超聲波定位研究論文范文一：

　　隨著時代的發展，各行各業對于智能化程度要求的提升，越來越多的移動機器得到普及，與傳統的跟隨設備相比，智能小車具有更好的機動性、安全性和實用性。如今國內跟隨設備一般存在于專業的場館環境內，而沒有針對在超市、機場、火車站等公共場所里的跟隨設備。本文以STM32為核心，利用多個模塊的結合，設計了一款能夠應用于各個場所的智能跟隨小車。該車采用超聲波定位技術實現小車與人類距離的檢測，判斷人類的位置，并利用PID算法控制小車移動速度和轉彎方向，實現對人的精準跟隨。該智能小車既可以應用于環境簡單的場館內，又可以在復雜的公共場所實現跟隨，解放人類雙手。

　　2 硬件設計

　　2.1 系統總體設計

　　系統為了實現小車自動跟隨，采用了超聲波定位模塊、電機驅動模塊和LCD等功能模塊設計。通過人手持超聲波發送模塊與小車安裝的超聲波接收模塊來判斷人的位置，主控芯片STM32處理位置信息，輸出PID算法調控后的PWM波來控制電機的轉速。電源一給超聲波接收模塊、電機驅動模塊和LCD模塊供電。電源二給超聲波發送模塊供電。系統的總體設計圖如圖1所示。

　　2.2 主控芯片

　　智能小車采用的是STM32F103的主控芯片，該芯片是32位ARM微控制器，其內核是Cortex-M3。擁有性能強大的外設、低功耗、開發成本低、支持SWD和JTAG兩種調試等優勢。

　　2.3 超聲波定位模塊

　　超聲波定位模塊的基礎是超聲波測距，本設計使用的測距模塊是單接收發超聲波模塊，該模塊的測量范圍為4～500cm，精度為3mm。工作電壓為5V，采用串口通信，通信波特率為115200。定位模塊由發射超聲波模塊、接收超聲波模塊、控制電路和驅動電路組成。發射超聲波模塊只需要上電即可。發射超聲波模塊上電后，發射超聲波模塊上的LED會快速閃動，此時發送超聲波模塊已經在正常工作。接收超聲波模塊的四個引腳5V、G、RX和EX與主控芯片STM32的IO口連接，將發射超聲波模塊與接收超聲波模塊的發射頭對準，接收超聲波模塊上的LED閃爍后，證明兩者通信成功。接收超聲波模塊接收到數據后，會通過串口以50Hz的頻率發送出距離數據。數據格式為：0XA5+兩個字節數據(16進制)，單位為mm。其中0XA5是幀頭，另外2個是數據存儲字節。例如返回的數據為：A5 00 C8的意思是200mm。其解算過程是2個字節數據移位然后邏輯運算。distance=distance[1]<<8|distance[2]。超聲波定位模塊的實物圖如圖2，單發超聲波的電路圖如圖3所示。

　　2.4 供電模塊

　　本次設計使用的供電電源是12V的，而STM32的正常電壓是3.3V和5V，電機驅動模塊和超聲波模塊的正常供電電壓也是5V，所以需要對電源降壓以后供各個模塊使用。我們選用的降壓模塊是LM2596，該模塊發熱小，性能穩定，供電電流大，很適合在單片機控制系統中使用。供電模塊的供電電路如圖5所示。

　　超聲波定位研究論文范文二：

　　所謂實景數字實景游戲,是指在真實的環境中,通過整合計算機、電子、通信、網絡、自動控制、人機智能交互技術與軟件設計等共同構建一個實景游戲環境,而游戲參與者利用運營商提供的遙控終端、特殊電子裝備、服裝以及電子化道具等設備,完成各種基于真實環境的真人任務,在真實中體驗角色扮演游戲和互動游戲的魅力[1]。實景數字游戲吸取了電腦網絡游戲和模型遙控游戲的優點,并將二者有效的融合在一起,實現了“網絡游戲實景化,遙控游戲網絡化”。為實現實景游戲,我們首先需要構建一個無線局域網[2],作為本系統的核心網絡,完成數據的傳遞和處理等功能。

　　1 數字實景游戲中超聲波定位系統的意義

　　(1)超聲波定位系統是數字實景游戲系統的一項核心技術,后續設計將依賴此定位系統。

　　(2)通過超聲波定位系統可以實時確定坦克所處位置,有助于對每一輛模型坦克運行狀態進行更好的監控。

　　(3)超聲波定位的設計增強了游戲的真實感和娛樂性。

　　2 超聲波定位原理

　　超聲波是一種諧振頻率超過20kHz的機械波,可在不同介質中以不同的速度傳播網[3]。由于超聲波指向性強,能量消耗緩慢,在介質中傳播的距離較遠,因而超聲波經常用于距離的測量。超聲波測距是一種非接觸式的檢測方式,適用于空氣中測距;同時超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠,利用超聲波測距比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面也能達到一定的要求。因此本項目中使用超聲波對坦克模型進行實時定位監測。

　　超聲波測距方法有多種,本系統采用的是渡越時間檢測法[4]。其原理為:檢測從超聲波發射器發出的超聲波,經氣體介質傳播到接收器的時間(渡越時間為t),渡越時間與氣體中的聲速(v)相乘,就是聲波傳輸的距離(S)。公式為:

　　(1)

　　在空氣中,超聲波的傳輸速度受空氣的溫度、濕度、壓強等因素的影響,其中溫度的影響最大。因此,計算距離時需要進行溫度補償[5]。在已知環境溫度T(單位:℃)的情況下,超聲波速度計算公式為:

　　(2)

　　將公式(2)代入公式(1)得:

　　(3)

　　由公式(3)計算出的距離(S)可以精確到cm級[6]。利用超聲波測量出的距離可以精確計算出目標在空間中的相對位置,實現定位功能。

　　如圖1所示,它是一個在無線局域網環境中建立的超聲波定位系統。超聲波發射器安裝在坦克中,它的發射受無線局域網模塊信號控制。在服務器服務器端,通過對坦克不斷變化的坐標值進行處理與變換與用戶界面融合,形成實時準確反映坦克運行狀態的畫面,實現了多莫型坦克的實時跟蹤定位。

　　在空間中特定位置上設立3個接收點S1(x1,y1,z1)、S2(x2,y2,z2)、S3(x3,y3,z3),分別在目標點和接收點上安裝超聲波發射和接收裝置,利用超聲波測距原理分別測量出目標點到每個接收點的距離l1、l2、l3,假設模型坦克的坐標為(x,y,z),那么下述方程組會成立

　　(4)

　　我們稱公式(4)為定位方程組。

　　實際的參考點選取時,由于選取的參考點的Z坐標都相同,即z1 = z2 = z3,所以方程(4)可簡化為[7]:

　　(5)

　　對方程組進行變型可得:

　　(6)

　　其中,,,,

　　,,

　　最終通過Gauss消去法求出方程組的解[8]。我們利用微軟公司的VS2005開發平臺,使用C#語言進行編程[8],計算出目標在該直角坐標系中的坐標值(x,y,z)。目標位置在不斷變化,引起l1、l2、l3值也在不斷變化,導致坐標值(x,y,z)也在不斷更新,從而實現了對目標的定位跟蹤。同時我們利用C#,利用套接字編程[9],實現整個系統的功能。

　　3 超聲波定位系統的誤差分析

　　本課題中超聲波定位系統的誤差主要來自兩方面:(1)超聲波測距誤差。(2)定位算法。

　　其中超聲波測距誤差我們通過優化硬件和引進溫度補償等進行了改進。對于定位算法,我們通過分析線性方程組的性態和控制其條件數來進行定位算法的設計,并以此作為選取參考點位置的原則。

　　由于矩陣與參考點分布相關,而該矩陣又會對定位方程組產生影響,因此其可以指導參考點選取方法,我們稱該矩陣為布點相關矩陣[10]。我們對條件數做一個限制,控制其大小在50以內。經試驗證明,這樣可以保證由超聲波測距值引起的擾動被定位算法的放大倍數不超過50,定位算法相對可靠。

　　在對超聲波定位系統進行理論上的基礎上,我們通過硬件電路的設計和軟件編程,實現了對各個模型坦克的實時精確定位。

　　4 總結與展望

　　在充分分析超聲波測距原理和誤差產生因素的基礎上,設計出一套符合坦克對戰系統的定位方案,并取得了良好的效果,實現了對多個模型坦克的實時定位。同時該定位系統對其它類似場合也有較大的應用價值。

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