【文章內(nèi)容簡介】 便，采用回波測(cè)距發(fā)電路設(shè)計(jì)簡單。 缺點(diǎn)：誤差較大，需進(jìn)行較詳細(xì)的誤差分析。 超聲波空間定位系統(tǒng)原理 方案一 : 在三個(gè)相互垂直的墻壁面，反射測(cè)距系統(tǒng)安裝在主體中，該系統(tǒng)可以測(cè)量三個(gè)墻壁面與主體之間的長度。如果以三面互相垂直墻壁的交點(diǎn)作為為原點(diǎn)建立如下直角坐標(biāo) 系 ,則就可以得到主體的三個(gè)直角坐標(biāo)如圖 23所示。 圖 23 利用三面垂直的墻壁進(jìn)行定位 此方案在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到多種因素的限制。第一方面 ,超聲波傳感器務(wù)必需要和墻面基本保持垂直。另一方面，墻體表面應(yīng)光滑，不得有不均勻的情況。傳感器與墻壁之間不能有物體影響其測(cè)量。所以這種方案在實(shí)際應(yīng)用中很大程度上影響實(shí)際使用的效果。 方案二：在準(zhǔn)備定位的物體上放置超聲波的發(fā)射器，發(fā)射器根據(jù)特定的時(shí)間向周圍發(fā)射超聲波脈 , 為了接收超聲波脈沖信號(hào)需要在三個(gè)固定位置安裝超聲波接收器，根據(jù)超聲波到達(dá)接收器的時(shí)間長短，可以計(jì)算出 超聲波發(fā)射器的位置坐標(biāo)。如果是移 5 動(dòng)物體，通過連續(xù)測(cè)量，就可描繪出物體移動(dòng)軌跡?；蛘叻催^來，將待定位點(diǎn)作為接收，設(shè)置 3個(gè)以上發(fā)射點(diǎn)，依次發(fā)射，得到距離，計(jì)算方式相同。這個(gè)方式類似于 GPS定位。我選擇前一種方式，因?yàn)槿绻欢ㄎ灰粋€(gè)目標(biāo)，這樣速度比較快，只要發(fā)射一次即可得到三個(gè)距離。而后一方式需要三次以上。其次，超聲波速度較低，且由于檢測(cè)原因，似乎不能連續(xù)發(fā)射，需要有個(gè)間隔時(shí)間，所以用多次發(fā)射的方式定位移動(dòng)物體會(huì)有誤差，第一次到最后一次發(fā)射之間目標(biāo)已經(jīng)移動(dòng)了。我們現(xiàn)在來討論這個(gè)方案的： 設(shè)聲波在空氣中的速度為 v,發(fā)射器發(fā)射聲波到接收器接收聲波的時(shí)間為 t 則距離可求得為 : L=vt （ 25） 下面討論三位定位的算法 [2]2846，如圖 22 所示假設(shè)在 A(a,0,0)、 B（ 0,b,0）、 C (0,0,0)三個(gè)位置安裝上超聲波接收器，被測(cè)對(duì)象在 M(x,y,z)處，三個(gè)接收點(diǎn)到待定位物體的距離為，則有： 圖 22 超聲波定位原理圖 (26) (27) (28) 聯(lián)立上面的式子，解得： (29) (210) (211) 6 計(jì)算時(shí)可設(shè)計(jì)程序自動(dòng)省略負(fù)值，測(cè)量出距離 L1 L2 L3后，便可根據(jù)（ 29）至（ 211）式計(jì)算出三維的坐標(biāo)從而實(shí)現(xiàn)空間定位。 優(yōu)點(diǎn)：這種方法受到空間限制的條件比較少，如果主體和接收點(diǎn)之間存在障礙物，只要其不全部切斷超聲波的傳播，仍然可以工作。 缺點(diǎn)：由于發(fā)射與接收點(diǎn)的位置是固定的，回波法是很難實(shí)現(xiàn)的兩點(diǎn)測(cè)距。需采用發(fā)射與接受裝置的同步時(shí)差法測(cè)距法，同時(shí)要由高精度的計(jì)時(shí)裝置，這樣制作制作起來相對(duì)復(fù)雜。 綜上所述，每種定位系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)和推廣性，但是出于設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)性，決定采用空間定位中的第二種定位方案。 超聲波定位系統(tǒng)的組成 在實(shí)際實(shí)現(xiàn)應(yīng) 用中，我們知道超聲波定位系統(tǒng)和無線電定位有一定的區(qū)別。在無線電定位應(yīng)用中，各個(gè)發(fā)射點(diǎn)間的無線電信號(hào)能夠通過使用不同的頻率來分開 , 但是超聲波系統(tǒng)不能用這種方法來區(qū)別不相同的信號(hào)。所以我們使用地址編碼的無線觸發(fā)電路觸動(dòng)各發(fā)射點(diǎn)。 [3]4766例如，在超聲定位系統(tǒng)已經(jīng)固定發(fā)射點(diǎn)中，微處理器電路、超聲波接收電路和無線電編碼構(gòu)成了主要主體部分。電路的發(fā)射部分：發(fā)射電路和接收超聲發(fā)射編碼電路組成。超聲波定位系統(tǒng)組成如下圖 24 所示。 圖 24 超聲波定位系統(tǒng)的組成 該系統(tǒng)的工作過程是微處理器的第一選擇是需要啟 動(dòng)觸發(fā)發(fā)送地址，然后啟動(dòng)發(fā)射電路和啟動(dòng)計(jì)時(shí)，在一定的時(shí)間內(nèi)，通過微處理器首先選擇需要啟動(dòng)的觸發(fā)發(fā)射地址，接著啟動(dòng)發(fā)射電路和啟動(dòng)，在一定的時(shí)間內(nèi)，假如可以接收到信號(hào)就可以依據(jù)延遲的時(shí)間來計(jì)算主體目標(biāo)距離發(fā)射點(diǎn)的間隔距離。無線電波的傳輸時(shí)間可以忽略不計(jì)。如果不能在某一特定時(shí)間內(nèi)接收到信號(hào)，就可以知道主體的距離傳輸點(diǎn)的長度超出了可接收距離長度。開始接收下一發(fā)射點(diǎn)的信號(hào)，接受到足夠的發(fā)射點(diǎn)的信號(hào)后 ,就可以根據(jù)主體分別到各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的距離計(jì)算出主體位置坐標(biāo)。超聲波在空氣中的傳播速度會(huì)受到環(huán)境的影響發(fā)生變化 ,為了提高測(cè)量 的精度需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。 在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的聲速為 340m/s。取 L=50cm 為標(biāo)準(zhǔn)距離 ,測(cè)量其在實(shí)際環(huán)境條件下的傳輸時(shí)間 TS,則實(shí)際聲速為 L/TS。若主體到發(fā)射點(diǎn)的傳輸時(shí)間為 T,則校正后的實(shí)際距離為 S=T L/TS。 7 167。 3 超聲波傳感器 超聲波傳感器及其分類 超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的的 特性 來研發(fā)制作而成的，機(jī)械振動(dòng)頻率比聲波高的波被我們稱為超聲波。超聲波的頻率比較高，其次波長短和繞射現(xiàn)象不明顯，而且具有方向性好的，能量消耗緩慢，能長距離傳播等優(yōu)點(diǎn)。在固液體中超聲波它的穿透能力非常強(qiáng)大，陽光下不是透明的固體中這種本領(lǐng)表現(xiàn)得比較明顯，其穿透深度可達(dá)到幾十米。 [4]138152 超聲波碰到雜質(zhì)或界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。所以，在醫(yī)學(xué)界，國防，工業(yè)等領(lǐng)域超聲波的檢測(cè)被人們所廣泛使用。 出于研究與利用超聲波的目的，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)并研制了各種各類的超聲波發(fā)生器。一般來說，超聲波發(fā)生器可以分為兩種類型：一是由電氣方法生成，另一種是通過機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。壓電、磁致伸縮與電動(dòng)型等是由電氣方式產(chǎn)生超聲波；加爾統(tǒng)笛，液哨，氣流旋笛等都是由機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。因?yàn)樗鼈兯a(chǎn)生的超聲波頻率、功率和聲波特性各不相同，所以用途也各不相同。目前最受歡迎的是壓電超聲發(fā)生器。 壓電超聲波發(fā)生器的壓電晶體諧振器工作時(shí)被使用，由兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板構(gòu)成。當(dāng)施加脈沖信號(hào)在壓電超聲波發(fā)生器的兩極，如果想壓晶片電共振時(shí)，使 壓電式超聲波發(fā)生器的頻率與壓電晶片振蕩頻率需要相等。壓電共振板的振動(dòng)能產(chǎn)生超聲波。相反，假如兩極之間不外加電壓，超聲波被共振板接收到后，就會(huì)使壓電晶片發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)機(jī)械能與電信號(hào)間轉(zhuǎn)換，此刻它就變成了超聲波接收器。 超聲波傳感器原理 人們可以聽到在 20Hz 到 20kh 頻率的聲音，不在這個(gè)范圍內(nèi)的聲音的頻率可分為低頻聲波和超聲波，小于 20Hz 的稱為低頻率的聲波，大于 20kHz 以上的聲音我們稱之為超聲波。 超聲波傳感器有發(fā)射器與接收器，如果一個(gè)超聲波傳感器同時(shí)具備發(fā)射與接收聲波的功能，稱之為可逆元件 。超聲波傳感器可分為專用型和兼用型，市面上能買到的是這兩個(gè)類型，專用類型即發(fā)射器僅用于發(fā)射超聲波，接收器只能接收超聲；發(fā)射器和接收器作為一個(gè)整體的傳感器稱為兩用型傳感器，它可以同時(shí)發(fā)送和接收超聲波。23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等頻率是超聲波傳感器常見的諧振頻率。諧振頻率越高，檢測(cè)距離較短，且分辨率高。使用壓電效應(yīng)的原理超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)電能與超聲波之間的互相轉(zhuǎn)化，也就是說在發(fā)射超聲波的同時(shí)，能夠完成電能轉(zhuǎn)化為發(fā)射超聲波的功能；而在接收的回波中，超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波的特性 超聲波具有以下特性： (1)束射特性：超聲波的波長較短，超聲波輻射和光的特性相同，能夠反射，折射與聚焦，并符合幾何光學(xué)的定律。可以這樣認(rèn)為，當(dāng)超聲波的射線由一種物質(zhì)的外表反射時(shí)，入射角與反射角相等，如果射線通過某種物質(zhì)進(jìn)入到另一種密度不相同的物質(zhì)也能發(fā)生折射作用，密度的差異越大的兩種不同物質(zhì)，折射也會(huì)越大。 (2)吸收特性：聲波在各類物質(zhì)中傳播時(shí)，伴隨傳播間隔的增長，聲波的強(qiáng)度會(huì)逐步減弱，這是因?yàn)橛形镔|(zhì)要吸取掉它的能量。同樣的材料，聲波頻率高，吸收強(qiáng)。 8 同樣頻率的聲波，它在氣體中 運(yùn)動(dòng)過程中被吸掉最多，而處于液體的傳播中吸取相對(duì)較少，在固體中穿越的吸收最少。 (3)超聲波能量的傳送特性：超聲波在工業(yè)部門中被廣泛的應(yīng)用，關(guān)鍵是因?yàn)榫哂斜嚷暡◤?qiáng)大很多的功率。超聲波的超聲波到達(dá)一個(gè)物質(zhì)后具有強(qiáng)大的能量，超聲波有如此巨大的功率，當(dāng)超聲波進(jìn)入某一種物質(zhì)時(shí)其能夠讓物體中的分子發(fā)生振動(dòng)，分子振動(dòng)頻率與超聲波的頻率一樣，分子速度由分子的振動(dòng)頻率的確定，頻