超声波发射装置方向角测量系统设计

船舶在航行过程中一般都需要检测和判断超声波发射装置的方向角。传统的超声波发射装置方向角测量的方法是通过直接检测相位差的大小来确定方向角，误差太大。本文设计了一种检测方法，设计相应的滤波电路把相位差转换为对应的模拟直流电压，从而准确地判定方向角。实验结果显示，该测量方案提出的用两个接收器提取信号相位差、再利用电路处理系统转换为微处理器可以检测和显示的方向角的方法大大提高了测量精度。可用于小型船舶对超声波源的自动跟踪，用于实现智能航行。

【关键词】超声波 方向角 自动跟踪 智能航行

船舶在航行过程中一般都需要检测周围的船只的位置，防止发生碰撞或实现自动跟踪功能。

如果采用电磁波作为介质去测量远处体积很小的目标物体的位置，电路处理中高频信号和超高频信号的相位很难控制、中低频信号的测量精度太低，而且海水对电磁波的干扰也比较大。由于超声波的波长较短，目前各大厂家生产的超声波传感头的体积越来越小，而且防水性能都比较好，如果采用超声波鉴相技术去测量目标物体方向角，则可以满足实际应用的跟踪效果。

本文基于超声波鉴相技术，对超声波发射装置方向角测量控制系统进行了设计与分析。

1 超声波方向角测量原理

2 超声波源方向角测量电路

超声波源方向角的测量电路一般有以下两种方案。

（1）首先使用运算放大电路把超声波接收头接收到的正弦波信号分别放大后，再利用电压比较器把之转换为微控制器可以识别的TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）电平的方波。通过检测两路输出的方波的相位差来计算出方向角。这种测量思路适用于中断响应速度比较快的微控制器，方位角测量的精度稍低。

（2）为了让更多的微控制器能够满足方向角测量需要。可以通过判断方向角测量电路的两路方波相位的超前或者滞后，再结合异或门电路和滤波电路，把一定相位差转换为与之对应的模拟直流电压，从而实现更加精确地测量方向角。

本文采用第二种方案，超声波源方向角测量电路如图1所示。

方向角的偏左和偏右是通过检测相位的超前或滞后来进行判断，即检测两路输出方波触发的外部中断响应的先后。最小测量角度值的准确性取决于所选用单片机或者嵌入式ARM等的中断响应时间。此外，为了让超声波源方向角测量系统准确、稳定地工作，两个超声波接收头的距离应尽量小，本文测的两个超声波接收头的中心间距为10mm。

两路比较器LM393分别输出占空比约为50%的方波，这两路输出用来判断方向角的大致方向为偏左或偏右。电路设计的关键部分就在于把两路有一定相位差的方波通过异或门进行异或作用，再选取适当的滤波电路进行滤波，就可以把相位差的大小转换为输出的直流电压U0的大小。通过检测直流电压U0的大小和两路输出方波的相位超前或滞后，就可以得到超声波源具体的方向角。其中，滤波电路采用RC串联滤波 。

3 方向角显示原理

方向角显示原理的系统框图如图2所示。图1中，超声波源方向角测量电路的输出电压Uo1、Uo2分别与图2中STM32的1#外部中断和2#外部中断相连。与方向角对应的模拟直流电压Uo3经过模数转换成数字信号后，交给stm32处理。最后，显示模块把方向角显示在屏幕上。

4 实验结果及分析

基于以上，完成了超声波发射装置方向角测量系统实验平台的搭建，如图3所示，其中左边的是超声波收发装置，中间的是ARM控制板，右边的是显示装置。

通过示波器可以观察到排阵P1的引脚Pin1和Pin3输出的两路方波电压Uo1、Uo2比较规则。此外，两路输出方波Uo1、Uo2的相位差也比较明显。如图4、图5所示，当超声波发射源的位置偏左或偏右时，其中一路方波相比较另一路相位超前，或者一路方波相比较另一路相位滞后。

方向角的理论测量范围为偏左23°至偏右23°，通过实验实际可测得的方向角的范围约为偏左22.5°至偏右22.5°，达到了测量要求。

5 结语

本文对超声波发射装置方向角测量控制系统进行了设计，搭建了实验平台，完成了对40KHz超声波发射源的方向角一定范围内的准确测量。此方案可以用来对超声波源进行自动跟踪，可以用于实现船舶的智能航行。

参考文献

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作者简介

张玉锦（1989-），男。现为江苏赛联信息产业研究院工程师。研究方向为电力电子专业。

作者单位

江苏赛联信息产业研究院 江苏省南京市 210012