm)24.1422.8621.5720.431

8、9.1418.1417.0015.57P(cm)13.1413.1413.1413.1413.1413.1413.1413.14i （度）30.226.524.621.919.216.513.29.4cos i0.86430.89490.90920.92780.94440.95880.97360.9866ri (cm)14.0012.5011.009.508.006.505.003.50(i (cm)14.3912.5511.079.587.996.685.173.38八2.8%0.40%0.62%0.87%-0.13%2.79%3.31%-3.56%i （度）6060606060606060

9、'i (度)57.554.454.252.751.950.548.748.9/i ' i-4.09%-9.40%-9.63%-12.22%-13.49%-15.89%-18.80%-18.52%被測物沿圓周運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)理論值（0，i）和依據(jù)實(shí)測結(jié)果利用軟件計(jì)算所得試驗(yàn)值（r；,：）見表39-2。繪出試驗(yàn)與理論計(jì)算所得運(yùn)動(dòng)軌跡，參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表39-2圓周運(yùn)動(dòng)測量結(jié)果編號(hào)（i）12345678ti( s)163175184189189184175163li(cm)24.2126.0027.3328.0828.0827.3026.0024.21i （度）-29.8-2

10、3.2-15.6-8.28.315.823.529.5P(cm)13.1413.1413.1413.1413.1413.1413.1413.14ri (cm)15.0015.0015.0015.0015.0015.0015.0015.00COS i0.86780.91910.96320.98980.98950.96220.91710.8704, q (cm)14.3814.8515.1015.1915.1915.1214.9014.32ri/ri-4.13%-0.99%0.65%1.25%1.29%0.80%-0.67%-4.51%i （度）-60-45-30-1515304560（ 、i （

11、度）-56.8-43.6-29.1-15.315.529.544.156.4/ i-5.32%-3.11%-2.88%1.92%3.14%-1.71%-2.02%-6.07%試驗(yàn)結(jié)果及分析在被測物直線移動(dòng)過程中，伴隨 減小能器距離也對(duì)應(yīng)減小，角度步長增大，因?yàn)楸粶y物體直徑大，以及換能器檢測含有一定范圍，造成換能器不一定正視被檢測物體 ，又為超聲速速度過快，使適當(dāng)被測物體與換能器距離越來越 小時(shí)，;誤差也越來越大。在被測物作圓周移動(dòng)過程中 ，伴隨 向兩邊增大與換能器距離逐步減小，因?yàn)橄鄬?duì)取r較大，一定程度上減小了試驗(yàn)誤差，所以所測得數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果都相對(duì)比較靠近理論值。在試驗(yàn)過程中，因?yàn)槿藶?/p>

12、調(diào)整換能器角度，使得產(chǎn)生較大誤差，而試驗(yàn)使用鐵棒直徑較大也使試驗(yàn)產(chǎn)生一定誤差對(duì)于刻度遲讀數(shù)t取不夠正確，在經(jīng)過復(fù)雜運(yùn)算過程中保留了部分位數(shù)都使本試驗(yàn)產(chǎn)生一定誤差，傳輸介質(zhì)純凈度也影響試驗(yàn)效果。直線運(yùn)動(dòng)理論數(shù)據(jù)及圖表x12.1011.1910.008.817.566.234.873.45y7.045.584.583.542.631.851.140.57直線運(yùn)動(dòng)理論圖表X直線運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)及圖表x4.754.614.514.344.143.893.543.02y2.762.302.061.751.441.1510.830.50 1直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)圖表圓周運(yùn)動(dòng)理論數(shù)據(jù)及圖表x13.0213.7914.

13、4514.8514.84 114.43 13.7613.06 1y-7.45-5.91P -4.03 -2.142.17 4.085.987.39110.008.006.004.002.00Y 0.00-2.00-4.00-6.00-8.00圓周運(yùn)動(dòng)理論圖表X圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)圖表YX故理論得到驗(yàn)證改善與創(chuàng)新：在試驗(yàn)中人為調(diào)整換能器角度輕易產(chǎn)生較大誤差，假如能夠配置儀器本身微調(diào)設(shè)備，能夠讀取更正確數(shù)據(jù)。體次數(shù)假如能夠自動(dòng)增加，再取其平均值那么測得結(jié)果將更靠近于實(shí)際值。假如被測物能換成超升感應(yīng)裝置儀器探測物就能很大程度上避免因?yàn)楸粶y物半徑帶來誤差,而試驗(yàn)靈敏度就更Wj 了。附錄：（數(shù)據(jù)處理）逐差法求速

14、度：VF6 Rt6t12(8.70 3.70)*10 2(153 118)*10 61428.57(m/s)同理：V2 v3 v4V5 1428.57(m/s) VV1 V2 V3 V4 V51428.57(m/s)直線運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理：1i V*t1 1248.57*169*106 24.21(cm)同理：l2 22.86,l3 21.57/ 20.43 19.14,1 18.14,1 17.00,115.57P V*b 1248.57*92*106 13.14(cm)'-2, 21R 1i 2Pl cos 113.142 24.212 2*13.14*24.21*cos30.2 o14

15、.39(cm)-10.00圓周運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)及圖表x12.4813.6514.5415.0315.0314.55 13.6612.46y-7.15-5.85-4.06 -2.172.194.125.947.05同理：r212.55(cm),r3 11.07(cm),r4 9.58(cm),' 、 ' 、 'r57.99(cm),r66.68(cm),r7r r1439 14 005.17(cm),r8 3.38(cm) r1/r1 -1一1*100%- *100% 2.8%r114.002/2 0.40%,自/3 0.62%, q/Q 0.87%,與/與 0.13%,

16、壇/% 2.79%,七/6 3.31%,底/片 3.56%2'22_22_2OP2 r12 I12013.142 14.392 24.212o1 180 arccos-； 180 accos 57.52r1R2*14.39*13.14同理：254.4o,354.2o,452.7o,551.9°,650.5°,748.7°,848.9°1/ 1 -_1*100% 5 .6 60.0*100%4.09%160.0同理：2 / 29.40%,3 / 39.63%, 4/ 412.22%,5/ 513.49%,6 / 61.71%,7/ 72.02%,8

17、/ 86.07%圓周運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理：I1 V*t1 1428.57*163*10 6 24.21(cm)同理：I2 26.00(cm),l3 27.33(cm),l4 28.08(cm),I5 28.08(cm),l6 27.33(cm),l7 26.00(cm)8 24.21(cm)-2222r1，P l12Rlcos 1413.1424.212*13.14*24.21*cos(29.8) 14.38( cm)同理：r2 14.85(cm), r3 15.10(cm), r4 15.18(cm),' 一一， 、 ' 一一， 、 ' 、 ' 、r5 15.19(cm),r6 15.12(cm),r7 14.89(cm),r8 14.32(cm)r1/r1 r一*100% 14.38 15.00*100%4.13%r115.00同理：r2/r2 0.99%, r3/r3 0.65%,