CN103969648A - 抗噪声超声波测距设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抗噪声超声波测距设备及方法，旨在解决当前超声波测距方法及设备受噪声影响较大测量精度低的技术问题，该设备包括对应连接的波形发生装置、发射换能装置、接收换能装置、信号处理装置、显示装置；该抗噪声超声波测距方法运用Duffing振子及Runge-Kutta算法并与接收信号的运算可以实现对障碍物精确测距；本发明具有设备结构简单、测距精度高的优点。

Description

抗噪声超声波测距设备及方法
技术领域
本发明及一种测距方法及设备，尤其涉及一种可抗噪声的超声波测距方法及设备。
背景技术
对于机器人与飞行器而言，要感知周边的环境，需要依靠一系列的传感器相互协调作用。而不同的传感器都有各自的优缺点，到目前为止，尚未出现一种可以完全满足环境建模需要的传感器。所以对各传感器的信息融合是环境建模的有效手段，以利于利用多种传感器获得冗余信息，以准确感知周围环境，为环境建模提供精确的数据。在环境感知技术中，超声波测距占有重要地位。超声波传感器作为一种相对廉价的距离信息传感器，具有体积小，成本低，容易部署等优点，其测距范围一般在0.3米到10米之间，精度能达到毫米级别。由于使用超声波进行测距，所以不受外部环境光线的影响，可在夜晚正常工作，受到雨雪、扬尘等恶劣条件影响较小。其量程与精度正好适合小范围内的环境建模。因此，超声波传感器可以作为机器人的主要测距传感器。因此提高超声波测距设备的工作性能，对于智能机器人的环境感知，环境建模，路径规划以及自主移动具有重要意义。
在超声波测距中，超声波换能器发射超声波束，对障碍物进行扫描，其反射波由接收换能器接收，并且根据回声接收时间与发射时间的时间差 ，估计出障碍物距超声波探头的距离，即：
其中为超声波在介质中的传播速率。
在超声波换能器在接收到反射回波的同时，还会接收到大量的干扰噪声。随着距离的增加，信噪比急剧下降，甚至信号可能被噪声淹没。回波信号信噪比是限制超声波测距距离的主要原因。
在传统超声波测距方法中，换能器发射普通脉冲，接收端使用固定门限判断是否有回波信号，用以估计超声波传播时间。由于超声波换能器所固有的反应时间和有限带宽的滤波效应，其所发射的脉冲有一个逐渐上升的前沿。此现象使得信号突破门限的时间要大于实际的超声波传播时间，而噪声的影响使得此方法所确定的传播时间更加不可靠。因此，传统门限法探测距离和测距精度非常有限。
如，Lizhen W. Novel Ultrasonic Ranging Approach Based on Spread Spectrum Modulation. ICCT’06.ISBN 1-4244-0800-8，第1页至第4页中使用了PN码作为超声波换能器的激励信号，Qinghao M. Real-Time Noncrosstalk Sonar System by Short Optimized Pulse-Position Modulation Sequences. Instrumentation and Measurement. 2009年，第10卷，ISSN 0018-9456，第3442页至3449页中使用了混沌脉冲位置调制信号作为超声波换能器的激励信号。此类扩频法将接收信号与发射信号作相关运算，利用扩频信号尖锐的相关函数估计发射信号与接收信号之间的延时，从而估计出障碍物的距离。然而换能器的窄带滤波效应会让波形产生变化，降低接收波形与发射波形的相关性，从而降低测距精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种抗噪声超声波测距方法及设备，旨在解决当前超声波测距方法及设备受噪声影响较大测量精度低 的技术问题。
为了实现本发明的目的，本采用的技术方案为：
设计一种抗噪声超声波测距设备，包括用于产生周期性激励信号的波形发生装置、对应连接于该波形发生装置的并将周期性激励信号转化为超声波信号的发射换能装置、用于接收经障碍物返回的超声波信号的接收换能装置、对应连接于所述接收换能装置的信号处理装置，所述信号处理装置还与所述波形发生装置建立通信连接；并在该信号处理装置的输出端对应连接有用于显示距离信息的显示装置。
所述周期性激励信号为正弦波周期性激励信号，其频率为30～60 KHz。
所述发射换能装置包括依次连接的FPGA、D/A转换器、功率放大器。
所述信号处理装置包括微处理器。
所述显示装置包括显示屏。
本发明还涉及一种抗噪声超声波测距设备的测距方法，包括下列步骤：
（1）设定如上所述的接收换能装置接收的经障碍物反射回的超声波信号并将其转换为周期性激励信号为：
；
式中为该正弦波周期性激励信号信号的幅度，在信号s(t)末尾处具有作为特征点的峰值，为高斯白噪声；
（2）将信号代入Duffing振子
；
中，并设定的初始值为，，，并运用Runge-Kutta算法求解出的轨迹(t)；
（3）由的轨迹(t)并运用Runge-Kutta算法求解下式：
；
得到，其中为该正弦波周期性激励信号的周期；
（4）定义：
并定义Floquet指数、 为的特征值；求出，其中并向下取整；
（5）在上搜索峰值，其中最后一个峰值为，该峰值对应的时间为；求出步骤（1）所述超声波信号的传播时间；
（6）将信号翻转为，重复步骤（2）～（5）；求出特征点处的重新定义的弗洛奎特指数值；
（7）将式、分别代入式求出对应、的驱动力幅度，；
（8）将、分别代入下式：
中，求出相位；
（9）将相位代入 ， 中，便可得到该抗噪声超声波测距设备与障碍物之间的距离。
本发明的有益效果在于：
本发明使用的超声波测距设备，可以在不同环境下工作，利用混沌振子和Floquet指数来实现运用超声波的测距方法并可对外部的噪声进行有效的去除，达到测量精度更精确。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图2为本发明发射换能装置的激励信号示意图；
图3为图2中激励信号末尾局部放大示意图；
图4为Duffing振子驱动力幅度与的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例1：参见图1，图2，图3，图4。
一种抗噪声超声波测距设备，包括：用于产生周期性激励信号的波形发生装置、将所述周期性激励信号转化为超声波信号并发射的发射换能装置、接收经障碍物返回的超声波信号的接收换能装置、对应连接于所述接收换能装置的信号处理装置，所述信号处理装置还与所述波形发生装置建立通信连接；该信号处理装置接收来自于波形发生装置产生的周期性激励信号与超声波经接收换能装置转换后周期性激励信号，并分析出距障碍物的距离；并在该信号处理装置的输出端对应连接有用于显示距离信息的显示装置。上述信号处理装置包括具有存储功能的微处理器；显示装置包括对应连接的显示屏；所述的发射换能装置包括依次连接的FPGA、D/A转换器、功率放大器；所述的周期性激励信号为正弦波周期性激励信号，其频率为30～60 KHz。
本发明还涉及一种用于实现上述抗噪声超声波测距设备的测距方法，图中图3为图2的局部放大，在图3及图2所示的信号末尾有半个正弦周期的反相信号，用以抵消超声波发射换能装置中多余的能量，并配合信号中部的凹陷和接收换能装置的慢速响应的特性，以便在发射波形末端形成一个幅度上的峰值，作为信号的一个特征点。
本发明的抗噪声超声波测距方法运用混沌振子和Floquet指数来消除噪声影响，其过程如下：
设定接收换能装置接收的经障碍物反射回的超声波信号并将其转换为周期性激励信号为：
（1）
其中为正弦波的幅度，为高斯白噪声。算法中所用到的混沌振子可为Duffing振子但不限于Duffing振子，其表达式为：
（2）
在信号处理时，需要将接收信号代入Duffing振子中，因此表达式为：
（3）
其中驱动力，相位。
给定初始值，利用Runge-Kutta算法可以求解出式（3）的轨迹x(t)。
当Duffing振子受到一微小扰动时，式（2）可以写成：
（4）
再有
（5）
其中，。运用Floquet定理，具有周期解的微分方程（3）有基础解。将其代入式（5）可得
（6）
同样利用Runge-Kutta算法可以求解式（6），得到，其中为该正弦波周期性激励信号的周期；Floquet指数和为的特征值。定义一个量：
（7）
和Duffing振子驱动力的幅度具有如附图4的关系，而驱动力幅度与接收信号幅度有直接关系，因此可以通过求来得知接收信号幅度信息。信号末端的峰值也会表现为上的一个峰值。可用这个特征点对应时间与发射波形的末端对应时间的差来对超声波传播时间进行确定。因为每个的值都是由求得，因此超声波信号的传播时间为的整数。
本发明所使用特征点处的进行相位估计，其结果用以测距精度的校准；其过程如下：
1. 将接收信号与它的翻转信号分别代入Duffing振子中并使用Runge-Kutta算法求出轨迹。
2. 利用混沌振子轨迹分别求出特征点处的和以及对应的驱动力幅度和
3. 解方程
（8）
（9）
即可得到所估计的相位。
因此，准确的超声波信号的传播时间为：
（10）
最终便可得到该抗噪声超声波测距设备与障碍物之间的距离：
（11）
其中为超声波在介质中的传播速率。
其中信号处理装置对超声波传播时间的估计方法对最后的距离的精确测定起到了至关重要的作用，其实施过程如下：
1.将接收信号代入上式（2），并设定的初始值为，，，利用Runge-Kutta算法求解出的轨迹；
2.利用Runge-Kutta算法求解上式（6），得到；
3.在上搜索峰值，其中最后一个峰值为，该峰值对应的时间为；其与发射信号特征点对应时间的差为超声波信号粗略传播时间，即；
4.将信号翻转为，重复步骤1～3；
5.求出特征点处的重新定义的弗洛奎特指数值；
6.根据重新定义的弗洛奎特指数与混沌振子驱动力的关系，找出对应 的驱动力幅度与；
7.求解方程组（8）（9）得到估计的相位
8.通过式（10）（11）得出所述抗噪声超声波测距设备与障碍物之间的距离。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种抗噪声超声波测距设备，其特征在于，包括用于产生周期性激励信号的波形发生装置、对应连接于该波形发生装置的并将周期性激励信号转化为超声波信号的发射换能装置、用于接收经障碍物返回的超声波信号的接收换能装置、对应连接于所述接收换能装置的信号处理装置，所述信号处理装置还与所述波形发生装置建立通信连接；并在该信号处理装置的输出端对应连接有用于显示距离信息的显示装置。
2.如权利要求1所述的抗噪声超声波测距设备，其特征在于：所述周期性激励信号为正弦波周期性激励信号，其频率为30～60 KHz。
3.如权利要求1所述的抗噪声超声波测距设备，其特征在于：所述发射换能装置包括依次连接的FPGA、D/A转换器、功率放大器。
4.如权利要求1所述的抗噪声超声波测距设备，其特征在于：所述信号处理装置包括微处理器。
5.如权利要求1所述的抗噪声超声波测距设备，其特征在于：所述显示装置包括显示屏。
6.一种超声波测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）设定如权利要求1所述的接收换能装置接收的经障碍物反射回的超声波信号并将其转换为周期性激励信号为：
；
式中为该正弦波周期性激励信号的幅度，在信号s(t)末尾处具有作为特征点的峰值，为高斯白噪声；
（2）将信号代入Duffing振子
；
中，并设定的初始值为，，，并运用Runge-Kutta算法求出的轨迹(t)；
（3）由的轨迹(t)并运用Runge-Kutta算法求解下式：
；
得出，其中为该正弦波周期性激励信号的周期；
（4）定义：
；
并定义Floquet指数、 为的特征值，求出，其中并向下取整；
（5）在上搜索峰值，其中最后一个峰值为，该峰值对应的时间为；求出步骤（1）所述超声波信号的传播时间；
（6）将信号翻转为，重复步骤（2）～（5）；求出特征点处的重新定义的弗洛奎特指数值；
（7）将式、分别代入下式：
；
并求出对应、的驱动力幅度，；
（8）将、分别代入下式：
；
中，并求出相位；
（9）将相位代入下式：
；
；
得到所述抗噪声超声波测距设备与障碍物之间的距离。
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