触手小游戏大全无敌版:超声波视觉识别系统的设计和实现

超声波视觉识别系统的设计和实现

电子信息工程专业学生   王靖

指导老师    闫改珍

摘要：

1、引言

1.1课题研究的目的和意义

人类在征服自然、改造自然和推动社会进步的过程中，面临着自身能力、能量的局限性，因而发明创造了许多机器来辅助或代替人类完成任务。智能机器，包括智能机器人，是这种机器最理想的形式，也是人类科学研究中所面临的最大挑战之一。智能机器是指这样一种系统，它能模拟人的功能，能感知外部世界并有效地解决人所能解决的问题。人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感觉器官，其中约80%的信息是由视觉获取的，也由此形成了一门新的学科——机器视觉（也称计算机视觉或图像分析与理解等）。机器视觉的发展不仅将大大推动智能系统的发展，也将拓宽计算机与各种智能机器的研究范围和应用领域。

虽然说人类听不出超声波，原因就是蝙蝠能发出2~10万赫兹的超声波，这好比是一座活动的“雷达站”。蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆虫，或是障碍物的。我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。

超声波属于声音的类别之一，属于机械波，声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz~20K Hz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于2016Hz则称为超声波。

超声波具有如下特性：

（1）超声波可气体、液体、固熔体等介质中有效传播。

（2）超声波可传递很强的能量。

（3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

（4）超声波在液体介质传播时，可在界面上产生强烈的冲击。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕身现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

测距技术目前一般采用的有超声波测距、微波雷达测距、激光测距、摄像系统测距四种。这几CCD种测距方式各有优缺点，超声波传导速度较慢，主要用于短距离探测；微波雷达测距环境适应性好，但易受电磁干扰；激光测距测量时间短、量程大、精度高，但对外界自然环境敏感；摄像机系统精度高，并CCD可进行三维图像显示，但价格较高。

2.超声波测距技术综述

2.1超声波的概述

我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20~20，000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹的声波称为“超声波”。声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s，液体中约为1200 m/s，固体中约4000 m/s。空气中超声域（20KH_Z~106 KH_Z）内的波长约为1.7em~0.3x10 －4em[1－2]。

超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰，对被测目标无损害以及声波传播速度在相当大范围内与频率无关等独特优点，越来越受到人们的重视，已广泛应用于工业定位检测、无损探伤、医疗诊断、移动机器人、汽车防碰撞和海洋捕捞作业等领域。

2.2超声波传感器简介

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用，它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰母波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别的诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之灵敏度低。

2.3.超声波传感器的分类

超声波是人耳不可听的音频范围（约20kHz以上）的声波。超声波传感器就是检测这种声波的传感器。

超声波传感器分类：超声波传感器大致可分为如下几种类型。

a．通用型：

超声波传感器频带宽一般可达数千赫，并对频率有选择性。通用型超声波传感器频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强。在多通道，且通道间频率较近的应用中最好采用窄频带型的超声波传感器。通用型超声波传感器一般分别备有接收传感器和发送传感器。因最大接收灵敏度和最大发送灵敏度的频率分别为ft 和fa。若用一个传感器必然牺牲其一。

B．宽频带型：

宽频带超声波传感器能在工作频率内有两个其振点。因而加宽了频带。该传感器兼作发送和接收传感器。

C．封闭型：

    适用于室外环境的封闭型超声波传感器有较好的耐风雨能力，可用于汽车后面的检测等装置上。

d.高频型：

    这种超声波传感器的中心频率高达200kHz，既可作接收也可作发送用，而且方向性相当强，可进行高分辨率的测量。由于超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时有相当的衰减，衰减程度与频率高低成正比；而频率高则分辨率也高，故在短距离（小于1m）测量时应选择频率高（100kHz以上）的传感器，而长距离测量时要选择低频率的传感器。超声波测距传感器采用TCT16—40T/R普通型，T发射型，R为接收型。它的标准频率为40kHz，分辨率为1cm，即在串联共振频率f  T（40khz）上发射灵敏度最高。

检测超声波过去一直使用类似于话筒的电动式转换器，类似于电容式传声器电容式转换器，或使用磁致伸缩振子。现在检测超声波常使用的是各种类型的压电陶瓷振子。

基于以上各超声波传感器的优点，本系统采用超声波传感器是高频型的，也就是压电陶瓷的超声波传感器。

2.4超声波传感器的结构、 工作原理