CN104823072A - 距离传感系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的方法、系统以及装置用于改善如在超声波感测系统中的距离测量的范围以及精度。特别的，由于混响信号引起的盲区可通过削弱在相应于盲区的预定时间段内接收到的信号而被减弱或消除。在一种实施中，衰减电路在所述预定时间段内通过开关被选择以处理所述接收到的信号以及在所述预定时间段后通过所述开关取消选择衰减电路。另外，所述测量的准度和距离可根据测量距离去改变提供给接收的信号的增益而改善。在一种实施中，增益可调放大器受控于增益控制信号而提供随着时间增加而增加的增益。

Description

距离传感系统及方法
背景技术
距离传感器，例如超声波传感器已经广泛地被用于侦测到物体的距离。特别的，超声波传感器通常通过超声波换能器产生超声波信号，以及接收物体反射回来的回波信号。通过计算发出所述超声波信号以及接收到所述回波信号之间的时间间隔，所述超声波传感器到物体的距离能够根据所述声波通过传播媒介，例如空气传播的速度而被确定。
一般的，所述超声波传感器的应用会受限于盲区的存在，其中，导致所述盲区存在的原因为所述超声波换能器会产生残留的机械振动。超声波换能器通常通过高频振动或激励信号引起的共振而产生超声波信号。例如，电能脉冲可导致压电换能器由于压电现象而以一给定的频率振动，从而产生超声波。所述发射出去的超声波信号被物体反射回来的回波能够被侦测到以及被用于确定到所述物体的距离。然而，一旦所述激励信号(例如，电信号)被移除，所述换能器的振动并不能马上停止。更多的情况下，由于弹性作用，即使在抑制模式下，所述换能器仍然会持续振动一段时间。这种多余的振动或混响能被所述超声波传感器侦测到。这些混响信号能够混淆对所述回波信号的侦测。所述盲区即为所述超声波换能器周围的区域，所述区域中回波信号不能够从所述些混响信号中被识别从而不能被可靠地侦测到。
现有的方法试图通过软件方式或者机械方式解决盲区的问题。在软件方式下，在对应于所述产生盲区的时间段内，所述超声波信号的侦测被禁能，从而避免将所述混响信号侦测为回波信号。然而，所述软件方式仅仅能避免所述盲区的影响，并不能减少或消除盲区。也就是说，位于所述盲区内的物体仍然不能够被可靠地侦测出。使用所述机械方式，所述超声波传感器的接收探针可通过物理的屏障物被填补或保护。所述机械方式通过减少到达所述接收探针的混响信号的振幅而减少或移除盲区的同时，也导致了生产的成本以及复杂度的增加。
发明内容
本发明提供用于减少甚至消除盲区的方法和系统，可在不增加生产成本的基础上减少最小测量距离。与如前所提的软件方式不同，本发明使侦测位于盲区内的物体成为可能，可有效地减少或消除所述盲区。此外，本发明是在电路层面实现，从而避免了如前所述的通过机械方式实现而导致的生产成本的增加。
根据本发明的一个方面，提供超声波感测系统。所述超声波感测系统包括用于提供超声波信号发射的超声波发射器、用于接收作为所述发射结果的包括回波信号以及混响信号的超声波信号的超声波接收器、通过开关与所述超声波接收器连接的衰减电路，所述衰减电路用于衰减所述接收到的超声波信号、以及用于控制所述开关只在发射所述超声波信号后的预定时间段内将所述超声波接收器与所述衰减电路电性连接的微控制器单元(MCU)。
在一些实施例中，所述超声波发射器即为所述超声波接收器。所述预定时间段与所述混响信号可被侦测的时间段一致。所述预定时间段与盲区时间段相对应。
在一些实施例中，至少部分地根据预先测量的回波信号或混响信号的幅度选择所述衰减电路。
在一些实施例中，所述开关包括单刀双掷(single-poledouble-throw，SPDT)开关。
在一些实施例中，在此描述的超声波感测系统还包括升压器，用于提高与所述发射的超声波信号相关的能量级。所述升压器可用于提高用于引起所述超声波信号发射的电信号的功率级。
在一些实施例中，在此描述的所述超声波感测系统还包括用于放大所述回波信号的增益可调放大器。
在一些实施例中，所述微控制器单元还用于至少部分地根据计时器的值改变所述增益可调放大器的增益，所述计时器的值对应来自所述超声波感测系统获得的测量距离。所述微控制器单元可根据预先测量的数据控制所述增益可调放大器。
在一些实施例中，所述微控制器单元还用于在所述预定时间过后，控制所述开关将所述超声波接收器与所述增益可调放大器电性连接而不将所述衰减电路与所述增益可调放大器电性连接。
在一些实施例中，在此描述的所述超声波感测系统还包括连接于所述增益可调放大器的比较器，用于将所述增益可调放大器的输出值与预定的阈值进行比较。所述微控制器单元还用于至少部分地根据所述比较器的输出值来控制所述增益可调放大器的增益。所述比较器可以集成或者不集成于所述微控制器单元上。
在一些实施例中，在此描述的所述超声波感测系统还包括模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)，所述模数转换器连接于所述增益可调放大器并用于将所述增益可调放大器的输出转换为数字值。所述增益可调放大器可至少部分地根据所述模数转换器的输出而被控制。所述模数转换器可以集成或者不集成于所述微控制器单元上。在一些实施例中，所述比较器以及所述模数转换器一起配合用以判断峰值的出现。
根据本发明的另一方面，提供一种用于超声波感测的方法。所述方法可包括步骤：在停止发射超声波信号后，侦测信号，所述侦测的信号可为回波信号或混响信号；判断所述超声波信号的侦测是否发生于所述超声波信号发射停止后的预定时间内；信号的侦测发生在所述预定时间内时，衰减所述侦测到的信号，以使得充分降低由超声信号发射的混响引起的干扰；以及信号的侦测发生在所述预定时间后时，在不对侦测的信号进行衰减的情况下对所述侦测的信号进行处理而确定物体的距离。
在一些实施例中，所述预定时间段与所述混响可被侦测到的时间段对应。在一些实施例中，所述预定时间段与盲区时间段相对应。
在一些实施例中，所述被传输的超声波信号在被传输前预先被放大，例如，使用升压器预先放大。
在一些实施例中，衰减所述侦测到的超声波信号是至少部分地根据一个或多个预先测量的信号的幅值。所述预先测量的信号可包括混响信号、回波信号。
在一些实施例中，处理所述侦测到的超声波信号包括通过比较器以及模数转换器判断峰值的出现。所述比较器以及所述模数转换器中的零个、一个或者全部包括于微控制器单元内。
在这里描述的方法还包括至少部分地根据预先测量的数据提供增益至所述侦测到的超声波信号。所述预先测量的信号与测量的距离以及适合所述测量距离的增益相关。
在此描述的方法还包括至少部分地根据时间值提供增益至所述侦测的超声波信号。
根据本发明的另一个方面，提供超声波感测系统。所述系统可包括超声波发射器，用于提供超声波信号的发射；超声波接收器，用于接收作为所述发射结果的包括混响信号以及回波信号的超声波信号；以及可连接于所述超声波接收器的衰减电路，所述衰减电路用于在不消除回波信号的基础上消除几乎所有的混响信号。在一些实施例中，所述超声波发生器即为所述超声波接收器。
所述衰减电路仅在预定时间段内可连接于所述超声波接收器。所述预定时间段与盲区时间段相对应。所述衰减电路可以至少部分地根据预先测量的信号的幅值来选择，例如混响信号或回波信号的幅值。
在一些实施例中，在此描述的所述超声波感测系统还包括升压器，用以增加所述超声波信号发射的相关能量级。所述升压器可被用来增加用于引起所述超声波信号发射的电信号的电压值。
在一些实施例中，在此描述的所述超声波感测系统还包括微控制器单元，用以控制开关仅在所述超声波信号发射后的预定时间段内将所述超声波接收器与所述衰减电路电性连接。所述开关可包括单刀双掷开关。
在一些实施例中，在此描述的超声波感测系统还包括增益可调放大器，其串联于所述衰减电路并通过开关能够连接于所述超声波接收器，所述增益可调放大器用于放大所述回波信号。
在一些实施例中，所述微控制器单元还用于至少部分地根据计时器的值改变所述增益可调放大器的增益值，所述计时器的值与来自所述超声波感测系统获得的测量距离对应。所述微控制器单元可根据预先测量的数据控制所述增益可调放大器。
在一些实施例中，所述微控制器单元还用于在所述预定时间段过后，控制所述开关电性连接所述超声波接收器与所述增益可调放大器而不电性连接所述衰减电路与所述增益可调放大器。
在一些实施例中，在此描述的所述超声波感测系统还包括连接于所述增益可调放大器的比较器，所述比较器用于将所述增益可调放大器的输出与预定的阈值比较。所述微控制器单元还可用于至少部分地根据所述比较器的输出控制所述增益可调放大器的增益。所述比较器可集成于所述微控制器单元内或可不集成于所述微控制器单元内。
在一些实施例中，在此描述的所述超声波感测系统还包括连接于所述增益可调放大器的模数转换器，所述模数转换器用于将所述增益可调放大器的输出转换为数字值。所述增益可调放大器可至少部分地根据所述模数转换器的输出而被控制。所述模数转换器可以集成于所述微控制器单元内或不集成于微控制器单元内。在一些实施例中，所述比较器以及所述模数转换器一起配合用以判断峰值的出现。
根据本发明的另一方面，提供用于超声波感测的方法。所述方法包括：在停止发射超声波信号后，侦测超声波信号，所述被侦测的超声波信号可为回波信号或混响信号；以及衰减所述被侦测的超声波信号，以使得充分消除所述混响信号而不消除所述回波信号。在一些实施例中，对所述被侦测的超声波信号进行衰减仅仅应用于从所述超声波信号发射后的预定时间段内。所述预定时间段可与盲区时间段相对应。
在一些实施例中，被发射传输的所述超声波信号在发射前被预先放大，例如，通过升压器放大。
在一些实施例中，削减所述侦测到的超声波信号是至少部分地根据混响信号或回波信号的预先测量的幅值。
在一些实施例中，在此描述的方法还包括使用比较器以及模数转换器判断峰值的出现。所述比较器以及所述模数转换器中的零个、一个或者全部包括于微控制器单元内。
在一些实施例中，在此描述的方法还包括至少部分地根据预先测量的数据提供增益至所述侦测到的超声波信号。所述预先测量的数据可关联测量距离以及适合所述测量距离的增益。
在一实施例中，在此描述的方法还包括至少部分地根据计时器值提供增益至所述侦测到的超声波信号。
根据本发明的另一方面，提供一种用于超声波感测的方法。所述方法包括步骤：至少部分地根据预先测量的可调增益控制(adjustablegain control，AGC)数据提供第一增益至所述接收到的超声波信号；以及调节所述放大器，在最后的时间点，至少部分地根据所述预先测量的可调增益控制数据提供大于所述第一增益的第二增益。所述预先测量的可调增益控制数据与测量距离以及适合所述测量距离的增益相关。例如，所述增益可至少部分随着所述测量距离的增大而增大。
在一些实施例中，在此描述的方法还包括调节所述放大器而提供增大的增益，直到侦测到回波信号或者达到预定的测量时间。
在一些实施例中，只有在预定时间段内接收到的超声波信号在被放大之前被衰减。在所述预定时间段内，所述接收到的超声波信号可被衰减，以使得消除几乎所有的混响信号而不消除回波信号。
在一些实施例中，所述接收到的超声波信号至少部分地根据预先测量的混响信号或回波信号的幅值而被衰减。所述预定的时间段可包括盲区时间段。
在一些实施例中，在此描述的方法还包括使用比较器以及模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)判断峰值的出现。所述比较器以及所述模数转换器中的零个、一个或者全部包括于微控制器单元中。
应当明白，本发明的不同方面可以被单独地、共同地或彼此结合地理解。本文所描述的本发明的各个方面可应用于下面阐述的任何特定应用中的任意一个。通过阅读说明书、权利要求书和附图，本发明的其他目标和特征将会变得显而易见。
引置前案
本案说明书所提到的任何出版物、专利、专利申请都全文列入本文作为参考。
附图说明
本发明的创新特征被表述在附加的权利要求中。对这些特征更好的理解及本发明的改进可从如下的举例性的实施例中的详细描述中参考获得，在这些举例性实施例中利用了本发明的原理，且这些实施例相关的附图如下：
图1示意出了本发明一实施方式中的示例性的超声波传感器。
图2示意出了本发明一些实施方式中的被超声波接收器侦测的作为超声波发射结果的示例性的信号。
图3示意出了本发明一实施方式中用于减少或移除盲区的方法。
图4示意出了本发明一实施方式中超声波感应系统的示例性电路图。
图5示意出了本发明一实施方式中相应于多种测量距离的一些示例性的AGC增益值。
图6示意出了本发明一实施方式中用于执行时基增益控制的方法。
图7示意出了本发明一实施方式中用于判断峰值出现的方法。
具体实施方式
本发明提供用于减少或消除与超声波传感器相关的盲区的方法、系统以及装置，从而在不降低最大测量距离以及不增加生产成本的基础上降低所述最小测量距离。根据本发明的一个方面，本发明提供用于减少或消除与超声波感应相关的盲区的方法和系统。在一些实施例中，衰减电路被应用于衰减在相应于所述盲区的时间段内接收到的信号，以在保留几乎所有作为物体反射回来的回波信号的同时消除几乎所有的混响信号。所述衰减电路的选择或不选择可通过可控的开关实现。所述衰减电路提供的衰减量可根据实际测量的混响信号以及回波信号的值(例如幅值)或者其他因素来配置。
根据本发明的另一方面，提供用于动态调节回波信号的增益的方法和系统，以改善所述距离测量的准度。特别的，提供增益可调放大器用于根据当前测量距离去放大接收到的信号，所述当前测量距离是由测量开始到接收信号所经历的时间进行指示。所述增益可调放大器的增益量可被控制器根据所述测量的距离进行控制。所述测量的距离越长，所述回波信号的衰减将会越多，因此更多的增益被所述增益可调控制器提供，以放大所述回波信号。在一些实施例中，所述增益的量可被所述控制器根据实验测量数据周期性地调节。
根据本发明的另一方面，提供用于使用模数转换器配合比较器去改善距离测量的精度和准度的方法和系统。特别的，所述比较器可被用于触发距离测量，以及所述模数转换器可被用于确定在预定的时间段内相关的峰值被接收到的时间点。所述时间点可被用于计算到反射所述回波信号的物体的距离。通过精确化所述峰值的时间点，相应地改善所述距离测量的精度和准度。
根据本发明的一个方面，提供用于增加所述超声波发射的能量的方法和系统。所述发射能量的提升可更好的克服在周围环境中的超声波信号的衰减以及/或增加测量范围的上限。为了增加所述发射能量，所述超声波系统的发射电路可包括升压器，所述升压器用于增加用于发射的电能。在一实施例中，所述升压器可通过转换器(例如，增压的转换器)实现，以增加所述控制器提供的电信号的电压值。
应当明白，本发明的不同方面可以被单独地、共同地或彼此结合地理解。本文所描述的本发明的各个方面可应用于下面阐述的任何特定应用中的任意一个。通过阅读说明书、权利要求书和附图，本发明的其他目标和特征将会变得显而易见。
图1为本发明一实施例中的示例性的超声波传感器100的示意图。所述超声波传感器100包括发射器102以及接收器104。所述超声波接收器以及所述超声波发射器可通过不同的装置实现。在一些案例中，所述超声波接收器以及所述超声波发射器可通过同一可发射和接收超声波信号的装置实现。所述超声波换能器可指超声波传输器、超声波接收器或者指这两者。从所述超声波发射器102至所述超声波接收器104的箭头表示可到达所述超声波接收器的混响106，例如，在所述发射器102停止发射所述超声波信号后可到达所述超声波接收器的混响106。
在一些实施例中，所述超声波换能器(例如，超声波发射器、超声波接收器或者两者的结合)可利用压电原理来构建。例如，所述超声波换能器可包括由具有压电特性的自然或人工合成材料制成的压电变化器，例如，由特定的水晶(例如，石英、块磷铝矿石、蔗糖、罗谢尔盐、黄晶或者电气石类矿石)、骨骼、生物材料(例如肌腱、丝绸、木头、珐琅、象牙或者DNA)、合成水晶(例如，磷酸镓单晶、硅酸镓镧)、合成陶瓷(例如，锆钛酸铅、钛酸钡、钛酸铅、锂酸钾、锂酸锂、钽酸锂、钨酸钠或者氧化锌)、聚合物(例如聚乙二烯氟化物)、微结构官能团及其类似物。
另外,所述超声波换能器可使用非压电原理构建。例如，所述超声波换能器可包括磁致伸缩材料，所述磁致伸缩材料可在暴露于磁场中时改变其大小。在另一例子中，所述超声波换能器可包括电容传声器，所述电容传声器使用可响应超声波形而运动的薄板，从而使得所述薄板周围的电场改变而将超声波信号转换为电流。
图1还示意出了一示例性的超声波距离传感器板所提供的一些示例性的硬件引脚。在不同的实施例中，所述些硬件引脚的定义可根据实际应用的特殊需求去定义。在不同的实施例中，更多、更少以及/或不同的硬件引脚可被提供。在一示例性的实施例中，所述硬件引脚被定义如下：
Vcc—电源(所述电压根据实际需要定义)；
Trig/Tx—用于启动测量的外部逻辑触发/用于传输测量结果或者响应外部命令的UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收器/发射器)端；
Echo/Rx—脉冲宽度表征的测量结果/用于接收命令的UART接收端；
GND—电源和信号的参考地。
图2示意出了一些实施例中被超声波接收器侦测到的作为超声波发射结果的信号。如所述的，激电信号或驱动脉冲202促使超声波发射器振动并发射超声波信号。所述驱动脉冲202在时间t1左右被移除。然而，即使所述驱动脉冲202已经被移除(例如，电压值为零)，所述发射器并没有立即停止振动。相反的，所述发射器持续振动或残留振动，使得残留的振动信号或混响信号可被超声波接收器接收到。所述被接收器探头接收的信号值被表征为210。所述混响可在混响信号的期间持续一段时间tb＝t2-t1，如果没有抑制(例如，将信号的幅度进行人为的衰减)，则会使得接收的回波信号受到影响。所述时间段tb于此被称为所述盲区时间段或死区时间段，指的是回波信号不能够被真实可靠地区分所述混响信号被侦测到的一段时间。在所述盲区时间段，混响信号没有被抑制，而可能足够强大(例如，具有充分的幅度/幅值)去触发比较器的触发值208或所述阈值。所述比较器触发阈值通常用于确定是否接收到的为真实的回波信号。
根据声音的传播速度c，距离所述换能器的盲区距离db可被计算为db＝1/2*c*tb，在其中，由于从物体的回波受到混响信号的影响，所述物体不能被真实的侦测到。换言之，对于位于所述盲区的物体来说，所述超声波信号到达所述物体以及传播回来至所述换能器的时间小于或等于tb。盲区指的是环绕所述换能器的区域，所述区域被所述发射信号覆盖(例如盲区)且在所述区域中由于从物体返回的回波被混响信号影响而使得所述区域内的物体不能被真实的侦测到。如本文所用的，所述盲区时间段指的是tb，在所述换能器的持续振动时间内防止或掩盖所述真实回波信号的侦测。在多个实施例中，所述盲区的形状和大小可通过传输媒介、换能器的位置以及/或物质、激励信号的特性以及其他因素来确定。通常的，减少或消除盲区可用于增加距离传感器的可侦测范围，特别对于近距离侦测更是如此。
图2示意出了两种示例性的情况下的接收器信号。在第一种情况204中，物体位于所述换能器的盲区之外。从而，所述回波信号216发生在所述盲区时间段之后，同样也在所述混响信号214的发生之后。如所示的，当所述物体位于所述盲区之外时，所述物体的回波信号没有被所述混响信号掩盖。
在第二情况204中，物体位于所述换能器的盲区之内。如此，所述回波信号216发生在与所述混响信号214相同的盲区时间段内。在所述所示的场景中，可以清楚地看出，如果没有抑制，所述混响信号214能模糊或者阻止所述真实回波信号216的侦测。
在两个所示的例子中，所述所示的混响信号214被抑制或衰减(例如，通过硬件衰减电路)至低于所述触发值208，从而所述混响信号不再错误的触发所述比较器。更进一步说，衰减所述在盲区时间段内接收到的信号，可有效的减少或者移除所述盲区的影响。
使用本发明的衰减技术，所述真实的回波信号如果发生于所述盲区时间段内，也能够被衰减。然而，所述回波信号通常会强于所述混响信号，特别在近距离内更是如此。因此，当保留所述真实回波信号(例如，保留所述幅度仍然大于所述比较器的触发值)时，可以衰减所述混响信号以致移除它(例如减少所述幅度至小于所述比较器的触发值)。所述混响信号通常已经在达到接收器探头时已经变弱。其他导致所述混响信号减少能量的因素可包括所述接收器与所述发射器之间的距离，所述发射器的发射角度以及/或其他因素。例如，所述超声波发射器的发射角度通常不能超过180度。示例性的发射角度可包括，但不限于30度、60度、90度、120度以及150度。相反的，所述接近接收器(例如，在所述盲区内)的物体反射的回波通常没有被过多的削弱并以一很小的角度进入所述接收器，从而保留了所述信号的大多数能量。根据这些因素，在所述盲区时间段内侦测到的回波信号通常强于混响信号。因此，通过调节所述衰减的量，可以在移除几乎所有的混响信号的同时，保留所述盲区时间段内的大部分的回波信号。如所述情况206所示，即使被所述连接于所述接收器的衰减电路所衰减，所述混响信号214可被大部分或者全部移除(例如，所述衰减后的混响信号214的幅度小于所述触发值208)的同时，保留几乎所有的真实回波信号216(例如，所述衰减的回波信号的幅度仍然大于所述触发值208)。
根据本发明的一个方面，提供用于减少或者消除距离感应系统的盲区的方法和系统。图3示意出了一实施例中的示例性的流程300，用于减少或移除盲区。所述流程300(或者于此描述的其他任意流程，或者变化的流程以及/或它们的结合)的一些或者所有方面可在一个或多个计算机、处理器、或配置有可执行指令以及可被执行于一个或多个处理器的集合的代码实现(例如，可执行的指令，一个或多个计算机程序或一个或多个应用程序)的控制系统的控制下，通过硬件或者它们的结合被执行。所述代码可被存储与计算机可读存储介质中，例如，所述代码为包括大量可被一个或多个处理器执行的指令的计算机程序形式。在此描述的操作的顺序不是为了限制本发明，如此描述的任意数量的操作可被整合在任一次序以及/或以并行的方式执行所述些流程。例如，所述流程300可被如图4所示的超声波感测系统中的元件所执行。
在一实施例中，所述流程300包括在超声波信号发射结束后侦测信号(步骤302)。所述超声波信号的发射能以如图1-2中所述的方式被发射。例如，可施加电能脉冲给压电发射器，引起它振动或者共鸣，从而产生声波。当所述电能从所述发射器上移除，所述发射被认为是被停止了。然而，如前所论述的，所述发射器的振动或共鸣并没有立刻停止。所述发射器将持续振动一段时间，尽管幅度在逐渐衰减。如此的混响可被接收器侦测到并被转换为电信号(例如，混响信号)。如果所述传输的超声波信号也被物体反射回来，所述回波将会被所述接收器侦测到并被转换为电信号(例如，回波信号)。从所述接收器的观察结果，所述侦测到的电信号可为回波信号或混响信号。
所述流程300还包括判断所述侦测到的信号是否是在如图2所论述的与超声波传感器相关的盲区时间段内被侦测到(步骤304)。例如，其可判断所述信号的侦测是否发生在从所述超声波信号的发射停止后的预定时间段内。所述预定时间段可为如上在图2中所述的对应于所述盲区时间段的时间间隔tb。在一实施例中，与超声波传感器关联的计时器在超声波信号发射停止或者所述发射开始时启动。所述当前计时器的值可被与预定的盲区时间段(例如tb)进行比较而确定所述信号是否侦测于在所述盲区时间段内。
如果所述信号于所述盲区时间段内被侦测到，所述侦测信号被衰减，以减少所述信号的能量(例如，幅度)(步骤306)。所述侦测到的信号可为在所述盲区时间段内被衰减的回波信号或混响信号。然而，在近距离内，回波(以及所述侦测到的回波信号)将强于所述混响(以及所述侦测到的混响信号)。这是由于所述混响通常已经在到达所述接收器探头前被削弱。其他导致所述混响信号的能量减少的因素可包括所述发射器以及所述接收器之间的距离、所述发射器的发射角度以及/或其他因素。例如，所述超声波发射器的发射角度通常不能超过180度。示例性的发射角度可包括，但不限于30度、60度、90度、120度以及150度。相反的，所述接近接收器(例如，在所述盲区内)的物体反射的回波通常没有被过多的削弱并以一很小的角度进入所述接收器，从而保留了所述信号的大多数能量。根据这些因素，在所述盲区时间段内侦测到的回波信号通常强于混响信号。因此，通过调节所述衰减的量，可以在移除几乎所有的混响信号的同时，保留所述盲区时间段内的大部分的回波信号。
在一实施例中，所述衰减量根据实际侦测到的混响信号以及/或回波信号的幅度来选择。例如，如果根据实际测量到的混响信号的最大幅度(或其他合适值)为Vr以及触发所述距离测量的阈值电压为V0(以下称为所述触发值)，则所述衰减量可被设置为Vr–V0或者更大，以确保任何振动残留信号被减少到低于所述触发值V0。在另一方面，为了确保所述回波信号即使在衰减后仍然足够强至触发距离测量，所述衰减量可被设置与小于Ve–V0，其中Ve为根据实际测量到的回波信号的最大幅值(或其他合适的值)。从而，所述衰减量ΔV可被选择如下：
Vr–V0<ΔV<Ve–V0
在一可选性的实施例中，所述衰减量可大于所述接收到的混响信号Vr与所述触发值V0之间的差值，但不小于所述接收到的回波信号与所述触发值之间的差值。然而，所述衰减量仍然需要小于所述回波信号的最小值以保留所述回波信号。换句话说：
ΔV>Vr–V0；
ΔV≥Ve–V0；以及
ΔV<Ve。
在另一可选性的实施例中，所述衰减量ΔV可被设置为大于所述测量到的混响信号，例如Vr<ΔV<Ve。在可变的实施例中，Vr、Ve以及/或V0的值通过测试或者校准测量来确定。例如，任何上述的值可为一平均值、中间值、最大值、最小值或其他任何测量值。
在一些实施例中，在应用所述衰减后，所述混响信号被减少至零的同时，所述回波信号可被减少到低于所述触发值的非零值。在这样的实施例中，有必要放大衰减后的回波信号，以使得所述衰减的回波信号高于所述触发值而触发距离测量流程。对于在盲区时间段外侦测到的回波信号，也有必要进行放大，用以补偿由于传输媒介引起的衰减。一般的，物体距离所述超声波接收器越远，从所述物体反射回来的回波的衰减也越大。为了补偿回波信号更大的衰减，随着所述测量距离的增加，可应用更大的放大倍数或增益。提供动态调节增益控制的方法将在其他地方进行更详细的描述。
请继续参考图3，如果所述侦测到的信号是在所述盲区时间段外(例如，所述计时器值大于所述盲区时间段)被确定时，则没有必要对所述侦测到的信号进行衰减(例如，去除步骤306)，因为所述残留信号已经可以被认为在此之间就衰减到低于所述最小的触发值且所述侦测到的信号基本就是回波信号。在一些实施例中，所述衰减功能可根据计时器的值来开启或者关闭，所述衰减功能可在所述超声波发射开始或者结束时开启。当所述计时器的值是在盲区时间段内时，所述衰减功能被开启而衰减所述接收到的信号。当所述计时器的值超过所述盲区时间段时，所述衰减功能被关闭，这样所述接收到的信号不再被衰减。在可选的实施例中，所述衰减器可在所述盲区时间段之内或之外提供不同程度的衰减。例如，在盲区时间段内提供的衰减大于所述盲区时间段外提供的衰减。
无论所述信号是否被衰减，所述流程300可包括进一步的对所述信号的处理(步骤308)。在一些实施例中，处理所述信号(步骤308)可包括放大所述信号而无论所述信号是否被衰减。如前所论述的，所述放大可必要增加所述回波信号的能量至足够触发所述距离测量处理的水平。在一些实施例中，处理所述信号(步骤308)可包括计算发送超声波信号及接收所述回波之间的时间，从而测量到物体的距离。如下更详细的描述中，提供用于提高距离测量的精度和准度的方法。
图4示意出了一实施例中的超声波感测系统400的示例性的电路图。在一些实施例中，所述超声波感测系统400可包括多于或少于图4中所示的元件。所述超声波感测系统400可被用于实现这里论述的技术的多个方面。例如，所述超声波感测系统可被用于通过减少或消除所述盲区增加所述超声波感测系统的测量范围，例如，通过应用所述如图3所论述的根据时间对接收到的信号进行衰减。此外，所述超声波感测系统400可被用于维持或者甚至增加所述超声波感测系统的测量范围的上限，通过增加所述超声波发射的能量以及/或放大所述接收到的信号。最后，所述超声波感测系统400可被用于改善所述距离测量的准度和精度，通过对所述接收到的信号的动态增益控制，以及通过使用模数转换器(ADC)去判断峰值的出现。
所述超声波感测系统400包括超声波发射器402以及超声波接收器404。所述超声波发射器402与发射器电路连接，所述超声波接收器404与接收器电路连接。所述发射器电路及接收器电路中的一个或两者至少部分的被控制器412控制。所述超声波发射器402用于响应电信号而发射超声波信号，所述超声波接收器404用于将接收到的声音信号转换为电信号。例如，所述超声波发射器402以及/或超声波接收器404可通过如图1所示的压电换能器实现。在所述超声波发射器402以及所述超声波接收器404以分开的装置进行说明的同时，在一些实施例中，他们也可通过单一的装置实现，例如单一的压电换能器。
根据本发明的一个方面，提供用于增加所述超声波发射相关能量的方法及系统。在一些情景中，增加所述发射的能量是更好的选择，例如，对于克服周围环境中的超声波信号的衰减以及/或增加所述测量范围的上限。例如，超声波可被声波吸收材料所吸收，例如，地毯、海绵以及类似的声波吸收材料。因此，当在铺了地毯的房间内测量时，需要增加所述超声波发射能量以补偿所述衰减。另外，所述发射的超声波的能量越大，所述超声波才有可能到达更远距离的物体且所述回波将以可侦测到的能级(level)回传。因此，增加所述传输的能量可增加超声波感测系统测量范围的上限。
为了增加所述发射的能量，所述超声波发射器402可连接至用于增加所述用于发射的电能量的升压电路422(以下称为升压器)。在一实施例中，所述升压器422可通过用于提升所述控制器提供的电信号值的变压器(例如升压变压器)实现。通常的反相器电路可提供仅仅两倍于所述用于驱动超声波发射器的工作电压。在所述被传输的超声波中，受此限制的能量增加对于补偿由于波形吸收材料(例如在周围环境中的海绵、地毯)导致的信号衰减可能是不足的。相反的，升压器电路可提升所述传输的电压至操作电压的六倍(或者甚至更高，决定于所述硬件的设计)。通过所述传输能量的改进，所述反射的波形可被更加容易地接收到，而且，即使在周围环境中有波形吸收材料时也可触发所述接收电路。
更优选的，所述升压器422用于增加所述电信号的电压值使得所述增加后的电压值位于与所述超声波接收器404有关(相匹配)的电压范围内。进一步的，可能需要额外的机制(例如，当来自所述控制器412的驱动电流不足时)来作为所述发射器中的一部分去增加所述输出的电流和最大化所述发射能量。
根据本发明的另一方面，所述超声波感应系统400提供减少盲区影响或者实现零盲区(例如减少所述盲区的大小至零)的方法。所述方法可类似如图3所述。如前所论述，混响可导致混响信号的产生，从而在盲区时间段内被错误的认为是回波信号。本发明在电路方面通过仅仅在所述盲区时间段内电性连接所述超声波接收器404与衰减电路408解决上述问题，从而在衰减或移除几乎所有的混响信号时允许大多数的回波信号通过。因为所述接收信号的衰减是在电路层次实现的，所述成本的增加相对于如前所述的机械抑制混响的方式来说是最小的。
在一实施例中，所述超声波接收器404连接开关406，所述开关406受控于所述控制器412提供的开关控制信号420。所述开关控制信号420可导致所述开关406在盲区时间段内将所述超声波接收器404及衰减电路408电性连接而衰减所述接收到的信号。所述开关控制信号420还可导致所述开关406在所述盲区时间段之外断开所述超声波接收器404与所述衰减电路408的电性连接，从而所述接收到的信号不再被衰减。在一些实施例中，根据计时器(图中未示)的值决定是否电性连接所述衰减电路408。例如，所述计时器可在所述发射器电路停止驱动所述超声波发射器发射超声波信号时启动。只要所述累积的计数器值没有超过所述盲区时间段，所述开关406可保持所述衰减电路408电性连接。然而，当所述计数器值达到或者超过所述盲区时间段时，所述开关控制信号420控制所述开关406断开所述衰减电路。
在一些实施例中，所述开关406可包括单刀双掷(single-pole,double-throw；SPDT)开关或可包括任意数量刀及/或掷向的开关。在其他实施例中，所述开关可包括多路复用分用器。所述开关406也可包括电子开关，例如功率MOS管(metal–oxide–semiconductorfield-effect transistor；MOSFET)、固态继电器、功率晶体管、绝缘栅极型双晶体管(insulated gate bipolar transistor；IGBT)，或者类似元件。
在不同的实施例中，所述衰减电路408可包括一个或多个无源元件组成的电压分压网络，用以减少电信号的能量。例如，所述衰减电路408可包括二极管和电容或电阻和电容。所述衰减电路的元件可被排布成任何排列，例如Π型或者T型。
在不同的实施例中，所述衰减电路408的参数可根据不同的环境进行配置，用以减少或者消除混响信号而不消除回波信号。所述参数可根据实际或者先前测量的混响信号以及/或回波信号而相应调节。例如，根据所述实际的混响信号以及/或回波信号的幅度(例如，通过示波器测量)，可选择所述衰减电路的无源元件的参数来实现如图3中论述的期望的衰减量，从而使得所述混响信号的幅度低于所述触发值以及/或接近零。
在不同的实施例中，与所述实际测量的混响信号以及/或回波信号相关的特征(例如，幅度)可由多个因素确定，例如所述超声波发射器/接收器的参数或属性、所述超声波发射器/接收器的安装位置或方法(例如，发射器探头与接收器探头的距离、是否有减少机械振动机制，例如有填料被填充)、传播介质、周围环境中的物体以及其他。例如，使用相类似的方法安装时，不同的超声波探头会产生不同的混响以及/或回响信号。当安装不同时，相同的超声波探头也可能产生不同的混响以及/或回响信号。
根据本发明的另一方面，提供用于动态调节与所述混响信号的放大相关的方法和系统，用以提高距离测量的精度以及/或所述距离测量的范围。现有的超声波传感器会包括具有固定增益的放大器，其中所述增益量决定达到所述最大测量距离所需的增益。在某些环境下，所述固定增益控制方式会导致测量结果不准确。特别的，在拥挤的环境中，所述临近最大测量距离的物体会引起所述比较器的错误触发，导致测量错误。例如，在相对于地面的距离测量中，如果有一个盒子位于地面上且位于所述发射器探头的发射范围内，由于根据所述最大测量距离的固定增益来放大信号会导致信号被过于放大，从而来自所述盒子的回波可首先到达所述接收器探头。相反的，使用如本发明所述的所述可调节的增益控制方式，根据所述测量距离提供所述增益值。如此，较小的增益被提供用于较短距离的测量，从而避免过于放大来自近距离物体的回波。如此，本发明可改善所述超声波感测系统的测量准度。
在一可选的实施例中，所述超声波感测系统400包括增益可调节放大器410，用以根据由所述控制器412动态提供的可调增益控制(AGC)信号418去放大接收到的信号。在一实施例中，所述增益可调节放大器410可通过所述开关406电性连接于所述超声波接收器404。在所述盲区时间段内，所述增益可调放大器410可与所述衰减电路408串联从而放大所述已经被所述衰减电路408衰减过的信号。这种衰减后放大可使得所述衰减后得回波信号高于所述触发值从而触发所述距离测量流程。在所述盲区时间段外，所述增益可调放大器410可用于直接放大所述接收到的信号而旁路所述衰减电路408(例如，通过所述开关406)。如此放大所述在盲区时间段外接收到的回波信号可补偿所述传输媒介(例如，空气、水)引起的衰减而增加所述距离测量的范围及准度。
在一些实施例中，所述增益可调放大器410提供的增益是根据所述测量距离动态调节的。一旦所述超声波信号被发射，所述超声波感测系统的测量距离随着所述发射信号被传播到远方而增加。由于所述传播媒介导致的衰减，所述测量距离越远，所述回波信号的衰减越多。因此，随着时间而增加的测量距离会导致衰减的同样增加，通常需要为所述接收的信号提供更多的增益去补偿所述增加的衰减。在一实施例中，所述增益可调放大器410提供的增益是随着所述测量距离的增加而动态可调节地去逐渐增加(根据所述AGC信号418)。所述调节后的增益可以与先前提供的增益相同或大于所述先前提供的增益。
在一些案例中，所述超声波信号的准确的衰减特性可根据所述传播媒介(例如，空气、水)、发射频率、发射器/接收器属性、安装方法以及其他因素而改变。如此，所述AGC信号418以及所述增益可调放大器410提供的增益可至少部分地根据实际增益的实测值来提供，所述实际增益的测量值需要提升所述接收到的回波信号至可达到在不同测量距离下的触发值或可侦测值(例如，足够触发比较器的中断)。可选的，所述增益可根据所述接收到的信号的强度而自动被调节。例如，所述增益可与所述接收到的信号成一定比例，例如呈线性或指数的比例关系。
图5示意出了一实施例中，与不同测量距离或测量范围关联的一些示例性的AGC增益值(AGC值)。对于给定的测量距离或范围，所述相应的AGC信号需要放大所述从所述测量距离或范围接收的回波信号至可侦测的值(例如，超过比较器所定义的所述触发值)。图5左边的表格示出了位于左边列的所述以厘米为单位的测量距离(Range)以及位于右边列的以对数分贝值(dB)为单位的AGC值(POT AGCValue)。所述AGC值可根据输入的回波信号以及被增益可调放大器放大的输出信号而生成，且可指示所述输入信号的放大等级。在一实施例中，所述AGC值可通过分压计或其他测量工具来测量。图5中左边的图表示意出了相同的数据。如图5中的表格以及图表所示，所述AGC值通常随着测量距离的增加而增加。在一些例子中，所述AGC值在两个或多个连续的测量范围中保持一样。对于测量距离，AGC值也可根据发射器/接收器探头的属性、安装方法、传播媒介以及其他因素变化。
为了在特殊环境下的特殊的超声波感测系统提供合适的AGC值，测试性的测量可在使用所述超声波感测系统前被执行以用于测量以及/或计算所述AGC值(例如所述些如图5所示的值)。例如，所述测量距离可以固定的间距(例如10厘米)增加。根据所述接收到的回波信号的幅度，调节所述放大器的AGC值以使得所述回波信号高于所述触发值(例如，触发比较器的阈值)。在实际的距离测量中，所述从所述测试性测量中生成的AGC值可被所述超声波感测系统的控制器所利用，并提供增益控制信号至所述增益可调节放大器以达到所述需要的增益量。考虑到由于超声波的传播的速度是固定的，所述测量距离的变化是与从所述传播开始后的时间的流逝呈比例的，图5中的表格和图表所示的测量距离可被转换为从所述超声波信号发射开始后的时间累积值。在一些实施例中，创建查询表或类似的数据结构可为特殊传感器以及/或情况提供AGC值。根据查询表，提供根据时间的增益控制方法用以近似如图5所示的根据距离的增益控制。
图6是示意出了一示例性的流程600，用以执行于此所述的根据时间的增益控制。特殊的，所述流程600可用于提供动态的增益控制至增益可调放大器，以补偿输入信号的不同的衰减。例如，所述增益量可根据向前测量的以及/或计算的AGC数据而随着时间的增加而来调节(例如增加或保持相同)。在一实施例中，所述流程600可由图4中的控制器412实现。
在一实施例中，所述流程600包括等待预定个数的中断(步骤602)。所述预定个数的中断可以是预定需要处理事件的发生次数，例如，通过中断处理程序或中断服务程序(ISR)去产生中断。例如，当所述输入信号大于预定的触发值时，比较器触发一个中断。在另外的例子中，当模数转换器的输出达到预定的阈值时，触发中断。
在步骤604中，判断是否出现中断。如果是，所述流程600包括处理所述中断，例如，通过执行所述中断服务程序以计算物体的距离。如果没有，所述流程600包括返回至所述等待步骤602。
在一实施例中，所述流程600包括确定是否预定的时间增量Δt已经过去(步骤606)。如果是，调整所述AGC增益值(步骤608)。否则，所述流程600包括返回至所述等待步骤602。这样，每间隔固定的时间间隔调节所述AGC值。所述时间间隔Δt可设置为任意的时间间隔。可选的，可以以变化的时间间隔或者响应预定的事件来调节所述AGC值。在一些实施例中，调节所述AGC值可包括查询所述如图5所示的实测的AGC数据或者相关的变化，以确定合适的AGC值，根据当前测量距离的，或者等同，当前经历的时间。例如，根据所述当前的计时器值，可根据如图5所示的表格确定所述当前测量距离是在70-80厘米的范围(根据所述超声波信号的传播速度)以及所述相应的AGC值是9dB。可增加的或可选的，所述AGC值可根据其他因素来调节，例如从比较器以及/或模数转换器(ADC)的输出、与所述超声波感测系统相关的不同参数，以及类似。根据这些因素的部分或全部，合适的控制信号可根据所述AGC值产生并提供给增益可调放大器，以获得想要的增益量。在一些实施例中，流程600在所述最大测量距离对应的时间段内持续执行。所述最大测量距离是可根据需要来配置。
根据本发明的另一方面，提供使用所述模数转换器结合比较器提高距离测量的精度和准度的方法及系统。例如，图4中的所述超声波感测系统400包括与增益可调放大器410连接的比较器414以及模数转换器416。所述比较器414用于将来自所述增益可调放大器410的输入信号与预定的触发值(例如，电压值)进行比较，从而提供关于所述输入信号是否大于所述预定触发值的指示。例如，所述比较器414可在所述输入信号大于所述预定触发值时输出“1”，否则输出“0”。在一些实施例中，所述比较器的输出(例如，“1”)可触发如图6中所述的中断，从而导致中断服务程序的执行。所述模数转换器416用于将模拟信号转换为表示所述信号的幅度(例如电压)的数字信号。在一些案例中，所述模数转换器的输出可用于触发中断。例如，在所述模数转换器的输出超过预定的阈值时触发如此的中断。在一些实施例中，如图4所示，比较器414以及/或所述模数转换器416可包括于所述控制器412中作为所述控制器412的一部分或整合于所述控制器412内。可选的，所述比较器414以及/或所述模数转换器416可位于所述控制器412之外。
在一些实施例中，所述比较器414以及所述模数转换器416可联合用于提高所述回波信号的测量的精度和准度。特殊的，所述比较器414可用于触发距离测量以及来自所述模数转换器416的测量，可用于确定在预定时间段内所述接收到的信号达到峰值的时间点。所述时间点可用于计算从接收到所述回波信号的位置到物体的距离。通过精确测量所述峰值的时间点，改进了所述距离测量的精度。
一般的，离物体的距离是根据发射超声波信号以及接收被所述物体反射回来的超声波信号之间的时间间隔来计算。所述超声波信号的发射通常发生在所述发射波形峰值的发射时间。如果所述超声波信号的接收的时间设置在所述反射波形触发所述比较器的时间，所述测量的精度将下降，因为在所述反射波形(例如，低于所述峰值)触发比较器以及所述峰值到达的时刻之间将会有一段时间。通过模数转换器，将会相对容易地侦测所述反射波形的峰值以及侦测到所述峰值的时间。所述峰值被侦测到的时间可用于计算到物体的距离，从而提高所述测量的精准度。
图7示意出了一实施例中的示例性的用于判断峰值出现的流程700。所述流程700可被嵌入在控制器412或其他元件中的软件、硬件或者软硬结合等实现。
在一些实施例中，所述流程700包括判断所述模数转换器是否准备用于测量。在一些案例中，接收到的信号触发所述比较器后启动所述模数转换器用于测量。此外，仅仅在特定的时间间隔内利用模数转换器来测量。所述模数转换器的制造商、所述模数转换器的使用者(例如，开发者、终端用户等)等可配置所述时间间隔。
当所述模数转换器准备用于测量，所述当前的模数转换器值(ADC值)ADCcurr通过所述模数转换器获得(步骤704)，所述ADC值指的是输入所述模数转换器的信号的幅度的数值。所述当前的ADC值ADCcurr可用于与预先获得的ADC值ADCold进行比较，以确定是否ADCcurr>ADCold(步骤706)。在一典型的实施例中，ADCold为上一个测量中的ADC值。在一些实施例中，所述ADCold在第一次ADC测量时以及/或在每一次侦测到峰值之后(例如，在步骤708时或之后)被设置为0。
如果当前的ADC值确定为大于所述先前获得的ADC值，这表示所述峰值还没有达到。因此，所述流程700处理至步骤702以启动另一个测量循环。如果，当所述先前获取的ADC值是等于或者大于当前的ADC值时，这意味着所述峰值已经达到。记录所述当前的计时器值tpeak(步骤708)。在一些实施例中，所述计时器在所述超声波信号发射时启动。如此，tpeak指的是所述发射及接收到所述从物体反射回来的超声波信号的峰值之间的时间间隔。
在一些实施例中，所述流程700可用于侦测位于超声波传感器的测量范围内的多于一个的物体。如此，将会有多于一个的tpeak值，每一个对应一个不同的物体。为了实现多个峰值的侦测，所述流程700可包括重复上述的流程，以得到多个tpeak值，只要所述测量时间没有结束。在所述重复测量启动前，可重设ADCold为0。所述测量时间通常指实现所述流程700的距离感测系统的测量最大距离所需的时间。所述测量时间可由所述距离感测系统的特性、所述周围环境、以及/或制造商、用户、客户的配置等决定。
在一些实施例中，所述流程700包括判断所述测量时间是否结束(步骤710)。如果所述测量时间结束，则返回所述一个或多个tpeak(步骤712)。否则，如果所述测量时间没有结束，所述流程700包括循环返回至步骤702，以启动另一个判断是否有峰值出现的循环。
请返回参考图4，在一些实施例中，如前所述的，所述比较器414以及/或模数转换器416可用于控制所述增益可调放大器410以及/或所述开关406。例如，所述AGC信号418以及/或开关控制信号420可根据来自所述比较器414以及/或模数转换器416的输出而产生。
在一些实施例中，所述控制器412可包括位于单一整合电路板上的微控制器单元(microcontroller unit，MCU)。在一些其他实施例中，所述控制器可包括分布式的计算系统。所述控制器412可包括处理单元424、存储器426以及输出/输出外围设备(图中未示)。所述处理单元424可包括一个或多个处理器，例如可编程处理器(例如，中央处理器(central processing unit，CPU))。所述处理单元424用于连接所述存储器426。所述存储器426可包括一个或多个临时性或非临时性存储媒介单元，用以存储可被所述处理单元424运行而执行一个或多个程序或功能的数据以及/或逻辑、代码以及程序指令。例如，所述存储器单元可包括随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory,ROM)，可擦可编程只读存储器(erasableprogrammable read-only memory，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM)等。所述存储器426中的存储器单元可存储数据，如图5中论述AGC值数据或相关的其他数据、包括来自所述比较器、模数转换器、传感器等的输入/输出数据、来自所述处理器单元424的处理结果等。此外，所述存储器426的存储器单元可存储操作参数以及/或可被所述处理单元424执行而用于实现于此描述的方法的任意实施例的逻辑、代码以及/或程序指令。例如，所述处理单元424可用于执行引起所述处理单元424中的一个或多个处理器去提供切换控制信号420至所述开关406以实现图3所论述的根据时间衰减的指令。此外，所述处理单元424还可用于执行引起所述处理单元424中的一个或多个处理器去提供AGC控制信号至所述增益可调放大器410以实现图6中论述的所述根据距离放大所述接收信号的指令。另外，所述处理单元424可用于执行导致处理单元424的一个或多个处理器根据从比较器以及模数转换器的输入去判断峰值出现(包括所述计时点)的指令。虽然图4描述了一个单一的处理单元424以及单一的存储器426，本领域技术人员容易意识到，这些并不是用于限定本发明，且所述系统400可包括多个处理单元以及/或所述存储器的多个存储单元。
在一些实施例中，所述控制器412还可包括多个输入/输出外围设备(图中未示)。例如，所述控制器412可包括一个或多个不连续的输入/输出位，允许控制以及/或侦测单个封装引脚的逻辑状态。可选的或者附加的，所述控制器可包括一个或多个连续的输入/输出，例如串行端口(例如，多个通用异步接收器/发射器(UART))。所述控制器412还可包括一个或多个串行通信接口，例如内置集成电路(Inter-Integrated Circuit，I2C)、串行外围接口(Serial PeripheralInterface(SPI，bus)、控制器区域网络(Controller Area Network，CAN)总线以及其他用于系统内部连接的接口。在一些例子中，所述控制器412还可包括一个或多个外围设备，例如计时器、事件计数器(eventcounter)、脉宽调制(pulse-width modulation，PWM)、时钟发生器(例如用于产生方波时间的振荡器、共鸣器或者RC电路)以及其他。在一些例子中，所述控制器412还可包括一个或多个数模转换器、在线编程以及/或调试支持、USB以及以太网支持等。
当本发明的方法和系统描述在超声波感测系统的上下文中时，可以预见的是本发明的方法和系统的各个方面可被应用于使用雷达、声纳、激光雷达以及其他感测技术的距离感测系统更广的多种方面。
在一些实施例中，于此描述的方法和系统可用于可移动的物体，以提供关于所述可移动物体以及/或周围环境的信息，例如接近目标物体(例如，潜在的障碍物)、地理特征位置、人工结构位置等信息。所述可移动物体通过所述信息感测所述可移动物体的空间配置、速度、以及/或加速度(例如，关于达到平移的三个角度以及达到旋转的三个角度)。此外，所述信息可辅助所述可移动物体的操作，包括但不限于路径规划、所述可移动物体沿着预定的飞行路径的自主导航、障碍物规避等。
所述可移动物体(例如，一无人飞行器(unmanned aerial vehicle，UAV))可包括一个或多个可感测所述可移动物体的空间配置、速度、以及/或加速度(例如，关于达到平移的三个角度以及达到旋转的三个角度)的传感器。所述一个或多个传感器可包括全球定位系统(globalpositioning system，GPS)传感器、运动传感器、惯性传感器、距离传感器(例如，超声波传感器以及/或激光雷达传感器)、图像传感器等。在一些实施例中，旋转所述距离传感器(例如旋转360度)去获得位于所述可移动物体周围的多个物体的距离以及位置信息。分析所述多个物体的距离以及位置信息而确定所述空间配置以及/或所述可移动物体的运动以及/或辅助所述可移动物体的导航。
所述可移动物体还可包括控制器用于控制所述可移动物体的操作以及/或所述可移动物体中的元器件。用户可通过远程控制所述可移动物体，或位于所述可移动物体内的操作者控制所述可移动物体。在一些实施例中，所述可移动物体为无人的可移动物体，例如无人飞行器。无人的可移动物体，例如无人飞行器，可没有操作者位于所述可移动物体内。所述可移动物体可被人或者自主控制系统(例如计算机控制系统)或者其他合适的组合所控制。所述可移动物体可被自主或者半自主的机器人，例如用于具有人工智能的机器人。
在一些实施例中，于此描述的方法和系统的多个方面可由所述可移动物体、遥控装置或者它们的结合所实现。例如，所述接近感测系统400的控制器412可为位于所述可移动物体上的控制器，以控制所述可移动物体的操作或者位于所述移动物体外的控制器，例如位于遥控装置或基站终端设备内的遥控器。例如，所述用于图4中的开关以及/或所述增益可调放大器的控制信号可由所述可移动物体以及/或所述遥控装置的控制器所提供。如另一例子中，所述距离测量以及计算可被所述可移动物体、遥控装置、基站或一些第三方装置中的遥控器执行。在多个不同的实施例中，所述距离感测系统的控制器可为与所述可移动物体的控制器相互分离或者整合。在一些实施例中，所述相同的遥控装置可用于控制所述可移动物体以及所述距离感测系统。在其他实施例中，不同的遥控装置被用于控制所述可移动物体以及所述距离感测系统。在一些例子中，于此描述的距离感测系统提供的数据可被单独使用或者联合从其他传感器或位于所述可移动物体之内或之外的感测系统，例如使用从GPS传感器、运动传感器、惯性传感器、距离传感器、图像传感器等得到的数据，以提供所述可移动物体相关的位置、姿态以及其他状态信息以及或所述可移动物体的周围环境信息。
在不同的实施例中，所述可移动物体可用于在任何合适的环境下移动，例如在空气中(例如，固定翼飞行器、旋转翼飞行器、或既不具有固定翼也不具有旋转翼的飞行器)、在水中(例如，船或潜水艇)、在陆地上(例如，机动车，如汽车、卡车、公交车、有蓬货车、摩托车；可移动的结构或框架如棍棒、钓鱼竿；或火车)、在地面下(例如地铁)、在宇宙空间中(例如空间飞行器、人造卫星、或探测器)或者所述些环境的任意结合。所述可移动物体可安装于活动的对象上，例如人或动物。合适的动物可包括鸟科动物、犬科动物、猫科动物、马、牛、绵羊、猪、海豚、啮齿科动物、或者昆虫。
所述可移动物体可在环境中以六个自由角度自由的移动(例如，在平移的方向上有三个自由而角度，在旋转方向上有三个自由的角度)。可选的，所述可移动物体的移动可被限制于一个或多个自由角度，例如，通过预定的路径、轨道或方向。所述移动可被任何合适的激励机制所触发，例如引擎或发动机。所述可移动物体的激励机制可由任何合适的能源进行驱动，例如电能、磁能、太阳能、风能、重力势能、化学能、核能或其他任意的组合进行驱动。
在一些例子中，所述可移动物体可为有人驾驶或无人驾驶的交通工具。合适的交通工具可包括水上交通工具、空中交通工具、宇宙空间交通工具或陆地交通工具等。例如，空中交通工具可为固定翼飞行器(例如，飞机或滑翔机)、旋转翼飞行器(例如，直升飞机、旋翼飞机)、同时具有固定翼和旋转翼的航行器、或既不具有固定翼也不具有旋转翼的航行器(例如，软式小型飞船、热气球)。交通工具可为机动式的，例如通过空气、水上或水下、宇宙空间、或地上或地下的机动式交通工具。机动式交通工具可利用推进式系统，例如推进式系统包括一个或多个引擎、发动器、车轮、车轴、磁铁、旋翼、推进器、叶片、喷管以及任何合适的结合。在一些例子中，所述推进式系统可被用于时能所述可移动物体从表面上离开、着陆于表面、保持其当前的位置以及/或方向(例如盘旋)、改变方向以及/或改变位置。
例如，所述推进式系统可包括一个或多个旋翼。旋翼可包括一个或多个叶片(例如，一个、两个、三个、四个或多个叶片)附于中心轴上。所述些叶片可对称或非对称地相对于所述中心轴安置。所述叶片可由于所述中心轴的旋转而翻转，所述中心轴可被一合适的发动机或引擎驱动而旋转。所述叶片可被配置为以顺时针方向旋转以及/或逆时针方向旋转。所述旋翼可为一水平旋翼(指具有水平面旋转的旋翼)或垂直方向旋翼(指具有垂直面旋转的旋翼)或以所述水平以及垂直位置之间的中间角度翘起的旋翼。在一些实施例中，水平方向的旋翼可旋转而提供给所述可移动物体上升的力。所述垂直方向上的旋翼可旋转而提供给所述可移动物体的推进的力。朝向所述水平以及垂直位置之间的中间角度的旋翼可转动而同时为所述可移动物体提供上升以及推进的力。一个或多个旋翼可被用于提供扭矩去抵消由于其他旋翼的旋转产生的扭矩。
所述可移动物体可具有任意合适的大小以及/或尺寸。在一些实施例中，所述可移动物体具有可包括人位于所述交通工具之内或之上的大小以及/或尺寸。可选择的，所述可移动物体可具有小于能够收容人在所述交通工具之内或之上的大小以及/或尺寸。所述可移动物体还可具有适合人提起或携带的大小以及/或尺寸。可选的，所述可移动物体可大于适合人提起或携带的大小以及/或尺寸。在一些例子中，所述可以动物可可具有最大的尺度(例如，长度、宽度、高度、直径、对角线)，其小于或等于大约：2厘米、5厘米、10厘米、50厘米、1米、2米、5米或10米所述最大的尺度可大于或等于大约：2厘米、5厘米、10厘米、50厘米、1米、2米、5米或10米。例如，所述可移动物体的相对旋翼的轴之间的距离可小于或等于大约：2厘米、5厘米、10厘米、50厘米、1米、2米、5米或10米。可选的，所述可移动物体的相对旋翼的轴之间的距离可大于或等于大约：2厘米、5厘米、10厘米、50厘米、1米、2米、5米或10米。
在一些实施例中，所述可移动物体的体积可小于100厘米x 100厘米x 100厘米、小于50厘米x 50厘米x 30厘米、或小于5厘米x 5厘米x 3厘米。所述可移动物体的总体积可小于或等于大约：1cm3(立方厘米)、2cm3、5cm3、10cm3、20cm3、30cm3、40cm3、50cm3、60cm3、70cm3、80cm3、90cm3、100cm3、150cm3、200cm3、300cm3、500cm3、750cm3、1000cm3、5000cm3、10,000cm3、100,000cm3、1m3(立方米)或10m3。相反的，所述可移动物体的总体积可大于或等于大约：1cm3、2cm3、5cm3、10cm3、20cm3、30cm3、40cm3、50cm3、60cm3、70cm3、80cm3、90cm3、100cm3、150cm3、200cm3、300cm3、500cm3、750cm3、1000cm3、5000cm3、10,000cm3、100,000cm3、1m3或10m3。
在一些实施例中，所述可移动物体可具有占地面积(可移动物体的横断面的面积)，其小于或等于大约：32,000cm2(平方厘米)、20,000cm2、10,000cm2、1,000cm2、500cm2、100cm2,50cm2、10cm2或5cm2。相反的，所述占地面积可大于或等于大约：32,000cm2(平方厘米)、20,000cm2、10,000cm2、1,000cm2、500cm2、100cm2,50cm2、10cm2或5cm2。
在一些例子中，所述可移动物体可不重于1000千克。所述可移动物体的重量可小于或等于大约：1000千克、750千克、500千克、200千克、150千克、100千克、80千克、70千克、60千克、50千克、45千克、40千克、35千克、30千克、25千克、20千克、15千克、12千克、10千克、9千克、8千克、7千克、6千克、5千克、4千克、3千克、2千克、1千克、0.5千克、0.1千克、0.05千克、或0.01千克。相反的，所述可移动物体的重量可大于或等于大约：1000千克、750千克、500千克、200千克、150千克、100千克、80千克、70千克、60千克、50千克、45千克、40千克、35千克、30千克、25千克、20千克、15千克、12千克、10千克、9千克、8千克、7千克、6千克、5千克、4千克、3千克、2千克、1千克、0.5千克、0.1千克、0.05千克、或0.01千克。
在一些实施例中，可移动物体可小于被所述可移动物体携带的负载物。所述负载物可包括如下所详细描述的有效负载以及/或承载体。在一些例子中，可移动物体与负载物重量的比率可大于、小于或等于将近1:1。在一些实例中，可移动物体与负载物重量的比率可大于、小于或等于将近1:1。可选择的，承载体与负载的重量比率可大于、小于或等于将近1:1。当需要时，可移动物体与承载物的重量的比率可小于或等于：1:2,1:3,1:4,1:5,1:10，甚至更小。相反的，可移动物体与承载物的重量的比率可大于或等于：2:1,3:1,4:1,5:1,10:1，甚至更大。
在一些实施例中，所述可移动物体可具有低的能耗。例如，所述可移动物体可使用小于大于：5W/h(瓦每小时)5W/h、4W/h、3W/h、2W/h、1W/h或者更小。在一些实例中所述可移动物体的承载体可具有低能耗。例如，所述承载体可使用小于大约：5W/h、4W/h、3W/h、2W/h、1W/h或者更小。可选择的，所述可移动物体的有效负载可具有低能耗，例如小于大约：5W/h、4W/h、3W/h、2W/h、1W/h或者更小。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员现将在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等效项。

Claims (30)

1.一种超声波感测系统，包括：
超声波发射器，用于提供超声波信号的发射；
超声波接收器，用于接收作为所述发射的结果而产生的包括回波信号以及混响信号的超声波信号；
衰减电路，通过开关与所述超声波接收器连接，所述衰减电路用于衰减所述接收到的超声波信号；以及
微控制器单元，用于控制所述开关仅在所述超声波信号发射后的预定时间段内将所述超声波接收器与所述衰减电路电性连接。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声波发射器为所述超声波接收器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预定时间段与所述超声波感测系统的盲区时间段相对应。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少部分地根据预先测量的回波信号或混响信号的幅度选择所述衰减电路。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括升压器，用于增加与所述超声波信号发射相关的能量级。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括增益可调放大器，用于放大所述回波信号。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述微控制器单元还用于至少部分地根据对应测量距离的计时器的值改变所述增益可调放大器的增益。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述微控制器单元还用于至少部分地根据预先测量的数据改变所述增益可调放大器根据的增益。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述微控制器单元还用于在所述预定时间段过后，控制所述开关将所述超声波接收器与所述增益可调放大器电性连接而不将所述衰减电路与所述增益调节电路电性连接。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括与所述增益可调放大器连接的比较器，用于比较所述增益可调放大器的输出值与预定的阈值。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述比较器与所述微控制器单元集成在一起。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括模数转换器，所述模数转换器与所述增益可调放大器连接并用于将所述增益可调放大器的输出值转换为数字值。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述比较器以及所述模数转换器一起配合用于判断接收到的超声波信号的峰值的出现。
14.一种用于超声波感测的方法，包括步骤：
在停止发射超声波信号后，侦测信号，所述侦测的信号可为回波信号或混响信号；
判断所述超声波信号的侦测是否发生于所述超声波信号发射停止后的预定时间段内；
所述信号的侦测发生在所述预定时间段内时，衰减所述侦测到的信号，以充分降低由超声波信号发射的混响引起的干扰；以及
所述信号的侦测发生在所述预定时间段后时，在不对所述侦测的信号进行衰减的情况下对所述侦测信号进行处理而确定物体的距离。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述预定时间段与盲区时间段相对应。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，至少部分地根据一个或多个预先测量的信号来衰减所述接收到的超声波信号根据。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，处理所述侦测到的信号包括使用比较器以及模数转换器去判断峰值的出现。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
至少部分地根据预先测量数据为所述侦测到的超声波信号提供增益，所述预先测量数据与测量距离以及适合所述测量距离的增益相关。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
至少部分地根据计时器的值给所述侦测到的超声波信号提供增益。
20.一种用于超声波感测的方法，包括：
在停止发射超声波信号后，侦测信号，其中所述侦测的信号为回波信号或混响信号；以及
衰减所述侦测到的信号，从而充分的消除所述混响信号而不消除所述回波信号。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，对所述侦测到的信号的衰减仅仅在所述超声波信号发射后的预定时间段内发生。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，至少部分地根据回波信号或混响信号的预先测量的幅度衰减所述侦测到的信号。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：使用比较器以及模数转换器去判断峰值的出现。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
至少部分地根据预先测量的数据为所述侦测到的超声波信号提供增益。
25.一种用于超声波感测的方法，包括：
至少部分地根据预先测量的可调节增益控制数据调节放大器，以为接收到的超声波信号提供第一增益；以及
在稍后的时间点，至少部分地根据所述预先测量的可调节增益控制数据调节所述放大器以提供大于所述第一增益的第二增益。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述预先测量的数据与测量距离以及适合所述测量距离的增益相关。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
调节所述放大器以提供随着时间增加的增益，直到侦测到回波信号或者到达预定的测量时间。
28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，只有在所述超声波信号在预定时间段内被接收到时，所述接收到的超声波信号才在被放大之前被衰减。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，在所述预定时间段内，衰减所述接收到的超声波信号以消除绝大部分的混响信号而不消除回波信号。
30.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
使用比较器以及模数转换器去判断峰值的出现。
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