一种精确的超声波定位系统

胡森康 徐 铮 刘 伟 史庆藩

(北京理工大学物理实验中心,北京 100081)

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,其中不仅包含室外环境,也包含复杂的室内环境。在复杂的室内环境下,常常需要确定各种设施与物品的位置信息。但是受制于室内障碍物对信号的屏蔽,以及定位所需的极高精度,常见的GPS定位技术难以应用到室内环境中。因此,专家学者提出了许多室内定位技术解决方案,如红外线技术、蓝牙技术、射频识别技术、Wi-Fi技术和超声波技术[1-5]等等。

在这几种解决方案中,相比之下超声波拥有着良好的物理特性,所以适合应用到室内定位中去。超声波的频率高,波长短,绕射现象小,传播速度慢,传播能量较为集中[6];超声波还可以穿透固体和液体;且超声波对外界光线和电磁场不敏感,因此可用于黑暗、灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中[7-9]。因此我们在现有超声波技术理论基础上提出并实现了一种室内超声波定位方法和系统。

本装置核心部件由四个超声波接收器和一个超声波发射器以及两个控制模块组成,超声波发射器作为被定位物体,通过测量被定位物体到四个超声波接收器之间的距离,进而计算出被定位物体的空间坐标。本实验装置经实验验证具有很高的准确度和稳定性,能满足各种室内定位需求,而且能对物体进行实时定位,并可以实现测速,导航等功能。

1 工作原理

超声波定位系统利用3个超声波接收传感器即可实现物体的空间定位,但考虑到需要获得更高的精度,因此采用了4 个超声波接收传感器。这4个超声波接收传感器,能给出超声波发射器所发射的超声波到各个接收传感器所用的时间,再将时间乘以声速,即可得到被定位物体到每个超声波接收传感器之间的距离。最后通过已建立好的数学模型,便能计算出物体的空间位置坐标,从而实现空间定位功能。

进行定位的数学模型为GPS 三角测量定位原理[10]。设四个超声波接收器J i（i=1,2,3,4）的空间坐标为（x i,y i,z i）超声波发生器F(被定位物体)的空间坐标为（x,y,z）;四个超声波接收器J i测量到的与超声波发生器发出信号的时间差值t i,则有:

由式(1)、式(2)和式(3)设:

2 实验装置

装置的核心部件是一套由单片机组成的系统,包括超声波发射器,超声波接收器,接收中控模块,发射中控模块构成,系统和计算机共同组成了以计算机为核心的定位系统,系统结构图见图1。

图1 系统结构图

根据图1所示,该系统是通过计算机控制并实现定位功能的。首先计算机发送启动测量命令给发射端,延时等待;再一步为发射端发送超声波,并通知接收端启动计时;计算机延时结束后,从接收端读取距离数据,根据接收点的布置计算坐标,并根据需要发布坐标和显示。

该系统主要由两种核心程序来实现。一是单片机控制程序,二是坐标计算程序。单片机得到各个超声波接收器与超声波发射器的距离后,可将该信息传到计算机中,通过上述所介绍的数学模型和算法,即可计算出物体的相对位置坐标。

温度改变会引起声速的变化,由于本实验装置的空间尺寸较小(760×650×1500,单位mm),所以需要考虑到温度对测量精度的影响。该装置中有声速修正程序,通过单片机上的温度传感器,得到当前环境的实时温度,再通过公式计算出当前温度下的声速,以达到修正声速的目的。

本装置还对坐标进行了实时显示(可视化程序)处理。我们利用计算机语言对所得到的位置坐标进行实时显示,并构建可视化显示方式,令物体的坐标位置具有很高的可读性。显示界面如图2所示。

图2 操作界面

此界面由四个部分组成,首先是位于右上方的XY相对坐标实时显示界面,位于右下方的XZ相对坐标实时显示界面,再者是位于左下方的YZ相对坐标实时显示界面,最后是位于右侧的坐标值显示区域。

系统的实验装置由空间超声波定位系统装置和实验支架组成,如图3所示。支架顶端四个角上分别装有四个超声波接收器,超声波发射器(被定位物体)被安装于可在平面自由移动的滑杆上,架子还可以在竖直方向上移动,从而能够实现被定位物体在空间上的自由移动。

图3 装置实物图

以底端一个角作为原点建立了空间直角坐标系,并粘贴了刻度尺。在测量时,移动平面滑杆和竖直移动装置,将超声波发射器(被定位物体)置于空间中的某一位置,刻度尺上所显示的X、Y、Z轴坐标值即为被定位物体的实际值。程序所给出的X、Y、Z轴坐标值为被定位物体的测量值,将其与实际值相比较,即可得知空间超声波定位系统装置的定位精度。

3 数据处理

四个超声波接收器J i（i=1,2,3,4）分别位于架子上方的四个角上,其空间坐标分别为J1=（0,0,1500）,J2=（760,0,1500）,J3=（760,650,1500）,J4=（0,650,1500）(单位为mm)。设某一坐标的实际值为M,测量值为N,则可得到其绝对误差|M-N|和其相对误差。根据定位原理,共测量了60组实验数据,并计算了绝对误差和相对误差。

综合60组实验数据误差结果可以得出:X坐标绝对误差的平均值为4.6mm,Y坐标绝对误差的平均值为3.0mm,Z坐标绝对误差的平均值为5.1mm;X坐标相对误差的平均值为1.25%,Y坐标相对误差的平均值为0.80%,Z坐标相对误差的平均值为0.63%。可以看到测量精度极高,能满足绝大多数的室内定位需求。X,Y,Z坐标理论值和测量值的对比图见图4、图5和图6。

图4 坐标x 的测量值和理论值对比图

图5 坐标y 的测量值和理论值对比图

图6 坐标z 的测量值和理论值对比图

4 结语

超声波定位方法是一种简单,准确,实用的定位方法,本文对其数学模型和实现方法进行了简单的介绍,并通过搭建实验装置,对系统的测量精度进行了验证。通过实验结果可以知道,此装置具有很高的测量精度,这很大一部分得益于提出的GPS的定位算法,此算法通过迭代的方式实现物体的坐标计算,具有较强的容错性且比以往的三边定位算法更为精确。此外,该测量方法还有很好的拓展性,可以通过提高超声波发射器发射脉冲的频率,实现对物体的更为精准的实时定位,也可以通过算法实现对被定位物体的运动轨迹的描绘,从而实现导航定位功能。(本项目获得2019年北京市大学生物理实验竞赛一等奖)