第 ３１卷 第 ３期
２０１１年 ３月
物 理 实 验
ＰＨＹＳＩＣＳ ＥＸＰＥＲＩＭ ＥＮＴＡＴＩｏＮ
Ｖｏ１．３１ ＮＯ．３
Ｍ ａｒ．，２Ｏ１１
学
生
园
地
超声 波 多点定 位
马 龙 ，陈 玉 林
（南京信 息工程 大 学 数 理 学院 ，江 苏 南京 ２１００４４）
摘 要：介绍了 利用超声波 对多个物体 进 行定位 的装置 及 方法 ，利用 ２个超 声波 收发 传感 器 接 收每个 物体 的反 射
波，并通过 一定的算法 计算 出每个物体 的位 置．该装 置可对二维 空 间内 多个物体进 行定位 ，并可对 其测 速 、跟踪 ，甚至 测
出物 体 轮 廓 ．
关键 词 ：超 声 波 ；定 位 ；反 射 波
中 图 分类 号 ：０４２６．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００５—４６４２（２０１１）０１—００４１—０６
１ 引 言
超 声波 由于 指 向性 强 、能 量 消耗 缓 慢 且 在 介
质 中传 播 的距 离 较远 ，因 而经常用 于距 离 的测量 ．
超声波 的传 播方 式 为 直 线传 播 ，但 遇 到 障 碍 物 时
会发 生 反射 和绕 射 ；频 率 越 高 ，反 射越 强 ，绕 射 越
弱 ．
目前 主要 的超声 波 定 位 方 法 有 ４种 ：ａ．在 待
定 位物 体上 加装 超 声 波发 射 器 ，物体 周 围装 有若
干超声 波接 收器 ，通 过 计 算 发 射器 与每 个 接 收 器
之间距 离 进 行 定位 ］．ｂ．与 第 一 种相 似 ，不 同 的
是 待定 位物体 上 装 的 是超 声 波 接 收 器 ，物 体 周 围
装 的是 发射器 ，通 过 计 算 接 收器 与每 个 发 射 器 之
间距离 进行 定 位口］．这 ２种 定 位 方 法 计 算 简 单 ，
定 位准 确 ，但需 要 在物体 上加 装发 射或 接收 器 ，不
能 对普 通物体 定位 ．Ｃ．在 待定 位 物 体 四周 加 装 多
对 小发 射角 的超 声 波探 头 ，通 过 测 量 对 各 方 向外
界 物体 的距离 来 确 定 自身位 置 ¨４］，这种 方法 同样
不 能对普 通物 体 进行 定 位 ，并 且 外 界 环 境 须 为 已
知．ｄ．模仿 蝙蝠 的定 位 原 理 ，使 用 １个 超 声 波 发
射器 ，２个超 声波 接收 器 ，由物 体 反射 波 到 达 ２个
接 收器所 用 的时 间进 行 定 位 ，该 方 法 可 以对 普 通
物体 进行定 位 ，但容 易受 到干扰 ，当探测 范 围内有
多个 物体 时 ，定 位结果 将不 准确 ．
本装置 使用 ２个 超声 波 收发 传 感 器 ，可 以对
测量 范 围内的多个 物体 进行 定位 ，抗 干扰性 能 强 ，
且可 以使用 廉价 的发 射 角 较 大 的超 声 波 发 射器 ，
节 约 了仪器 成本 ，适 用 于机 器 人 等设 备探 测 外 界
环境 ．
２ 超 声 波 定 位 原 理 分 析
本 方法 需要 至 少 ２个 超 声 波 收 发 传 感 器 ，利
用 超声 波测距 并 通过 一定 的算 法将 各个 物体 与收
发 传感 器之 间 的距 离 计 算 出来 ，构 成若 干 个 三 角
形 ，进而 确定 物体 的位 置．
超 声波 测距 原 理是 利 用 飞 越 时 间法 （ｔｉｍｅ ｏｆ
ｆｌｉｇｈｔ，ＴＯＦ），即检 测 超 声 波 往 返 的 时 间 ，所 用 时
间与超 声波通 过 距 离 成 正 比，从 而计 算 出超 声 波
所 经 的距 离．当超声 波 收发传 感 器 发 出短暂 脉 冲
时 ，计 时 开始 ，当超声 波收 发传感 器接 收 到 １个 返
回脉 冲 时 ，记 录得 到 的 时 间值 ｔ，则 超 声 波 传 播 的
路程 为 ｄ＝＝＝ｖｔ，其 中 ｄ为 传感 器 与被 测 物 体 之 间
的距 离 ， 为超 声波在 介 质 中的传播 速度 ｌｓ］．
按物 体 与收发 传感 器之 间的距 离 关 系 可分 ２
种情 况进 行分 析 ：ａ．所 有 物体 与任 一 收 发 传感 器
距 离 不等 ；ｂ．至少 有 ２个 物体 与某 一 收 发 传 感 器
距 离 相等 ．由后 面的分 析 可知上 述 ２种情 况 可 以
合 二 为一 ，但分 情 况 讨 论 可 以简 化 对 数 据 的处 理
过 程 ．
２．１ 所有 物体 与任 一收 发传 感器 距离 不等
以二维 平 面 内任 意两 物体 说 明超声 波定 位流
程 如 图 １所 示．
图 １中有 收 发传 感 器 １、收发 传 感 器 ２、任 意
位 置 ２个 （也 可 以多个 ）物 体 Ａ 和 Ｂ，收 发传 感 器
收稿 日期 ：２０ｌＯ一０５—２８；修 改 日期 ：２０１０ ０８ ２５
资助 项 目：南 京信 息工程大学 “大学物理 与实验教学 团队”教改 工程资助项 目（Ｎｏ．Ｎ１８８５００８１５４）
作者 简介 ：马 龙（１９８８一），男 ，江 苏连 云港人 ，南京信息工程 大学 数理学 院 ２００７级本 科生 ．
指导 教 师 ：陈 玉 林 （１９７１一），男 ，江苏 南 通 人 ，南京 信 息 工 程 大 学 数 理 学 院 副教 授 ，从 事 物 理 实 验 教 学 研 究
资源评论
arslong2021-07-07有点用吧，有一些用
