一种使用红外线和超声波的定位技术

1、 研究与设计 电 子 测 量 技 术 EL ECTRONICM EASU REM EN TTEC HNOLO GY第 31卷 第 10期200810一种使用红外线和超声波的定位技术厡玉磊 王安健 蒋理兴(信息工程大学测绘学院 郑州 450052摘 要 :本文提出了一种使用红外线和超声波的定位技术 , 对其工作原理和主要部分的实现方法进行了介绍 , 设计了 测量脉冲调理电路接收超声信号 , 并分析了主要的误差源 。 该技术使用红外编码指令触发定位 , 扩大了定位范围 , 降 低了功耗 ; 在接收电路中加入共振电路 , 减小了外界干扰 。 通过大量实验 , 分析了环境温度 、 传播角度等因素对测距

2、精 度的影响 。关键词 :红外线 ; 超声波 ; 脉冲调理 ; 定位技术 中图分类号 :TN21 文献标识码 :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 定位技术已经在导航、 测图等方面得到了广泛的应用 ; 而小型的基于红外线和超声波的定位技术则由于其体积小、 电路简单、 价格低等优势 , 在小范围定位方面得到 越来越广泛的应用。尤其在室内和一些恶劣的条件下 , GPS 定位系统无法使用 , 超声波定位技术就显得更为必 要。 本文介绍了一种使用红外线和超声波的定位技术及 其实现方法。1 工作原理1. 1 定位原理超声波定

5、位技术的定位原理与 GPS 定位技术相同。 即测量待测点到至少 3个坐标已知的固定点之间的距离 , 然后通过距离交会法求解出待测点位的三维坐标。超声 波定位就是使用超声波测量待测点到固定点之间的距离。 但是超声波在空气中传输的衰减很大 , 能传输的距离短 , 如果采用反射式测距法 , 则测量的距离更短 , 限制了超声 波定位的范围 ; 且采用反射式时 , 由于固定点一直处于发 射超声波的状态 , 不管待定位点是否需要定位 , 因此功耗 也浪费很大。本文使用了红外线触发定位信号的模式 , 在固定点上安置超声波发射装置和红外线接收及解码装置 (定位从 机 , 在待定位点上安置超声波接收装置和红外线

6、编码发 射装置 (定位主机 。 当接收到定位信号后 , 定位主机发射 红外编码指令 , 同时计时器开始计时 , 当定位从机接收到 红外编码指令后 , 对其进行解码 , 并根据解码结果决定是 否发射超声波信号 , 定位主机接收到超声波信号后停止计 时 , 计算出该红外编码指令对应的固定点到该点的距离。 这样使得超声波定位的距离扩大了 1倍 , 并且大大减小了 系统的功耗。 工作原理图如图 1所示。图 1 工作原理图51 第 31卷 电 子 测 量 技 术测得待定点到坐标已知点的距离后 , 通过距离交会法 解方程求出待定位点的三维坐标。 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 为待定点坐标 , (X 1, Y 1, Z 1 、 (X 2, Y 2,Z 2 、 (X 3, Y 3, Z 3 分别为固定点 1、 2、 3的坐标。 在该方程 组中 , 只有 (X , Y , Z 为未知数 , 可以求解出来。如果设 置 的固 定 点 多 , 可 以通 过 平差 的 方 法 提 高 精度。 1. 2 距离测量待定点到固定点的距离测量 , 是通过测量超声波自固 定点到待定点间的传播时间 , 根据超声

8、波在空气中的传输 速度 , 计算出来。待定点在发射红外信号后就开始计时 , 而固定点在接收到红外信号后才开始发射超声波 , 这中间 有红外线的传播时间 , 但由于红外速度远高于超声波的速 度 , 距离又比较近 , 因此可以忽略不计。 以距离 30m , 红外 光速度为 3×108m/s , 超声速度为 340m/s , 时间引入的测距误差为 :38×完全可以忽略了。2 硬件电路2. 1 发射电路红外线和超声波的发射采用 89C52单片机控制和驱 动 ,89C52有 3个可作通用的 8位 I/O 端口 , P0, P1, P2。 其中 P0和 P1口在单片机与外设通信时作数据

9、线和地址 线使用 , 为便于扩展 , 这里使用 P2口进行驱动。红外发射 管采用 SE303。 电路图如图 2、 图 3所示。2. 2 接收电路红外的接收电路与发射电路类似 , 不再赘述。超声信号在传输过程中不可避免地混有环境中的噪声 , 超声波传 输距离和角度的变化也会引起信号电平的变化。因此 , 接 收时必须对原始信号进行适当的调理 , 尽可能地减小这些 因素的影响。 设计了 “ 测量脉冲调理电路” , 由放大、 滤波、 限幅、 检波、 积分、 比较等单元组成。超声信号经过该电路 后 , 形成一个脉冲 , 输入单片机 , 使单片机停止计时。由于 外界声波的干扰 , 可能使得单片机响应错误的

10、信号 , 我们 在接收电路里加了共振电路。超声波发射装置发射的是 40k Hz 的 声 波 信 号 , 因 此 使 共 振 电 路 的 工 作 频 率 为 40k Hz , 这样 , 接收电路只对 40k Hz 的超声波信号有响 应 , 大大减少了外界的干扰。 其电路图如图 4所示。图 4 超声波接收电路3 时间测量定位解算时 , 定位点到固定点之间的距离是通过测 量超声波的飞行时间计算出的 , 因此飞时测量在定位中 非常重要 。这里使用单片机计时来测量飞行时间 。单片 机的计时从接收到定位信号开始 , 到接收到超声波信号 为止 。计时方式可以采用软件计时 , 但软件计时容易受 到各种中断的影

11、响 , 从而使得计时出错 。本文使用外部 中断和计数器相结合的计时方式 。超声波接收电路的输 出接到单片机的外部中断 0, 当接收到超声信号时 , 程序 进入外部中断 0的处理程序 , 在这里关计数器 , 并取出计 数值 。由定位原理 , 定位的范围将受到单片机计时范围 的限制 。当采用 12M 的时钟时 , 单片机的机器周期是 :T =12M Hz ×1/12=1s , 也即计数器增 1的时间为1s , 对 16位的计数器 , 最大的计时时间为 :t =216×1s =65. 536ms则定 位 点 与 固 定 点 的 最 大 距 离 为 :65. 536ms ×

12、;340m/s =22. 3m , 这对小范围内的定位来说已经足够了。 对于更大范围的定位 , 可以采用计数器与程序计数相结合 的方法 , 在计数器 0的溢出中断程序中 , 对软件计数值增 1, 直到外部中断的到来。4 实验数据及误差分析在使用超声波与红外线的定位技术中 , 主要有以下几 个误差源 :超声波速度误差 , 电路延迟误差 , 计数器计时误61 厡玉磊 等 :一种使用红外线和超声波的定位技术第 10期差和距离交会的模型误差 , 其中超声波速误差是最重要的。 计数器的计时误差和电路延迟误差都可以通过加乘 常数来校正。模型误差可以通过改善固定点的分布来减 小。 对超声波速度来说 , 影响

13、最大的是环境温度。温度为t 时 超 声 波 速 为 :C t=C 0+273, 其 中 C 0=332. 17m/s 为 0 时的超声波速。并且从上式可以计算出 , 温度每升高 1 , 超声波的传播速度约增加 0. 6m 。 因 此 , 在精度要求比较高的场合 , 最好在定位系统上加测温 装置 , 通过实时的环境温度修正超声波速度。我们在温度为 26 的实验室内采用设计的测距定位 系统做了大量实验 , 距离的精确值采用精度为 2+2(即 1km 内测距误差不超过 4mm 的全站仪测量 , 系统的超声 波波速设定为 332. 17m/s , 为了提高测量精度 , 对测得的 距离值进行了温度修正。

14、 实验结果如表 1所示。表 1 40300cm 的距离测量精度距离精确值 /cm 距离实测值 /cm修正后距离 /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 , 温度的影响是超声波测距中的主要误差 源 , 不考虑温度影响时的测距误差可以达到 3cm 多。 经过 温度

15、修正后 , 误差可以控制在 1cm 以内。为了验证超声波不同传播角度对测距误差的影响 , 在 与超声波发射源相距 3m 、 与超声波主传播方向有不同角 度的位置处进行了测距实验 , 选取了 0°、 30°、 45°、 60°和 90°等 5个角度位置 , 每个角度位置处分别进行了 30次实验。 结果如表 2所示。 其中标准差的计算公式为 :=ni2n式中 :n =30为测量次数 , i 为单次测量值与测量均值之差。表 2 相距 3m 、 不同角度处的测距误差 角度测距平均值 误差 标准差 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 , 定位点的不同的角度对测距精度也有较 大影响。 当与超声波主传播方向的角度小于 45°时 , 精度 较高 , 随着角度的增大测距精度降低 , 当位于 90°位置时 , 测距精度最低 , 误差达到了 4. 43cm 。参 考 文 献1 李建法 , 于风军 , 贾栓稳 . 号处理 J.5:43253., . J.80C51J.冶金工业出版社 ,2003.4 高光天 . 传感器与信号调理器件应用技术 J.北京 :科学出版社 ,2002.5 张峰 . 伪卫星定位系统中的同步电路设计 J.电子测量技术 . 2007. 2:39241.6 鲁琦 . 基于单片机的红外超声室内定位