具備水下超聲波測距的太陽能船舶模型設計

趙志宇，賀學劍

（河南林業職業學院信藝系，河南 洛陽 471002）

隨著水下機器人和無線網絡技術的發展，人們越來越關注密集的移動水上傳感器網絡的開發和部署[1-2]。超聲波由于具有快速、方便和易于實時控制的優點，通常被用于測量距離，滿足工業和實際測量精度的要求。超聲波測距不受光、電磁場、煙霧、黑暗、被測物體顏色等因素的影響，更容易獲取近距離超聲波的測距信息，被廣泛應用于反向防撞系統、機器人導航、海洋勘測等[3]。

由于超聲波具有波長短、強度大、能量容易聚焦的特點，同時超聲波還可以大致以一條線延伸，在液體中能量衰減小于電磁波，會引起強烈的振動和特殊效果，因此采用高頻和低功率超聲波進行水下測距，具有較好的抗干擾能力。

近年來，太陽能這種可持續的清潔能源作為主要能量系統已經被用于旅游觀光船、短途渡輪等小型船舶上，同時也可作為船舶照明、駕駛和空調系統等的輔助能源。隨著可再生能源市場的快速發展，太陽能跟蹤系統已成為重點發展方向之一，提高太陽能收集的效率及跟蹤硬件的可用性將成為未來技術發展的新趨勢。

1 超聲波測距原理

具有良好的自相關特性的序列（如最大長度序列） 可以用于超聲波在水下測距中，通過計算發射和接收信號之間的交叉耦合來測量發射機和接收機之間的聲信號的傳輸時間。

超聲波測距的基本工作原理：超聲波換能器向一個方向發射超聲波，并在發射時開始計時。超聲波一旦遇到障礙物就立刻返回，超聲波換能器接收到反射波立即停止計時。通過這種方式，獲得傳輸時間t（s）。以超聲速度為c（m/s），可以根據傳輸時間t 得出公式：L=c×t×2－1。因為超聲波的速度是恒定的，所以如何獲得準確的時間非常重要。

2 系統硬件設計

2.1 船舶模型系統框圖

船舶模型系統（見圖1） 主要包括供電模塊、船模電源模塊、太陽跟蹤模塊和自動避障模塊四個模塊。首先，供電模塊使用鋰電池為系統提供能量，通過太陽能電池板收集太陽能為系統充電，太陽能經過能量轉換裝置變為電能。其次，船模電源模塊采用數字直流伺服系統驅動螺旋槳，實現無級調速和零制動功能。最后，在具有反饋的超聲波換能器的幫助下實現自動避障。

圖1 船舶模型系統框圖

2.2 超聲波測距相關電路設計

超聲波測距核心電路由發射電路、放大電路、濾波電路、信號調理電路和顯示電路組成。其中發射電路有兩種，一種是連續波發射電路，另一種是脈波發射電路。由于考慮到系統的超聲波換能器同時具有收發功能，因此采用第二種發射電路。放大電路分為兩級放大器，總放大倍數為1 000（60 dB）倍，第一級為10 倍，第二級為100 倍，通過使用檢測和閾值調整電路將信號有效放大并傳送到微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)。

濾波電路的主要作用是通過特定頻率信號并抑制其他頻率信號。來自信號調理電路的信號將最終發送到MCU，因此必須是邏輯信號。將濾波后的電壓信號發送到電壓比較器，與閾值電壓進行比較，以確定回波到達與否，然后進行信號采樣。閾值電壓與傳播距離、放大倍率相關聯。經過大量試驗，系統的選定閾值電壓Vg=2.2 V。首先將接收到的濾波信號與閾值電壓進行比較，如果峰值電壓大于Vg，則接收到回波。然后啟動MCU 的外部中斷程序（INTI），停止計時并計算發射到接收的時間，也是超聲波的傳輸時間，最后使用4-LED 數字管顯示測量距離。

2.3 太陽自動跟蹤設備設計

設計的光電控制采用程序跟蹤和傳感器跟蹤相結合的控制方式，由程序實現自動控制。基于光學傳感器的太陽能電池板，通過MCU 控制步進電機實現其自動定位和糾錯。

該裝置（見圖2） 由緊固件（如星形支架支撐太陽能電池板和底座）、步進電機1、步進電機2 和驅動結構組成。星形支架結構簡單，穩定性好，特別是輕型裝置，減少了太陽能電池板調整過程的能量損耗。控制系統的自動跟蹤操作主要由步進電機1 和2 組成。步進電機1 和驅動結構控制主要用于調整跟蹤太陽能電池板的偏轉方位角，步進電機2和驅動結構控制用于調整太陽能電池板的高度角。系統通過及時調整太陽能電池板的偏轉方位角和高度角，實現高效的光電轉換。該系統采用硅光電池傳感器檢測亞太陽點，采用這種方式，系統可以自動跟蹤太陽光線。

圖2 太陽自動跟蹤的結構

測量光強度水平是開發太陽能潛力預測數據庫的重要因素之一。隨著光強的變化，硅光電管的輸出電壓在一定范圍內變化，但其輸出電壓值不容易被檢測到，可以將光輸出量轉換為電壓，經放大、低通濾波、AD 轉換，得到數字信號來替代輸出電壓。硅光電池以90 度的間隔放置在圓筒的內壁上。如果太陽能電池板和光線不是垂直的，硅光電池產生的相對電壓信號強度會有明顯的差異。

3 系統軟件設計

測量程序流程見圖3。在測量開始時，首先計數器清零并發出超聲波，同時啟動MCU 內部的定時器（T0），用于記錄超聲波的收發時間。當超聲波換能器接收到反射波時，會在接收電路的輸出端產生負跳變，并在溢出中斷（INTO） 上產生一個中斷請求信號。然后MCU 響應外部中斷請求并執行外部終端服務子程序，停止計數和發射，讀取時差。最后使用公式計算距離并在數字管上顯示結果。

圖3 測量程序流程圖

4 測量數據和結果分析

超聲波換能器的類型是DYW-IM，其中心頻率為200 kHz，距離測量的實驗結果見表1。從表1可以看出，在150 cm 的測量范圍內，結果準確度都在3 cm 以內。如果測量范圍太大，應采用低頻超聲波換能器，其測量范圍大于高頻超聲波換能器。聲波隨距離的增加而逐漸衰減，絕對誤差越大衰減越明顯。

表1 距離測量實驗結果單位：cm

其他可以提高測量準確性的方法。

1） 改進算術是一種有效的方法。例如，連續離散小波變換和完美濾波技術都可以實現更高的精度。小波分析（WT），一種新的分析方法，在時域和頻域都具有良好的局部性質。其主要特點是可以通過轉型充分突出問題的一些方面。WT 繼承和發展了傅立葉變換的思想，同時克服了窗口大小與頻率不一致的缺點。它可以提供頻率變化的“時頻”窗口，這是信號時頻分析和處理的理想工具。

2） 濾波是抑制和防止干擾的重要措施，可以濾除信號中的特定頻帶。卡爾曼濾波是最廣泛使用的濾波方法，是一種使用線性系統狀態方程的算法，通過輸入和輸出數據對系統進行最佳估計，在通信，導航，指導，控制等諸多領域得到了很好的應用[4]。

3） 修補硬件也是提高測量精度的好方法。例如，超聲波傳輸速度受水溫影響，可以通過系統對水溫進行補償。

5 結束語

該設計將水下超聲波測距技術和船舶模型平臺相結合，系統采用太陽能供電，使得系統能夠持續穩定運行。該系統可以在無人的情況下對小面積的水深進行測量。特別是探索一些未知和危險水域時，這個系統是非常實用的。