本發(fā)明屬于超聲波測距技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改進(jìn)的基于飛行時間檢測的超聲波測距方法。

背景技術(shù)：

超聲波測距是一種有源非接觸式測量技術(shù)，利用超聲波在空氣中的定向傳播測量聲波的傳播距離，被廣泛應(yīng)用于液位監(jiān)測、倒車?yán)走_(dá)、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量。目前，國內(nèi)外研究較多的超聲波測距原理主要包括相位差檢測法、多頻測距法和飛行時間檢測法。在這三種典型測量原理中，由于具有硬件要求簡單、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，飛行時間檢測法的應(yīng)用最為廣泛，飛行時間檢測法主要依據(jù)于公式l＝c*t，其中c是超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t是超聲波發(fā)射到接收端所需的飛行時間。

在基于飛行時間檢測的超聲測距法中，超聲波接收信號的處理是整個測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其目的是確定超聲波發(fā)射時刻與接收起點(diǎn)時刻之間的飛行時間t，以便進(jìn)一步計算待測距離l。一般當(dāng)發(fā)射端發(fā)射非連續(xù)的激勵脈沖后，接收端超聲傳感器的慣性延遲使得起振需要上升時間，而且起振階段幅值較小，導(dǎo)致接收波的波形近似于一種慢起伏的正弦調(diào)制信號。上述接收波特性使得其對應(yīng)包絡(luò)的起點(diǎn)時刻難以進(jìn)行檢測，由于包絡(luò)起點(diǎn)時刻與到達(dá)峰值時刻的關(guān)系比較穩(wěn)定，因此可以通過檢測包絡(luò)到達(dá)峰值的時刻來確定接收波起點(diǎn)時刻。

與傳統(tǒng)的超聲波測距系統(tǒng)采用模擬電路接收作為接收波檢測電路相比，對接收波信號進(jìn)行數(shù)字化分析處理能夠獲得更高的峰值檢測精度。目前，互相關(guān)函數(shù)法是脈沖法超聲測距中最常用的接收波數(shù)字信號處理方法，但窄帶接收波信號的振蕩特性導(dǎo)致它們的相關(guān)函數(shù)在峰值位置近似于作等幅振蕩，其峰值的不唯一性為精確搜索帶來困難，從而在高精度測量系統(tǒng)的應(yīng)用中具有局限性。此外，超聲波在傳播介質(zhì)中的速度c通常會受到溫度、濕度、介質(zhì)密度、風(fēng)向、壓強(qiáng)等多種環(huán)境因素的影響。由于溫度是主要的影響因素，現(xiàn)有基于飛行時間檢測法的測距系統(tǒng)增加了溫度修正模塊，但沒有考慮其他環(huán)境因素對測距結(jié)果的影響。

[文獻(xiàn)1]“超聲波測距精度的探討”，湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，第29卷第3期(2002)。

[文獻(xiàn)2]“基于二次曲線擬合的超聲測距算法研究與實現(xiàn)”，測控技術(shù)，第33卷第5期(2014)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的基于飛行時間檢測的超聲波測距方法，通過搜索唯一性更優(yōu)的接收波包絡(luò)幅值的二分之一處來實現(xiàn)飛行時間t的精確檢測，且通過一種“修正”的方式來考慮測量環(huán)境及誤差因素的影響，從而使得測距結(jié)果更接近于其真實值。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種改進(jìn)的基于飛行時間檢測的超聲波測距方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：考慮超聲波飛行速度會受到環(huán)境因素影響及其檢測信號不可避免存在的誤差干擾，將待測距離的計算公式定義為其中，表示在該環(huán)境下的實際波速，δ為誤差修正項；

步驟2：在超聲測距系統(tǒng)的可測范圍內(nèi)任選一組距離值，以標(biāo)定的方法獲得超聲波在該測量環(huán)境下的實際速度和測距系統(tǒng)的誤差修正值δ；

步驟3：對于任一待測距離l'，通過對其獲得的超聲波接收信號進(jìn)行包絡(luò)求解可進(jìn)一步得到超聲波在介質(zhì)中的飛行時間t，將獲得的t值代入距離公式即可準(zhǔn)確地計算得出當(dāng)前的距離值l'。

作為優(yōu)選，步驟2的具體實現(xiàn)包括以下子步驟：

步驟2.1：在超聲測距系統(tǒng)的可測范圍內(nèi)任意選擇一組不同距離值L＝{l₁,l₂,…,l_N}，對每個距離進(jìn)行標(biāo)定后由發(fā)射端的激勵超聲發(fā)射器產(chǎn)生超聲信號，分別在各標(biāo)定距離處獲得相應(yīng)的超聲波接收信號，并以Δt為采樣時間間隔同步A/D采樣激勵脈沖與超聲接收信號；

步驟2.2：分別對獲得的每個接收波信號進(jìn)行包絡(luò)求解，得到其對應(yīng)的包絡(luò)振幅最大值M。將超聲發(fā)射器激勵脈沖的發(fā)生與結(jié)束之間的中間時刻記為t'，超聲接收波包絡(luò)首次到達(dá)M/2的時刻記為t”，則有t'＝i·Δt和t”＝j(luò)·Δt，其中i和j分別代表t'和t”時刻對應(yīng)的采樣點(diǎn)序列。將超聲波在介質(zhì)中的飛行時間表示為t＝t”-t'，從而可得到與各標(biāo)定距離相對應(yīng)的一組飛行時間T＝{t₁,t₂,…,t_N}；

步驟2.3：以標(biāo)定的距離組L及其對應(yīng)的飛行時間組T為樣本數(shù)據(jù)，利用最小二乘法對二者進(jìn)行線性擬合，即可得出該測量系統(tǒng)中的環(huán)境下超聲波的實際速度和測距系統(tǒng)的誤差修正值δ；

作為優(yōu)選，步驟3的具體實現(xiàn)過程是：對于任一的待測距離l'，利用步驟2中的方法對其獲得的超聲波接收信號進(jìn)行包絡(luò)求解，進(jìn)而得到超聲波在介質(zhì)中的飛行時間t，將獲得的t值代入距離公式即可計算得出當(dāng)前的待測距離值l'。

在現(xiàn)有飛行時間檢測法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的超聲波測距方法。首先，在本發(fā)明中飛行時間t是通過搜索超聲波接收信號包絡(luò)幅值的二分之一處對應(yīng)的時刻進(jìn)行檢測的，而該位置所具有的唯一性克服了由于包絡(luò)峰值位置的等幅振蕩所帶來的搜索精度局限性；其次，本發(fā)明綜合考慮了環(huán)境因素對超聲波速度的影響以及接收波信號誤差造成的距離測量誤差，通過在該測距系統(tǒng)下標(biāo)定多個距離，利用直線擬合法得到超聲波的實際速度和接收波信號誤差導(dǎo)致的距離偏差。其中，標(biāo)定距離的數(shù)目越多，其擬合結(jié)果越接近真實值，通過對飛行時間的精確搜索、實際波速的獲取以及距離偏差的修正，使得待測距離的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

附圖說明

圖1本發(fā)明實施例中的超聲波測距系統(tǒng)示意圖。

圖2本發(fā)明實施例中的接收超聲波及其包絡(luò)解曲線和飛行時間t的表達(dá)示意圖。

圖3本發(fā)明實施例中的標(biāo)定距離組與對應(yīng)飛行時間組的最小二乘直線擬合結(jié)果。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及示例性實施例，對本發(fā)明的快速解包絡(luò)算法進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的示例性實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的適用范圍。

本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的基于飛行時間檢測的超聲波測距方法，包括以下步驟：

步驟1：考慮超聲波飛行速度會受到環(huán)境因素影響及其檢測信號不可避免存在的誤差干擾，將待測距離的計算公式定義為其中，表示在該環(huán)境下的實際波速，δ為誤差修正項；

本實例中的超聲測距系統(tǒng)如圖1所示，超聲波發(fā)射器和接收器以分體對射式安裝在直線導(dǎo)軌上，發(fā)射器底端固定在直線導(dǎo)軌底端，接收器可在0～300mm的范圍內(nèi)移動，測距系統(tǒng)的傳播介質(zhì)為空氣。

步驟2：在超聲測距系統(tǒng)的可測范圍內(nèi)選一組距離值，以標(biāo)定的方法獲得超聲波在該測量環(huán)境下的實際速度和測距系統(tǒng)的誤差修正值δ；

步驟2.1：本實施例以30mm為間隔在其可測范圍內(nèi)選取距離組L＝{0,30,60,…,270,300}mm，分別對這11個距離進(jìn)行標(biāo)定后在發(fā)射端通過STM32單片機(jī)連續(xù)發(fā)射12個頻率為40kHz的脈沖激勵，發(fā)射器受到激勵后產(chǎn)生超聲波信號，經(jīng)空氣介質(zhì)傳播后被在同直線方向標(biāo)定距離處的接收器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)放大電路后被STM32單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D采集，與此同時STM32內(nèi)部A/D同步采集激勵脈沖信號；

步驟2.2：A/D同步采集完激勵信號和超聲波接收信號后，分別對每個標(biāo)定距離條件下獲得的接收波信號進(jìn)行包絡(luò)求解，得到其對應(yīng)的包絡(luò)振幅最大值M。在超聲波測距過程中，接收波信號的包絡(luò)求解方法主要包括二次曲線擬合解包絡(luò)法、檢波電路解包絡(luò)法、移動正弦擬合解包絡(luò)法等，在本實例中選用的是基于移動正弦擬合的包絡(luò)求解方法，但本發(fā)明并不局限于此方法；圖2所示為在標(biāo)定距離為180mm處得到的接收波信號及其對應(yīng)的包絡(luò)解曲線。

將每個標(biāo)定距離條件下激勵脈沖的發(fā)生與結(jié)束之間的中間時刻記為t'，如圖2所示，超聲接受波包絡(luò)首次到達(dá)M/2的時刻記為t”，則有t'＝i·Δt和t”＝j(luò)·Δt，其中i和j分別代表t'和t”時刻對應(yīng)的采樣點(diǎn)序列。將超聲波在介質(zhì)中的飛行時間表示為t＝t”-t'，從而可得到與各標(biāo)定距離相對應(yīng)的一組飛行時間T＝{t₁,t₂,…,t_N}；

在本實例中，STM32單片機(jī)以Δt＝1.17μs為采樣時間間隔對激勵脈沖和超聲接收信號進(jìn)行同步A/D采樣。由于測距系統(tǒng)的發(fā)射端固定，則每個標(biāo)定距離對應(yīng)的t'時刻相同，且其對應(yīng)的采樣點(diǎn)序列為i＝558，則可得t'＝i·Δt＝558×1.17＝652.86μs。在各標(biāo)定距離處的超聲接受波包絡(luò)首次到達(dá)M/2所對應(yīng)的采樣點(diǎn)序列分別為J＝{632,697,771,857,920,1000,1082,1153,1231,1291,1369}，由獲得的采樣點(diǎn)序列j即可進(jìn)一步得出每個標(biāo)定距離對應(yīng)的時刻t”＝j(luò)·Δt。根據(jù)計算得到的t'和t”即可得到與各標(biāo)定距離相對應(yīng)的一組飛行時間T＝{85.58,162.63,249.21,349.83,423.54,517.14,613.08,696.15,787.41,857.61,948.87}μs；

步驟2.3：以標(biāo)定的距離組L及其對應(yīng)的飛行時間組T為樣本數(shù)據(jù)，利用最小二乘法對二者進(jìn)行線性擬合，即得出本實例的測距系統(tǒng)中超聲波的實際速度＝0.344mm/μs和距離誤差修正值δ＝-27.796mm，兩組數(shù)據(jù)的直線擬合結(jié)果如圖3所示，線性擬合程度較高；

步驟3：對于待測距離l'，利用步驟2中的方法對其獲得的超聲波接收信號進(jìn)行包絡(luò)求解，得到超聲波在介質(zhì)中的飛行時間t，將獲得的t值代入距離公式計算得出當(dāng)前的待測距離值l'。

在本實例中將超聲接收器任意置于一處后，利用上述步驟1和2中的方法，獲得其對應(yīng)的超聲波接收信號并進(jìn)行包絡(luò)求解，并進(jìn)一步得出超聲波在介質(zhì)中的飛行時間t＝757.22μs。再根據(jù)由標(biāo)定距離法獲得的實際波速和誤差修正值，代入距離公式即可計算得到當(dāng)前的待測距離l'＝0.344mm/μs×757.22μs-27.796mm＝232.688mm。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。