趙志宇，賀學(xué)劍

（河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院信藝系，河南 洛陽 471002）

隨著水下機器人和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越關(guān)注密集的移動水上傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和部署[1-2]。超聲波由于具有快速、方便和易于實時控制的優(yōu)點，通常被用于測量距離，滿足工業(yè)和實際測量精度的要求。超聲波測距不受光、電磁場、煙霧、黑暗、被測物體顏色等因素的影響，更容易獲取近距離超聲波的測距信息，被廣泛應(yīng)用于反向防撞系統(tǒng)、機器人導(dǎo)航、海洋勘測等[3]。

由于超聲波具有波長短、強度大、能量容易聚焦的特點，同時超聲波還可以大致以一條線延伸，在液體中能量衰減小于電磁波，會引起強烈的振動和特殊效果，因此采用高頻和低功率超聲波進行水下測距，具有較好的抗干擾能力。

近年來，太陽能這種可持續(xù)的清潔能源作為主要能量系統(tǒng)已經(jīng)被用于旅游觀光船、短途渡輪等小型船舶上，同時也可作為船舶照明、駕駛和空調(diào)系統(tǒng)等的輔助能源。隨著可再生能源市場的快速發(fā)展，太陽能跟蹤系統(tǒng)已成為重點發(fā)展方向之一，提高太陽能收集的效率及跟蹤硬件的可用性將成為未來技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

1 超聲波測距原理

具有良好的自相關(guān)特性的序列（如最大長度序列） 可以用于超聲波在水下測距中，通過計算發(fā)射和接收信號之間的交叉耦合來測量發(fā)射機和接收機之間的聲信號的傳輸時間。

超聲波測距的基本工作原理：超聲波換能器向一個方向發(fā)射超聲波，并在發(fā)射時開始計時。超聲波一旦遇到障礙物就立刻返回，超聲波換能器接收到反射波立即停止計時。通過這種方式，獲得傳輸時間t（s）。以超聲速度為c（m/s），可以根據(jù)傳輸時間t 得出公式：L=c×t×2－1。因為超聲波的速度是恒定的，所以如何獲得準(zhǔn)確的時間非常重要。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 船舶模型系統(tǒng)框圖

船舶模型系統(tǒng)（見圖1） 主要包括供電模塊、船模電源模塊、太陽跟蹤模塊和自動避障模塊四個模塊。首先，供電模塊使用鋰電池為系統(tǒng)提供能量，通過太陽能電池板收集太陽能為系統(tǒng)充電，太陽能經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換裝置變?yōu)殡娔?。其次，船模電源模塊采用數(shù)字直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動螺旋槳，實現(xiàn)無級調(diào)速和零制動功能。最后，在具有反饋的超聲波換能器的幫助下實現(xiàn)自動避障。

圖1 船舶模型系統(tǒng)框圖

2.2 超聲波測距相關(guān)電路設(shè)計

超聲波測距核心電路由發(fā)射電路、放大電路、濾波電路、信號調(diào)理電路和顯示電路組成。其中發(fā)射電路有兩種，一種是連續(xù)波發(fā)射電路，另一種是脈波發(fā)射電路。由于考慮到系統(tǒng)的超聲波換能器同時具有收發(fā)功能，因此采用第二種發(fā)射電路。放大電路分為兩級放大器，總放大倍數(shù)為1 000（60 dB）倍，第一級為10 倍，第二級為100 倍，通過使用檢測和閾值調(diào)整電路將信號有效放大并傳送到微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)。

濾波電路的主要作用是通過特定頻率信號并抑制其他頻率信號。來自信號調(diào)理電路的信號將最終發(fā)送到MCU，因此必須是邏輯信號。將濾波后的電壓信號發(fā)送到電壓比較器，與閾值電壓進行比較，以確定回波到達與否，然后進行信號采樣。閾值電壓與傳播距離、放大倍率相關(guān)聯(lián)。經(jīng)過大量試驗，系統(tǒng)的選定閾值電壓Vg=2.2 V。首先將接收到的濾波信號與閾值電壓進行比較，如果峰值電壓大于Vg，則接收到回波。然后啟動MCU 的外部中斷程序（INTI），停止計時并計算發(fā)射到接收的時間，也是超聲波的傳輸時間，最后使用4-LED 數(shù)字管顯示測量距離。

2.3 太陽自動跟蹤設(shè)備設(shè)計

設(shè)計的光電控制采用程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的控制方式，由程序?qū)崿F(xiàn)自動控制。基于光學(xué)傳感器的太陽能電池板，通過MCU 控制步進電機實現(xiàn)其自動定位和糾錯。

該裝置（見圖2） 由緊固件（如星形支架支撐太陽能電池板和底座）、步進電機1、步進電機2 和驅(qū)動結(jié)構(gòu)組成。星形支架結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，特別是輕型裝置，減少了太陽能電池板調(diào)整過程的能量損耗?？刂葡到y(tǒng)的自動跟蹤操作主要由步進電機1 和2 組成。步進電機1 和驅(qū)動結(jié)構(gòu)控制主要用于調(diào)整跟蹤太陽能電池板的偏轉(zhuǎn)方位角，步進電機2和驅(qū)動結(jié)構(gòu)控制用于調(diào)整太陽能電池板的高度角。系統(tǒng)通過及時調(diào)整太陽能電池板的偏轉(zhuǎn)方位角和高度角，實現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)采用硅光電池傳感器檢測亞太陽點，采用這種方式，系統(tǒng)可以自動跟蹤太陽光線。

圖2 太陽自動跟蹤的結(jié)構(gòu)

測量光強度水平是開發(fā)太陽能潛力預(yù)測數(shù)據(jù)庫的重要因素之一。隨著光強的變化，硅光電管的輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化，但其輸出電壓值不容易被檢測到，可以將光輸出量轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)放大、低通濾波、AD 轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號來替代輸出電壓。硅光電池以90 度的間隔放置在圓筒的內(nèi)壁上。如果太陽能電池板和光線不是垂直的，硅光電池產(chǎn)生的相對電壓信號強度會有明顯的差異。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

測量程序流程見圖3。在測量開始時，首先計數(shù)器清零并發(fā)出超聲波，同時啟動MCU 內(nèi)部的定時器（T0），用于記錄超聲波的收發(fā)時間。當(dāng)超聲波換能器接收到反射波時，會在接收電路的輸出端產(chǎn)生負(fù)跳變，并在溢出中斷（INTO） 上產(chǎn)生一個中斷請求信號。然后MCU 響應(yīng)外部中斷請求并執(zhí)行外部終端服務(wù)子程序，停止計數(shù)和發(fā)射，讀取時差。最后使用公式計算距離并在數(shù)字管上顯示結(jié)果。

圖3 測量程序流程圖

4 測量數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

超聲波換能器的類型是DYW-IM，其中心頻率為200 kHz，距離測量的實驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，在150 cm 的測量范圍內(nèi)，結(jié)果準(zhǔn)確度都在3 cm 以內(nèi)。如果測量范圍太大，應(yīng)采用低頻超聲波換能器，其測量范圍大于高頻超聲波換能器。聲波隨距離的增加而逐漸衰減，絕對誤差越大衰減越明顯。

表1 距離測量實驗結(jié)果單位：cm

其他可以提高測量準(zhǔn)確性的方法。

1） 改進算術(shù)是一種有效的方法。例如，連續(xù)離散小波變換和完美濾波技術(shù)都可以實現(xiàn)更高的精度。小波分析（WT），一種新的分析方法，在時域和頻域都具有良好的局部性質(zhì)。其主要特點是可以通過轉(zhuǎn)型充分突出問題的一些方面。WT 繼承和發(fā)展了傅立葉變換的思想，同時克服了窗口大小與頻率不一致的缺點。它可以提供頻率變化的“時頻”窗口，這是信號時頻分析和處理的理想工具。

2） 濾波是抑制和防止干擾的重要措施，可以濾除信號中的特定頻帶?？柭鼮V波是最廣泛使用的濾波方法，是一種使用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程的算法，通過輸入和輸出數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行最佳估計，在通信，導(dǎo)航，指導(dǎo)，控制等諸多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用[4]。

3） 修補硬件也是提高測量精度的好方法。例如，超聲波傳輸速度受水溫影響，可以通過系統(tǒng)對水溫進行補償。

5 結(jié)束語

該設(shè)計將水下超聲波測距技術(shù)和船舶模型平臺相結(jié)合，系統(tǒng)采用太陽能供電，使得系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)可以在無人的情況下對小面積的水深進行測量。特別是探索一些未知和危險水域時，這個系統(tǒng)是非常實用的。