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。

　地址:苏州市干将东路178号38信箱　邮政编码:215021收稿日期:1997年12月29日(磁盘来稿)超声波定位系统的原理与应用王富东 y =(L 23-L 21+Y 2)2Y(5)　z =L 23+L 22-L 21-(X -x )2-(Y -y )2(6) 对于较大的空间,可以通过在坐标轴方向多布置一些发射点的方法来进行定位。

如本文的应用实例。

2　系统的组成超声波定位系统在具体实现上与无线电定位有所不同。

不同发射点的无线电信号可以用不同的频率来区分,超声波系统却难以这样做。

因此必须有一种能够把各个发射点的超声波信号区分开来的方法。

为此我们采用带地址编码的无线电触发电路分别触发各个发射点。

以发射点固定,主体接收的超声波定位系统为例,主体部分由微处理机电路、超声波接收电路和无线电编码触发电路组成。

发射点部分由超声波发射电路和无线电编码接收电路组成。

如图3所示。

图3　超声波定位系统的组成框图系统的工作过程如下。

首先由微处理机选定要触发的发射点地址,然后启动发射电路并开始计时,在给定时间内如接收到信号则由延迟时间可以计算出主体到发射点的距离。

与超声波相比,无线电波的传输时间可忽略不计。

如在给定时间内接收不到信号,则认为主体距离发射点的距离已超过可接收距离。

开始接收下一个发射点的信号。

当接受到足够的发射点信号后,便可由主体到各个发射点的距离计算出主体的位置坐标。

由于超声波在空气中的传播速度随着环境条件的不同而有所变化,为了提高测量精度,还需要对测量结果进行校正。

已知在标准环境条件下的声速为340米 秒。

取L =50厘米为标准距离,测量其在实际环境条件下的传输时间T S ,则实际声速为LT S 。

若主体到发射点的传输时间为T ,则校正后的实际距离为S =T ×L T S 。

3　应用实例对于一种在无人车间工作的自动运输小车,需要确定小车在车间内的位置,以便根据当时的情况进行调度。

车间的大小为20米×50米。

为此,我们设计了一个接收器在小车上的超声波定位系统。

在这种情况下,只需二维定位。

考虑到车间中尚有许多其它的物体,为尽量避免障碍物的影响,我们将发射点对称布置在天花板的两侧,见图4。

超声波传感器的作用距离为20米。

图4　无人车间内的超声波传感器配置图这样的配置,使得小车上的超声波接收器能够在车间的大部分区域都能接收到2个以上的发射点信号。

在车间的边沿部分会有一些死区,其大小与传感器的倾斜角度有关。

控制系统使得小车不会在死区内工作。

由于小车的高度是固定的,测得S 后,便可由直角关系确定水平距离L 。

再由平面距离计算位置坐标。

具体推导从略。

小车上的超声波传感器以45度倾角间隔90度配置如图5所示。

图5　超声波传感器配置图仪器仪表与装置本栏目由天津市国力电子有限公司特约刊出这样可以保证能够接收到各个方向传来的超声波信号。

超声波传感器的传播特性示于图6。

具体应用电路可参考其它文献。

应用系统的软件流程框图如图7所示。

图6　超声波传感器的传播特性图7　软件流程框图4　结束语超声波定位系统可用于一定范围的无接触定位,定位精度可达1c m 。

由于超声波的传播受环境影响较大,故不推荐在室外使用。

在实际应用中根据环境和具体要求其应用电路可作适当改进。

例如可以将编码信号直接加入到超声波信号中,这样的系统可直接用于对象的识别。

为了增加接收灵敏度,还可以采用类似雷达天线的反射装置。

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(摘自1998年4月22日《中国仪电报》锦　江文)本期部分文章摘要带语音输出新型测温装置的研制 左岐 自动化与仪表.-1998年,13(3).-10～12文章介绍了一种新型的测温装置,对其原理、结构框图、功能模块及特点进行了详细的分析,该装置可广泛应用于隧道、矿井、仓库等场合,能克服光线不足造成的读数困难等问题。

关键词:传感器　ADM　语音合成　灵敏度汽车远近程灯自动转换电路 杨家禾… 自动化与仪表.-1998年,13(3).-13～14一种汽车远近程灯自动转换电路,它由信号取样电路,施密特触发电路和输出控制电路组成。

该装置采用汽车电源为其电路供电,不需改动汽车原有电路便可直接安装,性能可靠。

适用于各类汽车及各种机动车夜间会车时远程灯和近程灯的自动开启和关闭,可防止交通事故的发生。

关键词:汽车　远程灯　近程灯　自动转换器超声波定位系统的原理与应用 王富东 自动化与仪表.-1998年,13(3).-15～17通过适当布置传感器的位置,利用超声波测距的原理,经过计算后可以得到主体在二维或三维空间的位置。

本文具体介绍这种定位系统的原理与应用,并给出一个应用实例。

关键词:超声波测距　超声波定位基于遗传算法的P I D参数优化设计 王文平 自动化与仪表.-1998年,13(3).-28～30本文应用遗传算法对P I D控制器参数进行了优化设计,在构造遗传算法框架时,采用了最佳保留选择机制、两点交叉、重新生成个体策略以及由简易经验公式生成初始群体等方法。

经过数字仿真,验证了该算法的有效性和合理性。

关键词:遗传算法　参数优化　P I D控制器采用W I N SO CK设计W indow s下的网络异步通讯 贾青… 自动化与仪表.-1998年,13 (3).-53～55本文介绍了采用W indow s socket进行网络编程的基本原理、W indow sSocket开发网络通讯的应用程序的设计方法和环境要求。

同时还介绍了TCP IP网络协议的基本情况,并给出了一个采用W in socket进行异步通讯的电力远程监控系统的设计实例。

关键词:套接字　TCP IP　异步通讯　V C基于串行口的一种中断源扩展电路 李明军 自动化与仪表.-1998年,13(3).-58～59针对8031单片机设计了一种基于串行接口的中断源扩展电路,电路由一优先编码器和并入串出移位寄存器构成,串行口工作于方式0,电路简单,能扩展8个以上中断源。

关键词:单片机　串行接口　中断天津市工业自动化仪表研究所向您提供发酵过程微机控制系统该系统为分散型综合控制系统,由一个操作站管理八个控制站。

操作站设在管理控制中心,控制站设在被控对象现场。

该系统实现对发酵罐温度、冷却水温度、通气量、气温、气压、排气CO2%含量、排气O2%含量、发酵液体积、搅拌转速、溶解氧、pH值、罐压、补糖、泡沫液位等参数的测量与控制,并计算耗氧速率、CO2生成率、呼吸商、氧传递系数比值。

该系统已成功地应用于很多制药厂、味精厂,效益显著,获机械部科技成果奖。

地　址:天津市河西区体院北环湖中道9号 邮　编:300060电　话:(022)23358006 电　传:(022)32359615联系人:姜铁强曲照伟Abstracts of Som e Articles i n Th is L ssueA New Type of Te m pera ture M ea sur i ng I n stru m en t w ith Speech Syste m Zuo Qi Auto ma tion and I n tru m en ta tion.-1998,13(3).-10～12T h is article gives a new apparatu s fo r temperatu re m easu rem en t and describes it’s configu ra2 ti on,functi on p roperties.It can be u sed in vari ou s cases especially in tunnels,m ine2w ell and de2 po sito ry w here ligh t is di m.Key words:sen sors　A MD　speech syn thesis　sen sitiv ityAn Autoconvertor of L ong-range Lam p and Short-range Lam p on Auto m ob ile Yang J i ahe… Au-to ma tion and I n tru m en ta tion.-1998,13(3).-13～14In th is paper,an au toconverto r of the long2range lamp and sho rt2range lamp fo r au tomob ile is p resen ted.It is compo sed of the samp ling circu it,Schm itt trigger and ou tpu t con tro lling cir2 cu it,T h is system is supp lied w ith the mob ile supp ly.It is moun ted directly w ithou t removing any o riginal circu its.T he character of the system is reliab le.It can be u sed fo r a variety of au tomo2 b iles and mo ter veh icles.W hen tw o of the m eet in the n igh t,the system can convert the long2 range lamp s and the sho rt2range lamp s in the au tomob iles on o r off au tom atically in o rder to p re2 ven t the traffic acciden t.Key words:autoconvertor long-range lam p short-range lam p　auto m ob ilePr i nc iple and Appl ica tion of Superson ic L oca tion Syste m W ang Fudong Auto ma tion and I n tru-m en ta tion.-1998,13(3).-15～17B y p roper p lacem en t of sen so rs,the locati on of a sub ject in22o r32di m en si onal space can be deter m ined w ith superson ic sounding system.T h is paper gives the descri p ti on and an app licati on examp le of such a system.Key words:superson ic sound i ng　superson ic loca tionThe Opti m iza tion of P I D Con troller Param eters Ba sed on Genetic A lgor ith m s W ang W enp i ng Auto ma tion and I n tru m en ta tion.-1998,13(3).-28～30In th is paper,an op ti m al P I D con tro ller is designed w ith the Genetic A lgo rithm s.T he m eth2 ods such as op ti m un retain ing selecti on m echan is m,doub le in tersecti on at tw o po in ts,individual strategy rep roducti on and p roducing p ri m ary group via si m p le experience fo r m u la are adop ted in con structing the arch itectu re of genetic algo rithm s.Si m u lati on resu lts illu strate the perfo r m ance of the p ropo sed m ethod.Key words:genetic a lgor ith m s　param eter opti m iza tion　P I D con trollerNetwork A synchronous Co mm unc i a tion D esign i ng w ith W i n sock J i a Qi ng… Auto ma tion and I n-tru m en ta tion.-1998,13(3).-53～55T h is paper in troduces the p rinci p le ofW indow s socket p rogramm ing,design ing p rocedu re and envirom en t request fo r develop ing w indow s netw o rk comm un icati on.T he TCP IP p ro toco l is also in troduced.A pow er remo te mon ito r comm un icati on system u sing W indow s Socket is p resen ted as an in stance.Key words:socket　TCP I P　a synchronous co mm un ica tion　VCAn I n terrupt Source Expanded C ircu it Ba sed on Ser i a l Port L iM i ngjun Auto ma tion and I n tru-m en ta tion.-1998,13(3).-58～59A n in terrup t sou rce expanded circu it based on serial po rt is designed fo r8031.T he circu it that is compo sed of a p ri o rity encoder and a parallel2to2series converter is very si m p le.In th is case,the serial po rt operates in mode0.T h rough th is m ethod,mo re than8in terrup t sou rces are ob tained.Key words:si ngle-ch ip co m puter　ser i a l port　i n terrupt。