CN1996045A

CN1996045A - 一种超声波定位传感器

Info

Publication number: CN1996045A
Application number: CN 200610166527
Authority: CN
Inventors: 李文锋; 张帆
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2026-12-29
Also published as: CN1996045B

Abstract

本发明涉及一种超声波定位传感器，它包括超声波发射传感器、超声波接收传感器；超声波发射传感器包括超声波发射元件、无线信号发射元件、控制电路；超声波发射元件、无线信号发射元件由电路部分控制；超声波发射传感器上至少包括两个指向不同的超声波发射元件。本发明的超声波发射传感器上设有至少两个指向不同的超声波发射元件，提高了超声波发射元件发射超声波的覆盖范围，有利于超声波接收传感器的接收，有利于提高超声波定位传感器工作稳定性和精度。

Description

一种超声波定位传感器

技术领域

本发明涉及定位传感器，特别是超声波定位传感器。

背景技术

超声波定位传感器包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，如图8所示，超声波定位传感器的工作原理为：超声波发射传感器同时向外发出超声波信号、无线(或红外)信号，超声波接收传感器接收发射传感器外发出的信号，并输入计算机，计算机根据超声波接收传感器接收两信号的时间差，计算出超声波发射传感器和超声波接收传感器之间的距离。如果在移动物上设置一个超声波发射传感器(或超声波接收传感器)，在周围环境中固定设置多个超声波接收传感器(或超声波发射传感器)，计算机就可以计算出移动物所在的空间位置。

现有的超声波发射传感器包括一个超声波发射元件、一个无线(或红外)信号发射元件、控制电路，控制电路控制超声波发射头和红外发射头向外发出信号。

现有的超声波接收传感器包括一个超声波接收元件、一个无线(或红外)信号接收元件、接收电路，接收电路将接收元件接收的信号经放大、滤波后输出给计算机。

现有的超声波定位传感器的缺陷在于：由于超声波信号具有方向性，单个元件(超声波发射元件、超声波接收元件)的覆盖范围有限，不能保证超声波发射传感器外发出的超声波信号能准确地被超声波接收传感器接收，造成超声波定位传感器工作稳定性差，精度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种超声波定位传感器，该传感器能保证超声波发射传感器向外发出的信号能准确地被超声波接收传感器接收。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种超声波定位传感器，它包括超声波发射传感器、超声波接收传感器；超声波发射传感器包括超声波发射元件、无线信号发射元件、控制电路；超声波发射元件、无线信号发射元件由电路部分控制；超声波发射传感器上至少包括两个指向不同的超声波发射元件。

上述方案中，超声波接收传感器包括超声波接收元件、无线信号接收元件、接收电路；超声波接收元件、无线信号接收元件通过接收电路输出信号；超声波接收传感器上至少包括两个指向不同的超声波接收元件。

上述方案中，超声波发射元件以插头、插座的形式与控制电路连接。

上述方案中，超声波发射元件为3～8个，各超声波发射元件环形分布在超声波发射传感器上，各超声波发射元件的指向360°均匀分布。

上述方案中，超声波接收元件以插头、插座的形式与接收电路连接。

上述方案中，超声波接收元件为3～8个，各超声波接收元件环形分布在超声波接收传感器上，各超声波接收元件的指向360°均匀分布。

上述方案中，接收电路包括用于对接收超声波信号的先、后进行比较的比较电路。

上述方案中，接收电路包括电源，电源为被动式接收信号开关电源。

上述方案中，电路为电路板，超声波元件设置在电路板的正面，无线信号元件设置在电路板的背面。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、其超声波发射传感器上设有至少两个指向不同的超声波发射元件，提高了超声波发射元件发射超声波的覆盖范围，有利于超声波接收传感器的接收，有利于提高超声波定位传感器工作稳定性和精度。

2、超声波接收传感器上设有至少两个指向不同的超声波接收元件，提高了超声波接收元件的接收范围，有利于超声波接收传感器的接收，有利于提高超声波定位传感器工作稳定性和精度。

3、超声波发射元件以插头、插座的形式与控制电路连接，超声波接收元件以插头、插座的形式与接收电路连接，使得超声波元件可以任意组合、增减。

4、超声波发射元件、超声波接收元件分别为3～8个，各元件环形分布，其指向360°均匀分布，结构简单合理，有利于提高元件的覆盖范围。

5、接收电路包括用于对接收超声波信号的先、后进行比较的比较电路，接收电路可将最先接收到的超声波和无线信号输出，超声波接收传感器的抗干扰性能好。

6、接收电路的电源为被动式接收信号开关电源，可以减少功耗，延长了传感器的使用寿命。

7、电路为电路板，超声波元件设置在电路板的正面，无线信号元件设置在电路板背面。通过层叠结构，利用立体空间，减小了设备的体积；同时，方便元件安装、增减。

附图说明

图1为超声波发射传感器的结构框图

图2为超声波接收传感器的结构框图

图3、4、5为超声波定位传感器的结构示意图

图6、7为电路的电路图

图8为现有超声波传感器的工作原理框图

具体实施方式

本发明超声波定位传感器实施例，它包括超声波发射传感器、超声波定位传感器。

如图1所示，超声波发射传感器包括超声波发射元件、无线信号发射元件、控制电路；超声波发射元件、无线信号发射元件由电路部分控制；超声波发射传感器上设有8个指向不同的超声波发射元件。

如图3、4、5所示，电路——控制电路为电路板2上，电路板2上设有插座4，超声波元件1——超声波发射元件以插头、插座的形式设置在电路板2上部，无线信号元件3——无线信号发射元件设置在电路板2的正面。

超声波发射传感器上的8个超声波发射元件以环形分布的方式设置在电路板2上，各超声波发射元件指向360°均匀分布。

如图2所示，超声波接收传感器包括超声波接收元件、无线信号接收元件、接收电路；超声波接收元件、无线信号接收元件通过接收电路输出信号；超声波接收传感器上设有8个指向不同的超声波接收元件。

如图3、4、5所示，电路——接收电路设置在电路板2上，电路板2上设有插座4，超声波元件1——超声波接收元件以插头、插座的形式设置在电路板2上部，无线信号元件3——无线信号接收元件设置在电路板2背面。

超声波接收传感器上的8个超声波接收元件以环形分布的方式设置在电路板2上，各超声波接收元件指向360°均匀分布。

上述超声波发射元件T40-16，超声波接收元件为R40-160，它们的工作频率在40KHZ；无线信号发射、接收元件均为无线传感器网络节点模块MICAz。

控制电路的电路图如图6、7所示。控制电路采用单片机Atmega128L单片机。电路上设计有8个插座，每一个插座有4个口，分别为：VCC电源正，SIG1信号1，SIG2信号2，GND电源地。

控制电路包括一个总控制器和两个控制单元(功能模块)，两控制单元分别由一个控制器、一个执行器、两个传感器组成，总控制器通过四线制总线与控制器连接，四线制总线由两根电源线、一根TXD信号线、一根RXD信号线组成。总控制器可为单片机，也可为计算机。

接收电路与控制电路相同，采用跳线方式选择安装发射元件还是接收器元件，即控制器底板支持发射元件与接收元件两种传感器模块。接收电路包括用于对接收超声波信号的先、后进行比较的比较电路。接收电路包括电源，电源为被动式接收信号开关电源。控制板上集成有DS18S20温度传感器。在处理距离数据的时候，根据温度调整参数使计算出来的距离精度保证＜1cm。底板上还带有电源电压测试功能，使超声波传感器板可以通过分析电源消耗模型自动选择工作方式，在电池能量不足的时候及时发送信号通知监测分析器。

本发明传感器实施例可支持无线传感器网络节点的定位，电路上装配控制电路/接收电路，由电路负责信号调度与初级过滤。发射传感器先发射无线传感器网络消息，通知周围的节点准备接收超声波信号，接着发送超声波信号。接收器根据无线信号与超声波信号的时间差计算与发射器的距离。最终接收器节点测得的距离值传送给监测分析的计算机，计算机分析数据并计算出发射器的位置。

接收电路的设计使用LM6032与LM311芯片，以及分立元件。电路完成的主要功能有信号接收，放大，过滤，比较和输出。

控制电路的设计主要按照两个原则设计，一是低能耗，越是精简的电路设计所采用的分立元件越少，因此就可以减少功耗；二是高速度，因为超声波传感器元件的最大振幅对应的频率是40kHZ，所以升压电路必须保证能够达到40kHZ的开关速度。使用一片SP232作为电压放大器，将单片机的5V信号增幅到12V供给传感器，可以增加信号的强度，使信号传播距离更远。如果不升压则会大大减少信号的传播距离。利用这个特性可以调节超声波信号的覆盖范围，建立起无线信号与超声波信号的映射关系。这样做可以避免在小空间内测试传感器网络时会碰到的空间问题，缩短了传感器节点的工作距离，相当于将整个网络缩小了。

本发明传感器实施例为无线传感器网络节点定位超声波传感器，能够应用于传感器网络节点基于定位的控制系统，它采用模块化设计，工作性能稳定、控制灵活。对比已有的超声波传感器，本发明传感器实施例还具有以下优点：

1、制作了各种具有独立工作能力的传感器、控制器元件模块，元件模块既可以组合功能模块，又可以单独与PC机相连在电脑上演示，构造了一个可裁剪的试验平台。这种方式不仅隔离了硬件的差异，是用户通过标准的接口操作，而且提高了传感器精度和工作稳定性，是单纯的传感器元件所不能比拟的。

2、可使用面向传感器网络的程序设计，达到大大降低节点功耗的目的，使传感器网络整体工作寿命延长。

3、可具有独特的利用节点存储信息的能力，可以应用在定位导航以及目标追踪等需要位置信息的领域。

4、可用于实验教学目的，实验过程中可以根据控制需要选择功能模块，即可以用于无线网络的研究，又可以用于超声波测距的研究。

5、由于传统的模拟元件精度和稳定性有限，随着数字信号处理技术的发展当前利用软件算法来处理信号不仅可以提高精度而且控制性能更佳，结合无线超声波信号的时间差分析可以使测量距离精度做到比单纯的超声波测距离更好的效果。

6、使用信号转换电路来处理传感器的信号，不仅使得外围的硬件可以做到统一接口，而且也为使用数字信号分析算法。

7、结合了无线传感器网络节点技术，可以用于机器人避障，环境探测等方面。

8、超声波元件可以任意增减；因为超声波传感器发射的超声波具有50°左右的方向性，控制器结构设计成8正边型，8个传感器模块接口分布面向8个方向，根据实际需要可以配置多个传感器模块以增加信号获取的可靠度和灵敏度。接收模块和发射模块都带有传感器网络节点接口，每一个模块配带一个节点。接收模块作为待定位的节点在室内环境下布置。

9、控制电路、节点、传感器之间通过三线制总线连接，线路简单，体积小。

10、可以通过软件技术调整传感器测量距离的阙值，使传感器接收的距离值在10cm至350cm之间。超过阙值的距离测量值将被自动过滤掉。

本发明超声波定位传感器，超声波发射传感器和超声波接收传感器上的超声波元件为2个即可达到本发明目的。超声波元件为3～8个最佳，各超声波元件环形分布在超声波发射传感器或超声波接收传感器上，其指向360°均匀分布，可获得更大的覆盖范围。

Claims

1、一种超声波定位传感器，它包括超声波发射传感器、超声波接收传感器；超声波发射传感器包括超声波发射元件、无线信号发射元件、控制电路；超声波发射元件、无线信号发射元件由电路部分控制；其特征在于：超声波发射传感器上至少包括两个指向不同的超声波发射元件。

2、如权利要求1所述的超声波定位传感器，其特征在于：超声波接收传感器包括超声波接收元件、无线信号接收元件、接收电路；超声波接收元件、无线信号接收元件通过接收电路输出信号；超声波接收传感器上至少包括两个指向不同的超声波接收元件。

3、如权利要求1所述的超声波定位传感器，其特征在于：超声波发射元件以插头、插座的形式与控制电路连接。

4、如权利要求1所述的超声波定位传感器，其特征在于：超声波发射元件为3～8个，各超声波发射元件环形分布在超声波发射传感器上，各超声波发射元件的指向360°均匀分布。

5、如权利要求2所述的超声波定位传感器，其特征在于：超声波接收元件以插头、插座的形式与接收电路连接。

6、如权利要求2所述的超声波定位传感器，其特征在于：超声波接收元件为3～8个，各超声波接收元件环形分布在超声波接收传感器上，各超声波接收元件的指向360°均匀分布。

7、如权利要求2所述的超声波定位传感器，其特征在于：接收电路包括用于对接收超声波信号的先、后进行比较的比较电路。

8、如权利要求2所述的超声波定位传感器，其特征在于：接收电路包括电源，电源为被动式接收信号开关电源。

9、如权利要求1或2所述的超声波定位传感器，其特征在于：电路为电路板，超声波元件设置在电路板的正面，无线信号元件设置在电路板的背面。