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1、传感器在室内定位上的应用小组成员：小组成员：小组成员：小组成员：班级：班级：班级：班级：关于超声波01超声波传感器02超声波室内定位技术03参考文献04目 录C O N T E N T S关于超声波01关于超声波超声波的定义超声波的定义频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。超声波的特性超声波的特性(1)超声波的频率很高，波长较短，绕射现象小，传播速度慢，可以像光线那样沿着一定方向传播，传播的能量较为集中。(2)超声波的振幅很小，加速度非常大，因而可以产生较大的能量，而且对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。(3)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、
2、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中，超声波的这些特性，使其在遥控、测距以及其它领域得到了广泛的应用。1关于超声波超声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为式中:Px、Ix：距声源x处的声压和声强 x：声波与声源间的距离 a：衰减系数，单位为Np/cm(奈培/厘米)2关于超声波声波衰减原因扩散衰减:随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减:超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。吸收衰减:由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部
3、分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。3超声波传感器02超声波传感器超声波传感器概述利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的:逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头;而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。4超声波传感器超声波探头结构如上图所示，它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护
4、膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。压电式超声波传感器的结构5超声波传感器以空气为传导介质的超声波传感器的结构以空气为传导介质的超声探头如下图所示。发射器的压电片上必须粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声、提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围:几米至几十米。a)超声发射器 b)超声接收器1外壳2金属丝网
5、罩3锥形共振盘4压电晶片5引脚6阻抗匹配器7超声波束6超声波传感器超声波传感器的频率特性接收超声波发送超声波7超声波传感器超声波传感器的性能指标1、工作频率：工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。2、工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。3、灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反之，灵敏度低。8超声波传感器超声波传感器的应用超声波液位计原理图1液面2直管3空气超声
6、探头4反射小板5电子开关在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。9超声波传感器超声波传感器的应用倒车雷达中的超声波传感器10超声波传感器超声波传感器的应用超声波探伤的工作原理图超声波探伤仪的实物图11超声波室内定位技术03超声波室内定位技术利用AGV小车实现超声波室内定位的装置AGV小车中超声波定位装置包含车载模块和定位模块两部分,其原理框图如下图所示。其中,车载模块主要由电源模块、目标超声波、单片机处理器和无线射频模块等部分组成,可通过发射测距超声波信号、与定位模块通讯以及数据处理实现AGV小车的实时定位。定位模块包含多个定位子模块,用于辅助车载
7、模块实现定位,每个定位子模块具体由电源模块、定位超声波、单片机处理器和无线射频模块等构成。12原理：超声波定位基于超声波测距原理,将目标超声波传感器置于AGV小车上并定时向周围发射超声波脉冲,在其周围选取任意3个位置放置定位超声波传感器。依据目标超声波到达定位超声波的时间计算二者之间的实际距离,综合AGV小车和3个定位超声波的实际距离确定AGV小车的空间相对坐标,以此确定AGV小车的当前位置,选择合适的定位步长,即可实现AGV小车连续运动轨迹规划。超声波室内定位技术利用AGV小车实现超声波室内定位的装置定位装置设计图AGV小车室内定位装置实物图13超声波室内定位技术CDMA-TDOA的室内超声
8、波定位系统基于CDMA-TDOA的室内超声波定位系统如下图所示。整个系统由中心站、信标(1,2,N,固定在天花板上)和目标节点(固定在待定位物体上,其数量由待定位物体的个数决定)组成。中心站由无线模块组成,主要负责实现整个系统的同步,每隔50 ms通过无线模块向信标和目标节点发送同步指令(含有各个信标的位置信息)。由于电磁波的波速(3108m/s)远大于超声波的波速(340 m/s,室温下),所以在室内环境下,可用射频信号作为系统的同步信号。每个信标由单片机、无线模块和超声波发射传感器组成,当它收到中心站发来的同步指令时,立刻发送已调制的超声波信号。14超声波室内定位技术CDMA-TDOA的室
9、内超声波定位系统目标节点由无线模块、TMS320F2812处理器、超声波接收传感器组成。收到中心站发出的同步指令后,立刻启动定时器,同时启动超声波采集电路采集超声波信号,并存储指令中的有用信息(各个信标的位置信息),方便后续定位使用。超声波信号到达目标节点时,取出定时器的计数值,得到时间T,由d=CT(C为常温下超声波的传播速度)得到信标到目标节点的距离,当收到多于3个信标的信号时,便可做定位算法运算。对采集到的超声波信号进行相关处理,确定是几号信标发过来的超声波信号,从而确定目标节点的三维坐标。15超声波室内定位技术超声波传感器的四旋翼飞行器室内定位设计采用PIXHawk作为飞行控制芯片,6
10、个AVR单片机ATmega 328P作为协处理控制芯片。安装在四旋翼飞行器不同位置的超声波传感器负责接收来自各个方向障碍物的反射波,并传送给AVR单片机,通过计算发射与反射之间的时间差得到飞行器与室内障碍物之间的距离。负责高度测量的AVR单片机通过IIC的方式与飞行控制芯片通信,负责前、后、左、右4个水平方向距离测量的AVR单片机先通过IIC通讯方式将数据先发送到主AVR单片机,主AVR单片机再通过串口通讯的方式将数据发送到飞行控制芯片中。飞行控制芯片将五组数据整合处理后得到四旋翼飞行器在房间内的方位,并输出四路PWM波信号到电调,进而控制无刷电机,实现对四旋翼飞行器飞行姿态的控制。整个系统的
11、架构如下图所示。16超声波室内定位技术超声波传感器的四旋翼飞行器室内定位系统整体架构US-100超声波传感器飞行控制芯片PIXHawk 17超声波室内定位技术宽带超声波传感器的FDMA室内定位为了使接收端能够区别来自不同发射节点的超声波信号,首先对发射节点给予一个二进制编码作为其唯一身份识别号,通过不同频率的正弦波进行调制,驱动宽带超声波传感器发射信号。根据相关文献分析,采用二进制振幅键控(BASK)技术调制超声载波信号，如下图所示。FDMA调制模型BASK调制波形18超声波室内定位技术宽带超声波传感器的FDMA室内定位在装有超声波接收节点的定位终端,收到的信号是多个超声波发射节点发射的混合信
12、号,此信号混合着不同载波下的发射端ID识别码。接收端接收到有效信号后,根据超声波声速计算出测量距离,还需要分辨信号来源才能进行定位。此过程由终端上的解调装置完成,如下图所示。混合信号eA(t)经过滤波器,使用同一频率载波cosw(t)对调制信号eA(t)解调，通过低通滤波器后再进行抽样判决即可恢复ID号。FDMA解调模型19超声波室内定位技术宽带超声波传感器的FDMA室内定位基于宽带超声波传感器的FDMA超声室内定位系统结构如下图所示,系统由发射节点、接收节点及中心站组成。三部分功能具体如下:(1)发射节点:对节点进行编码,并使用不同载波频率进行调制。其中编码长度由发射节点数量决定,载波频率范
13、围由超声波传感器频率响应宽度和灵敏度决定。(2)接收节点:接收节点安装在移动目标上,接收超声波信号并进行解调恢复ID编码,然后进行定位解算。(3)中心站:控制发射节点发射信号并同时命令接收节点开始计时。20超声波室内定位技术宽带超声波传感器的FDMA室内定位FDMA定位系统构成21超声波室内定位技术超声波室内定位技术性能定位精度：110cm有效覆盖范围：210m功耗：低成本：高优点：结构简单，定位精度高，抗干扰能力强缺点：需要底层硬件支持，成本高，不宜大面积部署22超声波室内定位技术传感器室内定位的优缺点3种主流室内定位技术对比表由表可知，传感器室内定位技术的优点是精确度较高、穿透性能好、抗干
14、扰性好、成本低；缺点是布局比较复杂。因此，传感器在室内定位技术上的发展前景非常好。而传感器室内定位技术未来的发展，也致力于如何降低布局的复杂度。23参考文献04参考文献1顾明星，张皓，陈海洋，王博丰.基于无线射频和超声波的室内定位装置N.北京印刷学院学报.2019(10):1131172肖金红，刘智，杨阳，刘丹.基于CDMA-TDOA的室内超声波定位系统N.吉林大学学报(信息科学版).2012(02):2132173王洋，王忠.基于CC2431的无线定位系统J.通信技术.2009(09):1901924蓝波，吴昊，郭清才，郭朋，刘兴东，曾飞.基于超声波传感器的四旋翼飞行器室内定位与控制J.电子设计工程.2018(05):1411455林舟杰，熊剑，郭杭，衷卫声.基于宽带超声传感器的FDMA定位方法C.卫星导航定位与北斗系统应用2015北斗耀全球 璀璨中国梦.2015:24424624参考文献6邓世燕，郭承军.智慧城市建设中的室内定位现状与发展趋势分析C.第十一届中国卫星导航年会论文集S02 导航与位置服务.2020：1311377周源，刘禹鑫，林富明.室内定位技术发展与应用研究J.测绘与空间地理信息.2017:545725T H A N K S