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    基于LabVIEW 超聲定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究①

    2015-04-14 08:06:04張連軍
    關(guān)鍵詞:計(jì)時(shí)測距上位

    張連軍,常 江,薛 迪

    (佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯154007)

    0 引 言

    超聲波定位是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測量方法,和激光、渦流和無線電測距方法相比,具有不受外界光及電磁場等因素的影響的優(yōu)點(diǎn),在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力,且結(jié)構(gòu)簡單,成本低,因此在工業(yè)控制、建筑測量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用.近年來,室內(nèi)機(jī)器人與室內(nèi)監(jiān)控已受到越來越多的關(guān)注,因此,對室內(nèi)短距離精確測量和定位的超聲系統(tǒng)的研究也成為一個(gè)熱點(diǎn).通過研究,可以對于測量精度要求較高的場合,如室內(nèi)短距離的精確測量和超聲波定位系統(tǒng),移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位等的精確測量都有實(shí)質(zhì)的意義.

    1 超聲波原理

    聲波振動(dòng)頻率的范圍,可以分為次聲波、聲波、超聲波.頻率高于人類聽覺上限頻率(約20kHz)的聲波,稱為超聲波[1].超聲波檢測中常用的工作頻率在0.25 ~20MHz 范圍內(nèi).超聲波在介質(zhì)中傳輸?shù)乃俣燃唇橘|(zhì)的聲速,用C 表示.它是一秒鐘超聲波等相位面通過的距離,與介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)有關(guān).對于液體介質(zhì),只能傳播縱波,以CL表示.

    式中:K 為介質(zhì)的體積彈性模量;ρ 為介質(zhì)的密度.

    超聲波產(chǎn)生依靠超聲波傳感器,超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類[2],它實(shí)際上是一種換能器,在發(fā)射端它把電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能,接收端則反之.本系統(tǒng)采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器,它是利用壓電晶體的諧振來工作的.它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板,當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振,并帶動(dòng)共振板振動(dòng),產(chǎn)生超聲波.反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),將壓迫壓電晶片作振動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號,就成為超聲波接收器.

    圖1 超聲測距原理圖

    圖2 超聲波的定位算法原理圖

    圖3 總流程圖

    2 超聲定位方案

    2.1 超聲測距

    超聲波的定位是基于超聲測距[3],利用三球定位法和空間坐標(biāo)系來定位被測物體.超聲測距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法.其中脈沖回波法測距最為常用,它主要基于超聲測距回波信號的識別,多采用模擬方法,用電路來實(shí)現(xiàn).超聲測距的原理圖如圖1 所示.其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波,在空氣中傳播至被測物,經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖,測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間t,在已知超聲波聲速C 的前提下,利用:

    即可計(jì)算得傳感器與反射點(diǎn)之間的距離S,測量距離

    當(dāng)S >>h 時(shí),則d ≈S,即:

    2.2 超聲定位

    利用超聲波傳感器能感知超聲波物理現(xiàn)象,把感知到的超聲波的時(shí)間差作為測量數(shù)據(jù)來進(jìn)行定位的[4].基于超聲波測量的定位算法的原理如圖2所示.

    三個(gè)測點(diǎn)的站址在測量坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)分別記為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),信源到達(dá)3 個(gè)測量站的時(shí)間分別為cΔt1,cΔt2,cΔt3,超聲波在空氣的傳播速度為c,則利用三球進(jìn)行定位的公式為:

    式中cΔt1=R1,cΔt2=R2,cΔt3=R3,聯(lián)立解以上方程組,就可以得到目標(biāo)的位置.

    圖4 系統(tǒng)程序圖

    圖5 串口程序圖

    圖6 超聲波定位算法程序圖

    3 定位的軟件部分設(shè)計(jì)

    3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

    軟件總的程序流程圖如圖3 所示.系統(tǒng)在接收到開始指令后,由LabVIEW 程序向串口發(fā)送指令串同時(shí)開始計(jì)時(shí)[5].單片機(jī)在接收到上位機(jī)發(fā)送的指令串以后執(zhí)行超聲波發(fā)射子程序[6].當(dāng)有回波信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳回上位機(jī)時(shí),LabVIEW程序停止計(jì)時(shí),并對時(shí)間、距離進(jìn)行計(jì)算.對回波信號進(jìn)行分析.最后顯示結(jié)果.若沒有回波信號則查詢是否有停止指令,有則顯示無結(jié)果,沒有則重新計(jì)時(shí)并向串口發(fā)送指令.

    3.2 LabVIEW 程序設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)如圖4 所示.通過串口通信子VI 向單片機(jī)發(fā)送“01111110”的八位字符串.單片機(jī)在接收到上位機(jī)發(fā)出的字符串以后運(yùn)行超聲波發(fā)射子程序,也就是發(fā)出16 個(gè)頻率為25kHz 的方波脈沖.當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡采集到回波信號之后,通過VISA 函數(shù)向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)[7].通過簡單算法測出單方向距離.在程序中,只要將VISA 函數(shù)的VISA resource name 設(shè)置為串口即可實(shí)現(xiàn)對串口的控制.其中VISA Configure Serial Port 節(jié)點(diǎn)主要用于串口的初始化,當(dāng)下位機(jī)通過串口輸入信號后上位機(jī)中的LabVIEW 程序就會(huì)收到信息經(jīng)過轉(zhuǎn)換最后通過前面板顯示出距離.

    串口程序程序如圖5 所示.

    系統(tǒng)在接收到開始指令后,由LabVIEW 程序向串口發(fā)送指令串同時(shí)開始計(jì)時(shí).單片機(jī)在接收到上位機(jī)發(fā)送的指令串以后執(zhí)行超聲波發(fā)射子程序[8].當(dāng)有回波信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳回上位機(jī)時(shí),LabVIEW 程序停止計(jì)時(shí),并對時(shí)間、距離進(jìn)行計(jì)算.對回波信號進(jìn)行分析.最后顯示結(jié)果,若沒有回波信號則查詢是否有停止指令,有則顯示無結(jié)果,沒有則重新計(jì)時(shí)并向串口發(fā)送指令.

    算法程序框圖如圖6 所示程序是由超聲波定位算法通過LabVIEW 編程所得.

    4 結(jié)束語

    LabVIEW 是高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境,它結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強(qiáng)大的編程語言.提供一個(gè)直覺性環(huán)境,并通過與測量硬件的密切結(jié)合,可以迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集和控制,數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示的應(yīng)用系統(tǒng).基于Lab-VIEW 開發(fā)的超聲波定位系統(tǒng),可針對各式的研發(fā)量測或機(jī)器人定位測量需求,快速進(jìn)行客制化的修改.這個(gè)系統(tǒng)可行性高,復(fù)雜性低,定位精度高.

    [1] 瞿金輝,周蓉生.超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國儀器儀表,2007(8):44 -45.

    [2] 王潤田.雙頻超聲波測距[J].聲學(xué)技術(shù),2006,3(1):22-26.

    [3] 童峰,許水源,許天增.一種高精度超聲波測距處理方法[J].廈門大學(xué)報(bào),2012,4(2):15-19.

    [4] 楊鳳霞.基于LabVIEW 的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].電子測試,2014,(21).

    [5] 吳湖青,李秀梅,孫晨林.基于LabVIEW 的信號處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2014,(06).

    [6] 鮑玉軍.LabVIEW 在“電子測量技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,(06).

    [7] F.Figueroa,E.Barbieri.An Ultrasonic Ranging System for Structural Vibration Measurements[J].IEEE Trans.Instrumentation and Measurement,2010,40(4):764-769.

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