基于LabVIEW 超声定位系统的设计与研究①

张连军，常 江，薛 迪

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯154007)

0 引 言

超声波定位是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用.近年来，室内机器人与室内监控已受到越来越多的关注，因此，对室内短距离精确测量和定位的超声系统的研究也成为一个热点.通过研究，可以对于测量精度要求较高的场合，如室内短距离的精确测量和超声波定位系统，移动机器人室内定位等的精确测量都有实质的意义.

1 超声波原理

声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波.频率高于人类听觉上限频率(约20kHz)的声波，称为超声波［1］.超声波检测中常用的工作频率在0.25 ～20MHz 范围内.超声波在介质中传输的速度即介质的声速，用C 表示.它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关.对于液体介质，只能传播纵波，以CL表示.

式中:K 为介质的体积弹性模量;ρ 为介质的密度.

超声波产生依靠超声波传感器，超声波传感器分机械方式和电气方式两类［2］，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之.本系统采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的.它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波.反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器.

图1 超声测距原理图

图2 超声波的定位算法原理图

图3 总流程图

2 超声定位方案

2.1 超声测距

超声波的定位是基于超声测距［3］，利用三球定位法和空间坐标系来定位被测物体.超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法.其中脉冲回波法测距最为常用，它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现.超声测距的原理图如图1 所示.其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间t，在已知超声波声速C 的前提下，利用:

即可计算得传感器与反射点之间的距离S，测量距离

当S ＞＞h 时，则d ≈S，即:

2.2 超声定位

利用超声波传感器能感知超声波物理现象，把感知到的超声波的时间差作为测量数据来进行定位的［4］.基于超声波测量的定位算法的原理如图2所示.

三个测点的站址在测量坐标系中的位置坐标分别记为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，信源到达3 个测量站的时间分别为cΔt1，cΔt2，cΔt3，超声波在空气的传播速度为c，则利用三球进行定位的公式为:

式中cΔt1=R1，cΔt2=R2，cΔt3=R3，联立解以上方程组，就可以得到目标的位置.

图4 系统程序图

图5 串口程序图

图6 超声波定位算法程序图

3 定位的软件部分设计

3.1 系统软件总体设计

软件总的程序流程图如图3 所示.系统在接收到开始指令后，由LabVIEW 程序向串口发送指令串同时开始计时［5］.单片机在接收到上位机发送的指令串以后执行超声波发射子程序［6］.当有回波信号通过数据采集卡传回上位机时，LabVIEW程序停止计时，并对时间、距离进行计算.对回波信号进行分析.最后显示结果.若没有回波信号则查询是否有停止指令，有则显示无结果，没有则重新计时并向串口发送指令.

3.2 LabVIEW 程序设计

系统程序设计如图4 所示.通过串口通信子VI 向单片机发送“01111110”的八位字符串.单片机在接收到上位机发出的字符串以后运行超声波发射子程序，也就是发出16 个频率为25kHz 的方波脉冲.当数据采集卡采集到回波信号之后，通过VISA 函数向上位机传递数据［7］.通过简单算法测出单方向距离.在程序中，只要将VISA 函数的VISA resource name 设置为串口即可实现对串口的控制.其中VISA Configure Serial Port 节点主要用于串口的初始化，当下位机通过串口输入信号后上位机中的LabVIEW 程序就会收到信息经过转换最后通过前面板显示出距离.

串口程序程序如图5 所示.

系统在接收到开始指令后，由LabVIEW 程序向串口发送指令串同时开始计时.单片机在接收到上位机发送的指令串以后执行超声波发射子程序［8］.当有回波信号通过数据采集卡传回上位机时，LabVIEW 程序停止计时，并对时间、距离进行计算.对回波信号进行分析.最后显示结果，若没有回波信号则查询是否有停止指令，有则显示无结果，没有则重新计时并向串口发送指令.

算法程序框图如图6 所示程序是由超声波定位算法通过LabVIEW 编程所得.

4 结束语

LabVIEW 是高效图形化应用开发环境，它结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言.提供一个直觉性环境，并通过与测量硬件的密切结合，可以迅速开发出有关数据采集和控制，数据分析和数据显示的应用系统.基于Lab-VIEW 开发的超声波定位系统，可针对各式的研发量测或机器人定位测量需求，快速进行客制化的修改.这个系统可行性高，复杂性低，定位精度高.

［1］ 瞿金辉，周蓉生.超声波测距系统的设计［J］.中国仪器仪表，2007(8):44 －45.

［2］ 王润田.双频超声波测距［J］.声学技术，2006，3(1):22－26.

［3］ 童峰，许水源，许天增.一种高精度超声波测距处理方法［J］.厦门大学报，2012，4(2):15－19.

［4］ 杨凤霞.基于LabVIEW 的虚拟信号发生器的设计［J］.电子测试，2014，(21).

［5］ 吴湖青，李秀梅，孙晨林.基于LabVIEW 的信号处理虚拟实验平台［J］.杭州师范大学学报(自然科学版).2014，(06).

［6］ 鲍玉军.LabVIEW 在“电子测量技术”课程教学中的应用［J］.常州工学院学报，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.