超声波室内定位系统
超声波定位讲解
3、定位算法简析
定位算法一
超声波空间定位方案一：
超声波发射器固定在待定位的物体 上，发射器按一定时间向周围发射超声 波脉,在其周围3个固定的位置安装超声 波接收器用以接收发射器发射的超声波 脉冲，利用超声波到达3个接收器的时间， 计算出超声波发射器的具体位置。如果 是移动物体，通过连续测量，就可描绘 出物体移动轨迹。 或者待定 位物体 上 装 的 是超 声 波 接 收 器 ，物 体 周 围装 的是 发射器 ， 通 过 计 算 接 收器 与每 个 发 射 器 之间 距离 进行 定 位。
2、超声波定位系统设计
超声波定位系统设计
超声波定位系统主要研究超声波的测距方法，然后根据距离和提 供算法来计算出待测物体的位置，超声波测距有两种实现方法：
一、反射式测距法：反射式测距法就是发射超声波并接收由被测物产生的回波 ,根据 回波与发射波的时间差计算出待测距离。
声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中 传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声 波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍 物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是经典的所谓的时间差测距法。
超声波及其物理性质
超声波物理特性：
超声波是一种机械波，其可以在气体、液体和固体 中传播，具有以下待性： (1)超声波的频率很高，波长较短，绕射现象小， 传播速度慢，可以像光线那样沿着一定方问传播，传播 的能量较为集中。 (2)超声波的振幅很小，加速度非常大，因而可以 产生较大的能量，而且对液体、固体的穿透本领很大， 尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 (3)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有 灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中，超声波 的这些特性，使其在遥控、测距以及其它领域得到了广 泛的应用。
基于超声波技术的室内定位系统研究
基于超声波技术的室内定位系统研究随着智能家居、智能工厂等技术的发展，室内定位技术也成为了一个基础性技术。
以前在室内定位技术方面，常用的是基于Wi-Fi、蓝牙、红外等技术，但是由于其存在精度、覆盖范围、干扰等方面的局限性，而现在更多的是基于超声波技术的室内定位系统。
超声波室内定位系统的原理是，利用超声波模块向四周发出超声波信号，接收模块接收信号后带有时序信息，通过算法计算可以确定接收模块在空间中的位置，进而确定被定位目标。
相较于其他常用的技术，超声波室内定位系统具有精度高、覆盖范围广、干扰小等优点。
实现超声波室内定位系统主要依靠硬件和算法两方面。
硬件方面，主要涉及超声波传感模块、控制器、定位标签等部分，其中传感模块是核心部件。
在高精度定位要求的应用场景下，需要在定位区域安装足够数量的超声波模块保证定位标签与多个收发模块之间发生超声波交互。
算法方面，超声波室内定位系统需要用到距离测量算法、三角定位算法、蒙特卡洛算法等。
这些算法的目的是通过处理传感器获取的数据，最终确定被定位物体的位置。
其中实现精度较高的超声波室内定位系统，需要通过深度学习等技术优化算法。
超声波室内定位系统应用于通行管理、物资调配、室内导航等领域，它可以精确地为物品或个体标签建立位置信息，实现快速智能化管理和监控。
例如，在仓储场所中，超声波室内定位系统可以提高物品及库存的精准度，节省按人工统计库存所需的时间和精力。
此外，超声波室内定位系统还可以为用户提供室内导航，实现了人机交互的全新体验感。
当然，超声波室内定位系统在应用过程中也存在着不少问题需要解决。
例如，超声波模块工作过程中易受设备、人员、环境等外部干扰，进而造成误差。
还有定位标签电量耗费、外观设计等问题都需要针对性地解决。
随着技术发展，这些问题的解决方案也会逐步出现。
总的来说，基于超声波技术的室内定位系统，是一个依赖硬件设备和算法的全新技术应用。
其优点在于精度高、覆盖范围广，可以为用户提供更全面、智能化的定位服务。
超声波定位讲解
2、超声波定位系统设计
超声波定位系统设计
超声波定位系统主要研究超声波的测距方法，然后根据距离和提 供算法来计算出待测物体的位置，超声波测距有两种实现方法：
一、反射式测距法：反射式测距法就是发射超声波并接收由被测物产生的回波 ,根据 回波与发射波的时间差计算出待测距离。
声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中 传播途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声 波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍 物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是经典的所谓的时间差测距法。
1、超声波特点阐述
超声波室内定位系统的应用现状
随着社会各行各业的快速发展，人们对定位与导航的需求日 益增大，尤其在复杂的室内环境，常常需要确定各种设施与物品 在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环 境等条件的限制，比较完善的室内定位技术目前还无法很好地利 用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如GPS技 术、红外线技术、蓝牙技术、射频识别技术、Wi-Fi技术、超声波 技术等等。 GPS是目前应用最为广泛的定位技术，缺点是定位信号到达地面 时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。红外线定位 技术只能在直线视距内传播、传输距离较短，而且容易被荧光灯或者 房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。蓝牙器件和设备的价格 比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪 声信号干扰大。
超声波及其物理性质
超声波物理特性：
超声波是一种机械波，其可以在气体、液体和固体 中传播，具有以下待性： (1)超声波的频率很高，波长较短，绕射现象小， 传播速度慢，可以像光线那样沿着一定方问传播，传播 的能量较为集中。 (2)超声波的振幅很小，加速度非常大，因而可以 产生较大的能量，而且对液体、固体的穿透本领很大， 尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 (3)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有 灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中，超声波 的这些特性，使其在遥控、测距以及其它领域得到了广 泛的应用。
基于超声波的跟踪定位系统研究
基于超声波的跟踪定位系统研究在现代社会中，人们需要对移动物体进行实时追踪和定位，以便于进行相关监测和控制操作。
为了实现这个目标，基于超声波的跟踪定位系统成为了一个被广泛研究的领域。
这篇文章主要探讨了基于超声波的跟踪定位系统的研究，包括定位原理、系统设计、算法实现和应用领域等方面。
一、定位原理基于超声波的跟踪定位系统是一种利用声波在空气中的变化进行测距、定位和追踪的技术。
声波是一种机械波，它能够在空气中传播，并在遇到不同密度的物体时发生反射、折射和散射等现象。
这为声波跟踪定位提供了基础条件。
在这种系统中，如何采集声波信号并从中获取有用的信息是至关重要的。
定位原理的核心是测量声波传播的时间差。
在系统中，一组发射器和接收器被放置在目标区域内。
这些发射器将超声波信号发送到目标物体，接收器接收到物体反射回来的声波。
通过测量发射和接收的时间差，可以确定目标物体与接收器之间的距离。
当有多组发射器和接收器组成网络时，可以利用三角定位法计算目标物体的位置。
二、系统设计基于超声波的跟踪定位系统由以下几个部分组成：1. 发射器：负责发射超声波，通常使用压电材料来产生机械振动引起声波发射。
2. 接收器：负责接收目标物体反射回来的声波，并将其转化为电信号。
通常采用压电材料来产生电信号。
3. 时间测量器：负责测量发射器和接收器之间的时间差来确定目标物体与接收器之间的距离。
4. 数据处理器：负责实现测距数据的处理，包括三角定位法的计算。
5. 软件界面：提供用户接口和数据输出，通常使用图形化界面。
三、算法实现基于超声波的跟踪定位系统通常采用三角定位法来计算目标物体的位置。
三角定位法是利用目标物体与多个发射器/接收器之间的距离来计算目标物体在平面或空间中的位置的一种方法。
当目标物体与三个以上的发射器/接收器配对时，可以通过计算交点来确定目标物体的位置。
交点是所有发射器/接收器之间连线的交点，它是目标物体在平面/空间中的位置。
四、应用领域基于超声波的跟踪定位系统具有广泛的应用场景，包括物流、工业生产、医疗、安全等领域。
超声波定位系统的原理与应用
超声波定位系统的原理与应用Pr i nc iple and Appl ica tion of Superson ic L oca tion Syste m●王富东W ang Fudong1 基本原理已经获得广泛应用的无线电定位系统的基本原理是通过接收几个固定位置的发射点的无线电波,从而得到主体到这几个发射点的距离,经计算后即可得到主体的位置。
超声波定位的原理与此相仿,只不过由于超声波在空气中的衰减较大,它只适用于较小的范围。
超声波在空气中的传播距离一般只有几十米。
短距离的超声波测距系统已经在实际中有所应用,测距精度为厘米级。
超声波定位系统可用于无人车间等场所中的移动物体定位。
其具体实现可有两种方案。
方案1:在三面有墙壁的场所,利用装在主体上的反射式测距系统可以测得主体到三面墙壁的距离。
如果以三面墙壁的交点为原点建立直角坐标系,则可直接得到主体的三个直角坐标如图1所示。
图1 利用三面垂直的墙壁进行定位 这种方案在实际应用中要受到某些限制。
首先,超声波传感器必须与墙面基本保持垂直。
其次墙壁表面必须平整,不能有凸出和凹进。
传感器与墙壁之间也不能有其它物体。
这在很大程度上影响了其实际使用的效果。
方案2:在空间的某些固定位置上设立超声波发射装置,主体上设立接收器(反之亦可)。
分别测量主体到各发射点的距离,经过计算后便可得到主体的位置。
由于超声波的传播具有一定的发散性及绕射作用,这种方法所受到的空间条件限制较少。
即使在主体与发射点之间有障碍物,只要不完全阻断超声波的传播系统仍然可以工作。
故本文重点介绍这种方法。
发射点的位置通常按直角方位配置。
以三维空间为例,可在坐标原点及(X ,0,0),(0,Y ,0)三个位置布置发射点如图2所示。
图2 距离与坐标换算主体坐标(x ,y ,z )到三个发射点的距离分别为L 1,L 2,L 3,由距离计算坐标的原理如下: 由图2可得如下三角关系: X 2+Y 2+Z 2=L 12(1) (X -x )2+Y 2+Z 2=L 22(2) X 2+(Y -y )2+Z 2=L 32(3) 求解上列方程可得: x =(L 22-L 12+X 2)2Y(4)王富东,现在苏州大学工学院工作。
主流的室内定位技术15种简要介绍及对比
主流的室内定位技术15种简要介绍及对比引言随着智能化时代的到来，室内定位技术成为了人们关注的焦点。
在室内环境中，由于GPS信号的衰减和建筑物的遮挡，传统的定位技术无法准确地确定用户的位置。
因此，各种室内定位技术应运而生。
本文将介绍主流的室内定位技术，并对它们进行简要的对比。
1. Wi-Fi定位技术Wi-Fi定位技术利用Wi-Fi信号的强度和延迟来确定用户的位置。
通过收集周围Wi-Fi设备的信号强度，可以进行三角定位，从而获得用户的位置信息。
2. 蓝牙定位技术蓝牙定位技术通过收集周围蓝牙设备的信号强度和延迟来确定用户的位置。
相比Wi-Fi定位技术，蓝牙定位技术的定位精度更高，但覆盖范围较小。
3. RFID定位技术RFID定位技术利用无线射频识别技术来确定用户的位置。
通过在物体上贴上RFID标签，并在室内环境中布置RFID读写器，可以实现对物体位置的实时追踪。
4. 超声波定位技术超声波定位技术通过发射和接收超声波信号来确定用户的位置。
通过计算超声波的传播时间和强度，可以实现高精度的室内定位。
5. 激光定位技术激光定位技术利用激光测距仪来确定用户的位置。
通过测量激光束的时间延迟和角度，可以实现高精度的室内定位。
6. 红外定位技术红外定位技术通过接收红外光信号来确定用户的位置。
通过在室内环境中布置红外传感器，可以实现对用户位置的实时监测。
7. 超宽带定位技术超宽带定位技术利用超宽带信号的传播特性来确定用户的位置。
通过测量超宽带信号的时间延迟和强度，可以实现高精度的室内定位。
8. 视觉定位技术视觉定位技术利用摄像头和图像处理算法来确定用户的位置。
通过识别场景中的特征物体或标志物，可以实现对用户位置的定位。
9. 磁场定位技术磁场定位技术利用地球磁场的变化来确定用户的位置。
通过在室内环境中布置磁场传感器，可以实现对用户位置的实时监测。
10. 惯性导航定位技术惯性导航定位技术利用加速度计和陀螺仪等惯性传感器来确定用户的位置。
室内定位方案
室内定位方案随着科技的不断进步，人们对于室内定位的需求也越来越迫切。
在室内环境中，我们常常会遇到迷路、找不到特定位置或者离开后忘记东西的困扰。
而室内定位的技术，正是为了解决这些问题而产生的。
本文将介绍几种常见的室内定位方案。
一、Wi-Fi 定位Wi-Fi 定位是一种利用 Wi-Fi 信号进行室内定位的技术。
在室内环境中，往往存在多个 Wi-Fi 热点，利用这些热点的信号强度和热点之间的距离关系，可以推测出用户的位置。
这一技术相对成本较低且易于实施，因为 Wi-Fi 热点的覆盖范围广泛，几乎每个室内环境都能找到 Wi-Fi 信号。
不过，Wi-Fi 定位的准确性有限，因为室内环境中的信号会受到遮挡、干扰等因素的影响。
二、蓝牙定位蓝牙定位是一种利用蓝牙信号进行室内定位的技术。
通过安装在室内的蓝牙基站，可以实时检测用户与基站之间的信号强度，然后根据强度的变化来确定用户的位置。
蓝牙定位的精度相对较高，较适用于室内定位场景，比如商场、博物馆等。
但是，蓝牙基站的布设需要一定的成本投入，并且室内的信号遮挡也会影响定位的准确性。
三、超声波定位超声波定位是一种利用超声波进行室内定位的技术。
通过在室内布设超声波发射器和接收器，在用户移动时测量超声波的传输时间，从而确定用户的位置。
超声波定位的优点在于其精度较高，甚至可以达到亚米级别的准确度。
然而，超声波的传输距离较短，因此需要在室内布设较多的发射器和接收器，从而增加了成本和实施的困难。
四、地磁定位地磁定位是一种利用地磁场进行室内定位的技术。
通过在室内布设地磁传感器，可以测量地磁场的强度和方向，进而确定用户的位置。
地磁定位技术无需额外的设备和信号源，因此成本较低且易于实施。
不过，地磁定位的精度相对较低，受到大楼结构、电磁干扰等因素的影响。
五、激光定位激光定位是一种利用激光信号进行室内定位的技术。
通过在室内布设激光发射器和接收器，可以测量激光信号的传输时间和强度，从而确定用户的位置。
超声波定位的几种组合
比较流行的基于超声波室内定位的技术还有下面两种：
一种为将超声波与射频技术结合进行定位。
由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。
这种技术成本低，功耗小，精度高。
另一种为多超声波定位技术。
该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标，总体把握数据，抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。
定位精度：超声波定位精度可达厘米级，精度比较高。
缺陷：超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围
红外线技术
红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。
典型的红外线室内定位系统Active badges使待测物体附上一个电子标识，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。
这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低。
如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。
用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用TOA基本算法，通过计时器测距定位。
一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。
使得红外技术与超声波技术优势互补。
缺陷：红外线在传输过程中易于受物体或墙体阻隔且传输距离较短，定位系统复杂度较高，有效性和实用性较其它技术仍有差距。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第二章 超声波传感器概述 ——超声波及其物理性质 、超声波传
感器
超声波及其物理性质
2.1超声波物理特性 超声波是一种机械波，其可以在气体、液体和固体中传 播，具有以下待性： (1)超声波的频率很高，波长较短，绕射现象小，传播速 度慢，可以像光线那样沿着一定方问传播，传播的能量 较为集中。 (2)超声波的振幅很小，加速度非常大，因而可以产生较 大的能量，而且对液体、固体的穿透本领很大，尤其是 在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 (3)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或 烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中，超声波的这些 特性，使其在遥控、测距以及其它领域得到了广泛的应 用。
超声波室内定位系统
作 者： 指导老师：
LOGO
摘
要
随着超声波测距精度的不断提高，超声波定位技 术也发展得日趋成熟，并且在工业、农业、医学、食品 加工等各个领域得到了广泛的应用。本文通过对比几种 常用的定位技术，然后融合无线射频技术和超声波技术 ，设计并实现了一种新的超声波室内定位系统。介绍了 系统的基本定位原理和整体设计思路，详细阐述了系统 的软硬件设计方法，最后对实验结果进行了分析，得到 了系统各个模块的性能指标和整体定位精度，对可能产 生误差的原因进行了分析，以此为基础，为提高系统的 测量精度采取了相应措施。
超声波传感器
1、超声波传感器的基本原理 当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生 机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个 电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶 瓷和一个金属片构成的振动器（双压电晶片元件）施加一 个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向 双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。 基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。 2、超声波传感器的种类 超声传感器按其工作原理可以分为压电式、电动式 、电容式、磁致伸缩式和气流式等。
图3.1 超声波室内定位系统主机框图
超声波室内定位系统硬件框图
携带机系统由单片机、无线接收电路、超声波发射 电路及电源构成。携带机系统框图如图3．2所示。
图3．2 携带机系统框图
超声波室内定位系统硬件框图
首先，由计算机发射无线电信号，同时计算机 通知各个控制点开始计时。当被跟踪的物体接收到 无线电信号并确认ID正确后，由信号控制部分控 制超声波发射模块发射超声波。当测量点接收到超 声波后停止计时，并把时间、室内温度等数据打包 通过RS一442接口传回给计算机。当相关数据传送完 毕后，主控制系统开始计算并把计算结果显示在计 算机上。由于一个控制点只能完成本控制点与物体 之间距离的测量。所以本系统至少需要三个不在同 一直线上的测量点。
超声波室内定位系统的应用现状
Wi-Fi技术只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容 易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器 的能耗也较高 。超声波在对障碍物进行定位方面具 有传播速度慢、方向性好、不易受干扰等优点，综 合考虑作者选择利用超声波来进行定位，基于以上 各项技术的优缺点，本文提出了一种结合超声波技 术和无线射频技术的室内定位方法。
超声波发射电路框图
超声波发射电路框图 发射电路安装在被定位物体上，当被定位物体接收到无线电信 号后，脉冲信号发射电路开始工作，产生40KHz方波信号。为 增加测量距离，方波信号通 过功率放大电路后再连接超声波 传感器发射端。超声波发射电路框图如图所示。
超声波发射电路框图
超声波接收电路框图
超声波接收电路框图 当超声波传感器接收端接收到超声波时，将产生与发射端信号 频率相同的微弱电压信号。再过RC选频电路、检波电路、 整 形电路后，变成标准的TTL信号送入单片机引发中断，从而记 录本次超声波的传播时间 。超声波接收电路框图如图所示。
课题研究的意义及内容
也可在发生矿难时，及时赶到矿工遇难现场拯救 矿工生命。如上所述，准确的、实时的室内定位 有重要的应用，这也是开发本系统的实际意义。
课题研究的意义及内容
研究内容 下面对本系统的主要研究内容进行简单的介绍： (1)介绍了超声波室内定位系统的发展现状，讲述了课题 的研究内容和研究意义。 (2)对超声波的特性进行了简单介绍，为应用超声波技术 实现室内定位奠定了基础。对压电式超声波传感器进 行了系统的分析，为传感器的应用找到理论基础。 (3)完成了室内定位系统的数学模型的建立和系统的硬件 和软件的设计。 (4)分析了系统中可能产生误差的原因，对实验结果 进行了总结。并提出下一步改进计划。
超声波室内定位系统的设计思路
系统由若干个接收器和一个超声波发生 器组成，超声波发生器安装在被定位物 体上，在上位机指令信号的作用下向被 定位物体发射无线电信号，通知超声波 发生器开始发射，同时接收模块开始计 时，当有三个或三个以上不在同一直线 上的接收器做出回应时，分别记下每个 接收器接收到超声波的时间，由此得到 被定位物体与各个接收器之间的距离。 可以根据相关计算确定出被定位物体所 在的坐标系下的位置。 电磁波的传播速度为3X108 m/s ，而超声波在空气中的传播速度 340m/s，其速度相对电磁波是非常 慢的,开始计时的时间差可以忽略。
室内定位算法
式中c△t1=R1，c△t2=R2，c△t3=R2，联立解以 上方程组，就可以得到被定位物体的位置坐标。
第四章 系统软硬件设计
——系统硬件框图、超声波发射/接收电路框 图
超声波室内定位系统硬件框图
超声波室内定位系统由主系统和携带机系统两部 分构成，主系统由上位机、通信控制器、无线发 射电路、超声波接收电路组成，如图3．1所示。
论文结构和主要内容 第一章 绪论
第二章 超声波传感器概述
第三章 方案设计思路及定位算法 第四章 系统软硬件设计 第五章 实验结果分析
第一章 绪 论
———室内定位系统的应用现 状、研究意义及主要研究内容
超声波室内定位系统的应用现状
随着社会各行各业的快速发展，人们对定位与导航 的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，常常需要确定 各种设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定 位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的室内 定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了 许多室内定位技术解决方案，如GPS技术、红外线技术、 蓝牙技术、射频识别技术、Wi-Fi技术、超声波技术等等。 GPS是目前应用最为广泛的定位技术，缺点是定位 信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端 的成本较高。红外线定位技术只能在直线视距内传播、传 输距离较短，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰， 在精确定位上有局限性。蓝牙器件和设备的价格比较昂 贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差， 受噪声信号干扰大。
图2.4 压电式超声波传感器结构
超声波传感器
3、超声波传感器及其特性
超声波传感器的主要性能指标包括工作频率、灵敏度、分辨率、工作温度、指 向性等，其中最重要是工作频率。下图为中心频率为40KHZ的超声波传感器的 频率特性曲线，它反映超声波传感器的灵敏度与频率之间的关系。从图中的频 率特性可知，在发射器的中心频率处，发射器所产生的超声波最强；而在中心 频率两侧，声压能级迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心频率的交 流电压来驱动超声波发生器。本文中使用的超声波传感器型号为FC-16KT40。
超声波传感器
如图2．4所示为超声波直探头的 结构图。它主要是由压电晶片、 吸收块(阻尼块)、保护膜组成。 压电晶片多为圆板型，超声波频 率f与其厚度成反比。为了避免 传感器与被测件直接接触而磨损 压电晶片，在压电晶片下有一层 保护膜。阻尼块的作用是降低压 电晶片的机械品质，吸收超声波 的能量。如果没有阻尼块，当激 励的电脉冲信号停止时，晶片会 续振荡，加长超声波的脉冲宽度 ，使分辨率变差
课题研究的意义及内容
意义 本系统最初的构想是利用到舞台灯光跟踪。舞 台 灯光发热量很大，人工控制灯光跟踪舞台演员不可能 一个人长时间工作，而且灯光耀眼，给操作者带来很 大难度。所以急需一种可以自动控制灯光自动跟踪演 员的设备，而本系统就是在这个思想下设计出来的。 本系统不只局限于舞台跟踪，还可以扩大范围，应用 到其他工程现场，如：可以扩展到物流中心和工厂， 可实时掌握设施内移动物体的状态，从而正确分析移 动物体的移动轨迹。还可以用于矿坑里的工人定位， 避免工人的误操作走入不安全的区域。
误差分析
式中R一气体普适常数； λ一气体定压热容与定容热容的比值； M一气体分子量： T一气体的绝对温度。 在通常情况下，上式中R、 λ 、M对超声波在空气 中的传播速度影响不大，可视为常量看待。因此， 我们只需要研究温度对声速的影响。表5—1列出了 几种不同温度时的声速。
超声波传感器
目前压电式超声波传感器的理论研究和实际应用最 为广泛,下面主要对压电式超声波传感器进行介绍。 顾名思义，压电式超声波传感器是利用压电效 应制成的，常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它 是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应 将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声 波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声 振动波转换成电信号，可用为接收探头。
C d
式中：S——压电元件聚集电荷的表面面积； d——压电元件的厚度； ——压电元件的介电常数。
超声波传感器
因此可以把压电式传感器等效为一个与电容并联的电荷源，如 图2，5(a)所示。电容上的电压U、电荷q与电容C三者之间的关 q 系为 U c
所以压电式传感器又可等效为一个电压源，如2.5(b) 所示
超声波传感器
利用压电式传感器进行测量时，它要与测量电路相连 接，所以需考虑电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri输 入电容Ci和压电传感器的泄漏电阻Ra。如果把这些因 素一同考虑，就得到压电传感器完整的等效电路如图 2．6所示
图2.6 压电传感器的完整等效电路 （a）电荷等效电路 （b）电压等效电路
第三章 方案设计思路及定位算法
超声波接收电路框图