超声波定位讲解

3、定位算法简析
定位算法一
超声波空间定位方案一：
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。
2、超声波定位系统设计
超声波定位系统设计
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：
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。
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。
超声波及其物理性质
超声波物理特性：
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。
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。
优点
缺点
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。
超声波传感器的种类：
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 超声波传感器及其特性 ：
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。
1、超声波特点阐述
超声波室内定位系统的应用现状
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。
超声波传感器 超声波传感器的基本原理： 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 当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变 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 化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会 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 产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或 容器其电容量为 C = εS/d 一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器（双压电晶片 S——压电元件聚集电荷的表面面积； 元件）施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声 d——压电元件的厚度； 波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会 ε——压电元件的介电常数。 产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用 再通过 U=q/c 便可以计算出电压变化。 作超声波传感器。
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。
超声波定位的应用
超声波空间定位应用：
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。
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
（1）无线信号误差 ：
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。
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4、油雾的影响
通过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：
(1)电路设计方面
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。
(2)软件设计方面
t11 t12
T11 T12
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。
T11 = t21, T12 = t22
T21 T22
t21 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．
定位算法一 方案一：距离交会法
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+z² L2²=x²+（b-y）²+z² L3²=x²+y²+z² 联立上式，解得： x= L3²-L1²+a² /2a y= L3²-L2²+b² /2b z= L3²-x²-y²
2、空气压力的影响
1
2
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 。
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。
定位算法二
超声波空间定位方案二：
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 ．
（2）波速的修正 ：
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。
系统误差及应用
(3)其他环境对超声波测量精度的影响 ：
1、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％。
定位算法二
超声波空间定位方案二：
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 ：