GPS声纳定位实验精确度研究

1、GPS声纳定位实验精确度研究指导老师 竺江峰 A05信息 刘学浩 8号 许松金 9号 摘要:水下超声定位演示仪利用了渡越时间测距及方向角检测法进行定位，运用单片机进行处理和控制，利用自编的软件进行实验数据的处理和分析。关键词:GPS、超声波、水下声速、换能器转换角度水下超声定位仪的电路结构组成如图39-1所示，整个系统由89C51系列单片机来控制。启动测量时，由单片机每隔20ms发出数个1MHz的超声波,驱动超声波发射器的功率电路发射出超声脉冲，同时启动单片机的计时器。当脉冲到达被测目标时，发生反射，经水的传播被超声波接收器接收，再由放大电路进行滤波放大，使单片机产生中断,计数停止，数码显示器

2、把测得的时间显示并由单片机将该数据进行存储，同时可从换能器的旋转盘上读取方向角度值，由此实现定位的功能。 数码显示及存储单片处理及控制接收电路发射换能器接收换能器被测物体发射电路 图39-1 水下超声定位仪的电路结构 超声波探测物体的位置是通过测距和测角同时来确定的。超声波测距的方法较多，例如渡越时间测距法、声波幅值测距法、相位测距法。它们各有各自的特点，但用得最多的是渡越时间测距法，本仪器采用的就是超声波渡越时间测距法。其工作原理如下：检测从超声波发射器发出的超声波，经水介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与水中的声速相乘，就是声波传输的距离。由于在该仪器中，利用计算机程序中已将传

3、输时间除以2，因此数码显示器显示的时间就是探测器到被测物的时间，其探测到的距离，如下式所示： (39-1)对(39-1)式两边微分可得： (39-2)式(39-2)说明，超声波测距传感器的测试精度是由渡越时间和声速两个参数的精度决定。如将看作常量，则（39-2）式可简化为： (39-3)式(39-3)表明：计时电路的计时频率越高，传感器的测试精度越高，因此我们在设计时把计时频率设计在24MHz,时间分辨率为0.5us。超声波的传播速度受介质温度影响最大，超声波速度与环境温度T的关系可由以下经验公式给出 ： (39-4)同时该温度下的速度也可利用逐差法通过实测的方法来求得，而目标的角度测量可直接

4、从换能器的方向旋转刻度盘读取。rO123P图39-2 实验装置的结构与坐标关系l对目标进行定位。知道目标的相对参考点处于什么位置，可以用直角坐标描述，也可以用极坐标描述，本实验用极坐标来描述目标位置，如图39-2所示，知道和就确定了目标方位， 的测量用超声波。实验模拟装置由圆柱体容器以及安装在容器壁上的探测传感器等附件组成。被测物1挂在具有丝杆装置可使其沿容器半径方向作径向移动的横梁2上，即被测物可位于横梁任一位置。同时横梁2可以绕容器中心O旋转，3是换能器与可读取方向角度值的旋转盘。我们设计的仪器横梁转动角度 的变动范围是90° +90°，换能器转动角度范围也是从90&#

5、176; +90°，被测物在圆柱半径方向可以在018.0cm之间变化。首先，在初始时刻，当换能器置于=0º时，仪器横梁也处在位置，即在同一直径上，此时可以利用经验公式(39-4)求取（亦可利用逐差法测出超声波的波速）。利用测量仪测出回波的时间，从而可求出探测器到圆柱体容器中心的长度，从而完成仪器的定标。然后，我们利用被测物1、换能器3的位置与角度以及圆柱体容器中心O三点构成的三角形，根据余弦定理可得： (39-5) (39-6)其中和表示了根据实测所得到的实验值。为了使同学们在实验中便于比较，我们在软件中确定被测物可以作三种形式的运动，因此在软件开发时我们设定了直线段、圆弧

6、、抛物线三种标准曲线。只要在开始实验时，确定好被测物的运动轨迹、起始点与终点坐标、角度步长和长度步长，该软件即可给出该被测物的运动轨迹上每一个测量点坐标的理论值与。学生们在实验完成后，将所得实验结果输入计算机，该软件即可自动用列表与绘图的方式给出实验结果（，）与理论值（，）的相对误差及运动轨迹图。实验数据记录实验室的温度：T=11.85度，从换能器到中心的时间：自拟表格记录所有的定标实验数据。表格的设计要便于用逐差法求相应位置的差值和计算。3.704.705.706.707.708.709.7010.7011.7012.701181251321391461531601671741811428.

7、571428.571428.571428.571428.57V（m/s）1428.57被测物作直线运动运动轨迹坐标的理论值和根据实测结果利用软件计算所得的实验值见表39-1，绘出实验与理论计算所得的运动轨迹，参数坐标转变为直角坐标。表39-1 直线运动测量结果编号（i）12345678169160151143134127119109L(cm)24.1422.8621.5720.4319.1418.1417.0015.57P(cm)13.1413.1413.1413.1413.1413.1413.1413.14(度)30.226.524.621.919.216.513.29.4cos0.8643

8、0.89490.90920.92780.94440.95880.97360.9866（cm）14.0012.5011.009.508.006.505.003.50(cm)14.3912.5511.079.587.996.685.173.382.8%0.40%0.62%0.87%-0.13%2.79%3.31%-3.56%(度)6060606060606060（度）57.554.454.252.751.950.548.748.9-4.09%-9.40%-9.63%-12.22%-13.49%-15.89%-18.80%-18.52%被测物沿圆周运动运动轨迹坐标的理论值和根据实测结果利用软件计算所

9、得的实验值见表39-2。绘出实验与理论计算所得的运动轨迹，参数坐标转变为直角坐标。表39-2 圆周运动测量结果编号（i)1234567816317518418918918417516324.2126.0027.3328.0828.0827.3026.0024.21(度)-29.8-23.2-15.6-8.28.315.823.529.513.1413.1413.1413.1413.1413.1413.1413.14(cm)15.0015.0015.0015.0015.0015.0015.0015.00COS0.86780.91910.96320.98980.98950.96220.91710.

10、8704（cm）14.3814.8515.1015.1915.1915.1214.9014.32-4.13%-0.99%0.65%1.25%1.29%0.80%-0.67%-4.51%(度)-60-45-30-1515304560（度）-56.8-43.6-29.1-15.315.529.544.156.4-5.32%-3.11%-2.88%1.92%3.14%-1.71%-2.02%-6.07%实验结果及分析 在被测物直线移动过程中，随着的减小能器的距离也相应减小，角度步长的增大，由于被测物体的直径大，以及换能器的检测具有一定的范围，导致换能器不一定正视被检测物体，又为超声速速度过快，使得当

11、被测物体与换能器的距离越来越小时，的误差也越来越大。在被测物作圆周移动过程中，随着向两边增大与换能器的距离逐渐减小，因为相对取的较大，一定程度上减小了实验误差，因此所测得的数据以及数据处理结果都相对比较接近理论值。在实验过程中，由于人为的调整换能器角度，使得产生较大的误差，而实验使用的铁棒直径较大也使实验产生一定的误差，对于刻度迟的读数读取不够准确，在经过复杂的运算过程中保留了部分位数都使本实验产生一定的误差，传播介质的纯净度也影响实验效果。直线运动理论数据及图表x12.10 11.19 10.00 8.81 7.56 6.23 4.87 3.45 y7.04 5.58 4.58 3.54 2

12、.63 1.85 1.14 0.57 直线运动实验所得数据及图表x4.75 4.61 4.51 4.34 4.14 3.89 3.54 3.02 y2.76 2.30 2.06 1.75 1.44 1.15 0.83 0.50 圆周运动理论数据及图表x13.02 13.79 14.45 14.85 14.84 14.43 13.76 13.06 y-7.45 -5.91 -4.03 -2.14 2.17 4.08 5.98 7.39 圆周运动实验测得数据及图表x12.48 13.65 14.54 15.03 15.03 14.55 13.66 12.46 y-7.15 -5.85 -4.06 -2.17 2.19 4.12 5.94 7.05 故理论得到验证改进与创新：在实验中人为调整换能器角度容易产生