基于平面多目標聲定位的通信實訓設(shè)備開發(fā)

范文龍++王洪源++陳慕羿++付垚++湯秋艷

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.225

摘 要：對處于較小的二維平面的空間內(nèi)的物體，采取超聲波探測和定位是十分適合的。定位系統(tǒng)由裝在四角的4只超聲波發(fā)射機、嵌在目標上的超聲波接收機、上位PC機構(gòu)成。超聲波發(fā)射機負責發(fā)射40KHz的超聲波，超聲波接收機負責接收超聲波和記錄超聲波傳輸時間，PC端負責處理數(shù)據(jù)，計算出超聲波接收機的坐標。采用超聲波到達時間差測距方式進行平面上近距離目標定位，設(shè)計了多目標定位系統(tǒng)及其通信協(xié)議，研究了超聲4角定位原理與算法，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了通信工程專業(yè)實訓設(shè)備。

關(guān)鍵詞：多目標 超聲波測距 四角定位 實訓設(shè)備

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0225-02

應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)中實踐教學是關(guān)鍵。在2016年遼寧省本科教學改革一般項目的資助下，課題組整合現(xiàn)有實驗室儀器資源，充分使用實驗室現(xiàn)有高端儀器儀表，將“平面多目標超聲探測與定位技術(shù)”應(yīng)用于通信工程實訓設(shè)備開發(fā)中，自行開發(fā)出新型開放式綜合實訓平臺，為學生提供了豐富的底層實驗數(shù)據(jù)及二次開發(fā)接口。該技術(shù)的核心是多目標定位協(xié)議設(shè)計與四角定位算法。

1 平面多目標超聲定位系統(tǒng)設(shè)計

超聲波定位是通過接收幾個固定位置的發(fā)射點的超聲波，利用測量超聲波傳輸時間計算其距離，運用多點測量計算出需要定位物體的位置[1-2]。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，超聲波接收器接收到超聲波就立即停止計時。（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距目標的距離（s），即：s=340t）。對于多目標的測距定位可以采用輪詢方式實現(xiàn)。多目標超聲定位系統(tǒng)如圖1所示。

在4個附角的超聲波發(fā)射器遞次發(fā)射超聲波。首先第一個超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，每個目標中設(shè)置超聲波接收器，當接收到第一個超聲波發(fā)射機的信號時，給超聲波發(fā)射機返回一個信號紅外或無線電信號。當系統(tǒng)接收到返回信號后，第二個超聲波發(fā)射機發(fā)射超聲波。之后依次進行發(fā)射超聲波。

近距離平面目標超聲波聲探測和定位系統(tǒng)主要包括三個部分，PC端、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器。超聲波發(fā)射器負責發(fā)射40kHz的超聲波，超聲波接收機負責接收超聲波和記錄超聲波傳輸時間，PC端負責處理數(shù)據(jù)，計算出超聲波接收機的坐標。在系統(tǒng)中，超聲波發(fā)射機和超聲波接收機的處理器采用Arduino開發(fā)板。

主機和從機的通訊流程如圖2所示。

2 定位算法設(shè)計

采用4角定位算法，算法模型如圖3所示。

其中0，1，2，3；為當前聲速，為聲音的傳播時間

0，1，2，3

（1）

（2）

（3）

（4）

通過（1）、（2）、（3）（4）得到矩陣公式（5）

（5）

設(shè)A=

B=

則公式（5）可以寫成AX=B+R；

通過矩陣運算AX=B+R，得：

通過運算得出，當t0、t1、t2、t3已知時，可以求出r0，r1，r2，r3，從而計算出（x，y）。

本系統(tǒng)采用的內(nèi)部的微處理器Atmega328，晶振為16MHz。使用Atmega328的Timer1為16位計時器。本超聲波探測和定位系統(tǒng)采Timer1計時器。時鐘周期T=（1/晶振頻率（f））*分頻；例如，當晶振頻率（f）為16MHz，分頻數(shù)為8時，時鐘周期T為0.5μs。即TCNT1從0加到65535，一共需要32768μs（0.032768s）。當超聲波速度為340m/s時，范圍大概是11.14112m，則定位系統(tǒng)中超聲波發(fā)射機的相鄰距離最好為7.8m。

3 結(jié)語

基于四角定位原理組成的通信工程專業(yè)實訓系統(tǒng)可以給學生提供更多的底層物理實驗數(shù)據(jù)，由超聲波發(fā)射機、超聲波接收機和PC機構(gòu)成的多目標定位的系統(tǒng)可以動態(tài)調(diào)節(jié)通信協(xié)議、研究數(shù)據(jù)處理算法，以研發(fā)的視角精心做實驗，設(shè)備投資大大降低，以較低資金成本提高師生的實踐能力。本項目獲得2016年度沈陽理工大學校級教學成果一等獎。

參考文獻

[1] 張景偉.超聲波定位系統(tǒng)精度分析[J].今日電子，2017（4）：57-59.

[2] 華蕊，郝永平，楊芳.超聲波定位系統(tǒng)的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2009（6）：65-67.

[3] A Mazalek.An extensible method for developing multi-user media interaction platforms for shared spaces[D]. Iranian Journal of Allergy Asthma & Immunology，2005.endprint