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

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.