【文章內(nèi)容簡介】 便，采用回波測距發(fā)電路設計簡單。 缺點：誤差較大，需進行較詳細的誤差分析。 超聲波空間定位系統(tǒng)原理 方案一 : 在三個相互垂直的墻壁面，反射測距系統(tǒng)安裝在主體中，該系統(tǒng)可以測量三個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作為為原點建立如下直角坐標 系 ,則就可以得到主體的三個直角坐標如圖 23所示。 圖 23 利用三面垂直的墻壁進行定位 此方案在實際應用中會受到多種因素的限制。第一方面 ,超聲波傳感器務必需要和墻面基本保持垂直。另一方面，墻體表面應光滑，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量。所以這種方案在實際應用中很大程度上影響實際使用的效果。 方案二：在準備定位的物體上放置超聲波的發(fā)射器，發(fā)射器根據(jù)特定的時間向周圍發(fā)射超聲波脈 , 為了接收超聲波脈沖信號需要在三個固定位置安裝超聲波接收器，根據(jù)超聲波到達接收器的時間長短，可以計算出 超聲波發(fā)射器的位置坐標。如果是移 5 動物體，通過連續(xù)測量，就可描繪出物體移動軌跡?；蛘叻催^來，將待定位點作為接收，設置 3個以上發(fā)射點，依次發(fā)射，得到距離，計算方式相同。這個方式類似于 GPS定位。我選擇前一種方式，因為如果只定位一個目標，這樣速度比較快，只要發(fā)射一次即可得到三個距離。而后一方式需要三次以上。其次，超聲波速度較低，且由于檢測原因，似乎不能連續(xù)發(fā)射，需要有個間隔時間，所以用多次發(fā)射的方式定位移動物體會有誤差，第一次到最后一次發(fā)射之間目標已經(jīng)移動了。我們現(xiàn)在來討論這個方案的： 設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 所示假設在 A(a,0,0)、 B（ 0,b,0）、 C (0,0,0)三個位置安裝上超聲波接收器，被測對象在 M(x,y,z)處，三個接收點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 計算時可設計程序自動省略負值，測量出距離 L1 L2 L3后，便可根據(jù)（ 29）至（ 211）式計算出三維的坐標從而實現(xiàn)空間定位。 優(yōu)點：這種方法受到空間限制的條件比較少，如果主體和接收點之間存在障礙物，只要其不全部切斷超聲波的傳播，仍然可以工作。 缺點：由于發(fā)射與接收點的位置是固定的，回波法是很難實現(xiàn)的兩點測距。需采用發(fā)射與接受裝置的同步時差法測距法，同時要由高精度的計時裝置，這樣制作制作起來相對復雜。 綜上所述，每種定位系統(tǒng)各有優(yōu)缺點和推廣性，但是出于設計的現(xiàn)實性，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 在實際實現(xiàn)應 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。在無線電定位應用中，各個發(fā)射點間的無線電信號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。所以我們使用地址編碼的無線觸發(fā)電路觸動各發(fā)射點。 [3]4766例如，在超聲定位系統(tǒng)已經(jīng)固定發(fā)射點中，微處理器電路、超聲波接收電路和無線電編碼構成了主要主體部分。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 動觸發(fā)發(fā)送地址，然后啟動發(fā)射電路和啟動計時，在一定的時間內(nèi)，通過微處理器首先選擇需要啟動的觸發(fā)發(fā)射地址，接著啟動發(fā)射電路和啟動，在一定的時間內(nèi)，假如可以接收到信號就可以依據(jù)延遲的時間來計算主體目標距離發(fā)射點的間隔距離。無線電波的傳輸時間可以忽略不計。如果不能在某一特定時間內(nèi)接收到信號，就可以知道主體的距離傳輸點的長度超出了可接收距離長度。開始接收下一發(fā)射點的信號，接受到足夠的發(fā)射點的信號后 ,就可以根據(jù)主體分別到各個發(fā)射點的距離計算出主體位置坐標。超聲波在空氣中的傳播速度會受到環(huán)境的影響發(fā)生變化 ,為了提高測量 的精度需要對測量結果進行校正。 在標準環(huán)境條件下的聲速為 340m/s。取 L=50cm 為標準距離 ,測量其在實際環(huán)境條件下的傳輸時間 TS,則實際聲速為 L/TS。若主體到發(fā)射點的傳輸時間為 T,則校正后的實際距離為 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，機械振動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。在固液體中超聲波它的穿透能力非常強大，陽光下不是透明的固體中這種本領表現(xiàn)得比較明顯，其穿透深度可達到幾十米。 [4]138152 超聲波碰到雜質(zhì)或界面會產(chǎn)生顯著反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。所以，在醫(yī)學界，國防，工業(yè)等領域超聲波的檢測被人們所廣泛使用。 出于研究與利用超聲波的目的，人們已經(jīng)設計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，另一種是通過機械方式產(chǎn)生超聲波。壓電、磁致伸縮與電動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械方式產(chǎn)生超聲波。因為它們所產(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被使用，由兩個壓電晶片和一個共振板構成。當施加脈沖信號在壓電超聲波發(fā)生器的兩極，如果想壓晶片電共振時，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，就會使壓電晶片發(fā)生振動，此時機械能與電信號間轉換，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，如果一個超聲波傳感器同時具備發(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整體的傳感器稱為兩用型傳感器，它可以同時發(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，檢測距離較短，且分辨率高。使用壓電效應的原理超聲波傳感器可以實現(xiàn)電能與超聲波之間的互相轉化，也就是說在發(fā)射超聲波的同時，能夠完成電能轉化為發(fā)射超聲波的功能；而在接收的回波中，超聲振動轉換成電信號。 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，并符合幾何光學的定律?？梢赃@樣認為，當超聲波的射線由一種物質(zhì)的外表反射時，入射角與反射角相等，如果射線通過某種物質(zhì)進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)，折射也會越大。 (2)吸收特性：聲波在各類物質(zhì)中傳播時，伴隨傳播間隔的增長，聲波的強度會逐步減弱，這是因為有物質(zhì)要吸取掉它的能量。同樣的材料，聲波頻率高，吸收強。 8 同樣頻率的聲波，它在氣體中 運動過程中被吸掉最多，而處于液體的傳播中吸取相對較少，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)部門中被廣泛的應用，關鍵是因為具有比聲波強大很多的功率。超聲波的超聲波到達一個物質(zhì)后具有強大的能量，超聲波有如此巨大的功率，當超聲波進入某一種物質(zhì)時其能夠讓物體中的分子發(fā)生振動，分子振動頻率與超聲波的頻率一樣，分子速度由分子的振動頻率的確定，頻