超聲波定位研究論文范文一：

　　隨著時代的發(fā)展，各行各業(yè)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(tǒng)的跟隨設(shè)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(nèi)跟隨設(shè)備一般存在于專業(yè)的場館環(huán)境內(nèi)，而沒有針對在超市、機場、火車站等公共場所里的跟隨設(shè)備。本文以STM32為核心，利用多個模塊的結(jié)合，設(shè)計了一款能夠應(yīng)用于各個場所的智能跟隨小車。該車采用超聲波定位技術(shù)實現(xiàn)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(zhuǎn)彎方向，實現(xiàn)對人的精準跟隨。該智能小車既可以應(yīng)用于環(huán)境簡單的場館內(nèi)，又可以在復(fù)雜的公共場所實現(xiàn)跟隨，解放人類雙手。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)為了實現(xiàn)小車自動跟隨，采用了超聲波定位模塊、電機驅(qū)動模塊和LCD等功能模塊設(shè)計。通過人手持超聲波發(fā)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(diào)控后的PWM波來控制電機的轉(zhuǎn)速。電源一給超聲波接收模塊、電機驅(qū)動模塊和LCD模塊供電。電源二給超聲波發(fā)送模塊供電。系統(tǒng)的總體設(shè)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(nèi)核是Cortex-M3。擁有性能強大的外設(shè)、低功耗、開發(fā)成本低、支持SWD和JTAG兩種調(diào)試等優(yōu)勢。

　　2.3 超聲波定位模塊

　　超聲波定位模塊的基礎(chǔ)是超聲波測距，本設(shè)計使用的測距模塊是單接收發(fā)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(fā)射超聲波模塊、接收超聲波模塊、控制電路和驅(qū)動電路組成。發(fā)射超聲波模塊只需要上電即可。發(fā)射超聲波模塊上電后，發(fā)射超聲波模塊上的LED會快速閃動，此時發(fā)送超聲波模塊已經(jīng)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(fā)射超聲波模塊與接收超聲波模塊的發(fā)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(shù)據(jù)后，會通過串口以50Hz的頻率發(fā)送出距離數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為：0XA5+兩個字節(jié)數(shù)據(jù)(16進制)，單位為mm。其中0XA5是幀頭，另外2個是數(shù)據(jù)存儲字節(jié)。例如返回的數(shù)據(jù)為：A5 00 C8的意思是200mm。其解算過程是2個字節(jié)數(shù)據(jù)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(fā)超聲波的電路圖如圖3所示。

　　2.4 供電模塊

　　本次設(shè)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(qū)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(fā)熱小，性能穩(wěn)定，供電電流大，很適合在單片機控制系統(tǒng)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(shù)字實景游戲,是指在真實的環(huán)境中,通過整合計算機、電子、通信、網(wǎng)絡(luò)、自動控制、人機智能交互技術(shù)與軟件設(shè)計等共同構(gòu)建一個實景游戲環(huán)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(shè)備,完成各種基于真實環(huán)境的真人任務(wù),在真實中體驗角色扮演游戲和互動游戲的魅力[1]。實景數(shù)字游戲吸取了電腦網(wǎng)絡(luò)游戲和模型遙控游戲的優(yōu)點,并將二者有效的融合在一起,實現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)嵕盎?遙控游戲網(wǎng)絡(luò)化”。為實現(xiàn)實景游戲,我們首先需要構(gòu)建一個無線局域網(wǎng)[2],作為本系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò),完成數(shù)據(jù)的傳遞和處理等功能。

　　1 數(shù)字實景游戲中超聲波定位系統(tǒng)的意義

　　(1)超聲波定位系統(tǒng)是數(shù)字實景游戲系統(tǒng)的一項核心技術(shù),后續(xù)設(shè)計將依賴此定位系統(tǒng)。

　　(2)通過超聲波定位系統(tǒng)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(tài)進行更好的監(jiān)控。

　　(3)超聲波定位的設(shè)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(zhì)中以不同的速度傳播網(wǎng)[3]。由于超聲波指向性強,能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠,因而超聲波經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jiān)測。

　　超聲波測距方法有多種,本系統(tǒng)采用的是渡越時間檢測法[4]。其原理為:檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波,經(jīng)氣體介質(zhì)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?shù)木嚯x(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(huán)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(xiàn)定位功能。

　　如圖1所示,它是一個在無線局域網(wǎng)環(huán)境中建立的超聲波定位系統(tǒng)。超聲波發(fā)射器安裝在坦克中,它的發(fā)射受無線局域網(wǎng)模塊信號控制。在服務(wù)器服務(wù)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(tài)的畫面,實現(xiàn)了多莫型坦克的實時跟蹤定位。

　　在空間中特定位置上設(shè)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(fā)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(shè)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(fā)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(dǎo)致坐標值(x,y,z)也在不斷更新,從而實現(xiàn)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(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。

　　3 超聲波定位系統(tǒng)的誤差分析

　　本課題中超聲波定位系統(tǒng)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(yōu)化硬件和引進溫度補償?shù)冗M行了改進。對于定位算法,我們通過分析線性方程組的性態(tài)和控制其條件數(shù)來進行定位算法的設(shè)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(guān),而該矩陣又會對定位方程組產(chǎn)生影響,因此其可以指導(dǎo)參考點選取方法,我們稱該矩陣為布點相關(guān)矩陣[10]。我們對條件數(shù)做一個限制,控制其大小在50以內(nèi)。經(jīng)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(shù)不超過50,定位算法相對可靠。

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

　　4 總結(jié)與展望

　　在充分分析超聲波測距原理和誤差產(chǎn)生因素的基礎(chǔ)上,設(shè)計出一套符合坦克對戰(zhàn)系統(tǒng)的定位方案,并取得了良好的效果,實現(xiàn)了對多個模型坦克的實時定位。同時該定位系統(tǒng)對其它類似場合也有較大的應(yīng)用價值。

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