馬 龍,陳玉林

(南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院,江蘇南京210044)

超聲波多點(diǎn)定位

馬 龍,陳玉林

(南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院,江蘇南京210044)

介紹了利用超聲波對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行定位的裝置及方法,利用2個(gè)超聲波收發(fā)傳感器接收每個(gè)物體的反射波,并通過(guò)一定的算法計(jì)算出每個(gè)物體的位置.該裝置可對(duì)二維空間內(nèi)多個(gè)物體進(jìn)行定位,并可對(duì)其測(cè)速、跟蹤,甚至測(cè)出物體輪廓.

超聲波;定位;反射波

1 引 言

超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量.超聲波的傳播方式為直線傳播,但遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射和繞射;頻率越高,反射越強(qiáng),繞射越弱[1].

目前主要的超聲波定位方法有4種:a.在待定位物體上加裝超聲波發(fā)射器,物體周圍裝有若干超聲波接收器,通過(guò)計(jì)算發(fā)射器與每個(gè)接收器之間距離進(jìn)行定位[2].b.與第一種相似,不同的是待定位物體上裝的是超聲波接收器,物體周圍裝的是發(fā)射器,通過(guò)計(jì)算接收器與每個(gè)發(fā)射器之間距離進(jìn)行定位[3].這2種定位方法計(jì)算簡(jiǎn)單,定位準(zhǔn)確,但需要在物體上加裝發(fā)射或接收器,不能對(duì)普通物體定位.c.在待定位物體四周加裝多對(duì)小發(fā)射角的超聲波探頭,通過(guò)測(cè)量對(duì)各方向外界物體的距離來(lái)確定自身位置[4],這種方法同樣不能對(duì)普通物體進(jìn)行定位,并且外界環(huán)境須為已知.d.模仿蝙蝠的定位原理,使用1個(gè)超聲波發(fā)射器,2個(gè)超聲波接收器,由物體反射波到達(dá)2個(gè)接收器所用的時(shí)間進(jìn)行定位,該方法可以對(duì)普通物體進(jìn)行定位,但容易受到干擾,當(dāng)探測(cè)范圍內(nèi)有多個(gè)物體時(shí),定位結(jié)果將不準(zhǔn)確.

本裝置使用2個(gè)超聲波收發(fā)傳感器,可以對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的多個(gè)物體進(jìn)行定位,抗干擾性能強(qiáng),且可以使用廉價(jià)的發(fā)射角較大的超聲波發(fā)射器,節(jié)約了儀器成本,適用于機(jī)器人等設(shè)備探測(cè)外界環(huán)境.

2 超聲波定位原理分析

本方法需要至少2個(gè)超聲波收發(fā)傳感器,利用超聲波測(cè)距并通過(guò)一定的算法將各個(gè)物體與收發(fā)傳感器之間的距離計(jì)算出來(lái),構(gòu)成若干個(gè)三角形,進(jìn)而確定物體的位置.

超聲波測(cè)距原理是利用飛越時(shí)間法(time of flight,TOF),即檢測(cè)超聲波往返的時(shí)間,所用時(shí)間與超聲波通過(guò)距離成正比,從而計(jì)算出超聲波所經(jīng)的距離.當(dāng)超聲波收發(fā)傳感器發(fā)出短暫脈沖時(shí),計(jì)時(shí)開(kāi)始,當(dāng)超聲波收發(fā)傳感器接收到1個(gè)返回脈沖時(shí),記錄得到的時(shí)間值t,則超聲波傳播的路程為 d=vt,其中 d為傳感器與被測(cè)物體之間的距離,v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度[5].

按物體與收發(fā)傳感器之間的距離關(guān)系可分2種情況進(jìn)行分析:a.所有物體與任一收發(fā)傳感器距離不等;b.至少有2個(gè)物體與某一收發(fā)傳感器距離相等.由后面的分析可知上述2種情況可以合二為一,但分情況討論可以簡(jiǎn)化對(duì)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程.

2.1 所有物體與任一收發(fā)傳感器距離不等

以二維平面內(nèi)任意兩物體說(shuō)明超聲波定位流程如圖1所示.

圖1中有收發(fā)傳感器1、收發(fā)傳感器2、任意位置2個(gè)(也可以多個(gè))物體A和B,收發(fā)傳感器可以發(fā)送和接收超聲波,2個(gè)收發(fā)傳感器之間距離L為已知,通過(guò)單片機(jī)連接在一起.

圖1 超聲波定位流程

用tmn表示收發(fā)傳感器1的接收時(shí)間,用 Tmn表示收發(fā)傳感器2的接收時(shí)間,下標(biāo)m表示接收到的超聲波是由第幾個(gè)收發(fā)傳感器發(fā)射的,下標(biāo)n表示接收到的是第幾次回波.

a.如圖1(a)所示,收發(fā)傳感器1發(fā)送一段超聲波,單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí).

b.如圖1(b)所示,超聲波遇到物體產(chǎn)生反射波,反射波分別被收發(fā)傳感器1和收發(fā)傳感器2接收,單片機(jī)分別記下接收時(shí)間.因?yàn)樘綔y(cè)范圍內(nèi)有2個(gè)物體,所以每個(gè)收發(fā)傳感器可以先后接收到兩段反射波,而我們此時(shí)無(wú)法判斷先收到的是哪個(gè)物體的反射波.記收發(fā)傳感器1先后收到反射波的時(shí)間為t11和t12,收發(fā)傳感器2先后收到反射波的時(shí)間為 T11和 T12.

c.如圖1(c)所示,收發(fā)傳感器2發(fā)送一段超聲波,單片機(jī)重新開(kāi)始計(jì)時(shí).

d.如圖1(d)所示,超聲波遇到物體產(chǎn)生反射波,反射波分別被收發(fā)傳感器1和收發(fā)傳感器2接收,單片機(jī)分別記下接收時(shí)間.如第二步所述,記收發(fā)傳感器1先后收到反射波的時(shí)間為 t21和t22,收發(fā)傳感器2先后收到反射波的時(shí)間為 T21和 T22.

由幾何關(guān)系可知:

利用(1)～(2)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(cè)物體速度已超出儀器精度,應(yīng)將數(shù)據(jù)舍棄.

以收發(fā)傳感器1為圓心,以 t11/2,t12/2為半徑分別畫(huà)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(huà)圓,可得出4個(gè)交點(diǎn)D,E,F,G,如圖2所示.

圖2 作出可能位置點(diǎn)

因?yàn)?個(gè)位置點(diǎn)要占盡4個(gè)圓弧,所以可以判斷物體的位置在D點(diǎn)、F點(diǎn)或者G點(diǎn)、E點(diǎn),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(duì)角線.所以只需判斷D,E,F,G任意一點(diǎn)是不是物體所處的位置即可定位兩物體,因?yàn)?F點(diǎn)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(diǎn)即為物體位置點(diǎn),反之 F點(diǎn)不是物體位置點(diǎn).

2.2 至少有2個(gè)物體與某一收發(fā)傳感器距離相等

上述分析是建立在對(duì)2個(gè)收發(fā)傳感器可以畫(huà)出相同個(gè)數(shù)圓弧的條件下的,如果此條件不成立,例如對(duì)收發(fā)傳感器2可以畫(huà)出3個(gè)圓弧(即收發(fā)傳感器2發(fā)送一段超聲波后收到3次回波),也就是說(shuō)有2個(gè)物體與收發(fā)傳感器1距離相同,那么將有以下變動(dòng):

在b步驟中收發(fā)傳感器2將收到3次回波,設(shè)為 T11,T12,T13.

在d步驟中收發(fā)傳感器1將收到3次回波,設(shè)為t21,t22,t23,收發(fā)傳感器2將收到3次回波,設(shè)為 T21,T22,T23,由幾何關(guān)系可知:

繪制圓弧分析如圖3所示.

圖3 作出可能位置點(diǎn)

由圖3可知物體可能的位置點(diǎn)有6個(gè),即D,E,F,G,H,I.利用 T11,T12,T13或者t21,t22,t23可以確定物體的位置.例如如果 t11/2與 T21/2之和等于t21,則可判斷 F點(diǎn)即為物體位置點(diǎn),反之F點(diǎn)不是位置點(diǎn),同理可判斷出其他位置點(diǎn).以t21,t22,t23分別為長(zhǎng)軸,以收發(fā)傳感器1和2為焦點(diǎn)畫(huà)橢圓,橢圓軌跡應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)D,E,F,G,H,I中3點(diǎn),即為物體的實(shí)際位置點(diǎn).假設(shè)橢圓軌跡過(guò)E,G,I點(diǎn),則 E,G,I點(diǎn)即為物體實(shí)際位置點(diǎn).如圖4所示.

圖4 確定位置點(diǎn)

如果情況進(jìn)一步特殊,例如在b步驟中收發(fā)傳感器1收到2次回波,而收發(fā)傳感器2收到3次回波,在d步驟中收發(fā)傳感器1收到3次回波,收發(fā)傳感器2收到2次回波,上述分析方法同樣適用.

3 測(cè)量范圍

每個(gè)收發(fā)傳感器都有其測(cè)量范圍,采用本方法的裝置測(cè)量范圍為兩收發(fā)傳感器的交集,如圖5所示.

圖5 裝置測(cè)量范圍

4 超聲波定位電路

圖6為超聲波收發(fā)電路,40 k Hz超聲波信號(hào)通過(guò)Input端輸入到放大電路,經(jīng)過(guò)三極管Q1、變壓器TR1放大后由收發(fā)傳感器S1發(fā)射出去.超聲波遇到物體返回后由S1接收,因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)比較微弱,轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后幅值很小,因此首先要進(jìn)行放大.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,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[6].電信號(hào)經(jīng)過(guò) R1,C1送到 U2,U2為選頻放大器,對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大后由Output端輸出,D1和D2反向并聯(lián)起到限幅通過(guò)作用,因?yàn)榉瓷洳ㄐ盘?hào)較弱,無(wú)法通過(guò)D1和D2,減少了對(duì)反射信號(hào)的衰減.而發(fā)射波信號(hào)較強(qiáng),使D3和D4導(dǎo)通,進(jìn)而屏蔽了發(fā)射波對(duì)U2的影響.

超聲波處理電路見(jiàn)圖7(電源未畫(huà)出),單片機(jī)采用A tmega16,8 M Hz晶振,用12 864點(diǎn)陣液晶屏顯示物體位置.單片機(jī)采用定時(shí)器0產(chǎn)生40 k Hz矩形波通過(guò)Output1和Output2端輪流輸出,由Input1和Input2端接收超聲波信號(hào),基于中斷的接收方式以提高單片機(jī)的運(yùn)算效率[7].

因?yàn)樾枰?個(gè)收發(fā)傳感器,所以實(shí)際電路中需要2組如圖6中的電路,分別與圖7中電路相連接,即收發(fā)電路中Input接單片機(jī)中Output1,收發(fā)電路中Output接單片機(jī)中 Input1,同理另外一組收發(fā)電路與單片機(jī)中Output2和 Input2相接.單片機(jī)處理后數(shù)據(jù)可由TW I和USART等通信接口送至其他應(yīng)用電路.

圖6 超聲波收發(fā)電路

圖7 單片機(jī)處理電路

5 單片機(jī)程序執(zhí)行流程

單片機(jī)中超聲波處理程序[8]如圖8:

將數(shù)據(jù) t11,t12,t13…存入數(shù)組 t1[];T11,T12,T13…存入 T1[];t21,t22,t23…存入 t2[];T21,T22,T23…存入 T2[].

數(shù)組 r1[],r2[]用來(lái)存放顯示數(shù)據(jù).單片機(jī)計(jì)算出某個(gè)物體位置后,將該物體與TR1距離存放在 r1[],與 TR2距離存放在 r2[],當(dāng)液晶屏或者其他電路需要物體信息時(shí),讀取數(shù)組 r1[]和 r2[]對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)即可.

可以在顯示屏上定出坐標(biāo),顯示屏上的圖像即為2個(gè)收發(fā)傳感器前方二維平面內(nèi)的物體的分布情況,每個(gè)點(diǎn)均表示物體所在的位置,如果提高測(cè)量精度,許多個(gè)點(diǎn)將連成線,從而顯示出物體的輪廓.

圖8 超聲波處理程序流程圖

6 幾點(diǎn)說(shuō)明

1)由于超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響,根據(jù)V≈331.4+0.607 T可以對(duì)超聲波的速度加以校正,得到較好的定位精度[9].

2)因?yàn)槌暡▊鞑ニ俣热菀资芴鞖庖蛩赜绊?故本裝置適于在室內(nèi)環(huán)境中使用.

3)主要有以下幾種誤差源影響測(cè)量結(jié)果:超聲波速度誤差,電路延遲誤差,計(jì)時(shí)誤差.其中以速度誤差影響最大。

[1]卿太全,梁淵,郭明瓊.傳感器應(yīng)用電路集萃[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008:124-128.

[2]沈兆軍,王吉林.基于超聲波定位的車輛路徑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(2):121-123.[3]華蕊,郝永平,楊芳.超聲波定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2009,28(6):65-66.

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[責(zé)任編輯:郭 偉]

Multiple objects location using ultrason ic position ing

MA Long,CHEN Yu-lin
(College of Mathematic and Physics,Nanjing University of Info rmation Science and Technology,Nanjing 210044,China)

Themethod and the device of ultrasonic to detectobjectswere p resented.It realized the location of one object by using two ultrasonic sensors receiving reflection wave of the object,and a certain algo rithm to calculate the position.This device was available to locate m ultip le objects in 2-dimentional space,and it could measure the speed,tracking,and even get the contours of objects.

ultrasonic;multip le objects location;reflection w ave

O426.2

A

1005-4642(2011)01-0041-06

2010-05-28;修改日期:2010-08-25

南京信息工程大學(xué)“大學(xué)物理與實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)”教改工程資助項(xiàng)目(No.N1885008154)

馬 龍(1988-),男,江蘇連云港人,南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院2007級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師:陳玉林(1971-),男,江蘇南通人,南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院副教授,從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.