范文龍++王洪源++陳慕羿++付垚++湯秋艷

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.225

摘 要：對(duì)處于較小的二維平面的空間內(nèi)的物體，采取超聲波探測(cè)和定位是十分適合的。定位系統(tǒng)由裝在四角的4只超聲波發(fā)射機(jī)、嵌在目標(biāo)上的超聲波接收機(jī)、上位PC機(jī)構(gòu)成。超聲波發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)射40KHz的超聲波，超聲波接收機(jī)負(fù)責(zé)接收超聲波和記錄超聲波傳輸時(shí)間，PC端負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，計(jì)算出超聲波接收機(jī)的坐標(biāo)。采用超聲波到達(dá)時(shí)間差測(cè)距方式進(jìn)行平面上近距離目標(biāo)定位，設(shè)計(jì)了多目標(biāo)定位系統(tǒng)及其通信協(xié)議，研究了超聲4角定位原理與算法，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備。

關(guān)鍵詞：多目標(biāo) 超聲波測(cè)距 四角定位 實(shí)訓(xùn)設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（a）-0225-02

應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)中實(shí)踐教學(xué)是關(guān)鍵。在2016年遼寧省本科教學(xué)改革一般項(xiàng)目的資助下，課題組整合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室儀器資源，充分使用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有高端儀器儀表，將“平面多目標(biāo)超聲探測(cè)與定位技術(shù)”應(yīng)用于通信工程實(shí)訓(xùn)設(shè)備開(kāi)發(fā)中，自行開(kāi)發(fā)出新型開(kāi)放式綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，為學(xué)生提供了豐富的底層實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及二次開(kāi)發(fā)接口。該技術(shù)的核心是多目標(biāo)定位協(xié)議設(shè)計(jì)與四角定位算法。

1 平面多目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲波定位是通過(guò)接收幾個(gè)固定位置的發(fā)射點(diǎn)的超聲波，利用測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間計(jì)算其距離，運(yùn)用多點(diǎn)測(cè)量計(jì)算出需要定位物體的位置[1-2]。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，超聲波接收器接收到超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距目標(biāo)的距離（s），即：s=340t）。對(duì)于多目標(biāo)的測(cè)距定位可以采用輪詢方式實(shí)現(xiàn)。多目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)如圖1所示。

在4個(gè)附角的超聲波發(fā)射器遞次發(fā)射超聲波。首先第一個(gè)超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，每個(gè)目標(biāo)中設(shè)置超聲波接收器，當(dāng)接收到第一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)的信號(hào)時(shí)，給超聲波發(fā)射機(jī)返回一個(gè)信號(hào)紅外或無(wú)線電信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)接收到返回信號(hào)后，第二個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)發(fā)射超聲波。之后依次進(jìn)行發(fā)射超聲波。

近距離平面目標(biāo)超聲波聲探測(cè)和定位系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，PC端、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器。超聲波發(fā)射器負(fù)責(zé)發(fā)射40kHz的超聲波，超聲波接收機(jī)負(fù)責(zé)接收超聲波和記錄超聲波傳輸時(shí)間，PC端負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，計(jì)算出超聲波接收機(jī)的坐標(biāo)。在系統(tǒng)中，超聲波發(fā)射機(jī)和超聲波接收機(jī)的處理器采用Arduino開(kāi)發(fā)板。

主機(jī)和從機(jī)的通訊流程如圖2所示。

2 定位算法設(shè)計(jì)

采用4角定位算法，算法模型如圖3所示。

其中0，1，2，3；為當(dāng)前聲速，為聲音的傳播時(shí)間

0，1，2，3

（1）

（2）

（3）

（4）

通過(guò)（1）、（2）、（3）（4）得到矩陣公式（5）

（5）

設(shè)A=

B=

則公式（5）可以寫(xiě)成AX=B+R；

通過(guò)矩陣運(yùn)算AX=B+R，得：

通過(guò)運(yùn)算得出，當(dāng)t0、t1、t2、t3已知時(shí)，可以求出r0，r1，r2，r3，從而計(jì)算出（x，y）。

本系統(tǒng)采用的內(nèi)部的微處理器Atmega328，晶振為16MHz。使用Atmega328的Timer1為16位計(jì)時(shí)器。本超聲波探測(cè)和定位系統(tǒng)采Timer1計(jì)時(shí)器。時(shí)鐘周期T=（1/晶振頻率（f））*分頻；例如，當(dāng)晶振頻率（f）為16MHz，分頻數(shù)為8時(shí)，時(shí)鐘周期T為0.5μs。即TCNT1從0加到65535，一共需要32768μs（0.032768s）。當(dāng)超聲波速度為340m/s時(shí)，范圍大概是11.14112m，則定位系統(tǒng)中超聲波發(fā)射機(jī)的相鄰距離最好為7.8m。

3 結(jié)語(yǔ)

基于四角定位原理組成的通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以給學(xué)生提供更多的底層物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由超聲波發(fā)射機(jī)、超聲波接收機(jī)和PC機(jī)構(gòu)成的多目標(biāo)定位的系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通信協(xié)議、研究數(shù)據(jù)處理算法，以研發(fā)的視角精心做實(shí)驗(yàn)，設(shè)備投資大大降低，以較低資金成本提高師生的實(shí)踐能力。本項(xiàng)目獲得2016年度沈陽(yáng)理工大學(xué)校級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張景偉.超聲波定位系統(tǒng)精度分析[J].今日電子，2017（4）：57-59.

[2] 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（6）：65-67.

[3] A Mazalek.An extensible method for developing multi-user media interaction platforms for shared spaces[D]. Iranian Journal of Allergy Asthma & Immunology，2005.endprint