[提要] 本文介绍了利用第三代超声波测距模块构建一个移动物体定位系统的示例，并简单介绍了其工作原理。

第三代超声波测距传感器设计成独立模块，一方面是为了便于使用时组合，安装方便，另一方面就是为了能有拓展性的应用，不局限于测距。

超声波定位就是当初设计时的拓展方向之一，我设计的所有学习素材均基于小车，而小车的定位是最基本的需求。所以在控制模块上设计了无线模块RFM12B，就是为了能在定位应用中实现超声波发射和接收之间的同步：
 
超声波定位原理并不复杂，基本还是基于距离的几何计算。

将被定位点作为发射点，设置3个以上的接收点作为参照点，一次发射得到3个以上的距离，根据空间位置计算出发射点相对于参照点的坐标。

或者反过来，将被定位点作为接收，设置3个以上发射点，依次发射，得到距离，计算方式相同。这个方式类似于GPS定位。

我所选择的是第一种方式，理由如下：

一、 如果只定位一个目标，这样速度比较快，只要发射一次即可得到三个距离。而后一方式需要三次以上。

二、 声波速度较低，且由于检测原因，似乎不能连续发射，需要有个间隔时间（经试验好像要50ms，否则会出现粗大误差），所以用多次发射的方式定位移动物体会有误差，第一次到最后一次发射之间目标已经移动了。

如果定位的目标超过三个，且物体移动较慢，可以考虑后一种方式。

按此构思，构建了如下系统：

用 一个控制模块和一个发射模块构成发射点，放置于被定位的物体上。控制模块上加装RFM12B无线模块，作为和接收模块同步通讯用。因为通产是被定位对象需 要坐标，所以此处设计发射节点作为定位的主控，负责测量的调度，接收节点只完成测距，并将距离返回给发射点，由发射点计算出坐标。

为了便于计算，设计了 4 个接收器作为参照点，因为控制模块可以处理4个接收模块：
 

边长设计为 1 m，一是为便于计算，二是考虑到超声波的发射角度和高度，因为下面有张桌子，发射点到接收点的高度只有1.8m。

看看这张照片：

 
是不是很像啊？不过这可是大名鼎鼎的麻省理工的实验环境啊，详细信息可以看看他们的网页：http://cricket.csail.mit.edu/ 

接收控制模块：

因为接收模块的连线是8根，所以正好可以用网线延长。

系统工作过程是：

   1、发射点发送命令将接收器置为“定位模式”
   2、根据测量方式发送启动计时命令给接收模块，测量方式借用原测距的模式。
   3、启动计时命令发完后，发射10个脉冲
   4、等待70ms,读最近一次数据，计算

计算原理是：
   接收点布置 4个，构成正方形，边长1m, 定义为 S，顺时针编号。
   0号为坐标原点（0,0)，1号为（0,1），2号为（1,1），3号为（1,0)

高度布置后测量确定。计算时先根据直角三角形算出投射到移动物体平面的距离，斜边为测距值，高为一个直角边。

计算出的移动物体距接收点的平面距离定义为 D0 、D1、D2、D3，移动节点的坐标为（x，y）。
经推导得到：
     Y1 =  S/2 + (D0^2 - D1^2)/2S      （1）
     X1 =  S/2 + (D1^2 - D2^2)/2S      （2）
     Y2 =  S/2 + (D3^2 - D2^2)/2S      （3）
     X2  = S/2 + (D0^2 - D3^2)/2S      （4）

其中 S 为边长，D0、D1、D2、D3 为4个接收节点测得的距离值。

根据计算投射距离的公式：（设4个空间距离分别为 L0 L1 L2 L3, 高度为 H)
     D0^2 = L0^2 - H^2
     D1^2 = L1^2 - H^2
     D2^2 = L2^2 - H^2
     D3^2 = L3^2 - H^2

则上述坐标公式可以转换为：
     Y1 =  S/2 + (L0^2 - L1^2)/2S      （1）
     X1 =  S/2 + (L1^2 - L2^2)/2S      （2）
     Y2 =  S/2 + (L3^2 - L2^2)/2S      （3）
     X2  = S/2 + (L0^2 - L3^2)/2S      （4）

可以忽略高度参数！不用计算投射到平面的距离，直接使用测量结果。

通过上述 4 个测量值可以得到 2 组坐标。将2组平均可以减小误差，或者作为相互间的合理性判断。

系统构建好之后，简单测试后就没有深入，因为缺少好的演示对象，用手摆放定位点太傻。同时 PC 上的程序缺少图形显示，用数字坐标极不直观。

最近因为 PID 调试需求，请朋友帮忙做了一个图形显示，顺带兼顾了定位的需求。同时四轮全向小车平台完成，正好作为定位对象。

这样完成了定位系统的测试，效果如下：

http://v.youku.com/v_show/id_XMjY3NzQ4Mjgw.html

从效果看还算满意，唯一的不足是超声波测距的采样速率不高，和图像识别定位不能比，图像至少能达到25Hz，超声波最多10Hz。但超声波的好处是范围大，且环境光线要求不高。

如果作为小车定位可以在2个定位点之间用航位推测方式插值，这样既弥补了航位推测的累积误差，又可忽略超声波采样速率的不足。

定位测试系统的构成部件如下：
 

用无线同步还有一个附带的好处：就是可以用PC 机监听，甚至插入控制，这样大大方便调试，使用以下无线接口即可：
 

上述测试只是个示例，具体的应用还需要客户自行优化，我提供源程序作为参考。

实际上不一定是定位，还可以作为跟踪、三维鼠标等应用。

以下就是广州一个同学所做的“购物车自动跟随系统”：

http://v.youku.com/v_show/id_XMjY5NDYyMjQ0.html

——————————————
南京嵌入之梦工作室
2011年5月21日星期六