GPS水下超聲定位實(shí)驗(yàn)

1、GPS水下超聲定位實(shí)驗(yàn)振動(dòng)頻率高于20KHZ的聲波稱之為超聲波。超聲波具有方向性強(qiáng)、反射性強(qiáng)和功率大的特點(diǎn)，因此，超聲技術(shù)的應(yīng)用幾乎遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究及國防建設(shè)等方面。利用超聲波作為定位技術(shù)也是蝙蝠等生物作為防御及捕捉獵物的手段。超聲波是一種彈性機(jī)械波，它在水中可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播，所以在聲納、超聲波魚群探測儀等得到了廣泛的研究和應(yīng)用，近來在機(jī)器人的障礙探測方面也應(yīng)用相當(dāng)普遍。本文介紹的水下超聲定位演示儀利用了渡越時(shí)間測距及方向角檢測法進(jìn)行定位，運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行處理和控制，利用自編的軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，從而使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步認(rèn)識到水下超聲定位的原理。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 用時(shí)差法

2、測量聲速和距離2、 了解聲納原理，用超聲波定位目標(biāo)實(shí)驗(yàn)原理1、測量儀的電路結(jié)構(gòu)水下超聲定位儀的電路結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由89C51系列單片機(jī)來控制，啟動(dòng)測量時(shí)，由單片機(jī)每隔20ms發(fā)出數(shù)個(gè)1MHZ的超聲波，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器的功率電路發(fā)射出超聲脈沖，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的計(jì)時(shí)器，當(dāng)這個(gè)脈沖到達(dá)被測目標(biāo)時(shí)，發(fā)生反射，經(jīng)水的傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進(jìn)行濾波放大，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)停止，數(shù)碼顯示器把測得的時(shí)間顯示并可由單片機(jī)將該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)可從換能器的旋轉(zhuǎn)盤讀取方向角度值，由此實(shí)現(xiàn)定位的功能。數(shù)碼顯示及存儲(chǔ)單片處理及控制發(fā)射電路接收電路發(fā)射換能器接收換能器被測物體圖1 水下超聲

3、定位儀的電路圖2、超聲波的定位原理超聲波探測物體的位置是通過測距和測角同時(shí)來確定的。超聲波測距的方法較多，例如渡越時(shí)間測距法、聲波幅值測距法、相位測距法，它們各有各自的特點(diǎn)，但用的最多的是渡越時(shí)間測距法，本本儀器采用的就是超聲波渡越時(shí)間測距法。其工作原理如下：檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)水介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與水中的聲速v相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。由于在該儀器中，利用單片編程把傳輸時(shí)間除以了2，因此數(shù)碼顯示器顯示的時(shí)間就是探測器到被測物的時(shí)間t，其探測到的距離l，如下式所示： （1）對（1）式兩邊微分可得： （2）式（2）說明，超聲波測距傳感器的測試精度是由渡越

4、時(shí)間和聲速兩個(gè)參數(shù)的精度決定。如將v看作常量，則（2）式可簡化為： （3）式（3）表明：計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率越高，傳感器的測試精度越高，因此我們在設(shè)計(jì)時(shí)把計(jì)時(shí)頻率設(shè)計(jì)在2MHZ，時(shí)間分辨率為。超聲波的傳播速度受介質(zhì)溫度影響最大，超聲波速度v與環(huán)境溫度的關(guān)系可由以下經(jīng)驗(yàn)公式給出： （4）同時(shí)該溫度下的速度v也可利用逐差法通過實(shí)測的方法求得，而目標(biāo)目標(biāo)的角度測量可直接從換能器的方向旋轉(zhuǎn)刻度盤讀取。123圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置的結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)對目標(biāo)的進(jìn)行定位，知道它相對參考點(diǎn)處于什么位置，可以用直角坐標(biāo)描述，也可以用極坐標(biāo)描述，本實(shí)驗(yàn)用極坐標(biāo)來描述目標(biāo)位置，如圖2 所示，知道l和就確定目標(biāo)方位，l的

5、測量用超聲波。實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置由圓柱體容器以及安裝在容器壁上的探測傳感器待附件組成。被測物1掛在具有絲桿裝置可使其沿容器半徑方向做徑向移動(dòng)的橫梁2上，即被測物體可位于橫梁任一位置。同時(shí)，橫梁2可以繞容器中心O旋轉(zhuǎn)，3是換能器與可讀取方向角度值的旋轉(zhuǎn)盤。我們設(shè)計(jì)的儀器橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化范圍是-90°到+90°，換能器轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍也是-90°到+90°，被測物在圓柱半徑方向可以在0到18.0cm之間變化。3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算首先，在初始時(shí)刻，當(dāng)換能器置于=0°時(shí)，儀器橫梁也處在=0°位置，即在同一直徑上，此時(shí)可以利用經(jīng)驗(yàn)公式（4）求取v（亦可利

6、用逐差法測出超聲波的波速）。利用測量儀測出回波的時(shí)間，從而可求出探測器到圓柱體容器中心的長度，從而完成儀器的定標(biāo)。然后，我們利用被測物1、換能器2的位置與角度以及圓柱體容器中心O三噗構(gòu)成三角形，根據(jù)余弦定理可得： （5） （6）其中和表示了根據(jù)實(shí)測所得到的實(shí)驗(yàn)值。為了使同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中便于比較，我們在軟件中確定被測物體可以做三種形式的運(yùn)動(dòng)，因此在軟件開發(fā)時(shí)我們設(shè)定了直線段、圓弧、拋物線三種標(biāo)準(zhǔn)曲線。只要在開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，確定好被測物的運(yùn)動(dòng)軌跡、起始點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)、角度步長和長度步長，該軟件即可給出被測物的運(yùn)動(dòng)軌跡上每一個(gè)測量點(diǎn)坐標(biāo)的理論值r與。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后，將所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，該軟件即可自動(dòng)用

7、列表與繪圖的方式給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果（、）與理論值（r、）的相對誤差及運(yùn)動(dòng)軌跡圖。實(shí)驗(yàn)儀器GPS水下超聲定位儀一套，示波器（選配）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、定標(biāo)，求傳感器到圓柱體容器中心的長度P測量實(shí)驗(yàn)室的溫度，利用公式（4）算出當(dāng)前溫度下，聲波在水中的傳播速度。也可以在和=0°時(shí)，被測物每移動(dòng)10.0mm測量一次時(shí)間，至少測量10次，然后用受逐差法通過實(shí)測的方法來求得該溫度下的速度v。用儀器所所帶的薄銅片掛在圓柱體容器中心的鑼釘上，測量時(shí)間，計(jì)算長度P。2、運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤確定好被測物的運(yùn)動(dòng)軌跡、起始點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)、角度步長和長度步長，用軟件即可給出該被測物的運(yùn)動(dòng)軌跡上每一個(gè)測量點(diǎn)坐標(biāo)的理論值r與，將被測物每

8、放置一個(gè)位置測量一次時(shí)間和角度。學(xué)生可利用被測物、換能器的位置與角度以及圓柱容器中心三點(diǎn)構(gòu)成的三角形，根據(jù)余弦定理求得和。數(shù)據(jù)與結(jié)果1、記錄實(shí)驗(yàn)室的溫度。2、自擬表格記錄所有的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表格的設(shè)計(jì)要便于用逐差法求相應(yīng)集團(tuán)的差值和計(jì)算。（1）被測物作直線運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)的理論值（、）和根據(jù)實(shí)測結(jié)果利用軟件所得的實(shí)驗(yàn)值（、）見表1，繪出實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算所得的運(yùn)動(dòng)軌跡，參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表1 直線運(yùn)動(dòng)測量結(jié)果編號（i）12345678（cm）（cm）100（rad）（rad）100（2）被測物沿圓周運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)的理論值（、）和根據(jù)實(shí)測結(jié)果利用軟件所得的實(shí)驗(yàn)值（、）見表2，繪出實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)

9、算所得的運(yùn)動(dòng)軌跡，參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表2 圓周運(yùn)動(dòng)測量結(jié)果編號（i）12345678（cm）（cm）100（rad）（rad）100附錄1、GPS水下超聲定位儀的使用說明超聲GPS定位實(shí)驗(yàn)儀是利用儀器發(fā)射超聲波，然后接收超聲波的回波來探測目標(biāo)的距離。由于儀器發(fā)出的超聲波電信號頻率高達(dá)兆赫茲量級，聲波的指向性很好，這樣就可以得到方位，從而確定目標(biāo)的位置。（1）發(fā)射輸出接發(fā)射傳感器，接收輸入接接收傳感器，接收輸出接示波器，示波器時(shí)間衰減放在100檔，幅值衰減放在0.1V檔，探頭衰減放在檔。（2）按下電源電源開關(guān)，藍(lán)色發(fā)光二極管亮，LED顯示窗口如果顯示“0”，表示接收傳感器沒有接收到回波。轉(zhuǎn)

10、動(dòng)方向桿，超聲波碰到目標(biāo)，顯示窗口會(huì)顯示某一值，表示回波，同時(shí)在示波器上可以觀測到回波信號，示波器上得到的時(shí)間是顯示窗口的兩倍。（3）時(shí)間和方位角存儲(chǔ)：按一下存儲(chǔ)鍵，微處理器自動(dòng)將時(shí)間存入。存入時(shí)間后，微處理器控制藍(lán)色發(fā)光二極管和紅色二極管交替亮一下，表示存入正常。按一下角度鍵，紅色發(fā)光二極管亮，LED顯示窗口顯示“0”。讀出方向桿上角度值，通過數(shù)字和點(diǎn)按鍵輸入，輸入值不能超過四位，否則自動(dòng)清零。輸入錯(cuò)誤，也可以用“清除”鍵改正，認(rèn)為角度值正確，按一下存儲(chǔ)鍵，微處理器自動(dòng)將角度存入。存入角度值后，微處理器控制藍(lán)色發(fā)光管和紅色發(fā)光管交替亮一下，表示存入正常，同時(shí)微處理器自動(dòng)將第幾次存儲(chǔ)值存入（一

11、次時(shí)間和一次角度算一次存入值）。（4）檢查功能的使用：在測量回波時(shí)間的狀態(tài)下，藍(lán)色發(fā)光二極管亮，按一下檢查鍵，LED顯示窗口顯示“0”，等待輸入檢查哪一次，輸入的檢查哪一次的次數(shù)要小于存入的次數(shù)，否則微處理器不予處理。輸入檢查哪一次的值要小于存入的次數(shù)，微處理器處理，先顯示檢查次的次數(shù)，同時(shí)藍(lán)色發(fā)光管和紅色發(fā)光管全亮；再顯示時(shí)間，藍(lán)色發(fā)光管和紅色發(fā)光管交替亮一下；最后顯示角度值，藍(lán)色發(fā)光管的紅色發(fā)光管交替亮一下，如果無任何鍵按下，微處理器重復(fù)顯示剛才的值。如果一直按下檢查鍵，微處理器自動(dòng)往上顯示檢查次的值、時(shí)間、角度值，直到最大的存儲(chǔ)值。（5）退出檢查功能：在LED顯示窗口顯示“0”或者微處理

12、器重復(fù)顯示剛才的值情況下，一直按下“清除”鍵，回到測量回波時(shí)間的狀態(tài)下。儀器在使用的過程中遇到突然斷電的情況，數(shù)據(jù)將丟失。2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)例（1）定標(biāo)由于利用溫度法計(jì)算聲波的速度很簡單，故在此僅介紹逐差法求速度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。表3S（mm）50.060.070.080.090.0100.0110.0120.0130.0140.0T（）118125131138145151158164171173利用逐差法可得移動(dòng)1mm所需的時(shí)間為：則可求得聲波的速度為：速度已知，故可得探頭到中心的距離為：（2）被測物作直線運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)的理論值（、）和根據(jù)實(shí)測結(jié)果利用軟件所得的實(shí)驗(yàn)值（、）見表1，其實(shí)

13、驗(yàn)與理論計(jì)算所得的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，在該圖中參數(shù)坐標(biāo)已轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表1 直線運(yùn)動(dòng)測量結(jié)果編號（i）12345678（cm）8.05.95.25.36.18.511.216.0（cm）7.95.95.45.46.38.311.016.01001.2503.841.883.272.351.780（rad）60.040.020.00-20.0-40.0-50.0-60.0（rad）59.039.519.50-19.1-38.3-48.0-60.01001661.252.5004.504.254.000（3）被測物沿圓周運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)的理論值（、）和根據(jù)實(shí)測結(jié)果利用軟件所得的實(shí)驗(yàn)值（、）見表2，其實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算所得的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，在該圖中參數(shù)坐標(biāo)已轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)。表2 圓周運(yùn)動(dòng)測量結(jié)果編號（i）12345678（cm）15.0015.0015