CN102023298B - 设定超音波检测周期的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

设定超音波检测周期的方法及其装置。该方法包含先设定一初始检测周期T，接着发射一第一感测波，并计算一第一飞行时间(time-of-flight，TOF)。根据初始检测周期，发射一第二感测波并计算一第二飞行时间。接着，比较第二飞行时间与第一飞行时间，如果该飞行时间的差值小于一预设值，则设定初始检测周期T为超音波检测周期。

Description

设定超音波检测周期的方法及其装置
技术领域
本发明涉及超音波感测方法及其装置，且特别涉及设定超音波检测周期的方法及其装置。
背景技术
超音波感测装置可用于许多方面，例如是距离的量测，或是用于检测是否有物体进入其感测范围，并根据此检测结果来进行相关的控制。
一般而言，当超音波感测装置启动时，超音波感测装置会发出一感测波来检测其感测范围内是否有物体存在。当物体存在于其感测范围内时，感测波被该物体反射成为一回声信号，并且被超音波感测装置接收。超音波感测装置依据接收到此回声信号的时间，来计算所谓的飞行时间(Time-of-flight，TOF)，即发出感测波与接收到此回声信号之间的时间差。超音波感测装置可根据飞行时间来估算出超音波感测装置与物体间的距离，或是利用飞行时间的变化来进行相对应的控制。
请参照图1A，其绘示为已知超音波感测装置的示意图。如图所示，超音波感测装置10架设于一物体21上，例如是天花板或汽车等物体上，而超音波感测装置10的感测范围内具有一参考物体22，例如是地板，桌面或墙壁等。当此超音波感测装置10用来检测是否有外来物体进入超音波感测装置10及参考物体22之间范围以进行相关的控制动作时，其会先对参考物体22进行检测。
一般而言，当超音波感测装置10启动时，会先检测参考物体22的回声信号，且计算其飞行时间(TOF)并记录下来作为一参考飞行时间。之后，如果超音波感测装置10接收到的回声信号的飞行时间与上述的参考飞行时间相等时，便判定此回声信号为参考物体22所反射，而不进行任何动作。当有外来物体进入超音波感测装置10与参考物体22之间时，超音波感测装置10发出的感测波11被外来物体反射，因此超音波感测装置10接收到的回声信号所计算出的飞行时间与参考飞行时间不相等，此时，超音波感测装置10便可判定有外来物体进入，并可进行后续的相关动作。
再者，在一般的超音波感测装置中，为了避免接收到错误的噪声而造成装置的误判，其设定一边界值。当接收到的回声信号的强度大于设定的边界值时，超音波感测装置才会记录收到此回声信号的时间，并依此时间来计算飞行时间。
此外，在检测参考物体并记录其参考飞行时间后，超音波感测装置会进入一检测状态。在此检测状态的过程中，超音波感测装置以一预设的检测周期持续发出感测波，并接收其相对应的有效回声信号，计算及比较其飞行时间，来判断是否有外来物体进入。然而，此判断结果很可能会因为感测波的多重反射效应而产生错误。
请参见图1B，其绘示为感测波产生多重反射效应的示意图。当超音波感测装置10发出感测波11后，由参考物体22反射的主回声信号12于时间t0时传回至超音波感测装置10。而当此主回声信号12传回至超音波感测装置10时，其亦同时撞击至物体21，并产生一反射波再度往下撞击至参考物体22，接着会再次地被反射传回至超音波感测装置10，使超音波感测装置10于时间t1时接收到一第一反射回声信号13。同理地，此第一反射回声信号13亦会再次撞击物体21并往下撞击参考物体22，使得超音波感测装置10于时间t2时接收到一第二反射回声信号14，同样地，并于时间t3时接收到一第三反射回声信号15，且于时间t4时接收到一第四反射回声信号16。
由于反射的回声信号的强度会逐渐减弱，因此，如图所示，第三反射回声信号15及第四反射回声信号16会因其强度已低于感测装置所设的边界值而被忽略，但超音波感测装置10接收到的第一反射回声信号13及第二反射回声信号14仍被视为有效的回声信号。如此，当此些多重反射回声信号的强度大于感测装置预设的边界值且被视为有效的回声信号时，很容易造成超音波感测装置对于是否有外来物体的误判。
请参照图2，其绘示为超音波感测装置发生误判的示意图。超音波感测装置在检测外来物体的过程中，其以检测周期T持续发出感测波。如图所示，超音波感测装置在发出第一感测波111后，会于检测周期T时间过后，发出一第二感测波121。当第一感测波111撞击到参考物体22时，产生第一主回声信号112。接着，由于多重反射效应的作用，第一主回声信号产生第一反射回声信号113、第二反射回声信号114、第三反射回声信号115和第四反射回声信号116。其中，第三反射回声信号115及第四反射回声信号116会因其强度已低于感测装置所设的边界值而被忽略，但超音波感测装置10接收到的第一反射回声信号113及第二反射回声信号114仍被视为有效的回声信号。同样地，第二感测波121会因参考物体22的反射而产生一第二主回声信号122，以及因多重反射效应而产生的反射回声信号123、124。
由于超音波感测装置是以第一个接收到的有效回声信号作为计算飞行时间的依据，因此，如图所示，第一感测波111的第一个有效回声信号为第一主回声信号112。而第二感测波121的第一个有效回声信号则被认为是第二反射回声信号114。然而，第二感测波121正确的回声信号应为第二主回声信号122，而非第二反射回声信号114。因此，在计算第二感测波121的飞行时间时，会计算出比正确的飞行时间较短的飞行时间，让超音波感测装置误判有外来物体进入。
发明内容
发明目的
有鉴于此，本发明的目的系提供一种设定超音波检测周期的方法及其装置，可避免多重反射效应造成的误判状况。
本发明提出一种设定超音波检测周期的方法，其步骤包含：设定一初始检测周期T；发射一第一感测波；计算一第一飞行时间；根据该初始检测周期，发射一第二感测波；计算一第二飞行时间；以及比较该第二飞行时间与该第一飞行时间，如果该第二飞行时间与该第一飞行时间的差值小于一预设值，则设定该初始检测周期T为该超音波检测周期；如果大于该预设值，则进行该初始检测周期T的调整，其步骤包含：设定一时间增量ΔT；设定一可变整数n，其中n＝0；若该飞行时间的差值大于该预设值，则设定该可变整数n为n+1；设定该初始检测周期T为T+n·ΔT；根据该初始检测周期T+n·ΔT发射一第三感测波；计算一第三飞行时间；比较该第三飞行时间与该第一飞行时间，如果该第三飞行时间与该第一飞行时间的差值小于该预设值，则设定该初始检测周期T+n·ΔT为该超音波检测周期；若大于该预设值，则返回上述设定该可变整数n为n+1的步骤。
再者，本发明还提出一种设定超音波检测周期的方法，其步骤包含：设定一初始检测周期T；发射一第一感测波；计算一第一飞行时间；根据该初始检测周期，发射一第二感测波；计算一第二飞行时间；以及比较该第二飞行时间与该第一飞行时间，如果该第二飞行时间与该第一飞行时间的差值小于一预设值，则设定该初始检测周期T为该超音波检测周期；如果大于该预设值，则设定该超音波检测周期为该初始检测周期T加上该第二飞行时间。
再者，本发明更提出一种具有设定检测周期的超音波感测装置，包含：一微处理器，用以设定一初始检测周期T，并根据该初始检测周期T产生一第一发射信号和一第二发射信号；以及一超音波转换器，依据该第一发射信号和该第二发射信号发射一第一感测波和一第二感测波；其中，该微处理器又用以计算对应于该第一发射信号的一第一飞行时间及对应于该第二发射信号的一第二飞行时间，并比较该第二飞行时间与该第一飞行时间，如果该第二飞行时间与该第一飞行时间的差值小于一预设值，则设定该初始检测周期T为超音波检测周期；如果大于该预设值，则进行该初始检测周期T的调整，其中，该微处理器设定一时间增量ΔT及一可变整数n，其中n＝0，若该飞行时间的差值大于该预设值，则该微处理器设定该可变整数n为n+1，并设定该初始检测周期T为T+n·ΔT；该微处理器根据该初始检测周期T+n·ΔT发射一第三发射信号；该微处理器计算对应于该第三发射信号的一第三飞行时间，并比较该第三飞行时间与该第一飞行时间，如果该第三飞行时间与该第一飞行时间的差值小于该预设值，则设定该初始检测周期为该超音波检测周期；若大于该预设值，则返回上述设定该可变整数n为n+1的步骤。
再者，本发明还提出一种具有设定检测周期的超音波感测装置，包含：一微处理器，用以设定一初始检测周期T，并根据该初始检测周期T产生一第一发射信号和一第二发射信号；以及一超音波转换器，依据该第一发射信号和该第二发射信号发射一第一感测波和一第二感测波；其中，该微处理器又用以计算对应于该第一发射信号的一第一飞行时间及对应于该第二发射信号的一第二飞行时间，并比较该第二飞行时间与该第一飞行时间，如果该第二飞行时间与该第一飞行时间的差值小于一预设值，则设定该初始检测周期T为超音波检测周期；如果大于该预设值，则该微处理器设定该超音波检测周期为该初始检测周期T加上该第二飞行时间。
为了使本领域技术人员能更进一步了解本发明特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1A所绘示为已知超音波感测装置的示意图；
图1B所绘示为感测波产生多重反射效应的示意图；
图2所绘示为超音波感测装置发生误判的示意图；
图3所绘示为本发明的超音波感测装置的示意图；
图4A所绘示为本发明第一实施例的流程方块图；
图4B所绘示为本发明第一实施例的信号图；
图5A所绘示为本发明第二实施例的流程方块图；
图5B所绘示为本发明第二实施例的信号图。
具体实施方式
请参照图3，其绘示为本发明的超音波感测装置的示意图。如图所示，其包含一微处理器40、一发射电路50、一超音波转换器60和一接收电路70。微处理器40产生一发射信号41至发射电路50，而发射电路50接收该发射信号41后，将该发射信号41转换成一驱动信号51，并传送至超音波转换器60，而超音波转换器60依据此驱动信号51发射感测波。感测波撞击到物体后产生反射并形成回声信号传回至超音波转换器60。回声信号由超音波转换器60接收后，便相对应地产生一振动信号61并传送至接收电路70。当接收电路70接收该振动信号61后，便依据该振动信号61产生一接收信号71并传送至微处理器40，使微处理器40依据此接收信号71进行感测器与物体之间的飞行时间计算。
此外，微处理器40设定一超音波感测装置发射感测波的检测周期，并且微处理器40依设定的检测周期产生发射信号41，以使超音波感测装置相对应地以上述的检测周期发射感测波。再者，微处理器40亦会预设一边界值，以判断接收信号是否为有效，以利于初步排除噪声的干扰。在本发明中，该边界值的设定与接收信号71的最大值有关，其可为接收信号71最大值的一半，或是接收信号71最大值的六成。然此边界值的设定并不限于此，也可为数个接收信号71的平均值，或是任何熟悉本技术领域的人员能够轻易想到的定义。
请参照图4A，其绘示为本发明设定超音波检测周期方法的第一实施例的流程方块图。在超音波感测装置启动(步骤S100)后，在步骤S110，微处理器40设定一初始检测周期T、一时间增量ΔT及一可变整数n，其中n＝0。在步骤S120，超音波感测装置发射第一感测波。当第一感测波碰到参考物体时便反射而产生回声信号并传回至超音波感测器。在步骤S130，超音波感测装置接收发射第一感测波后的第一个有效回声信号，并由微处理器40依据此信号计算出第一飞行时间(1stTOF)。在步骤S140，微处理器40依照步骤S110设定的初始检测周期T产生一发射信号，使超音波感测装置于初始检测周期T后，发射第二感测波。在步骤S150，超音波感测装置接收发射第二感测波后的第一个有效回声信号，并由微处理器40依据此信号计算出第二飞行时间(2nd TOF)。
在步骤S160中，微处理器40比较第二飞行时间与第一飞行时间的差值是否小于一预设值，在本实施例中，该预设值例如为一毫秒(ms)。如果飞行时间的差值小于该预设值则进入步骤S170，微处理器40设定上述的初始检测周期T为超音波检测周期。在设定好超音波检测周期后，为处理器40以此超音波检测周期持续产生发射信号，使超音波感测装置依此超音波检测周期发出感测波以检测是否有外来物体进入其检测范围。
若飞行时间的差值大于该预设值则进入步骤S180，微处理器40设定可变整数n为n+1。在步骤S181中，微处理器40重新设定初始检测周期T为T+n·ΔT。在步骤S182中，微处理器40根据上述重新设定的初始检测周期T产生一发射信号，使超音波感测装置发射第三感测波。接着，在步骤S183，超音波感测装置接收发射第三感测波后的第一个有效回声信号，并由微处理器40计算出第三飞行时间(3rdTOF)。在步骤S184，微处理器40比较第三飞行时间与第一飞行时间的差值是否小于该预设值。如果小于该预设值则进入步骤S170，微处理器40设定上述的初始检测周期T为超音波检测周期。如果第三飞行时间与第一飞行时间的差值大于该预设值，则进入步骤S180，微处理器40设定可变整数n为n+1。
请参照图4B，其所绘示为本发明设定超音波检测周期方法的第一实施例的信号图。超音波感测装置发射第一感测波111后，第一感测波111会撞击到参考物体形成反射而产生第一主回声信号112，并因多重反射作用而产生第一反射回声信号113、第二反射回声信号114、第三反射回声信号115及第四反射回声信号116。在上述的回声信号中，第一主回声信号112、第一反射回声信号113及第二反射回声信号114为有效回声信号，而第三反射回声信号115及第四反射回声信号116为无效回声信号。
在超音波感测装置接收到第一个有效回声信号，即第一回声主信号112后，微处理器40将依据接收到第一回声信号112的时间计算出第一飞行时间(1stTOF)。
接着，微处理器40会根据初始检测周期T于发射第一感测波111后，产生发射信号，使超音波感测装置发射第二感测波121。同样地，第二感测波121在撞击到参考物体后会反射而形成第二主回声信号122，并因多重反射作用而产生第一反射回声信号123及第二反射回声信号124。在上述的回声信号中，其皆为有效回声信号。
接着，超音波感测装置会接收到第一个有效回声信号，且微处理器40将依据接收到此有效回声信号的时间计算出第二飞行时间(2nd TOF)。
然而，超音波感测装置第一个接收到的有效回声信号为第一主回声信号112的第二反射回声信号114，而非第二回声信号122，因此其计算所得的第二飞行时间(2nd TOF)为发射第二感测波121后至接收到第一主回声信号112的第二反射回声信号114之间的飞行时间。因此虽然第一感测波111和第二感测波121皆是撞击到同一个参考物体而产生回声信号，但受到多重反射的影响，将使得第二飞行时间较第一飞行时间短。
在计算出第二飞行时间后，微处理器40会比较第二飞行时间与第一飞行时间的差值是否小于一预设值。如果小于该预设值，则表示超音波感测装置在此两次检测中所接收到的回声信号为各自的主回声信号，因而微处理器40会判定在依据此初始检测周期T所发出的感测波中，其第一个有效回声信号为主回声信号，而非反射回声信号。微处理器40设定此初始检测周期T为超音波检测周期，并根据此超音波检测周期发射感测波以检测是否有外来物体。
若第二飞行时间与第一飞行时间的差值大于该预设值，微处理器40将设定可变整数n为n+1，其中可变整数n的初始值为0，并重新设定初始检测周期T为T+n·ΔT，其中ΔT为一时间增量，并根据此重新设定的初始检测周期T来发射第三感测波131。同样地，微处理器40会根据发射第三感测波131后所接收到的第一个有效回声信号来计算飞行时间。
如图所示，发射第三感测波131后所接收的第一个有效回声信号为第二主回声信号122的第二反射信号124，因此微处理器40将依据接收到第二主回声信号122的第二反射信号124的时间来计算第三飞行时间。在计算出第三飞行时间后，微处理器40会比较第三飞行时间与第一飞行时间的差值是否小于该预设值。如果小于该预设值，则微处理器40设定此时的初始检测周期T为超音波检测周期，并根据此超音波检测周期发射感测波以检测是否有外来物体。
若当次计算得出的飞行时间与第一飞行时间的差值大于该预设值，微处理器40则再次设定倍数n为n+1，并重新设定初始检测周期T为T+n·ΔT，并根据此重新设定的初始检测周期T来发射下一次的感测波，直到当次计算得出的飞行时间与第一飞行时间的差值小于该预设值。此时，微处理器40设定当次的初始检测周期T为超音波检测周期，并接着根据此超音波检测周期发射感测波以检测是否有外来物体。
请参照图5A，其所绘示为本发明设定超音波检测周期方法的第二实施例的流程方块图。如同前述本发明第一实施例的流程的步骤S100至步骤S150，在超音波感测装置启动后，微处理器40设定一初始检测周期T，并根据此初始检测周期T发射第一感测波及第二感测波，并计算相对应的第一飞行时间和第二飞行时间。然而，在本实施例的步骤S110’中，微处理器40仅需设定一初始检测周期T，而不需设定一时间增量ΔT及一可变整数n。
在本实施例的步骤S260中，微处理器40会比较第一飞行时间和第二飞行时间的差值是否小于一预设值。如果小于该预设值，则进入步骤S270，微处理器40设定上述的初始检测周期T为超音波检测周期。在设定好超音波检测周期后，微处理器40以此超音波检测周期持续产生发射信号，使超音波感测装置依此超音波检测周期发出感测波以检测是否有外来物体进入其检测范围。如果大于该预设值，则进入步骤280，微处理器40设定超音波检测周期为上述的初始检测周期T加上第二飞行时间，使超音波感测装置依此超音波检测周期发出感测波以检测是否有外来物体进入其检测范围。
请参见图5B，其绘示为本发明设定超音波检测周期方法的第二实施例的信号图。如同前述本发明第一实施例的信号图，由于受到多重反射回声信号的影响，在发射第二感测波121后，以收到第一主回声信号112的第二反射回声信号114的时间来计算第二飞行时间，使得第二飞行时间与第一飞行时间不相等，并且其飞行时间的差值大于该预设值，因此微处理器40将重新设定超音波检测周期为上述的初始检测周期T加上第二飞行时间，并依据此超音波检测周期来发射感测波，例如第三感测波131，以检测是否有外来物体。
如图所示，根据上述设定的超音波检测周期，会使发射第三感测波131的时间位置刚好与接收到第二主回声信号122的第二反射信号124的时间位置重迭，因此发射第三感测波131后第一个接收到的有效回声信号为第三主回声信号132，而避开了多重反射回声信号的影响。
上述的方法可在超音波感测装置每次开机启动时执行，或是于固定时间间隔执行，其可视使用的用途和环境做调整，且本发明的方法不需增加任何额外元件，只需利用固件控制，不会增加任何成本。
因此，根据本发明提出的设定超音波检测周期的方法，可避免多重反射效应造成的误判状况。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种设定超音波检测周期的方法，其步骤包含：
设定一初始检测周期T；
发射一第一感测波；
计算一第一飞行时间；
根据该初始检测周期，发射一第二感测波；
计算一第二飞行时间；以及
比较该第二飞行时间与该第一飞行时间，如果该第二飞行时间与该第一飞行时间的差值小于一预设值，则设定该初始检测周期T为该超音波检测周期；如果大于该预设值，则进行该初始检测周期T的调整，其步骤包含：
设定一时间增量ΔT；
设定一可变整数n，其中n＝0；
若该飞行时间的差值大于该预设值，则设定该可变整数n为n+1；
设定该初始检测周期T为T+n·ΔT；
根据该初始检测周期T+n·ΔT发射一第三感测波；
计算一第三飞行时间；
比较该第三飞行时间与该第一飞行时间，如果该第三飞行时间与该第一飞行时间的差值小于该预设值，则设定该初始检测周期T+n·ΔT为该超音波检测周期；若大于该预设值，则返回上述设定该可变整数n为n+1的步骤。
2.如权利要求1所述的设定超音波检测周期的方法，其中该第一飞行时间为自该第一感测波发射后至接收到第一个有效回声信号的时间间隔，且该第二飞行时间为自该第二感测波发射后至接收到第一个有效回声信号的时间间隔。
3.如权利要求1所述的设定超音波检测周期的方法，其中该第三飞行时间为自该第三感测波发射后至接收到第一个有效回声信号的时间间隔。
4.一种设定超音波检测周期的方法，其步骤包含：
设定一初始检测周期T；
发射一第一感测波；
计算一第一飞行时间；
根据该初始检测周期，发射一第二感测波；
计算一第二飞行时间；以及
比较该第二飞行时间与该第一飞行时间，如果该第二飞行时间与该第一飞行时间的差值小于一预设值，则设定该初始检测周期T为该超音波检测周期；如果大于该预设值，则设定该超音波检测周期为该初始检测周期T加上该第二飞行时间。
5.一种具有设定检测周期的超音波感测装置，包含：
一微处理器，用以设定一初始检测周期T，并根据该初始检测周期T产生一第一发射信号和一第二发射信号；以及
一超音波转换器，依据该第一发射信号和该第二发射信号发射一第一感测波和一第二感测波；
其中，该微处理器又用以计算对应于该第一发射信号的一第一飞行时间及对应于该第二发射信号的一第二飞行时间，并比较该第二飞行时间与该第一飞行时间，如果该第二飞行时间与该第一飞行时间的差值小于一预设值，则设定该初始检测周期T为超音波检测周期；如果大于该预设值，则进行该初始检测周期T的调整，
其中，该微处理器设定一时间增量ΔT及一可变整数n，其中n＝0，若该飞行时间的差值大于该预设值，则该微处理器设定该可变整数n为n+1，并设定该初始检测周期T为T+n·ΔT；该微处理器根据该初始检测周期T+n·ΔT发射一第三发射信号；该微处理器计算对应于该第三发射信号的一第三飞行时间，并比较该第三飞行时间与该第一飞行时间，如果该第三飞行时间与该第一飞行时间的差值小于该预设值，则设定该初始检测周期为该超音波检测周期；若大于该预设值，则返回上述设定该可变整数n为n+1的步骤。
6.如权利要求5所述的具有设定检测周期的超音波感测装置，还包含：
一发射电路，依据该第一发射信号和该第二发射信号传送一第一驱动信号和一第二驱动信号至该超音波转换器，使该超音波转换器发送该第一感测波和该第二感测波；以及
一接收电路，其中，当该超音波转换器接收到一回声信号时，会传送一振动信号至该接收电路，且该接收电路依据该振动信号传送一接收信号至该微处理器。
7.一种具有设定检测周期的超音波感测装置，包含：
一微处理器，用以设定一初始检测周期T，并根据该初始检测周期T产生一第一发射信号和一第二发射信号；以及
一超音波转换器，依据该第一发射信号和该第二发射信号发射一第一感测波和一第二感测波；
其中，该微处理器又用以计算对应于该第一发射信号的一第一飞行时间及对应于该第二发射信号的一第二飞行时间，并比较该第二飞行时间与该第一飞行时间，如果该第二飞行时间与该第一飞行时间的差值小于一预设值，则设定该初始检测周期T为超音波检测周期；如果大于该预设值，则该微处理器设定该超音波检测周期为该初始检测周期T加上该第二飞行时间。
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