超聲波定位講解專(zhuān)家講座

超聲波定位淺談匯報(bào)人：張雪峰超聲波定位講解專(zhuān)家講座第1頁(yè)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)用目錄超聲波定位講解專(zhuān)家講座第2頁(yè)1、超聲波特點(diǎn)闡述超聲波定位講解專(zhuān)家講座第3頁(yè)伴隨社會(huì)各行各業(yè)快速發(fā)展，人們對(duì)定位與導(dǎo)航需求日益增大，尤其在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境，經(jīng)常需要確定各種設(shè)施與物品在室內(nèi)位置信息。不過(guò)受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件限制，比較完善室內(nèi)定位技術(shù)當(dāng)前還無(wú)法很好地利用。所以，教授學(xué)者提出了許多室內(nèi)定位技術(shù)處理方案，如GPS技術(shù)、紅外線(xiàn)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是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛定位技術(shù)，缺點(diǎn)是定位信號(hào)抵達(dá)地面時(shí)較弱，不能穿透建筑物，而且定位器終端成本較高。紅外線(xiàn)定位技術(shù)只能在直線(xiàn)視距內(nèi)傳輸、傳輸距離較短，而且輕易被熒光燈或者房間內(nèi)燈光干擾，在準(zhǔn)確定位上有不足。藍(lán)牙器件和設(shè)備價(jià)格比較昂貴，而且對(duì)于復(fù)雜空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)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)應(yīng)用現(xiàn)實(shí)狀況超聲波定位講解專(zhuān)家講座第4頁(yè)超聲涉及其物理性質(zhì)超聲波是一個(gè)機(jī)械波，其能夠在氣體、液體和固體中傳輸，含有以下待性：(1)超聲波頻率很高，波長(zhǎng)較短，繞射現(xiàn)象小，傳輸速度慢，能夠像光線(xiàn)那樣沿著一定方問(wèn)傳輸，傳輸能量較為集中。(2)超聲波振幅很小，加速度非常大，因而能夠產(chǎn)生較大能量，而且對(duì)液體、固體穿透本事很大，尤其是在陽(yáng)光不透明固體中，它可穿透幾十米深度。(3)對(duì)外界光線(xiàn)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，超聲波這些特征，使其在遙控、測(cè)距以及其它領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超聲波物理特征：超聲波定位講解專(zhuān)家講座第5頁(yè)超聲波傳感器當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率改變產(chǎn)生機(jī)械變形。另首先，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)金屬片組成振動(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)。基于以上作用，便能夠?qū)弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅?。超聲波傳感器基本原理：超聲傳感器按其工作原理能夠分為壓電式、電?dòng)式、電容式、磁致伸縮式和氣流式等。超聲波傳感器種類(lèi)：當(dāng)壓電片受力時(shí)，在晶體一個(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)極板上電荷量大小相等方向相反，所以能夠把壓電片看成一個(gè)電荷發(fā)生器。因?yàn)樵诰w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——壓電元件聚集電荷表面面積；d——壓電元件厚度；ε——壓電元件介電常數(shù)。再經(jīng)過(guò)U=q/c

便能夠計(jì)算出電壓改變。超聲波定位講解專(zhuān)家講座第6頁(yè)超聲波傳感器超聲波傳感器主要性能指標(biāo)包含工作頻率、靈敏度、分辨率、工作溫度、指向性等，其中最主要是工作頻率。左圖為中心頻率為40KHZ超聲波傳感器頻率特征曲線(xiàn)，它反應(yīng)超聲波傳感器靈敏度與頻率之間關(guān)系。從圖中頻率特征可知，在發(fā)射器中心頻率處，發(fā)射器所產(chǎn)生超聲波最強(qiáng)；而在中心頻率兩側(cè)，聲壓能級(jí)快速降低。所以，在使用中，一定要用靠近中心頻率交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器。超聲波傳感器及其特征：超聲波定位講解專(zhuān)家講座第7頁(yè)2、超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)超聲波定位講解專(zhuān)家講座第8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)生回波,依據(jù)回波與發(fā)射波時(shí)間差計(jì)算出待測(cè)距離。超聲波定位系統(tǒng)主要研究超聲波測(cè)距方法，然后依據(jù)距離和提供算法來(lái)計(jì)算出待測(cè)物體位置，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)刻同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳輸，途中碰到障礙物就馬上返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就馬上停頓計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中傳輸速度為340m/s，依據(jù)計(jì)時(shí)器統(tǒng)計(jì)時(shí)間t，就能夠計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物距離(s)，即：s=340t/2。這就是經(jīng)典所謂時(shí)間差測(cè)距法。超聲波定位講解專(zhuān)家講座第9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)作用下向位置固定應(yīng)答器發(fā)射同頻率無(wú)線(xiàn)電信號(hào),應(yīng)答器在收到無(wú)線(xiàn)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)答器之間距離。單向測(cè)距發(fā)能夠?qū)崿F(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(xiàn)上應(yīng)答器作出回應(yīng)時(shí),就能夠計(jì)算出被測(cè)物體所在位置。在相同測(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,所以反射式測(cè)距范圍較單向式測(cè)距范圍小。若以測(cè)得距離，依據(jù)算法便可得到待測(cè)物體位置，實(shí)現(xiàn)定位。超聲波定位講解專(zhuān)家講座第10頁(yè)3、定位算法簡(jiǎn)析超聲波定位講解專(zhuān)家講座第11頁(yè)定位算法一超聲波發(fā)射器固定在待定位物體上，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)固定位置安裝超聲波接收器用以接收發(fā)射器發(fā)射超聲波脈沖，利用超聲波抵達(dá)3個(gè)接收器時(shí)間，計(jì)算出超聲波發(fā)射器詳細(xì)位置。假如是移動(dòng)物體，經(jīng)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上裝是超聲波接收器，物體周?chē)b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：超聲波定位講解專(zhuān)家講座第12頁(yè)定位算法一設(shè)聲波在空氣中速度為v,發(fā)射器發(fā)射聲波到接收器接收聲波時(shí)間為t則亮著距離可求得為

L=vt假設(shè)在A(yíng)(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)法超聲波定位講解專(zhuān)家講座第13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傳輸，仍能夠工作。缺點(diǎn)：因?yàn)榻邮张c發(fā)射點(diǎn)位置固定，回波法較難實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)測(cè)距。需采取發(fā)射與接收裝置同時(shí)時(shí)差法測(cè)距法，同時(shí)要由高精度計(jì)時(shí)裝置，這么制作制作起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)超聲波定位講解專(zhuān)家講座第14頁(yè)定位算法二模仿蝙蝠定位原理，使用1個(gè)超聲波發(fā)射器，2個(gè)超聲波接收器，由物體反射波抵達(dá)2個(gè)接收器所用時(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：超聲波定位講解專(zhuān)家講座第15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)有效性，如不滿(mǎn)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超聲波定位講解專(zhuān)家講座第16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，所以可以判斷物體位置在D點(diǎn)、F點(diǎn)或者G點(diǎn)、E點(diǎn)，即假如將圓弧相交所得圖形看作是扭曲“矩形”，則物體所處位置連線(xiàn)只能是“矩形”對(duì)角線(xiàn)．所以只需判斷D，E，F(xiàn)，G任意一點(diǎn)是不是物體所處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

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)．超聲波定位講解專(zhuān)家講座第17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。超聲波定位講解專(zhuān)家講座第18頁(yè)4、系統(tǒng)誤差及應(yīng)用超聲波定位講解專(zhuān)家講座第19頁(yè)系統(tǒng)誤差及應(yīng)用

因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通訊模塊被應(yīng)用到了本系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)信號(hào)在介質(zhì)中傳輸需要時(shí)間，但無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸速度比超聲波傳輸速度快很多，時(shí)間差能夠忽略不計(jì)，但為了提升測(cè)量精度，能夠在軟件設(shè)計(jì)上給予適當(dāng)時(shí)間賠償。（1）無(wú)線(xiàn)信號(hào)誤差：超聲波在空氣中傳輸時(shí)，溫度對(duì)超聲波傳輸速度有很大影響。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比值；M一氣體分子量：T一氣體絕對(duì)溫度。（2）波速修正：超聲波定位講解專(zhuān)家講座第20頁(yè)系統(tǒng)誤差及應(yīng)用(3)其它環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)量精度影響：12341、空氣濕度影響超聲波在空氣介質(zhì)中傳輸時(shí)，在濕度處于飽和狀態(tài)空氣中傳輸速度相對(duì)于處于干燥狀態(tài)空氣中傳輸速度，最大可增加2％。3、氣流影響當(dāng)風(fēng)速大于50km／h時(shí)，聲波傳輸方向改變會(huì)大于3％。會(huì)影響測(cè)量精度，在相對(duì)封閉室內(nèi)環(huán)境中，此誤差原因能夠忽略。2、空氣壓力影響大氣壓力改變一樣會(huì)對(duì)聲速產(chǎn)生影響，大氣壓力改變±5％，會(huì)造成聲速改變約±0．6％。在室內(nèi)定位中，工作環(huán)境相對(duì)封閉，氣壓改變能夠不予考慮。4、油霧影響經(jīng)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，為了防止這類(lèi)影響，只需保持傳感器工作面上清潔即可。超聲波定位講解專(zhuān)家講座第21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取接收解調(diào)專(zhuān)用集成電路放大器，方便消除因?yàn)樵肼暬蚋蓴_信號(hào)摻入，造成觸發(fā)時(shí)間不準(zhǔn)確，而帶來(lái)隨機(jī)誤差。(1)電路設(shè)計(jì)方面能夠?qū)λ惴ㄟM(jìn)行深入優(yōu)化，方便消除系統(tǒng)固有誤差。比如：在消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響方面，本系統(tǒng)中采取把溫度量化，經(jīng)過(guò)查表方式得到對(duì)應(yīng)聲速。我們能夠?qū)β曀俦硎臼竭M(jìn)行深入細(xì)化，得到一個(gè)合理且之和溫度相關(guān)