网络节点超声波测距与定位技术研究

　　1引言

　　科学技术的发展和应用使战场上每件武器都发展成为网络弹药的一个单元,这样大量布置在战场上的武器可以脱离人的控制之下自己组成一个可以协同作战的武器网络,使每一件武器都发挥最大的作用。战场封锁网络弹药可以使战场上分布的各个弹药作为一个节点组成一张覆盖整个战区的网络,使得所封锁战区的所有节点可以实现信息共享、任务自动分配、自动作战等先进的作战方式。在弹药网络中,每个节点之间的协同与通讯成为研究的关键之一,作者针对子弹药的定位系统和与其配合工作的通信系统展开研究,采用超声波测距定位手段使个节点确定出自身在相对坐标系中的坐标。

　　2网络节点自定位原理和系统方案设计

　　常用的超声波频率为几十KHz~几十MHz,超声波的频率越高,在空气中的衰减越快,而频率过低则波长越长容易受到干扰并且测距精度较低,综合分析在本研究中应用40KHz的超声波,在20摄氏度的气温下,超声波在空气中的传输速度为343.37m/s。

　　2.1超声波测距模型

　　超声波存在一定的方向性,见图1。

　　当只采用一个超声波换能器的时候是无法实现全方位覆盖的,并且偏离其90度中心轴30度之后,发射的强度将明显衰减很多,使得此方向上的信号比较衰弱,同时由于各子弹药随机布置,如接收子弹药节点恰在超声波发射信号较弱的区域则无法保证超声波测量的有效性。为了覆盖子弹药节点周围360度的空间区域,在本研究中,采用6个超声波换能器排列成一圈,这样就可以解决360度发射和接收的问题了。发射电路和接收电路所用的换能器分布见图2。

　　2.2自定位理论和算法

　　通过上文所述的工作流程逐个测量发射节点上六个发射换能器到接收节点上六个换能器之间的间距,并且通过比较间距的大小得出两个子弹药节点上距离对方比较近的三个换能器,取出这六个距离之后见图3所示。

　　其中,M节点上1,2,6号换能器到N节点上1、2、6号换能器的距离值d26,d21,d22,d16,d11,d12,d66,d61,d62由检测得出,而M节点的圆心到N节点圆心间的间距dMN为研究中所需要得知的两节点之间的间距。d2N为M节点上2号换能器到N节点的圆心之间的距离值。

　　由图3可得如下(1)~(5)关系式:

　　3超声波测距定位系统设计

　　3.1超声波收发电路设计

　　(1)超声波发射电路在测距过程中由电路实现超声波的发射和接收,在本文中,超声波的发射通过CPLD生成40KHz的方波并经过功率放大电路放大后驱动发射换能器工作。

　　(2)超声波接收电路收到接收超声波的命令后,接收节点开始接收超声波信号。在接收端的接收换能器上接收到的除了40KHz的超声波信号外,还会收到周围的干扰噪声,超声波接收电路从换能器上接收到的信号中检测出超声波信号。超声波接收电路包括超声波接收换能器、滤波放大电路、检波电路、计时电路四部分组成。