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1、摘要：水下機器人的定位系統(tǒng)利用超聲波傳感器獲取距離信息 ，同時采用三點定位 法計算出位置坐標。利用單片機存儲時間信息和溫度信息 ，并將這些信息實時傳送 到工控機程序完成定位。最后，通過實驗獲取了超聲波的定位數(shù)據(jù)，并采用非線性優(yōu) 化的方法對數(shù)據(jù)進行了分析，得到兩種不同發(fā)射傳感器的定位精度，對以后改進系統(tǒng) 和提高定位精度都有參考價值。 關(guān)鍵詞：超聲波；水下定位系統(tǒng)；單片機;測距 本課題研究的機器人工作在大約 40 m深的漿液下，為了防止水煤漿由于長時間的 存貯而沉淀，他能在按照預(yù)先規(guī)劃的軌跡行走時完成攪拌功能。在這種條件下，一 個很重要的問題就是機器人定位功能的實現(xiàn)，用來實時了解其具體位置。

2、本機器人 定位系統(tǒng)采用多路超聲波傳感器測距，然后采用三點定位法，把測距信息轉(zhuǎn)化為機 器人的位置信息。超聲波作為一種無接觸檢測方式，與激光、紅外以及無線電測距 相比，在水煤漿中可以比較容易地穿透水煤漿達到測距的目的，且精度較高。 l超聲波測距系統(tǒng) 1.1 超聲波測距原理 超聲波測距原理一般采用時間度量法，計算公式為： 式中D(m為超聲波傳播的距離，v(m/s為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，t(s為超聲 波在介質(zhì)中傳播的時間。而超聲波在介質(zhì)中傳播的速度由介質(zhì)的性質(zhì)和溫度 T( C 決定，由此可得到水中超聲波的波速為： U- 1 2 + 上 421T--0. OS^r 1.2 超聲波測

3、距的硬件系統(tǒng) 系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，其設(shè)計為分布式控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中 USR1為超聲波 發(fā)射傳感器，USR2, USR3, USR4為接收傳感器，他是型號為JSS-03的液下專用 超聲波傳感器，該傳感器既可做接收用同時也可做發(fā)射用，其靈敏度高，額定脈沖 工作電壓高，瞬時輸出功率大。溫度傳感器選用 DS18B20,該傳感器具有單總 線、抗干擾、測溫范圍寬(-55?+125C、適合遠距離惡劣環(huán)境測溫的特點。在本系 統(tǒng)中使用的單片機(MCU0, MCU1 , ???MCU4均選用51系列單片機AT89C52。 ■ 國1 **/協(xié)整僧 當系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，由MCU0每隔3 s產(chǎn)生

4、一個脈沖，信號經(jīng)過放大激發(fā)信號發(fā) 生器ST-3A,然后觸發(fā)超聲波發(fā)生器 USR1;同時給MCU2, MCU3, MCU4的中 斷INT0一個低電平，使他們開始計時。當接收超聲波傳感器接收到發(fā)射超聲波傳 感器發(fā)出的信號后，立即把產(chǎn)生的接收信號傳給單片機，中間的信號調(diào)理過程為一 級放大（放大100倍、帶通濾波、二級放大（放大50倍、電壓比較、光電隔離，其 中電壓比較的基準電壓可調(diào)，當信號電壓高于基準電壓時使 MCU的INT1中斷。 INT0中斷和INT1中斷的時間間隔即為發(fā)射與接收傳感器間的時間，他存儲在單片 機固定的RAM中。而溫度傳感器DS18B20是分時完成對環(huán)境溫度的測量的，采

5、用嚴格的時序單片機進行雙向通訊。單片機把溫度信息存在他的固定 RAM中。 1.3 超聲波測距的軟件系統(tǒng) 要完成對機器人的位置信息的測量就要求把存儲在單片機 RAM內(nèi)的時間信息和溫 度信息采集到上位機中，然后把這些信息融合起來得到機器人的確切坐標。工控機 與下位機采用串口通訊方式，通訊協(xié)議為 MODBUS協(xié)議。同時上位機采用VC 6.0 作為開發(fā)工具，工控機的軟件程序采用模塊化編程，程序主要由串口通訊模塊、三 點定位模塊、數(shù)據(jù)庫模塊及界面模塊組成，其循環(huán)通訊的流程如圖 2所示。 ffVi 2實驗 2.1 實驗準備 為了驗證程序的可靠性和對比兩種超聲波發(fā)射傳感器在定位過程中

6、的效果，做了水 下定位實驗，該實驗是在9 mX7 m的長方形水池中進行的，水深 25 cm左右。在實 驗之前在水平面內(nèi)建立直角坐標系，同時在 r=3 300 mm的圓周上均勻放置三個超 聲波接收傳感器，其坐標（單位：mm分別為（3 300, 0、（-1 650, 2 858、（-1 650, 2 858,在實驗過程中超聲波發(fā)射傳感器在此圓周內(nèi)移動。 根據(jù)以前一系列的實驗結(jié)果，在本次實驗的軟件系統(tǒng)中對測距程序按下式進行了修 正：（單位：mm y u (h— 240)/L 083 6 (3) 2.2 實驗結(jié)果 (1JSS-03型超聲波發(fā)射傳感器 該傳感器的最佳發(fā)射頻率為10 k

7、Hz,發(fā)射面為一個平面，波束角為 60°,其指向性 很強，在此定位系統(tǒng)中，3個接收傳感器都能夠收到該發(fā)射傳感器的信號，但在其 波束角內(nèi)的接收傳感器接收的信號比其他兩個強，這就影響了接收傳感器觸發(fā)時的 靈敏性。 如圖3所示，中間的實線圓為經(jīng)過非線性優(yōu)化過的發(fā)射傳感器的移動軌跡，半徑為 3 204 mm,這些定位點分散在軌跡圓的周圍，外側(cè)的虛線圓為偏離原點最遠點所 在的圓，內(nèi)側(cè)的虛線圓為距離原點最近的點所在的圓，最大誤差為 8.08%,這些誤 差主要來自于發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差和測距產(chǎn)生的誤差。 田4 LYF -索)罡件明"定低國 (2LYF-20型圓周發(fā)射傳感器 復(fù)制

8、的最佳發(fā)射頻率為22 kHz,發(fā)射面為圓柱面，他的優(yōu)點就是對于三個接收傳 感器而言發(fā)射中心是固定的，并且他們接收的信號強弱一致，但他的指向性不強， 由于信號分散，故其發(fā)射的信號弱于 JSS-03型傳感器。如圖4所示。由于從發(fā)射 源頭就避免了發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差，所以他的定位精度較高，主要誤差來自于測距 誤差，其優(yōu)化后的軌跡圓半徑為 3 154 mm,最大誤差為3.78%。在此可以看出， 頻率對超聲波的測距是有很大影響的，頻率越大，精度越高。 3結(jié)語 從實驗結(jié)果看出，定位系統(tǒng)是可行的，有較高的可靠性，并且本系統(tǒng)的實時性可達 1 s,其精度也可以達到我們預(yù)期的效果，但是硬件系統(tǒng)還有提升的空間。研究內(nèi) 容對水下機器人的定位，信號的采集，數(shù)據(jù)的遠距離傳輸?shù)榷加袇⒖純r值。 參考文獻： [1]俞竹青.那須康雄.超聲波網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航中移動機器人的位置計算[J].機器人技術(shù)及應(yīng) 用,2002(3:36-39. [2]桑金.水深測量中的聲速改正問題研究[J].海洋測繪,2006,26(3:17-20. [3]趙紅旗，王云景.DS18820在16路測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù),2006(1:69-71.