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超声波室内定位系统 作者 指导老师 摘要 随着超声波测距精度的不断提高 超声波定位技术也发展得日趋成熟 并且在工业 农业 医学 食品加工等各个领域得到了广泛的应用 本文通过对比几种常用的定位技术 然后融合无线射频技术和超声波技术 设计并实现了一种新的超声波室内定位系统 介绍了系统的基本定位原理和整体设计思路 详细阐述了系统的软硬件设计方法 最后对实验结果进行了分析 得到了系统各个模块的性能指标和整体定位精度 对可能产生误差的原因进行了分析 以此为基础 为提高系统的测量精度采取了相应措施 论文结构和主要内容 第一章绪论第二章超声波传感器概述第三章方案设计思路及定位算法第四章系统软硬件设计第五章实验结果分析 第一章绪论 室内定位系统的应用现状 研究意义及主要研究内容 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 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 Wi Fi技术只能覆盖半径90米以内的区域 而且很容易受到其他信号的干扰 从而影响其精度 定位器的能耗也较高 超声波在对障碍物进行定位方面具有传播速度慢 方向性好 不易受干扰等优点 综合考虑作者选择利用超声波来进行定位 基于以上各项技术的优缺点 本文提出了一种结合超声波技术和无线射频技术的室内定位方法 超声波室内定位系统的应用现状 意义本系统最初的构想是利用到舞台灯光跟踪 舞台灯光发热量很大 人工控制灯光跟踪舞台演员不可能一个人长时间工作 而且灯光耀眼 给操作者带来很大难度 所以急需一种可以自动控制灯光自动跟踪演员的设备 而本系统就是在这个思想下设计出来的 本系统不只局限于舞台跟踪 还可以扩大范围 应用到其他工程现场 如 可以扩展到物流中心和工厂 可实时掌握设施内移动物体的状态 从而正确分析移动物体的移动轨迹 还可以用于矿坑里的工人定位 避免工人的误操作走入不安全的区域 课题研究的意义及内容 也可在发生矿难时 及时赶到矿工遇难现场拯救矿工生命 如上所述 准确的 实时的室内定位有重要的应用 这也是开发本系统的实际意义 课题研究的意义及内容 研究内容下面对本系统的主要研究内容进行简单的介绍 1 介绍了超声波室内定位系统的发展现状 讲述了课题的研究内容和研究意义 2 对超声波的特性进行了简单介绍 为应用超声波技术实现室内定位奠定了基础 对压电式超声波传感器进行了系统的分析 为传感器的应用找到理论基础 3 完成了室内定位系统的数学模型的建立和系统的硬件和软件的设计 4 分析了系统中可能产生误差的原因 对实验结果进行了总结 并提出下一步改进计划 课题研究的意义及内容 第二章超声波传感器概述 超声波及其物理性质 超声波传感器 超声波及其物理性质 2 1超声波物理特性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 1 超声波传感器的基本原理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 2 超声波传感器的种类超声传感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 目前压电式超声波传感器的理论研究和实际应用最为广泛 下面主要对压电式超声波传感器进行介绍 顾名思义 压电式超声波传感器是利用压电效应制成的 常用的材料是压电晶体和压电陶瓷 它是利用压电材料的压电效应来工作的 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动 从而产生超声波 可作为发射探头 而利用正压电效应 将超声振动波转换成电信号 可用为接收探头 超声波传感器 如图2 4所示为超声波直探头的结构图 它主要是由压电晶片 吸收块 阻尼块 保护膜组成 压电晶片多为圆板型 超声波频率f与其厚度成反比 为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片 在压电晶片下有一层保护膜 阻尼块的作用是降低压电晶片的机械品质 吸收超声波的能量 如果没有阻尼块 当激励的电脉冲信号停止时 晶片会续振荡 加长超声波的脉冲宽度 使分辨率变差 图2 4压电式超声波传感器结构 超声波传感器 3 超声波传感器及其特性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 下图为中心频率为40KHZ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 本文中使用的超声波传感器型号为FC 16KT40 图2 5超声波传感器的频率特性 超声波传感器 超声波传感器 4 压电式陶瓷超声波传感器的等效电路当压电片受力时 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式中 S 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 因此可以把压电式传感器等效为一个与电容并联的电荷源 如图2 5 a 所示 电容上的电压U 电荷q与电容C三者之间的关系为所以压电式传感器又可等效为一个电压源 如2 5 b 所示 超声波传感器 利用压电式传感器进行测量时 它要与测量电路相连接 所以需考虑电缆电容Cc 放大器的输入电阻Ri输入电容Ci和压电传感器的泄漏电阻Ra 如果把这些因素一同考虑 就得到压电传感器完整的等效电路如图2 6所示图2 6压电传感器的完整等效电路 a 电荷等效电路 b 电压等效电路 超声波传感器 第三章方案设计思路及定位算法 设计思路 定位算法 3 1 设计思路本系统首先是利用超声波的测距原理 超声波测距大都采用反射式测距法 即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 为了克服超声波信号衰减而影响其传输距离的缺陷 本系统不采用反射测距法而是用单向测距法 即超声波发生器直接装在被定位物体上 然后超声波接收器直接接收未经反射的超声波 系统原理结构图如图3 1所示 超声波室内定位系统的设计思路 系统由若干个接收器和一个超声波发生器组成 超声波发生器安装在被定位物体上 在上位机指令信号的作用下向被定位物体发射无线电信号 通知超声波发生器开始发射 同时接收模块开始计时 当有三个或三个以上不在同一直线上的接收器做出回应时 分别记下每个接收器接收到超声波的时间 由此得到被定位物体与各个接收器之间的距离 可以根据相关计算确定出被定位物体所在的坐标系下的位置 电磁波的传播速度为3X108m s 而超声波在空气中的传播速度340m s 其速度相对电磁波是非常慢的 开始计时的时间差可以忽略 图3 1系统原理结构图 超声波室内定位系统的设计思路 室内定位算法 3 2 定位算法超声波测量定位采用三球定位原理 原理图如图4 1所示 图4 1三球定位原理图 将超声波的时间差定义为一组声波数据 声波数据与声速的乘积就为声源到达测量点的实际距离 利用三组超声波数据 可以对目标进行三球定位 三球定位法中目标的位置是由以各测点为圆心 以各测点同时测量目标的距离为半径的三个球的交点来确定 三个测点在测量坐标系中的位置坐标分别记为 X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 X3 Y3 Z3 被定位物体到达3个测量站的时间分别为 t1 t2 t3 超声波在空气中的传播速度为c 则利用三球进行定位的公式为 室内定位算法 式中c t1 R1 c t2 R2 c t3 R2 联立解以上方程组 就可以得到被定位物体的位置坐标 室内定位算法 第四章系统软硬件设计 系统硬件框图 超声波发射 接收电路框图 超声波室内定位系统硬件框图 超声波室内定位系统由主系统和携带机系统两部分构成 主系统由上位机 通信控制器 无线发射电路 超声波接收电路组成 如图3 1所示 图3 1超声波室内定位系统主机框图 携带机系统由单片机 无线接收电路 超声波发射电路及电源构成 携带机系统框图如图3 2所示 图3 2携带机系统框图 超声波室内定位系统硬件框图 首先 由计算机发射无线电信号 同时计算机通知各个控制点开始计时 当被跟踪的物体接收到无线电信号并确认ID正确后 由信号控制部分控制超声波发射模块发射超声波 当测量点接收到超声波后停止计时 并把时间 室内温度等数据打包通过RS一442接口传回给计算机 当相关数据传送完毕后 主控制系统开始计算并把计算结果显示在计算机上 由于一个控制点只能完成本控制点与物体之间距离的测量 所以本系统至少需要三个不在同一直线上的测量点 超声波室内定位系统硬件框图 超声波发射电路框图 超声波发射电路框图发射电路安装在被定位物体上 当被定位物体接收到无线电信号后 脉冲信号发射电路开始工作 产生40KHz方波信号 为增加测量距离 方波信号通过功率放大电路后再连接超声波传感器发射端 超声波发射电路框图如图所示 超声波发射电路框图 超声波接收电路框图 超声波接收电路框图当超声波传感器接收端接收到超声波时 将产生与发射端信号频率相同的微弱电压信号 再过RC选频电路 检波电路 整形电路后 变成标准的TTL信号送入单片机引发中断 从而记录本次超声波的传播时间 超声波接收电路框图如图所示 超声波接收电路框图 第五章实验结果分析 误差分析 实验数据分析 改进方法 误差分析 超声波自动定位仪的技术指标包括定位精度 响应速度等 通过测量本系统在半径30米的区间定位精度在5cm之内 响应速度为0 1秒 1 无线信号误差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 但为了提高测量精度 可以在软件设计上给予适当的时间补偿 2 波速的修正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 在通常情况下 上式中R M对超声波在空气中的传播速度影响不大 可视为常量看待 因此 我们只需要研究温度对声速的影响 表5 1列出了几种不同温度时的声速 误差分析 在本系统中 把温度量化 再和对应温度制成表格 通过查表的方式进行温度补偿 3 其他环境对超声波测量精度的影响1 空气湿度的影响超声波在空气介质中传播时 声波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 但在实际工作环境中 不会出现这种极端工作环境的变化 空气湿度对声速的影响最多不会超过1 而且 在本系统的工作环境中 空气湿度变化缓慢 此误差可以忽略不计 误差分析 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 0 6 在室内定位中 工作环境相对封闭 气压变化可以不予考虑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 会影响测量精度 在相对封闭的室内环境中 此误差因素可以忽略 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 误差分析 实验数据分析 5 2实验数据分析在室温 如 24 环境下 选取30cm 50cm 70cm 80cm 90cm lOOcm七个测量距离进行实验 实际测量结果列于表5 2中 通过分析可知 测量结果大多数要比实际测量结果大 可以用平均值作为测量结果来提高测量的准确度 实验数据分析 上述对测距的结果进行了分析 下面在实验空间内让一个点移动三次 每移动一次测试三次 结果如表5 3所示 如表所示 通过对定位数据的分析 本系统的误差未完全消除 测量结果于实际结果并不完全一致 但是测量结果比较稳定 具有一定