1、超声波定位浅谈汇报人 ：张雪峰1 超声波特点阐述3 定位 算法简析2 定位系统 设计4 系统误差及应用目录1、超声 波特点阐述随着 社会各行各业的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，常常需要确定各种设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的室内定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如GPS技术、红外线技术、蓝牙技术、射频识别技术、 Wi-Fi技术、超声波技术 等等。GPS是目前应用最为广泛的定位技术，缺点是 定位信号到达地面时较弱 ，不能穿透建筑物，而且定位器终端的 成本较高 。
2、红外线定位技术只能在直线视距内传播 、 传输距离较短 ，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光 干扰 ，在 精确定位上有局限性。蓝牙器件和设备的价格比较 昂贵 ，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的 稳定性稍差 ，受 噪声信号干扰大。 超声波室内定位系统的应用现状超声波及其物理性质 超声波 是一种机械波，其可以在气体、液体和固体中传播，具有以下待性：(1)超声波的 频率很高，波长较短， 绕射现象小，传播速度慢，可以像光线那样沿着一定方问传播，传播的能量较为集中。(2)超声波的振幅很小，加速度非常大，因而可以产生较大的能量，而且对液体、固体的 穿透本领很大 ，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的
3、深度。(3)对 外界光线和电磁场不敏感 ，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中，超声波的这些特性，使其在遥控、测距以及其它领域得到了广泛的应用。 超声波物理 特性：超声波传感器当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化 产生机械变形 。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一 个电荷 。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片 压电陶瓷 和一个金属片构成的振动器（双压电晶片元件）施加 一个 电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当 向双 压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号 。基于 以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。超声波传感器的 基本原理：超声传感
4、器按其工作原理可以分为压电式、电动 式、 电容式、磁致伸缩式和气流式等。超声波传感器的种类：当压电片受力时，在晶体的一个表面上会聚集正电荷，而在 另一 个表面上聚集负电荷，这两个极板上的电荷量大小相等 方向相反 ，所以可以把压电片当作一个电荷发生器。由于在晶体 的上下 表面聚集电荷，中间为绝缘介质，可看成是一个电容器 其电容 量为 C = S/dS压电元件聚集电荷的 表面面积；d压电元件的厚度；压电元件的介电常数。 再通过 U=q/c 便可以计算出电压变化。超声波传感器超声波传感器的主要性能指标包括工作频率、灵敏度、分辨率、工作温度、 指向 性等，其中最重要是工作频率 。左图 为中心频率为 4
5、0KHZ的超声波传感器 的频率特性 曲线，它反映超声波传感器的灵敏度与频率之间的关系。从图中的 频率特性 可知，在发射器的中心频率处，发射器所产生的超声波最强；而在 中心频率 两侧，声压能级迅速降低。因此，在使用中，一定要 用接近中心频率的 交流电压 来驱动 超声波发生器。超声波传感器及其特性 ：2、超声波定位系统设计超声波定位系统设计一 、反射式 测距法：反射式测距法就是发射超声波并接收由被测物产生的回波 ,根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。超声波 定位系统主要研究超声波的测距方法，然后根据距离和提供算法来计算出待测物体的位置，超声波测距有两种实现方法 ：声波发射器向某一方向发射超声波
6、，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 (s)，即： s=340t/2 。这就是经典的所谓的时间差测距法。超声波定位系统设计二、 单向测距 法：单向 测距法中由应答器和主测距器组成 ,主测距器放置在被测物体上 ,在微机指 令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号 ,应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号 ,得到主测距器与各个应答器之间的距离。单向测距发可以实现两点测距，当同时有三个或三个以上不
7、在同一直线上的应答器作出回应时 ,就可以计算出被测物体所在的位置。在相同的测量距离下 ,反射式测距法中空气对超声波吸收较单向测距法中大 ,因此反射式测距范围较单向式测距范围小。若以测得距离，根据算法便可得到待测物体的位置，实现定位。3、定位 算法简析定位算法一超声波发射器固定在待定位的物体上，发射器按一定时间向周围发射超声波脉 ,在其周围 3个固定的位置安装超声波接收器用以接收发射器发射的超声波脉冲，利用超声波到达 3个接收器的时间，计算出超声波发射器的具体位置。如果是移动物体，通过连续测量，就可描绘出物体移动轨迹 。或者待定 位物体 上 装 的 是超 声 波 接 收 器 ，物 体 周 围装
8、的是 发射器 ，通 过 计 算 接 收器 与每 个 发 射 器 之间 距离 进行 定 位。超声波 空间 定位方案一：定位算法一设声波在空气中的速度为 v,发射器发射声波到接收器接收声波的时间为 t则亮着距离可求得 为L=vt假设在 A(a,0,0)、 B（ 0,b,0）、 C (0,0,0)三个位置安装上超声波接收器，被测对象在 M(x,y,z)处，以上三个点倒带定位物体的距离为 L1 ， L2, L3，则有 ：L1=（ a-x） +y+z L2=x+（ b-y） +z L3=x+y+z 联 立上式，解得：x= L3-L1+a/2ay= L3-L2+b/2bz= L3-x-y 方案一：距离交会
9、法定位算法一方案一：距离交会法优点：这种方法所受的空间条件限制较少，即使在主体与接收点之间有障碍物，只要不完全阻断超声波的传播，仍可以工作。缺点：由于接收与发射点的位置固定，回波法较难实现两点测距。需采用发射与接受装置的同步时差法测距法，同时要由高精度的计时装置，这样制作制作起来相对复杂。优点 缺点定位算法二模仿 蝙蝠 的定 位 原 理 ，使 用 1 个 超 声 波 发射器 ， 2 个超声波接收器，由物体反射波到达 2 个接 收器所 用 的时 间进 行 定 位 ，该 方 法 可 以对 普 通物体 进行定 位 。但 容 易受 到干扰 ，当探测 范 围内 有多 个 物体 时 ，定 位结果 将不 准
10、确 超声波 空间 定位方案二：定位算法二收 发传 感 器 1、收发 传 感 器 2 、任 意位 置 2 个 (也 可 以多个 )物 体 A 和 B ，收 发传 感 器可 以发 送和 接 收 超声 波 ， 2 个 收 发 传 感 器 之 问 距离 L 为 已知 ，通 过单 片机 连接在一 起。由几何 关 系可知 ：利用 上式 可 以判 断 数据 的有 效 性 ， 如不 满 足上述 两式 ，可 能 原 因是 所 测 物 体速 度 已 超出 仪器精度 ，应将 数据舍弃。超声波 空间 定位方案二： t11 t12T11 T12t21 t22T22T21T11 = t21, T12 = t22定位算法二
11、以收发传感器 1 为 圆心 ，以 t11/2， t12 /2 为半径 分 别 画 圆 ，然 后 以 收 发 传 感 器 2 为 圆 心 ， 以 T21/2， T22 /2为 半 径 分 别 画 圆 ，可 得 出 4 个 交 点 D ， E ， F ， G ， 如左图所 示 。因为 2 个 位 置点 要 占尽 4 个 圆 弧 ，所 以可 以判 断物 体 的位置 在 D 点 、 F 点 或者 G 点 、 E 点 ， 即如果 将 圆 弧 相 交 所 得 的 图 形 看 作 是 扭 曲 的 “ 矩形 ” ，则 物体 所处位 置 的连线 只能是 “ 矩形 ” 的对 角线 所 以只需 判 断 D ， E
12、， F ， G 任意 一 点是 不是 物体 所处 的位 置 即可定 位两 物 体 ，因 为 F 点 与收 发传感器 1 和收发传感器 2 距离之和最近，所 以 只需 判 断 t11/2与 T21/2的 和是 否 等 于 T11 ，如 果 等于 ，则 F 点即为物体位置点，反之 F 点不是 物体位置点 定位算法二优点 ：不需要 在物体上加装发射或 接收 器 ，能 对普 通物体 定位。缺点 ：算法较为复杂。4、系统误差 及应用系统误差及应用由于 无线通讯模块被 应用到 了本系统中，无线信号在 介质中的传播 需要时间，但无线 信号的 传播速度比超声波的传播速度 快很多 ，时间差可以忽略不计 ，但 为
13、了提高测量精度，可以 在软件 设计上给予适当的时间 补偿。（ 1）无线信号误差 ：超声波在空气中传播时，温度对超声 波的传播速度有很大 的影响 。在空气中声速用下式来表示 ：式 中：R一气体普适常数； 一气体定压热容与定容热容的比值；M一气体分子量： T一气体的绝对温度。 （ 2）波速的修正 ：系统误差及应用(3)其他环境对超声波测量精度的影响 ：1 2341、空气湿度的影响 超声波 在空气介质中传播时，在湿度处于饱和状态 的空气中 传播速度相对 于处于干燥状态的 空气中的 传播速度，最大可增加 2 。3、气流的影响 当 风速大于 50km h时 ，声波 传播方向的改变会 大于 3 。会 影响
14、测量精度，在相对封闭的室内环境中 ，此 误差因素可以忽略。2、空气压力的影响 大气压力 的变化同样会对声速产生影响， 大气压力变化 5，会造成声速变化约 06。在室内 定位中 ，工作环境相对封闭，气压变化可以不予考虑 。 4、油雾的影响 通过 实践可知表面油雾会对测量精度产生影响， 为了 避免此类影响，只需保持传感器工作面上的 清洁即 可。 系统误差及应用改进 方法：系统中超声波接收电路中可采用接收解调专用集成电路放大器，以便消除由于噪声或干扰信号的掺入，造成的触发时间的不准确，而带来的随机误差。 (1)电路设计方面 可以对算法进行进一步优化，以便消除系统固有误差。 例如 ：在消除温度对测量结
15、果的影响方面，本系统中采用把 温度量化 ，经过查表的方式得到相应的声速。我们可以对声速 表达式 进行进一步细化，得到一个合理的且之和温度相关的 表达式， 来准确的得到声速，以便提高系统测量精度。 (2)软件设计方面 超声波定位的应用汽车驾驶考场，将发射装置置于汽车上，跟随汽车运动，接收系统可在电脑上描出汽车行驶的轨迹，从而可以通过电脑自动判断汽车驾驶员是否合格，减少了监考人员的工作量。超声波 空间 定位应用：超声波探测地下聚乙烯 PE管线探测仪（定位 仪） ， 该仪器采用了先进的超声探测技术探测地下管线。现场大量测试表明 APL对于目前常用的 PE管定位非常有效，该系统适用于常见的各种路面及土壤。谢谢您的 聆听！
