基于超声波的定位系统设计
基于超声波技术的室内定位系统研究
基于超声波技术的室内定位系统研究随着智能家居、智能工厂等技术的发展，室内定位技术也成为了一个基础性技术。
以前在室内定位技术方面，常用的是基于Wi-Fi、蓝牙、红外等技术，但是由于其存在精度、覆盖范围、干扰等方面的局限性，而现在更多的是基于超声波技术的室内定位系统。
超声波室内定位系统的原理是，利用超声波模块向四周发出超声波信号，接收模块接收信号后带有时序信息，通过算法计算可以确定接收模块在空间中的位置，进而确定被定位目标。
相较于其他常用的技术，超声波室内定位系统具有精度高、覆盖范围广、干扰小等优点。
实现超声波室内定位系统主要依靠硬件和算法两方面。
硬件方面，主要涉及超声波传感模块、控制器、定位标签等部分，其中传感模块是核心部件。
在高精度定位要求的应用场景下，需要在定位区域安装足够数量的超声波模块保证定位标签与多个收发模块之间发生超声波交互。
算法方面，超声波室内定位系统需要用到距离测量算法、三角定位算法、蒙特卡洛算法等。
这些算法的目的是通过处理传感器获取的数据，最终确定被定位物体的位置。
其中实现精度较高的超声波室内定位系统，需要通过深度学习等技术优化算法。
超声波室内定位系统应用于通行管理、物资调配、室内导航等领域，它可以精确地为物品或个体标签建立位置信息，实现快速智能化管理和监控。
例如，在仓储场所中，超声波室内定位系统可以提高物品及库存的精准度，节省按人工统计库存所需的时间和精力。
此外，超声波室内定位系统还可以为用户提供室内导航，实现了人机交互的全新体验感。
当然，超声波室内定位系统在应用过程中也存在着不少问题需要解决。
例如，超声波模块工作过程中易受设备、人员、环境等外部干扰，进而造成误差。
还有定位标签电量耗费、外观设计等问题都需要针对性地解决。
随着技术发展，这些问题的解决方案也会逐步出现。
总的来说，基于超声波技术的室内定位系统，是一个依赖硬件设备和算法的全新技术应用。
其优点在于精度高、覆盖范围广，可以为用户提供更全面、智能化的定位服务。
超声波定位讲解
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。
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。
基于超声波的跟踪定位系统研究
基于超声波的跟踪定位系统研究在现代社会中，人们需要对移动物体进行实时追踪和定位，以便于进行相关监测和控制操作。
为了实现这个目标，基于超声波的跟踪定位系统成为了一个被广泛研究的领域。
这篇文章主要探讨了基于超声波的跟踪定位系统的研究，包括定位原理、系统设计、算法实现和应用领域等方面。
一、定位原理基于超声波的跟踪定位系统是一种利用声波在空气中的变化进行测距、定位和追踪的技术。
声波是一种机械波，它能够在空气中传播，并在遇到不同密度的物体时发生反射、折射和散射等现象。
这为声波跟踪定位提供了基础条件。
在这种系统中，如何采集声波信号并从中获取有用的信息是至关重要的。
定位原理的核心是测量声波传播的时间差。
在系统中，一组发射器和接收器被放置在目标区域内。
这些发射器将超声波信号发送到目标物体，接收器接收到物体反射回来的声波。
通过测量发射和接收的时间差，可以确定目标物体与接收器之间的距离。
当有多组发射器和接收器组成网络时，可以利用三角定位法计算目标物体的位置。
二、系统设计基于超声波的跟踪定位系统由以下几个部分组成：1. 发射器：负责发射超声波，通常使用压电材料来产生机械振动引起声波发射。
2. 接收器：负责接收目标物体反射回来的声波，并将其转化为电信号。
通常采用压电材料来产生电信号。
3. 时间测量器：负责测量发射器和接收器之间的时间差来确定目标物体与接收器之间的距离。
4. 数据处理器：负责实现测距数据的处理，包括三角定位法的计算。
5. 软件界面：提供用户接口和数据输出，通常使用图形化界面。
三、算法实现基于超声波的跟踪定位系统通常采用三角定位法来计算目标物体的位置。
三角定位法是利用目标物体与多个发射器/接收器之间的距离来计算目标物体在平面或空间中的位置的一种方法。
当目标物体与三个以上的发射器/接收器配对时，可以通过计算交点来确定目标物体的位置。
交点是所有发射器/接收器之间连线的交点，它是目标物体在平面/空间中的位置。
四、应用领域基于超声波的跟踪定位系统具有广泛的应用场景，包括物流、工业生产、医疗、安全等领域。
基于AT89C51的超声波定位系统设计
基于AT89C51的超声波定位系统设计作者：金鑫来源：《电子世界》2012年第19期【摘要】本系统是向测量目标发射超声波脉冲然后接收相应的反射波，由AT89C51集成的模拟比较器A检测到达系统的回声，计算时间以达到定位目的的精确测量系统。
【关键词】超声波；测距；定位1.前言本设计的主要应用是eBeam白板，该系统是通过吸附于普通白板左右上角的两个接受器接受并传送白板笔在书写时发出的超声波至本地计算机，从而将写于白板的任何笔迹及现场声音记录于本地计算机，并可通过internet及时传送给远端计算机。
2.总体方案设计本设计采用超声波发生与接收一体的装置，通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后计算出相应的距离。
假设声波室温下在空气中的速度为340米/秒，AT89CC51计算系统与目标间的距离并采用LED将其显示在四位的LED显示器上。
距离以米为单位显示，精度为1cm。
本系统由超声波测距系统及定位系统两部分组成。
3.超声波测距系统的设计3.1 系统概述单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后计算出相应的距离。
3.2 系统硬件设计本系统主要电路又单片机主机系统电路、超声波发射、接收电路、LED显示电路。
3.2.1 单片机主机系统电路本电路由AT89C51主机、时钟、复位电路及报警电路组成。
3.2.2 超声波发射电路超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头选用CSB40T，可利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。
3.2.3 超声波接收电路超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。
超声波接收电路的作用是对接收的超声波信号进行放大，并将该信号处理成系统可以接收的电平信号。
3.2.4 LED显示电路常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器（简称LED或数码管）和液晶显示器（简称LCD）。
超声波定位系统的设计
己昨 巨 月 第己 日 卷 第巳 期
目 标节点 矽 倒 超声 波信号停 止定时器 取出定 时器中 数值送 到上位
机
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目 标节 点启动
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定位系统的流程图
节点的硬件设计
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单片机产生 的信号进行放大 再将放大了的信号加载于超
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系统 的功耗 。
通信
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引脚提供时钟频率 , 通过
同步性 ,在接收和发送时 ,保证
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在数据接收部分 , 用
传感器节点定位过程中 , 未知节点在获得对于临近信 标节点的距离后 ,通常使用三边测量法计算 自己的位置 。 已知 、 、 三个节 点的坐标分别为 。 , 。, 。 、 、, 。, 。、 。 , 。 , 。 , 以及它们 到未知节点 的距离 分别为 。 ,氏 , 。 , 假设节点 的坐标为 , , 。 那么 ,存在以下公式 一 一几 十 一 。 一 。 一 。 少 一夕 一 一气 一武 一跳 一 磷 能 。使
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寇海洲 基于超声波的定位系统研究与实现
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基于单片机的超声波测距系统设计
基于单片机的超声波测距系统设计一、本文概述随着科技的飞速发展，超声波测距技术以其非接触、高精度、实时性强等优点，在众多领域如机器人导航、自动驾驶、工业控制、安防监控等中得到了广泛应用。
单片机作为一种集成度高、控制灵活、成本较低的微控制器，是实现超声波测距系统的理想选择。
本文旨在探讨基于单片机的超声波测距系统的设计原理、硬件构成、软件编程及实际应用，以期为相关领域的科研人员和技术人员提供参考。
本文将首先介绍超声波测距的基本原理和关键技术，包括超声波的传播特性、测量原理及误差分析。
接着，详细阐述基于单片机的超声波测距系统的硬件设计，包括单片机的选型、超声波收发模块的选择与连接、信号处理电路的设计等。
在此基础上，本文将介绍系统的软件设计，包括超声波发射与接收的时序控制、距离数据的处理与显示等。
还将讨论系统的低功耗设计、抗干扰措施以及在实际应用中的优化策略。
本文将通过具体实例，展示基于单片机的超声波测距系统在机器人定位、障碍物检测等场景中的应用，以验证系统的可行性和实用性。
本文期望能为相关领域的研究提供有益的参考，推动超声波测距技术的进一步发展和应用。
二、超声波测距原理超声波测距系统主要基于超声波在空气中的传播速度以及反射原理进行设计。
超声波是一种频率高于20kHz的声波，其传播速度在标准大气条件下约为343米/秒。
在超声波测距系统中，超声波发射器向目标物体发射超声波，当超声波遇到目标物体后，会发生反射，反射的超声波被超声波接收器接收。
测距的原理在于测量超声波从发射到接收的时间差。
设超声波发射器发射超声波的时间为t1，接收器接收到反射波的时间为t2，则超声波从发射到接收所经历的时间为Δt = t2 - t1。
由于超声波在空气中的传播速度是已知的，所以可以通过测量时间差Δt来计算目标物体与测距系统之间的距离D。
距离D的计算公式为：D = V * Δt / 2，其中V为超声波在空气中的传播速度。
在实际应用中，为了确保测量的准确性，通常会采用一些技术手段来减少误差。
基于AT89C51的超声波定位系统设计
图３主程序流程图
图４ 固件 程序流程 图
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［张毅刚， ２ ］ 彭喜源． 片机应用设计 ． 单 哈尔滨工业大 根 据 三 角 形 的稳 定 性 ， 发生 器 ｉ 发 选 。 和 学 出版社， ０ ． ２ ３ ０ 生 器２ 的距 离 是 固 定 的 ，那 么 如 果 测 出物 ４ ３ 系 统 软 件 设 计 （ 序 流 程 图如 ． 程 【 张海涛． 多超声波传 感器的避 障系统设计Ⅱ． ３ 】 基于 】 体 到 发 生 器 ｉ 发 生 器 ２ 距 离 ，就 可 以 图３ ２ 和 的 －）
１ 引言 ． ２ 系统 硬件 设 计 ．
数 据 采 集 在 现 代 工业 生 产 及 科 学 研
低 、 开 放 性 、运 算 能 力 、 通 讯 能 力 强 、 易于 使用 ，逐渐 成 为 设计 应 用 的主 流 ，
责读 取 数 据 ，并 通过 Ｕ Ｂ 线 传输 到计 算 失 调 、漂 移和 偏置 电流 。 Ｓ总 机 ，嵌 入 式 处 理 器 还 负 责整 个 系 统 的协 信 号 调 理 电路 如 图２ Ｉ 为 模 拟 输 ，Ａ Ｎ 调工 作 。 入 信 号 ，Ａ 信 号 输 出 。 第 一 级 放 大 倍 数 Ｏ 而 目前 在 微机 系统 中 ，外 设 与Ｃ Ｕ Ｐ 的连 接 Ｎ ＝ ＋ ２ Ｒ ， 第 二 级放 大倍 数 Ｎ ＝ ＋ ３ Ｉ ＩＲ ／ Ｉ ２ ｌＲ ／ 存 在 接 口标 准 各 自独 立 、 互 不 兼 容 、 无 ２ １模 拟 输 入和 调 理 电路 ． 法 共 享 的 问题 ， 并 且 安 装 、配 置 亦 很 麻 信 号输 入通 道 为多 通道 输入 ，系统 可 Ｒ ， 总 的 放 大 倍 数Ｎ Ｎ ×Ｎ ，通 过 Ｒ 、 ４ ＝１ ２ １ 烦 ，而 通 用 串 行 总线 （Ｓ ） 优 良特 性 对 以采 用Ａ Ｇ ０ 高速 多路 模 拟开 关 组成 ， 由 ＵＢ 的 Ｄ ６８ Ｒ 、 Ｒ 和 Ｒ 的 不 同取 值 ，可 实现 不 同 倍 ２ ３ ４ 此 提 供 了极 佳 的解 决方 案 Ⅲ。 １ 片 选 线 和 ３ 地 址 线 实现 从 ８ 单端 信 数 放 大或 衰减 。 条 条 路
基于波束形成的超声检测系统设计
基于波束形成的超声检测系统设计近年来，基于波束形成的超声检测系统成为了医疗设备领域的热门技术之一。
波束形成技术可以利用传感器阵列，通过多个发射元件和接收元件的相互作用，精准地定位目标物体并获取高质量的图像信息，被广泛应用于医学影像学、工业非损检测等领域中。
在本文中，将对基于波束形成的超声检测系统的设计与实现进行探讨。
一、超声波原理超声波是一种机械振动波，其频率高于人类能够听到的频率上限（20kHz），通常指频率大于1MHz的声波。
超声波可以在物体内部传播，与物体内部的组织和结构发生相互作用，从而产生反射和散射信号。
超声波在医疗领域中广泛应用，是一种无创的检测技术，具有无辐射、无伤害、灵敏度高等优点，可用于检测血管、器官等组织的形态、位置、结构等信息。
二、波束形成技术在超声检测中，波束形成技术是一种主要的图像获取方法。
波束形成技术可以实现对目标物体进行约束成像，利用发射和接收的方向性形成指向性敏感体，从而获得高分辨率的图像信息。
波束形成技术包括点源发射、阵列发射、焦点形成、相位控制等多个环节。
阵列发射是波束形成技术的核心之一。
阵列发射利用多个换能器同时发射超声波，并通过对不同换能器发射超声波的相位控制，形成扫描角度和扫描深度的约束，从而实现对目标物体进行成像。
阵列接收是波束形成技术的另一个重要组成部分。
阵列接收可以获取多个接收信号，并通过相位控制和信号处理，获得高质量的超声图像。
三、基于波束形成的超声检测系统设计基于波束形成的超声检测系统由控制模块、采集模块和处理模块组成。
控制模块负责对多个换能器的电信号进行控制和调节，以实现发射超声波和接收超声信号的功能。
采集模块负责将接收到的超声信号转换为数字信号，并进行存储。
处理模块负责对采集的超声信号进行处理和分析，从而得到目标物体的位置、形态、结构等信息。
1. 换能器设计换能器是超声检测系统中最重要的组成部分之一。
常见的换能器类型包括线性阵列和二次元阵列。
基于超声波的定位系统设计
基于超声波的定位系统设计超声波定位系统是一种常用的室内定位系统，其原理是利用超声波传感器发送和接收超声波信号，通过测量超声波传播时间和强度来确定目标的位置。
在本文中，我将设计一个基于超声波的定位系统，包括硬件和软件方面的内容。
硬件设计部分包括传感器选择和电路设计。
我们可以选择超声波传感器模块，这种模块通常包括超声波发射器和接收器。
我们需要选择一个频率合适的超声波发射器，通常在40kHz附近。
接收器可以选择带有放大器和滤波器的模块，以增强接收到的信号，并去除噪音。
接收到的信号可以通过微控制器进行处理和分析。
在电路设计方面，我们需要考虑超声波传感器模块的电源供应和信号处理。
我们可以使用电池或者直流电源作为电源供应，但要确保电源电压稳定。
对于信号处理，我们可以使用放大器来增强接收到的信号，然后通过滤波器去除噪音。
接收到的信号可以通过模数转换器转换成数字信号，以便进行后续的处理和分析。
软件设计部分包括信号处理和定位算法。
在信号处理方面，我们需要对接收到的信号进行滤波和去噪处理。
可以使用数字滤波器来去除噪音，并使用算法来分析信号的幅值和延迟。
接收到的信号可以通过相关分析或者时间差法来确定目标的距离和方向。
在定位算法方面，我们可以使用多普勒效应或者三角定位法。
多普勒效应可以通过测量频率变化来确定目标的速度和方向。
三角定位法可以利用多个超声波传感器的位置信息来确定目标的位置。
使用最小二乘法或者粒子滤波等算法可以提高定位的准确度和稳定性。
此外，我们还可以考虑加入实时定位和地图显示功能。
通过添加无线通信模块，可以将目标位置实时传输到显示设备上，并在地图上显示目标位置。
这样用户可以通过显示设备来方便地追踪目标位置。
总结来说，基于超声波的定位系统设计需要考虑硬件和软件方面的内容。
硬件设计部分包括传感器选择和电路设计。
软件设计部分包括信号处理和定位算法的设计。
通过合理的硬件设计和优化的软件算法，我们可以设计出一套准确、稳定的基于超声波的定位系统。
基于超声波传感器的测距系统设计毕业设计论文
J I A N G X I N O R M A L U N I V E R S I T Y传感器原理课程设计题目：基于超声波传感器的测距系统院系名称：物理与通信电子学院学生姓名：学生学号：专业：电子信息工程任课老师：完成时间： 2015年6月摘要本文主要介绍了基于超声波传感器的测距系统的工作原理、硬件电路的设计和软件设计。
该测距系统由单片机最小系统模块、温度采集模块、超声波测距模块，LCD显示模块组成。
能够完成距离和温度的测量、显示等功能。
关键词：超声波测距，单片机最小系统，温度采集摘要------------------------------------------------------------------------------------------------- I 1引言 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 22 设计要求---------------------------------------------------------------------------------------- 23 方案论证---------------------------------------------------------------------------------------- 23.1 方案论证与比较 ---------------------------------------------------------------------- 33.2 单片机最小系统模块的方案 ------------------------------------------------------- 33.3温度采集模块的方案----------------------------------------------------------------- 43.4超声波测距模块的方案-------------------------------------------------------------- 43.5 显示模块的方案 ---------------------------------------------------------------------- 4 5 系统设计---------------------------------------------------------------------------------------- 55.1单片机最小系统模块的设计-------------------------------------------------------- 55.1.1复位电路的设计--------------------------------------------------------------- 55.1.2 时钟电路设计----------------------------------------------------------------- 65.1.3单片机的I/O口的分配 ------------------------------------------------------ 65.2 LCD1602显示模块的设计 ---------------------------------------------------------- 75.2.1 1602接口信号说明----------------------------------------------------------- 85.2.2 1602操作时序----------------------------------------------------------------- 85.3 DS18B20温度采集模块的设计 ---------------------------------------------------- 95.3.1 DS18B20的分辨率 --------------------------------------------------------- 105.3.2 DS18B20工作时序图 ------------------------------------------------------ 105.4超声波测距模块的设计------------------------------------------------------------ 116 软件设计-------------------------------------------------------------------------------------- 126.1 程序流程图 -------------------------------------------------------------------------- 136.1.1 主程序流程图--------------------------------------------------------------- 136.1.2 外部中断0流程图--------------------------------------------------------- 146.2子程序设计 --------------------------------------------------------------------------- 146.2.1温度采集模块子程序------------------------------------------------------- 146.2.2 LCD显示子程序------------------------------------------------------------ 167 误差分析-------------------------------------------------------------------------------------- 187.1 温度 ----------------------------------------------------------------------------------- 187.2 障碍物表面材料 -------------------------------------------------------------------- 187.3 超声波模块探头距离 -------------------------------------------------------------- 18 8总结 -------------------------------------------------------------------------------------------- 18 参考文献----------------------------------------------------------------------------------------- 19 附录一：源程序-------------------------------------------------------------------------------- 20 附录二：实物图-------------------------------------------------------------------------------- 261引言近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。
基于振动的超声波无线放电定位系统设计
作者简介：王岩妹 (1986- )，女，工程师，硕士，从事变电站智能组件产品研发工作。
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电工电气 (2019 No.5)
基于振动的超声波无线放电定位系统设计
较差；超高频 (UHF) 方法灵敏度较高，采样精度要 求较高，但容易受外界电磁波信号干扰，全覆盖条 件下成本昂贵；超声波检测法电气干扰小，可以通 过安装在 GIS 腔体外壁上的超声波传感器测量局部 放电，属于非侵入式的测量方法，适用于实时在线 监测或户外临时耐压检测等场合。
GIS 内部发生局部放电时，放电区域内分子间剧 烈撞击将产生电荷中和现象，从而产生较陡的电流脉 冲，该脉冲使得局部放电区域瞬间受热膨胀，放电结 束后恢复到原来的体积，这种由体积变化引起介质疏 密的瞬间变化形成超声波，从局部放电点以球形的方 式向四周传播 [6-7]。GIS 内部局部放电产生的声波包 括纵波、横波和表面波，纵波通过气体传到外壳，横 波则需要通过固体介质 ( 比如绝缘子等 ) 传到外壳 [8]。 GIS 内部产生的超声波信号在绝缘流动环境中将对腔 体产生压力波，这种压力波被外置的振动加速度传感 器监测到并转换为振动信号的幅值及累加值，可以反 映出 GIS 内部放电的剧烈程度，基于振动的超声波法 检测局部放电示意图如图 1 所示。
关键词：气体绝缘组合电器；超声波；放电；定位；故障 中图分类号：TM835 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2019)05-0017-06
Design of Ultrasonic Wireless Discharge Positioning
System Based on Vibration
WANG Yan-mei1, LI Da-peng2, PENG Yue-hui1, WEI Jia-peng1, SONG Xuan-feng1 （1 Henan Pinggao Electric Co., Ltd, Pingdingshan 467001, China;
超声波定位系统的原理与应用
超声波定位系统的原理与应用Pr i nc iple and Appl ica tion of Superson ic L oca tion Syste m●王富东W ang Fudong1 基本原理已经获得广泛应用的无线电定位系统的基本原理是通过接收几个固定位置的发射点的无线电波,从而得到主体到这几个发射点的距离,经计算后即可得到主体的位置。
超声波定位的原理与此相仿,只不过由于超声波在空气中的衰减较大,它只适用于较小的范围。
超声波在空气中的传播距离一般只有几十米。
短距离的超声波测距系统已经在实际中有所应用,测距精度为厘米级。
超声波定位系统可用于无人车间等场所中的移动物体定位。
其具体实现可有两种方案。
方案1:在三面有墙壁的场所,利用装在主体上的反射式测距系统可以测得主体到三面墙壁的距离。
如果以三面墙壁的交点为原点建立直角坐标系,则可直接得到主体的三个直角坐标如图1所示。
图1 利用三面垂直的墙壁进行定位 这种方案在实际应用中要受到某些限制。
首先,超声波传感器必须与墙面基本保持垂直。
其次墙壁表面必须平整,不能有凸出和凹进。
传感器与墙壁之间也不能有其它物体。
这在很大程度上影响了其实际使用的效果。
方案2:在空间的某些固定位置上设立超声波发射装置,主体上设立接收器(反之亦可)。
分别测量主体到各发射点的距离,经过计算后便可得到主体的位置。
由于超声波的传播具有一定的发散性及绕射作用,这种方法所受到的空间条件限制较少。
即使在主体与发射点之间有障碍物,只要不完全阻断超声波的传播系统仍然可以工作。
故本文重点介绍这种方法。
发射点的位置通常按直角方位配置。
以三维空间为例,可在坐标原点及(X,0,0),(0,Y,0)三个位置布置发射点如图2所示。
图2 距离与坐标换算主体坐标(x,y,z)到三个发射点的距离分别为L1,L2,L3,由距离计算坐标的原理如下: 由图2可得如下三角关系: X2+Y2+Z2=L12(1) (X-x)2+Y2+Z2=L22(2) X2+(Y-y)2+Z2=L32(3) 求解上列方程可得: x=(L22-L12+X2)2Y(4)王富东,现在苏州大学工学院工作。
基于超声波技术的智能室内定位研究
基于超声波技术的智能室内定位研究随着智能家居技术的不断进步，越来越多的人开始关注室内定位。
智能室内定位技术可以为人们提供更多便利，使室内生活更加舒适。
目前，基于超声波技术的室内定位系统已经得到广泛应用，成为研究热点之一。
一、超声波技术与室内定位超声波技术是一种非常先进的测量技术，能够在两个点之间传输信息。
它可以被用于声学测量、控制、定位、人机交互、检测和安全领域，其中最为重要的一个应用就是室内定位。
超声波技术的优点在于其信号强、传输距离长，能够覆盖更广的室内范围。
它可以通过改变超声波的频率、振幅、相位等来实现不同的室内定位功能，因此被广泛应用于各种不同的室内定位系统中。
二、基于超声波技术的室内定位系统基于超声波技术的室内定位系统主要有三个方面的应用：超声波传感、超声波定位和超声波导航。
下面将分别对这三个方面的应用进行阐述。
超声波传感：超声波传感器是基于超声波技术的传感器，它可以探测到物体的距离、方向和速度等信息。
使用超声波传感器可以让智能设备更加灵活和便利，可以实现人机交互、自动控制等功能。
超声波传感器被广泛应用于各种室内定位系统，包括智能家居、智能门锁等。
超声波定位：超声波定位是通过测量超声波的传输时间和信号强度来进行室内定位。
超声波定位可以提供高精度、高准确性的定位信息，可以实现单室内或多室内的定位需求。
超声波定位被广泛应用于室内导航、智能家居等领域，为人们的生活带来了更多便利。
超声波导航：超声波导航是一种基于超声波技术的室内导航系统，它可以为使用者提供更准确、更快速的导航信息。
超声波导航系统可以通过声波反射和声纹识别等技术来实现室内导航，帮助人们更好地掌握室内环境，使人们的室内生活更加方便。
三、基于超声波技术的室内定位系统应用案例1.智能门锁：智能门锁是基于超声波技术的一种室内定位系统，它可以通过超声波传感器探测人体距离门锁的距离和方向，从而实现远程开门和关门的功能。
使用智能门锁既方便又安全，而且在实际应用中被证明是非常可靠的。
基于超声波定位系统的设计
基于超声波定位系统的设计作者：孙建新段海龙李培玄范磊来源：《中国科技博览》2015年第25期[摘要]介绍一种以Atmegal128单片机为微处理器的超声波定位系统，多个定位节点组成定位网络，主节点处于定位网络中就可以得到在定位系统中的坐标位置。
采用无线电波和超声波发射接收技术，超声波定位技术的研究，对于小空间、小范围的定位技术有很广阔的前景，可以大幅节省成本，非常适用于智能家居等类似行业。
[关键词]超声波定位系统无线电波智能家居中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）25-0012-02引言现在无线电定位技术已经得到了很广泛的应用，但是无线电定位技术对于某些小距离、小范围的定位显得有些大材小用，换句话说就是有些浪费成本。
超声波传输距离远，传输速度相对于无线电小的多，对于处理器的速度要求及处理精度并不是很高，需要运算的数据量远小于无线电波，运算的速度要求也小于处理器去处理光电信号的速度要求，所以在小空间、小范围的定位中，超声波定位具有很大的优势，可以大幅节省硬件成本，减少CPU的运算工作量，对于智能家居等类似的行业具有很好的开发前景。
1.定位原理无线电定位是通过各个定位点的无线电波频率来识别各个定位点的，从而获取定位点的坐标信息，参考无线电的定位原理，超声波的定位原理与无线电定位类似，主节点发出位置获取信号，定位节点一旦收到就将自己的信息信号发出。
如图1，节点P（x，y，z）表示需要定位的人或物，节点A、B、C构成定位系统的参考网络，由A、B、C发出的超声波到达节点B 的时间可以得到PA、PB、PC三条线段的距离即主节点到三个定位结点间的距离。
由图中几何关系可以得到，（T为环境摄氏温度）然而在实际的系统中，由于超声波在空气中的传播速度会衰减，传输距离有限，而且容易受到障碍物的影响，三个定位节点可能远远不够的，可能会出现盲区，即定位节点发出的超声波可能达不到或者可以达到的节点不够3个，这时算出的坐标位置可能就会出错，为了避免类似情况的发生，为保证定位精度更加准确，活动范围更广，可以使用较多的定位点，呈矩阵状合理分布，同时每个定位点有自己的位置坐标，主节点只要测得三个不同节点的距离，就可以计算出主节点在系统中的坐标。
超声波定位系统智能跟随小车设计
2019年35期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application超声波定位系统智能跟随小车设计陈乐鹏，谭晓东，曹江浩，刘升云，高智伟（大连交通大学电气信息工程学院，辽宁大连116028）1概述随着时代的发展，各行各业对于智能化程度要求的提升，越来越多的移动机器得到普及，与传统的跟随设备相比，智能小车具有更好的机动性、安全性和实用性。
如今国内跟随设备一般存在于专业的场馆环境内，而没有针对在超市、机场、火车站等公共场所里的跟随设备。
本文以STM32为核心，利用多个模块的结合，设计了一款能够应用于各个场所的智能跟随小车。
该车采用超声波定位技术实现小车与人类距离的检测，判断人类的位置，并利用PID 算法控制小车移动速度和转弯方向，实现对人的精准跟随。
该智能小车既可以应用于环境简单的场馆内，又可以在复杂的公共场所实现跟随，解放人类双手。
2硬件设计2.1系统总体设计系统为了实现小车自动跟随，采用了超声波定位模块、电机驱动模块和LCD 等功能模块设计。
通过人手持超声波发送模块与小车安装的超声波接收模块来判断人的位置，主控芯片STM32处理位置信息，输出PID 算法调控后的PWM 波来控制电机的转速。
电源一给超声波接收模块、电机驱动模块和LCD 模块供电。
电源二给超声波发送模块供电。
系统的总体设计图如图1所示。
2.2主控芯片智能小车采用的是STM32F103的主控芯片，该芯片是32位ARM 微控制器，其内核是Cortex-M3。
拥有性能强大的外设、低功耗、开发成本低、支持SWD 和JTAG 两种调试等优势。
2.3超声波定位模块超声波定位模块的基础是超声波测距，本设计使用的测距模块是单接收发超声波模块，该模块的测量范围为4~500cm ，精度为3mm 。
工作电压为5V ，采用串口通信，通信波特率为115200。
定位模块由发射超声波模块、接收超摘要：随着时代的发展，对于智能化程度各个行业的要求都有所提高，越来越多的移动机器得到普及，与传统的跟随设备相比，智能小车具有更好的机动性、安全性和实用性。
超声波定位讲解(1)
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。
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 。
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。
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。
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：
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超声波定位系统在具体实现上与无线电定位有所不同。不同发射点的无线电信号可以用不同的频率来区分，而超声波系统难以做到，因此必须有一种能够把各个发射点的超声波信号区分开来的方法。我们采用带地址编码的无线电触发电路分别触发各个发射点。
以发射点固定、主体接收的超声波定位系统为例。主体部分由微处理机电路、超声波接收电路和无线电编码触发电路组成;发射点部分由超声波发射电路和无线电编码接收电路组成。系统的工作过程首先由微处理机选定要触发的发射点地址，启动发射电路并开始计时，在给定时间内如果接收到信号则由延迟时间计算出主体到发射点的距离。与超声波相比，无线电波的传输时间可忽略不计;如果在给定时间内没有接收到信号，则认为主体到发射点的距离已超过可接收距离。当接收到足够的发射点信号后，可由主体到各个发射点的距离计算出主体的位置坐标。由测量结果进行校正。
5 结束语
超声波定位系统可用于一定范围的无接触定位，定位精度可达1cm。由于超声波的传播受环境影响较大，故不推荐在室外使用。在实际应用中根据环境和具体要求其应用电路可作适当改进。例如可以将编码信号直接加入到超声波信号中，这样的系统可直接用于对象的识别。为了增加接收灵敏度，还可以采用类似雷达天线的反射装置。本文对回波信号进行处理，消减了噪声的影响，较好地完成了超声信号处理的初期工作。建立的超声回波信号处理数学模型易于实现;目标定位精度高，避免了传统的模拟检测器误差大的缺点，为危险性目标位置的精度定位提供了借鉴作用。
超声波检测中常用技术是把超声波短脉冲发送至被测物体，当声波自物体的非连续性结构或边界返回时，获取其回波波形。当波触及物体前壁面时，有几个振荡周期的窄带随机波产生，称为始波，与此同时，还有一部分超声波渗入被测物体，触及物体的后壁面，又可得到振荡的回波，称为底波。利用始底波之间的时间间隔与己知的声波在物体中的速度，便可算出物体的距离。同样，当声波触及被测物体内的气孔、杂质等非连续性目标位置时，也会产生回波，据此得出目标位置的信息，如目标位置在检测区域内的大致位置性质等。
基于超声波的定位系统设计
传感器技术、微机电系统、现代网络和无线电通信等技术的进步，推动了无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络具有广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境定位、抢险救灾、危险区域远程控制等诸多领域。
超声波定位的原理与无线电定位系统相仿，只是由于超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小的范围。超声波在空气中的传播距离一般只有几十米。短距离的超声波测距系统已经在实际中应用，测距精度为厘米级。超声波定位系统可用于无人车间等场所中的移动物体定位。
在实际环境中，通过对设定的网络覆盖区域的连续定位，发现其事件准确预测率在网络覆盖范围内的发现率很高，事件误报率很低，这意味着在实际中虽然节点的正确数据被发送，但同时可能在下一个时刻发送的数据是错误的，这也从侧面说明了采取一定措施限制误报率的必要性。
对于目标定位系统而言，实时性是其关注的另外—个要点，如果系统不能及时将网络系统的处理结果反馈，再完美的计算结果也无意义。从理论上说，系统的延时是决定性的因素。
4 通讯控制结构
在网络节点的通讯过程中，节点在无工作任务时的空闲侦听耗费了相当宝贵的能量资源;同时无线信号在转发过程中存在丢包、串音、局部消息汇集而引起的拥塞等，在网络通讯控制结构设计中必须考虑这些问题。为提高系统的扩充性和适应性，采用构建包括节点分组、能量管理、路由选择、时间同步以及定位估计等多个系统组件，方便对系统的进一步修改和提高。
MICA2与超声波传感器通过—个51阵的接口相连接，超声波传感器电源通过外接电池组实现供电。MICA2的数据处理单元采甩Atmel公司的Atmega128L微控制器，它采用低功耗CMOST工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最强大的单片机。AVR核将32个工作寄存器和指令集联结在—起，所有的工作寄存器都与ALU直接相连，实现在 —个时钟周期内执行单条指令的同时访问两个独立寄存器的操作，这种结构提高了代码效率，在性能上比普通单片机提高约10倍。Atmega128L具有丰富的资源和较低功耗。片内有128KB的程序Flash、4KB的数据SRAM、可外扩到64KB的E2PROM。此外，还有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作;8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器UART、SPI、I2C总线接口;JTAG接口除了正常操作模式外，还具有6种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同的功耗。MICA2的数据传输单元模块由Chipson公司生产的低功耗、短距离的符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件的无线通信模块CC2420组成。节点的MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，MAC层采用的是基于ESMA-CA的机制，该芯片只需极少外部元器件，可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250kbit/s，可以实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。
1.2 模型的建立
超声波检测中所处理的是振荡波，具有窄带随机信号的特性。传统的超声波检测设备采取硬件检波的方法提取回波包络，检测精度和主峰位置的精确定位都无法保证。由于目标回波位置直接决定了测量精度，尤其对运动目标，如何精确测定出回波位置是技术的关键所在。本文介绍的信号采集系统包括传感器信号采集设计及传感器与MOTE之间信息传递的硬件设计与构造。超声波传感器的特点是其方向性好且可以达到厘米级定位精度，在一些要求较高的定位系统如DPEG及 Crickets都是采用基于超声波传感器的测距方式。
1 超声检测原理
1.1 回波信号
超声检测信号分析系统的原理是通过超声检测仪和信号采样装置及计算机的相互协调，实现超声检测电信号的模数转换，并完成检测数据的存储，计算机根据己量化的回波信号数据，利用有关理论及技术作相应处理。超声检测是一种物理手段，利用超声波的性质来判断目标的距离。是根据超声波在检测区域内运动时遇到界面反射所呈现的特征来判断物体位置状况的无损检测方法。
无线传感器网络中节点能量有限、数据传输率低、可靠性和安全性较差。而且在系统运行期间节点可能随时会迁入、移出或因为能量耗尽而失效、位置移动等，由此引起网络拓扑结构和通讯链路控制结构变化。为了尽量延长无线传感器网络的生存期，网络通讯控制结构应尽量满足以下条件：当系统处于空闲监听状态时，留下少数节点维持基本链路而使其他节点进入休眠;因为节点的可靠性相对较差，需要保证骨干链路的冗余度;大量节点发送的数据对整个网络来说是一项繁重的任务，有效运用数据融合、分布式处理等技术可减少冗余数据并降低无线通讯的次数;提高扩展性和鲁棒性，适应节点迁入、移出或失效等各种变化。在应用中，无线传感器网络节点的能量消耗与其在通讯过程中采用的方式有密切关系。
2 系统的组成
系统由超声波传感器、节点网关、无线网络、笔记本和线遥控玩具小汽车组成。。
无线传感器网络的数据通过网关传人计算机，服务程序解析数据内容并进行处理，一部分内容于事件归类后存入数据阵，用作分析查询。另一部分内容仅用于不同传感器之间的数据融和，即不同传感器的自身位置信皂在进行通信控制之后，由传感器节点将其丢弃，因为传感器节点的存储空间和能量有限，大量的数据存储不仅会浪费空间，而且会耗费电池。数据库根据需要可以选择数据进行位置估算，然后再对风向、障碍物、地面高低起伏等影响因素进行参数修正，确定目标在检测区域内的位置信息。后台系统通过无线网关与无线传感器实现联络。另外这些消息需通知负责用户界面部分的程序模块，以可视化的力式显示定位到的内容。
超声波传感器的工作原理是：信号时间在零时刻发出一束声波，假设传感器在经过时间t后接收到返回的超声波，根据公式s=vt，取值v为34000cm/s，实际中的超声波发射时间单位是毫秒(mm)，换算后为10-6s，则
根据此公式可求得距离值s，其中值与传感器的定时器有关，是一个与硬件设备关系密切的采样值。在系统中，假设超声波传感器的定时器为16位，则 216=65536，65536/58=1129，即能够定位的范围在11H左右。我们在实际中发现采集到的数据与实际的距离还存在一个线性关系，利用 16位的定时器能够探测的距离仅在1.46m之内，这对于目标定位系统是灾难性的限制。对此采用降低时间精度来提高超声波的工作范围，把时间精度降低为原来的1/3，则实际的探测范围相应提高到原来的3倍，达到4.8m。经过实际检验，证明该设计可以实现且有良好准确的测距效果。
3 软件系统的设计
软件系统将设计的目标定位系统布置在实际的物理硬件上并进行相关实验研究。应用系统的软件流程见图2所示。
在初始阶段，所有节点处于工作状态，通过节点分组组件选择值班节点监控覆盖区域;当值班节点定位到事件后，唤醒相邻节点采集数据，节点将收集的数据汇聚至头节点，头节点进行初步处理以减少错误数据向网关传送所引起的路由拥塞;网关将从底层接收到的数据传送到具有较强处理能力的基站从而估算出发生事件的大致位置。