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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(yīng)用目錄第一頁,共23頁。1、超聲波特點闡述第二頁,共23頁。隨著社會各行各業(yè)的快速發(fā)展,人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大,尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境,常常需要確定各種設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制,比較完善的室內(nèi)定位技術(shù)目前還無法很好地利用。因此,專家學(xué)者提出了許多室內(nèi)定位技術(shù)解決方案,如GPS技術(shù)、紅外線技術(shù)、藍牙技術(shù)、射頻識別技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、超聲波技術(shù)等等。GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù),缺點是定位信號到達地面時較弱,不能穿透建筑物,而且定位器終端的成本較高。紅外線定位技術(shù)只能在直線視距內(nèi)傳播、傳輸距離較短,而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾,在精確定位上有局限性。藍牙器件和設(shè)備的價格比較昂貴,而且對于復(fù)雜的空間環(huán)境,藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差,受噪聲信號干擾大。
超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀第三頁,共23頁。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(yīng)用。超聲波物理特性:第四頁,共23頁。超聲波傳感器當(dāng)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(dāng)振動壓電陶瓷時,則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理,當(dāng)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(dāng)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。基于以上作用,便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。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(dāng)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(dāng)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。第五頁,共23頁。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:第六頁,共23頁。2、超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計第七頁,共23頁。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。第八頁,共23頁。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(yīng)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(yīng)答器發(fā)射同頻率的無線電信號,應(yīng)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(yīng)答器之間的距離。單向測距發(fā)可以實現(xiàn)兩點測距,當(dāng)同時有三個或三個以上不在同一直線上的應(yīng)答器作出回應(yīng)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。第九頁,共23頁。3、定位算法簡析第十頁,共23頁。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:第十一頁,共23頁。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:距離交會法第十二頁,共23頁。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(fù)雜。優(yōu)點缺點第十三頁,共23頁。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(dāng)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:第十四頁,共23頁。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(yīng)將數(shù)據(jù)舍棄。超聲波空間定位方案二:t11t12T11T12t21t22T22T21T11=t21,
T12=t22第十五頁,共23頁。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.第十六頁,共23頁。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(fù)雜。第十七頁,共23頁。4、系統(tǒng)誤差及應(yīng)用第十八頁,共23頁。系統(tǒng)誤差及應(yīng)用
由于無線通訊模塊被應(yīng)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(dāng)?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:第十九頁,共23頁。系統(tǒng)誤差及應(yīng)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(dāng)風(fēng)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。第二十頁,共23頁。系統(tǒng)誤差及應(yīng)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:在消除溫度對測量結(jié)果的影響方面,本系統(tǒng)中采用把溫度量化,經(jīng)過查表的方式得到相應(yīng)的聲速。我們可以對聲速表達式進行進一步細化,得到一個合理的且之和溫度相關(guān)的表達式,來準確的得到聲速,以便提高
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