超声波室内定位系统幻灯片.ppt

摘 要 随着超声波测距精度的不断提高，超声波定位技 术也发展得日趋成熟，并且在工业、农业、医学、食品 加工等各个领域得到了广泛的应用。本文通过对比几种 常用的定位技术，然后融合无线射频技术和超声波技术 ，设计并实现了一种新的超声波室内定位系统。介绍了 系统的基本定位原理和整体设计思路，详细阐述了系统 的软硬件设计方法，最后对实验结果进行了分析，得到 了系统各个模块的性能指标和整体定位精度，对可能产 生误差的原因进行了分析，以此为基础，为提高系统的 测量精度采取了相应措施。 论文结构和主要内容 第一章 绪论 第二章 超声波传感器概述 第三章 方案设计思路及定位算法 第四章 系统软硬件设计 第五章 实验结果分析 第一章 绪 论 ———室内定位系统的应用现 状、研究意义及主要研究内容 超声波室内定位系统的应用现状 超声波室内定位系统的应用现状 Wi-Fi技术只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容 易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器 的能耗也较高 。超声波在对障碍物进行定位方面具 有传播速度慢、方向性好、不易受干扰等优点，综 合考虑作者选择利用超声波来进行定位，基于以上 各项技术的优缺点，本文提出了一种结合超声波技 术和无线射频技术的室内定位方法。 课题研究的意义及内容 也可在发生矿难时，及时赶到矿工遇难现场拯救 矿工生命。如上所述，准确的、实时的室内定位 有重要的应用，这也是开发本系统的实际意义。 课题研究的意义及内容 超声波及其物理性质 2.1超声波物理特性 超声波是一种机械波，其可以在气体、液体和固体中传播，具有以下待性： (1)超声波的频率很高，波长较短，绕射现象小，传播速度慢，可以像光线那样沿着一定方问传播，传播的能量较为集中。 (2)超声波的振幅很小，加速度非常大，因而可以产生较大的能量，而且对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 (3)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中，超声波的这些特性，使其在遥控、测距以及其它领域得到了广泛的应用。 超声波传感器 1、超声波传感器的基本原理 当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生 机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个 电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶 瓷和一个金属片构成的振动器（双压电晶片元件）施加一 个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向 双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。 基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。 2、超声波传感器的种类 超声传感器按其工作原理可以分为压电式、电动式 、电容式、磁致伸缩式和气流式等。 超声波传感器 目前压电式超声波传感器的理论研究和实际应用最 为广泛,下面主要对压电式超声波传感器进行介绍。 顾名思义，压电式超声波传感器是利用压电效 应制成的，常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它 是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应 将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声 波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声 振动波转换成电信号，可用为接收探头。 超声波传感器 如图2．4所示为超声波直探头的 结构图。它主要是由压电晶片、 吸收块(阻尼块)、保护膜组成。 压电晶片多为圆板型，超声波频 率f与其厚度成反比。为了避免 传感器与被测件直接接触而磨损 压电晶片，在压电晶片下有一层 保护膜。阻尼块的作用是降低压 电晶片的机械品质，吸收超声波 的能量。如果没有阻尼块，当激 励的电脉冲信号停止时，晶片会 续振荡，加长超声波的脉冲宽度 ，使分辨率变差 超声波传感器 3、超声波传感器及其特性 超声波传感器的主要性能指标包括工作频率、灵敏度、分辨率、工作温度、指 向性等，其中最重要是工作频率。下图为中心频率为40KHZ的超声波传感器的 频率特性曲线，它反映超声波传感器的灵敏度与频率之间的关系。从图中的频 率特性可知，在发射器的中心频率处，发射器所产生的超声波最强；而在中心 频率两侧，声压能级迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心频率的交 流电压来驱动超声波发生器。本文中使用的超声波传感器型号为FC-16KT40。 图2.5超声波传感器的频率特性 超声波传感器 4、压电式陶瓷超声波传感器的等效电路 当压电片受力时，在晶体的一个表面上会聚集正电荷，而在另 一个表面上聚集负电荷，这两个极板上的电荷量大小相等方向 相反，所以可以把压电片当作一个电荷发生器。由于在晶体的 上下表面聚集电荷，中间为绝缘介质，可看成是一个电容器其 电容量为