超聲波定位講解

1超聲波特點(diǎn)闡述3定位算法簡(jiǎn)析2定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)4系統(tǒng)誤差及應(yīng)用目錄第一頁(yè)，共23頁(yè)。1、超聲波特點(diǎn)闡述第二頁(yè)，共23頁(yè)。隨著社會(huì)各行各業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，常常需要確定各種設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，比較完善的室內(nèi)定位技術(shù)目前還無(wú)法很好地利用。因此，專(zhuān)家學(xué)者提出了許多室內(nèi)定位技術(shù)解決方案，如GPS技術(shù)、紅外線技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、超聲波技術(shù)等等。GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)，缺點(diǎn)是定位信號(hào)到達(dá)地面時(shí)較弱，不能穿透建筑物，而且定位器終端的成本較高。紅外線定位技術(shù)只能在直線視距內(nèi)傳播、傳輸距離較短，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格比較昂貴，而且對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大。

超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀第三頁(yè)，共23頁(yè)。超聲波及其物理性質(zhì)超聲波是一種機(jī)械波，其可以在氣體、液體和固體中傳播，具有以下待性：(1)超聲波的頻率很高，波長(zhǎng)較短，繞射現(xiàn)象小，傳播速度慢，可以像光線那樣沿著一定方問(wèn)傳播，傳播的能量較為集中。(2)超聲波的振幅很小，加速度非常大，因而可以產(chǎn)生較大的能量，而且對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。(3)對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中，超聲波的這些特性，使其在遙控、測(cè)距以及其它領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波物理特性：第四頁(yè)，共23頁(yè)。超聲波傳感器當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器（雙壓電晶片元件）施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。超聲波傳感器的基本原理：超聲傳感器按其工作原理可以分為壓電式、電動(dòng)式、電容式、磁致伸縮式和氣流式等。超聲波傳感器的種類(lèi)：當(dāng)壓電片受力時(shí)，在晶體的一個(gè)表面上會(huì)聚集正電荷，而在另一個(gè)表面上聚集負(fù)電荷，這兩個(gè)極板上的電荷量大小相等方向相反，所以可以把壓電片當(dāng)作一個(gè)電荷發(fā)生器。由于在晶體的上下表面聚集電荷，中間為絕緣介質(zhì)，可看成是一個(gè)電容器其電容量為

C=εS/dS——壓電元件聚集電荷的表面面積；d——壓電元件的厚度；ε——壓電元件的介電常數(shù)。再通過(guò)U=q/c

便可以計(jì)算出電壓變化。第五頁(yè)，共23頁(yè)。超聲波傳感器超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括工作頻率、靈敏度、分辨率、工作溫度、指向性等，其中最重要是工作頻率。左圖為中心頻率為40KHZ的超聲波傳感器的頻率特性曲線，它反映超聲波傳感器的靈敏度與頻率之間的關(guān)系。從圖中的頻率特性可知，在發(fā)射器的中心頻率處，發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)；而在中心頻率兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心頻率的交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器。超聲波傳感器及其特性：第六頁(yè)，共23頁(yè)。2、超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)第七頁(yè)，共23頁(yè)。超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、反射式測(cè)距法：反射式測(cè)距法就是發(fā)射超聲波并接收由被測(cè)物產(chǎn)生的回波,根據(jù)回波與發(fā)射波的時(shí)間差計(jì)算出待測(cè)距離。超聲波定位系統(tǒng)主要研究超聲波的測(cè)距方法，然后根據(jù)距離和提供算法來(lái)計(jì)算出待測(cè)物體的位置，超聲波測(cè)距有兩種實(shí)現(xiàn)方法：聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2。這就是經(jīng)典的所謂的時(shí)間差測(cè)距法。第八頁(yè)，共23頁(yè)。超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、單向測(cè)距法：?jiǎn)蜗驕y(cè)距法中由應(yīng)答器和主測(cè)距器組成,主測(cè)距器放置在被測(cè)物體上,在微機(jī)指令信號(hào)的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無(wú)線電信號(hào),應(yīng)答器在收到無(wú)線電信號(hào)后同時(shí)向主測(cè)距器發(fā)射超聲波信號(hào),得到主測(cè)距器與各個(gè)應(yīng)答器之間的距離。單向測(cè)距發(fā)可以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)測(cè)距，當(dāng)同時(shí)有三個(gè)或三個(gè)以上不在同一直線上的應(yīng)答器作出回應(yīng)時(shí),就可以計(jì)算出被測(cè)物體所在的位置。在相同的測(cè)量距離下,反射式測(cè)距法中空氣對(duì)超聲波吸收較單向測(cè)距法中大,因此反射式測(cè)距范圍較單向式測(cè)距范圍小。若以測(cè)得距離，根據(jù)算法便可得到待測(cè)物體的位置，實(shí)現(xiàn)定位。第九頁(yè)，共23頁(yè)。3、定位算法簡(jiǎn)析第十頁(yè)，共23頁(yè)。定位算法一超聲波發(fā)射器固定在待定位的物體上，發(fā)射器按一定時(shí)間向周?chē)l(fā)射超聲波脈,在其周?chē)?個(gè)固定的位置安裝超聲波接收器用以接收發(fā)射器發(fā)射的超聲波脈沖，利用超聲波到達(dá)3個(gè)接收器的時(shí)間，計(jì)算出超聲波發(fā)射器的具體位置。如果是移動(dòng)物體，通過(guò)連續(xù)測(cè)量，就可描繪出物體移動(dòng)軌跡?；蛘叽ㄎ晃矬w上裝的是超聲波接收器，物體周?chē)b的是發(fā)射器，通過(guò)計(jì)算接收器與每個(gè)發(fā)射器之間距離進(jìn)行定位。超聲波空間定位方案一：第十一頁(yè)，共23頁(yè)。定位算法一設(shè)聲波在空氣中的速度為v,發(fā)射器發(fā)射聲波到接收器接收聲波的時(shí)間為t則亮著距離可求得為

L=vt假設(shè)在A(a,0,0)、B（0,b,0）、C(0,0,0)三個(gè)位置安裝上超聲波接收器，被測(cè)對(duì)象在M(x,y,z)處，以上三個(gè)點(diǎn)倒帶定位物體的距離為L(zhǎng)1，L2,L3，則有：

L12=（a-x）2+y2+z2

L22=x2+（b-y）2+z2

L32=x2+y2+z2聯(lián)立上式，解得： x=L32-L12+a2/2a y=L32-L22+b2/2b z=L32-x2-y2方案一：距離交會(huì)法第十二頁(yè)，共23頁(yè)。定位算法一方案一：距離交會(huì)法優(yōu)點(diǎn)：這種方法所受的空間條件限制較少，即使在主體與接收點(diǎn)之間有障礙物，只要不完全阻斷超聲波的傳播，仍可以工作。缺點(diǎn)：由于接收與發(fā)射點(diǎn)的位置固定，回波法較難實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)測(cè)距。需采用發(fā)射與接受裝置的同步時(shí)差法測(cè)距法，同時(shí)要由高精度的計(jì)時(shí)裝置，這樣制作制作起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)第十三頁(yè)，共23頁(yè)。定位算法二模仿蝙蝠的定位原理，使用1個(gè)超聲波發(fā)射器，2個(gè)超聲波接收器，由物體反射波到達(dá)2個(gè)接收器所用的時(shí)間進(jìn)行定位，該方法可以對(duì)普通物體進(jìn)行定位。但容易受到干擾，當(dāng)探測(cè)范圍內(nèi)有多個(gè)物體時(shí)，定位結(jié)果將不準(zhǔn)確．超聲波空間定位方案二：第十四頁(yè)，共23頁(yè)。定位算法二收發(fā)傳感器1、收發(fā)傳感器2、任意位置2個(gè)(也可以多個(gè))物體A和B，收發(fā)傳感器可以發(fā)送和接收超聲波，2個(gè)收發(fā)傳感器之問(wèn)距離L為已知，通過(guò)單片機(jī)連接在一起。由幾何關(guān)系可知：利用上式可以判斷數(shù)據(jù)的有效性，如不滿足上述兩式，可能原因是所測(cè)物體速度已超出儀器精度，應(yīng)將數(shù)據(jù)舍棄。超聲波空間定位方案二：t11t12T11T12t21t22T22T21T11=t21,

T12=t22第十五頁(yè)，共23頁(yè)。定位算法二以收發(fā)傳感器1為圓心，以t11/2，t12/2為半徑分別畫(huà)圓，然后以收發(fā)傳感器2為圓心，以T21/2，

T22/2為半徑分別畫(huà)圓，可得出4個(gè)交點(diǎn)D，E，F(xiàn)，G，如左圖所示。因?yàn)?個(gè)位置點(diǎn)要占盡4個(gè)圓弧，所以可以判斷物體的位置在D點(diǎn)、F點(diǎn)或者G點(diǎn)、E點(diǎn)，即如果將圓弧相交所得的圖形看作是扭曲的“矩形”，則物體所處位置的連線只能是“矩形”的對(duì)角線．所以只需判斷D，E，F(xiàn)，G任意一點(diǎn)是不是物體所處的位置即可定位兩物體，因?yàn)镕點(diǎn)與收發(fā)傳感器1和收發(fā)傳感器2距離之和最近，所以只需判斷t11/2與T21/2的和是否等于T11

，如果等于，則F點(diǎn)即為物體位置點(diǎn)，反之F點(diǎn)不是物體位置點(diǎn)．第十六頁(yè)，共23頁(yè)。定位算法二優(yōu)點(diǎn)：不需要在物體上加裝發(fā)射或接收器，能對(duì)普通物體定位。缺點(diǎn)：算法較為復(fù)雜。第十七頁(yè)，共23頁(yè)。4、系統(tǒng)誤差及應(yīng)用第十八頁(yè)，共23頁(yè)。系統(tǒng)誤差及應(yīng)用

由于無(wú)線通訊模塊被應(yīng)用到了本系統(tǒng)中，無(wú)線信號(hào)在介質(zhì)中的傳播需要時(shí)間，但無(wú)線信號(hào)的傳播速度比超聲波的傳播速度快很多，時(shí)間差可以忽略不計(jì)，但為了提高測(cè)量精度，可以在軟件設(shè)計(jì)上給予適當(dāng)?shù)臅r(shí)間補(bǔ)償。（1）無(wú)線信號(hào)誤差：超聲波在空氣中傳播時(shí)，溫度對(duì)超聲波的傳播速度有很大的影響。在空氣中聲速用下式來(lái)表示：式中：R一氣體普適常數(shù)；λ一氣體定壓熱容與定容熱容的比值；M一氣體分子量：T一氣體的絕對(duì)溫度。（2）波速的修正：第十九頁(yè)，共23頁(yè)。系統(tǒng)誤差及應(yīng)用(3)其他環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)量精度的影響：12341、空氣濕度的影響超聲波在空氣介質(zhì)中傳播時(shí)，在濕度處于飽和狀態(tài)的空氣中傳播速度相對(duì)于處于干燥狀態(tài)的空氣中的傳播速度，最大可增加2％。3、氣流的影響當(dāng)風(fēng)速大于50km／h時(shí)，聲波傳播方向的改變會(huì)大于3％。會(huì)影響測(cè)量精度，在相對(duì)封閉的室內(nèi)環(huán)境中，此誤差因素可以忽略。2、空氣壓力的影響大氣壓力的變化同樣會(huì)對(duì)聲速產(chǎn)生影響，大氣壓力變化±5％，會(huì)造成聲速變化約±0．6％。在室內(nèi)定位中，工作環(huán)境相對(duì)封閉，氣壓變化可以不予考慮。4、油霧的影響通過(guò)實(shí)踐可知表面油霧會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響，為了避免此類(lèi)影響，只需保持傳感器工作面上的清潔即可。第二十頁(yè)，共23頁(yè)。系統(tǒng)誤差及應(yīng)用改進(jìn)方法：系統(tǒng)中超聲波接收電路中可采用接收解調(diào)專(zhuān)用集成電路放大器，以便消除由于噪聲或干擾信號(hào)的摻入，造成的觸發(fā)時(shí)間的不準(zhǔn)確，而帶來(lái)的隨機(jī)誤差。(1)電路設(shè)計(jì)方面可以對(duì)算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以便消除系統(tǒng)固有誤差。例如：在消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響方面，本系統(tǒng)中采用把溫度量化，經(jīng)過(guò)查表的方式得到相應(yīng)的聲速。我們可以對(duì)聲速表達(dá)式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，得到一個(gè)合理的且之和溫度相關(guān)的表達(dá)式，來(lái)準(zhǔn)確的得到聲速，以便提高