CN107015230A

CN107015230A - 一种超声波测距方法

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Publication number: CN107015230A
Application number: CN201710152957.1A
Authority: CN
Inventors: 訾彦勇; 谢永杰; 朱建辉; 张轶; 戚祖敏; 王泽华; 周晓凤; 郭睿
Original assignee: 63655 TROOPS OF PEOPLE'S LIBERATION ARMY
Current assignee: 63655 TROOPS OF PEOPLE'S LIBERATION ARMY
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2017-08-04
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: CN107015230B

Abstract

本发明属于超声波测距领域，具体地来讲为一种超声波测距方法，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获进而获取渡越时间，进而得出距离。该方法在信噪比较小情况下依然准确估计渡越时间，解决了检测回波信号首波阈值较难设定的问题。也可以解决多个超声波同时测距时出现的串扰问题。

Description

一种超声波测距方法

技术领域

本发明超声波测距领域，具体地来讲为一种超声波测距方法。

背景技术

以人耳对声音的分辨能力来对声波进行划分，按照频率差异可以分为次声波、声波、超声波。根据振动理论，则可以定义超声波是一种频率高于20KHz 的弹性振动，属于机械波范畴。

在超声检测领域，超声波可以分为纵波、横波、表面波和兰姆波，这是依据超声波传播和振动方向不同来划分的[38]。由于超声测距主要是在空气介质中进行的，空气介质不能传播横向切应力，因此大多数的超声测距系统所使用的波都为纵波。

超声波可在固、液、气体等介质中传播，也可以在金属中传播，甚至可以在生物体中传播；超声波能够传播很强的能量；具有机械波的反射、折射、干涉、共振以及叠加等特性；超声波由于振动频率很高，因此波速较慢，波长较短，这样在测距时可以提高分辨率。

超声波在空气中的传播速度主要与温度有关，声速与温度的关系式如下式所示。

式中：

T---摄氏温度

c₀---331.4m/s

温度与声速成正相关关系，可以通过补偿声速，提高测距精度。

目前，超声波测距中最普遍的方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法(Time of Flight，TOF)。

相位检测法是比较超声波发射和接收的相位差，根据延迟时间与相位差的关系来测距的，计算公式如下

式中：

φ---相位差

c---超声波声速

λ---超声波波长

N---相位延迟中包含的整周期数

△φ---延迟相位中不满一个整周期的相位值

声波幅值检测法主要是依据声波在空气中传播时不断衰减的特性，通过检测回波幅值大小来进一步判断距离的。

渡越时间法(TOF)，主要在于获取超声波信号的来回渡越时间，其中最主要的是对回波信号的第一个波形进行检测，计算公式如下

上式中：

d---超声波传感器与待测物间距离

t---超声波发射信号和接收信号之间的时间差

c---超声波在空气中的传播速度

在实际超声波测距过程中，相位检测法应用复杂，不便于常规测距；声波幅值检测法不稳定，容易受到干扰；因此，通常选用渡越时间法进行超声测距。采用渡越时间法主要是通过设置阈值来检测回波信号的首波，进而获取接收信号和发射信号之间的时间差。而在接收端回波信号首波十分微弱，若接收信号在接收前加入了较大噪声，使接收端输入信噪比减小，那么阈值的设置就成为一个问题。

另外，超声波具有指向性，但超声波传感器具有一定的波束角，因此单路超声波测距系统不能进行全方位的障碍检测，这时就需要多路超声波传感器配合工作。而在多路超声波传感器测距系统中，多个传感器同时工作时就会产生超声串扰的问题，即在接收端不能区分接收到的回波信号是否为自身发射的超声波信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种超声波测距方法，解决了检测回波信号首波阈值较难设定和超声串扰的问题。

本发明是这样实现的，一种超声波测距方法，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获取渡越时间，进而得出距离。

进一步地，所述发射端，通过控制时钟，脉冲波形发生器产生宽度为T，幅值为A的脉冲信号，通过m序列发生器产生码元宽度为T_c，长度为N的m 序列，且T＝NT_c，将m序列中的0映射为+1，1映射为-1得到c(t)。

进一步地，二进制相移键控对载波进行调制。

进一步地，所述载波采用方波信号或正弦波信号。

进一步地，所述发射端包括多个超声波发射探头，多个超声波发射探头采用相关性良好的m序列来编码。多个超声波发射探头通过一个同步信号被同时激励。相关性良好指自相关函数峰值尖锐，互相关函数平缓。

进一步地，采用一主开发板与一从开发板，主开发板在激励与其连接的超声波发射探头的同时给从开发板一个同步信号，使与从开发板连接的超声波发射探头被激励。

进一步地，主开发板，选择GPIOC1发送同步信号，从开发板用GPIOC2 来进行接收，GPIOC1设置为推挽输出模式，GPIOC2设置为输入上拉模式，主开发板在进行发射信号的编码与调制前通过GPIOC1给从开发板发送一个低电平的同步信号，并在脉冲激励序列发射结束后将GPIOC1拉高，从开发板在检测到GPIOC2为低电平时开始对发射信号进行编码与调制，直到检测不到低电平或发射结束后停止对超声波发射探头的激励。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明利用相关法进行超声波测距的测距方法，该方法在信噪比较小情况下依然准确估计渡越时间，单超声波测距实验验证了检测回波信号首波阈值较难设定的问题。利用多超声波测距的串扰抑制实验验证了本发明所采用的编码方式可以抑制超声串扰，且串扰抑制的影响因素与理论分析相一致。

附图说明

图1为多超声波测距方法所形成的系统结构模型；

图2为发射端原理框图；

图3为多超声波测距系统发射端各点的波形图，图3a为单脉冲信号图，图 3b为编码序列波形图，3c为扩频调制信号波形图，3d为载波信号波形图，3e为脉冲激励序列波形图；3f为发射信号波形图；

图4为不均衡a序列编码后对应参考信号自相关；

图5由不同m序列编码的参考信号自相关与互相关函数图；5(a)m1编码的参考信号自相关；5(b)m1和m2序列编码后参考信号互相关；5(c)m2 编码的参考信号自相关；5(d)m2和m1序列编码后参考信号互相关；

图6为实现本发明方法的一种多超声波传感器测距平台结构示意图。

图7由不同Walsh序列编码的参考信号自相关与互相关函数图，(a)n1编码的参考信号自相关；(b)n1和n2序列编码后参考信号互相关；(c)n2编码的参考信号自相关；(d)n2和n1序列编码后参考信号互相关；

图8参考信号的自相关函数图。

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。

参见图1，一种超声波测距方法，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获取渡越时间，进而得出距离。

本实施例中所选择的超声波传感器型号为NU40C12T/R-1，其发射探头和接收探头相当于一个中心频率f₀＝40KHZ，带宽f_h＝2KHZ的窄带带通滤波器，其理想的传递函数为

式中

K---超声波收发探头增益

τ₁---超声波收发探头带来的时延

在发射端，首先需要对单个脉冲波形进行编码，编码的主要目的是为了使发射信号携带特有信息，从而使其在接收端可以很好的进行相关解调。对脉冲波形进行编码后，不足以激励超声波传感器发射探头，因此还需用此信号对载波信号进行调制，使激励信号频率提高至超声波传感器的带宽范围内。

由于经过编码后的信号相当于一个数字信号，因此对载波的调制方式选取为二进制的数字调制方式，本实施例选择二进制相移键控(BPSK)的调制方式，在相同条件下，BPSK可以在较低信噪比环境下正常工作。

参见图2，在控制时钟作用下，脉冲波形发生器产生宽度为T，幅值为A 的脉冲信号，m序列发生器产生了码元宽度为T_c，长度为N的m序列，且T＝NT_c，将m序列中的0映射为+1,1映射为-1得到c(t)，由于超声波发射探头相当于窄带带通滤波器，所以载波信号为方波和正弦波对超声波发射探头的激励效果是相同的，本实施例是由以STM32F427为主控制器的通用单片机开发板产生的载波信号，因此选择用方波信号作为载波，载波频率f_q＝40KHZ。

参见图3的多超声波测距系统发射端各点的波形图，图3a为单脉冲信号图，图3b为编码序列波形图，3c为扩频调制信号波形图，3d为载波信号波形图， 3e为脉冲激励序列波形图；3f为发射信号波形图。从图中可以看出各点的波形变化。

在接收端，进入相关解调器的有用回波信号x(t)为

其中

T_d---时延，包括有用回波信号经过超声波收发探头的时延和在空气中传播的时延之和；

---时延不够一整周期时剩余的相移；

参考信号为不包含时延的发射信号，可以表示为

s″(t)＝c(t)sin(2πf_qt)

利用参考信号与有用回波信号的相关特性，对有用回波信号进行相关解调。进入相关解调器做相关运算的的信号为经过采样的离散信号，采样周期T_s，共采集M个点。对有用回波信号和参考信号进行离散化：

s″(nT_s)＝c(nT_s)sin[2πf_q(nT_s)]

用离散化后的序列做相关运算得

其中n_d＝T_d/T_s。当时，上式可以写为

此时的时延可用来估计回波信号的时延n_d，即可用来估计回波信号相对于发射信号的时延T_d，也就是所求的渡越时间。

下面通过MATLAB仿真来验证算法可行性。首先来验证参考信号的自相关特性，发射信号经过长度为15，码元宽度为25μs的m序列编码后得到调制信号m(t)，然后用m(t)对载波频率40KHz的正弦信号进行调制后即得到参考信号。因为互相关函数波形与参考信号的采样频率有关，采样频率过少，则会导致测距结果不精确，太多会因为采样点数的增加而加大运算量，因此选择的采样频率为参考信号频率的3倍多，共采集了54个点，从而得到参考信号自相关函数如图8所示。

从图8可以看出，参考信号的自相关函数峰值尖锐，且峰值对应时延为0，又回波信号和参考信号采用了相同的的编码序列进行编码，且调制方法和载波也完全相同，因此，参考信号相当于未经过延迟和衰减的回波信号，因此证明了本发明方法具有可行性。

在本发明中，为了使系统的抗干扰能力更强，从而使测距精度更高，需要回波信号与参考信号的互相关函数越尖锐越好，因此需要发射信号包含尽可能多的特有信息，这样回波信号和参考信号才会具有良好的自相关特性；与此同时也要确保该自相关函数不易受外界其他干扰的影响。由于载波信号已经确定，且调制方式为已确定的BPSK调制，因此编码序列的选择是主要影响因素。

为了方便观察，下面均将回波信号用参考信号来代替。下面选择由m序列发生器产生的m序列m＝[1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1]和相同长度的任意序列a＝[1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]对发射脉冲进行编码，经载波调制后对应的参考信号的自相关函数如图5a，作为对比采用了不均衡a序列编码后对应参考信号自相关如图4所示。

从图4可以看出，经过不均衡编码序列编码后参考信号自相关函数波形峰值不尖锐。图5a所示，根据相关法测距对调制信号的要求，以及m序列具有均衡性这一优良特性，本发明选择了用m序列对超声波传感器的发射脉冲进行编码。

在另一实施例中，发射端包括多个超声波发射探头进行全方位的障碍检测，多个超声波发射探头通过一个同步信号被同时激励。

多个传感器同时工作时就会产生超声串扰的问题，作为对比例，选择正交序列对发射信号进行编码是否可以抑制串扰。Walsh序列为一类正交序列，下面选择长度为16且均衡的Walsh序列，其中n1＝[1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1]，n2＝[1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1]，其码元宽度为25μs，采样频率为参考信号频率的3倍多，共采集58个点。观察经n1和n2编码后对应的参考信号的自相关函数，以及有用回波信号中加入串扰后与各自参考信号的互相关函数。

如图7所示，不同Walsh序列编码的参考信号自相关与互相关函数，分别为图7(a)n1编码的参考信号自相关；图7(b)n1和n2序列编码后参考信号互相关；图7(c)n2编码的参考信号自相关；图7(d)n2和n1序列编码后参考信号互相关；。

经Walsh序列编码后的参考信号互相关函数波形平缓，且幅值都比较小；但Walsh序列编码后的参考信号自相关函数波形不稳定，如由n1序列编码的参考信号自相关峰值不尖锐，这是由于Walsh序列本身自相关性能很差造成的。因此，若选用自相关性能很差的Walsh序列对超声波发射信号进行编码后，加入串扰的回波信号与参考信号的互相关函数，峰值不是特别尖锐，这有可能对测距结果造成一定影响。

本发明选择均衡性良好的m序列作为编码序列，下面来分析该编码序列的互相关特性。选择由4级m序列发生器得到的m序列m1＝[1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1]，m2＝[1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0]，其码元宽度为25μs，采样频率为参考信号频率的3倍多，共采集54个点。观测该组m序列编码的参考信号的自相关和互相关函数。以及回波信号中加入串扰后与各自参考信号的互相关函数。参见图5(a)m1编码的参考信号自相关；5(b)m1和m2序列编码后参考信号互相关；5(c)m2编码的参考信号自相关；5(d)m2和m1序列编码后参考信号互相关，不同m序列的自相关函数峰值尖锐，互相关函数值比较平缓，且均小于自相关函数最大峰值。

结论：自相关函数峰值尖锐，互相关函数值比较平缓，且均小于自相关函数最大峰值。若有用回波信号中混入串扰，在回波信号进入相关解调器后，与参考信号的互相关运算可以抑制串扰对测距结果的影响，所以选择m序列可以在一定程度上抑制超声串扰。

综上，尽管Walsh序列的互相关函数值为0，但其自相关特性很差，从而导致由Walsh序列编码对应的参考信号自相关特性也不好，同时并非所有Walsh 序列都具有均衡性；虽然m序列互相关特性不如Walsh序列，但由m序列编码的参考信号的互相关函数波形平缓，函数值都很小，由上述仿真也可以看出， m序列也可以抑制串扰。

本发明为了实现多超声波检测，采用一主开发板与一从开发板，主开发板在激励与其连接的超声波发射探头的同时给从开发板一个同步信号，使与从开发板连接的超声波发射探头被激励。本实施例中以STM32F427为控制器的主从通用单片机开发板。主开发板为系统的核心，控制着整个测距过程的时序。从开发板接收到主开发板发出的同步信号，与主开发板同时产生脉冲激励序列。

为了实现同步，主开发板，选择GPIOC1发送同步信号，从开发板用GPIOC2 来进行接收，GPIOC1设置为推挽输出模式，GPIOC2设置为输入上拉模式，主开发板在进行发射信号的编码与调制前通过GPIOC1给从开发板发送一个低电平的同步信号，并在脉冲激励序列发射结束后将GPIOC1拉高，从开发板在检测到GPIOC2为低电平时开始对发射信号进行编码与调制，直到检测不到低电平或发射结束后停止对超声波发射探头的激励。

本实施例中提供了一种多超声波传感器测距平台用于实现上述的方法，参见图6，包括：

主控制器，用于产生脉冲激励序列，检测和处理回波信号；从控制器，连接至主控制器的同步信号端，与主控制器同时产生脉冲激励序列；

发射驱动电路，通过信号接受端与主控制器以及从控制器的控制端输出连接；

接收放大电路，通过信号输出端与主控制器的信号接受端连接；

多个超声波发射探头，其发射端与所述发射驱动电路的输出端连接后，通过所述超声波发射探头的输出端与所述接受放大电路的输出端连接。

本实施例中以STM32F427ZIT6为控制器的主从通用单片机开发板。

主控制器为系统的核心，控制着整个测距过程的时序。由于回波信号处理是在上位机中进行的，因此本系统选择了以STM32F427为微控制器的开发板。从控制器接收到主控制器发出的同步信号，与主控制器同时产生脉冲激励序列。

STM32F427内核为Cortex-M4，是一个32bit微控制处理器，板载8M外部晶振，倍频后最高工作频率为168MHz，256+4K字节的SRAM，2M的FLASH；支持USB接口的5V数据线电源供电，以及集成了5V转3.3V的电源供电；包含12bit的模数转换器，最高采样频率1M；有多达17个定时器，共168个多功能双向的GPIO端口，包含串行单线调试SWD和JTAG调试接口。

本实施例中主要用到了STM32F427ZIT6中的TIMER2和TIMER4模块， NVIC模块，AD模块以及开发板上集成的RS422串口，温度采集利用以 STM32F427处理器为处理器开发板集成的温度采集电路图对型号为DS18B20的温度传感器进行采集，采用SWD串行单线进行在线调试。

超声波传感器需要一定功率的信号才能够对其进行驱动，而普通的直接由控制器输出的TTL电平是不足以驱动超声波传感器的，因此需要对产生的信号进行功率驱动。本实施例中，第一超声波传感器以及第二超声波传感器均采用的是压电传感器。

压电传感器的压电效应指电介质在某一方向受到外力作用发生形变时导致内部产生极化现象，此时电介质相对的两个表面上出现正负相反的电荷，去掉外力时电荷消失，又恢复到不带电的状态。若在其极化方向加入电场，同样会使电介质发生形变，当然，去掉电场的同时形变也会消失。根据这一原理研制的传感器叫做压电传感器。

根据压电效应可知，用频率f的脉冲信号激励传感器，该传感器会产生相同频率的机械振动，该机械振动会导致空气或水发出声波。同理，若脉冲信号频率大于20MHz，激励的传感器为超声波传感器，则该机械振动就会使感应晶片产生机械形变，从而产生相同频率的电信号。为了使超声波传感器在较高灵敏度情况下尽量减小能量损耗，应该让超声波的频率等于其要激励传感器的固有谐振频率。

根据超声波传感器工作状态不同，可以分为接收型超声波传感器、发射型超声波传感器和收发两用型超声波传感器。

综合以上因素，虽然收发一体的传感器在实际使用中可以消除部分电气机械的影响，也不用在高精度测距中因更换而做多方面的校准，但是若选用压电超声传感器，其余振比较大，会使其测量死区较大，量程比较小。因此，本实施例中选用收发分体型。

本实施例中最终所选用的是谐振频率为40KHz、频带宽度2KHz，收发分体压电超声波传感器NU40C12T/R-1，该超声波传感器的参数如下表1所示。

表1 NU40C12T/R-1超声波传感器参数

测距系统接收端在接收回波信号时会伴随信号衰减，因此需要在超声波接收探头前设计一个放大电路来对回波信号进行放大。

本实施例中超声波发射探头至少为两个，采用谐振频率为40KHz、频带宽度2KHz，收发分体压电超声波传感器NU40C12T/R-1。

发射驱动电路为以MAX232A芯片为核心的脉冲驱动电路，利用5V单电源对其供电，输入TTL电平后，输出达±10V。由于本实施例选择40KHz的超声波传感器，对驱动电压的要求不高，因此就利用该芯片内部的电平转换电路实现对输入信号的功率放大。该驱动器输出电压的典型值为±10V，输出电流可达20mA。在输入为0～3.3V的TTL逻辑电平情况下，芯片输出最高可达±10V，这样可以驱动超声波传感器。

接受放大电路采用两个AD8606运算放大器对回波信号进行了两级放大，放大倍数为100倍。回波信号的幅值在0V上下震荡，而AD8606由单电源+3.3V 供电，所以负信号采集不到，因此将回波信号加入了1.65V的直流分量，使回波信号整体平移1.65V，经放大后进入主控制器进行AD转换。

运算放大器通过同相输入端连接单电源+3.3V供电，通过其反相输入端连接超声波发射探头的输出端。

在主控制器与所述从控制器分别连接有温度传感器，温度信号是通过控制器上集成的温度采集电路从DS18B20温度传感器采集。

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

1.一种超声波测距方法，其特征在于，该方法包括：在超声波发射端，对脉冲信号进行编码，再用编码后得到的信号对载波进行调制，用调制好的脉冲激励序列激励超声波传感器；发射出去的信号经过在空气中的传播以及遇到障碍物后进行反射，回波信号进入超声波接收端；在接收端，用回波信号与事先存储好的参考信号进行相关运算，不断对参考信号进行时延以获取互相关函数峰值获取渡越时间，进而得出距离。

2.按照权利要求1所述的超声波测距方法，其特征在于，所述发射端，通过控制时钟，脉冲波形发生器产生宽度为T，幅值为A的脉冲信号，通过m序列发生器产生码元宽度为T_c，长度为N的m序列，且T＝NT_c，将m序列中的0映射为+1，1映射为-1得到c(t)。

3.按照权利要求1或2所述的超声波测距方法，其特征在于，二进制相移键控对载波进行调制。

4.按照权利要求1或2所述的超声波测距方法，其特征在于，所述载波采用方波信号。

5.按照权利要求1或2所述的超声波测距方法，其特征在于，所述发射端包括多个超声波发射探头，多个超声波发射探头采用相关函数峰值尖锐，互相关函数平缓的m序列来编码。

6.按照权利要求5所述的超声波测距方法，其特征在于，采用一主开发板与一从开发板，主开发板在激励与其连接的超声波发射探头的同时给从开发板一个同步信号，使与从开发板连接的超声波发射探头被激励；确保超声波接收探头可以同时接收到两个发射探头反射回来的信号，这样才能证明采用相关性良好的m序列进行编码可以消除超声串扰。

7.按照权利要求6所述的超声波测距方法，其特征在于，主开发板，选择GPIOC1发送同步信号，从开发板用GPIOC2来进行接收，GPIOC1设置为推挽输出模式，GPIOC2设置为输入上拉模式，主开发板在进行发射信号的编码与调制前通过GPIOC1给从开发板发送一个低电平的同步信号，并在脉冲激励序列发射结束后将GPIOC1拉高，从开发板在检测到GPIOC2为低电平时开始对发射信号进行编码与调制，直到检测不到低电平或发射结束后停止对超声波发射探头的激励。