基于双超声波模块的新型定位方法*

张 剑，王 维，何俊峰，符 翔，郑腾交

（湖南科技大学信息与电气工程学院，湖南湘潭 411201）

0 引言

超声波定位技术由于成本低、结构简单、易于实现而被人们广泛应用。超声波的频率很高（2×104～1014Hz），衍射效应小，指向性强，能量消耗慢。它在固体和液体传播过程中，衰减很小、穿透本领强、能量高而且集中，利用超声波定向发射性质可以探测水中活动的物体、海深［1，2］。超声波定位目前大多数采用反射式测距法，测距范围一般不超过10 m［3］，在塔式起重机力矩测量仪中采用一种直射式测距法，测距范围较广［4］。距离的测量采用时间差测距法，通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传输的距离。由于超声波模块的散射角较小，定位范围有一定的局限性，为了能准确定位尽可能大的区域，本文提出了一种使用双超声波模块的定位方案，并从实用角度给出了一种具体控制策略。

1 超声波模块测距原理

超声波测距通常采用时间差测距法［5］，即超声波探头向某一方向发射出超声波，在发射的同时开始计时，当超声波在介质中碰到被测物体就会发生反射，接收探头接收到反射波后立即停止计时，从而计算出发射和接收回波的时间差t，同时根据超声波在空气中的传播速度c，计算出发射点到被测物之间的距离s

由于声波速度受温度影响较大，其传播速度与环境温度T的关系可由下式描述［6］

式中T为环境温度，℃。所以，为了能更为精确地测量距离，硬件中应当加入温度补偿电路，以修正声速。

本系统选用的是收发一体的压电式超声波传感器集成块，自带温度补偿电路。超声波测距原理有2种方式:共振式和脉冲反射式。因为共振式的应用要求复杂，在此使用脉冲反射式。超声波测距原理［7］如图1所示。

图1 超声波测距原理图Fig 1 Principle diagram of ultrasonic wave ranging

根据几何关系有公式

由于d很小，可忽略，故有

2 常规超声波定位方法与存在的问题

2．1 超声波定位基本原理

定位系统选用2块超声波收发模块，安置在相距一定距离的两端，可与障碍物形成三角形，从而可以定出障碍物的具体位置［8］，其几何分布图如图2所示。

图2 超声波定位原理图Fig 2 Principle diagram of ultrasonic wave positioning

超声波模块1与超声波模块2先后发射接收一次，通过单片机的定时器可以计算出发射与接收之间的时间间隔分别为t1，t2，从而有

在三角形ABC中，根据中线定理有

根据余弦定理有

联立以上公式，可以计算出障碍物的坐标

2．2 常规超声波定位存在的问题

由于压电材料易碎，而且要满足密封、绝缘和阻抗匹配等要求，超声波换能器往往被封装在探头外壳内，使压电材料与探头表面有一定距离，对此距离无法进行精确测量，因此，会给测量结果带来误差［9］。

由超声波模块的特点可知，这一模块使用单片机定时器测量的并不是真正的从超声波的发射到接收到返回信号的时间，而是测量超声波模块已经进行温度补偿处理后的一个高电平输出的持续时间［10］，并且这段持续时间和TRIG触发口是息息相关的，如果超声波模块1的TRIG触发口没有被单片机控制触发，而有另一块超声波模块2的TRIG触发口被触发，发射超声波，并且被超声波模块1接收到返回信号，虽然ECHO口会有一个高电平输出，但其持续的时间是不准确的，甚至可以说是随机的。

3 新型的定位方法

为了解决以上问题，本方案在定位过程和定位公式上，均做了很大的改进:首先，使用的超声波模块是收发一体的集成块，其辐射偏角约为150°，亦即超声波能测到的范围比较有限。因此，需要第三条路径来验证左右超声波模块所测得的两条路径形成了三角形。具体分析如下:

要使左右分布的2个超声波模块发射的超声波的传播路径形成三角形，则必须是左边发射超声波要被右边接收到，或者是右边发射的超声波要被左边接收到。

为了解决这一问题，可以让左右两边的超声波模块的TRIG触发口同时被触发，而只检测其中一边的ECHO口输出高电平，这样，需要分3种情况:障碍物在左边、障碍物在右边、障碍物在中间。

3．1 障碍物在左边

对于障碍物在左边的情况，如图3所示，分2个步骤来获得定位数据:1）使左右超声波模块分别轮流触发测得路径s1:a1+b1和s2:a2+b2。2）使左右两超声波模块同时被触发发射超声波，对于模块一可以形成两条路径s1:a1+b1和s3:a1+b2;模块二也可以形成两条路径s2:a2+b2和s4:a2+b1。而单片机可测得超声波传播的相应路径的时间t1，t3，t2，t4。因而，计算公式应为

根据中线定理有

根据余弦定理有

故障碍物的坐标为

实际上，步骤（2）中若是单片机只检测模块一的ECHO口，由于s1＜s3，则只能监测到s1路径，这样并没有找到第三条路径，就不能确定是否形成了三角形，也就不能定位。若是单片机只检测模块二的ECHO口，由于s4＜s2，则只能检测s4，亦即a2+b1。这时结合只模块一发射、接收所测路径为a1+b1，亦即为s1。模块二发射、接收所测路径为a2+b2，亦即为s2。理论上满足形成三角形而定位的关系式应有s1＜s2，s4=（s1+s2）/2。

然而在实际情况中，若所测数据满足上述公式，则s1，s2，d构成了三角形，可以实现定位。若所测数据不满足上述公式，则s1，s2，d没有构成三角形，原因是s2的测量不准确，因为理论路径的辐射角可能超出了实际限度，但是s4却可能包含正确的定位路径a2+b1，故s2可以用2s4－s1代替计算，也可构成三角形。又因障碍物不可能只是一个点，它常常有一定的尺寸，因而，直接用s2计算也并不是很准确，故实际计算公式中均将s2用2s4－s1取代以优化算法。

于是，公式（15）修正为

图3 超声波定位（障碍物在左边）Fig 3 Ultrasonic wave positioning（obstacles on the left）

3．2 障碍物在右边

对于障碍物在右边的情况，如图4所示，步骤同上，1）使左右超声波模块分别轮流触发测得路径s1:a1+b1和s2:a2+b2。2）使左右两超声波模块同时被触发发射超声波，对于模块一可以形成两条路径s1:a1+b1和s3:a1+b2;模块二也可以形成两条路径s2:a2+b2和s4:a2+b1。计算公式同上（11）～（18）。而公式（19）换为

同样，应用前述推证算法，可将式（15）修正为

图4 超声波定位（障碍物在右边）Fig 4 Ultrasonic wave positioning（obstacles on the right）

3．3 障碍物在中间

如图 5，用前述推证算法测量出s1，s2，s3，s4，显然有s1=s2=s3=s4。若障碍物离定位系统的距离在超声波探头辐射角范围内，显然可形成一个等腰三角形，实现准确定位。

图5 超声波定位（障碍物在中间）Fig 5 Ultrasonic wave positioning（obstacles in the middle）

4 实验结果

将本系统装载在小车上进行测试，通过其精确的定位功能可使小车实现避障功能，同时可在小车上的液晶上直观的显示定位结果。系统测试的结果如表1所示，其中，R代表右边超声波模块测得障碍物的距离，L代表左边超声波模块测得障碍物的距离，X代表水平移动，Y代表垂直距离。

表1 超声波测距系统实验数据（cm）Tab 1 Experimental data of ultrasonic wave ranging system（cm）

从表1可以看出:定位误差范围控制在1 cm内，由于障碍物尺寸较大和左右超声波模块距离比较近，出现误差，但是基本能够实现精准定位。

5 结束语

该定位系统不仅能够同时得到精确的目标距离和方位信息，而且可以通过调节两超声波模块之间的间隔来调节测量的视野宽度，很好地解决了因超声波探头本身属性缺陷（发射超声波的辐射角度仅为150°左右）而导致普通的三角定位方案的定位范围和精确度受到限制的问题。本文设计提出的新型定位方案，使用廉价的超声波模块，基本不用搭建硬件电路，具有定位范围更广、定位精度更高、应用更加方便等优点。但当障碍物离定位系统的距离过近，在超声波探头辐射角之外，则不能实现准确定位。

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