范文龙++王洪源++陈慕羿++付垚++汤秋艳
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.225
摘 要：对处于较小的二维平面的空间内的物体，采取超声波探测和定位是十分适合的。定位系统由装在四角的4只超声波发射机、嵌在目标上的超声波接收机、上位PC机构成。超声波发射机负责发射40KHz的超声波，超声波接收机负责接收超声波和记录超声波传输时间，PC端负责处理数据，计算出超声波接收机的坐标。采用超声波到达时间差测距方式进行平面上近距离目标定位，设计了多目标定位系统及其通信协议，研究了超声4角定位原理与算法，并在此基础上开发了通信工程专业实训设备。
关键词：多目标 超声波测距 四角定位 实训设备
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（a）-0225-02
应用技术型人才培养中实践教学是关键。在2016年辽宁省本科教学改革一般项目的资助下，课题组整合现有实验室仪器资源，充分使用实验室现有高端仪器仪表，将“平面多目标超声探测与定位技术”应用于通信工程实训设备开发中，自行开发出新型开放式综合实训平台，为学生提供了丰富的底层实验数据及二次开发接口。该技术的核心是多目标定位协议设计与四角定位算法。
1 平面多目标超声定位系统设计
超声波定位是通过接收几个固定位置的发射点的超声波，利用测量超声波传输时间计算其距离，运用多点测量计算出需要定位物体的位置[1-2]。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，超声波接收器接收到超声波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距目标的距离（s），即：s=340t）。对于多目标的测距定位可以采用轮询方式实现。多目标超声定位系统如图1所示。
在4个附角的超声波发射器递次发射超声波。首先第一个超声波发射器发射超声波，每个目标中设置超声波接收器，当接收到第一个超声波发射机的信号时，给超声波发射机返回一个信号红外或无线电信号。当系统接收到返回信号后，第二个超声波发射机发射超声波。之后依次进行发射超声波。
近距离平面目标超声波声探测和定位系统主要包括三个部分，PC端、超声波发射器、超声波接收器。超声波发射器负责发射40kHz的超声波，超声波接收机负责接收超声波和记录超声波传输时间，PC端负责处理数据，计算出超声波接收机的坐标。在系统中，超声波发射机和超声波接收机的处理器采用Arduino开发板。
主机和从机的通讯流程如图2所示。
2 定位算法设计
采用4角定位算法，算法模型如图3所示。
其中0，1，2，3；为当前声速，为声音的传播时间
0，1，2，3
（1）
（2）
（3）
（4）
通過（1）、（2）、（3）（4）得到矩阵公式（5）
（5）
设A=
B=
则公式（5）可以写成AX=B+R；
通过矩阵运算AX=B+R，得：
通过运算得出，当t0、t1、t2、t3已知时，可以求出r0，r1，r2，r3，从而计算出（x，y）。
本系统采用的内部的微处理器Atmega328，晶振为16MHz。使用Atmega328的Timer1为16位计时器。本超声波探测和定位系统采Timer1计时器。时钟周期T=（1/晶振频率（f））*分频；例如，当晶振频率（f）为16MHz，分频数为8时，时钟周期T为0.5μs。即TCNT1从0加到65535，一共需要32768μs（0.032768s）。当超声波速度为340m/s时，范围大概是11.14112m，则定位系统中超声波发射机的相邻距离最好为7.8m。
3 结语
基于四角定位原理组成的通信工程专业实训系统可以给学生提供更多的底层物理实验数据，由超声波发射机、超声波接收机和PC机构成的多目标定位的系统可以动态调节通信协议、研究数据处理算法，以研发的视角精心做实验，设备投资大大降低，以较低资金成本提高师生的实践能力。本项目获得2016年度沈阳理工大学校级教学成果一等奖。
参考文献
[1]张景伟.超声波定位系统精度分析[J].今日电子，2017（4）：57-59.
[2]华蕊，郝永平，杨芳.超声波定位系统的设计[J].国外电子测量技术，2009（6）：65-67.
[3]A Mazalek.An extensible method for developing multi-user media interaction platforms for shared spaces[D]. Iranian Journal of Allergy Asthma & Immunology，2005.endprint
