超声波阵列的飞行高度与姿态测量方法
四旋翼超声波定高
二、四旋翼定高任务与方案设计
课题以四旋翼为平台设计飞行高度自主控制的飞行器系统，实 现飞行器能够在特定高度范围里进行自主的控制功能，并且飞行器 的飞行高度可以由使用者自行设定。本课题要求对飞行器高度的实 时检测反馈，并能够通过反馈的高度信息，测量当前高度与预设高 度的偏差值，自主控制飞行器改变当前的高度。
型号 QAV210 1806 KV2280
5030 3S1300mAh
CC3D arduino2560 超声波HC-SR04 futaba14SG
R6106
输入 PE5 PL2 PL0
输出 PE4 PH3
名称 超声波接收 拨动开关SB1 油门输入THR
名称 超声波触发 油门输出
硬件原理图
四、软件设计
float output=nowOutput+Kp*(error-LastError_1)+ Ki*((error+LastError_1)/2)+Kd*(error2*LastError_1+LastError_2);
六、四旋翼定高系统
课题基于单片机和传感器实现四旋翼飞行器的自动 定高功能。通过高度传感器测量高度并使用嵌入接收与 飞控之间的控制板来接收高度信号，并通过调整飞行器 的油门输出信号来控制飞行器当前高度实现高度自主控 制。
PID控制中，最关键的是比例系数，积分系数和微分 系数的整定，本项目使用的是工程整定法 float Kp=45.00; //参数P float output=0; //油门输出 float Ki=3.50; //参数I float nowOutput=0; //手动模式下油门信号 float Kd=1.50; //参数 D int error=H-Filter_Value; //高度差=预定高度-当前高度
超声波测距实验方法与精度控制
超声波测距实验方法与精度控制超声波测距是一种常见的测量距离的方法，它利用超声波在空气中传播的特性来测量目标物体与测量设备之间的距离。
在这篇文章中，我们将探讨一些常见的超声波测距实验方法以及如何控制测量的精度。
首先，让我们了解一下超声波测距的基本原理。
超声波是一种高频声波，其频率通常在20kHz至100kHz之间。
超声波在空气中传播的速度约为343米/秒，而且能够在相对较远的距离内传播。
当超声波遇到目标物体时，一部分声波会被反射回来，并被接收器接收到。
根据超声波的传播时间和传播速度，我们可以计算出目标物体与测量设备之间的距离。
一种常见的超声波测距实验方法是使用超声波传感器。
这种传感器通常由一个发射器和一个接收器组成。
发射器将超声波发送出去，然后接收器接收到反射的声波。
通过测量超声波的传播时间，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
这种方法可以广泛应用于自动测距和避障系统中。
为了保证测量的精度，我们需要注意几个因素。
首先是超声波的传播速度。
理想情况下，超声波在空气中的传播速度是恒定的，但实际上会受到温度、湿度等环境因素的影响。
在实验中，我们可以通过校准传感器来调整超声波的传播速度，以提高测量的准确性。
另一个影响测量精度的因素是信号的干扰。
超声波测距设备通常会受到外部噪声的影响，如其他电子设备的干扰或者周围环境的声波干扰。
为了减小信号干扰，我们可以使用滤波器来滤除高频或低频噪声，使得接收到的信号更加清晰。
此外，超声波测距还受到目标物体的形状和材质的影响。
不同形状和材质的物体对超声波的反射和吸收情况有所不同，这会影响测量的精度。
在实验中，我们可以通过测量不同形状和材质的物体来研究这种影响，并进行相应的修正。
在进行超声波测距实验时，我们还需要注意测量的范围。
超声波的传播距离是有限的，而且会随着距离的增加而衰减。
因此，在选择超声波测距设备时，我们需要根据实际需求确定测量范围，并选择适合的设备。
此外，为了提高测量精度，我们还可以使用多个传感器进行测量，并取其平均值来进行校正。
航空制造中的超声波检测技术研究
航空制造中的超声波检测技术研究随着科技的不断发展，飞行安全成为了世界范围内关注的热点话题。
航空制造业是飞行安全的重要组成部分之一。
在制造过程中，质量问题可能会导致空难等严重后果。
因此，对于飞机部件的质量控制至关重要。
其中，超声波检测技术是一种非常先进且可靠的检测方法，已经被广泛应用于航空制造领域。
一、超声波检测技术超声波是机械波的一种，是指频率大于人类能够听到的上限20kHz（单位：千赫兹）的声波。
在航空制造领域中，通常使用的是20kHz~100MHz之间的超声波。
超声波检测技术是利用超声波在材料中的传播、反射、穿透等特性来检测材料内部缺陷的一种技术。
当超声波遇到材料中的界面或缺陷时，会发生反射和折射，这种波与原波之间的差异可以用来检测材料中的缺陷。
二、航空制造中的超声波检测技术应用航空材料主要包括金属材料和非金属材料。
金属材料主要包括铝合金、钛合金等；非金属材料主要包括复合材料等。
超声波检测技术在对这些材料进行质量控制时具有以下优点：1.非破坏性检测超声波检测技术不会对被检测物体造成损伤，是一种非破坏性检测方法。
这种优点非常重要，因为如果使用破坏性检测方法来检测材料，将会浪费成本和资源，并且有可能破坏已经制作好的部件。
此外，由于不破坏材料，超声波检测技术还可以用于再利用材料。
2.高准确性超声波检测技术对材料内部缺陷的检测准确度非常高，可以检测到极小的缺陷。
在航空制造领域中，构成飞行器的结构件必须在材料中无缺陷，并且缺陷的精度大小和位置是非常重要的。
采用超声波检测技术可以探测各种缺陷，如：小裂纹、孔洞、异物、疲劳等缺陷。
3.高效性随着航空制造产业的发展和技术的进步，自动化生产已成为趋势。
超声波检测技术也可以实现自动化生产的要求。
由于需要对每个零件进行检测，这种自动化检测可以提高生产效率。
4.可追溯性超声波检测技术能够实现数据的保存记录，以便进行追溯分析。
这种可追溯性在控制材料质量及生产制造管理中也是非常关键的。
使用超声相控阵技术的无损检测方法与技巧
使用超声相控阵技术的无损检测方法与技巧超声相控阵技术是一种常用于无损检测的技术，它通过使用一组探头向待测物体发射超声波，并接收其反射波，从而获取物体内部的信息。
相比传统的单点检测技术，超声相控阵技术具有更高的分辨率、更广的探测范围和更强的穿透力。
本文将介绍使用超声相控阵技术进行无损检测的方法和技巧。
首先，准备工作是使用超声相控阵技术进行无损检测的关键。
需要选取合适的探头和超声仪器。
探头的选择应根据待测物体的尺寸、形状和材料选择合适的频率、探头尺寸和探头阵列形式。
超声仪器的性能也需要符合要求，包括信号发射和接收的灵敏度、增益、滤波器和数据处理能力等。
其次，进行检测前需要进行合适的准备工作。
首先要对待测物体进行表面清洁，以保证超声波能够有效传播和反射。
其次要选择合适的耦合介质，将探头与待测物体保持良好的接触。
对于粗糙表面的物体，可以使用凝胶或液体耦合剂，而对于平滑表面的物体，可以尝试使用接触探头。
在实际检测过程中，需要注意一些技巧以提高检测的准确性和效率。
首先，要选择合适的扫查模式，可以根据实际需求选择直线扫查、螺旋扫查或网格扫查等。
其次，要根据待测物体的不同部位和表面形态进行特定的检测调节，例如调整传感器的入射角度和倾斜角度，以最大限度地获取有用的信息。
此外，在数据处理方面也有一些技巧可以加以应用。
首先是信号增强技术，可以通过滤波、均衡和增益调节等方式，提高信号质量。
其次是多角度检测技术，通过改变入射角度和探头位置，获取多个角度的数据，从而提高检测精度。
最后是图像重建技术，通过将多个数据进行整合和处理，生成更清晰、更具信息量的图像或曲线。
需要注意的是，在使用超声相控阵技术进行无损检测时，也存在一些潜在的问题和限制。
首先是探头的选择较为复杂，需要根据具体情况进行合理选择。
其次是背景噪声和杂散信号可能干扰检测结果，需要进行相应的滤波和处理。
此外，超声相控阵技术对于复杂结构和多层材料的检测可能存在一定的困难，需要结合其他技术进行辅助。
测量超声波的方法
测量超声波的方法
1. 嘿，你知道可以用专门的超声波测量仪呀！就像你有个特别的小助手专门帮你去感受超声波。
比如去测量一下蝙蝠发出的超声波，那可神奇啦！
2. 还可以利用反射原理呢！这就好像我们跟超声波玩一个反弹球的游戏。
想想看，用这个方法去测测水下的情况，不是很有意思吗？
3. 哎呀呀，别忘了利用声波的衰减特性啊！这不就跟顺着声音去找源头是一个道理嘛。
像检测一个远距离物体发出的超声波，看它衰减了多少，多棒呀！
4. 可以通过干涉的方法来测量超声波哦！这不就类似好多条纹路重叠在一起嘛。
试试用它来分析复杂环境中的超声波，绝对超酷的呀！
5. 嘿，你能想到吗，利用共振现象也是个好办法呢！就好比一个东西和超声波产生了共鸣。
比如测量某个特殊结构对超声波的响应，是不是很让人兴奋呢！
6. 还有利用传播速度的办法哩！这就像跑步比赛，看谁跑得快。
用它去了解不同介质中超声波的快慢，有趣吧！
7. 哇塞，还可以借助传感器来精确测量呢！这不就像有了一双超级敏感的耳朵。
去监测一些微小的超声波变化，神奇吧！
我的观点结论：测量超声波的方法真是多种多样啊，每一种都有它独特的魅力和用途，等着我们去探索和发现呢！。
超声波测量实验的操作指南与数据处理
超声波测量实验的操作指南与数据处理引言：超声波是一种高频声波，具有广泛的应用领域。
在工业、医疗、环境监测等方面，超声波测量技术被广泛采用。
本文将为您介绍超声波测量实验的操作指南和数据处理方法，帮助您进行准确、可靠的测量。
一、实验前准备：1. 确保实验室环境干净、安静，以减少外界干扰。
2. 检查超声波测量设备的状态，如传感器、发射器和接收器是否正常工作，探头是否清洁。
3. 根据实验需求，选择适当的超声波测量仪器和参数设置。
二、实验操作步骤：1. 将传感器与超声波仪器连接，并固定在待测物体上。
确保传感器与待测物体之间的距离适当。
2. 打开超声波测量仪器，并进行初始化设置。
根据实验需要，设置适当的频率、功率等参数。
3. 将超声波发射器放置在测量区域的一侧，将接收器放置在另一侧，使其正对待测物体。
4. 启动超声波发射器，发射超声波信号。
通过接收器接收反射回的超声波信号，并将数据传输给计算机或储存器。
5. 根据实验需求，可进行多组测量，以提高数据的准确性和可靠性。
三、数据处理方法：1. 数据预处理：对采集到的超声波信号进行滤波、降噪等预处理工作。
可以采用数字滤波器、中值滤波器等方法，提取有效信号。
2. 数据分析：根据实验目的，选取合适的分析方法。
如计算超声波的传播速度、衰减系数等。
3. 数据可视化：使用数据可视化工具，将处理后的数据转化为图表或曲线。
通过观察图表或曲线，可以直观地了解实验结果。
4. 数据比对与验证：将实验测得的数据与已知数据进行比对，验证实验结果的准确性。
如对某材料的密度进行测量，可与已知密度进行对比。
5. 数据修正与优化：根据实验结果，对数据进行修正或优化。
可以采用拟合算法等方法，提高数据的精度和可靠性。
6. 数据报告与解释：将实验结果整理成报告，并进行合理解释。
报告应包含实验目的、方法、结果和结论等内容，以便他人理解和参考。
结论：超声波测量实验是一种常见且重要的测量技术，它可以应用于多个领域，为工业和科研提供了可靠的数据支持。
超声波测量技术的使用技巧
超声波测量技术的使用技巧超声波测量技术是一种非常常见且广泛应用于各个领域的技术。
它利用超声波的传播和反射特性来测量物体的距离、速度和形状等信息。
本文将探讨超声波测量技术的使用技巧，包括传感器的选择、测量环境的优化以及数据处理的方法等。
首先，正确选择适合的传感器对于超声波测量的准确性至关重要。
不同场景下，需要使用不同类型的传感器，例如，狭窄空间需要使用小型传感器，而应对较长距离测量则需要使用高功率的超声波传感器。
此外，在进行超声波测量之前，应该仔细了解传感器的工作原理和技术规格，以确保其在实际应用中能够满足所需的精度和稳定性。
其次，测量环境的优化也是确保超声波测量准确性的关键。
超声波在不同介质中的传播速度不同，因此，在进行测量之前需要考虑介质的影响，并进行相应的补偿。
此外，环境中的噪声和杂散信号也会对测量结果产生干扰，为了减少干扰，可以利用滤波器和信号处理算法进行数据清理和降噪。
另外，要注意避免测量环境中存在潜在的反射和干扰源，这可能导致测量结果的误差。
第三，超声波测量数据的处理和分析也是至关重要的。
基于超声波的测量结果，可以使用不同的算法和工具对数据进行处理和分析，以提取更多有用的信息。
例如，可以通过波形分析来确定目标物体的形状和表面状态，还可以通过频谱分析来提取目标物体的相对速度信息。
此外，还可以使用数学模型和统计学方法来对测量结果进行建模和评估，以进一步提高准确性和可靠性。
最后，超声波测量技术的使用还需要注意一些常见的问题和挑战。
例如，超声波的传播路径可能会受到物体形状、表面条件和传感器位置等因素的影响，因此，需要进行合适的校准和校正。
另外，超声波测量可能受到温度、湿度和气压等环境条件的影响，需要进行相应的补偿和调整。
此外，超声波在传播过程中会受到衰减和散射等现象的影响，这也需要进行相应的修正和处理。
综上所述，超声波测量技术在各个领域中都扮演着重要的角色，但使用时需要注意传感器选择、测量环境的优化、数据处理和分析等方面的技巧。
弹体飞行姿态测量方法探讨
弹体飞行姿态测量方法探讨一、引言弹体飞行姿态测量是航天、军事等领域中的重要研究方向。
通过测量弹体在飞行过程中的姿态变化，可以获取有关弹体的运动参数和飞行状态，为弹道设计、飞行控制和命中精度提供重要依据。
本文将探讨弹体飞行姿态测量的方法与技术。
二、弹体飞行姿态测量的重要性和挑战弹体在飞行过程中的姿态变化是多样且复杂的，由于飞行速度、飞行高度、弹体类型等因素的不同，姿态测量面临一系列挑战。
为了准确测量弹体的姿态，需要解决以下问题：1. 弹体姿态的快速响应性：弹体在飞行过程中的姿态变化非常快速，姿态测量系统需要具备高速响应能力，以保证测量数据的及时性和准确性。
2. 姿态测量的精准性：弹体的姿态测量需要具备高精度，以满足对弹道设计和飞行控制的要求。
3. 测量环境的复杂性：弹体飞行过程中可能面临复杂的环境，如气流干扰、气象条件等，这些因素可能对姿态测量产生影响，需要对环境因素进行考虑和修正。
三、弹体飞行姿态测量的方法与技术弹体飞行姿态测量主要采用惯性测量单元（IMU）和星敏感器（Star Tracker）相结合的方法。
其中，IMU用于获取弹体的加速度和角速度数据，而星敏感器则用于测量弹体相对于星空的姿态。
1. 惯性测量单元（IMU）IMU是一种能够测量物体三轴加速度和角速度的装置。
它通常由加速度计和陀螺仪组成。
加速度计用于测量物体的加速度，陀螺仪用于测量物体的角速度。
通过对加速度和角速度的测量，可以推算出物体的姿态变化。
2. 星敏感器（Star Tracker）星敏感器是一种能够测量天体位置和方向的设备。
它通过拍摄星空图像，并通过识别和跟踪星体来确定姿态。
星敏感器的测量精度非常高，可以提供弹体姿态的准确数据。
3. 数据融合为了进一步提高姿态测量的准确性和鲁棒性，可以将IMU和星敏感器的数据进行融合。
常用的融合算法有卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波。
这些算法可以通过对IMU和星敏感器数据进行加权平均或者优化估计，得到更为准确的姿态数据。
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2013 年 9 月
杨景阳 等： 超声波阵列的飞行高度与姿态测量方法
［5 ］
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范围有限； 声波幅值检测法易受反射介质的影响 因此， 当前超声波测距一般使用渡越时间法 。
。
会出现相互串扰现象， 从而影响到各个超声波测距模 块的测距精度及稳定性， 因此， 为保证多路超声波测 测姿系统的准确性和稳定性， 我们研究了超声波测 高、 距模块误差补偿、 误差标定以及串扰处理办法， 优化了 多路超声波测高、 测姿系统的测量准确性及稳定性 。 2． 1 超声波传播速度补偿方法研究 超声波是一种频率在 40 kHz 左右的声波， 因此，
［1 － 2 ］
相对姿态角， 以固定翼无人机为对象设计多路超声波
［3 － 4 ］ ， 测高、 测姿系统 在对超声波测距模块标定的基础 ， 上 利用四路超声波测距模块同时测得机头、 机尾、 左
翼末端和右翼末端与地面的相对高度， 并通过空间几 何关系推算无人机机翼中心与地面的相对高度和无人 机姿态， 提高降落阶段的无人机控制性能 ， 实现无人机 的安全着陆。本文提出的多路超声波测距方法， 在保 证系统实时性的同时提高了系统的测距精度 。
单个超声波测距模块测距时会受到温度 、 湿度、 压 ［6 ］ 从而影响测距精度； 而当 力等外界环境因素的影响 ， 多个超声波测距模块安装较近时， 在一定的距离以内
1 号超声波测距模块最大误差达到 由上表可知，
· 130·
航空计算技术
第 43 卷
第5 期
2 号超声波测距模块最大误差达到了 了 1． 206 1 cm， 2． 614 3 cm， 3 号超声波测距模块最大误差达到了 6． 604 9 cm， 4 号超声波测距模块最大误差达到了 3． 333 0 cm。该测距精度无法满足本文要求， 因此本 文采用二阶线性拟合的方法标定超声波测距模块 。 基于最小二乘法对上述模块输出进行误差拟合， 获得拟合后补偿公式如（ 4 ） 所示： y1 y2 y3 y4 = － 0 ． 000 032 104 x + 1 ． 006 0 x1 － 0 ． 004 8 = － 0 ． 000 036 834 x2 2 + 1 ． 006 9 x 2 － 1 ． 515 7 = － 0 ． 000 059 658 x2 3 + 1 ． 003 8 x 3 － 1 ． 723 0 = － 0 ． 000 019 157 x2 4 + 0 ． 997 0 x 4 － 0 ． 724 8 （ 4） x i 是测量距离， y i 是标定后的值（ i = 1 ， 2， 3， 4） 。 式中， 四个模块标定后的误差如图 2 所示， 从图中可以 在误差标定后， 四个模块的误差都在 ± 5 mm 范 得知， 围以内， 有效提高了系统的测距精度。
图1
几何关系
然而在 实 际 静 态 测 距 中， 测得的距离误差远大于 ± 5 mm， 这是由温度、 湿度、 压力、 模块工艺、 障碍物材 障碍物表面不平等外界因素引起的 ， 因此在对超声 质、 波测距模块温度、 湿度、 压力补偿后， 还需要对模块进 行误差标定， 令其误差低于 5 mm。 为了获得超声波测距模块在其测距范围内相对精 确的高 度 测 量 值， 本次静态测距实验分别选择了 10 cm、 50 cm、 100 cm、 150 cm、 200 cm、 250 cm、 300 cm 七个点进行标定实验。 安装四个模块在同一平面上， 50 cm、 100 cm、 150 cm、 分别在 距 离 障 碍 物 10 cm、 200 cm、 250 cm、 300 cm 采 集 一 定 时 间 的 数 据， 通过 Matlab 计算得到数据平均值， 如下表所示。
1
1． 1Βιβλιοθήκη 多路超声波测高、 测姿原理
超声波测距原理
。
本文为了实时获得飞机着陆段精确的相对高度和
收稿日期： 2013 － 07 － 23 修订日期： 2013 － 09 － 04
超声波测距方法主要有相位检测法、 声波幅值检 测法和渡越时间法。其中， 相位检测法精度高， 但检测
基金项目： 江苏省研究生培养创新工程项目资助 （ CXZZ12_0159 ） ； 江苏省高校优势学科建设工程项目资助 作者简介： 杨景阳（ 1990 － ） ， 男， 安徽芜湖人， 硕士研究生， 主要研究方向为导航、 制导与控制。
超声波测量数据平均值表 模块 10 50 100 距离 / cm 150 200 250 300
θ = 180 arctan（ a1 － a2 ） 120 π b1 － b2 180 （ 2） γ = π arctan（ 200 ） （ b + b2 ） cosγ h = 1 2 a1 为超声波测 距 模 块 测 得 的 机 头 到 地 面 的 高 式中， a2 为超声波测距模块测得的机尾到地面的高度 ， b1 度， b2 为超 为超声波测距模块测得的右翼到地面的高度， θ 为无人机 声波测距模块测得的左翼到地面的高度， h 为无人机的机翼中 的俯仰角， γ 为无人机的横滚角， 心高度。 通过串口发送无人机的相对高度和姿态角信息给 控制台处理， 便可实现无人机的自主安全着陆 。
A Measuring Method of Flight Altitude and Attitude Measurement Based on Ultrasonic Array
YANG Jing- yang， LI Ｒong- bing， HANG Yi- jun， LIU Jian- ye （ Navigation Ｒesearch Center， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016 ， China） Abstract ： In view of the demand for the precise measuement of the relative altitude and attitude angle during UAV landing on the ground， based on fixed- wing UAV，Multi- channel ranging sensor on UAV's new layout is designed． Using spatial geometrical relations to build model of relative altitude and attitude angle， with the height of four fixed point measured， accurate message of relative altitude and attitude angle is provided for landing UAV． This method take full use of geometrical relation between ultrasonic ranging sensors and get the attitude angle as a result directly， which enhance safety during in different positions on UAV， UAV landing． The test results show that the method can provide the message of relative altitude and attitude angle during UAV landing to console immediately and guide UAV to land safely and accurately． Key words： micro inertial attitude angle measurement system； ultrasonic altitude survey； multi- channel ultrasonic ranging sensor； relative altitude and attitude angle
［7 ］
渡越时间法是通过检测发射超声波与接收回波之 间的时间差 t， 求出目标障碍物距信号发射源的距离 d， 计算公式为： d = vt / 2 v 为超声波在介质中传播的速度（ m / s） 。 式中， 1． 2 相对高度和相对姿态测量技术 无人机在着陆时主要通过观察无人机相对高度和 相对姿态的变化调整无人机的飞行参数 。多路超声波 测距模块安装在无人机的机头、 机尾、 左翼末端和右翼 末端， 可测得无人机四个固定点的高度 ， 通过几何关系 解算， 可以得到无人机的机翼中心高度及横滚角和俯 。 仰角 无人机在着陆时俯仰与横滚的角度一般不大， 约 在 10° ～ 15° 以内， 在这个角度变化范围内， 能够确保每 个超声波测距模块都可以接收到回波信号 。 如图 1 所 示， 通过几何关系可得俯仰角、 横滚角。 （ 1）
摘 要： 针对无人机近地面降落阶段对相对高度及姿态精确测量的需求 ， 以固定翼无人机为对象 ， 设计了多路超声
波测距传感器在无人机上的新型布局方式 。利用空间几何关系， 建立相对高度及姿态计算模型 ， 测得四个固定点 的高度， 为无人机着陆提供精确的相对高度及姿态角信息 。充分利用布置在无人机不同位置的测距传感器之间的 直接获得姿态角， 提高了无人机降落阶段的安全性 。实验结果表明， 能够及时有效地提供给控制台无人 几何关系， 机着陆时的相对高度及姿态信息 ， 准确指引无人机的安全降落 。 关键词： 微惯性姿态角测量系统 ； 超声波定高系统； 多路超声波测距传感器 ； 相对高度及姿态 中图分类号： TP274 文献标识码： A 文章编号： 1671-654X（ 2013 ） 05-0128-04
第 43 卷 第 5 期 2013 年 9 月
航空计算技术 Aeronautical Computing Technique