GPS水下超聲定位實驗解析

1、GPS水下超聲定位實驗振動頻率高于20KHZ的聲波稱之為超聲波。超聲波具有方向性強、反射性強和功率大的特點，因此，超聲技術(shù)的應(yīng)用幾乎遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究及國防建設(shè)等方面。利用超聲波作為定位技術(shù)也是蝙蝠等生物作為防御及捕捉獵物的手段。超聲波是一種彈性機械波，它在水中可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播，所以在聲納、超聲波魚群探測儀等得到了廣泛的研究和應(yīng)用，近來在機器人的障礙探測方面也應(yīng)用相當(dāng)普遍。本文介紹的水下超聲定位演示儀利用了渡越時間測距及方向角檢測法進(jìn)行定位，運用單片機進(jìn)行處理和控制，利用自編的軟件進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，從而使學(xué)生通過實驗進(jìn)一步認(rèn)識到水下超聲定位的原理。實驗?zāi)康?、 用時差法

2、測量聲速和距離2、 了解聲納原理，用超聲波定位目標(biāo)實驗原理1、測量儀的電路結(jié)構(gòu)水下超聲定位儀的電路結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，整個系統(tǒng)由89C51系列單片機來控制，啟動測量時，由單片機每隔20ms發(fā)出數(shù)個1MHZ的超聲波，驅(qū)動超聲波發(fā)射器的功率電路發(fā)射出超聲脈沖，同時啟動單片機的計時器，當(dāng)這個脈沖到達(dá)被測目標(biāo)時，發(fā)生反射，經(jīng)水的傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進(jìn)行濾波放大，使單片機產(chǎn)生中斷，計數(shù)停止，數(shù)碼顯示器把測得的時間顯示并可由單片機將該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，同時可從換能器的旋轉(zhuǎn)盤讀取方向角度值，由此實現(xiàn)定位的功能。數(shù)碼顯示及存儲單片處理及控制發(fā)射電路接收電路發(fā)射換能器接收換能器被測物體圖1 水下超聲

3、定位儀的電路圖2、超聲波的定位原理超聲波探測物體的位置是通過測距和測角同時來確定的。超聲波測距的方法較多，例如渡越時間測距法、聲波幅值測距法、相位測距法，它們各有各自的特點，但用的最多的是渡越時間測距法，本本儀器采用的就是超聲波渡越時間測距法。其工作原理如下：檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)水介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與水中的聲速v相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。由于在該儀器中，利用單片編程把傳輸時間除以了2，因此數(shù)碼顯示器顯示的時間就是探測器到被測物的時間t，其探測到的距離l，如下式所示： （1）對（1）式兩邊微分可得： （2）式（2）說明，超聲波測距傳感器的測試精度是由渡越

4、時間和聲速兩個參數(shù)的精度決定。如將v看作常量，則（2）式可簡化為： （3）式（3）表明：計時電路的計時頻率越高，傳感器的測試精度越高，因此我們在設(shè)計時把計時頻率設(shè)計在2MHZ，時間分辨率為。超聲波的傳播速度受介質(zhì)溫度影響最大，超聲波速度v與環(huán)境溫度的關(guān)系可由以下經(jīng)驗公式給出： （4）同時該溫度下的速度v也可利用逐差法通過實測的方法求得，而目標(biāo)目標(biāo)的角度測量可直接從換能器的方向旋轉(zhuǎn)刻度盤讀取。123圖2 實驗?zāi)M裝置的結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)對目標(biāo)的進(jìn)行定位，知道它相對參考點處于什么位置，可以用直角坐標(biāo)描述，也可以用極坐標(biāo)描述，本實驗用極坐標(biāo)來描述目標(biāo)位置，如圖2 所示，知道l和就確定目標(biāo)方位，l的

5、測量用超聲波。實驗?zāi)M裝置由圓柱體容器以及安裝在容器壁上的探測傳感器待附件組成。被測物1掛在具有絲桿裝置可使其沿容器半徑方向做徑向移動的橫梁2上，即被測物體可位于橫梁任一位置。同時，橫梁2可以繞容器中心O旋轉(zhuǎn)，3是換能器與可讀取方向角度值的旋轉(zhuǎn)盤。我們設(shè)計的儀器橫梁轉(zhuǎn)動角度的變化范圍是-90°到+90°，換能器轉(zhuǎn)動角度范圍也是-90°到+90°，被測物在圓柱半徑方向可以在0到18.0cm之間變化。3、實驗數(shù)據(jù)的計算首先，在初始時刻，當(dāng)換能器置于=0°時，儀器橫梁也處在=0°位置，即在同一直徑上，此時可以利用經(jīng)驗公式（4）求取v（亦可利

6、用逐差法測出超聲波的波速）。利用測量儀測出回波的時間，從而可求出探測器到圓柱體容器中心的長度，從而完成儀器的定標(biāo)。然后，我們利用被測物1、換能器2的位置與角度以及圓柱體容器中心O三噗構(gòu)成三角形，根據(jù)余弦定理可得： （5） （6）其中和表示了根據(jù)實測所得到的實驗值。為了使同學(xué)在實驗中便于比較，我們在軟件中確定被測物體可以做三種形式的運動，因此在軟件開發(fā)時我們設(shè)定了直線段、圓弧、拋物線三種標(biāo)準(zhǔn)曲線。只要在開始實驗時，確定好被測物的運動軌跡、起始點與終點坐標(biāo)、角度步長和長度步長，該軟件即可給出被測物的運動軌跡上每一個測量點坐標(biāo)的理論值r與。學(xué)生在實驗完成后，將所得實驗結(jié)果輸入計算機，該軟件即可自動用

7、列表與繪圖的方式給出實驗結(jié)果（、）與理論值（r、）的相對誤差及運動軌跡圖。實驗儀器GPS水下超聲定位儀一套，示波器（選配）實驗內(nèi)容1、定標(biāo)，求傳感器到圓柱體容器中心的長度P測量實驗室的溫度，利用公式（4）算出當(dāng)前溫度下，聲波在水中的傳播速度。也可以在和=0°時，被測物每移動10.0mm測量一次時間，至少測量10次，然后用受逐差法通過實測的方法來求得該溫度下的速度v。用儀器所所帶的薄銅片掛在圓柱體容器中心的鑼釘上，測量時間，計算長度P。2、運動軌跡追蹤確定好被測物的運動軌跡、起始點與終點坐標(biāo)、角度步長和長度步長，用軟件即可給出該被測物的運動軌跡上每一個測量點坐標(biāo)的理論值r與，將被測物每

8、放置一個位置測量一次時間和角度。學(xué)生可利用被測物、換能器的位置與角度以及圓柱容器中心三點構(gòu)成的三角形，根據(jù)余弦定理求得和。數(shù)據(jù)與結(jié)果1、記錄實驗室的溫度。2、自擬表格記錄所有的定標(biāo)實驗數(shù)據(jù)。表格的設(shè)計要便于用逐差法求相應(yīng)集團(tuán)的差值和計算。（1）被測物作直線運動運動軌跡坐標(biāo)的理論值（、）和根據(jù)實測結(jié)果利用軟件所得的實驗值（、）見表1，繪出實驗與理論計算所得的運動軌跡，參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表1 直線運動測量結(jié)果編號（i）12345678（cm）（cm）100（rad）（rad）100（2）被測物沿圓周運動運動軌跡坐標(biāo)的理論值（、）和根據(jù)實測結(jié)果利用軟件所得的實驗值（、）見表2，繪出實驗與理論計

9、算所得的運動軌跡，參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表2 圓周運動測量結(jié)果編號（i）12345678（cm）（cm）100（rad）（rad）100附錄1、GPS水下超聲定位儀的使用說明超聲GPS定位實驗儀是利用儀器發(fā)射超聲波，然后接收超聲波的回波來探測目標(biāo)的距離。由于儀器發(fā)出的超聲波電信號頻率高達(dá)兆赫茲量級，聲波的指向性很好，這樣就可以得到方位，從而確定目標(biāo)的位置。（1）發(fā)射輸出接發(fā)射傳感器，接收輸入接接收傳感器，接收輸出接示波器，示波器時間衰減放在100檔，幅值衰減放在0.1V檔，探頭衰減放在檔。（2）按下電源電源開關(guān)，藍(lán)色發(fā)光二極管亮，LED顯示窗口如果顯示“0”，表示接收傳感器沒有接收到回波。轉(zhuǎn)

10、動方向桿，超聲波碰到目標(biāo)，顯示窗口會顯示某一值，表示回波，同時在示波器上可以觀測到回波信號，示波器上得到的時間是顯示窗口的兩倍。（3）時間和方位角存儲：按一下存儲鍵，微處理器自動將時間存入。存入時間后，微處理器控制藍(lán)色發(fā)光二極管和紅色二極管交替亮一下，表示存入正常。按一下角度鍵，紅色發(fā)光二極管亮，LED顯示窗口顯示“0”。讀出方向桿上角度值，通過數(shù)字和點按鍵輸入，輸入值不能超過四位，否則自動清零。輸入錯誤，也可以用“清除”鍵改正，認(rèn)為角度值正確，按一下存儲鍵，微處理器自動將角度存入。存入角度值后，微處理器控制藍(lán)色發(fā)光管和紅色發(fā)光管交替亮一下，表示存入正常，同時微處理器自動將第幾次存儲值存入（一

11、次時間和一次角度算一次存入值）。（4）檢查功能的使用：在測量回波時間的狀態(tài)下，藍(lán)色發(fā)光二極管亮，按一下檢查鍵，LED顯示窗口顯示“0”，等待輸入檢查哪一次，輸入的檢查哪一次的次數(shù)要小于存入的次數(shù)，否則微處理器不予處理。輸入檢查哪一次的值要小于存入的次數(shù)，微處理器處理，先顯示檢查次的次數(shù)，同時藍(lán)色發(fā)光管和紅色發(fā)光管全亮；再顯示時間，藍(lán)色發(fā)光管和紅色發(fā)光管交替亮一下；最后顯示角度值，藍(lán)色發(fā)光管的紅色發(fā)光管交替亮一下，如果無任何鍵按下，微處理器重復(fù)顯示剛才的值。如果一直按下檢查鍵，微處理器自動往上顯示檢查次的值、時間、角度值，直到最大的存儲值。（5）退出檢查功能：在LED顯示窗口顯示“0”或者微處理

12、器重復(fù)顯示剛才的值情況下，一直按下“清除”鍵，回到測量回波時間的狀態(tài)下。儀器在使用的過程中遇到突然斷電的情況，數(shù)據(jù)將丟失。2、實驗數(shù)據(jù)計算實例（1）定標(biāo)由于利用溫度法計算聲波的速度很簡單，故在此僅介紹逐差法求速度，實驗數(shù)據(jù)如表3所示。表3S（mm）50.060.070.080.090.0100.0110.0120.0130.0140.0T（）118125131138145151158164171173利用逐差法可得移動1mm所需的時間為：則可求得聲波的速度為：速度已知，故可得探頭到中心的距離為：（2）被測物作直線運動運動軌跡坐標(biāo)的理論值（、）和根據(jù)實測結(jié)果利用軟件所得的實驗值（、）見表1，其實

13、驗與理論計算所得的運動軌跡如圖3所示，在該圖中參數(shù)坐標(biāo)已轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表1 直線運動測量結(jié)果編號（i）12345678（cm）8.05.95.25.36.18.511.216.0（cm）7.95.95.45.46.38.311.016.01001.2503.841.883.272.351.780（rad）60.040.020.00-20.0-40.0-50.0-60.0（rad）59.039.519.50-19.1-38.3-48.0-60.01001661.252.5004.504.254.000（3）被測物沿圓周運動運動軌跡坐標(biāo)的理論值（、）和根據(jù)實測結(jié)果利用軟件所得的實驗值（、）見表2，其實驗與理論計算所得的運動軌跡如圖3所示，在該圖中參數(shù)坐標(biāo)已轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表2 圓周運動測量結(jié)果編號（i）12345678（cm）15.0015.0015