GPS水下超声定位实验解析

GPS水下超声定位实验振动频次高于20KHZ的声波称之为超声波。超声波拥有方向性强、反射性强和功率大的特色，所以，超声技术的应用几乎遍布工农业生产、医疗卫生、科学研究及国防建设等方面。利用超声波作为定位技术也是蝙蝠等生物作为防守及捕获猎物的手段。超声波是一种弹性机械波，它在水中可实现远距离流传，所以在声纳、超声波鱼群探测仪等获得了广泛的研究和应用，近来在机器人的阻拦探测方面也应用相当广泛。本文介绍的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，运用单片机进行办理和控制，利用自编的软件进行实验数据的办理和分析，进而使学生经过实验进一步认识到水下超声定位的原理。[实验目的]1、用时差法丈量声速和距离2、认识声纳原理，用超声波定位目标[实验原理]1、丈量仪的电路构造水下超声定位仪的电路构造构成如图1所示，整个系统由89C51系列单片机来控制，启动丈量时，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，当这个脉冲抵达被测目标时，发生反射，经水的流传被超声波接收器接收，再由放大电路进行滤波放大，使单片机产生中止，计数停止，数码显示器把测得的时间显示并可由单片机将该数据进行储蓄，同时可从换能器的旋转盘读取方向角度值，由此实现定位的功能。数码显示及存储单片处理及发射电路发射换能器被测物体控制接收电路接收换能器图1水下超声定位仪的电路图2、超声波的定位原理超声波探测物体的地点是经过测距和测角同时来确立的。超声波测距的方法好多，例如渡越时间测距法、声波幅值测距法、相位测距法，它们各有各自的特色，但用的最多的是渡越时间测距法，本本仪器采纳的就是超声波渡越时间测距法。其工作原理以下：检测从超声波发射器发出的超声波，经水介质的流传到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与水中的声速v相乘，就是声波传输的距离。因为在该仪器中，利用单片编程把传输时间除以了2，所以数码显示器显示的时间就是探测器到被测物的时间t，其探测到的距离l，以下式所示：lvt（1）对（1）式两边微分可得：dlvdttdv（2）式（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v看作常量，则（2）式可简化为：dlvdtvf（3）式（3）表示：计时电路的计时频次越高，传感器的测试精度越高，所以我们在设计时把计时频次设计在2MHZ，时间分辨率为s。超声波的流传速度受介质温度影响最大，超声波速度v与环境温度的关系可由以下经验公式给出：v4T273.16（4）同时该温度下的速度v也可利用逐差法经过实测的方法求得，而目标目标的角度丈量可直接从换能器的方向旋转刻度盘读取。对目标的进行定位，知道它相对参照点0处于什么地点，能够用直角坐标描绘，也可以用极坐标描绘，本实验用极坐标来描绘目标地点，如图2所示，知道l和Ф就确立目2标方向，l的丈量用超声波。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1r器待附件构成。被测物1挂在拥有丝杆装置可使其沿容器半径方向做径向挪动的横梁2上，即被测物体可位于横梁任一地点。同时，横梁2能够绕容器中心O旋转，3是换能器O与可读取方向角度值Ф的旋转盘。我们设计P的仪器横梁转动角度θ的变化范围是-90°到+90°，换能器转动角度Ф范围也是-90°

到+90°，被测物在圆柱半径方向能够在03到之间变化。3、实验数据的计算第一，在初始时辰，当换能器置于Ф=0°图2实验模拟装置的构造与坐标时，仪器横梁也处在θ=0°地点，即在同一直径上，此时能够利用经验公式（4）求取v（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t，进而可求出探测器到圆柱体容器中心的长度Pvtp，进而达成p仪器的定标。此后，我们利用被测物1、换能器2的地点与角度以及圆柱体容器中心O三噗构成三角形，依据余弦定理可得：2l2PlrP2cos（5）arccos222Prl2rP（6）此中r和表示了依据实测所获得的实验值。为了使同学在实验中便于比较，我们在软件中确立被测物体能够做三种形式的运动，所以在软件开发时我们设定了直线段、圆弧、抛物线三种标准曲线。只需在开始实验时，确立好被测物的运动轨迹、初步点与终点坐标、角度步长和长度步长r，该软件即可给出被测物的运动轨迹上每一个丈量点坐标的理论值r与θ。学生在实验达成后，将所得实验结果输入计算机，该软件即可自动用列表与画图的方式给出实验结果（r、）与理论值（r、θ）的相对偏差及运动轨迹图。[实验仪器]GPS水下超声定位仪一套，示波器（选配）[实验内容]1、定标，求传感器到圆柱体容器中心的长度P丈量实验室的温度，利用公式（4）算出目前温度下，声波在水中的流传速度。也能够在Ф和θ=0°时，被测物每挪动丈量一次时间，最少丈量10次，此后用受逐差法通过实测的方法来求得该温度下的速度v。用仪器所所带的薄铜片挂在圆柱体容器中心的锣钉上，丈量时间，计算长度P。2、运动轨迹追踪确立好被测物的运动轨迹、初步点与终点坐标、角度步长和长度步长r，用软件即可给出该被测物的运动轨迹上每一个丈量点坐标的理论值r与θ，将被测物每搁置一个位置丈量一次时间和角度Ф。学生可利用被测物、换能器的地点与角度以及圆柱容器中心三点构成的三角形，依据余弦定理求得r和。[数据与结果]1、记录实验室的温度。2、自拟表格记录全部的定标实验数据。表格的设计要便于用逐差法求相应公司的差值和计算。（1）被测物作直线运动运动轨迹坐标的理论值（r、i）和依据实测结果利用软件所得的实验值（r、）i见表1，绘出实验与理论计算所得的运动轨迹，参数坐标转变成直角坐标。表1直线运动丈量结果编号（i）12345678r（cm）ir（cm）irr100﹪i（rad）i（rad）100﹪（2）被测物沿圆周运动运动轨迹坐标的理论值（ri、i）和依据实测结果利用软件所得的实验值（r、）见表2，绘出实验与理论计算所得的运动轨迹，参数坐标转变成直角坐标。表2圆周运动丈量结果编号（i）12345678r（cm）ir（cm）irr100﹪i（rad）i（rad）100﹪[附录]1、GPS水下超声定位仪的使用说明超声GPS定位实验仪是利用仪器发射超声波，此后接收超声波的回波来探测目标的距离。因为仪器发出的超声波电信号频次高达兆赫兹量级，声波的指向性很好，这样就能够得到方向，进而确立目标的地点。（1）发射输出接发射传感器，接收输入接接收传感器，接收输出接示波器，示波器时间衰减放在100s档，幅值衰减放在档，探头衰减放在10档。（2）按下电源电源开关，蓝色发光二极管亮，LED显示窗口假如显示“0”，表示接收传感器没有接收到回波。转动方向杆，超声波碰到目标，显示窗口会显示某一值，表示回波，同时在示波器上能够观察到回波信号，示波器上获得的时间是显示窗口的两倍。（3）时间和方向角储蓄：按一下储蓄键，微办理器自动将时间存入。存入时间后，微办理器控制蓝色发光二极管和红色二极管交替亮一下，表示存入正常。按一下角度键，红色发光二极管亮，LED显示窗口显示“0”。读出方向杆上角度值，经过数字和点按键输入，输入值不可以够超出四位，不然自动清零。输入错误，也能够用“除掉”键更正，以为角度值正确，按一下储蓄键，微办理器自动将角度存入。存入角度值后，微办理器控制蓝色发光管和红色发光管交替亮一下，表示存入正常，同时微办理器自动将第几次储蓄值存入（一次时间和一次角度算一次存入值）。（4）检查功能的使用：在丈量回波时间的状态下，蓝色发光二极管亮，按一下检查键，LED显示窗口显示“0”，等候输入检查哪一次，输入的检查哪一次的次数要小于存入的次数，否则微办理器不予办理。输入检查哪一次的值要小于存入的次数，微办理器办理，先显示检查次的次数，同时蓝色发光管和红色发光管全亮；再显示时间，蓝色发光管和红色发光管交替亮一下；最后显示角度值，蓝色发光管的红色发光管交替亮一下，假如无任何键按下，微处理器重复显示刚才的值。假如向来按下检查键，微办理器自动往上显示检查次的值、时间、角度值，直到最大的储蓄值。（5）退出检查功能：在LED显示窗口显示“0”或许微办理器重复显示刚才的值状况下，向来按下“除掉”键，回到丈量回波时间的状态下。仪器在使用的过程中碰到忽然断电的状况，数据将抛弃。2、实验数据计算实例（1）定标因为利用温度法计算声波的速度很简单，故在此仅介绍逐差法求速度，实验数据如表3所示。表3S（mm）140.0

T（s）118125131138145151158164171173利用逐差法可得挪动1mm所需的时间为：t15111815812516413117113818914561025s则可求得声波的速度为：310.010速度1508m/sv66.6310已知tps，故可得探头到中心的距离为：6Pvt83.6101508p（2）被测物作直线运动运动轨迹坐标的理论值（ri、i）和依据实测结果利用软件所得的实验值（r、）见表1，其实验与理论计算所得的运动轨迹如图3所示，在该图中参数坐标已转变成直角坐标。表1直线运动丈量结果编号（i）12345678r（cm