声波跟踪定位系统

3 声波跟踪定位系统

3.1. 跟踪定位技术概述

本设计要求实现的是利用声定位技术进行探头定位的手动超声扫描成像系统，因此，必须研制与此相适应的跟踪装置，而传感器技术是实现这一功能的关键硬件。现实中用到的跟踪装置的原理主要有声学、光学和磁性三种。根据本设计的特点，要求的是对钢板的内部的缺陷进行检测，采用光学的设备显然不合适，因为光通常沿直线进行传播，方向具有很强的单一性，这不利于跟踪定位；磁性原理就更不适用了，因为所检测是钢铁类的材料，磁性跟踪定位的使用将会造成钢铁材料的磁化，从而使得跟踪定位很难实现。所以选用声波跟踪定位系统。实现声波跟踪定位，从而准确地确定探头所扫描点的位置是声波定位的最终目的。以下是通用的声波跟踪系统原理的介绍。

3.2. 声波跟踪定位原理

基于声波测距的平面定位系统是采用声学测量的方法。过去人们往往认为超声波测距的精度一般不会很高，但这种基于超声波测距平面跟踪定位系统具有比较高的精度。超声波传感器检测距离的手段多种多样，但最主要的方法是检测渡越时间。渡越时间是指声波从发射器发出到声波接收器接收到声波所经历的时间间隔。声源与目标之间的距离与声波在声源与目标之间传播所需的时间成正比，测量出渡越时间就可计算出声源与目标之间的距离。根据多个不同位置的声波对同一个声波发射器进行测距，通过计算可确定这个声波发射器在二维空间的位置。这种测量距离的方法对对象的材料性质依赖较小，并且不受电磁波、粉尘等干扰。

其二维定位原理是：利用如下测量原理可以实现二维定位与定向。设在参考坐标系的X轴上分别安装有2个超声波接收器R1、R2，同时在要检测的物体安装有声波发射器S。如图3-2-1所示。

图3-2-1超声波二维定位系统原理

设在静止参考二维坐标系XY 中，S 为运动物体上的参考点，其坐标用S(Sx,Sy)表示，R1、R2是在X 轴上关于原点对称的两个固定点上，其坐标分别为R1(-a/2,0)和R2(a/2,0)，设点S 到R1、R2两点距离分别为L1、L2，则可以列出下列方程组： 212212L S S a y x =+⎪⎭

⎫ ⎝⎛+ 2

222

12L S S a y x =+⎪⎭

⎫ ⎝⎛- 求得S 的坐标为：

a L L S x 22

221-= 2

2

2212222⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=a L L a L S y （3-1） 由此可以推知，当在S 点固定声波发射器，在R1、R2分别固定声波接收器，根据测得发送器和接收器之间的距离和发射器之间的距离a 即可求出发射器的平面坐标，由于声波测距系统的快速响应特征，通过一定采样率的连续测量即可实现运动物体位置坐标的快速动态测量。

3.3 声波跟踪定位系统实现

声波位置跟踪器是定位跟踪系统中最主要的组成部分，下面是一般的结合微机的声波跟踪定位系统，采用的是多频超声波位置跟踪器，主要组成框图如3-3-1图下：

图3-3-1多频超声波位置跟踪器组成框图

系统由计算机、数字I/O 卡、超声波发送/接收电路组成。其中，计算机系统采用普通微机；数字I/O 卡是基于ISA 总线的16位数字输出、8位数字输入的I/O 卡；超声波发送电路采用了30kHz 、35kHz 、40kHz 三个频率发送超声波。

S 发射超声波，设发射的时间间隔定为t(ms)，t 的大小由超声波所应测量的最大距离决定，估算公式为：)(340

)(max ms mm l t ，其中m ax l 是测距系统的最大作用距离。定时电路时序及各信号波形如图3-3-2所示。

图3-3-2 定时电路时序及各信号波形

TRIGGER 为触发脉冲，整个时序由它控制。WA VE-S 信号中为方形的波为超声波发射信号，WA VE-R 为超声波接收信号。WA VE 为经过滤波器后的信号。PEEK 是经过峰值检测电路后的信号。RESET 为峰值检测电路的复位信号。SIGNAL 是最终送入数字I/O 卡的信号。渡越时间由数字I/O 卡上的计数器计数测量的。