CN107450077A - 超声波测距装置和方法及相关飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声波测距装置和方法及相关飞行器，所述超声波测距装置包括超声波处理芯片，与超声波处理芯片相连的驱动放大电路、与驱动放大电路相连的超声波探头和与超声波探头相连的滤波电路，超声波处理芯片用于发出驱动信号、记录时间和计算距离，驱动放大电路用于对超声波处理芯片发出的驱动信号进行放大处理，超声波探头用于将放大处理后的驱动信号转化为超声波发出并接收反射回来的超声波，滤波电路用于对反射回来的超声波进行初步过滤并将过滤后的信号发回给超声波处理芯片。本发明能够提高飞行器测距的准确性。

Description

超声波测距装置和方法及相关飞行器
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，涉及一种飞行器的测距装置及方法，具体涉及一种超声波测距装置和方法及相关飞行器。
背景技术
无人飞行器，简称无人机，是一种处在迅速发展中的飞行装置，其具有机动灵活、反应快速、无人飞行、操作要求低等优点。无人机通过搭载多种传感器，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能，是卫星遥感与传统航空遥感的有力补充。目前，无人机的使用范围已经扩展到军事、科研和民用三大领域，具体在电力、通信、气象、农业、海洋、勘探、摄影、防灾减灾、农作物估产、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐等领域应用甚广。
测距装置是无人机中一项非常重要的设备，用于为无人机提供飞行高度、距离障碍物的距离等信息，从而有助于飞行安全。现有的无人机中，通常采用定高计和气压计等测量飞行高度。但是，在室内环境或者飞行高度较低的时候，定高计和气压计等存在测量不准等问题。
为此，有些公司开发了一些超声波测距装置。但是，现有的超声波测距装置存在精度差，设备复杂，成本高等问题。
鉴于现有技术的上述缺陷，迫切需要一种新型的超声波测距装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种超声波测距装置及方法，以解决目前飞行器的定高方面存在的测量不准、精度差、设备复杂、成本高等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超声波测距装置，其包括超声波处理芯片，其特征在于，进一步包括与所述超声波处理芯片相连的驱动放大电路、与所述驱动放大电路相连的超声波探头和与所述超声波探头相连的滤波电路，其中，所述超声波处理芯片用于发出驱动信号、记录时间和计算距离，所述驱动放大电路用于对所述超声波处理芯片发出的驱动信号进行放大处理，所述超声波探头用于将放大处理后的驱动信号转化为超声波发出并接收反射回来的超声波，所述滤波电路用于对反射回来的超声波进行初步过滤并将过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片。
其中，所述超声波测距装置进一步包括与所述超声波处理芯片相连的数字温度传感器，所述数字温度传感器用于测量温度并将测量的温度发送给所述超声波处理芯片。
进一步地，其中，所述数字温度传感器为LM75A。
更进一步地，其中，所述超声波处理芯片为PGA450-Q1。
再进一步地，其中，所述PGA450-Q1发出的驱动信号为40kHz的方波。
再更进一步地，其中，所述驱动放大电路包括中频放大电路和谐振网络放大电路。
此外，在本发明中，所述超声波探头为收发一体式超声波探头。
进一步地，其中，所述超声波探头的型号为NU40C16TR-2。
更进一步地，其中，所述滤波电路为中值滤波电路。
再进一步地，其中，所述超声波处理芯片与飞行控制系统的主控单元通信连接。
再更进一步地，其中，所述超声波处理芯片通过通用异步收发器与飞行控制系统的主控单元通信连接。
在本发明中，还提供一种采用上述超声波测距装置进行超声波测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、通过所述超声波处理芯片发出驱动信号并记录发出驱动信号的时间；
2)、通过所述驱动放大电路对所述驱动信号进行放大处理；
3)、通过所述超声波探头将放大处理后的驱动信号转化为超声波并发出；
4)、通过所述超声波探头接收反射回来的超声波；
5)、通过所述滤波电路对反射回来的超声波进行初步过滤并将初步过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片；
6)、所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间；
7)、所述超声波处理芯片根据两次记录时间的时间差和声速计算距离。
所述方法进一步包括：通过所述数字温度传感器测试温度；并且，所述步骤7)中，所述超声波处理芯片根据所述温度确定经过温度补偿后的声速，并根据两次记录时间的时间差和经过温度补偿后的声速计算距离。
进一步地，其中，所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间包括：所述超声波处理芯片采集初步过滤后的信号中与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号，并在采集到与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号时记录时间。
更进一步地，所述方法进一步包括：
8)、将计算出来的距离发送给飞行控制系统的主控单元。
而且，本发明还提供一种采用上述超声波测距装置进行超声波测距的另一方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、通过所述超声波处理芯片发出驱动信号并记录发出驱动信号的时间；
2)、通过所述驱动放大电路对所述驱动信号进行放大处理；
3)、通过所述超声波探头将放大处理后的驱动信号转化为超声波并发出；
4)、通过所述超声波探头接收反射回来的超声波；
5)、通过所述滤波电路对反射回来的超声波进行初步过滤并将初步过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片；
6)、所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间；
7)、所述超声波处理芯片将两次记录时间发送给飞行控制系统的主控单元并由飞行控制系统的主控单元根据两次记录时间的时间差和声速计算距离。
所述方法进一步包括：通过所述数字温度传感器测试温度；并且，所述步骤7)中，所述超声波处理芯片也将测试的温度发送给飞行控制系统的主控单元，所述飞行控制系统的主控单元根据所述温度确定经过温度补偿后的声速，并根据两次记录时间的时间差和经过温度补偿后的声速计算距离。
进一步地，其中，所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间包括：所述超声波处理芯片采集初步过滤后的信号中与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号，并在采集到与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号时记录时间。
更进一步地，其中，所述超声波处理芯片每100ms发出一次驱动信号。
更进一步地，其中，所述滤波电路过滤掉40kHz之外的频段。
此外，本发明还提供一种飞行器，其特征在于，其具有上述超声波测距装置。
而且，本发明还提供另一种飞行器，其特征在于，其采用上述方法进行测距。
进一步地，其中，所述飞行器为无人机。
与现有的测距装置和方法相比，本发明的超声波测距装置和方法具有如下有益技术效果：
1、其采用超声波进行测距，测量准确，尤其是在室内环境或者飞行高度较低的时候，其优势更加明显。
2、由于声速受温度影响，本发明增加了数字温度传感器作温度补偿，根据温度计算出声速，提高了测距的准确度。
3、本发明的检测结果采用中值滤波，滤除脉冲尖峰，提高了测距稳定性。
4、本发明的结构简单、成本低。
附图说明
图1是本发明的超声波测距装置的构成示意图。
图2是一种采用本发明的超声波测距装置进行测距的方法的流程图。
图3是另一种采用本发明的超声波测距装置进行测距的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
利用超声波可以进行测距，采用超声波进行测距的工作原理为：通过超声波发射器发出超声波并记录时间，利用超声波接收器接收超声波并记录时间，利用发出时间和接收时间的时间差就可以计算距离。具体地，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。同时，已知超声波常温下在空气中的传播速度通常为343m/s，这样，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s＝343t/2。
本发明就是根据上述工作原理来实现飞行器的测距的。具体地，图1示出了本发明的超声波测距装置的构成示意图。如图1所示，本发明的超声波测距装置包括超声波处理芯片。所述超声波处理芯片用于发出驱动信号、记录时间和计算距离。
在本发明中，优选地，所述超声波处理芯片为PGA450-Q1。PGA450-Q1为一种全面集成型可编程的驱动超声传感器解决方案，其包括以下系统模块：稳压器、12位逐次逼近寄存器(SAR)、模数转换器(ADC)、8位微控制器、数字带通滤波器、数模转换器(DAC)、双通道NMOS低侧驱动器、低噪声放大器、振荡器、LIN 2.1物理接口及相关协议。PGA450-Q1还配有8位微控制器和OTP程序存储器，用于处理回声信号以及计算传感器与物体间的距离。通过所述PGA450-Q1，可以很好地实现本发明的测距功能。更优选地，所述PGA450-Q1发出的驱动信号为40kHz的方波，以便于后续的处理。
所述超声波测距装置进一步包括与所述超声波处理芯片相连的驱动放大电路、与所述驱动放大电路相连的超声波探头和与所述超声波探头相连的滤波电路。
其中，所述驱动放大电路用于对所述超声波处理芯片发出的驱动信号进行放大处理。在本发明中，优选地，所述驱动放大电路包括中频放大电路和谐振网络放大电路。所述PGA450-Q1发出的40kHz的方法经过所述中频放大电路和谐振网络放大电路的放大之后，便于后续的超声波探头将其转换成超声波。
所述超声波探头用于将放大处理后的驱动信号转化为超声波发出并接收反射回来的超声波。在本发明中，优选地，所述超声波探头为收发一体式超声波探头。更优选地，所述超声波探头的型号为NU40C16TR-2。NU40C16TR-2为深圳市金瓷科技有限公司提供的一款收发一体式超声波探头，能方便地实现超声波的发出和接收。
所述滤波电路用于对反射回来的超声波进行初步过滤并将过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片，由所述超声波处理芯片进行处理，例如，根据时间差进行距离的计算等。在本发明中，优选地，所述滤波电路为中值滤波电路。采用中值滤波，滤除脉冲尖峰，能够提高测距的稳定性。同时，在本发明中，所述滤波电路主要是根据探头采用的频段进行滤波。前面已经描述过，本发明中采用40kHz的方波，因此，所述滤波电路要过滤掉40kHz之外的频段。
本发明采用超声波进行测距，测量准确，尤其是在室内环境或者飞行高度较低的时候，其优势更加明显。
同时，已知超声波在空气中的传播速度受到温度的影响，即，c＝(331.45+0.61t/℃)m/s，其中，331.45是在0度时超声波在空气中的速度，t为温度，c为在温度为t时超声波在空气中的传播速度。
由于超声波在空气中的传播速度受到温度的影响，如果用固定速度340m/s来计算距离，那么自然会存在误差。因此，在本发明中，所述超声波测距装置进一步包括与所述超声波处理芯片相连的数字温度传感器。所述数字温度传感器用于测量温度并将测量的温度发送给所述超声波处理芯片。这样，所述超声波处理芯片可以根据所述温度利用上述公式确定准确的超声波传播速度，进而提高测距的准确度。
在本发明中，优选地，所述数字温度传感器为LM75A。LM75A是一个高速I2C接口的温度传感器，可以在-55℃～+125℃的温度范围内将温度直接转换为数字信号，并可实现0.125℃的精度。所述超声波处理芯片可以通过I2C总线直接读取其内部寄存器中的数据。这样，便于直接获得数字式的温度数据，从而便于确定经过温度补偿后的声速。
由于所述超声波测距装置用于飞行器的测距，因此，在本发明中，所述超声波处理芯片与飞行控制系统的主控单元通信连接,以便于将计算距离直接输出距离值给飞行控制系统的主控单元，或者直接将探测到的数据(例如温度和时间)输出给飞行控制系统的主控单元，由飞行控制系统的主控单元计算距离。
在本发明中，优选地，所述超声波处理芯片通过通用异步收发器(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，简称为UART)与飞行控制系统的主控单元通信连接。通用异步收发器是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。因此，采用通用异步收发器便于飞行控制系统的主控单元与所述超声处理芯片之间的信息交互。
图2示出了一种采用本发明的超声波测距装置进行测距的方法的流程图。如图2所示，该方法包括如下步骤：
一、通过所述超声波处理芯片发出驱动信号并记录发出驱动信号的时间。
二、通过所述驱动放大电路对所述驱动信号进行放大处理。
三、通过所述超声波探头将放大处理后的驱动信号转化为超声波并发出。
四、通过所述超声波探头接收反射回来的超声波。
五、通过所述滤波电路对反射回来的超声波进行初步过滤并将初步过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片。
六、所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间。
七、所述超声波处理芯片根据两次记录时间的时间差和声速计算距离。
当然，所述方法可以进一步包括通过所述数字温度传感器测试温度。并且，所述步骤七中，所述超声波处理芯片根据所述温度确定经过温度补偿后的声速，并根据两次记录时间的时间差和经过温度补偿后的声速计算距离。
同时，在本发明中，所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间可以包括：所述超声波处理芯片采集初步过滤后的信号中与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号，并在采集到与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号时记录时间。
最后，可以将计算出来的距离发送给飞行控制系统的主控单元。
图3示出了另一种采用本发明的超声波测距装置进行测距的方法的流程图。如图3所示，与上一种方法相类似，该方法也包括如下步骤：
一、通过所述超声波处理芯片发出驱动信号并记录发出驱动信号的时间。
二、通过所述驱动放大电路对所述驱动信号进行放大处理。
三、通过所述超声波探头将放大处理后的驱动信号转化为超声波并发出。
四、通过所述超声波探头接收反射回来的超声波。
五、通过所述滤波电路对反射回来的超声波进行初步过滤并将初步过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片。
六、所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间。
与上一种方法不同的是，在该方法中，所述超声波处理芯片不直接计算距离，而是将两次记录时间发送给飞行控制系统的主控单元并由飞行控制系统的主控单元根据两次记录时间的时间差和声速计算距离。
优选地，该方法进一步包括通过所述数字温度传感器测试温度；并且，所述超声波处理芯片也将测试的温度发送给飞行控制系统的主控单元，所述飞行控制系统的主控单元根据所述温度确定经过温度补偿后的声速，并根据两次记录时间的时间差和经过温度补偿后的声速计算距离。
在本发明中，所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间包括：所述超声波处理芯片采集初步过滤后的信号中与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号，并在采集到与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号时记录时间。
在本发明中，所述超声波处理芯片可以每100ms发出一次驱动信号，并接受回波数据，计算出距离，即数据输出频率为10Hz。
当然，在本发明中，也要求保护具有上述超声波测距装置的飞行器。只要飞行器采用了上述超声波测距装置，都落入本发明的保护范围之内。
同样，在本发明中，也要求保护采用上述超声波的飞行器，尤其是无人机。只要飞行器采用了上述超声波测距方法，都落入本发明的保护范围之内。
最后，优选地，所述飞行器为无人机。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (23)

1.一种超声波测距装置，其包括超声波处理芯片，其特征在于，进一步包括与所述超声波处理芯片相连的驱动放大电路、与所述驱动放大电路相连的超声波探头和与所述超声波探头相连的滤波电路，其中，所述超声波处理芯片用于发出驱动信号、记录时间和计算距离，所述驱动放大电路用于对所述超声波处理芯片发出的驱动信号进行放大处理，所述超声波探头用于将放大处理后的驱动信号转化为超声波发出并接收反射回来的超声波，所述滤波电路用于对反射回来的超声波进行初步过滤并将过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片。
2.根据权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，进一步包括与所述超声波处理芯片相连的数字温度传感器，所述数字温度传感器用于测量温度并将测量的温度发送给所述超声波处理芯片。
3.根据权利要求2所述的超声波测距装置，其特征在于，所述数字温度传感器为LM75A。
4.根据权利要求3所述的超声波测距装置，其特征在于，所述超声波处理芯片为PGA450-Q1。
5.根据权利要求4所述的超声波测距装置，其特征在于，所述PGA450-Q1发出的驱动信号为40kHz的方波。
6.根据权利要求5所述的超声波测距装置，其特征在于，所述驱动放大电路包括中频放大电路和谐振网络放大电路。
7.根据权利要求6所述的超声波测距装置，其特征在于，所述超声波探头为收发一体式超声波探头。
8.根据权利要求7所述的超声波测距装置，其特征在于，所述超声波探头的型号为NU40C16TR-2。
9.根据权利要求8所述的超声波测距装置，其特征在于，所述滤波电路为中值滤波电路。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的超声波测距装置，其特征在于，所述超声波处理芯片与飞行控制系统的主控单元通信连接。
11.根据权利要求10所述的超声波测距装置，其特征在于，所述超声波处理芯片通过通用异步收发器与飞行控制系统的主控单元通信连接。
12.一种采用权利要求1-11中任一项所述的超声波测距装置进行超声波测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、通过所述超声波处理芯片发出驱动信号并记录发出驱动信号的时间；
2)、通过所述驱动放大电路对所述驱动信号进行放大处理；
3)、通过所述超声波探头将放大处理后的驱动信号转化为超声波并发出；
4)、通过所述超声波探头接收反射回来的超声波；
5)、通过所述滤波电路对反射回来的超声波进行初步过滤并将初步过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片；
6)、所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间；
7)、所述超声波处理芯片根据两次记录时间的时间差和声速计算距离。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：通过所述数字温度传感器测试温度；并且，所述步骤7)中，所述超声波处理芯片根据所述温度确定经过温度补偿后的声速，并根据两次记录时间的时间差和经过温度补偿后的声速计算距离。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间包括：所述超声波处理芯片采集初步过滤后的信号中与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号，并在采集到与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号时记录时间。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
8)、将计算出来的距离发送给飞行控制系统的主控单元。
16.一种采用权利要求1-11中任一项所述的超声波测距装置进行超声波测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、通过所述超声波处理芯片发出驱动信号并记录发出驱动信号的时间；
2)、通过所述驱动放大电路对所述驱动信号进行放大处理；
3)、通过所述超声波探头将放大处理后的驱动信号转化为超声波并发出；
4)、通过所述超声波探头接收反射回来的超声波；
5)、通过所述滤波电路对反射回来的超声波进行初步过滤并将初步过滤后的信号发回给所述超声波处理芯片；
6)、所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间；
7)、所述超声波处理芯片将两次记录时间发送给飞行控制系统的主控单元并由飞行控制系统的主控单元根据两次记录时间的时间差和声速计算距离。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：通过所述数字温度传感器测试温度；并且，所述步骤7)中，所述超声波处理芯片也将测试的温度发送给飞行控制系统的主控单元，所述飞行控制系统的主控单元根据所述温度确定经过温度补偿后的声速，并根据两次记录时间的时间差和经过温度补偿后的声速计算距离。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述超声波处理芯片接收初步过滤后的信号并记录时间包括：所述超声波处理芯片采集初步过滤后的信号中与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号，并在采集到与所述超声波探头发出的超声波频段相同的信号时记录时间。
19.根据权利要求12-18中任一项所述的方法，其特征在于，所述超声波处理芯片每100ms发出一次驱动信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述滤波电路过滤掉40kHz之外的频段。
21.一种飞行器，其特征在于，其具有权利要求1-11中任一项所述的超声波测距装置。
22.一种飞行器，其特征在于，其采用权利要求12-20中任一项所述的方法进行测距。
23.根据权利要求21或22所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器为无人机。
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