超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)

超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)作者：指導老師：

摘要

隨著超聲波測距精度的不斷提高，超聲波定位技術也發(fā)展得日趨成熟，并且在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、食品加工等各個領域得到了廣泛的應用。本文通過對比幾種常用的定位技術，然后融合無線射頻技術和超聲波技術，設計并實現(xiàn)了一種新的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的基本定位原理和整體設計思路，詳細闡述了系統(tǒng)的軟硬件設計方法，最后對實驗結果進行了分析，得到了系統(tǒng)各個模塊的性能指標和整體定位精度，對可能產(chǎn)生誤差的原因進行了分析，以此為基礎，為提高系統(tǒng)的測量精度采取了相應措施。論文結構和主要內(nèi)容第一章緒論第二章超聲波傳感器概述第三章方案設計思路及定位算法第四章系統(tǒng)軟硬件設計第五章實驗結果分析

第一章緒論

———室內(nèi)定位系統(tǒng)的應用現(xiàn) 狀、研究意義及主要研究內(nèi)容

隨著社會各行各業(yè)的快速發(fā)展，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內(nèi)環(huán)境，常常需要確定各種設施與物品在室內(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)定位技術目前還無法很好地利用。因此，專家學者提出了許多室內(nèi)定位技術解決方案，如GPS技術、紅外線技術、藍牙技術、射頻識別技術、Wi-Fi技術、超聲波技術等等。

GPS是目前應用最為廣泛的定位技術，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。藍牙器件和設備的價格比較昂貴，而且對于復雜的空間環(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)的應用現(xiàn)狀Wi-Fi技術只能覆蓋半徑90米以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。超聲波在對障礙物進行定位方面具有傳播速度慢、方向性好、不易受干擾等優(yōu)點，綜合考慮作者選擇利用超聲波來進行定位，基于以上各項技術的優(yōu)缺點，本文提出了一種結合超聲波技術和無線射頻技術的室內(nèi)定位方法。超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

意義

本系統(tǒng)最初的構想是利用到舞臺燈光跟蹤。舞臺燈光發(fā)熱量很大，人工控制燈光跟蹤舞臺演員不可能一個人長時間工作，而且燈光耀眼，給操作者帶來很大難度。所以急需一種可以自動控制燈光自動跟蹤演員的設備，而本系統(tǒng)就是在這個思想下設計出來的。本系統(tǒng)不只局限于舞臺跟蹤，還可以擴大范圍，應用到其他工程現(xiàn)場，如：可以擴展到物流中心和工廠，可實時掌握設施內(nèi)移動物體的狀態(tài)，從而正確分析移動物體的移動軌跡。還可以用于礦坑里的工人定位，避免工人的誤操作走入不安全的區(qū)域。

課題研究的意義及內(nèi)容也可在發(fā)生礦難時，及時趕到礦工遇難現(xiàn)場拯救礦工生命。如上所述，準確的、實時的室內(nèi)定位有重要的應用，這也是開發(fā)本系統(tǒng)的實際意義。

課題研究的意義及內(nèi)容

研究內(nèi)容

下面對本系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容進行簡單的介紹：

(1)介紹了超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，講述了課題的研究內(nèi)容和研究意義。

(2)對超聲波的特性進行了簡單介紹，為應用超聲波技術實現(xiàn)室內(nèi)定位奠定了基礎。對壓電式超聲波傳感器進行了系統(tǒng)的分析，為傳感器的應用找到理論基礎。(3)完成了室內(nèi)定位系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立和系統(tǒng)的硬件和軟件的設計。(4)分析了系統(tǒng)中可能產(chǎn)生誤差的原因，對實驗結果進行了總結。并提出下一步改進計劃。

課題研究的意義及內(nèi)容第二章超聲波傳感器概述

——超聲波及其物理性質、超聲波傳感器

超聲波及其物理性質

2.1超聲波物理特性

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、測距以及其它領域得到了廣泛的應用。

1、超聲波傳感器的基本原理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。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。2、超聲波傳感器的種類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。超聲波傳感器目前壓電式超聲波傳感器的理論研究和實際應用最為廣泛,下面主要對壓電式超聲波傳感器進行介紹。 顧名思義，壓電式超聲波傳感器是利用壓電效應制成的，常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉換成電信號，可用為接收探頭。超聲波傳感器如圖2．4所示為超聲波直探頭的結構圖。它主要是由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊)、保護膜組成。壓電晶片多為圓板型，超聲波頻率f與其厚度成反比。為了避免傳感器與被測件直接接觸而磨損壓電晶片，在壓電晶片下有一層保護膜。阻尼塊的作用是降低壓電晶片的機械品質，吸收超聲波的能量。如果沒有阻尼塊，當激勵的電脈沖信號停止時，晶片會續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差圖2.4壓電式超聲波傳感器結構超聲波傳感器3、超聲波傳感器及其特性

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。下圖為中心頻率為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，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動超聲波發(fā)生器。本文中使用的超聲波傳感器型號為FC-16KT40。

圖2.5超聲波傳感器的頻率特性超聲波傳感器超聲波傳感器4、壓電式陶瓷超聲波傳感器的等效電路

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，可看成是一個電容器其電容量為

式中：S——壓電元件聚集電荷的表面面積；

d——壓電元件的厚度；

——壓電元件的介電常數(shù)。

因此可以把壓電式傳感器等效為一個與電容并聯(lián)的電荷源，如圖2，5(a)所示。電容上的電壓U、電荷q與電容C三者之間的關系為所以壓電式傳感器又可等效為一個電壓源，如2.5(b)所示

超聲波傳感器利用壓電式傳感器進行測量時，它要與測量電路相連接，所以需考慮電纜電容Cc、放大器的輸入電阻Ri輸入電容Ci和壓電傳感器的泄漏電阻Ra。如果把這些因素一同考慮，就得到壓電傳感器完整的等效電路如圖2．6所示

圖2.6壓電傳感器的完整等效電路

（a）電荷等效電路（b）電壓等效電路超聲波傳感器第三章方案設計思路及定位算法 ——設計思路、定位算法3.1、設計思路

本系統(tǒng)首先是利用超聲波的測距原理，超聲波測距大都采用反射式測距法，即發(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，為了克服超聲波信號衰減而影響其傳輸距離的缺陷，本系統(tǒng)不采用反射測距法而是用單向測距法，即超聲波發(fā)生器直接裝在被定位物體上，然后超聲波接收器直接接收未經(jīng)反射的超聲波。系統(tǒng)原理結構圖如圖3.1所示。超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的設計思路系統(tǒng)由若干個接收器和一個超聲波發(fā)生器組成，超聲波發(fā)生器安裝在被定位物體上，在上位機指令信號的作用下向被定位物體發(fā)射無線電信號，通知超聲波發(fā)生器開始發(fā)射，同時接收模塊開始計時，當有三個或三個以上不在同一直線上的接收器做出回應時，分別記下每個接收器接收到超聲波的時間，由此得到被定位物體與各個接收器之間的距離?？梢愿鶕?jù)相關計算確定出被定位物體所在的坐標系下的位置。 電磁波的傳播速度為3X108m/s，而超聲波在空氣中的傳播速度340m/s，其速度相對電磁波是非常慢的,開始計時的時間差可以忽略。圖3.1系統(tǒng)原理結構圖超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的設計思路室內(nèi)定位算法3.2、定位算法超聲波測量定位采用三球定位原理，原理圖如圖4.1所示。

圖4.1三球定位原理圖

將超聲波的時間差定義為一組聲波數(shù)據(jù)。聲波數(shù)據(jù)與聲速的乘積就為聲源到達測量點的實際距離，利用三組超聲波數(shù)據(jù)，可以對目標進行三球定位。三球定位法中目標的位置是由以各測點為圓心，以各測點同時測量目標的距離為半徑的三個球的交點來確定。三個測點在測量坐標系中的位置坐標分別記為(X1，Y1，Z1)，(X2,Y2，Z2)，(X3，Y3，Z3)，被定位物體到達3個測量站的時間分別為△t1，△t2，△t3，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則利用三球進行定位的公式為：

室內(nèi)定位算法式中c△t1=R1，c△t2=R2，c△t3=R2，聯(lián)立解以上方程組，就可以得到被定位物體的位置坐標。室內(nèi)定位算法

第四章系統(tǒng)軟硬件設計

——系統(tǒng)硬件框圖、超聲波發(fā)射/接收電路框圖超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件框圖

超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)由主系統(tǒng)和攜帶機系統(tǒng)兩部分構成，主系統(tǒng)由上位機、通信控制器、無線發(fā)射電路、超聲波接收電路組成，如圖3．1所示。

圖3.1超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)主機框圖

攜帶機系統(tǒng)由單片機、無線接收電路、超聲波發(fā)射電路及電源構成。攜帶機系統(tǒng)框圖如圖3．2所示。

圖3．2攜帶機系統(tǒng)框圖超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件框圖首先，由計算機發(fā)射無線電信號，同時計算機通知各個控制點開始計時。當被跟蹤的物體接收到無線電信號并確認ID正確后，由信號控制部分控制超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波。當測量點接收到超聲波后停止計時，并把時間、室內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)打包通過RS一442接口傳回給計算機。當相關數(shù)據(jù)傳送完畢后，主