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基于超声波定位的机车监控与导航系统.pdf

基于超声波定位的机车监控与导航系统 张银霞魏振春张儒瑞和润平 李亮亮 合肥工业大学计算机与信息学院,合肥230009 摘要:自动导引车(AGv)在工业上的应用越来越广泛,针对目前一些AGV定位系统定位精度低、 范围小、稳定性差i价格高等缺点,设计了一种基于超声波定位的机车监控导航系统,利用被测点超 声波传感器与应答节点之间对射超声波实现测距,对数据进行采集和处理,实现空间定位。 关键词:自动导引车监控导航三维空间定位超声波对射 1引 言 近年来,由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方丽的需要,自动测距定位变得 很重要。与同类测距定位方法相比,超声波方法在以下几方面具有明显的优势。(1)相对于声波,超声波 具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减小、反射能力较强等优势;(2)相对于光学方法,超声波 的波速小,可以直接测量较近目标的距离,纵向分辨率较高;对色彩、光照度、电磁场不敏感,适应范围 ,“及环境恶劣的场所,特别是在海洋勘测方面具有独特的优点:(3)超声波传感器结构简单,体积小,信 息处理简单可靠,易于小型化与集成化。因此超声波测距作为非接触枪测手段,越来越受到人们的重视…。 超声波定位是利用超声波测距来实现三维空间定位。一直被广泛应用的超声波定位系统是将若干个超 声波测距仪有规则地安装在被测物上,通过测量不同方向上被测物到墙壁的距离来确定它在室内的具体位 置。超声波反射式测距通过发射超声波并接收经墙壁反射的回波,根据回波信号滞后发射波信号的时间来 计算待测距离。超声波测距的性能直接影响定位系统的品质。超声波测距仪本身存在着一些缺陷:(1)测 距精度较低:超声波测距仪工作于单脉冲方式,测距精度主要取决于回波信号的信噪比。在信噪比一定的 情况下,通过增加前置运算放大电路的增益也不能满足要求。(2)有效作用距离较短:超声波在空气中传 播时衰减较大,因而当待测距离较大时,超声波测距仪接收到的超声波回波信号非常弱,且信噪比很差12】。 (3)不能穿过障碍物,受干扰影响大,稳定性差,从而限制了其系统的适用场所,不适合一些较复杂空间 环境下的定位。为解决以上问题,提高测距精度,扩大有效测量距离,设计了基于超声波定位的机车监控 导航系统,在空间分布传感器应答节点,利用被测点超声波传感器与应答节点之问对射超声波实现测距, 提高测距的有效作用范围和精度;安装超声波发射传感器阵列,可以覆盖较厂“的范围,实现全方位的、精 确的定位。 2超声波三维空间定位原理 利用超声波的非接触性测量距离的原理是s=Vt。在速度已知的情况下,测出发射点与接收点的时间差 t,就可以计算出发射点与接收点的距离,进一步进行空间定位。这需要采集方榆测渡越时间,即超声波从 发射器发出到超声波接收器接收到声波所经历的时间间隔。声源与目标之间的距离与声波在声源与目标之 间传播所需的时间成正比,测量出渡越时间就可计算出声源与目标之间的距离。根据多个不同位置的超声 波对同一个超声波发射器进行测距,通过计算可确定这个超声波发射器在二维空间的位置。这种测量距离 的方法对对象的材料性质依赖较小,并且不受电磁波、粉尘等干扰。其二维定位原理如图l所示。设在参考 坐标系的x轴上分别安装有2个超声波接收器A、B,同时在要检测的物体安装有超声波发射器C。 X 图l超声波定位原理 ∥y2+S12一S22 . 2×矽y×Sl (1) C,=Sl×cos彳 (2) q=厩 (3) 由此可以推知,当在C点固定超声波发射器,在A、B分别固定超声波接收器,根据测得发送器和接收 器之间的距离和发射

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