超声波定位系统设计(编辑修改稿)

超声波定位系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

便，采用回波测距发电路设计简单。 缺点：误差较大，需进行较详细的误差分析。 超声波空间定位系统原理 方案一 : 在三个相互垂直的墙壁面，反射测距系统安装在主体中，该系统可以测量三个墙壁面与主体之间的长度。 如果以三面互相垂直墙壁的交点作为为原点建立如下直角坐标 系 ,则就可以得到主体的三个直角坐标如图 23所示。 图 23 利用三面垂直的墙壁进行定位 此方案在实际应用中会受到多种因素的限制。 第一方面 ,超声波传感器务必需要和墙面基本保持垂直。 另一方面，墙体表面应光滑，不得有不均匀的情况。 传感器与墙壁之间不能有物体影响其测量。 所以这种方案在实际应用中很大程度上影响实际使用的效果。 方案二：在准备定位的物体上放置超声波的发射器，发射器根据特定的时间向周围发射超声波脉 , 为了接收超声波脉冲信号需要在三个固定位置安装超声波接收器，根据超声波到达接收器的时间长短，可以计算出 超声波发射器的位置坐标。 如果是移 5 动物体，通过连续测量，就可描绘出物体移动轨迹。 或者反过来，将待定位点作为接收，设置 3个以上发射点，依次发射，得到距离，计算方式相同。 这个方式类似于 GPS定位。 我选择前一种方式，因为如果只定位一个目标，这样速度比较快，只要发射一次即可得到三个距离。 而后一方式需要三次以上。 其次，超声波速度较低，且由于检测原因，似乎不能连续发射，需要有个间隔时间，所以用多次发射的方式定位移动物体会有误差，第一次到最后一次发射之间目标已经移动了。 我们现在来讨论这个方案的： 设声波在空气中的速度为 v,发射器发射声波到接收器接收声波的时间为 t 则距离可求得为 : L=vt （ 25） 下面讨论三位定位的算法 [2]2846，如图 22 所示假设在 A(a,0,0)、 B（ 0,b,0）、 C (0,0,0)三个位置安装上超声波接收器，被测对象在 M(x,y,z)处，三个接收点到待定位物体的距离为，则有： 图 22 超声波定位原理图 (26) (27) (28) 联立上面的式子，解得： (29) (210) (211) 6 计算时可设计程序自动省略负值，测量出距离 L1 L2 L3后，便可根据（ 29）至（ 211）式计算出三维的坐标从而实现空间定位。 优点：这种方法受到空间限制的条件比较少，如果主体和接收点之间存在障碍物，只要其不全部切断超声波的传播，仍然可以工作。 缺点：由于发射与接收点的位置是固定的，回波法是很难实现的两点测距。 需采用发射与接受装置的同步时差法测距法，同时要由高精度的计时装置，这样制作制作起来相对复杂。 综上所述，每种定位系统各有优缺点和推广性，但是出于设计的现实性，决定采用空间定位中的第二种定位方案。 超声波定位系统的组成 在实际实现应 用中，我们知道超声波定位系统和无线电定位有一定的区别。 在无线电定位应用中，各个发射点间的无线电信号能够通过使用不同的频率来分开 , 但是超声波系统不能用这种方法来区别不相同的信号。 所以我们使用地址编码的无线触发电路触动各发射点。 [3]4766例如，在超声定位系统已经固定发射点中，微处理器电路、超声波接收电路和无线电编码构成了主要主体部分。 电路的发射部分：发射电路和接收超声发射编码电路组成。 超声波定位系统组成如下图 24 所示。 图 24 超声波定位系统的组成 该系统的工作过程是微处理器的第一选择是需要启 动触发发送地址，然后启动发射电路和启动计时，在一定的时间内，通过微处理器首先选择需要启动的触发发射地址，接着启动发射电路和启动，在一定的时间内，假如可以接收到信号就可以依据延迟的时间来计算主体目标距离发射点的间隔距离。 无线电波的传输时间可以忽略不计。 如果不能在某一特定时间内接收到信号，就可以知道主体的距离传输点的长度超出了可接收距离长度。 开始接收下一发射点的信号，接受到足够的发射点的信号后 ,就可以根据主体分别到各个发射点的距离计算出主体位置坐标。 超声波在空气中的传播速度会受到环境的影响发生变化 ,为了提高测量 的精度需要对测量结果进行校正。 在标准环境条件下的声速为 340m/s。 取 L=50cm 为标准距离 ,测量其在实际环境条件下的传输时间 TS,则实际声速为 L/TS。 若主体到发射点的传输时间为 T,则校正后的实际距离为 S=T L/TS。 7 167。 3 超声波传感器 超声波传感器及其分类 超声波传感器是根据超声波的的 特性 来研发制作而成的，机械振动频率比声波高的波被我们称为超声波。 超声波的频率比较高，其次波长短和绕射现象不明显，而且具有方向性好的，能量消耗缓慢，能长距离传播等优点。 在固液体中超声波它的穿透能力非常强大，阳光下不是透明的固体中这种本领表现得比较明显，其穿透深度可达到几十米。 [4]138152 超声波碰到杂质或界面会产生显著反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 所以，在医学界，国防，工业等领域超声波的检测被人们所广泛使用。 出于研究与利用超声波的目的，人们已经设计并研制了各种各类的超声波发生器。 一般来说，超声波发生器可以分为两种类型：一是由电气方法生成，另一种是通过机械方式产生超声波。 压电、磁致伸缩与电动型等是由电气方式产生超声波；加尔统笛，液哨，气流旋笛等都是由机械方式产生超声波。 因为它们所产生的超声波频率、功率和声波特性各不相同，所以用途也各不相同。 目前最受欢迎的是压电超声发生器。 压电超声波发生器的压电晶体谐振器工作时被使用，由两个压电晶片和一个共振板构成。 当施加脉冲信号在压电超声波发生器的两极，如果想压晶片电共振时，使 压电式超声波发生器的频率与压电晶片振荡频率需要相等。 压电共振板的振动能产生超声波。 相反，假如两极之间不外加电压，超声波被共振板接收到后，就会使压电晶片发生振动，此时机械能与电信号间转换，此刻它就变成了超声波接收器。 超声波传感器原理 人们可以听到在 20Hz 到 20kh 频率的声音，不在这个范围内的声音的频率可分为低频声波和超声波，小于 20Hz 的称为低频率的声波，大于 20kHz 以上的声音我们称之为超声波。 超声波传感器有发射器与接收器，如果一个超声波传感器同时具备发射与接收声波的功能，称之为可逆元件。 超声波传感器可分为专用型和兼用型，市面上能买到的是这两个类型，专用类型即发射器仅用于发射超声波，接收器只能接收超声；发射器和接收器作为一个整体的传感器称为两用型传感器，它可以同时发送和接收超声波。 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等频率是超声波传感器常见的谐振频率。 谐振频率越高，检测距离较短，且分辨率高。 使用压电效应的原理超声波传感器可以实现电能与超声波之间的互相转化，也就是说在发射超声波的同时，能够完成电能转化为发射超声波的功能；而在接收的回波中，超声振动转换成电信号。 超声波的特性 超声波具有以下特性： (1)束射特性：超声波的波长较短，超声波辐射和光的特性相同，能够反射，折射与聚焦，并符合几何光学的定律。 可以这样认为，当超声波的射线由一种物质的外表反射时，入射角与反射角相等，如果射线通过某种物质进入到另一种密度不相同的物质也能发生折射作用，密度的差异越大的两种不同物质，折射也会越大。 (2)吸收特性：声波在各类物质中传播时，伴随传播间隔的增长，声波的强度会逐步减弱，这是因为有物质要吸取掉它的能量。 同样的材料，声波频率高，吸收强。 8 同样频率的声波，它在气体中 运动过程中被吸掉最多，而处于液体的传播中吸取相对较少，在固体中穿越的吸收最少。 (3)超声波能量的传送特性：超声波在工业部门中被广泛的应用，关键是因为具有比声波强大很多的功率。 超声波的超声波到达一个物质后具有强大的能量，超声波有如此巨大的功率，当超声波进入某一种物质时其能够让物体中的分子发生振动，分子振动频率与超声波的频率一样，分子速度由分子的振动频率的确定，频。