【正文】 21 5. 實(shí)驗(yàn)分析 ........................................................ 22 射頻發(fā)射距離測(cè)試 ........................................... 22 超聲波發(fā)射距離測(cè)試 ......................................... 23 系統(tǒng)整體測(cè)試 ................................................ 25 6. 結(jié)果與展望 ...................................................... 26 系統(tǒng)實(shí)物圖 ................................................. 26 小結(jié)與展望 ................................................. 28 III 第頁(yè) 參考文獻(xiàn) ........................................................... 30 致 謝 ............................................................. 31 1 第頁(yè) 內(nèi)容摘要 隨著超聲波測(cè)距精度的不斷提高，超聲波定位技術(shù)也 發(fā)展得 日趨 成熟，并且在 工業(yè)、 農(nóng) 業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品加工等 各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 系統(tǒng)以超低功耗的 MSP430 單片機(jī)作為主控芯片，由三個(gè)懸掛在空中固定位置處的節(jié)點(diǎn)和一個(gè)在地面二維 直角坐標(biāo)系中 移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)組成 。 最后 ， 通過(guò)實(shí)際 實(shí)驗(yàn)測(cè)試并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析 ， 得到 了 系統(tǒng) 各個(gè)模塊的 性能指標(biāo)和整體定位精度，并且提供了 各部分 的實(shí)物圖。但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無(wú)法很好地利用。 —— GPS 技術(shù) ： GPS 是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù) ， 利用 GPS 進(jìn)行定位的優(yōu)勢(shì)是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導(dǎo)航信號(hào) 免費(fèi)。 —— 紅外線 技術(shù) ： 紅外線 定位技術(shù) 雖然 具有相對(duì)較高的室內(nèi)定位精度， 但是只能在 直線視距 內(nèi)傳播、 傳輸距離較短，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。其不足在于藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格比較昂貴，而且對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大。 然而，由于 射頻標(biāo)識(shí)的 作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中 ，因此這種定位技術(shù)也存在一定 局限性 。 —— WiFi 技術(shù) ： WiFi 定位是無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)之 的一種定位解決方案。但無(wú)論是用于 4 第頁(yè) 室內(nèi)還是室外定位， WiFi 收發(fā)器都只能覆蓋半徑 90 米以?xún)?nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號(hào)的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實(shí)現(xiàn)定位。 —— 超聲波技術(shù) ： 超聲波在對(duì)障礙物進(jìn)行定位方面具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)： （ 1）超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體 (如玻璃、拋光體 )；（ 2）對(duì)外界光線和電磁場(chǎng) 不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中；（ 3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化。 與其他定位技術(shù)相比，超聲波 能滿(mǎn)足較高精度定位的要求， 而且設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低， 在實(shí)驗(yàn)室 實(shí)現(xiàn)容易，所以本文選擇超聲波來(lái)進(jìn)行定位。 系統(tǒng)的 移動(dòng)節(jié)點(diǎn) 由微 處理機(jī)電路、超聲波接收電路和無(wú)線電編碼觸發(fā)電路組成， 固定節(jié)點(diǎn) 由超聲波發(fā)射電路和無(wú)線電編碼接收電路組成。 西安交通大學(xué)電信學(xué)院的雷 鳴 靂 、 周功道 、 馮祖 仁 通過(guò)分析超聲波回 波反射法定位存在的缺點(diǎn)， 針對(duì)在環(huán)境已知的室內(nèi)移動(dòng) 機(jī)器人的定位問(wèn)題 ， 提出了一種新的定位方法 —— 基于偽碼相關(guān)技術(shù)的超聲波 — 無(wú)線電定位法 [2]。 華中科技大學(xué)國(guó)家水電能源仿真實(shí)驗(yàn)室的楊敏華、李利軍、李朝暉結(jié)合 5 第頁(yè) PowerWal立體投影顯示設(shè)備和 SGI OCTANE圖形處理 工作站，介紹了一種新穎的超聲波三維空間定位系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)，及 該系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實(shí) 系統(tǒng)中的應(yīng)用，提供了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的精確定位方式 [3]。由于該系統(tǒng)具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、對(duì)光線不敏感和無(wú)電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，很適合在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。 日本獨(dú)立行政法人港口及機(jī)場(chǎng)研究所建設(shè)與控制系統(tǒng)部門(mén)的 Kshira、 和 ，利用 3 個(gè) GPS 天線和 4個(gè)超聲波接收機(jī)配合一個(gè)超聲波發(fā) 射器，研制出了誤差在 10cm 以?xún)?nèi)的水下超聲波定位系統(tǒng) [4]，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮到各個(gè)方面的因素對(duì)系統(tǒng)誤差的影響，對(duì)傳播時(shí)間的測(cè)量和聲速的校正做了較嚴(yán)密的工作，并與傳統(tǒng)的定位方法進(jìn)行了對(duì)比，體現(xiàn)出了他們所研制的系統(tǒng)的優(yōu)越性。為了保證 實(shí)現(xiàn) 室內(nèi)的三維定位，他們 在每個(gè)圓柱形的 超聲波 發(fā)射頭上連接了一個(gè)圓錐形的反射換能器 [5]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)能夠在室內(nèi)的三維范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很好的定位。 此外，以超低功耗的 MSP430 單片機(jī)作為主控芯片 是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大特色 ， 由于 MSP430 單片機(jī)有五種低 功耗模式，為系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì) 提供了保障 。在我們的共同努力下，最終設(shè) 6 第頁(yè) 計(jì)并實(shí)現(xiàn)了此系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期的工作目標(biāo)。 2. 超聲波定位系統(tǒng)原理 超聲波與超聲波傳感器 超聲波簡(jiǎn)介 聲波是屬于聲音的類(lèi)別之一，屬于機(jī)械波 。超聲波是指振動(dòng)頻率大于 20KHz以上的 聲波 ,其每秒的振動(dòng)次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽(tīng)覺(jué)的上限（ 20KHz）。 當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，包括以下 4 種效應(yīng)： 1） 機(jī)械效應(yīng)。當(dāng)超聲波 在 流體介質(zhì)中形成駐波時(shí) ,懸浮在流體中的微小顆粒因受 機(jī)械力的作用而凝聚在波節(jié)處 ， 在空間形成周期性的堆積。 7 第頁(yè) 2） 空化作用。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液體的氣體過(guò)飽和，而從液體逸出，成為小氣泡?？斩磧?nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。破滅時(shí)周?chē)后w突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時(shí)產(chǎn)生激波。在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空化作用有關(guān)。由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過(guò)程也有明顯影響。 超聲波具有如下特性： 1） 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 3） 超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 基于超聲波的這些特點(diǎn)， 超聲效應(yīng)已廣泛用于實(shí)際，主要有如下幾方面： 1） 超 聲檢驗(yàn)。 2） 超聲處理。 3） 基礎(chǔ)研究。通過(guò)物質(zhì)對(duì)超聲 的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。它是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。 2）工作溫度。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。主要取決于制造晶片本身。 圖 中心頻率為 40KHZ 的超聲波傳感器的頻率特性曲線 [6]，它反映超聲波 傳感器的靈敏度與頻率之間的關(guān)系。為此，發(fā)射超聲波時(shí)要充分考慮到偏離中心頻率。因此，在使用中，一定要用接近中心頻率的交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器。 圖 超聲波傳感器的頻率特性 超聲波的定位原理 常用超聲波測(cè)距方法 在超聲波定位系統(tǒng) 中 ， 測(cè)距精度的高低對(duì)系統(tǒng)性能的好壞起著至關(guān)重要的作用，因此， 測(cè)距方法的選取往往是決定系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。 1） 包絡(luò)檢測(cè)法：包絡(luò)檢測(cè)法是將接收到的回波信號(hào)做成包絡(luò)線， 將 接收回波的包絡(luò)線大于門(mén)限值 的 時(shí) 間 確定為回波到達(dá)的時(shí)間 [6]。 一般情況下， 可以利用自適應(yīng)包絡(luò)檢測(cè)方法來(lái)改善這種方法。當(dāng)波觸及物體前壁面時(shí) , 有幾個(gè)振蕩周期的窄帶隨機(jī)波產(chǎn)生 , 稱(chēng)為始波 , 與此同時(shí) , 還有一部分超聲波滲入被測(cè)物體 , 觸及物體的后壁面 , 又可得到振蕩的回波 , 稱(chēng)為底波。但是，這種方法存在以下兩個(gè)缺點(diǎn) [2]： 測(cè)距精度較低：超聲波測(cè)距儀工作于單脈沖方式，測(cè)距精度主要取決于回波信號(hào)的信噪 比，在信噪比一定的情況下，通過(guò)增加前置運(yùn)算放大電路的增益也不 10 第頁(yè) 能滿(mǎn)足要求。 3） 到達(dá)時(shí)間測(cè)量法： 這種方法 一般情況下 將 超聲波的發(fā)射和接收傳感器 置于 同一端 ， 超聲波發(fā)射出去后，遇到障礙物就會(huì)被反彈回來(lái)，被接 收 傳感器感應(yīng)到，記錄從發(fā)射超聲波到接收到超聲波的這段時(shí)間 t，則根據(jù)式 ()可以計(jì)算出超聲波的發(fā)射頭與障礙物之間的距離（其中 V為聲速）： S = V * t / 2 （ ） 超聲波定位原理 由于包絡(luò)檢測(cè)法和回波檢測(cè)法存在其固有缺點(diǎn)，而且實(shí)施起來(lái)存在一定 的 困難，所以本文選用到達(dá)時(shí)間測(cè)量法來(lái)實(shí)現(xiàn) 測(cè)距 。設(shè)三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)在地面二維坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)分別為（ x1， y1），（ x2， y2），（ x3， y3），移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（ x0， y0），則根據(jù)式（ ）的加權(quán)質(zhì)心算法 [8]可以求得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)： 0 ( 1 / 1 1 2 / 2 2 3 / 3 3 ) / ( 1 / 1 1 1 / 2 2 1 / 3 3 )0 ( 1 / 1 1 2 / 2 2 3 / 3 3 ) / ( 1 / 1 1 1 / 2 2 1 / 3 3 )x x l x l x l l l ly y l y l y l l l l? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? （ ） 11 第頁(yè) 3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 空間分布 圖 本系統(tǒng)利用 三 個(gè) 固定 在空中 的超聲波節(jié)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)在 地面上 二維 直角坐標(biāo)系中的 移動(dòng) 節(jié)點(diǎn)的 定位，總體 空間分布 圖如圖 。其中， 2， 3， 4 號(hào)節(jié)點(diǎn)與地面的距離為 ，它們?cè)诘孛嬷苯亲鴺?biāo)系中的投影點(diǎn)坐標(biāo)分別為 （ ， ），（ ， ），（ ， ），單位均為 cm。 各個(gè)固定節(jié)點(diǎn)收到射頻信號(hào)后會(huì)以分時(shí)的方式發(fā)射超聲波信號(hào)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在每次 接收到 超聲波 信號(hào)之后，通過(guò)超聲波接收模塊的放大、整流、比較、反相等處理，觸發(fā) MSP430 單片機(jī)的中斷， 處理完成后繼續(xù)等待下一次的中斷， 在接收到 第 三次超聲波信號(hào)之后， 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的 MSP430 單片機(jī)經(jīng)過(guò) 加權(quán)質(zhì)心算法 運(yùn)Z X Y 4 1 3 2 12 第頁(yè) 算 得到 此節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并 將其顯示到 LCD屏幕 上。本電路 采用 6V 直流 電源供電， 經(jīng)過(guò)測(cè)試，在此工作條件下， F04E 模塊的 發(fā)射半徑 超過(guò)了 5 米，完全可以滿(mǎn)足室內(nèi)定位的要求。 圖 射頻發(fā)射電路 msp430單片機(jī) 射頻發(fā)射模塊 超聲波接收模塊 LCD 顯示 13 第頁(yè) 超聲波接收電路 超聲波接收電路 的 主要 作用 是 對(duì)超聲波傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行 放大、整流、比較、反向、分壓等一系列的 處理， 然后將處理后的信號(hào) 送入單片機(jī)引發(fā)中斷 ，從而 記錄本 次 超聲波的傳播時(shí)間 ， 接收電路如圖 ： 圖