红外线与超声波组合定位技术研究

红外线与超声波组合定位技术研究

赵世伟

赵世伟ZHAOShi-wei；马少池MAShao-chi；吴书明WUShu-ming；林洋LINYang

（中国民航大学工程技术训练中心，天津300300）

（EngineeringTechniquesTrainingCenter，CivilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China）

摘要：在分析各种小范围定位技术的基础上，提出了融合红外线和超声波的目标定位技术方案，并提供了具体的实现方案进行验证。结果表明，采用两种技术融合进行定位，方位和距离的精度有了较大提升。而且两种传感器的电路结构简单、成本较低，这为小范围内目标定位技术的研究提供了新的研究思路。

Abstract:Onthebasisoftheanalysisofallkindsofsmallrangelocationtechnology,schemeofintegratedlocationtechnologyisproposedwhichcombinesinfraredandultrasonictechnology.Aspecificimplementationisprovidedforverification.Theresultsshowthatorientationanddistanceaccuracyhasbeengreatlyimprovedbytheintegrationofthetwotechnologies.Besides,simplecircuitstructureofinfraredandultrasonicsensorsandlowcostprovidesanewthinkingforsmallrangelocatingtechnologyresearch.

关键词：组合定位；超声波；红外线；定位技术

Keywords:locationtechnology；ultrasound；infrared；integratedpositioning

中图分类号：TN953文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）14-0187-02

引言

定位技术是指在所选定的参考坐标系中确定目标所在的位置，在目标跟踪、运动体导航、测绘以及机械数字化装配等多方面有着极其广泛的应用。大范围的空间目标定位通常采用电磁波为媒介实现的，目前的实现方案相对比较成熟，如民航飞机所装配的机载无线电导航系统以及全球定位系统（GPS）等系统都是通过电磁波的方式为飞机提供实时位置信息。

目前研究的小范围定位技术的研究主要利用电磁波、红外线、超声波等媒介，不同的媒介又有不同的定位方案[1-3]。电磁波定位技术的实现方式主要有无线局域网（WLAN）模式、超宽带模式（UWB）以及蓝牙模式（Bluetooth），基本是以探测无线电波的功率衰减作为定位的参考依据。此外，还需要增加相应支持设备，费用非常昂贵，即使如此所取得的定位误差依然不能够令人满意，如微软的RADAR系统只有50%的概率将目标定位误差控制在3m以内。红外线定位技术的主要实现方式有两种，红外感知和红外成像。红外感知利用红外线的收发过程感知目标的方向、角度等位置信息，容易受到光照、不规则形状的影响产生盲区。而红外成像图片质量差、对比度低，对其进行自动特征点选择比较困难，定位效果不理想。超声波广泛应用于小范围测距，测距精度比较高，一般能够达到厘米级、甚至是毫米级的精度。但是超声波的是一种球形波，辐射角度较大，方位信息的误差较大。以上定位技术的实现方案，基本都是采用单一信号测量模式，囿于信号本身的固有属性，限制定位精度。借鉴组合导航的思想，提出了融合红外和超声波的定位技术方案，充分发挥红外线和超声波信号的优势，提高了定位技术的精度。

1系统工作原理

1.1超声波工作原理超声波是指频率在20KHz以上声波。频率比较高，传播时具备一些普通声波没有的特点，具有束射和发射特性，基本上可以沿直线传播。空气介质中传播时，超声波基本不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰以及有毒气体的影响，而且在相当大的频率范围内，声速是固定不变的。空气中的声波传播速度可近似表示为：

v=331.4×■≈331.4+0.607T（1）

其中v为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s，T为摄氏温度，单位为℃。从公式（1）可以看出，温度对超声波的传播速度影响较大。

超声波换能器，又称为超声波探头，实质上是机电能量转换装置，目前最常见的是压电陶瓷式，利用压电材料的正、逆压电效应工作。因为压电效应是可逆的，所以大多数超声波探头是发射和接收兼用的。超声波频率越高，声能被吸收衰减也越快，超声波的传播距离也就越小，但是超声波频率越低，超声波的传播方向越分散。大量实践证明，小范围内使用40KHz超声波进行定位测向时效果最好，图1是TCT40-16XX型超声波探头发射超声波时的方向性图。并且超声波传感器结构简单、体积小、费用低，易于小型化和集成化。

1.2红外线工作原理红外线是指波长在760nm~1mm之间的非可见光。由于红外线的光谱频率组成单一，单色性很好，亮度高并且具有非常小的光束发散角，很容易实现直线传播，但是由于红外线的传播速度为光速，在小范围内应用时受到一定的限制。

在小范围内进行目标定位时，利用红外信号和超声信号之间巨大的传播速度差，如图2所示，其中横坐标为传输距离，纵坐标为传输时间，以红外线良好的方向性为基础，触发超声波测距，可以充分发挥红外线和超声波两种信号的优良性能，获取高精度的位置信息，降低系统实现的成本[4]。

2系统总体设计方案

为了验证红外线和超声波组合进行目标定位的情况，我们进行了系统实现方案的论证与设计，由天线单元、控制单元、显示单元、运动单元等组成，如图3所示。①天线单元，主要由红外发射与接收、超声波发射与接收两大部分组成，包括红外线和超声波产生、调制、发射以及接收信号的处理等，并提供与控制单元进行通信；②控制与显示单元，是整个系统的控制中心，接收天线单元传送的信息并进行处理，根据天线单元的测量情况，控制运动单元电机的转动，将天线单元转动到合适的方位，进行目标位置参数的测量，同时将所获取的目标参数信息显示到显示器上；③运动控制单元，主要由步进电机、光电式旋转编码器等部分组成，根据控制单元的控制命令，进行旋转，使天线更好的测量目标位置参数。

3系统实现方案

3.1系统硬件实现方案[5-6]天线单元部分主要由红外模块、超声波模块、补偿模块和天线接口等四部分组成。红外模块主要用来确定目标所在的准确方位，实际上提供的是一个开关量，该部分功能的实现采用SHARP的红外传感器，该传感器采用870±70nm的红外线，通过检测该电压信号即可判断目标所在的方位。红外信号确定目标所在的方位后，超声波模块开始测量目标的距离信息。根据公式（1）可知，由于超声波的传播速度受到温度的影响比较大，补偿模块主要是温度补偿，通过测量天线单元周围的环境温度，根据公式（1）的温度补偿关系进行补偿。补偿模块采用的温度传感器为DS18B201-wire高精度数字式温度传感器，该传感器结构简单，只需要少量的外围电路就能够正常工作，而且测温范围宽，在-55℃~125℃之间，传感器所提供的温度信息为数字量，能够直接读取，不需要转换。天线接口电路用于将天线单元与系统控制单元之间的通信，将天线所收集的信息发送给系统控制单元，系统控制单元将控制指令发送到天线单元。

运动单元的主要功能是带动天线旋转实现定位信息的精确测量，主要由步进电机和旋转编码器两部分构成。步进电机的转速和转角通过发射脉冲的数量和频率来实现，系统方位的精确测量使用的是ABZ三相增量式光电编码器。A、B两相互差90°电度角的脉冲信号，也即所谓的两组正交输出信号，从而可方便地判断出旋转方向。Z相用作参考零位的标志脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零，本系统在初始化阶段就是依据光电编码器来建立参考坐标系。

系统控制单元由MSP430单片机为核心构成，该型单片机具有丰富的片上外围模块，能够实现串行在线编程、调试和下载。并且MSP430能够直接产生PWM，可以直接生成超声波的发射信号；具有串行传输口，可以直接将所需显示的信息上传显示器进行显示；具有两个16位定时器、一个14路12位模数转换器、6路I/O口，可以直接与天线模块、运动模块进行通信，接收红外、数字温度计、旋转编码器等模块信息，并生成控制指令向外输出。系统显示模块采用可编程智能液晶显示模块，该显示模块已经内置了液晶显示器图形显示界面控制电路，通过三线串口连接，可利用串行传输将需要的信息显示。该显示模块配备了7寸屏幕，分辨率可达800×480，可轻松实现目标位置信息图形和数据双显示，具有显示简洁、直观的特点。

3.2系统软件实现方案系统定位主要是需要两方面的信息：目标方位和目标距离。为了获取目标位置信息，首先要建立参考坐标系，在此基础上目标位置信息才能够得到清晰的表达。系统的总体流程图如图4所示。

系统上电后首先对各单元电路进行初始化设置，并建立以系统所在位置为中心的坐标系。参考坐标系建立完成后，向运动控制单元和天线单元发送指令，对周围存在的目标进行搜索，一旦搜索到目标并锁定后，对目标位置信息进行读取并进行相应的补偿，然后进行图形和数字双重显示。

经过多次实验验证，上述方案在3米以内的范围内，能够对目标的方位和距离进行精确识别，其中方位和距离的分辨力分别能够达到5°和3cm，实现了预期的设计效果。

4结束语

本文在总结各种小范围定位技术的基础上，提出了基于红外和超声波一体化的小范围定位方案，并对该方案进行了实物验证，试验结果表明所获取的位置精度达到了令人满意的效果。这对于满足小范围目标定位需求来说，尤其是满足运动体导航，如移动机器人路径规划、自动引导车辆等方面提供了一种新的思路。

参考文献：

[1]陆蔺.超声波三位定位与跟踪系统的设计与实现[D].苏州大学，2010.

[2]贺桂芳.一种高精度超声波测距系统的设计[J].传感器与微系统，2010（29）.

[3]周孟然，刘文清.红外激光技术在运动物体位置跟踪系统中的应用[J].低温与超导，2003（1）.

[4]朱哲科等.基于DSP的目标定位跟踪硬件融合平台的设计[J].火力指挥与控制，2010（35）.

[5]王洪青，褚金奎等.并行超声波测距系统在移动机器人上的引用[J].传感器与微系统，2008（27）.

[6]宋轶群，杜华生等.基于PIC16F877的红外测距系统[J].仪表技术，2005（5）.