基于超声波差分算法的空间定位系统的研究.pdf

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1、ISSN1672-4305实验室科学第18卷第2期2015年4月CN12一l352／NLAB0RATORYSCIENCEVo1．18No．2Arp．2015基于超声波差分算法的空间定位系统的研究李昌禄，崔津浩(天津大学电子信息工程学院，天津300072)摘要：对比于传统超声波定位方式，介绍了一种新的超声波定位算法：差分算法。该算法不需要借助其他射频技术来测算空间位置。利用良态数学模型讨论了该算法的误差影响，并利用单片机构建了简单的实验系统对该算法进行了测试，最后就发展前景和应用范围进行了展望。关键

2、词：超声波；差分算法；空间定位中图分类号：TN98文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1672-4305．2015．02．013ResearchonultrasonicspatialpositioningsystembasedondifferencealgorithmLIChang—lu，CUIJin—hao(SchoolofElectronicalInformationEngineering，TianjinUniversity，TianJin300072，China)Abstra

3、ct：Thisarticlehasintroducedanewalgorithmcomparedtothetraditionalultrasonicpositio-ningmode：differencealgorithm．ThisnewalgorithmdoesnotneedotherRFtechnologytomeasurethespatiallocation．Wediscussedtheinfluenceoferrorusingthemodelofwell-behavedmathematica

4、lmodel，andconstructedasimpleexperimentsystemwithMCUtohavethealgorithmtested．Finally，thedevelopmentprospectandapplicationscopewerediscussed．Keywords：ultrasonic；differencealgorithm；spatialpositioning基于超声波的测距和定位系统应用越发广泛和不，即Sv·t。成熟，但由于精度和成本的限制，很难进人日常民传统超声

5、波定位方法设立三个或三个以上的接用。目前已有的室内范围的超声波定位也大多是处收点于固定坐标，发射点作为要定位的目标，同时发于工业应用范围。射出电磁波和超声波]。由于电磁波传播速度远传统超声波定位系统利用目的节点和几个测距远大于空气中声速，故近似认为电磁波传播时间为节点之间的距离来计算确定目的节点的位置，这需零，接收点接收到电磁波和超声波的时间差即为超要目的节点也处于同一个延迟极小的局域网下或添声波从发射点到接收点的传播时间，以此来确认发加电磁波的发射和接收装置以获取超声波发射时间射点分别与几个接收

6、点的距离并计算得出发射点空信号。这就增大了系统受电磁干扰的可能并提高了间坐标。差分算法则不需要直接测量节点之间的距成本。离，而是通过测量距离差来计算和确定发射点空间本文提出一种超声波空间定位的新方法，即讨位置。经过计算讨论，在仅知道距离差的条件下，至论利用差分算法来提高超声波定位精度并降低成本少需要四个已固定位置的接收节点才能确定发射节和提高稳定性的方法。这套系统将可能用于手势人点空间坐标。图1是差分算法原理示意图。机交互等民用领域。．图中，M(X，Y，z)点为坐标未知的发射节点，O(0，0，O)

7、、A(m，0，O)、B(m，n，O)、C(0，n，0)四点坐1超声波差分定位原理和误差分析标已知，是位于一个平面矩形的四个顶点处的接收1．1差分算法节点。M点和以上四个接收节点的距离分别为l、l+超声波是指频率范围在20kHz以上的声波，它a、l+b、l+c，其中l未知，a、b、C作为距离差，由系统的方向性好，穿透能力强。在变化相对较小的空气测量的时间差直接计算给出。环境中，可以近似视为声速不变。因此两点之间距根据勾股定理可得以下函数关系：离可以用该处环境声速和声波传播时间的乘积来表褰室科学由于空

8、气中声速受温度影响较大¨2]，因此由室内温度带来的误差也是不可避免的。为尽量减小这项误差，通常的做法就是加入温度补偿J。空气中声速和温度的关系可以用下式L4表示：=331．45+0．607T式中：T为环境温度，声速单位m／s。1．3良态数学分析除了定时器带来的误差外，定位算法对误差的Y影响也是相当大的。在这里我们通过良态数学来分析差分算法对误差的影响。良态数学和病态数学相对。对一个线性方程组，当输人数据的微小扰动会引起解的较大扰动，称为病态数学问题，反之为良态数学问题_5J。我们希