GPS声纳定位实验精确度研究.doc

GPS声纳定位试验正确度研究
指导老师 竺江峰 A05信息 刘学浩 8号 许松金 9号

摘要:水下超声定位演示仪利用了渡越时间测距及方向角检测法进行定位, 利用单片机进行处理和控制, 利用自编软件进行试验数据处理和分析。
关键词:GPS、 超声波、 水下声速、 换能器转换角度
水下超声定位仪电路结构组成如图39-1所表示, 整个系统由89C51系列单片机来控制。开启测量时, 由单片机每隔20ms发出数个1MHz超声波,驱动超声波发射器功率电路发射出超声脉冲, 同时开启单片机计时器。当脉冲抵达被测目标时, 发生反射, 经水传输被超声波接收器接收, 再由放大电路进行滤波放大, 使单片机产生中止,计数停止, 数码显示器把测得时间显示并由单片机将该数据进行存放, 同时可从换能器旋转盘上读取方向角度值, 由此实现定位功效。
数码
显示
及存
储

单片处理及控制
接收电路
发射
换能
器
接收
换能
器
被测物
体
发射电路

图39-1 水下超声定位仪电路结构
超声波探测物体位置是经过测距和测角同时来确定。超声波测距方法较多, 比如渡越时间测距法、 声波幅值测距法、 相位测距法。它们各有各自特点, 但用得最多是渡越时间测距法, 本仪器采取就是超声波渡越时间测距法。其工作原理以下: 检测从超声波发射器发出超声波, 经水介质传输到接收器时间, 即渡越时间。渡越时间与水中声速相乘, 就是声波传输距离。因为在该仪器中, 利用计算机程序中已将传输时间除以2, 所以数码显示器显示时间就是探测器到被测物时间, 其探测到距离, 以下式所表示:
(39-1)
对(39-1)式两边微分可得:
(39-2)
式(39-2)说明, 超声波测距传感器测试精度是由渡越时间和声速两个参数精度决定。如将看作常量, 则（39-2）式可简化为:
(39-3)
式(39-3)表明: 计时电路计时频率越高, 传感器测试精度越高, 所以我们在设计时把计时频率设计在24MHz,时间分辨率为0.5us。超声波传输速度受介质温度影响最大, 超声波速度与环境温度T关系可由以下经验公式给出 :
(39-4)
同时该温度下速度也可利用逐差法经过实测方法来求得, 而目标角度测量可直接从换能器方向旋转刻度盘读取。
θ
r
Φ
O
1
2
3
P
Φ
图39-2 试验装置结构与坐标关系
l
对目标进行定位。知道目标相对参考点处于什么位置, 能够用直角坐标描述, 也能够用极坐标描述, 本试验用极坐标来描述目标位置, 如图39-2所表示, 知道和Φ就确定了目标方位, 测量用超声波。试验模拟装置由圆柱体容器以及安装在容器壁上探测传感器等附件组成。被测物1挂在含有丝杆装置可使其沿容器半径方向作径向移动横梁2上, 即被测物可位于横梁任一位置。同时横梁2能够绕容器中心O旋转, 3是换能器与可读取方向角度值Φ旋转盘。我们设计仪器横梁转动角度 变动范围是－90°~ +90°, 换能器转动角度Φ范围也是从－90°~ +90°, 被测物在圆柱半径方向能够在0~18.0cm之间改变。

首先, 在初始时刻, 当换能器置于Φ=0º时, 仪器横梁也处于位置, 即在同一直径上, 此时能够利用经验公式(39-4)求取（亦可利用逐差法测出超声波波速）。利用测量仪测出回波时间, 从而可求出探测器到圆柱体容器中心长度, 从而完成仪器定标。然后, 我们利用被测物1、 换能器3位置与角度以及圆柱体容器中心O三点组成三角形, 依据余弦定理可得:

(39-5)
(39-6)
其中和表示了依据实测所得到试验值。为了使同学们在试验中便于比较, 我们在软件中确定被测物能够作三种形式运动, 所以在软件开发时我们设定了直线段、 圆弧、 抛物线三种标准曲线。只要在开始试验时, 确定好被测物运动轨迹、 起始点与终点坐标、 角度步长和长度步长, 该软件即可给出该被测物运动轨迹上每一个测量点坐标理论值与。学生们在试验完成后, 将所得试验结果输入计算机, 该软件即可自动用列表与绘图方法给出试验结果（, ）与理论值（, ）相对误差及运动轨迹图。
试验数据
统计试验室温度: T=11.85度, 从换能器到中心时间:
自拟表格统计全部定标试验数据。表格设计要便于用逐差法求对应位置差值和计算。

3.70
4.70
5.70
6.70
7.70
8.70
9.70
10.70
11.70
12.70

118
125
132
139
146
153
160
167
174
181

1428.57
1428.57
1428.57
1428.57
1428.57

V（m/s）
1428.57
被测物作直线运动
运动轨迹坐标理论值和依据实测结果利用软件计算所得试验值见表39-1, 绘出试验与理论计算所得运动轨迹, 参数坐标转变为直角坐标。

表39-1 直线运动测量结果
编号（i）
1
2
3
4
5
6
7
8

169
160
151
143
134
127
119
109
L(cm)
24.14
22.86
21.57
20.43
19.14
18.14
17.00
15.57
P(cm)
13.14
13.14
13.14
13.14
13.14
13.14
13.14
13.14
(度)
30.2
26.5
24.6
21.9
19.2
16.5
13.2
9.4
cos
0.8643
0.8949
0.9092
0.9278
0.9444
0.9588
0.9736
0.9866
（cm）
14.00
12.50
11.00
9.50
8.00
6.50
5.00
3.50
(cm)
14.39
12.55
11.07
9.58
7.99
6.68
5.17
3.38

2.8%
0.40%
0.62%
0.87%
-0.13%
2.79%
3.31%
-3.56%
(度)
60
60
60
60
60
60
60
60
（度）
57.5
54.4
54.2
52.7
51.9
50.5
48.7
48.9

-4.09%
-9.40%
-9.63%
-12.22%
-13.49%
-15.89%
-18.80%
-18.52%

被测物沿圆周运动
运动轨迹坐标理论值和依据实测结果利用软件计算所得试验值见表39-2。绘出试验与理论计算所得运动轨迹, 参数坐标转变为直角坐标。

表39-2 圆周运动测量结果

编号（i)
1
2
3
4
5
6
7
8

163
175
184
189
189
184
175
163

24.21
26.00
27.33
28.08
28.08
27.30
26.00
24.21
(度)
-29.8
-23.2
-15.6
-8.2
8.3
15.8
23.5
29.5

13.14
13.14
13.14
13.14
13.14
13.14
13.14
13.14
(cm)
15.00
15.00
15.00
15.00
15.00
15.00
15.00
15.00
COS
0.8678
0.9191
0.9632
0.9898
0.9895
0.9622
0.9171
0.8704
（cm）
14.38
14.85
15.10
15.19
15.19
15.12
14.90
14.32

-4.13%
-0.99%
0.65%
1.25%
1.29%
0.80%
-0.67%
-4.51%
(度)
-60
-45
-30
-15
15
30
45
60
（度）
-56.8
-43.6
-29.1
-15.3
15.5
29.5
44.1
56.4

-5.32%
-3.11%
-2.88%
1.92%
3.14%
-1.71%
-2.02%
-6.07%
试验结果及分析
在被测物直线移动过程中, 伴随减小能器距离也对应减小, 角度步长增大, 因为被测物体直径大, 以及换能器检测含有一定范围, 造成换能器不一定正视被检测物体, 又为超声速速度过快, 使适当被测物体与换能器距离越来越小时, 误差也越来越大。
在被测物作圆周移动过程中, 伴随向两边增大与换能器距离逐步减小, 因为相对取较大, 一定程度上减小了试验误差, 所以所测得数据以及数据处理结果都相对比较靠近理论值。
在试验过程中, 因为人为调整换能器角度, 使得产生较大误差, 而试验使用铁棒直径较大也使试验产生一定误差, 对于刻度迟读数读取不够正确, 在经过复杂运算过程中保留了部分位数都使本试验产生一定误差, 传输介质纯净度也影响试验效果。
直线运动理论数据及图表
x
12.10
11.19
10.00
8.81
7.56
6.23
4.87
3.45
y
7.04
5.58
4.58
3.54
2.63
1.85
1.14
0.57

直线运动试验所得数据及图表
x
4.75
4.61
4.51
4.34
4.14
3.89
3.54
3.02
y
2.76
2.30
2.06
1.75
1.44
1.15
0.83
0.50

圆周运动理论数据及图表
x
13.02
13.79
14.45
14.85
14.84
14.43
13.76
13.06
y
-7.45
-5.91
-4.03
-2.14
2.17
4.08
5.98
7.39

圆周运动试验测得数据及图表
x
12.48
13.65
14.54
15.03
15.03
14.55
13.66
12.46
y
-7.15
-5.85
-4.06
-2.17
2.19
4.12
5.94
7.05

故理论得到验证
改善与创新:
在试验中人为调整换能器角度轻易产生较大误差, 假如能够配置仪器本身微调设备, 能够读取更正确数据。仪器探测物体次数假如能够自动增加, 再取其平均值那么测得结果将更靠近于实际值。假如被测物能换成超升感应装置, 就能很大程度上避免因为被测物半径带来误差, 而试验灵敏度就更高了。
附录: （数据处理）
逐差法求速度:
同理:
直线运动数据处理:
同理: , , , , , ,

同理:

同理:

同理:

圆周运动数据处理:
同理:

同理:

同理:

同理:

同理:
（完）