超声波定位讲解

1、超声波特点阐述随着社会各行各业的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，常常需要确定各种设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的室内定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如GPS技术、红外线技术、蓝牙技术、射频识别技术、Wi-Fi技术、超声波技术等等。GPS是目前应用最为广泛的定位技术，缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。红外线定位技术只能在直线视距内传播、传输距离较短，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。超声波室内定位系统的应用现状超声波及其物理性质超声波是一种机械波，其可以在气体、液体和固体中传播，具有以下待性：(1)超声波的频率很高，波长较短，绕射现象小，传播速度慢，可以像光线那样沿着一定方问传播，传播的能量较为集中。(2)超声波的振幅很小，加速度非常大，因而可以产生较大的能量，而且对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。(3)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中，超声波的这些特性，使其在遥控、测距以及其它领域得到了广泛的应用。超声波物理特性：超声波传感器当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器（双压电晶片元件）施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。超声波传感器的基本原理：超声传感器按其工作原理可以分为压电式、电动式、电容式、磁致伸缩式和气流式等。超声波传感器的种类：当压电片受力时，在晶体的一个表面上会聚集正电荷，而在另一个表面上聚集负电荷，这两个极板上的电荷量大小相等方向相反，所以可以把压电片当作一个电荷发生器。由于在晶体的上下表面聚集电荷，中间为绝缘介质，可看成是一个电容器其电容量为C=εS/dS——压电元件聚集电荷的表面面积；d——压电元件的厚度；ε——压电元件的介电常数。再通过U=q/c便可以计算出电压变化。超声波传感器超声波传感器的主要性能指标包括工作频率、灵敏度、分辨率、工作温度、指向性等，其中最重要是工作频率。左图为中心频率为40KHZ的超声波传感器的频率特性曲线，它反映超声波传感器的灵敏度与频率之间的关系。从图中的频率特性可知，在发射器的中心频率处，发射器所产生的超声波最强；而在中心频率两侧，声压能级迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心频率的交流电压来驱动超声波发生器。超声波传感器及其特性：2、超声波定位系统设计超声波定位系统设计一、反射式测距法：反射式测距法就是发射超声波并接收由被测物产生的回波,根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。超声波定位系统主要研究超声波的测距方法，然后根据距离和提供算法来计算出待测物体的位置，超声波测距有两种实现方法：声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。这就是经典的所谓的时间差测距法。超声波定位系统设计二、单向测距法：单向测距法中由应答器和主测距器组成,主测距器放置在被测物体上,在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号,应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号,得到主测距器与各个应答器之间的距离。单向测距发可以实现两点测距，当同时有三个或三个以上不在同一直线上的应答器作出回应时,就可以计算出被测物体所在的位置。在相同的测量距离下,反射式测距法中空气对超声波吸收较单向测距法中大,因此反射式测距范围较单向式测距范围小。若以测得距离，根据算法便可得到待测物体的位置，实现定位。3、定位算法简析定位算法一超声波发射器固定在待定位的物体上，发射器按一定时间向周围发射超声波脉,在其周围3个固定的位置安装超声波接收器用以接收发射器发射的超声波脉冲，利用超声波到达3个接收器的时间，计算出超声波发射器的具体位置。如果是移动物体，通过连续测量，就可描绘出物体移动轨迹。或者待定位物体上装的是超声波接收器，物体周围装的是发射器，通过计算接收器与每个发射器之间距离进行定位。超声波空间定位方案一：定位算法一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则亮着距离可求得为L=vt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，以上三个点倒带定位物体的距离为L1，L2,L3，则有：L1²=（a-x）²+y²+z²L2²=x²+（b-y）²+z²L3²=x²+y²+z²联立上式，解得：x=L3²-L1²+a²/2ay=L3²-L2²+b²/2bz=L3²-x²-y²方案一：距离交会法定位算法一方案一：距离交会法优点：这种方法所受的空间条件限制较少，即使在主体与接收点之间有障碍物，只要不完全阻断超声波的传播，仍可以工作。缺点：由于接收与发射点的位置固定，回波法较难实现两点测距。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。优点缺点定位算法二模仿蝙蝠的定位原理，使用1个超声波发射器，2个超声波接收器，由物体反射波到达2个接收器所用的时间进行定位，该方法可以对普通物体进行定位。但容易受到干扰，当探测范围内有多个物体时，定位结果将不准确．超声波空间定位方案二：定位算法二收发传感器1、收发传感器2、任意位置2个(也可以多个)物体A和B，收发传感器可以发送和接收超声波，2个收发传感器之问距离L为已知，通过单片机连接在一起。由几何关系可知：利用上式可以判断数据的有效性，如不满足上述两式，可能原因是所测物体速度已超出仪器精度，应将数据舍弃。超声波空间定位方案二：t11t12T11T12t21t22T22T21T11=t21,T12=t22定位算法二以收发传感器1为圆心，以t11/2，t12/2为半径分别画圆，然后以收发传感器2为圆心，以T21/2，T22/2为半径分别画圆，可得出4个交点D，E，F，G，如左图所示。因为2个位置点要占尽4个圆弧，所以可以判断物体的位置在D点、F点或者G点、E点，即如果将圆弧相交所得的图形看作是扭曲的“矩形”，则物体所处位置的连线只能是“矩形”的对角线．所以只需判断D，E，F，G任意一点是不是物体所处的位置即可定位两物体，因为F点与收发传感器1和收发传感器2距离之和最近，所以只需判断t11/2与T21/2的和是否等于T11，如果等于，则F点即为物体位置点，反之F点不是物体位置点．定位算法二优点：不需要在物体上加装发射或接收器，能对普通物体定位。缺点：算法较为复杂。4、系统误差及应用系统误差及应用由于无线通讯模块被应用到了本系统中，无线信号在介质中的传播需要时间，但无线信号的传播速度比超声波的传播速度快很多，时间差可以忽略不计，但为了提高测量精度，可以在软件设计上给予适当的时间补偿。（1）无线信号误差：超声波在空气中传播时，温度对超声波的传播速度有很大的影响。在空气中声速用下式来表示：式中：R一气体普适常数；λ一气体定压热容与定容热容的比值；M一气体分子量：T一气体的绝对温度。（2）波速的修正：系统误差及应用(3)其他环境对超声波测量精度的影响：12341、空气湿度的影响超声波在空气介质中传播时，在湿度处于饱和状态的空气中传播速度相对于处于干燥状态的空气中的传播速度，最大可增加2％。3、气流的影响当风速大于50km／h时，声波传播方向的改变会大于3％。会影响测量精度，在相对封闭的室内环境中，此误差因素可以忽略。2、空气压力的影响大气压力的变化同样会对声速产生影响，大气压力变化±5％，会造成声速变化约±0．6％。在室内定位中，工作环境相对封闭，气压变化可以不予考虑。4、油雾的影响通过实践可知表面油雾会对测量精度产生影响，为了避免此类影响，只需保持传感器工作面上的清洁即可。系统误差及应用改进方法：系统中超声波接收电路中可采用接收解调专用集成电路放大器，以便消除由于噪声或干扰信号的掺入，造成的触发时间的不准确，而带来的随机误差。(1)电路设计方面可以对算法进行进一步优化，以便消除系统固有误差。例如：在消除温度对测量结果的影响方面，本系统中采用把温度量化，经过查表的方式得到相应的声速。我们可以对声速表达式进行进一步细化，得到一个合理的且之和温度相关的表达式，来准确的得到声速，以便提高系统测量精度。(2)软件设计方面超声波定位的应用汽车驾驶考场，将发射装置置于汽车上，跟随汽车运动，接收系统可在电脑上描出汽车行驶的轨迹，从而可以通过电脑自动判断汽车驾驶员是否合格，减少了监考人员的工作量。超声波空间定位应用：超声波探测地下聚乙烯PE管线探测仪（定位仪），该仪器采用了先进的超声探测技术探测地下管线。现场大量测试表明APL对于目前常用的PE管定位非常有效，该系统适用于常见的各种路面及土壤。