張 劍，王 維，何俊峰，符 翔，鄭騰交

（湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南湘潭 411201）

0 引言

超聲波定位技術(shù)由于成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)而被人們廣泛應(yīng)用。超聲波的頻率很高（2×104～1014Hz），衍射效應(yīng)小，指向性強(qiáng)，能量消耗慢。它在固體和液體傳播過程中，衰減很小、穿透本領(lǐng)強(qiáng)、能量高而且集中，利用超聲波定向發(fā)射性質(zhì)可以探測(cè)水中活動(dòng)的物體、海深［1，2］。超聲波定位目前大多數(shù)采用反射式測(cè)距法，測(cè)距范圍一般不超過10 m［3］，在塔式起重機(jī)力矩測(cè)量?jī)x中采用一種直射式測(cè)距法，測(cè)距范圍較廣［4］。距離的測(cè)量采用時(shí)間差測(cè)距法，通過測(cè)定超聲波傳播的時(shí)間間隔來測(cè)出聲波傳輸?shù)木嚯x。由于超聲波模塊的散射角較小，定位范圍有一定的局限性，為了能準(zhǔn)確定位盡可能大的區(qū)域，本文提出了一種使用雙超聲波模塊的定位方案，并從實(shí)用角度給出了一種具體控制策略。

1 超聲波模塊測(cè)距原理

超聲波測(cè)距通常采用時(shí)間差測(cè)距法［5］，即超聲波探頭向某一方向發(fā)射出超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波在介質(zhì)中碰到被測(cè)物體就會(huì)發(fā)生反射，接收探頭接收到反射波后立即停止計(jì)時(shí)，從而計(jì)算出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，同時(shí)根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度c，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)物之間的距離s

由于聲波速度受溫度影響較大，其傳播速度與環(huán)境溫度T的關(guān)系可由下式描述［6］

式中T為環(huán)境溫度，℃。所以，為了能更為精確地測(cè)量距離，硬件中應(yīng)當(dāng)加入溫度補(bǔ)償電路，以修正聲速。

本系統(tǒng)選用的是收發(fā)一體的壓電式超聲波傳感器集成塊，自帶溫度補(bǔ)償電路。超聲波測(cè)距原理有2種方式:共振式和脈沖反射式。因?yàn)楣舱袷降膽?yīng)用要求復(fù)雜，在此使用脈沖反射式。超聲波測(cè)距原理［7］如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)距原理圖Fig 1 Principle diagram of ultrasonic wave ranging

根據(jù)幾何關(guān)系有公式

由于d很小，可忽略，故有

2 常規(guī)超聲波定位方法與存在的問題

2．1 超聲波定位基本原理

定位系統(tǒng)選用2塊超聲波收發(fā)模塊，安置在相距一定距離的兩端，可與障礙物形成三角形，從而可以定出障礙物的具體位置［8］，其幾何分布圖如圖2所示。

圖2 超聲波定位原理圖Fig 2 Principle diagram of ultrasonic wave positioning

超聲波模塊1與超聲波模塊2先后發(fā)射接收一次，通過單片機(jī)的定時(shí)器可以計(jì)算出發(fā)射與接收之間的時(shí)間間隔分別為t1，t2，從而有

在三角形ABC中，根據(jù)中線定理有

根據(jù)余弦定理有

聯(lián)立以上公式，可以計(jì)算出障礙物的坐標(biāo)

2．2 常規(guī)超聲波定位存在的問題

由于壓電材料易碎，而且要滿足密封、絕緣和阻抗匹配等要求，超聲波換能器往往被封裝在探頭外殼內(nèi)，使壓電材料與探頭表面有一定距離，對(duì)此距離無法進(jìn)行精確測(cè)量，因此，會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來誤差［9］。

由超聲波模塊的特點(diǎn)可知，這一模塊使用單片機(jī)定時(shí)器測(cè)量的并不是真正的從超聲波的發(fā)射到接收到返回信號(hào)的時(shí)間，而是測(cè)量超聲波模塊已經(jīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理后的一個(gè)高電平輸出的持續(xù)時(shí)間［10］，并且這段持續(xù)時(shí)間和TRIG觸發(fā)口是息息相關(guān)的，如果超聲波模塊1的TRIG觸發(fā)口沒有被單片機(jī)控制觸發(fā)，而有另一塊超聲波模塊2的TRIG觸發(fā)口被觸發(fā)，發(fā)射超聲波，并且被超聲波模塊1接收到返回信號(hào)，雖然ECHO口會(huì)有一個(gè)高電平輸出，但其持續(xù)的時(shí)間是不準(zhǔn)確的，甚至可以說是隨機(jī)的。

3 新型的定位方法

為了解決以上問題，本方案在定位過程和定位公式上，均做了很大的改進(jìn):首先，使用的超聲波模塊是收發(fā)一體的集成塊，其輻射偏角約為150°，亦即超聲波能測(cè)到的范圍比較有限。因此，需要第三條路徑來驗(yàn)證左右超聲波模塊所測(cè)得的兩條路徑形成了三角形。具體分析如下:

要使左右分布的2個(gè)超聲波模塊發(fā)射的超聲波的傳播路徑形成三角形，則必須是左邊發(fā)射超聲波要被右邊接收到，或者是右邊發(fā)射的超聲波要被左邊接收到。

為了解決這一問題，可以讓左右兩邊的超聲波模塊的TRIG觸發(fā)口同時(shí)被觸發(fā)，而只檢測(cè)其中一邊的ECHO口輸出高電平，這樣，需要分3種情況:障礙物在左邊、障礙物在右邊、障礙物在中間。

3．1 障礙物在左邊

對(duì)于障礙物在左邊的情況，如圖3所示，分2個(gè)步驟來獲得定位數(shù)據(jù):1）使左右超聲波模塊分別輪流觸發(fā)測(cè)得路徑s1:a1+b1和s2:a2+b2。2）使左右兩超聲波模塊同時(shí)被觸發(fā)發(fā)射超聲波，對(duì)于模塊一可以形成兩條路徑s1:a1+b1和s3:a1+b2;模塊二也可以形成兩條路徑s2:a2+b2和s4:a2+b1。而單片機(jī)可測(cè)得超聲波傳播的相應(yīng)路徑的時(shí)間t1，t3，t2，t4。因而，計(jì)算公式應(yīng)為

根據(jù)中線定理有

根據(jù)余弦定理有

故障礙物的坐標(biāo)為

實(shí)際上，步驟（2）中若是單片機(jī)只檢測(cè)模塊一的ECHO口，由于s1＜s3，則只能監(jiān)測(cè)到s1路徑，這樣并沒有找到第三條路徑，就不能確定是否形成了三角形，也就不能定位。若是單片機(jī)只檢測(cè)模塊二的ECHO口，由于s4＜s2，則只能檢測(cè)s4，亦即a2+b1。這時(shí)結(jié)合只模塊一發(fā)射、接收所測(cè)路徑為a1+b1，亦即為s1。模塊二發(fā)射、接收所測(cè)路徑為a2+b2，亦即為s2。理論上滿足形成三角形而定位的關(guān)系式應(yīng)有s1＜s2，s4=（s1+s2）/2。

然而在實(shí)際情況中，若所測(cè)數(shù)據(jù)滿足上述公式，則s1，s2，d構(gòu)成了三角形，可以實(shí)現(xiàn)定位。若所測(cè)數(shù)據(jù)不滿足上述公式，則s1，s2，d沒有構(gòu)成三角形，原因是s2的測(cè)量不準(zhǔn)確，因?yàn)槔碚撀窂降妮椛浣强赡艹隽藢?shí)際限度，但是s4卻可能包含正確的定位路徑a2+b1，故s2可以用2s4－s1代替計(jì)算，也可構(gòu)成三角形。又因障礙物不可能只是一個(gè)點(diǎn)，它常常有一定的尺寸，因而，直接用s2計(jì)算也并不是很準(zhǔn)確，故實(shí)際計(jì)算公式中均將s2用2s4－s1取代以優(yōu)化算法。

于是，公式（15）修正為

圖3 超聲波定位（障礙物在左邊）Fig 3 Ultrasonic wave positioning（obstacles on the left）

3．2 障礙物在右邊

對(duì)于障礙物在右邊的情況，如圖4所示，步驟同上，1）使左右超聲波模塊分別輪流觸發(fā)測(cè)得路徑s1:a1+b1和s2:a2+b2。2）使左右兩超聲波模塊同時(shí)被觸發(fā)發(fā)射超聲波，對(duì)于模塊一可以形成兩條路徑s1:a1+b1和s3:a1+b2;模塊二也可以形成兩條路徑s2:a2+b2和s4:a2+b1。計(jì)算公式同上（11）～（18）。而公式（19）換為

同樣，應(yīng)用前述推證算法，可將式（15）修正為

圖4 超聲波定位（障礙物在右邊）Fig 4 Ultrasonic wave positioning（obstacles on the right）

3．3 障礙物在中間

如圖 5，用前述推證算法測(cè)量出s1，s2，s3，s4，顯然有s1=s2=s3=s4。若障礙物離定位系統(tǒng)的距離在超聲波探頭輻射角范圍內(nèi)，顯然可形成一個(gè)等腰三角形，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

圖5 超聲波定位（障礙物在中間）Fig 5 Ultrasonic wave positioning（obstacles in the middle）

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本系統(tǒng)裝載在小車上進(jìn)行測(cè)試，通過其精確的定位功能可使小車實(shí)現(xiàn)避障功能，同時(shí)可在小車上的液晶上直觀的顯示定位結(jié)果。系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果如表1所示，其中，R代表右邊超聲波模塊測(cè)得障礙物的距離，L代表左邊超聲波模塊測(cè)得障礙物的距離，X代表水平移動(dòng)，Y代表垂直距離。

表1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（cm）Tab 1 Experimental data of ultrasonic wave ranging system（cm）

從表1可以看出:定位誤差范圍控制在1 cm內(nèi)，由于障礙物尺寸較大和左右超聲波模塊距離比較近，出現(xiàn)誤差，但是基本能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位。

5 結(jié)束語

該定位系統(tǒng)不僅能夠同時(shí)得到精確的目標(biāo)距離和方位信息，而且可以通過調(diào)節(jié)兩超聲波模塊之間的間隔來調(diào)節(jié)測(cè)量的視野寬度，很好地解決了因超聲波探頭本身屬性缺陷（發(fā)射超聲波的輻射角度僅為150°左右）而導(dǎo)致普通的三角定位方案的定位范圍和精確度受到限制的問題。本文設(shè)計(jì)提出的新型定位方案，使用廉價(jià)的超聲波模塊，基本不用搭建硬件電路，具有定位范圍更廣、定位精度更高、應(yīng)用更加方便等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)障礙物離定位系統(tǒng)的距離過近，在超聲波探頭輻射角之外，則不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

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