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多個物體進(jìn)行定位的裝置及方法,利用2個超聲波收發(fā)傳感器接收每個物體的反射波,并通過一定的算法計算出每個物體的位置.該裝置可對二維空間內(nèi)多個物體進(jìn)行定位,并可對其測速、跟蹤,甚至測出物體輪廓.

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)常用于距離的測量.超聲波的傳播方式為直線傳播,但遇到障礙物時會發(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,通過計算發(fā)射器與每個接收器之間距離進(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,通過計算接收器與每個發(fā)射器之間距離進(jìn)行定位[3].這2種定位方法計算簡單,定位準(zhǔn)確,但需要在物體上加裝發(fā)射或接收器,不能對普通物體定位.c.在待定位物體四周加裝多對小發(fā)射角的超聲波探頭,通過測量對各方向外界物體的距離來確定自身位置[4],這種方法同樣不能對普通物體進(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個超聲波發(fā)射器,2個超聲波接收器,由物體反射波到達(dá)2個接收器所用的時間進(jìn)行定位,該方法可以對普通物體進(jìn)行定位,但容易受到干擾,當(dāng)探測范圍內(nèi)有多個物體時,定位結(jié)果將不準(zhǔn)確.

本裝置使用2個超聲波收發(fā)傳感器,可以對測量范圍內(nèi)的多個物體進(jìn)行定位,抗干擾性能強(qiáng),且可以使用廉價的發(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)備探測外界環(huán)境.

2 超聲波定位原理分析

本方法需要至少2個超聲波收發(fā)傳感器,利用超聲波測距并通過一定的算法將各個物體與收發(fā)傳感器之間的距離計算出來,構(gòu)成若干個三角形,進(jìn)而確定物體的位置.

超聲波測距原理是利用飛越時間法(time of flight,TOF),即檢測超聲波往返的時間,所用時間與超聲波通過距離成正比,從而計算出超聲波所經(jīng)的距離.當(dāng)超聲波收發(fā)傳感器發(fā)出短暫脈沖時,計時開始,當(dāng)超聲波收發(fā)傳感器接收到1個返回脈沖時,記錄得到的時間值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化對數(shù)據(jù)的處理過程.

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(也可以多個)物體A和B,收發(fā)傳感器可以發(fā)送和接收超聲波,2個收發(fā)傳感器之間距離L為已知,通過單片機(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的接收時間,用 Tmn表示收發(fā)傳感器2的接收時間,下標(biāo)m表示接收到的超聲波是由第幾個收發(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)開始計時.

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)分別記下接收時間.因為探測范圍內(nèi)有2個物體,所以每個收發(fā)傳感器可以先后接收到兩段反射波,而我們此時無法判斷先收到的是哪個物體的反射波.記收發(fā)傳感器1先后收到反射波的時間為t11和t12,收發(fā)傳感器2先后收到反射波的時間為 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)重新開始計時.

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)分別記下接收時間.如第二步所述,記收發(fā)傳感器1先后收到反射波的時間為 t21和t22,收發(fā)傳感器2先后收到反射波的時間為 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為半徑分別畫圓,可得出4個交點D,E,F,G,如圖2所示.

圖2 作出可能位置點

因為2個位置點要占盡4個圓弧,所以可以判斷物體的位置在D點、F點或者G點、E點,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”的對角線.所以只需判斷D,E,F,G任意一點是不是物體所處的位置即可定位兩物體,因為 F點與收發(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點即為物體位置點,反之 F點不是物體位置點.

2.2 至少有2個物體與某一收發(fā)傳感器距離相等

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

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

由圖3可知物體可能的位置點有6個,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點即為物體位置點,反之F點不是位置點,同理可判斷出其他位置點.以t21,t22,t23分別為長軸,以收發(fā)傳感器1和2為焦點畫橢圓,橢圓軌跡應(yīng)當(dāng)經(jīng)過D,E,F,G,H,I中3點,即為物體的實際位置點.假設(shè)橢圓軌跡過E,G,I點,則 E,G,I點即為物體實際位置點.如圖4所示.

圖4 確定位置點

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 測量范圍

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

圖5 裝置測量范圍

4 超聲波定位電路

圖6為超聲波收發(fā)電路,40 k Hz超聲波信號通過Input端輸入到放大電路,經(jīng)過三極管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,因為超聲波信號比較微弱,轉(zhuǎn)換為電信號后幅值很小,因此首先要進(jìn)行放大.超聲信號在傳輸過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引起信號電平的變化.因此,接收時必須對原始信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理,盡可能地減小這些因素的影響[6].電信號經(jīng)過 R1,C1送到 U2,U2為選頻放大器,對信號進(jìn)行濾波放大后由Output端輸出,D1和D2反向并聯(lián)起到限幅通過作用,因為反射波信號較弱,無法通過D1和D2,減少了對反射信號的衰減.而發(fā)射波信號較強(qiáng),使D3和D4導(dǎo)通,進(jìn)而屏蔽了發(fā)射波對U2的影響.

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

因為需要用2個收發(fā)傳感器,所以實際電路中需要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[]用來存放顯示數(shù)據(jù).單片機(jī)計算出某個物體位置后,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,讀取數(shù)組 r1[]和 r2[]對應(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個收發(fā)傳感器前方二維平面內(nèi)的物體的分布情況,每個點均表示物體所在的位置,如果提高測量精度,許多個點將連成線,從而顯示出物體的輪廓.

圖8 超聲波處理程序流程圖

6 幾點說明

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可以對超聲波的速度加以校正,得到較好的定位精度[9].

2)因為超聲波傳播速度容易受天氣因素影響,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量結(jié)果:超聲波速度誤差,電路延遲誤差,計時誤差.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)測系統(tǒng)[J].自動化技術(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[J].國外電子測量技術(shù),2009,28(6):65-66.

[4]黃慶成,洪炳,Khurshid J,等.全自主足球機(jī)器人的超聲波定位避障系統(tǒng)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,35(9):1 077-1 079.

[5]原新,王東陽,嚴(yán)勇杰.基于推算定位和超聲波定位融合的機(jī)器人自主定位技術(shù)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2009,21(5):67-68.

[6]厡玉磊,王安健,蔣理興.一種使用紅外線和超聲波的定位技術(shù)[J].電子測量技術(shù),2008,31(10):15-17.

[7]江海波,王卓然,耿德根.深入淺出AVR單片機(jī)—從A tmega48/88/168談起[M].北京.中國電力出版社,2008:86-94.

[8]譚浩強(qiáng).C語言設(shè)計[M].北京.清華大學(xué)出版社,2005:20-21.

[9]艾廣燚,李麗娟.一種短距離超聲波定位裝置的研究與設(shè)計[J].科技資訊,2010(4):200.

[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)物理與實驗教學(xué)團(tuán)隊”教改工程資助項目(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,從事物理實驗教學(xué)研究.