超聲波定位講解課件

超聲波定位淺談1超聲波特點闡述3定位算法簡析2定位系統(tǒng)設(shè)計4系統(tǒng)誤差及應用目錄1、超聲波特點闡述超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀超聲波及其物理性質(zhì)超聲波是一種機械波，其可以在氣體、液體和固體中傳播，具有以下待性：(1)超聲波的頻率很高，波長較短，繞射現(xiàn)象小，傳播速度慢，可以像光線那樣沿著一定方問傳播，傳播的能量較為集中。(2)超聲波的振幅很小，加速度非常大，因而可以產(chǎn)生較大的能量，而且對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。(3)對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中，超聲波的這些特性，使其在遙控、測距以及其它領(lǐng)域得到了廣泛的應用。超聲波物理特性：超聲波傳感器當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器（雙壓電晶片元件）施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献饔茫憧梢詫弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅?。超聲波傳感器的基本原理：超聲傳感器按其工作原理可以分為壓電式、電動式、電容式、磁致伸縮式和氣流式等。超聲波傳感器的種類：當壓電片受力時，在晶體的一個表面上會聚集正電荷，而在另一個表面上聚集負電荷，這兩個極板上的電荷量大小相等方向相反，所以可以把壓電片當作一個電荷發(fā)生器。由于在晶體的上下表面聚集電荷，中間為絕緣介質(zhì)，可看成是一個電容器其電容量為

C=εS/dS——壓電元件聚集電荷的表面面積；d——壓電元件的厚度；ε——壓電元件的介電常數(shù)。再通過U=q/c

便可以計算出電壓變化。超聲波傳感器超聲波傳感器的主要性能指標包括工作頻率、靈敏度、分辨率、工作溫度、指向性等，其中最重要是工作頻率。左圖為中心頻率為40KHZ的超聲波傳感器的頻率特性曲線，它反映超聲波傳感器的靈敏度與頻率之間的關(guān)系。從圖中的頻率特性可知，在發(fā)射器的中心頻率處，發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲波最強；而在中心頻率兩側(cè)，聲壓能級迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心頻率的交流電壓來驅(qū)動超聲波發(fā)生器。超聲波傳感器及其特性：2、超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計一、反射式測距法：反射式測距法就是發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波,根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出待測距離。超聲波定位系統(tǒng)主要研究超聲波的測距方法，然后根據(jù)距離和提供算法來計算出待測物體的位置，超聲波測距有兩種實現(xiàn)方法：聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2。這就是經(jīng)典的所謂的時間差測距法。超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計二、單向測距法：單向測距法中由應答器和主測距器組成,主測距器放置在被測物體上,在微機指令信號的作用下向位置固定的應答器發(fā)射同頻率的無線電信號,應答器在收到無線電信號后同時向主測距器發(fā)射超聲波信號,得到主測距器與各個應答器之間的距離。單向測距發(fā)可以實現(xiàn)兩點測距，當同時有三個或三個以上不在同一直線上的應答器作出回應時,就可以計算出被測物體所在的位置。在相同的測量距離下,反射式測距法中空氣對超聲波吸收較單向測距法中大,因此反射式測距范圍較單向式測距范圍小。若以測得距離，根據(jù)算法便可得到待測物體的位置，實現(xiàn)定位。3、定位算法簡析定位算法一超聲波發(fā)射器固定在待定位的物體上，發(fā)射器按一定時間向周圍發(fā)射超聲波脈,在其周圍3個固定的位置安裝超聲波接收器用以接收發(fā)射器發(fā)射的超聲波脈沖，利用超聲波到達3個接收器的時間，計算出超聲波發(fā)射器的具體位置。如果是移動物體，通過連續(xù)測量，就可描繪出物體移動軌跡?；蛘叽ㄎ晃矬w上裝的是超聲波接收器，物體周圍裝的是發(fā)射器，通過計算接收器與每個發(fā)射器之間距離進行定位。超聲波空間定位方案一：定位算法一設(shè)聲波在空氣中的速度為v,發(fā)射器發(fā)射聲波到接收器接收聲波的時間為t則亮著距離可求得為

L=vt假設(shè)在A(a,0,0)、B（0,b,0）、C(0,0,0)三個位置安裝上超聲波接收器，被測對象在M(x,y,z)處，以上三個點倒帶定位物體的距離為L1，L2,L3，則有：

L12=（a-x）2+y2+z2

L22=x2+（b-y）2+z2

L32=x2+y2+z2聯(lián)立上式，解得： x=L32-L12+a2/2a y=L32-L22+b2/2b z=L32-x2-y2方案一：距離交會法定位算法一方案一：距離交會法優(yōu)點：這種方法所受的空間條件限制較少，即使在主體與接收點之間有障礙物，只要不完全阻斷超聲波的傳播，仍可以工作。缺點：由于接收與發(fā)射點的位置固定，回波法較難實現(xiàn)兩點測距。需采用發(fā)射與接受裝置的同步時差法測距法，同時要由高精度的計時裝置，這樣制作制作起來相對復雜。優(yōu)點缺點定位算法二模仿蝙蝠的定位原理，使用1個超聲波發(fā)射器，2個超聲波接收器，由物體反射波到達2個接收器所用的時間進行定位，該方法可以對普通物體進行定位。但容易受到干擾，當探測范圍內(nèi)有多個物體時，定位結(jié)果將不準確．超聲波空間定位方案二：定位算法二收發(fā)傳感器1、收發(fā)傳感器2、任意位置2個(也可以多個)物體A和B，收發(fā)傳感器可以發(fā)送和接收超聲波，2個收發(fā)傳感器之問距離L為已知，通過單片機連接在一起。由幾何關(guān)系可知：利用上式可以判斷數(shù)據(jù)的有效性，如不滿足上述兩式，可能原因是所測物體速度已超出儀器精度，應將數(shù)據(jù)舍棄。超聲波空間定位方案二：t11t12T11T12t21t22T22T21T11=t21,

T12=t22定位算法二以收發(fā)傳感器1為圓心，以t11/2，t12/2為半徑分別畫圓，然后以收發(fā)傳感器2為圓心，以T21/2，

T22/2為半徑分別畫圓，可得出4個交點D，E，F(xiàn)，G，如左圖所示。因為2個位置點要占盡4個圓弧，所以可以判斷物體的位置在D點、F點或者G點、E點，即如果將圓弧相交所得的圖形看作是扭曲的“矩形”，則物體所處位置的連線只能是“矩形”的對角線．所以只需判斷D，E，F(xiàn)，G任意一點是不是物體所處的位置即可定位兩物體，因為F點與收發(fā)傳感器1和收發(fā)傳感器2距離之和最近，所以只需判斷t11/2與T21/2的和是否等于T11

，如果等于，則F點即為物體位置點，反之F點不是物體位置點．定位算法二優(yōu)點：不需要在物體上加裝發(fā)射或接收器，能對普通物體定位。缺點：算法較為復雜。4、系統(tǒng)誤差及應用系統(tǒng)誤差及應用

由于無線通訊模塊被應用到了本系統(tǒng)中，無線信號在介質(zhì)中的傳播需要時間，但無線信號的傳播速度比超聲波的傳播速度快很多，時間差可以忽略不計，但為了提高測量精度，可以在軟件設(shè)計上給予適當?shù)臅r間補償。（1）無線信號誤差：超聲波在空氣中傳播時，溫度對超聲波的傳播速度有很大的影響。在空氣中聲速用下式來表示：式中：R一氣體普適常數(shù)；λ一氣體定壓熱容與定容熱容的比值；M一氣體分子量：T一氣體的絕對溫度。（2）波速的修正：系統(tǒng)誤差及應用(3)其他環(huán)境對超聲波測量精度的影響：12341、空氣濕度的影響超聲波在空氣介質(zhì)中傳播時，在濕度處于飽和狀態(tài)的空氣中傳播速度相對于處于干燥狀態(tài)的空氣中的傳播速度，最大可增加2％。3、氣流的影響當風速大于50km／h時，聲波傳播方向的改變會大于3％。會影響測量精度，在相對封閉的室內(nèi)環(huán)境中，此誤差因素可以忽略。2、空氣壓力的影響大氣壓力的變化同樣會對聲速產(chǎn)生影響，大氣壓力變化±5％，會造成聲速變化約±0．6％。在室內(nèi)定位中，工作環(huán)境相對封閉，氣壓變化可以不予考慮。4、油霧的影響通過實踐可知表面油霧會對測量精度產(chǎn)生影響，為了避免此類影響，只需保持傳感器工作面上的清潔即可。系統(tǒng)誤差及應用改進方法：系統(tǒng)中超聲波接收電路中可采用接收解調(diào)專用集成電路放大器，以便消除由于噪聲或干擾信號的摻入，造成的觸發(fā)時間的不準確，而帶來的隨機誤差。(1)電路設(shè)計方面可以對算法進行進一步優(yōu)化，以便消除系統(tǒng)固有誤差。例如