1、 研究與設計 電 子 測 量 技 術 EL ECTRONICM EASU REM EN TTEC HNOLO GY第 31卷 第 10期200810一種使用紅外線和超聲波的定位技術厡玉磊 王安健 蔣理興(信息工程大學測繪學院 鄭州 450052摘 要 :本文提出了一種使用紅外線和超聲波的定位技術 , 對其工作原理和主要部分的實現方法進行了介紹 , 設計了 測量脈沖調理電路接收超聲信號 , 并分析了主要的誤差源 。 該技術使用紅外編碼指令觸發定位 , 擴大了定位范圍 , 降 低了功耗 ; 在接收電路中加入共振電路 , 減小了外界干擾 。 通過大量實驗 , 分析了環境溫度 、 傳播角度等因素對測距

2、精 度的影響 。關鍵詞 :紅外線 ; 超聲波 ; 脈沖調理 ; 定位技術 中圖分類號 :TN21 文獻標識碼 :APositioning technique with and Yuan Yulei Wang Anjian (Institute of Surveying and Mapping , , 450052Abstract :A is presented. The work principle and the techniques of the principal parts adjusting circuit is designed to receive the ultrasonic

3、and the errors are analyzed. This uses inf rared coding command to trigger the positioning ,extending the positioning rang and reducing the power ,and adds a syntonic circuit to the receiver to reduce the disturbing. The effecting factors of precision such as temperature and angle are analyzed accor

4、ding to lots of experiments. K eyw ords :inf rared ; ultrasonic ; positioning technique ; pulse adjusting0 引 言GPS 定位技術已經在導航、 測圖等方面得到了廣泛的應用 ; 而小型的基于紅外線和超聲波的定位技術則由于其體積小、 電路簡單、 價格低等優勢 , 在小范圍定位方面得到 越來越廣泛的應用。尤其在室內和一些惡劣的條件下 , GPS 定位系統無法使用 , 超聲波定位技術就顯得更為必 要。 本文介紹了一種使用紅外線和超聲波的定位技術及 其實現方法。1 工作原理1. 1 定位原理超聲波定

5、位技術的定位原理與 GPS 定位技術相同。 即測量待測點到至少 3個坐標已知的固定點之間的距離 , 然后通過距離交會法求解出待測點位的三維坐標。超聲 波定位就是使用超聲波測量待測點到固定點之間的距離。 但是超聲波在空氣中傳輸的衰減很大 , 能傳輸的距離短 , 如果采用反射式測距法 , 則測量的距離更短 , 限制了超聲 波定位的范圍 ; 且采用反射式時 , 由于固定點一直處于發 射超聲波的狀態 , 不管待定位點是否需要定位 , 因此功耗 也浪費很大。本文使用了紅外線觸發定位信號的模式 , 在固定點上安置超聲波發射裝置和紅外線接收及解碼裝置 (定位從 機 , 在待定位點上安置超聲波接收裝置和紅外線

6、編碼發 射裝置 (定位主機 。 當接收到定位信號后 , 定位主機發射 紅外編碼指令 , 同時計時器開始計時 , 當定位從機接收到 紅外編碼指令后 , 對其進行解碼 , 并根據解碼結果決定是 否發射超聲波信號 , 定位主機接收到超聲波信號后停止計 時 , 計算出該紅外編碼指令對應的固定點到該點的距離。 這樣使得超聲波定位的距離擴大了 1倍 , 并且大大減小了 系統的功耗。 工作原理圖如圖 1所示。圖 1 工作原理圖51 第 31卷 電 子 測 量 技 術測得待定點到坐標已知點的距離后 , 通過距離交會法 解方程求出待定位點的三維坐標。 解算方程如下 :D 21=(X -X 12+(Y -Y 12

7、+(Z -Z 12D 22=(X -X 2 2+(Y -Y 2 2+(Z -Z 2 2D 23=(X -X 3 2+(Y -Y 3 2+(Z -Z 32式中 :(X , Y , Z 為待定點坐標 , (X 1, Y 1, Z 1 、 (X 2, Y 2,Z 2 、 (X 3, Y 3, Z 3 分別為固定點 1、 2、 3的坐標。 在該方程 組中 , 只有 (X , Y , Z 為未知數 , 可以求解出來。如果設 置 的固 定 點 多 , 可 以通 過 平差 的 方 法 提 高 精度。 1. 2 距離測量待定點到固定點的距離測量 , 是通過測量超聲波自固 定點到待定點間的傳播時間 , 根據超聲

8、波在空氣中的傳輸 速度 , 計算出來。待定點在發射紅外信號后就開始計時 , 而固定點在接收到紅外信號后才開始發射超聲波 , 這中間 有紅外線的傳播時間 , 但由于紅外速度遠高于超聲波的速 度 , 距離又比較近 , 因此可以忽略不計。 以距離 30m , 紅外 光速度為 3×108m/s , 超聲速度為 340m/s , 時間引入的測距誤差為 :38×完全可以忽略了。2 硬件電路2. 1 發射電路紅外線和超聲波的發射采用 89C52單片機控制和驅 動 ,89C52有 3個可作通用的 8位 I/O 端口 , P0, P1, P2。 其中 P0和 P1口在單片機與外設通信時作數據

9、線和地址 線使用 , 為便于擴展 , 這里使用 P2口進行驅動。紅外發射 管采用 SE303。 電路圖如圖 2、 圖 3所示。2. 2 接收電路紅外的接收電路與發射電路類似 , 不再贅述。超聲信號在傳輸過程中不可避免地混有環境中的噪聲 , 超聲波傳 輸距離和角度的變化也會引起信號電平的變化。因此 , 接 收時必須對原始信號進行適當的調理 , 盡可能地減小這些 因素的影響。 設計了 “ 測量脈沖調理電路” , 由放大、 濾波、 限幅、 檢波、 積分、 比較等單元組成。超聲信號經過該電路 后 , 形成一個脈沖 , 輸入單片機 , 使單片機停止計時。由于 外界聲波的干擾 , 可能使得單片機響應錯誤的

10、信號 , 我們 在接收電路里加了共振電路。超聲波發射裝置發射的是 40k Hz 的 聲 波 信 號 , 因 此 使 共 振 電 路 的 工 作 頻 率 為 40k Hz , 這樣 , 接收電路只對 40k Hz 的超聲波信號有響 應 , 大大減少了外界的干擾。 其電路圖如圖 4所示。圖 4 超聲波接收電路3 時間測量定位解算時 , 定位點到固定點之間的距離是通過測 量超聲波的飛行時間計算出的 , 因此飛時測量在定位中 非常重要 。這里使用單片機計時來測量飛行時間 。單片 機的計時從接收到定位信號開始 , 到接收到超聲波信號 為止 。計時方式可以采用軟件計時 , 但軟件計時容易受 到各種中斷的影

11、響 , 從而使得計時出錯 。本文使用外部 中斷和計數器相結合的計時方式 。超聲波接收電路的輸 出接到單片機的外部中斷 0, 當接收到超聲信號時 , 程序 進入外部中斷 0的處理程序 , 在這里關計數器 , 并取出計 數值 。由定位原理 , 定位的范圍將受到單片機計時范圍 的限制 。當采用 12M 的時鐘時 , 單片機的機器周期是 :T =12M Hz ×1/12=1s , 也即計數器增 1的時間為1s , 對 16位的計數器 , 最大的計時時間為 :t =216×1s =65. 536ms則定 位 點 與 固 定 點 的 最 大 距 離 為 :65. 536ms ×

12、;340m/s =22. 3m , 這對小范圍內的定位來說已經足夠了。 對于更大范圍的定位 , 可以采用計數器與程序計數相結合 的方法 , 在計數器 0的溢出中斷程序中 , 對軟件計數值增 1, 直到外部中斷的到來。4 實驗數據及誤差分析在使用超聲波與紅外線的定位技術中 , 主要有以下幾 個誤差源 :超聲波速度誤差 , 電路延遲誤差 , 計數器計時誤61 厡玉磊 等 :一種使用紅外線和超聲波的定位技術第 10期差和距離交會的模型誤差 , 其中超聲波速誤差是最重要的。 計數器的計時誤差和電路延遲誤差都可以通過加乘 常數來校正。模型誤差可以通過改善固定點的分布來減 小。 對超聲波速度來說 , 影響

13、最大的是環境溫度。溫度為t 時 超 聲 波 速 為 :C t=C 0+273, 其 中 C 0=332. 17m/s 為 0 時的超聲波速。并且從上式可以計算出 , 溫度每升高 1 , 超聲波的傳播速度約增加 0. 6m 。 因 此 , 在精度要求比較高的場合 , 最好在定位系統上加測溫 裝置 , 通過實時的環境溫度修正超聲波速度。我們在溫度為 26 的實驗室內采用設計的測距定位 系統做了大量實驗 , 距離的精確值采用精度為 2+2(即 1km 內測距誤差不超過 4mm 的全站儀測量 , 系統的超聲 波波速設定為 332. 17m/s , 為了提高測量精度 , 對測得的 距離值進行了溫度修正。

14、 實驗結果如表 1所示。表 1 40300cm 的距離測量精度距離精確值 /cm 距離實測值 /cm修正后距離 /cm4043. 040. 046062. 3801001202120. 24140140. 6140. 14160160. 0160. 04180179. 3179. 52200199. 3200. 34220218. 8220. 34240238. 3240. 34260257. 7260. 24280277. 1280. 13300296. 4299. 93由表 1可知 , 溫度的影響是超聲波測距中的主要誤差 源 , 不考慮溫度影響時的測距誤差可以達到 3cm 多。 經過 溫度

15、修正后 , 誤差可以控制在 1cm 以內。為了驗證超聲波不同傳播角度對測距誤差的影響 , 在 與超聲波發射源相距 3m 、 與超聲波主傳播方向有不同角 度的位置處進行了測距實驗 , 選取了 0°、 30°、 45°、 60°和 90°等 5個角度位置 , 每個角度位置處分別進行了 30次實驗。 結果如表 2所示。 其中標準差的計算公式為 :=ni2n式中 :n =30為測量次數 , i 為單次測量值與測量均值之差。表 2 相距 3m 、 不同角度處的測距誤差 角度測距平均值 誤差 標準差 0°2. 9921m-0. 0079m0. 0

16、015m30°2. 9941m -0. 0059m 0. 0016m 45°2. 9957m -0. 0043m 0. 0015m 60°3. 0132m 0. 0132m 0. 0016m 90°3. 0443m0. 0443m0. 0016m由表 2可知 , 定位點的不同的角度對測距精度也有較 大影響。 當與超聲波主傳播方向的角度小于 45°時 , 精度 較高 , 隨著角度的增大測距精度降低 , 當位于 90°位置時 , 測距精度最低 , 誤差達到了 4. 43cm 。參 考 文 獻1 李建法 , 于風軍 , 賈栓穩 . 號處理 J.5:43253., . J.80C51J.冶金工業出版社 ,2003.4 高光天 . 傳感器與信號調理器件應用技術 J.北京 :科學出版社 ,2002.5 張峰 . 偽衛星定位系統中的同步電路設計 J.電子測量技術 . 2007. 2:39241.6 魯琦 . 基于單片機的紅外超聲室內定位