CN101881832A - 利用超声波测量物体位置的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用超声波进行物体定位的方法及装置。该超声波测量物体位置的装置：其特征在于它包括处理信号用的单片机，至少两个超声波收发传感器，每个传感器通过收发电路与单片机相连。单片机控制两个收发传感器发送和接收超声波，并通过一定的算法计算出多个物体的位置，甚至测出物体轮廓。本方法适用于机器人、多点触屏等领域。

Description

利用超声波测量物体位置的方法及装置

一、技术领域：

本发明涉及一种利用超声波测量物体位置的方法及装置，适用于机器人、多点触屏等领域。

二、背景技术：

超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。超声波的传播方式为直线传播，但遇到障碍物时会发生反射和绕射；频率越高，反射越强，绕射越弱。利用超声波定位往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制。

传统超声波定位装置常用发射角小的超声波发射器，模仿蝙蝠利用双耳接收时间差进行定位，此类装置大多只能对探测范围内的一个物体进行定位，并且当探测范围内有其他物体时，其定位结果容易受到干扰而不准确。

三、发明内容：

本发明根据现有技术情况，提供一种利用超声波测量物体位置的方法，该方法定位准确，可对有效探测范围内的两个或多个物体的位置。

本发明的另一目的是提供一种利用超声波测量物体位置的装置，该装置可对两个或多个物体进行定位。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

1、一种利用超声波测量物体位置的方法，该方法包括以下步骤：

1)先由TR1发送一段超声波，经物体反射后由TR1、TR2接收，并记录相应接收时间为t₁₁、t₁₂、t₁₃……，T₁₁、T₁₂、T₁₃……；

2)再由TR2发送一段超声波，经物体反射后由TR1、TR2接收，并记录相应接收时间为t₂₁、t₂₂、t₂₃……，T₂₁、T₂₂、T₂₃……；

3)是否满足T₁₁＝t₂₁、T₁₂＝t₂₂、T₁₃＝t₂₃……如不满足，将所测数据舍弃；

4)在t₁₁、t₁₂、t₁₃……找出一个数据x，在T₂₁、T₂₂、T₂₃……找出一个数据y，在t₂₁、t₂₂、t₂₃……中找出一个数据z，使x+y＝2*z，则由x、y和L构成一个三角形，即可确定一个物体的位置；

5)重复第4步，直到t₂₁、t₂₂、t₂₃……中数据全部用到，即可确定有效测量范围内的每个物体的位置。

本发明的超声波测量物体位置的装置：

包括处理信号用的单片机，至少两个超声波收发传感器，每个传感器通过收发电路与单片机相连。单片机控制超声波收发传感器轮流发送超声波，每个传感器接收到的超声波经收发电路放大整形后送至单片机进行处理。本装置利用12864型点阵液晶屏将物体位置显示出来，但液晶屏并不是必不可少，也可以利用TWI、USART等通信接口将探测信息传送至其他应用电路。

本装置采用Atmega16作为微控制器(也可以使用其他型号单片机)，使用定时器产生40KHz矩形波，基于中断的方式接收超声波信号，并在单片机内计算出物体位置。接收电路采用CX20106A对超声波信号进行放大整形，并具有滤除其他杂波的作用。

本方法可以同时探测出在有效探测范围内的两个或多个物体的位置，单片机可以计算出在有效测量范围内的每个物体与每个超声波收发传感器之间的距离，结合传感器与传感器之间的距离构成若干个三角形，继而确定物体位置。并且本装置可以使用廉价的发射角较大的超声波发射器，节约了仪器成本。

四、附图说明：

图1为超声波定位流程图。

图2作出物体可能的位置点。

图3作出物体可能的位置点。

图4确定物体位置点。

图5为装置有效测量区示意图。

图6为超声波收发电路图。

图7为单片机处理电路图。

图8为超声波处理程序流程图。

图中：TR1-超声波收发传感器1；TR2-超声波收发传感器2；L-TR1与TR2之间的距离；A、B-待测物体；D、E、F、G、H、I-物体可能的位置点。

五、具体实施方式：

1、超声波定位原理分析

本装置需要两个超声波收发传感器，利用超声波测距通过一定的算法将各个物体与收发传感器之间的距离计算出来，构成若干个三角形，进而确定物体的位置。

超声波测距原理是利用飞越时间法(time of flight，TOF)，即检测超声波往返的时间，所用时间与超声波通过距离成正比，从而计算出超声波所经的距离。当超声波收发传感器发出一个短暂脉冲时，计时开始；当超声波收发传感器接收到一个返回脉冲时，记录得到时间值t。则超声波传播的路程为d＝vt，其中d为传感器与被测物体之间的距离；v为超声波在介质中的传播速度。

按物体与收发传感器之间的距离关系可分两种情况进行分析，即：1、所有物体与任一收发传感器距离不等；2、至少有两个物体与某一收发传感器距离相等。由后面的分析可知上述两种情况可以合二为一，但分情况研究可以简化对数据的处理过程。

1.1所有物体与任一收发传感器距离不等

以二维平面内任意两物体说明超声波定位流程(如图1所示)

图中有收发传感器1、收发传感器2、任意位置两个(也可以多个)物体A和B，收发传感器可以发送和接收超声波，两个收发传感器之间距离L为已知，通过单片机连接在一起。

可以约定，用t_mn表示收发传感器1的接收时间，用T_mn表示收发传感器2的接收时间，下标m表示接收到的超声波是由第几个收发传感器发射的，下标n表示接收到第几次回波。例如t₂₁表示收发传感器1接收到由收发传感器2发出的超声波第1次回波所用的时间。

第一步：(如图1(a)所示)收发传感器1发送一段超声波，单片机开始计时。

第二步：(如图1(b)所示)超声波遇到物体产生反射波，反射波分别被收发传感器1和收发传感器2接收，单片机分别记下接收时间。因为探测范围内有两个物体，所以每个收发传感器可以先后接收到两段反射波，而此时无法判断先收到的是哪一个物体的反射波。记收发传感器1先后收到反射波的时间为t₁₁、t₁₂，收发传感器2先后收到反射波的时间为T₁₁、T₁₂。

第三步：(如图1(c)所示)收发传感器2发送一段超声波，单片机重新开始计时。

第四步：(如图1(d)所示)超声波遇到物体产生反射波，反射波分别被收发传感器1和收发传感器2接收，单片机分别记下接收时间。如第二步所述，记收发传感器1先后收到反射波的时间为t₂₁、t₂₂，收发传感器2先后收到反射波的时间为T₂₁、T₂₂。

处理数据：由几何关系可知：

T₁₁＝t₂₁(1)

T₁₂＝t₂₂(2)

利用(1)(2)两式可以判断数据的有效性，如不满足上述两式，可能原因是所测物体速度已超出仪器精度，应将数据舍弃。

以收发传感器1为圆心，以t₁₁/2、t₁₂/2为半径分别画圆，然后以收发传感器2为圆心，以T₂₁/2、T₂₂/2为半径分别画圆，可得出四个交点D、E、F、G，如图2所示。

假设t₁₁/2不等于t₁₂/2，则可以判断物体的位置在D、F或者G、E，即如果将圆弧相交所得的图形看作是扭曲的“矩形”，则物体所处位置的连线只能是“矩形”的对角线。所以只需判断D、E、F、G任意一点是不是物体所处的位置即可定位两物体，因为F点与收发传感器1和收发传感器2距离之和最近，所以只需判断t₁₁/2与T₂₁/2的和是否等于T₁₁，如果等于，则F点即为物体位置点，反之F点不是物体位置点。这样就确定了两物体的位置。

1.2至少有两个物体与某一收发传感器距离相等

上述分析是建立在对两个收发传感器可以画出相同个数圆弧的条件下的，如果此条件不成立，例如对收发传感器2可以画出3个圆弧(即收发传感器2发送一段超声波后收到3次回波)，也就是说有两个物体与收发传感器1距离相同，那么将有以下变动：

在第二步中收发传感器2将收到3次回波，设为T₁₁、T₁₂、T₁₃。

在第四步中收发传感器1将收到3次回波，设为t₂₁、t₂₂、t₂₃，收发传感器2将收到3次回波，设为T₂₁、T₂₂、T₂₃。

由几何关系可知：

T₁₁＝t₂₁    (3)

T₁₂＝t₂₂    (4)

T₁₃＝t₂₃    (5)

绘制圆弧分析如图3所示。

由图3可知物体可能的位置点有6个，即D、E、F、G、H、I。利用T₁₁、T₁₂、T₁₃或者t₂₁、t₂₂、t₂₃可以确定物体的位置。例如如果t₁₁/2与T₂₁/2之和等于t₂₁，则可判断F点即为物体位置点，反之F点不是位置点。以t₂₁、t₂₂、t₂₃分别为长轴，以收发传感器1、2为焦点画椭圆，椭圆轨迹应当经过D、E、F、G、H、I中3点，即为物体的实际位置点。假设椭圆轨迹过E、G、I三点，如图4所示。

则E、G、I三点即为物体实际位置点。

如果情况进一步特殊，例如在第二步中收发传感器1收到两次回波，而收发传感器2收到三次回波，在第四步中收发传感器1收到三次回波，收发传感器2收到两次回波，上述分析方法同样适用。

2、测量范围

每个收发传感器都有其测量范围，采用本方法的装置测量范围为两收发传感器的交集，如图5所示。

3、本发明对物体定位步骤如下：

1)先由TR1发送一段超声波，经物体反射后由TR1、TR2接收，并记录相应接收时间为t₁₁、t₁₂、t₁₃……，T₁₁、T₁₂、T₁₃……；

2)再由TR2发送一段超声波，经物体反射后由TR1、TR2接收，并记录相应接收时间为t₂₁、t₂₂、t₂₃……，T₂₁、T₂₂、T₂₃……；

3)是否满足T₁₁＝t₂₁、T₁₂＝t₂₂、T₁₃＝t₂₃……如不满足，将所测数据舍弃；

4)在t₁₁、T₁₂、t₁₃……找出一个数据x，在T₂₁、T₂₂、T₂₃……找出一个数据y，在t₂₁、t₂₂、t₂₃……中找出一个数据z，使x+y＝2*z，则由x、y和L可以构成一个三角形，即可确定一个物体的位置；

重复第4步，直到t₂₁、t₂₂、t₂₃……中数据全部用到，即可确定有效测量范围内的每个物体的位置；

4、超声波定位电路：

如图6所示，40Khz超声波信号通过INPUT端输入到放大电路，经过三极管Q1、变压器TR1放大后由收发传感器TR1发射出去。超声波遇到物体返回后由TR1接收，因为超声波信号比较微弱，装换为电信号后幅值很小，因此首先要经行放大。超声信号在传输过程中不可避免地混有环境中的噪声，超声波传输距离和角度的变化也会引起信号电平的变化。因此，接收时必须对原始信号进行适当的调理，尽可能地减小这些因素的影响。电信号经过R1，C1送到U2，U

2为选频放大器，对信号进行滤波放大后由OUTPUT端输出。D 1、D2反向并联起到限幅通过作用，因为反射波信号较弱，无法通过D1、D2，减少了对反射信号的衰减。而发射波信号较强，使D3、D4导通，进而屏蔽了发射波对U2的影响。

超声波处理电路如图7所示，单片机采用Atmega16，图中电源未画出，可使用直流5V稳压电源，8MHz晶振，用12864点阵液晶屏显示物体位置。也可以不用液晶屏，由单片机通信接口将探测信息输出至其他应用电路。单片机采用定时器0产生40KHz矩形波通过OUTPUT1、OUTPUT2端轮流输出，由INPUT1、INPUT2端接收超声波信号。

因为需要用两个收发传感器，所以实际电路中需要两组如图6中的电路，分别于图7中电路相连接，即收发电路中INPUT接单片机中OUTPUT1，收发电路中OUTPUT接单片机中INPUT1，同理另外一组收发电路与单片机中OUTPUT2、INPUT2相接。单片机处理后数据可由TWI、USART等通信接口送至其他应用电路。

5、单片机程序执行流程

单片机中超声波处理部分程序流程图如图8所示。

将数据t₁₁、t₁₂、t₁₃……存入数组t1[]，T₁₁、T₁₂、T₁₃……存入T1[]，t₂₁、t₂₂、t₂₃……存入t2[]，T₁₁、T₂₂、T₂₃……存入T2[]。

数组r1[]，r2[]用来存放显示数据。单片机计算出某个物体位置后，将该物体与TR1距离存放在r1[]，与TR2距离存放在r2[]，当液晶屏或者其他电路需要物体信息时，读取数组r1[]、r2[]对应数据即可。

可在显示屏上定出坐标，显示屏上的图像即为两个收发传感器前方二维平面内的物体分布情况，每个点均表示物体的位置，当测量精度较高时，许多点将连成线而显示出物体的轮廓。

6、说明

1、由于超声波在空气中的传播速度受温度影响，根据V≈331.4+0.607T可以对超声波的速度加以校正，得到较好的定位精度；

2、因为超声波传播速度容易受天气因素影响，故本装置适于在室内环境中使用；

3、主要有以下几种误差源影响测量结果：超声波速度误差，电路延迟误差，计时误差。其中以速度误差影响最大。

Claims (4)

1.一种利用超声波测量物体位置的方法，该方法包括以下步骤：

1)先由TR1发送一段超声波，经物体反射后由TR1、TR2接收，并记录相应接收时间为t₁₁、t₁₂、t₁₃……，T₁₁、T₁₂、T₁₃……；

2)再由TR2发送一段超声波，经物体反射后由TR1、TR2接收，并记录相应接收时间为t₂₁、t₂₂、t₂₃……，T₂₁、T₂₂、T₂₃……；

3)是否满足T₁₁＝t₂₁、T₁₂＝t₂₂、T₁₃＝t₂₃……如不满足，将所测数据舍弃；

4)在t₁₁、t₁₂、t₁₃……找出一个数据x，在T₂₁、T₂₂、T₂₃……找出一个数据y，在t₂₁、t₂₂、t₂₃……中找出一个数据z，使x+y＝2*z，则由x、y和L构成一个三角形，即可确定一个物体的位置；

5)重复第4步，直到t₂₁、t₂₂、t₂₃……中数据全部用到，即可确定有效测量范围内的每个物体的位置。

2.一种超声波测量物体位置的装置：其特征在于它包括处理信号用的单片机，至少两个超声波收发传感器，每个传感器通过收发电路与单片机相连。

3.根据权利要求2所述超声波测量物体位置的装置，其特征是：它包括两个超声波收发传感器。

4.根据权利要求2或3所述超声波测量物体位置的装置，其特征是：该装置还包括液晶显示器，该液晶显示器与单片机相连。

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