- 基于双超声波模块的新型定位方法-

1、传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies 2012年第31卷第9期基于双超声波模块的新型定位方法*张剑,王维,何俊峰,符翔,郑腾交(湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭411201摘要:超声波定位系统越来越多地应用于各个领域,尤其是一些人力很难到达或控制的场合,如机器人定位、倒车定位或机床零件的定位。针对常规的超声波定位方法存在定位精度差和定位范围有限的问题,提出了一种新型双超声波模块定位方法,该方法采用AT89S52作为整个系统的控制芯片,通过改进常规超声波定位过程和优化定位算法,找到第三条路径验证左右超声波模块所测得的两条路径形成了

2、三角形,从而实现精准定位。关键词:新型定位方法;双超声波模块;单片机中图分类号:TP 27453文献标识码:A文章编号:10009787(201209002203New positioning method based on doubleultrasonic wave module *ZHANG Jian ,WANG Wei ,HE Jun-feng ,FU Xiang ,ZHENG Teng-jiao (School of Information and Electrical Engineering ,Hunan University of Science andTechnology ,Xi

3、angtan 411201,China Abstract :Ultrasonic wave positioning system has been used in various areas ,especially some situation out of human s reach or control ,such as robot positioning ,reverse positioning ,positioning of machine tool partsIn order to solve problem of conventional ultrasonic wave posit

4、ioning method has poor precision and limited range ,a new positioning method based on double urtrasonic wave module is proposedThe method uses AT89S52as control chip of whole system ,and through improving conventional ultrasonic wave positioning process ,and optimizing positioning algorithm ,the thi

5、rd path is found to verify that two paths measured by around ultrasonic wave module forms a triangle and to achieve accurate positioningKey words :new positioning method ;double ultrasonic wave module ;SCM引言超声波定位技术由于成本低、结构简单、易于实现而被人们广泛应用。超声波的频率很高(2104 1014Hz ,衍射效应小,指向性强,能量消耗慢。它在固体和液体传播过程中,衰减很小、穿透本领强

6、、能量高而且集中,利用超声波定向发射性质可以探测水中活动的物体、海深1,2。超声波定位目前大多数采用反射式测距法,测距范围一般不超过10m3,在塔式起重机力矩测量仪中采用一种直射式测距法,测距范围较广4。距离的测量采用时间差测距法,通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传输的距离。由于超声波模块的散射角较小,定位范围有一定的局限性,为了能准确定位尽可能大的区域,本文提出了一种使用双超声波模块的定位方案,并从实用角度给出了一种具体控制策略。1超声波模块测距原理超声波测距通常采用时间差测距法5,即超声波探头向某一方向发射出超声波,在发射的同时开始计时,当超声波在介质中碰到被测物体就会发生反射,接收

7、探头接收到反射波后立即停止计时,从而计算出发射和接收回波的时间差t ,同时根据超声波在空气中的传播速度c ,计算出发射点到被测物之间的距离ss =12c ·t (1由于声波速度受温度影响较大,其传播速度与环境温度T 的关系可由下式描述6c =33141+T /槡2733314+0607T ,(2式中T 为环境温度,。所以,为了能更为精确地测量距收稿日期:20120716*基金项目:国家自然科学基金资助项目(6097404822DOI:10.13873/j.1000-97872012.09.035第9期张剑,等:基于双超声波模块的新型定位方法离,硬件中应当加入温度补偿电路,以修正声速。

8、本系统选用的是收发一体的压电式超声波传感器集成块,自带温度补偿电路。超声波测距原理有2种方式:共振式和脉冲反射式。因为共振式的应用要求复杂,在此使用脉冲反射式。超声波测距原理7如图1所示。drsT R图1超声波测距原理图Fig 1Principle diagram of ultrasonic wave ranging根据几何关系有公式s =r 2d(2槡2(3由于d 很小,可忽略,故有s r (42常规超声波定位方法与存在的问题21超声波定位基本原理定位系统选用2块超声波收发模块,安置在相距一定距离的两端,可与障碍物形成三角形,从而可以定出障碍物的具体位置8,其几何分布图如图2所示。T 1/R

9、 1T 2/R 2dBzr 1r 2AC图2超声波定位原理图Fig 2Principle diagram of ultrasonic wave positioning超声波模块1与超声波模块2先后发射接收一次,通过单片机的定时器可以计算出发射与接收之间的时间间隔分别为t 1,t 2,从而有r 1=12c ·t 1,(5r 2=12c ·t 2(6在三角形ABC 中,根据中线定理有z 2=2r 21+2r 22d 24(7根据余弦定理有cos =d (22+z 2r 21d ·z(8联立以上公式,可以计算出障碍物的坐标x =z ·cos ,(9y =z &

10、#183;1cos 2槡(1022常规超声波定位存在的问题由于压电材料易碎,而且要满足密封、绝缘和阻抗匹配等要求,超声波换能器往往被封装在探头外壳内,使压电材料与探头表面有一定距离,对此距离无法进行精确测量,因此,会给测量结果带来误差9。由超声波模块的特点可知,这一模块使用单片机定时器测量的并不是真正的从超声波的发射到接收到返回信号的时间,而是测量超声波模块已经进行温度补偿处理后的一个高电平输出的持续时间10,并且这段持续时间和TRIG 触发口是息息相关的,如果超声波模块1的TRIG 触发口没有被单片机控制触发,而有另一块超声波模块2的TRIG 触发口被触发,发射超声波,并且被超声波模块1接收

11、到返回信号,虽然ECHO 口会有一个高电平输出,但其持续的时间是不准确的,甚至可以说是随机的。3新型的定位方法为了解决以上问题,本方案在定位过程和定位公式上,均做了很大的改进:首先,使用的超声波模块是收发一体的集成块,其辐射偏角约为150,亦即超声波能测到的范围比较有限。因此,需要第三条路径来验证左右超声波模块所测得的两条路径形成了三角形。具体分析如下:要使左右分布的2个超声波模块发射的超声波的传播路径形成三角形,则必须是左边发射超声波要被右边接收到,或者是右边发射的超声波要被左边接收到。为了解决这一问题,可以让左右两边的超声波模块的TRIG 触发口同时被触发,而只检测其中一边的ECHO 口输

12、出高电平,这样,需要分3种情况:障碍物在左边、障碍物在右边、障碍物在中间。31障碍物在左边对于障碍物在左边的情况,如图3所示,分2个步骤来获得定位数据:1使左右超声波模块分别轮流触发测得路径s 1:a 1+b 1和s 2:a 2+b 2。2使左右两超声波模块同时被触发发射超声波,对于模块一可以形成两条路径s 1:a 1+b 1和s 3:a 1+b 2;模块二也可以形成两条路径s 2:a 2+b 2和s 4:a 2+b 1。而单片机可测得超声波传播的相应路径的时间t 1,t 3,t 2,t 4。因而,计算公式应为s 1=c ·t 1,(11s 2=c ·t 2,(12s 3=

13、c ·t 3,(13s 4=c ·t 4(14根据中线定理有z 2=s 21/2+s 22/2d 24(15根据余弦定理有cos =d 2+4z 2s 214d ·z(1632传感器与微系统第31卷故障碍物的坐标为x=z·cos,(17y=z1cos2槡(18实际上,步骤(2中若是单片机只检测模块一的ECHO口,由于s1s3,则只能监测到s1路径,这样并没有找到第三条路径,就不能确定是否形成了三角形,也就不能定位。若是单片机只检测模块二的ECHO口,由于s4s2,则只能检测s4,亦即a2+b1。这时结合只模块一发射、接收所测路径为a1+b1,亦即为s1。

14、模块二发射、接收所测路径为a2+b 2,亦即为s2。理论上满足形成三角形而定位的关系式应有s1s2,s4=(s1+s2/2。然而在实际情况中,若所测数据满足上述公式,则s1,s2,d构成了三角形,可以实现定位。若所测数据不满足上述公式,则s1,s2,d没有构成三角形,原因是s2的测量不准确,因为理论路径的辐射角可能超出了实际限度,但是s4却可能包含正确的定位路径a2+b1,故s2可以用2s4s1代替计算,也可构成三角形。又因障碍物不可能只是一个点,它常常有一定的尺寸,因而,直接用s2计算也并不是很准确,故实际计算公式中均将s2用2s4s1取代以优化算法。于是,公式(15修正为z2=s21+(2

15、s4s122d 28(19Cb1b2a1a2A T/R T/R B图3超声波定位(障碍物在左边Fig3Ultrasonic wave positioning(obstacles on the left 32障碍物在右边对于障碍物在右边的情况,如图4所示,步骤同上,1使左右超声波模块分别轮流触发测得路径s1:a1+b1和s2:a 2+b2。2使左右两超声波模块同时被触发发射超声波,对于模块一可以形成两条路径s1:a1+b1和s3:a1+b2;模块二也可以形成两条路径s2:a2+b2和s4:a2+b1。计算公式同上(11 (18。而公式(19换为cos=d2+4z2s224d·z(20同

16、样,应用前述推证算法,可将式(15修正为z2=s21+(2s3s222d 28(21Cb1b2a1a2AT/R T/RB图4超声波定位(障碍物在右边Fig4Ultrasonic wave positioning(obstacles on the right33障碍物在中间如图5,用前述推证算法测量出s1,s2,s3,s4,显然有s1=s2=s3=s4。若障碍物离定位系统的距离在超声波探头辐射角范围内,显然可形成一个等腰三角形,实现准确定位。Cb1b2a1a2AT/R T/RB图5超声波定位(障碍物在中间Fig5Ultrasonic wave positioning(obstacles in t

17、he middle4实验结果将本系统装载在小车上进行测试,通过其精确的定位功能可使小车实现避障功能,同时可在小车上的液晶上直观的显示定位结果。系统测试的结果如表1所示,其中,R代表右边超声波模块测得障碍物的距离,L代表左边超声波模块测得障碍物的距离,X代表水平移动,Y代表垂直距离。表1超声波测距系统实验数据(cmTab1Experimental data of ultrasonic wave ranging system(cmR实际距离R测量距离L实际距离L测量距离X实际距离X测量距离Y实际距离Y测量距离514755155697557120202750049891506505065492554

18、9151462500501145007550152975531109825005004650075500515505155517500499395055050650550505007450049923515505165007550155125005003852975529500755021089150050161549255485065050415159450049607569755695147551420209350049477(下转第31页 42第9期曾超,等:一种改进的群搜索优化方法结果来自文献3,表3同时给出了各测试函数在搜索域中的最小值。从上表可知,iGSO对13测试函数的优化精度优

19、于GSO,仅对5个测试函数的优化精度逊于GSO,在其余5个函数中,2种方法的表现相当。整体来说,iGSO的性能优于GSO的性能。4结论本文主要针对GSO框架中的发现者行为进行了改进,结果显示,本文的改进方法提高了算法的精度。而在文献5 8,针对追随者的行为作出了一些改进,并显示出良好的效果。若将本文的改进方法和上述文献的改进方法有机结合,GSO的搜索能力将有可能得到进一步提高。参考文献:1Bonabeau E,Dorigo M,Theraulaz GInspiration for optimizationfrom social insect behaviourJNature,2000,406:

20、39422Eberhat R,Kennedy JA new optimizer using particle swarm theo-ryCProc of the6th Intl Symposium on Micro-Machine andHuman Science,Nagoya,1995:39433He S,Wu Q H,Saunders J RGroup search optimizer:An optimi-zation algorithm inspired by animal searching behaviorJIEEETransactions on Evolutionary Compu

21、tation,2009,13(5:9739904He S,Wu Q H,Saunders J RA novel group search optimizer in-spired by animal behavioral ecologyCProc of2006IEEECongress on Evolutionary Computation,Vancouver,2006:127212785Qi K,Tian L,Yong Y,et alGroup search optimizer based optimallocation and capacity of distributed generatio

22、nsJNeurocompu-ting,2012,78:55636张雯雰,滕少华,李丽娟改进的群搜索优化算法J计算机工程与应用,2009,45(4:48527Shen H,Zhu Y,Niu B,et alAn improved group search optimizerfor mechanical design optimization problemsJProgress inNatural Science,2009,19:91978刘锋,覃广,李丽娟快速群搜索优化算法及其应用研究J工程力学,2010,27(7:3844作者简介:曾超(1982,湖南益阳人,博士研究生,研究方向为医学图像处理

23、与医学信号处理檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸。(上接第24页从表1可以看出:定位误差范围控制在1cm内,由于障碍物尺寸较大和左右超声波模块距离比较近,出现误差,但是基本能够实现精准定位。5结束语该定位系统不仅能够同时得到精确的目标距离和方位信息,而且可以通过调节两超声波模块之间的间隔来调节测量的视野宽度,很好地解决了因超声波探头本身属性缺陷(发射超声波的辐射角度仅为150左右而导致普通的三角定位方案的定位范围和精确度受到限制的问题。本文设计提出的新型定位方案,使用廉价的超声波模块,基本不用搭建硬件电路,具有定位范围更广、定位精度更高、应用更加方便等优点。但当障碍物离定位系统的距离过近,在超声波探头辐射角之外,则不能实现准确定位。参考文献:1高峰,郑源明超声波传感器测量声速和距离实验的研究J传感器与微系统,2009,28(11:68702张珩,刘亚杰AT89C52超声波测距倒车防撞报警系统J现代电子技术,2010(3:2052103汪苑,林锦国几种常用室内定位技术的探讨J中国仪器仪表,2011(2:54574