專利名稱：超聲波測量物體位置的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超聲波測量物體位置的裝置，適用于機(jī)器人、多點(diǎn)觸屏等領(lǐng) 域。
二、背景技術(shù)超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于 距離的測量。超聲波的傳播方式為直線傳播，但遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射和繞射；頻率越 高，反射越強(qiáng)，繞射越弱。利用超聲波定位往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí) 控制。傳統(tǒng)超聲波定位裝置常用發(fā)射角小的超聲波發(fā)射器，模仿蝙蝠利用雙耳接收時(shí)間 差進(jìn)行定位，此類裝置大多只能對探測范圍內(nèi)的一個(gè)物體進(jìn)行定位，并且當(dāng)探測范圍內(nèi)有 其他物體時(shí)，其定位結(jié)果容易受到干擾而不準(zhǔn)確。
三、發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的提供一種超聲波測量物體位置的裝置，該裝置可對兩個(gè)或多個(gè)物體 進(jìn)行定位。本實(shí)用新型的目的是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的一種超聲波測量物體位置的裝置包括處理信號(hào)用的單片機(jī)，至少兩個(gè)超聲波收 發(fā)傳感器，每個(gè)傳感器通過收發(fā)電路與單片機(jī)相連。該裝置還包括液晶顯示器，該液晶顯示器與單片機(jī)相連。每個(gè)傳感器通過收發(fā)電路與單片機(jī)相連。單片機(jī)控制超聲波收發(fā)傳感器輪流發(fā) 送超聲波，每個(gè)傳感器接收到的超聲波經(jīng)收發(fā)電路放大整形后送至單片機(jī)進(jìn)行處理。本裝 置利用12864型點(diǎn)陣液晶屏將物體位置顯示出來，但液晶屏并不是必不可少，也可以利用 TWI、USART等通信接口將探測信息傳送至其他應(yīng)用電路。本裝置采用Atmegaie作為微控制器(也可以使用其他型號(hào)單片機(jī))，使用定時(shí)器 產(chǎn)生40KHz矩形波，基于中斷的方式接收超聲波信號(hào)，并在單片機(jī)內(nèi)計(jì)算出物體位置。接收 電路采用CX20106A對超聲波信號(hào)進(jìn)行放大整形，并具有濾除其他雜波的作用。本方法可以同時(shí)探測出在有效探測范圍內(nèi)的多個(gè)物體的位置，單片機(jī)可以計(jì)算出 在有效測量范圍內(nèi)的每個(gè)物體與每個(gè)超聲波收發(fā)傳感器之間的距離，結(jié)合傳感器與傳感器 之間的距離構(gòu)成若干個(gè)三角形，繼而確定物體位置。并且本裝置可以使用廉價(jià)的發(fā)射角較 大的超聲波發(fā)射器，節(jié)約了儀器成本。該超聲波測量物體位置的測量步驟如下1)先由TRl發(fā)送一段超聲波，經(jīng)物體反射后由TR1、TR2接收，并記錄相應(yīng)接收時(shí) 間為 tn、七12、 3......，T11 Λ T12、T13......；2)再由TR2發(fā)送一段超聲波，經(jīng)物體反射后由TR1、TR2接收，并記錄相應(yīng)接收時(shí)[0014]3)是否滿足T11 = t21、T12 = t22、T13 = t23……如不滿足，將所測數(shù)據(jù)舍棄；4)在tn、t12、t13……找出一個(gè)數(shù)據(jù)x，在T21、T22, T23……找出一個(gè)數(shù)據(jù)y，在t21、 t22、t23……中找出一個(gè)數(shù)據(jù)z，使x+y = 2*z，則由x、y和L構(gòu)成一個(gè)三角形，即可確定一個(gè) 物體的位置；5)重復(fù)第4步，直到t21、t22、t23……中數(shù)據(jù)全部用到，即可確定有效測量范圍內(nèi)的 每個(gè)物體的位置。

圖1為超聲波定位流程圖。圖2作出物體可能的位置點(diǎn)。圖3作出物體可能的位置點(diǎn)。圖4確定物體位置點(diǎn)。圖5為裝置有效測量區(qū)示意圖。圖6為超聲波收發(fā)電路圖。圖7為單片機(jī)處理電路圖。圖8為超聲波處理程序流程圖。圖中TR1_超聲波收發(fā)傳感器1 ；TR2-超聲波收發(fā)傳感器2 ；L-TRl與TR2之間的 距離；A、B-待測物體；D、E、F、G、H、I-物體可能的位置點(diǎn)。
五具體實(shí)施方式
1、超聲波定位原理分析本裝置需要兩個(gè)超聲波收發(fā)傳感器，利用超聲波測距通過一定的算法將各個(gè)物體 與收發(fā)傳感器之間的距離計(jì)算出來，構(gòu)成若干個(gè)三角形，進(jìn)而確定物體的位置。超聲波測距原理是利用飛越時(shí)間法(time of flight，T0F)，即檢測超聲波往返的 時(shí)間，所用時(shí)間與超聲波通過距離成正比，從而計(jì)算出超聲波所經(jīng)的距離。當(dāng)超聲波收發(fā)傳 感器發(fā)出一個(gè)短暫脈沖時(shí)，計(jì)時(shí)開始；當(dāng)超聲波收發(fā)傳感器接收到一個(gè)返回脈沖時(shí)，記錄得 到時(shí)間值t。則超聲波傳播的路程為d = vt，其中d為傳感器與被測物體之間的距離；ν為 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。按物體與收發(fā)傳感器之間的距離關(guān)系可分兩種情況進(jìn)行分析，即1、所有物體與 任一收發(fā)傳感器距離不等；2、至少有兩個(gè)物體與某一收發(fā)傳感器距離相等。由后面的分析 可知上述兩種情況可以合二為一，但分情況研究可以簡化對數(shù)據(jù)的處理過程。1. 1所有物體與任一收發(fā)傳感器距離不等以二維平面內(nèi)任意兩物體說明超聲波定位流程(如圖1所示)圖中有收發(fā)傳感器1、收發(fā)傳感器2、任意位置兩個(gè)(也可以多個(gè))物體A和B，收 發(fā)傳感器可以發(fā)送和接收超聲波，兩個(gè)收發(fā)傳感器之間距離L為已知，通過單片機(jī)連接在 一起。可以約定，用t 表示收發(fā)傳感器1的接收時(shí)間，用Tmn表示收發(fā)傳感器2的接收時(shí) 間，下標(biāo)m表示接收到的超聲波是由第幾個(gè)收發(fā)傳感器發(fā)射的，下標(biāo)η表示接收到第幾次回 波。例如t21表示收發(fā)傳感器1接收到由收發(fā)傳感器2發(fā)出的超聲波第1次回波所用的時(shí)
4間。第一步(如圖1(a)所示)收發(fā)傳感器1發(fā)送一段超聲波，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)。第二步(如圖1 (b)所示)超聲波遇到物體產(chǎn)生反射波，反射波分別被收發(fā)傳感 器1和收發(fā)傳感器2接收，單片機(jī)分別記下接收時(shí)間。因?yàn)樘綔y范圍內(nèi)有兩個(gè)物體，所以每 個(gè)收發(fā)傳感器可以先后接收到兩段反射波，而此時(shí)無法判斷先收到的是哪一個(gè)物體的反射 波。記收發(fā)傳感器1先后收到反射波的時(shí)間為tn、t12，收發(fā)傳感器2先后收到反射波的時(shí) 間為 T11、T12。第三步(如圖1(c)所示)收發(fā)傳感器2發(fā)送一段超聲波，單片機(jī)重新開始計(jì)時(shí)。第四步(如圖1 (d)所示)超聲波遇到物體產(chǎn)生反射波，反射波分別被收發(fā)傳感 器1和收發(fā)傳感器2接收，單片機(jī)分別記下接收時(shí)間。如第二步所述，記收發(fā)傳感器1先后 收到反射波的時(shí)間為t21、t22收發(fā)傳感器2先后收到反射波的時(shí)間為T21、T220處理數(shù)據(jù)由幾何關(guān)系可知T11 = t21(1)T12 = t22(2)利用(1) (2)兩式可以判斷數(shù)據(jù)的有效性，如不滿足上述兩式，可能原因是所測物 體速度已超出儀器精度，應(yīng)將數(shù)據(jù)舍棄。以收發(fā)傳感器1為圓心，以tn/2、t12/2為半徑分別畫圓，然后以收發(fā)傳感器2為 圓心，以T21/2、T22/2為半徑分別畫圓，可得出四個(gè)交點(diǎn)D、E、F、G，如圖2所示。假設(shè)tn/2不等于t12/2，則可以判斷物體的位置在D、F或者G、E，即如果將圓弧相 交所得的圖形看作是扭曲的“矩形”，則物體所處位置的連線只能是“矩形”的對角線。所以 只需判斷D、E、F、G任意一點(diǎn)是不是物體所處的位置即可定位兩物體，因?yàn)镕點(diǎn)與收發(fā)傳感 器1和收發(fā)傳感器2距離之和最近，所以只需判斷tn/2與T21/2的和是否等于T11,如果等 于，則F點(diǎn)即為物體位置點(diǎn)，反之F點(diǎn)不是物體位置點(diǎn)。這樣就確定了兩物體的位置。1. 2至少有兩個(gè)物體與某一收發(fā)傳感器距離相等上述分析是建立在對兩個(gè)收發(fā)傳感器可以畫出相同個(gè)數(shù)圓弧的條件下的，如果此 條件不成立，例如對收發(fā)傳感器2可以畫出3個(gè)圓弧(即收發(fā)傳感器2發(fā)送一段超聲波后 收到3次回波)，也就是說有兩個(gè)物體與收發(fā)傳感器1距離相同，那么將有以下變動(dòng)在第二步中收發(fā)傳感器2將收到3次回波，設(shè)為Tn、T12、T
L 13°在第四步中收發(fā)傳感器1將收到3次回波，設(shè)為t21、t22、t23，收發(fā)傳感器2將收到 3次回波，設(shè)為T21、T22、T23。由幾何關(guān)系可知T11 = t21(3)T12 = t22(4)T13 = t23(5)繪制圓弧分析如圖3所示。由圖3可知物體可能的位置點(diǎn)有6個(gè)，即D、E、F、G、H、I。利用T11、T12, T13或者 t21、t22、t23可以確定物體的位置。例如如果tn/2與T21/2之和等于t21，則可判斷F點(diǎn)即為 物體位置點(diǎn)，反之F點(diǎn)不是位置點(diǎn)。以t21、t22、t23分別為長軸，以收發(fā)傳感器1、2為焦點(diǎn)畫 橢圓，橢圓軌跡應(yīng)當(dāng)經(jīng)過D、E、F、G、H、I中3點(diǎn)，即為物體的實(shí)際位置點(diǎn)。假設(shè)橢圓軌跡過E、G、I三點(diǎn)，如圖4所示。則E、G、I三點(diǎn)即為物體實(shí)際位置點(diǎn)。如果情況進(jìn)一步特殊，例如在第二步中收發(fā)傳感器1收到兩次回波，而收發(fā)傳感 器2收到三次回波，在第四步中收發(fā)傳感器1收到三次回波，收發(fā)傳感器2收到兩次回波， 上述分析方法同樣適用。2、測量范圍每個(gè)收發(fā)傳感器都有其測量范圍，采用本方法的裝置測量范圍為兩收發(fā)傳感器的 交集，如圖5所示。3、本實(shí)用新型對物體定位步驟如下1)先由TRl發(fā)送一段超聲波，經(jīng)物體反射后由TR1、TR2接收，并記錄相應(yīng)接收時(shí) 間為 tn、七12、 3......，T11 Λ T12、T13......；2)再由TR2發(fā)送一段超聲波，經(jīng)物體反射后由TR1、TR2接收，并記錄相應(yīng)接收時(shí) 間為 t2i、t22 λ t23......‘ T21 λ T22 Λ T23......；3)是否滿足T11 = t21、T12 = t22、T13 = t23……如不滿足，將所測數(shù)據(jù)舍棄；4)在tn、t12、t13……找出一個(gè)數(shù)據(jù)X，在T21、T22, T23……找出一個(gè)數(shù)據(jù)y，在t21、 t22、t23……中找出一個(gè)數(shù)據(jù)ζ，使x+y = 2*z，則由χ、y和L可以構(gòu)成一個(gè)三角形，即可確定 一個(gè)物體的位置；重復(fù)第4步，直到t21、t22、t23……中數(shù)據(jù)全部用到，即可確定有效測量范圍內(nèi)的每 個(gè)物體的位置；4、超聲波定位電路如圖6所示，40Khz超聲波信號(hào)通過INPUT端輸入到放大電路，經(jīng)過三極管Q1、變 壓器TRl放大后由收發(fā)傳感器TRl發(fā)射出去。超聲波遇到物體返回后由TRl接收，因?yàn)槌?聲波信號(hào)比較微弱，裝換為電信號(hào)后幅值很小，因此首先要經(jīng)行放大。超聲信號(hào)在傳輸過 程中不可避免地混有環(huán)境中的噪聲，超聲波傳輸距離和角度的變化也會(huì)引起信號(hào)電平的變 化。因此，接收時(shí)必須對原始信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，盡可能地減小這些因素的影響。電信號(hào) 經(jīng)過R1，C1送到U2，U2為選頻放大器，對信號(hào)進(jìn)行濾波放大后由OUTPUT端輸出。D1、D2反 向并聯(lián)起到限幅通過作用，因?yàn)榉瓷洳ㄐ盘?hào)較弱，無法通過D1、D2，減少了對反射信號(hào)的衰 減。而發(fā)射波信號(hào)較強(qiáng)，使D3、D4導(dǎo)通，進(jìn)而屏蔽了發(fā)射波對U2的影響。超聲波處理電路如圖7所示，單片機(jī)采用Atmegal6，圖中電源未畫出，可使用直流 5V穩(wěn)壓電源，8MHz晶振，用12864點(diǎn)陣液晶屏顯示物體位置。也可以不用液晶屏，由單片機(jī) 通信接口將探測信息輸出至其他應(yīng)用電路。單片機(jī)采用定時(shí)器0產(chǎn)生40KHz矩形波通過 0UTPUT1、0UTPUT2端輪流輸出，由INPUT1、INPUT2端接收超聲波信號(hào)。因?yàn)樾枰脙蓚€(gè)收發(fā)傳感器，所以實(shí)際電路中需要兩組如圖6中的電路，分別于 圖7中電路相連接，即收發(fā)電路中INPUT接單片機(jī)中0UTPUT1，收發(fā)電路中OUTPUT接單片機(jī) 中INPUT1，同理另外一組收發(fā)電路與單片機(jī)中0UTPUT2、INPUT2相接。單片機(jī)處理后數(shù)據(jù) 可由TWI、USART等通信接口送至其他應(yīng)用電路。5、單片機(jī)程序執(zhí)行流程單片機(jī)中超聲波處理部分程序流程圖如圖8所示。將數(shù)據(jù)tn、t12、t13……存入數(shù)組 tl []，T11, T12, T13……存入 Tl []，t21、t22、t23……存入 t2 []，T21、T22、T23......存入 Τ2 []。數(shù)組rl[]，r2[]用來存放顯示數(shù)據(jù)。單片機(jī)計(jì)算出某個(gè)物體位置后，將該物體與 TRl距離存放在rl □，與TR2距離存放在r2 []，當(dāng)液晶屏或者其他電路需要物體信息時(shí)，讀 取數(shù)組rl[]、r2[]對應(yīng)數(shù)據(jù)即可。可在顯示屏上定出坐標(biāo)，顯示屏上的圖像即為兩個(gè)收發(fā)傳感器前方二維平面內(nèi)的 物體分布情況，每個(gè)點(diǎn)均表示物體的位置，當(dāng)測量精度較高時(shí)，許多點(diǎn)將連成線而顯示出物 體的輪廓。6、說明1、由于超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響，根據(jù)V 331. 4+0. 607T可以對超 聲波的速度加以校正，得到較好的定位精度；2、因?yàn)槌暡▊鞑ニ俣热菀资芴鞖庖蛩赜绊?，故本裝置適于在室內(nèi)環(huán)境中使用；3、主要有以下幾種誤差源影響測量結(jié)果超聲波速度誤差，電路延遲誤差，計(jì)時(shí)誤 差。其中以速度誤差影響最大。
權(quán)利要求一種超聲波測量物體位置的裝置，其特征是它包括處理信號(hào)用的單片機(jī)，至少兩個(gè)超聲波收發(fā)傳感器，每個(gè)傳感器通過收發(fā)電路與單片機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波測量物體位置的裝置，其特征是它包括兩個(gè)超聲波收 發(fā)傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述超聲波測量物體位置的裝置，其特征是該裝置還包括液 晶顯示器，該液晶顯示器與單片機(jī)相連。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種超聲波測量物體位置的裝置，該裝置可對兩個(gè)或多個(gè)物體進(jìn)行定位。它包括處理信號(hào)用的單片機(jī)，至少兩個(gè)超聲波收發(fā)傳感器，每個(gè)傳感器通過收發(fā)電路與單片機(jī)相連。單片機(jī)控制收發(fā)傳感器發(fā)送和接收超聲波，并通過一定的算法計(jì)算出多個(gè)物體的位置，甚至測出物體輪廓。本裝置適用于機(jī)器人、多點(diǎn)觸屏等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01S5/18GK201698020SQ20102024246
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者彭宇翔, 徐程, 李純成, 楊恒旭, 王曉明, 馬龍 申請人:南京信息工程大學(xué)