专利名称：利用超声波测量物体位置的方法及装置的制作方法
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。
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。
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TRl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 tn、七12、 3......，T11 Λ 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 t2i、t22 λ t23......‘ T21 λ T22 λ 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tn、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。
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本装置采用Atmegaie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
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-TRl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。
五具体实施例方式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，T0F)，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；ν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 表示收发传感器1的接收时间，用Tmn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η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tn、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(l)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tn/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tn/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tn/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Tn、T12、T130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tn/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TRl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 tn、七12、 3......，T11 Λ 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 t2i、t22 λ t23......‘ T21 λ T22 Λ 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tn、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ζ，使x+y = 2*z，则由χ、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TRl放大后由收发传感器TRl发射出去。超声波遇到物体返回后由TRl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Rl，Cl送到U2，U2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Dl、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Atmegal6，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 0UTPUT1、0UTPUT2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0UTPUT1，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0UTPUT2、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
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单片机中超声波处理部分程序流程图如图8所示。将数据tn、t12、t13……存入数组 tl []，T11, T12, T13……存入 Tl []，t21、t22、t23…… 存入t2 □，T
11、丁22、T23·· ….存入Τ2[]。数组rl[]，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 TRl距离存放在rl □，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rl[]、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。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号G01S7/52GK101881832SQ20101021353
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者彭宇翔, 徐程, 李纯成, 杨恒旭, 王晓明, 马龙 申请人:南京信息工程大学