CN106291522B - 一种超声波测距装置及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测距装置及测距方法，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、超声波传感器、A/D转换器、微处理器控制芯片；所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器的输出信号经过A/D转换器和隔离模块后送入到微处理器控制芯片中；所述微处理器控制芯片的输入端与超声波传感器的输出端相连。本发明使得用户可以通过显示屏查看当前待测距离、环境温度、大气湿度及大气压强。此外，当超声波测距仪正常工作时，测距仪上面的LED指示灯显示绿灯，当出现故障时，显示红灯。微处理器控制芯片通过L‑M算法拟合出的超声波声速方程来对计算实际的超声波声速，进而求出高精度的待测距离，整个超声波测距仪实现了自动化报警、断电的保护措施。

Description

一种超声波测距装置及测距方法

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种超声波测距装置及测距方法。

背景技术

随着国民经济的迅速发展，测距技术在医疗探伤、建筑工地、工业现场、倒车提醒等领域应用作用越来越广泛。根据测距是否接触，主要分为接触式和非接触式测距方法，其中非接触式方法主要有激光、超声波及红外线等，激光测距精度高，但其价格高昂，很少应用在民用领域。红外测距的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度底，距离近，方向性差等。由于超声波对外界光线和电磁场不敏感且具有体积小，结构简单，费用低，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点。超声波测距的应用变得越来越普及。已经广泛应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。目前，国内市场上使用的超声波测距仪主要是通过温度对声波进行直接补偿。然而，直接进行温度的补偿，容易存在环境温度测量的误差，进而造成声速误差加大，此外，超声波在介质中的传播速度还与空气湿度、大气压力等因素有关，因此超声波的声速易受到环境温度，空气湿度及大气压的影响，且呈相关关系，因此，可用方程描述超声波声速变化过程。而L-M算法是一种无条件约束优化且专门用于误差平方和最小化的方法，是梯度下降法和牛顿法的结合，所以本发明将采用L-M算法对超声波声速进行曲线拟合。

发明内容

为了达到上述技术目的，充分考虑到超声波在介质中的传播速度受周围环境温度、湿度、压力等因素的影响，本发明提出了一种超声波测距装置及测距方法，具有高精度、响应速度快、低成本等特点。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种超声波测距装置，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、超声波传感器、A/D转换器、微处理器控制芯片；所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器的输出信号经过A/D转换器后送入到微处理器控制芯片中；所述微处理器控制芯片的输入端还与超声波传感器的输出端相连。

所述的一种超声波测距装置，还包括隔离模块、电源模块、显示模块和时钟模块，所述隔离模块位于A/D转换器和微处理器控制芯片之间，所述电源模块、显示模块和时钟模块分别与微处理器控制芯片电连接。

所述显示模块包括指示灯、显示屏。

所述微处理器控制芯片中包括声速拟合单元，用于将温度传感器、湿度传感器、气压传感器中实时测得的值，带入到声速拟合单元中的拟合方程中去拟合计算出实际超声波声速，最后根据下式计算出实际待测距离：

S＝vt/2

式中：S为实际待测距离，v为实际超声波声速，t为超声波传感器接收高电平持续的时间；所述拟合方程v＝f(T,R,P)为：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))^2+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln为自然对数的符号，P₁、P₂……P₁₁为拟合常系数。

一种超声波测距方法，包括以下步骤：

步骤一、采集实际环境的环境温度T、大气湿度R、大气压强P；

步骤二、基于L-M算法拟合超声波声速v的拟合方程；

步骤三、将环境温度T、大气湿度R、大气压强P带入到超声波声速v的拟合方程v＝f(T,R,P)，得到实际超声波声速v；

步骤四、根据实际超声波声速v、超声波传感器接收高电平持续的时间t，计算得到实际待测距离S，完成测距。

所述的一种超声波测距方法，所述超声波测距方法还包括：步骤五：通过显示屏查看当前测得的距离S、环境温度T，大气湿度R及大气压强P。

所述步骤二的基于L-M算法拟合超声波声速V的拟合方程v＝f(T,R,P)，具体为：

(1)给出训练误差允许值ε，初始化向量Z(0)，Z(0)为拟合方程v＝f(T,R,P)的参数组成的向量赋予的初始值；

(2)利用新的阈值和权值组成变换矩阵计算Z(i)；

(3)计算误差指标函数E(Z)的Jacobian矩阵J(Z)；

(4)计算残差ΔZ，如果E(Z(i))＜ε，跳转到步骤(6)；否则计算Z(i+1)，同时计算误差指标函数E(Z(i+1))；

(5)若E(Z(i+1))＜E(Z(i))，则令i＝i+1，μ＝μ/β，转到步骤(2)；否则不更新矩阵Z，Z(i+1)＝Z(i)，μ＝μβ，转到步骤(4)；

(6)停止，得到拟合方程：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))^2+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln为自然对数的符号，P₁、P₂……P₁₁为拟合常系数；Z(i)为第i次迭代的阈值和权值组成的向量，Z(i+1)为第i+1次迭代的阈值和权值组成的向量，Z(i+1)＝Z(i)+ΔZ，其中ΔZ＝-[J^T(Z)J(Z)+μI]^-1J(Z)e(Z)，J(Z)为Jacobian矩阵，μ阻尼系数，μ＞0，β为因子，I为单位矩阵，误差e(Z)＝(e₁(Z),e₂(Z),…,e_N(Z))^T， E(Z)为误差指标函数，N为输出向量的维数，n代表权值数目，N和n为正整数。

本发明的有益效果：

本发明的一种超声波测距装置及测距方法，用户可以通过TFTLCD显示屏查看当前待测距离S、环境温度T、大气湿度R及大气压强P。此外，当超声波测距仪正常工作时，测距仪上面的LED指示灯显示绿灯，当出现故障时，显示红灯。微处理器控制芯片通过L-M算法拟合出的超声波声速方程来对计算实际的超声波声速，进而求出高精度的待测距离S，整个超声波测距仪实现了自动化报警、断电的保护措施；此处讲的断电保护主要是指采用软件的方式来对数据进行保护的，因为微控制器里面的RAM(随机存储器)一旦电源关闭或者发生断电，其RAM中的数据将会丢失，为了能把所测量到的数据保存下来且为了节约整个装置的成本，所以此处我们采用微控制器自带的Flash存储器(闪存)模拟EEPROM(带电可擦写可编程只读存储器)来对测量的数据进行存储，这样当整个装置重新工作的时候就可以对断电时的数据读取并显示出来。

附图说明

图1为本发明的一种超声波测距装置的一种实施例的原理示意图。

图2为本发明的一种超声波测距方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，一种超声波测距装置，包括温度传感器2、湿度传感器3、气压传感器4、超声波传感器5、A/D转换器6、微处理器控制芯片1；所述温度传感器2、湿度传感器3、气压传感器4的输出信号经过A/D转换器6后送入到微处理器控制芯片1中；所述微处理器控制芯片1的输入端还与超声波传感器5的输出端相连。

所述的一种超声波测距装置，还包括隔离模块7、电源模块9、显示模块10和时钟模块8，所述隔离模块7位于A/D转换器6和微处理器控制芯片1之间，所述电源模块9、显示模块10和时钟模块8分别与微处理器控制芯片1电连接。

所述显示模块10包括指示灯、显示屏。

所述微处理器控制芯片1中包括声速拟合单元，用于将温度传感器、湿度传感器、气压传感器中实时测得的值，带入到声速拟合单元中的拟合方程中去拟合计算出实际超声波声速，最后根据下式计算出实际待测距离：

S＝vt/2

式中：S为实际待测距离，v为实际超声波声速，t为超声波传感器接收高电平持续的时间；所述拟合方程v＝f(T,R,P)为：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))^2+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln为自然对数的符号，P₁、P₂……P₁₁为拟合常系数，是借助L-M算法拟合出来的系数，主要受到超声波声速v,环境温度T、大气湿度R及大气压强P的影响。

在本发明中，微处理器控制芯片：负责采集环境温度T、大气湿度R、大气压强P和接收高电平持续的时间t(即超声波传感器的渡越时间)，并通过拟合方程求出高精度超声波声速，进而求出实际待测距离。

温度传感器2：由高反射率的材料和A级Pt100薄膜铂电阻组成，能减少辐射误差，提高温度测量精度。

在本发明的一种实施例中，温度传感器2：由高反射率的材料和A级Pt100薄膜铂电阻组成，能减少辐射误差，提高温度测量精度；湿度传感器3：用于采集环境实时相对湿度R；气压传感器4：用于测量环境大气压强P；超声波传感器5：采用HC-SR04超声波测距模块，用于采集超声波从发射到接收的渡越时间t；A/D转换模块6：采用24位Σ/Δ低噪声模数转换器AD7794，主要功能是将温度传感器、湿度传感器及气压传感器采集到模拟量转化成以数字形式输出的数字量；隔离模块7：采用光电耦合器，主要作用是对输入、输出电信号进行良好的隔离，保证电绝缘能力和抗干扰能力；显示模块10：包括指示灯、TFTLCD显示屏两部分，指示灯亮绿灯表示超声波测距离仪正常工作，亮红灯表示超声波测距离仪出问题。TFTLCD显示屏可以用来显示当前待测距离S、环境温度T，大气湿度R及大气压强P。、

综上所述：超声波测距装置的工作原理为：

(1)系统上电后，微控制器通过数据采集装置采集环境实时温度T、大气湿度R和大气压强P，并利用存储在微处理器控制芯片内的声速拟合单元中的超声波声速拟合方程v＝f(T,R,P)求出高精度环境实时超声波声速v。

(2)根据得到的环境实时超声波声速v，再通过微处理器控制芯片的捕获功能计算出超声波接收器高电平持续的时间t，由于求出超声波声速的时候，还需要知道超声波从发射到接收的时间t，这样才能计算出待测物体的距离S。本发明中采用的超声波传感器为渡越时间类型的传感器，也就是说该传感器只能测量超声波从发射到接收的时间t，而这个时间t在超声波传感器中是通过高电平持续的时间来进行测量的，这个高电平持续时间的测量是通过微控制器定时器自带的具有输入捕获功能的定时器来进行捕获高电平的，这样定时器的时间就是超声波传感器从发射声波到接受声波的时间t了。进而算出超声波测距仪的待测距离S，并将所得距离S、采集的环境温度T、大气湿度R及大气压强P传输给TFTLCD显示屏，方便用户观察。

一种超声波测距方法，包括以下步骤：

步骤一、采集实际环境的环境温度T、大气湿度R、大气压强P；在具体实施例中，分别通过温度传感器、湿度传感器和气压传感器来采集环境温度T、大气湿度R、大气压强P；

步骤二、基于L-M算法拟合超声波声速v的拟合方程；

步骤三、将环境温度T、大气湿度R、大气压强P带入到超声波声速v的拟合方程

v＝f(T,R,P)，得到实际超声波声速v；

步骤四、根据实际超声波声速v、超声波传感器接收高电平持续的时间t，计算得到实际待测距离S，完成测距。

所述超声波测距方法还包括：步骤五：通过显示模块中的显示屏查看当前测得的距离S、环境温度T，大气湿度R及大气压强P；通过显示模块中的指示灯进行测距报警。

所述步骤二的基于L-M算法拟合超声波声速V的拟合方程v＝f(T,R,P)，具体为：

(1)给出训练误差允许值ε，初始化向量Z(0)，Z(0)为拟合方程v＝f(T,R,P)的参数组成的向量赋予的初始值；

(2)利用新的阈值和权值组成的变换矩阵计算Z(i)；环境温度T，大气湿度R及大气压强P对声速有直接影响，在同一温度、湿度下，气压越高，超声波的声速就会越大；在一定湿度、气压下，温度和超声波声速成正相关，同理，在一定的温度、气压下，湿度与超声波的声速成正相关(只是湿度和声速的变化过程比较缓慢，但是依旧是正相关)，通过上述关系来确定阈值的大小，进而筛选符合要求的数据，针对所筛选出来数据，使用权值抛弃偏离误差较大的数值，然后通过新的误差来确定权值的更新(i为第i次的迭代,Z(i)是第i次迭代的阈值和权值组成的向量矩阵)；

(3)计算误差指标函数E(Z)的Jacobian矩阵J(Z)；

(4)计算残差ΔZ，如果E(Z(i))＜ε，跳转到步骤(6)；否则计算Z(i+1)，同时计算误差指标函数E(Z(i+1))；

(5)若E(Z(i+1))＜E(Z(i))，则令i＝i+1，μ＝μ/β，转到步骤(2)；否则不更新矩阵Z，Z(i+1)＝Z(i)，μ＝μβ，转到步骤(4)；

(6)停止，得到拟合方程：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))^2+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln为自然对数的符号，P₁、P₂……P₁₁为拟合常系数；Z(i)为第i次迭代的阈值和权值组成的向量，Z(i+1)为第i+1次迭代的阈值和权值组成的向量，Z(i+1)＝Z(i)+ΔZ，其中ΔZ＝-[J^T(Z)J(Z)+μI]^-1J(Z)e(Z)，J(Z)为Jacobian矩阵，μ阻尼系数，μ＞0，β为因子，I为单位矩阵，误差e(Z)＝(e₁(Z),e₂(Z),…,e_N(Z))^T， E(Z)为误差指标函数，N为输出向量的维数，n代表权值数目，N和n为正整数。

具体实施时，记录采用L-M算法控制方法的测量序号、实际值、测量值、相对误差。如表1所示：(测量值就是用发明的超声波测距装置进行测量的，实际值就是用高精度的激光测距仪测量的)

表1

分析表1中的数据，本发明的基于L-M算法的超声波测距装置能够把测量值误差控制在0.785cm左右，相对误差小于1％，因此本发明的超声波测距装置具有相对误差小、测量精确度高等特点。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种超声波测距装置，其特征在于：包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、超声波传感器、A/D转换器、微处理器控制芯片；所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器的输出信号经过A/D转换器后送入到微处理器控制芯片中；所述微处理器控制芯片的输入端还与超声波传感器的输出端相连；

所述微处理器控制芯片中包括声速拟合单元，用于将温度传感器、湿度传感器、气压传感器中实时测得的值，带入到声速拟合单元中的拟合方程中去拟合计算出实际超声波声速，最后根据下式计算出实际待测距离：

S＝vt/2

式中：S为实际待测距离，v为实际超声波声速，t为超声波传感器接收高电平持续的时间；所述拟合方程v＝f(T,R,P)为：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))^2+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln为自然对数的符号，P₁、P₂……P₁₁为拟合常系数，T为环境温度，R为大气湿度，P为大气压强。

2.根据权利要求1所述的一种超声波测距装置，其特征在于：还包括隔离模块、电源模块、显示模块和时钟模块，所述隔离模块位于A/D转换器和微处理器控制芯片之间，所述电源模块、显示模块和时钟模块分别与微处理器控制芯片电连接。

3.根据权利要求2所述的一种超声波测距装置，其特征在于：所述显示模块包括指示灯、显示屏。

4.一种超声波测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采集实际环境的环境温度T、大气湿度R、大气压强P；

步骤二、基于L-M算法拟合超声波声速v的拟合方程，具体为：

(1)给出训练误差允许值ε，初始化向量Z(0)，Z(0)为拟合方程v＝f(T,R,P)的参数组成的向量赋予的初始值；

(2)利用新的阈值和权值组成变换矩阵计算Z(i)；

(3)计算误差指标函数E(Z)的Jacobian矩阵J(Z)；

(4)计算残差ΔZ，如果E(Z(i))<ε，跳转到步骤(6)；否则计算Z(i+1)，同时计算误差指标函数E(Z(i+1))；

(5)若E(Z(i+1))<E(Z(i))，则令i＝i+1，μ＝μ/β，转到步骤(2)；否则不更新矩阵Z，Z(i+1)＝Z(i)，μ＝μβ，转到步骤(4)；

(6)停止，得到拟合方程：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))^2+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln为自然对数的符号，P₁、P₂……P₁₁为拟合常系数；Z(i)为第i次迭代的阈值和权值组成的向量，Z(i+1)为第i+1次迭代的阈值和权值组成的向量，Z(i+1)＝Z(i)+ΔZ，其中ΔZ＝-[J^T(Z)J(Z)+μI]^-1J(Z)e(Z)，J(Z)为Jacobian矩阵，μ阻尼系数，μ＞0，β为因子，I为单位矩阵，误差e(Z)＝(e₁(Z),e₂(Z),…,e_N(Z))^T，E(Z)为误差指标函数，N为输出向量的维数，n代表权值数目，N和n为正整数；

步骤三、将环境温度T、大气湿度R、大气压强P带入到超声波声速v的拟合方程v＝f(T,R,P)，得到实际超声波声速v；

步骤四、根据实际超声波声速v、超声波传感器接收高电平持续的时间t，计算得到实际待测距离S，完成测距。

5.根据权利要求4所述的一种超声波测距方法，其特征在于：所述超声波测距方法还包括：步骤五：通过显示屏查看当前测得的距离S、环境温度T，大气湿度R及大气压强P。