CN104101870B

CN104101870B - 一种频域调制式超声波测距系统频率拐点判别方法

Info

Publication number: CN104101870B
Application number: CN201410226408.0A
Authority: CN
Inventors: 朱金刚; 蔡领; 周聪敏; 陈佳旭
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Haining Warp Knitting Industrial Park Development Co Ltd
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: CN104101870A

Abstract

本发明公开了一种频域调制式超声波测距系统频率拐点判别方法，该方法具体为：控制电路采集<i>i</i>组数据长度为<i>j</i>的超声波周期数据；对于每一组数据，自第2个数据开始，依次计算相邻前后两个数据的差值，然后再对这些差值依次分段判断其绝对值是否全大于0，符合要求的数据即为此组数据周期值变化的位置；对其余的数据组作同样的处理，得到各组数据中周期值变化的位置；对各个周期变化的位置作概率统计，出现概率最大的作为此次测量数据组中有效的周期值变化位置（频率拐点），与此相关的测量数据有效，用于计算测量距离，其余的测量数据作为无效数据舍弃。

Description

一种频域调制式超声波测距系统频率拐点判别方法

技术领域

本发明涉及一种距离测量方法，尤其涉及一种频域调制式超声波测距系统中频率拐点的判别方法。

背景技术

超声波测距是无线非接触近距离测量中成本最低、效果最好、应用最广泛的一种实现方案，而频域调制式超声波测距方案可以有效地克服脉冲调制式超声波测距方案中接收点起始脉冲检测不准的问题，其测量精度至少比脉冲调制式超声波测距方案提高一个数量级。然而，频域调制式超声波测距方案中不可避免地使超声波换能器工作于2个或更多的频点上。超声波换能器是一种机械振动装置，按照机械振动规律，当外力促使振子振动或者使振子从一种振动频率切换到另一种振动频率时，短期内振子会出现复杂的振动现象。例如，当超声波发射换能器在电信号的激励下，发射换能器会按照的特性振动，可见输出超声波的幅度呈现指数规律增长，最终到达振幅，频率与激励电信号的频率相同；若发射换能器振子以幅度、频率、初始相角作等幅振动时，激励电信号的频率改为，即激励电信号为，发射器振子会出现两种振动模式：其一，在激励电信号的作用下，以振动特征为作受迫振动，在此振动模式下，发射器振子以振动频率、振动幅度以指数规律增长，最终到达振幅；其二，由于发射器振子受到机械弹性力的阻尼作用，发射振子作有阻尼的自由振动，其振动特征为，（式中：为发射换能器振子的阻尼系数，为发射换能器振子的固有振动频率）。在此振动模式下，发射器振子以振动频率、振动幅度呈指数规律衰减，直至幅度为0；由此可见，发射器振子从一个振动频率切换到另一个振动频率时，中间会有一个短暂的两个振动共存的过程，这一过程使得发射的超声波信号中与的界限变得模糊。对于接收器振子而言，发射器振子发出的超声波从切换到时，接收器振子在上述与界限模糊的超声波的激励下，也同样会存在受迫振动和有阻尼的自由振动，使得接收器输出电信号中与的界限变得更加模糊。这些短暂的多种振动模式共存的过程大大影响了频域调制式超声波测距方案测量精度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种频域调制式超声波测距系统频率拐点判别方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种频域调制式超声波测距系统频率拐点判别方法，该方法在频域调制式超声波测距系统上实现，频域调制式超声波测距系统包括输出频率能交替变化的正弦波发生器、超声波发射器、超声波接收器、信号调理电路和控制器；当正弦波发生器的输出频率改变时，控制器采集由信号调理电路处理过的超声波接收器输出信号的周期，采集的数据长度为j，共采集i组；其中，j为自然数，，是正弦波发生器输出信号的频率，单位是赫兹，是频域调制式超声波测距系统与障碍物之间的距离，单位是米，i为自然数，；该方法包括以下步骤：

（1）控制器读取第1组测量数据、、、........、，依次计算：=-，=-，=-，......，=-，=-；

（2）对于步骤1得到的数据组、、......、，自第1个数据始，依次取连续的m个数据，判别这m个数据的绝对值是否全部大于0，若是，记下此时的j值，记录为；其中，m为自然数，，为自然数，）；

（3）重复上述步骤1、2，即控制器读取第2组测量数据、、、........、，依次计算：=-，=-，=-，......，=-，=-，对于、、......、，自第1个数据始，依次取连续的m个数据依次取连续的m个数据，判别这m个数据的绝对值是否全部大于0，若是，记下此时的j值，记录为；同样地，控制器读取第3、4、5......i-2、i-1组测量数据，依次得到、、......；

（4）对、、、、......按数值大小进行排序分组，统计相同数据出现的概率，出现概率最大的那一组为有效数据组，与之对应的测量数据、、、........为有效测量数据。所对应的j值即是有效测量数据、、、........频率拐点所处的位置。

本发明的有益效果是：通过多次数据采集、多点连续数据差值正递增判别、高概率事件数据有效、异常数据剔除等数据处理方法，有效地克服了超声波发射（接收）振子的机械迟滞和有阻尼自由振动特性，可以准确、有效地解决频域调制式超声波测距系统中超声波变频拐点的检测问题，准确、可靠地测量超声波的踱越时间，提高超声波测距的精度。实验表明，测量误差小于0.1mm。此方法对硬件电路要求不高、成本低、数据结构简单，处理速度快、应用广泛，易于普及与推广。

附图说明

图1是频域调制式超声波测距系统框图；

图2是实际的发射波和接收信号在时间轴的对应关系图。

具体实施方式

下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

图1中，正弦波发生器交替输出信号的频率为、，在切换到的同时，正弦波发生器输出一变频标志逻辑，当正弦波发生器输出信号频率为时，变频标志逻辑为高电平，当正弦波发生器输出信号频率为时，变频标志逻辑为低电平；变频标志逻辑同时送入控制器的数字逻辑输入接口。超声波发射器在正弦波发生器输出电信号的驱动下发出超声波，经前方障碍物反射后返回形成回波，超声波接收器受回波激励后输出电信号，放大器将此电信号放大后送至整形电路，整形电路采用迟滞型正向过零检测方式，整形电路输出的方波信号送入控制器的数字逻辑输入接口。

图2(a)、(b)、(c)描述了激励电信号、超声波、接收器输出电信号在时间轴上的对应关系。由图2(b)可见，当激励电信号频率由切换到的时，超声波信号有一个短暂的过渡过程，在此期间，信号幅度变得不平稳，这实际上是两个信号相互调制的结果；从图2(c)接收器输出的电信号可以看出这种频率过渡过程更长。

控制器以STM32F103嵌入式单片机为核心，具有复杂的数字逻辑捕获功能、DMA数据处理模式和充足的程序处理空间。当变频标志逻辑的状态发生变化时，开启新一轮的测量过程：当控制器的逻辑输入脚检测到变频标志逻辑的状态发生变化，立即捕获控制器内部高速计数器的值，此后每当超声波接收器输出电信号的正向过零时刻，控制器以相同的方式捕获其内部高速计数器的值、、........、、，并以DMA的方式将此值存入到缓冲区中；依次计算、、........、，为超声波信号的周期（1≤x≤j-1）。（j为自然数，图2(c)中，）。

以上述同样的方式再采集i-1组超声波周期数据（i为自然数，）：

、、、........、

基于以上采集数据，本发明一种频域调制式超声波测距系统频率拐点判别方法，具体包括以下步骤：

（1）控制器读取第1组测量数据、、、........、，依次计算：=-，=-，=-，......，=-，=-。

（2）对于上述的数据组、、......、，自第1个数据始，依次取连续的m个数据（m为自然数，，为自然数，的值与发射（接收）换能器振子的阻尼系数有关，具体反映于图2(c)中接收振子过渡区域的波形个数，一般值的范围：），判别这m个数据的绝对值是否全部大于0，若是，记下此时的j值，记录为。

（3）重复上述步骤（1）、（2），即控制器读取第2组测量数据、、、........、，依次计算：=-，=-，=-，......，=-，=-，对于、、......、，自第1个数据始，依次取连续的m个数据依次取连续的m个数据，判别这m个数据的绝对值是否全部大于0，若是，记下此时的j值，记录为。同样地，控制器读取第3、4、5......i-2、i-1组测量数据，依次得到、、......。

本发明控制器以STM32F103嵌入式单片机为核心，利用其逻辑捕获功能及DMA数据处理模式保证了超声波信号周期的实时采集。

本发明中超声波发射器输出超声波的频率是交替变化的，在变频的同时，正弦波发生器会输出一个变频标志逻辑，作为STM32F103采集超声波周期数据的起始点。

本发明通过对超声波周期的测量来判断超声波频率的变化，为了准确地判断超声波的变频点，采用了多次数据采集、多点连续数据差值正递增、高概率事件数据有效、异常数据剔除等数据信号处理方法。

Claims

1.一种频域调制式超声波测距系统频率拐点判别方法，该方法在频域调制式超声波测距系统上实现，频域调制式超声波测距系统包括输出频率能交替变化的正弦波发生器、超声波发射器、超声波接收器、信号调理电路和控制器；当正弦波发生器的输出频率改变时，控制器采集由信号调理电路处理过的超声波接收器输出信号的周期，采集的数据长度为j，共采集i组；其中，j为自然数，f是正弦波发生器输出信号的频率，单位是赫兹，l是频域调制式超声波测距系统与障碍物之间的距离，单位是米，i为自然数，i>2；其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)控制器读取第1组测量数据N_[0][0]、N_[0][1]、N_[0][2]、N_[0][3]........N_[0][j-2]、N_[0][j-1]，依次计算：ΔN_[0][0]＝N_[0][2]-N_[0][1]，ΔN_[0][1]＝N_[0][3]-N_[0][2]，ΔN_[0][2]＝N_[0][4]-N_[0][3]，......，ΔN_[0][j-4]＝N_[0][j-2]-N_[0][j-3]，ΔN_[0][j-3]＝N_[0][j-1]-N_[0][j-2]；所述测量数据获取方式具体为：当控制器的逻辑输入脚检测到变频标志逻辑的状态发生变化，立即捕获控制器内部高速计数器的值C₀，此后每当超声波接收器输出电信号的正向过零时刻，控制器以相同的方式捕获其内部高速计数器的值C₁、C₂、C₃........C_j-2、C_j-1、C_j，并以DMA的方式将此值存入到缓冲区中；依次计算N_[0][0]＝C₁-C₀、N_[0][1]＝C₂-C₁、N_[0][2]＝C₃-C₂........N_[0][j-2]＝C_j-1-C_j-2、N_[0][j-1]＝C_j-C_j-1；

(2)对于步骤(1)得到的数据组ΔN_[0][0]、ΔN_[0][1]、ΔN_[0][2]......ΔN_[0][j-4]、ΔN_[0][j-3]，自第1个数据ΔN_[0][0]始，依次取连续的m个数据，判别这m个数据的绝对值是否全部大于0，若是，记下此时的j值，记录为S₀；其中，m为自然数，m≥k，k为自然数，5≤k≤10；

(3)重复上述步骤(1)、(2)，即控制器读取第2组测量数据N_[1][0]、N_[1][1]、N_[1][2]、N_[1][3]........N_[1][j-2]、N_[1][j-1]，依次计算：ΔN_[1][0]＝N_[1][2]-N_[1][1]，ΔN_[1][1]＝N_[1][3]-N_[1][2]，ΔN_[1][2]＝N_[1][4]-N_[1][3]，......，ΔN_[1][j-4]＝N_[1][j-2]-N_[1][j-3]，ΔN_[1][j-3]＝N_[1][j-1]-N_[1][j-2]，对于ΔN_[1][0]、ΔN_[1][1]、ΔN_[1][2]......ΔN_[1][j-4]、ΔN_[1][j-3]，自第1个数据ΔN_[1][0]始，依次取连续的m个数据依次取连续的m个数据，判别这m个数据的绝对值是否全部大于0，若是，记下此时的j值，记录为S₁；同样地，控制器读取第3、4、5......i-2、i-1组测量数据，依次得到S₂、S₃、S₄......S_i-1；

(4)对S₀、S₁、S₂、S₃、S₄......S_i-1按数值大小进行排序分组，统计相同数据出现的概率，出现概率最大的那一组为有效数据组，与之对应的测量数据N_[0][0]、N_[0][1]、N_[0][2]、N_[0][3]........N_[i-1][j-1]为有效测量数据；所对应的j值即是有效测量数据N_[0][0]、N_[0][1]、N_[0][2]、N_[0][3]........N_[i-1][j-1]频率拐点所处的位置。