CN106772393A - 一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，首先在超声测距系统的可测范围内任意选择一组不同距离进行标定，通过求解每个距离测量信号对应的包络振幅最大值M，并将超声激励脉冲发生和结束的中间时刻与接收波包络首次到达M/2之间的时刻差表示为飞行时间，得到与标定距离组相对应的飞行时间组；再将待测距离的计算公式定义为以标定距离组及其飞行时间组为样本数据，利用最小二乘法进行线性拟合，得到实际速度和误差修正值δ；对于待测距离l'，利用上述方法得出超声波在介质中的飞行时间t，再由距离公式可计算得出l'值。本发明通过对飞行时间的精确搜索、实际波速的获取以及距离偏差的修正，使得待测距离的测量结果更加准确。

Description

一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法

技术领域

本发明属于超声波测距技术领域，具体涉及一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法。

背景技术

超声波测距是一种有源非接触式测量技术，利用超声波在空气中的定向传播测量声波的传播距离，被广泛应用于液位监测、倒车雷达、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前，国内外研究较多的超声波测距原理主要包括相位差检测法、多频测距法和飞行时间检测法。在这三种典型测量原理中，由于具有硬件要求简单、技术成熟等特点，飞行时间检测法的应用最为广泛，飞行时间检测法主要依据于公式l＝c*t，其中c是超声波在介质中的传播速度，t是超声波发射到接收端所需的飞行时间。

在基于飞行时间检测的超声测距法中，超声波接收信号的处理是整个测量系统的关键技术之一，其目的是确定超声波发射时刻与接收起点时刻之间的飞行时间t，以便进一步计算待测距离l。一般当发射端发射非连续的激励脉冲后，接收端超声传感器的惯性延迟使得起振需要上升时间，而且起振阶段幅值较小，导致接收波的波形近似于一种慢起伏的正弦调制信号。上述接收波特性使得其对应包络的起点时刻难以进行检测，由于包络起点时刻与到达峰值时刻的关系比较稳定，因此可以通过检测包络到达峰值的时刻来确定接收波起点时刻。

与传统的超声波测距系统采用模拟电路接收作为接收波检测电路相比，对接收波信号进行数字化分析处理能够获得更高的峰值检测精度。目前，互相关函数法是脉冲法超声测距中最常用的接收波数字信号处理方法，但窄带接收波信号的振荡特性导致它们的相关函数在峰值位置近似于作等幅振荡，其峰值的不唯一性为精确搜索带来困难，从而在高精度测量系统的应用中具有局限性。此外，超声波在传播介质中的速度c通常会受到温度、湿度、介质密度、风向、压强等多种环境因素的影响。由于温度是主要的影响因素，现有基于飞行时间检测法的测距系统增加了温度修正模块，但没有考虑其他环境因素对测距结果的影响。

[文献1]“超声波测距精度的探讨”，湖南大学学报(自然科学版)，第29卷第3期(2002)。

[文献2]“基于二次曲线拟合的超声测距算法研究与实现”，测控技术，第33卷第5期(2014)。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，通过搜索唯一性更优的接收波包络幅值的二分之一处来实现飞行时间t的精确检测，且通过一种“修正”的方式来考虑测量环境及误差因素的影响，从而使得测距结果更接近于其真实值。

本发明所采用的技术方案是：一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：考虑超声波飞行速度会受到环境因素影响及其检测信号不可避免存在的误差干扰，将待测距离的计算公式定义为其中，表示在该环境下的实际波速，δ为误差修正项；

步骤2：在超声测距系统的可测范围内任选一组距离值，以标定的方法获得超声波在该测量环境下的实际速度和测距系统的误差修正值δ；

步骤3：对于任一待测距离l'，通过对其获得的超声波接收信号进行包络求解可进一步得到超声波在介质中的飞行时间t，将获得的t值代入距离公式即可准确地计算得出当前的距离值l'。

作为优选，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：在超声测距系统的可测范围内任意选择一组不同距离值L＝{l₁,l₂,…,l_N}，对每个距离进行标定后由发射端的激励超声发射器产生超声信号，分别在各标定距离处获得相应的超声波接收信号，并以Δt为采样时间间隔同步A/D采样激励脉冲与超声接收信号；

步骤2.2：分别对获得的每个接收波信号进行包络求解，得到其对应的包络振幅最大值M。将超声发射器激励脉冲的发生与结束之间的中间时刻记为t'，超声接收波包络首次到达M/2的时刻记为t”，则有t'＝i·Δt和t”＝j·Δt，其中i和j分别代表t'和t”时刻对应的采样点序列。将超声波在介质中的飞行时间表示为t＝t”-t'，从而可得到与各标定距离相对应的一组飞行时间T＝{t₁,t₂,…,t_N}；

步骤2.3：以标定的距离组L及其对应的飞行时间组T为样本数据，利用最小二乘法对二者进行线性拟合，即可得出该测量系统中的环境下超声波的实际速度和测距系统的误差修正值δ；

作为优选，步骤3的具体实现过程是：对于任一的待测距离l'，利用步骤2中的方法对其获得的超声波接收信号进行包络求解，进而得到超声波在介质中的飞行时间t，将获得的t值代入距离公式即可计算得出当前的待测距离值l'。

在现有飞行时间检测法的基础上，本发明提供一种改进的超声波测距方法。首先，在本发明中飞行时间t是通过搜索超声波接收信号包络幅值的二分之一处对应的时刻进行检测的，而该位置所具有的唯一性克服了由于包络峰值位置的等幅振荡所带来的搜索精度局限性；其次，本发明综合考虑了环境因素对超声波速度的影响以及接收波信号误差造成的距离测量误差，通过在该测距系统下标定多个距离，利用直线拟合法得到超声波的实际速度和接收波信号误差导致的距离偏差。其中，标定距离的数目越多，其拟合结果越接近真实值，通过对飞行时间的精确搜索、实际波速的获取以及距离偏差的修正，使得待测距离的测量结果更加准确。

附图说明

图1本发明实施例中的超声波测距系统示意图。

图2本发明实施例中的接收超声波及其包络解曲线和飞行时间t的表达示意图。

图3本发明实施例中的标定距离组与对应飞行时间组的最小二乘直线拟合结果。

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，以下结合附图及示例性实施例，对本发明的快速解包络算法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。

本发明提供的一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，包括以下步骤：

步骤1：考虑超声波飞行速度会受到环境因素影响及其检测信号不可避免存在的误差干扰，将待测距离的计算公式定义为其中，表示在该环境下的实际波速，δ为误差修正项；

本实例中的超声测距系统如图1所示，超声波发射器和接收器以分体对射式安装在直线导轨上，发射器底端固定在直线导轨底端，接收器可在0～300mm的范围内移动，测距系统的传播介质为空气。

步骤2：在超声测距系统的可测范围内选一组距离值，以标定的方法获得超声波在该测量环境下的实际速度和测距系统的误差修正值δ；

步骤2.1：本实施例以30mm为间隔在其可测范围内选取距离组L＝{0,30,60,…,270,300}mm，分别对这11个距离进行标定后在发射端通过STM32单片机连续发射12个频率为40kHz的脉冲激励，发射器受到激励后产生超声波信号，经空气介质传播后被在同直线方向标定距离处的接收器接收并转换为电信号，该电信号经放大电路后被STM32单片机内部进行A/D采集，与此同时STM32内部A/D同步采集激励脉冲信号；

步骤2.2：A/D同步采集完激励信号和超声波接收信号后，分别对每个标定距离条件下获得的接收波信号进行包络求解，得到其对应的包络振幅最大值M。在超声波测距过程中，接收波信号的包络求解方法主要包括二次曲线拟合解包络法、检波电路解包络法、移动正弦拟合解包络法等，在本实例中选用的是基于移动正弦拟合的包络求解方法，但本发明并不局限于此方法；图2所示为在标定距离为180mm处得到的接收波信号及其对应的包络解曲线。

将每个标定距离条件下激励脉冲的发生与结束之间的中间时刻记为t'，如图2所示，超声接受波包络首次到达M/2的时刻记为t”，则有t'＝i·Δt和t”＝j·Δt，其中i和j分别代表t'和t”时刻对应的采样点序列。将超声波在介质中的飞行时间表示为t＝t”-t'，从而可得到与各标定距离相对应的一组飞行时间T＝{t₁,t₂,…,t_N}；

在本实例中，STM32单片机以Δt＝1.17μs为采样时间间隔对激励脉冲和超声接收信号进行同步A/D采样。由于测距系统的发射端固定，则每个标定距离对应的t'时刻相同，且其对应的采样点序列为i＝558，则可得t'＝i·Δt＝558×1.17＝652.86μs。在各标定距离处的超声接受波包络首次到达M/2所对应的采样点序列分别为J＝{632,697,771,857,920,1000,1082,1153,1231,1291,1369}，由获得的采样点序列j即可进一步得出每个标定距离对应的时刻t”＝j·Δt。根据计算得到的t'和t”即可得到与各标定距离相对应的一组飞行时间T＝{85.58,162.63,249.21,349.83,423.54,517.14,613.08,696.15,787.41,857.61,948.87}μs；

步骤2.3：以标定的距离组L及其对应的飞行时间组T为样本数据，利用最小二乘法对二者进行线性拟合，即得出本实例的测距系统中超声波的实际速度＝0.344mm/μs和距离误差修正值δ＝-27.796mm，两组数据的直线拟合结果如图3所示，线性拟合程度较高；

步骤3：对于待测距离l'，利用步骤2中的方法对其获得的超声波接收信号进行包络求解，得到超声波在介质中的飞行时间t，将获得的t值代入距离公式计算得出当前的待测距离值l'。

在本实例中将超声接收器任意置于一处后，利用上述步骤1和2中的方法，获得其对应的超声波接收信号并进行包络求解，并进一步得出超声波在介质中的飞行时间t＝757.22μs。再根据由标定距离法获得的实际波速和误差修正值，代入距离公式即可计算得到当前的待测距离l'＝0.344mm/μs×757.22μs-27.796mm＝232.688mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：考虑超声波飞行速度会受到环境因素影响及其检测信号不可避免存在的误差干扰，将待测距离的计算公式定义为其中，表示在该环境下的实际波速，δ为误差修正项；

步骤2：在超声测距系统的可测范围内选一组距离值，以标定的方法获得超声波在该测量环境下的实际速度和测距系统的误差修正值δ；

步骤3：对于待测距离l'，通过对其获得的超声波接收信号进行包络求解，进一步得到超声波在介质中的飞行时间t，将获得的t值代入距离公式即可准确地计算得出当前的距离值l'。

2.根据权利要求1所述的一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，其特征在于，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：在超声测距系统的可测范围内选择一组不同距离值L＝{l₁,l₂,…,l_N}，对每个距离进行标定后由发射端的激励超声发射器产生超声信号，分别在各标定距离处获得相应的超声波接收信号，并以Δt为采样时间间隔同步A/D采样激励脉冲与超声接收信号；

步骤2.2：分别对获得的每个接收波信号进行包络求解，得到其对应的包络振幅最大值M，将超声发射器激励脉冲的发生与结束之间的中间时刻记为t'，超声接收波包络首次到达M/2的时刻记为t”，则有t'＝i·Δt和t”＝j·Δt，其中i和j分别代表t'和t”时刻对应的采样点序列，将超声波在介质中的飞行时间表示为t＝t”-t'，得到与各标定距离相对应的一组飞行时间T＝{t₁,t₂,…,t_N}；

步骤2.3：以标定的距离组L及其对应的飞行时间组T为样本数据，利用最小二乘法对二者进行线性拟合，得出该测量系统中的环境下超声波的实际速度和测距系统的误差修正值δ。

3.根据权利要求2所述的一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，其特征在于，步骤3的具体实现过程是：对于待测距离l'，利用步骤2中的方法对其获得的超声波接收信号进行包络求解，得到超声波在介质中的飞行时间t，将获得的t值代入距离公式计算得出当前的待测距离值l'。