一種使用紅外線和超聲波的定位技術(shù)

1、 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 研究與設(shè)計(jì) 電 子 測(cè) 量 技 術(shù) EL ECTRONICM EASU REM EN TTEC HNOLO GY第 31卷 第 10期200810一種使用紅外線和超聲波的定位技術(shù)厡玉磊 王安健 蔣理興(信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院 鄭州 450052摘 要 :本文提出了一種使用紅外線和超聲波的定位技術(shù) , 對(duì)其工作原理和主要部分的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了介紹 , 設(shè)計(jì)了 測(cè)量脈沖調(diào)理電路接收超聲信號(hào) , 并分析了主要的誤差源 。 該

2、技術(shù)使用紅外編碼指令觸發(fā)定位 , 擴(kuò)大了定位范圍 , 降 低了功耗 ; 在接收電路中加入共振電路 , 減小了外界干擾 。 通過(guò)大量實(shí)驗(yàn) , 分析了環(huán)境溫度 、 傳播角度等因素對(duì)測(cè)距精 度的影響 。關(guān)鍵詞 :紅外線 ; 超聲波 ; 脈沖調(diào)理 ; 定位技術(shù) 中圖分類號(hào) :TN21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :APositioning technique with and Yuan Yulei Wang Anjian (Institute of Surveying and Mapping , , 450052Abstract :A is presented. The work principle and the

3、techniques of the principal parts adjusting circuit is designed to receive the ultrasonic and the errors are analyzed. This uses inf rared coding command to trigger the positioning ,extending the positioning rang and reducing the power ,and adds a syntonic circuit to the receiver to reduce the distu

4、rbing. The effecting factors of precision such as temperature and angle are analyzed according to lots of experiments. K eyw ords :inf rared ; ultrasonic ; positioning technique ; pulse adjusting0 引 言GPS 定位技術(shù)已經(jīng)在導(dǎo)航、 測(cè)圖等方面得到了廣泛的應(yīng)用 ; 而小型的基于紅外線和超聲波的定位技術(shù)則由于其體積小、 電路簡(jiǎn)單、 價(jià)格低等優(yōu)勢(shì) , 在小范圍定位方面得到 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。尤其在室內(nèi)和一

5、些惡劣的條件下 , GPS 定位系統(tǒng)無(wú)法使用 , 超聲波定位技術(shù)就顯得更為必 要。 本文介紹了一種使用紅外線和超聲波的定位技術(shù)及 其實(shí)現(xiàn)方法。1 工作原理1. 1 定位原理超聲波定位技術(shù)的定位原理與 GPS 定位技術(shù)相同。 即測(cè)量待測(cè)點(diǎn)到至少 3個(gè)坐標(biāo)已知的固定點(diǎn)之間的距離 , 然后通過(guò)距離交會(huì)法求解出待測(cè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。超聲 波定位就是使用超聲波測(cè)量待測(cè)點(diǎn)到固定點(diǎn)之間的距離。 但是超聲波在空氣中傳輸?shù)乃p很大 , 能傳輸?shù)木嚯x短 , 如果采用反射式測(cè)距法 , 則測(cè)量的距離更短 , 限制了超聲 波定位的范圍 ; 且采用反射式時(shí) , 由于固定點(diǎn)一直處于發(fā) 射超聲波的狀態(tài) , 不管待定位點(diǎn)是否需要

6、定位 , 因此功耗 也浪費(fèi)很大。本文使用了紅外線觸發(fā)定位信號(hào)的模式 , 在固定點(diǎn)上安置超聲波發(fā)射裝置和紅外線接收及解碼裝置 (定位從 機(jī) , 在待定位點(diǎn)上安置超聲波接收裝置和紅外線編碼發(fā) 射裝置 (定位主機(jī) 。 當(dāng)接收到定位信號(hào)后 , 定位主機(jī)發(fā)射 紅外編碼指令 , 同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí) , 當(dāng)定位從機(jī)接收到 紅外編碼指令后 , 對(duì)其進(jìn)行解碼 , 并根據(jù)解碼結(jié)果決定是 否發(fā)射超聲波信號(hào) , 定位主機(jī)接收到超聲波信號(hào)后停止計(jì) 時(shí) , 計(jì)算出該紅外編碼指令對(duì)應(yīng)的固定點(diǎn)到該點(diǎn)的距離。 這樣使得超聲波定位的距離擴(kuò)大了 1倍 , 并且大大減小了 系統(tǒng)的功耗。 工作原理圖如圖 1所示。圖 1 工作原理圖51

7、 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 31卷 電 子 測(cè) 量 技 術(shù)測(cè)得待定點(diǎn)到坐標(biāo)已知點(diǎn)的距離后 , 通過(guò)距離交會(huì)法 解方程求出待定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 解算方程如下 :D 21=(X -X 12+(Y -Y 12+(Z -Z 12D 22=(X -X 2 2+(Y -Y 2 2+(Z -Z 2 2D 23=(X -X 3 2+(Y -Y 3 2+(Z -Z 32式中 :(X , Y , Z 為待定點(diǎn)坐標(biāo) , (X 1, Y 1, Z 1 、 (X

8、2, Y 2,Z 2 、 (X 3, Y 3, Z 3 分別為固定點(diǎn) 1、 2、 3的坐標(biāo)。 在該方程 組中 , 只有 (X , Y , Z 為未知數(shù) , 可以求解出來(lái)。如果設(shè) 置 的固 定 點(diǎn) 多 , 可 以通 過(guò) 平差 的 方 法 提 高 精度。 1. 2 距離測(cè)量待定點(diǎn)到固定點(diǎn)的距離測(cè)量 , 是通過(guò)測(cè)量超聲波自固 定點(diǎn)到待定點(diǎn)間的傳播時(shí)間 , 根據(jù)超聲波在空氣中的傳輸 速度 , 計(jì)算出來(lái)。待定點(diǎn)在發(fā)射紅外信號(hào)后就開始計(jì)時(shí) , 而固定點(diǎn)在接收到紅外信號(hào)后才開始發(fā)射超聲波 , 這中間 有紅外線的傳播時(shí)間 , 但由于紅外速度遠(yuǎn)高于超聲波的速 度 , 距離又比較近 , 因此可以忽略不計(jì)。 以距離

9、 30m , 紅外 光速度為 3×108m/s , 超聲速度為 340m/s , 時(shí)間引入的測(cè)距誤差為 :38×完全可以忽略了。2 硬件電路2. 1 發(fā)射電路紅外線和超聲波的發(fā)射采用 89C52單片機(jī)控制和驅(qū) 動(dòng) ,89C52有 3個(gè)可作通用的 8位 I/O 端口 , P0, P1, P2。 其中 P0和 P1口在單片機(jī)與外設(shè)通信時(shí)作數(shù)據(jù)線和地址 線使用 , 為便于擴(kuò)展 , 這里使用 P2口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。紅外發(fā)射 管采用 SE303。 電路圖如圖 2、 圖 3所示。2. 2 接收電路紅外的接收電路與發(fā)射電路類似 , 不再贅述。超聲信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免地混有環(huán)境中的噪聲 ,

10、超聲波傳 輸距離和角度的變化也會(huì)引起信號(hào)電平的變化。因此 , 接 收時(shí)必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理 , 盡可能地減小這些 因素的影響。 設(shè)計(jì)了 “ 測(cè)量脈沖調(diào)理電路” , 由放大、 濾波、 限幅、 檢波、 積分、 比較等單元組成。超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)該電路 后 , 形成一個(gè)脈沖 , 輸入單片機(jī) , 使單片機(jī)停止計(jì)時(shí)。由于 外界聲波的干擾 , 可能使得單片機(jī)響應(yīng)錯(cuò)誤的信號(hào) , 我們 在接收電路里加了共振電路。超聲波發(fā)射裝置發(fā)射的是 40k Hz 的 聲 波 信 號(hào) , 因 此 使 共 振 電 路 的 工 作 頻 率 為 40k Hz , 這樣 , 接收電路只對(duì) 40k Hz 的超聲波信號(hào)有響 應(yīng) , 大

11、大減少了外界的干擾。 其電路圖如圖 4所示。圖 4 超聲波接收電路3 時(shí)間測(cè)量定位解算時(shí) , 定位點(diǎn)到固定點(diǎn)之間的距離是通過(guò)測(cè) 量超聲波的飛行時(shí)間計(jì)算出的 , 因此飛時(shí)測(cè)量在定位中 非常重要 。這里使用單片機(jī)計(jì)時(shí)來(lái)測(cè)量飛行時(shí)間 。單片 機(jī)的計(jì)時(shí)從接收到定位信號(hào)開始 , 到接收到超聲波信號(hào) 為止 。計(jì)時(shí)方式可以采用軟件計(jì)時(shí) , 但軟件計(jì)時(shí)容易受 到各種中斷的影響 , 從而使得計(jì)時(shí)出錯(cuò) 。本文使用外部 中斷和計(jì)數(shù)器相結(jié)合的計(jì)時(shí)方式 。超聲波接收電路的輸 出接到單片機(jī)的外部中斷 0, 當(dāng)接收到超聲信號(hào)時(shí) , 程序 進(jìn)入外部中斷 0的處理程序 , 在這里關(guān)計(jì)數(shù)器 , 并取出計(jì) 數(shù)值 。由定位原理 ,

12、定位的范圍將受到單片機(jī)計(jì)時(shí)范圍 的限制 。當(dāng)采用 12M 的時(shí)鐘時(shí) , 單片機(jī)的機(jī)器周期是 :T =12M Hz ×1/12=1s , 也即計(jì)數(shù)器增 1的時(shí)間為1s , 對(duì) 16位的計(jì)數(shù)器 , 最大的計(jì)時(shí)時(shí)間為 :t =216×1s =65. 536ms則定 位 點(diǎn) 與 固 定 點(diǎn) 的 最 大 距 離 為 :65. 536ms ×340m/s =22. 3m , 這對(duì)小范圍內(nèi)的定位來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。 對(duì)于更大范圍的定位 , 可以采用計(jì)數(shù)器與程序計(jì)數(shù)相結(jié)合 的方法 , 在計(jì)數(shù)器 0的溢出中斷程序中 , 對(duì)軟件計(jì)數(shù)值增 1, 直到外部中斷的到來(lái)。4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析在

13、使用超聲波與紅外線的定位技術(shù)中 , 主要有以下幾 個(gè)誤差源 :超聲波速度誤差 , 電路延遲誤差 , 計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)誤61 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 厡玉磊 等 :一種使用紅外線和超聲波的定位技術(shù)第 10期差和距離交會(huì)的模型誤差 , 其中超聲波速誤差是最重要的。 計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)誤差和電路延遲誤差都可以通過(guò)加乘 常數(shù)來(lái)校正。模型誤差可以通過(guò)改善固定點(diǎn)的分布來(lái)減 小。 對(duì)超聲波速度來(lái)說(shuō) , 影響最大的是環(huán)境溫度。溫度為t 時(shí) 超 聲 波 速 為 :C t

14、=C 0+273, 其 中 C 0=332. 17m/s 為 0 時(shí)的超聲波速。并且從上式可以計(jì)算出 , 溫度每升高 1 , 超聲波的傳播速度約增加 0. 6m 。 因 此 , 在精度要求比較高的場(chǎng)合 , 最好在定位系統(tǒng)上加測(cè)溫 裝置 , 通過(guò)實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度修正超聲波速度。我們?cè)跍囟葹?26 的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用設(shè)計(jì)的測(cè)距定位 系統(tǒng)做了大量實(shí)驗(yàn) , 距離的精確值采用精度為 2+2(即 1km 內(nèi)測(cè)距誤差不超過(guò) 4mm 的全站儀測(cè)量 , 系統(tǒng)的超聲 波波速設(shè)定為 332. 17m/s , 為了提高測(cè)量精度 , 對(duì)測(cè)得的 距離值進(jìn)行了溫度修正。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1所示。表 1 40300cm 的距離測(cè)量精

15、度距離精確值 /cm 距離實(shí)測(cè)值 /cm修正后距離 /cm4043. 040. 046062. 3801001202120. 24140140. 6140. 14160160. 0160. 04180179. 3179. 52200199. 3200. 34220218. 8220. 34240238. 3240. 34260257. 7260. 24280277. 1280. 13300296. 4299. 93由表 1可知 , 溫度的影響是超聲波測(cè)距中的主要誤差 源 , 不考慮溫度影響時(shí)的測(cè)距誤差可以達(dá)到 3cm 多。 經(jīng)過(guò) 溫度修正后 , 誤差可以控制在 1cm 以內(nèi)。為了驗(yàn)證超聲波不同

16、傳播角度對(duì)測(cè)距誤差的影響 , 在 與超聲波發(fā)射源相距 3m 、 與超聲波主傳播方向有不同角 度的位置處進(jìn)行了測(cè)距實(shí)驗(yàn) , 選取了 0°、 30°、 45°、 60°和 90°等 5個(gè)角度位置 , 每個(gè)角度位置處分別進(jìn)行了 30次實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果如表 2所示。 其中標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為 :=ni2n式中 :n =30為測(cè)量次數(shù) , i 為單次測(cè)量值與測(cè)量均值之差。表 2 相距 3m 、 不同角度處的測(cè)距誤差 角度測(cè)距平均值 誤差 標(biāo)準(zhǔn)差 0°2. 9921m-0. 0079m0. 0015m30°2. 9941m -0. 0059m

17、 0. 0016m 45°2. 9957m -0. 0043m 0. 0015m 60°3. 0132m 0. 0132m 0. 0016m 90°3. 0443m0. 0443m0. 0016m由表 2可知 , 定位點(diǎn)的不同的角度對(duì)測(cè)距精度也有較 大影響。 當(dāng)與超聲波主傳播方向的角度小于 45°時(shí) , 精度 較高 , 隨著角度的增大測(cè)距精度降低 , 當(dāng)位于 90°位置時(shí) , 測(cè)距精度最低 , 誤差達(dá)到了 4. 43cm 。參 考 文 獻(xiàn)1 李建法 , 于風(fēng)軍 , 賈栓穩(wěn) . 號(hào)處理 J.5:43253., . J.80C51J.冶金工業(yè)出版社 ,2003.4 高光天 . 傳感器與信號(hào)調(diào)理器件應(yīng)用技術(shù) J.北京 :科學(xué)出版社 ,2002.5 張峰 . 偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的同步電路設(shè)計(jì) J.電子測(cè)量技術(shù) . 2007. 2:39241.6 魯琦 . 基