（机械设计及理论专业论文）液下机器人超声波定位系统的性能分析.pdf

摘要 摘要 机器人是- - i 综合性技术，它代表了高科技的发展前沿，是当前科技研究 的热门方向。对于水下机器人，不仅要控制它的运动，还要实时地能够获取它 的位置信息，以便能够对它的下一步动作进行控制，这就是机器人的定位问题。 目前，水下机器人的定位已经有很多种方法可以实现，由于超声波在水下机器 人的定位方面具有很大的优势，所以本文的研究的是研究水下机器人的超声波 定位。 本课题的机器人工作在水煤浆储存罐的底部。在机器人定位过程中，首先 在罐底建立直角坐标系，用超声波测得发射传感器和三个固定的接收传感器之 间的距离，然后利用三点定位原理，从而获取机器人的坐标信息。 机器人测距的硬件系统采用下位机为单片机、上位机为工控机的分布式数 据采集系统，包括超声波的发射模块、信号调理模块、计时模块和通讯模块。 同时上位机采用v c 作为开发工具，对定位程序进行设计。 本课题做了大量的模拟实验，获取了大量的实验数据，分析了影响超声波 测距精度的几个因素，得出了整个定位系统的定位效果和精度，验证了定位系 统的可行性。发现环境因素对超声波测距影响很小；频率越大，测距和定位精 度越高；同时也发现系统硬件不够稳定，提出了改进的几点建议。 经过实验，本文还提出了用包络检波的方法来提高定位精度，该方法是对 接收的超声波在经过放大和初步滤波之后，再设置两个门限电平进行检波，从 而获取较准确的超声波传播时间，使得测距更为准确。 关键词：机器人；超声波；三点定位；包络检波 a b s t r a c t r o b o ti sak i n do fc o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g y , w h i c hi sh o t s p o ti ns c i e n t i f i c r e s e a r c hf i e l d sn o w a d a y sa n dc o u l dr e p r e s e n tt h eh i g ht e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t d i r e c t i o n si nt h ef u t u r e i nt h es u b j e c to fs u b m a r i n er o b o t s ，w h i c hw o r ku n d e rt h e w a t e r , t h e r ei sa no r i e n t a t i o np r o b l e mt h a ti t sm o v e m e n t sm u s tb ec o n t r o l l e d ，a l s ot h e r e a l t i m ed a t ao ft h el o c a t i o ni n f o r m a t i o nm u s tb eg a i n e da tt h es a m ot i m ei no r d e rt o c o n t r o lt h ef o l l o w i n gs t e p s a tp r e s e n t , t h e r ea g om a n yw a y st og a i nt h eo r i e n t a t i o n i n f o r m a t i o no ft h es u b m a r i n er o b o t s t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sa b o u tu l t r a s o n i c o r i e n t a t i o no ft h es u b m a r i n er o b o t sb e c a u s eo fi t sg r e a ta d v a n t a g e si nt h er o b o t o r i e n t a t i o n n er o b o td i s c u s s e di nt h i s p a p e rw o r k e da t t h eb o t t o mo ft h ec o a l s l u r r y - s t o r a g e - t a n k d u r i n gt h er o b o to r i e n t a t i o np r o c e s s ，t h eo r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o n o ft h er o b o tw a sg a i n c da sf o l l o w e d ：f i r s t l y , al pc a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e mw a s e s t a b l i s h e da tt h et a n kb o t t o m s e c o n d l y , t h ed i s t a n c e sb e t w e e nt h es e n s o rw h i c h s e n d i n gs i g n a l sa n dt h et h r e e 缸e ds f f l l s o r sw h i c ha c c e p t i n gs i g n a l sw e r em e a s u r e d w i t hu l t r a s o n i c ，t h e nt h eo r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o nw a sc a l c u l a t e d b a s i n g o n t h r e e - p o i n t s - l o c a t i o nm e t h o d t h i sd i s t a n c e - m e a s u r i n gh a r d w a r es y s t e mw a sc o n s t r u c t e da sad i s t r i b u t e d s y s t e mw h i c hi n c l u d e da nm c us y s t e ma n da ni n d u s t r i a lc o m p u t e r t h em c us y s t e m , w h i c hi sf o rd a t aa c q u i s i t i o n , i sc o n s i s t e do fu l t r a s o n i ct r a n s m i t t e rm o d u l e , s i g n a l c o n d i t i o n i n gm o d u l e s ，t i m i n gm o d u l e sa n dc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e s f o rd a t a p r o c e s s i n g , v ca sad e v e l o p m e n tt o o lw a su s e do nt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rf o r o r i e n t a t i o n p r o g r a m m i n g i nt h i sr e s e a r c h , 谢也p l e n t yo fe x p e r i m e n t s ，al a r g en u m b e ro fd a t ah a db e e n o b t a i n e d , s e v e r a lf a c t o r si m p a c t i n gt h ep r e c i s i o nu l t r a s o n i cr a n g i i l gh a db e e n a n a l y z e d ，t h eo r i e n t a t i o ne f f e c ta n dp r e c i s i o no ft h es y s t e mh a db e e no b t a i n e d ，a n d t h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mh a db e e nv e r i f i e d rw a sf o u n dt h a tt h ee n v i r o n m e n t a l f a c t o r sh a dl i t t l ee f f e c ti nt h ep r o c e s so ft h eu l t r a s o n i cr a n g i n g ；a n dg r e a t e r f r e q u e n c yc o u l db r i n gh i g h e ra c c u r a c yo ft h er a n g ea n do r i e n t a t i o n i ti sa l s of o u n d t h eh a r d w a r es y s t e mn o tt o t a l l ys t a b l e s o m es u g g e s t i o n sw e r eg i v e nt oi m p r o v e t h r o u g ht h e s ee x p e r i m e n t s ，t h em e t h o do fe n v e l o p e o fe c h oc u r v e sw a sg i v e nt o i m p r o v ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y m o r ea c c u r a t eu l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o nt i m e , w h i c h w a s f o rm o r ea c c u r a t eo r i e n t a t i o n , c o u l db eo b t a i n e dt h r o u g ht h ep r o p o s e dm e t h o dw h i c h s e tt w ot h r e s h o l dl e v e l sf o rd e t e c t i o na f t e ri n i t i a lf i l t e r i n ga n da m p l i f i c a t i o no ft h e r e c e i v e du l t r a s o n i c k e yw o r d s ：r o b o t ； u l t r a s o n i e ；t h r e ep o i n t sl o c a t i o n ； e n v e l o p eo f e c h o m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：鼠砬皂 2 叼罗年1 月2 日 ( 注：非保密论文无需签字) 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 鼠咆嚷 z t ，口鼍年f 月z 2 日 第1 章引言 1 1 项目的提出 第1 章引言 作为一种替代油然料的新型流体燃料，水煤浆具有污染物排放低、燃烧效 率高等特点，它既保持了煤粉原有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳 定性，被称为液态煤炭产品。既可用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、 代汽、代煤燃烧，亦可作为气化原料，用于生产合成氨、合成甲醇等。水煤浆 是未来最有希望的以煤代油的燃料，不仅节约了石油，同时还降低了生产的成 本，成为了一种非常经济的能源。我国是石油资源相对短缺的国家，以煤代油 是国家的一项基本能源政策。 但是水煤浆是由煤粉和水混合而成的似流体燃料，是一种平均粒径小于 l o l a m ，粘度o 3 0 4 p a s ，浓度5 0 左右，灰分低于1 ，基本属于牛顿流体的煤 水混合物【1 1 。虽然水煤浆可以代替重油和煤粉燃料，但与油的特性不一样，它是 两相流的流体，悬浮物为颗粒状物质，虽浆中含有稳定剂，但随着储存时间的 增加，悬浮物必然下沉，在存储罐中浆液上下浓度不一致，以致发生软沉淀。 为了能够防止水煤浆沉淀，我们设计了一种液下搅拌机器人，它的主要功能就 是在储存罐底部不停的行走，不断的对水煤浆进行搅拌，并且可以进行精确的 自主定位和姿态调节，以达到预期的目的。 1 2 机器人技术概述 机器人技术是集合了机构学、自动控制技术、计算机技术、人工智能、微 电子学、光学、通讯技术、传感器技术、仿生学等多学科和技术应用的一门综 合性技术，它代表了高科技的发展前沿，是当前科技研究的热门方向。机器人 的研究与发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。从 2 0 世纪6 0 年代初开始，世界上许多国家就不惜投入巨大的人力、财力来进行机 器人技术的开发与研究，随着计算机性能的不断提高，以及各种传感器系统集 成度和智能化的提高，机器人的应用领域已经从人工环境扩展到了水下和宇宙。 第1 章引言 对于移动机器人来说，为了能高效率地导航即从环境中穿行并达到目的地， 就必须找到一种方法，使它能根据环境中已知的一些特征来判断出它自身的位 置，这就是机器人的定位问题。智能移动机器人要想在未知环境中自主运动， 一个基本问题就是确定自身在环境中的位置。无论是在结构化或非结构化环境 中，机器人都必须了解自身与周围环境的位置关系才能正确选择和做出决策。 可见定位技术对智能移动机器人的实际应用是必不可少的。 水下机器人的组成从结构上可划分为水上指控系统和水下潜航体两大部 分。水上指控系统主要包括主控计算机、操控系统、跟踪定位系统、显示系统、 与水下的通信接口和光缆等部分。水下潜航体主要包括水密耐压壳体和动力推 进、探测识别、通讯与导航、电子控制及执行机构等分系统。水下机器人的目 标是实现在无人工干预的情况下，根据水下环境的变化采取相应的策略来完成 水下机器人的任务，所以在水下机器人相关技术的研究中，导航定位技术是极 其重要的部分之一，也是水下机器人实现智能化以及完全自主化的关键技术， 它解决了水下机器人到哪里去、在哪里和去过哪里的问题。导航定位技术实现 的前提是要让水下机器人对环境信息有充分的理解，从而做出相应的策略。因 此，赋予水下机器人以环境感知传感器对其了解环境从而实现导航定位具有非 常重大的理论意义和工程应用意义。 1 3 水下机器人的定位方式和发展动态 目前实现水下机器人的定位有很多种方式，主要有声学、视觉以及激光定 位等。 1 3 1 水声定位系统 由于电磁波在水中传播吸收损失非常严重，因此利用水声技术对水下、水 面目标进行定位、跟踪或导航在军事和民用方面都有着重要和不可取代的地位。 根据声学定位系统定位基线的长度传统上我们将定位系统分为3 种类型：长基 线定位系统( l o n gb a s el i n e ) 、短基线定位系统( s h o r tb a s el i n e ) 、超短基 线定位系统( u l t r as h o r tb a s el i n e ) 吲。 ( 1 ) 长基线定位系统( l b l ) 需要在水底布设3 个以上的基点，以一定的 2 第1 章引言 几何图形组成水底定位基线阵，工作船( 或被测目标) 一般位于基线阵之内， 通过测量应答器与基点之间的相对位置来确定应答器的坐标，工作方式有声学 应答式、电触发式两种。长基线定位系统的优点是定位精度与水深无关，在较 大的范围上可以达到较高的相对定位精度，定位数据更新率高；缺点是系统构 成复杂，基线阵布设需要消耗高昂的费用，并且需要做大量的校正工作，耗费 大量的时间。另外，系统的定位精度与工作频率密切相关，若要获得更高的定 位精度，是发展高频或超高频的长基线定位系统，但是由于高频信号在水中衰 减很快，因此作用范围有限，一般很难超过1 0 0 0 m 。目前在国际市场上所见性能 较好的长基线定位系统有美国s o n a r d y n e 公司f u s i n o 系列的长基线定位系统， 该系列产品可用于水下仪器设备的连续跟踪定位，也可以用于复杂的深海工程 建设项目、矿石开采、海难救援等。 ( 2 ) 短基线定位系统( s b l ) 与长基线定位系统所不同的是定位基点是布 置在船底的，3 个以上的基点在船底构成基线阵，通过测量声波在应答器与基点 ( 接收器) 之间的传播时间来确定斜距，通过测相技术来确定方位，进而推算 出应答器的坐标。短基线定位系统需要配有垂直参考单元、罗经、参考坐标系 统( 一般用d g p s 或g p s ) 。短基线定位系统的优点是系统简单，便于操作，不需 要组建水下基线阵，测距精度高；缺点是需要在船底布置3 个以上的发射接收 器，要求具有良好的几何图形，这就对船只提出了更高的要求，在深水区为了 达到更好的定位精度需要加大船底基线的长度，整个系统需要做大量的校准工 作，决定定位精度要依赖于其他外围传感器。 ( 3 ) 超短基线定位系统与短基线定位系统一样定位基线是布置在船底的， 只是它的基线长度更短些，基点是集中做在一个整列上的，同样是通过测时、 测相技术来确定应答器的空间位置。工作方式有3 种：声学应答式、电触发式、 p i n g e r 模式( 应答器与接收器通过同步时钟方式控制进行工作) 系统也需配有 v r u 、g y r o 、参考定位系统。整个系统的构成简单，操作方便，不需要组建水下 基线阵，测距精度高；系统的主要缺点同样是需要做大量的校准工作，绝对定 位精度主要依赖于外围传感器。 ( 4 ) 水下g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e mg p s ) 定位系统也是水声定位系 统的一种，该技术可用于潜艇定位，进行爆炸性军火处理( e o d ) ，即处理在战 争中投放在海中没有爆破的哑弹，还可以用于水雷对抗等许多领域中。水下g p s 系统是利用空间g p s 系统在海洋中布放一系列声纳浮标，形成网格，在水面用 3 第1 章引言 空间g p s ，在水下用水声通信，从而实现水下物体的精确定位。 1 3 2 视觉定位系统 视觉定位是目前机器人定位的一种最常见的定位方式，这种定位方式的关 键在于视觉图像信息的加工与处理，对获得的视频信息既可以采用静态识别也 可以对动态目标进行识别，目前在识别速度要求不是很高的情况下一般使用静 态识别，即对采集的图像进行一帧一帧的识别进行定位。无论采用那种方法获 取视频图像，在对外界环境信息识别的都可以采用形同的图像处理方法。对视 频图像中目标识别的关键是图像分别，通过图像分割来获取目标信息，从而实 现对移动目标的定位跟踪。目前有基于活动的单目定位技术和双目立体视觉技 术。单目定位技术的定位精度不高，较多用于有约束的地面物体的定位；双目 立体视觉技术的基本原理是采用两个摄像机从不同的角度观察同一物体，得到 该物体在不同一点在两幅图像中的相应像点，计算出视差，最后采用三角测量 的方法恢复出物体的深度信息。 1 3 3 激光定位系统 激光定位系统是通过二维或三维的扫描激光束或光平面，激光雷达能够以 较高的频率提供大量的、准确地距离信剧3 1 。激光定位能够同时考虑精度要求和 速度要求，特别适用于移动机器人。由于激光的精度优势，现在越来越多的应 用在机器人的定位系统。 i 3 4 电子罗盘的应用 电子罗盘作为一种重要的导航工具，越来越多的应用于导航和定位系统【4 】。 当前大多数的导航系统都使用电子罗盘来指示方向。电子罗盘通过对地球磁场 等信息的读取、计算，精确输出航向、俯仰、翻转等参数，由于内嵌单片机可 提供r s 2 3 2 或r s 4 8 5 等通讯模式，与单片机通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 进行串行通信， 易于实现与上位机的信息交流与控制，从而精确定位。 1 3 5 发展现状 4 第1 章引言 就目前机器人的发展现状【5 1 ，机器人的定位方式已经呈现多样化，各个机器 人研究部门都致力于机器人的精确定位，以上介绍了几种常用的水下机器人的 定位方式，它们都已经应用在实际的机器人系统当中，并且也在不断的发展完 善。除了机器人的定位问题，移动机器人的导航和路径规划也是在研究过程中 必须面对的一项难题，它和定位问题是融合在一起的。导航是引导机器人从一 个位置到另外一个位置的过程，要实现导航就要对机器人进行精确的定位。移 动机器人较成熟的导航方式包括磁导航、惯性导航、路标导航、视觉导航等几 种。路径规划是为移动机器人寻找一条无碰撞路径、一条达到目标位置的最优 路径或一条实现预定功能的最佳路径。路径规划可以分为三种类型：一种是基 于环境先验完全信息的路径规划；另一种是基于传感器信息的不确定环境的路 径规划；第三种是基于行为的路径规划方法。 随着现代科学技术的发展和人们生活质量的提高，对于工程结构的性能提 出了越来越高的要求。例如：现代精密仪器、大型设备往往对于振动与位移有 严格的限制；生命线工程结构，要求在大震和大灾作用下依然保有必要的功能， 以为灾后救援与重建提供保障。2 0 世纪中叶以来，尽管社会发展水平有了巨大 的提高，然而由于灾害性作用而造成的损失却反而越来越大，这给结构工程学 科带来了一系列新的挑战性课题。正是在这样的背景下，基于性能的设计思想 开始浮出水面，并在近十年来引起了学者们强烈的兴趣。 1 4 本课题的研究内容与主要任务 本课题的液下搅拌机器人是工作在固定区域内的移动机器人，工作区域在 圆形储存罐的罐底，它的工作方式是一边沿罐底做圆周运动，一边对储存液体 进行搅拌。在此过程中需要对机器人进行精确的定位和导航，同时如果机器人 在行走过程中产生了位置偏差，也要对它进行轨迹修正。所以，该水下移动机 器人需要解决精确定位、通讯与导航、综合控制等方面的问题。 对水下机器人进行导航定位，其实就是时刻了解它的此时所处位置，从哪 个方位过来，又要到哪个地方，需不需要我们进行位置和姿态的调整。本课题 的目的就是怎么获得机器人的精确位置，在这里我们采用多路超声波传感器对 它进行测距、采用三点定位法对它进行定位，同时用电子罗盘进行航向测定， 并把这些信息融合在一起，给机器人的控制模块提供信息。 5 第1 章引言 本课题的主要任务有以下几点： 1 ) 分析水煤浆下超声测距定位的可行性，环境对超声波测距的影响； 2 ) 分析测距过程中产生误差的因素，对测距程序进行修正； 3 ) 对比分析超声波频率对测距精度的影响； 4 ) 定位系统实验验证及分析； 5 ) 对超声波调理电路进行改进。 1 5 本章小结 在本章中主要介绍了水下机器人的几种定位方式，它们每一种定位方式的 优缺点和适用场合，同时也大体上介绍了本课题的项目由来、整体状况和即将 要做的工作。 6 第2 章超声波测距和定位原理 2 1 超声波测距 第2 章超声波测距和定位原理 超声波在工业生产、医疗技术、日常生活中的应用越来越多。由于超声波 在介质中传播时在不同界面上具有反射的特性，并且它有指向性强、方向性好、 传播能量大、传播距离较远等特点，所以常用于测量物体的距离、厚度、液位 等。超声波测距的方法有渡越时间法、频差法、幅值法等，在本课题当中采用 渡越时间法。 2 1 1 超声波测距原理 超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标 或障碍物后反射回来，其所经历的时间与超声波传播的路程的远近有关，测试 传输时间可以得出距离，只要从测量点某一时间发射超声波，并测量该声波返 回的时间即可实现测距，这就是渡越时间法。假如s 表示物体之间的距离，测 得的时间为r ，传播速度为c 7 ，则有以下关系： s 7 ：c ix t i 2 ( 2 1 ) 但本课题采用发射装置和接收装置分离的方法，即超声波发射端发射出一 个短暂的脉冲波时，记时开始，当超声波接收端接收到第一个回波脉冲后，计 时立即停止，假如s 表示物体之间的距离，测得的时间为z ，传播速度为c ，则 有以下关系： s = c x t ( 2 2 ) 上式中超声波传播速度c 随介质和环境温度而变化。在本课题中，机器入 是工作在水煤浆中的，水煤浆参数【6 1 为：浓度：6 卜7 0 ，粘度：1 0 0 0 - - 1 2 0 0 c p ， 平均粒度：5 0 u m ，上限粒度：0 3 m m ，浆液密度：1 2 1 2 5 t m 3 ，接近于水的 比重，所以在本课题中超声波的传播速度我们采用在水中的传播速度。根据水 下超声波的波速忉为： 7 第2 章超声波测距和定位原理 c = 1 4 4 9 2 + 4 6 2 3 t - 0 0 5 4 t 2 ( 2 3 ) 其中c ( m s ) 为超声波在介质中传播的速度，由温度t ( ) 可求得( 如表 2 1 ) 。显然，随着温度的变化，超声速度在水煤浆中传播会有比较大的变化， 这就要求在超声测距中，获取环境温度，在软件中根据温度调整超声波速度。 表2 1 超声波在水中传播速度随温度的变化表 温度( o c ) 一1 0 0 1 0 2 03 04 0 波速( m s ) 1 3 9 81 4 4 91 4 9 01 5 2 01 5 3 91 5 4 8 2 1 1 超声波传感器的简介【8 】 9 1 与测距精度实验 为了研究和利用超声波，人们研究了多种超声波发生器，常用的超声波发 生器可以分为二大类，一是用电气方式产生超声波，如压电式、磁致伸缩式超 声波发生器；二是用机械方式产生超声波，有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。 它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电 式超声波发生器，是利用压电晶体的电致伸缩现象，即压电效应。常用的压电 材料有石英晶体、压电陶瓷等。超声波传感器的波束角( 如图2 1 中的开展角) 主要取决于其中心频率，频率越大，波束角越小，指向性好好，此外与传感器 的形状有很大关系。 图2 1 超声波传感器特性 图2 1 所示的是一种指向性很强的超声波发射传感器，它的发射平面是一 个端面，由中科院设计生产的j s s - 0 3 型超声波发射传感器就是这种类型，该传 感器的最佳发射频率为1 0 k h z ，发射区域为一个平面，波束角为6 0 0 ，也就是说 在这个范围内超声波的信号比较强，既可以作为发射传感器( 图2 2 所示为超 8 第2 章超声波测距和定位原理 c 令一 图2 2 超声波发射传感器工作原理图 + 1 2 v 炀t 图2 2 超声波接收传感器工作原理图 声波发射传感器工作原理图) 使用也可作为接收传感器( 图2 3 所示为接收传 感器工作原理图) 使用，在本课题中这种传感器作为我们的最初选择。 为了验证超声波在水煤浆中的传播性能，课题组做了超声波在水煤浆中传 播性能的实验，得出了以下结论： ( 1 ) 超声波可以在水煤浆中稳定可靠的传播。 ( 2 ) 随着传播距离的加长，信号会逐渐衰减，但是通过改变输入阻抗或其他 外在条件，信号衰减会有所克服，表现为信号电压可以有所增大，但衰减曲线的 衰减趋势变化不大。 知道了超声波的这些特性，同时也知道水煤浆和水的比重接近，接下来就 是考虑用水下环境模拟水煤浆中的环境，关于这一点我们也作了大量实验说明 是可行的。 用超声波进行测距非常关键的一点就是它的精度有多高，能不能满足实际 9 第2 章超声波测距和定位原理 的要求，为了更清楚地知道这种传感器的测距精度，做了超声波在水中的传播 实验【1 0 1 。 ( 1 ) 实验目的：了解超声波在水中的测距精度，了解传感器姿态( 发射与 接收传感器的角度) 对测距精度的影响，为以后测距结果的修正提供参考。 ( 2 ) 实验器材：j s s - 0 3 型超声波传感器若干，信号发生器，工控机，示波 器，滤波放大电路，稳压电源，传输数据线等。 ( 3 ) 实验环境：在9 m x 7 m 的长方形水池中进行的，水深2 5 c m 左右。 图2 4 实验原理图 按照图2 4 所示实验原理图进行实验，发射传感器与接收传感器之间的距 离l 逐渐拉大，依次为1 m 、2 m 、o o e 、7 m ，同时在每一个位置上发射传感器的位 姿也在按逆时针方向不断变化，依次递增3 0 0 ，旋转一周，所得的实验数据如表 2 2 所示。 表2 2 传感器位姿标定实验数据表 距离( 米) 姿态 l2 3 5 6 ( 度) 实测误差实测误差实测误差实测误差实测误差实测误差 0i 2 1 40 2 1 42 2 6 30 2 6 33 3 0 70 3 0 75 2 4 50 2 4 56 5 4 20 5 4 27 7 2 40 7 2 4 3 01 1 8 80 1 8 82 3 2 9 0 3 2 9 3 3 5 90 3 5 95 4 7 60 4 7 66 5 6 90 5 6 97 6 9 80 6 9 8 6 0 i 2 4 60 2 4 62 4 2 60 4 2 63 4 6 8o 4 6 85 4 8 90 4 8 96 6 0 80 6 0 87 7 0 80 7 0 8 9 01 2 1 40 2 1 42 2 5 40 2 5 43 3 0 70 3 0 75 4 9 90 4 9 96 6 0 lo 6 0 l7 7 0 80 7 0 8 1 2 01 2 0 10 2 0 12 3 2 50 3 2 53 3 6 20 3 6 25 7 9 20 7 9 26 9 80 9 8 08 2 2 9i 2 2 9 1 5 0 1 0 3 80 0 3 82 1 6 30 1 6 33 1 9 9o 1 9 95 4 9 60 4 9 66 6 1 4o 6 1 4 7 7 1 4 0 7 1 4 1 8 01 0 2 80 0 2 82 1 4 30 1 4 33 1 8 30 1 8 35 4 3 7 0 4 3 7 6 5 3 30 5 3 37 6 5 20 6 5 2 2 1 01 0 5 7o 0 5 72 1 6 30 1 6 33 2 0 30 2 0 35 5 6 80 5 6 86 7 9 10 7 9 17 9 2 60 9 2 6 2 4 01 2 0 10 2 0 1 2 2 3 7 0 2 3 73 3 4 90 3 4 9 5 7 0 8 0 7 0 86 9 9 7 0 9 9 78 i f 5 1 1 1 5 2 7 01 2 2 00 2 22 2 5 40 2 5 43 3 0 00 。3 0 05 4 9 90 4 9 96 8 0 80 8 0 87 8 4 10 ，8 4 1 1 0 第2 章超声波测距和定位原理 l3 0 0i 2 6 60 2 6 62 3 2 90 3 2 93 5 5 30 5 5 35 4 9 60 4 9 66 6 0 40 6 0 47 6 4 3o 6 4 3 i 3 3 0i 1 8 80 1 8 82 3 2 90 3 2 93 3 6 40 3 6 4 5 6 1 30 6 1 3 6 8 4 40 8 4 4 7 9 7 5 0 9 7 5 根据对已进行的实验数据分析可知，测距的相对误差的总体趋势是：在 0 6 0 0 之间逐渐变大，在6 0 一1 8 0 。之间逐渐减小，在1 8 0 。左右相对误差最小， 之后，从1 8 0 。到3 0 0 。，误差逐渐变大，从3 0 0 。到3 6 0 0 又逐渐变小，从图2 5 可以更 容易看出这一趋势。 iliil 毒蹩0 善一o l 匠受 棚 发射传感器位鍪( 。) 图2 5 测距相对误差拟合 根据最小二乘法可以修正因位姿造成的误差，拟合方程为： y z = ( - 8 1 x l o 加口4 + 5 9 1 0 - 7 矿- 1 4 x l o - 口2 + o 0 1 1 口- 0 1 6 ) x x 5 8 ( 2 4 ) 其中口为发射和接收传感器间的夹角，单位为角度，x 为测距，y ：为位姿造成 的误差，x 、y 2 单位为m 。 2 2 超声波定位 用超声波传感器测得了距离，接下来就要把这些距离信息转化为位置信息， 而仅仅知道一个距离是不能够完成机器人的定位的，在本课题中采用的是三点 定位原理【l l 】。 2 2 1 三点定位原理 相对误差零v 第2 章超声波测距和定位原理 三点定位就是在平面上根据一个未知点到三个已知点之间的距离确定该未 知点的位置，在本课题中， 在直径为d 的圆周均匀放 置三个接收传感器d i 、 皿、职，它们的位置固定 不变，坐标依次为( x a ，m ) 、 也，奶) 和( 毛，乃) 发射传感 器d 在这个圆周内移动如 图2 6 所示。发射传感器d 每发射一次，可测到它距图2 6 三点定位原理 d l ( x l ，y 1 ) 注： d 为发射传感器 d 1 、d 2 、d 3 为接受传感器 离三个接收传感器的距离，分别为吐、畋、毛，理论上以q 、d 2 、皿为圆心，以盔、 畋、以为半径的这三个圆应该交于一点，这个点就应该是d ，从而就可以得到发射传感器 的坐标( x ，力。由数学模型表示就是： ( 2 5 ) 有唯一解。 但是，在实际测量中由于存在误差，三个圆交于一点的可能性很小，几乎 不可能，但会有三个交点相互之间的距离比较接近，利用一定的算法可以根据 三个交点的坐标计算出所测对象的位置。 2 2 2 定位算法 由上面知道，在我们自己设定的坐标系内，这三个超声波接收传感器位置坐 标是已知的和固定的。在某一时刻，它们接收到超声波发射传感器( 即机器人) 在( 工，y ) 处发射的信号，测得发射传感器与它们之间的距离分别为盔、以、西 1 2 砰霹露 i | i l = 铲p p m 虼乃 一 一 一 y 少y ，-，-一，-， + + + 铲r p 玉砭鼍 一 一 一 x x x o o 第2 章超声波测距和定位原理 如图2 7 所示，为实际中的定位原理图。 由图看出这三个圆并没有交于一点，而 是多个点。在这些点中，其中有三个点相距 较近( a 。、a ：和a ，) ，其余的点则相对相 距较远，此时，按照以下的步骤对这些点进 行筛选： 1 )当交点不在储罐内( 接收传感器所 在圆内) 时，则该点与储罐中心( 圆心) 的 距离将大于储罐半径，这点肯定不符合要 求，剔除该点。例如剔出图2 7 中的a 4 、 a 。两点。 图2 7 三点定位原理图 d 1 2 ) 对于在储罐内的点，可以每三个点组成一组，并且要求在每一组中不应 有由相同的两个圆相交所得到的两个点。然后采用公式2 6 求得d ，取使d ，值 = ( 五。一五：) 2 + ( 咒。一乃：) 2 + ( 一誓，) 2 + ( y n - y i ，) 2 + ( 五：一五，) 2 + ( 咒：一乃，) 2 ( 2 6 ) 为最小的三个点。例如图2 5 中的a ，、a ：、a ，和a 。这三个点，由于a 3 和a 。两 点是由两个相同的圆相交得到的，所以可以组合成( a 、a ：、a 3 ) 、( a 。、a ：、 a 6 ) 两组，经过计算可以求得( a l 、a ：、a 3 ) 这一组的d ，较小，所以选择这 三个点的为所求的三个点。 知道了这三个点的坐标，接下来就要确定发射传感器( 即机器人) 的坐标， 在这里本系统采用取平均法，即假设求得的三点的坐标分别为瓴。，) 、 “：，咒：) 、瓴，y t ，) ，则通过公式2 7 可得近似解“j ，) 2 2 3 求两相交圆的交点 1 3 ( 2 7 ) 3 3 ) ) 南蚝 + + 嘞 + + 似 i i i i x y ，【 第2 章超声波测距和定位原理 在实现定位过程中，要计算大量的圆的交点，用程序计算两圆的交点有几 种算法，考虑到系统实时性的要求，在本系统中采用几何法。 如图所示在坐标系 a ) 为全局坐标系，坐标 原点为q ，坐标系 b ) 为车载坐标系，它是以 d l 原点，以d l d 2 为x 轴 建立的坐标系。坐标系 b 中o 的圆心坐标为 d t ( x l ，y 。) ，半径为d l ， o ：的圆心坐标为 d 2 ( x 2 ，y 2 ) ，半径为d 2 。 j ( 懈、 ，广 图2 8 求两圆交点原理图 则在坐标系 b ) 中可以求出两个交点d ，与d 。对于三角形d 。d ：d ，其三边长 已知，即d 3 - d d ：= 板i = 了石j 了，d i d ，= d 。，d ：d ，= d ：，则根据公式 d 1 2 鹄2 - d 2 2 - 2 d l d 3 c o s o l 可以求出角毋， i , j d 3 在坐标系 b ) 中的坐标x ：= d l c 0 s 。l ， 虻= d 。s i n o 。根据d ，与d 。关于 b 坐标系的x 轴对称可以求得d 。在 b ) 坐标系中 的坐标( x ：，虻) ，然后利用坐标转换就可以得到d ，、d 了。 2 3 本章小结 在本章中，较为系统的阐述了超声波的测距方式和原理，以及三点定位法 的理论推导，为系统的软硬件功能实现提供理论依据；并进行了发射与接收传 感器的角度对测距精度影响的实验，得出了测距修正方程，为以后的测距程序 修正提供参考。 1 4 第3 章测距系统的软硬件实现 第3 章测距系统的软硬件实现 确定了定位方案，就要采取措施来实现它：超声波发射传感器要发射超声 波，这需要控制，怎么发射，多长时间发射一次也需要确定；超声波接收传感 器接收到超声波，要对接收到的信号进行放大滤波处理，这个电路也要设计确 定；怎么测量超声波传播的时间，从而实现超声波的测距，这都属于硬件系统 的设计【1 2 】【1 3 】0 4 。而测得了距离怎么用定位方法来实现定位，怎么把定位方案变 成机器语言，这就属于软件系统的设计。 3 1 超声波测距系统的硬件设计 图3 1 测距系统硬件框图 如图3 1 所示，这是超声波测距系统的硬件框图，其设计为分布式控制系 统。包括发射控制模块( 包括发射控制电路和发射传感器) 、信号处理模块、 计时模块和与通讯模块三部分。后面将对每一个模块的工作原理作进一步的说 明。 3 1 1 超声波发射模块 从图3 1 中可以看出发射模块分为两部分：发射电路和发射传感器。图3 2 计时模块，计时开始 图3 2 超声波发射模块原理图 1 5 第3 章测距系统的软硬件实现 为发射模块的原理图，定时发射电路其实就是一个由a t 8 9 c 5 2 单片机控制的一 个定时电路发射电路，由它控制每3 秒发射一个脉冲给信号放大电路，从而可 以控制信号发生器s t - 3 a 产生一个信号驱动发射传感器发射超声波。 其中信号发生器s t - 3 a 输出频率为9 卜3 0 k ，输出功率为5 0 0 w ，输出电压 为8 0 0 v 。其脉冲信号发生过程图如图3 3 所示，先由r c 振荡电路产生振荡波， 外触发 信号 信号 输出 ( 5 v ) 功率 输出 图3 3s t - 3 a 脉冲信号发生过程图 再由一级r c 振荡电路产生另一矩形振荡波，然后由单稳态触发电路对r c 振荡 电路进行触发，最后便可产生脉冲波形，再进行两路功率放大，形成两路功率 输出。其发生信号分为内触发和外触发两种方式，考虑到本系统要定时发射， 所以我们采用外触发方式，即给信号发生器5 v 高电平则立即发生设定频率的超 声波信号送给超声波发射传感器，通过控制5 、，高电平的时间可以控制超声波信 号脉冲的数量。在本系统中，它每次发射5 8 个方波。 3 1 2 超声波信号处理模块 为了从接收传感器那里获取有用的信号，必须对接收到的信号进行滤波放 大处理，所以信号处理模块包括了放大环节、滤波环节和比较环节。 l 、放大环节 放大环节采用前置放大和后置放大两种方式，都是采用集成运放电路对接 收的信号进行放大。在本系统中放大芯片采用u a 7 4 1 ，其放大倍数可以达到2 0 0 倍，我们采用一级放大1 0 0 倍，二级放大5 0 倍。 2 、滤波环节 1 6 第3 章测距系统的软硬件实现 如图3 5 所示，滤波环节采用带通滤波，上限频率设为丘，下限频率设为 丘前级为低通滤波电路，截止频率石，计算公式为c 22 靠、 g = 赢。后级为高通滤波电路，截止频率石，计算公式为 蜀= 夏瓦g 而+ g、忍2 z 鬲丽1 。通过调整相应的电阻电容可以设定滤波的 上限频率，下限频率及中心频率。 图3 5 滤波原理图 3 、比较环节 其原理就是用电压比较器用来测定输入电压是大于或小于基准电压，并输 出逻辑电平。在本系统中比较电路采用专用芯片l m 3 1 9 组成的高速比较器，其 响应时间约为8 0 嬲。 3 1 3 计时模块 如图3 6 就是超声波计时原理图，主要是利用了单片机的定时计数功能， 在超声波发射时给单片机的i n t l 一个开始计数的信号，当接收传感器接收到信 号时停止计数。其中单片机波特率设置为9 6 0 0 ，在主程序对寄存器进行初始化 后，打开