CN107589425B - 超声波测距设备及其回波信号检测方法、装置和飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波测距设备及其回波信号检测方法、装置和飞行器，该检测方法包括以下步骤：获取超声波测距设备的可探测距离范围内的回波信号，并根据可探测距离范围和探测精度将回波信号划分为多个信号单元；获取多个信号单元中每个信号单元的能量值，并根据每个信号单元的能量值从多个信号单元中选取M个待选信号单元；设定权值函数，并确定超声波测距设备当前次测距的参考距离，以及根据参考距离对权值函数进行更新；根据更新后的权值函数获取M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率，并每个待选信号单元的选波概率和能量值生成选波参数；根据M个待选信号单元的选波参数确定超声波测距设备当前次测距的目标回波信号。
Description
技术领域
本发明涉及超声波测距技术领域，特别涉及一种超声波测距设备的回波信号检测方法、一种非临时性计算机可读存储介质、一种超声波测距设备的回波信号检测装置、一种超声波测距设备和一种飞行器。
背景技术
目前在超声波测距的应用中，大多是通过设置一个固定的阈值电压，并通过硬件比较器来确定是否存在超声波回波，以此来判断超声波传播方向物体的距离。这种测距方式简单，易于实现，是当前大多数超声波测距使用的方法。
然而上述测距方式具有严格的限制条件，对使用环境的要求相当苛刻。当使用环境中干扰较大，比如存在无人机测距时存在机体的高频振动、电机高速运转的电磁干扰、以及螺旋桨切割空气产生的噪音干扰等干扰时，通过上述测距方式难以准确地检测到目标回波，常会造成测距失败或者测距时产生大量的错误数据。因此，上述测距方式可靠性和准确率都较低，难以应用于一些强干扰环境中。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种超声波测距设备的回波信号检测方法，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高超声波测距设备测距的稳定性和准确率，使得超声波测距设备适用于强干扰环境中。
本发明的第二个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
本发明的第三个目的在于提出一种超声波测距设备的回波信号检测装置。
本发明的第四个目的在于提出一种超声波测距设备。
本发明的第五个目的在于提出一种飞行器。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种超声波测距设备的回波信号检测方法，该方法包括以下步骤：获取所述超声波测距设备的可探测距离范围内的回波信号，并根据所述可探测距离范围和探测精度将所述回波信号划分为多个信号单元；获取所述多个信号单元中每个信号单元的能量值，并根据每个信号单元的能量值从所述多个信号单元中选取M个待选信号单元，其中，M为正整数；设定权值函数，并确定所述超声波测距设备当前次测距的参考距离，以及根据所述参考距离对所述权值函数进行更新；根据更新后的权值函数获取所述M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率，并根据所述M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率和能量值生成每个待选信号单元的选波参数；根据所述M个待选信号单元的选波参数确定所述超声波测距设备当前次测距的目标回波信号，以便根据所述目标回波信号获取所述超声波测距设备当前次的所测距离。
根据本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测方法，通过将可探测距离范围内的回波信号划分为多个信号单元，并根据多个信号单元的能量值选取出至少一个待选信号单元，然后根据参考距离、权值函数获取待选信号单元的选波概率和包括能量值和该选波概率的选波参数，以及根据选波参数确定当前次测距的目标回波信号，由此，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高超声波测距设备测距的稳定性和准确率，使得超声波测距设备适用于强干扰环境中。
另外，根据本发明上述实施例提出的超声波测距设备的回波信号检测方法还可以具有如下附加的技术特征：
具体地，获取所述多个信号单元中每个信号单元的能量值，包括：将每个信号单元中所有采样点的幅值相加以得到该信号单元的能量值。
具体地，获取所述多个信号单元中每个信号单元的能量值，包括：将每个信号单元的功率作为该信号单元的能量值。
具体地，根据每个信号单元的能量值从所述多个信号单元中选取M个待选信号单元，包括：将每个信号单元的能量值与能量阈值进行比较，并将能量值大于所述能量阈值的信号单元选取为所述待选信号单元。
其中，所述能量阈值根据所述多个信号单元的能量值的均值进行设定。
具体地，根据所述M个待选信号单元的选波参数确定所述超声波测距设备当前次测距的目标回波信号，包括：确定所述M个待选信号单元的选波参数中的最大选波参数；如果所述最大选波参数大于预设参数阈值，则将所述最大选波参数所属的待选信号单元确定为所述目标回波信号。
进一步地，在确定所述目标回波信号，并根据所述目标回波信号获取所述超声波测距设备当前次的所测距离之后，还根据所述超声波测距设备当前次的所测距离对所述参考距离进行更新，以便将所述超声波测距设备当前次的所测距离作为所述超声波测距设备下一次测距的参考距离。
进一步地，确定所述超声波测距设备当前次测距的参考距离，还包括：确定所述M个待选信号单元的能量值中的最大能量值；根据所述最大能量值所属的待选信号单元获取对应的距离值；将所述超声波测距设备多次测距所获取的预设数量的距离值的均值确定为所述超声波测距设备当前次测距的参考距离。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面实施例提出的超声波测距设备的回波信号检测方法。
根据本发明实施例的非临时性计算机可读存储介质，通过执行其存储的计算机程序，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高超声波测距设备测距的可靠性和准确率，使得超声波测距设备适用于强干扰环境中。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种超声波测距设备的回波信号检测装置，该装置包括：信号获取模块，用于获取所述超声波测距设备的可探测距离范围内的回波信号；信号划分模块，用于根据所述可探测距离范围和探测精度将所述回波信号划分为多个信号单元；信号选取模块，用于获取所述多个信号单元中每个信号单元的能量值，并根据每个信号单元的能量值从所述多个信号单元中选取M个待选信号单元，其中，M为正整数；函数更新模块，用于确定所述超声波测距设备当前次测距的参考距离，并根据所述参考距离对确定的权值函数进行更新；参数生成模块，用于根据更新后的权值函数获取所述M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率，并根据所述M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率和能量值生成每个待选信号单元的选波参数；信号确定模块，用于根据所述M个待选信号单元的选波参数确定所述超声波测距设备当前次测距的目标回波信号，以便根据所述目标回波信号获取所述超声波测距设备当前次的所测距离。
根据本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测装置，通过将可探测距离范围内的回波信号划分为多个信号单元，并根据多个信号单元的能量值选取出至少一个待选信号单元，然后根据参考距离、权值函数获取待选信号单元的选波概率和包括能量值和该选波概率的选波参数，以及根据选波参数确定当前次测距的目标回波信号，由此，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高超声波测距设备测距的稳定性和准确率，使得超声波测距设备适用于强干扰环境中。
另外，根据本发明上述实施例提出的超声波测距设备的回波信号检测装置还可以具有如下附加的技术特征：
具体地，所述信号选取模块将每个信号单元中所有采样点的幅值相加以得到该信号单元的能量值。
具体地，所述信号选取模块将每个信号单元的功率作为该信号单元的能量值。
具体地，所述信号选取模块将每个信号单元的能量值与能量阈值进行比较，以及将能量值大于所述能量阈值的信号单元选取为所述待选信号单元。
其中，所述能量阈值根据所述多个信号单元的能量值的均值进行设定。
具体地，所述信号确定模块用于确定所述M个待选信号单元的选波参数中的最大选波参数，并在所述最大选波参数大于预设参数阈值时，将所述最大选波参数所属的待选信号单元确定为所述目标回波信号。
进一步地，在根据所述信号确定模块确定的所述目标回波信号获取所述超声波测距设备当前次的所测距离之后，所述函数更新模块还根据所述超声波测距设备当前次的所测距离对所述参考距离进行更新，以便将所述超声波测距设备当前次的所测距离作为所述超声波测距设备下一次测距的参考距离。
进一步地，所述函数更新模块还用于确定所述M个待选信号单元的能量值中的最大能量值，并根据所述最大能量值所属的待选信号单元获取对应的距离值，以及将所述超声波测距设备多次测距所获取的预设数量的距离值的均值确定为所述超声波测距设备当前次测距的参考距离。
为达到上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种超声波测距设备，其包括本发明第三方面实施例提出的超声波测距设备的回波信号检测装置。
根据本发明实施例的超声波测距设备，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高测距的稳定性和准确率，可适用于强干扰环境中。
为达到上述目的，本发明第五方面实施例提出了一种飞行器，其包括本发明第四方面实施例提出的超声波测距设备。
根据本发明实施例的飞行器，测距的稳定性和准确率较高。
附图说明
图1为根据本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测方法的流程图；
图2为根据本发明一个具体实施例的超声波测距设备的测距方法的流程图；
图3为根据本发明一个具体实施例的检波流程图；
图4为根据本发明一个具体实施例的选波流程图；
图5为根据本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测装置的方框示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图来描述本发明实施例的超声波测距设备及其回波信号检测方法、装置和飞行器。
图1为根据本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测方法的流程图。
如图1所示，本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测方法，包括以下步骤：
S1，获取超声波测距设备的可探测距离范围内的回波信号，并根据可探测距离范围和探测精度将回波信号划分为多个信号单元。
在本发明的实施例中，超声波测距设备可在发射超声波后开始对反射波进行AD采样，以得到回波信号。具体地，可通过软件使能硬件驱动电路的方式驱动超声波传感器(例如声呐传感器)的发射头来发射超声波，并通过超声波传感器的接收头接收反射波，然后对该反射波进行滤波和通过包括三极管或比较器等的AD采样电路对该反射波进行AD采样得到数字信号，以将得到的数字信号作为最终采集到的回波信号。
其中，超声波测距设备具有对应的可探测范围，可探测范围的大小取决于超声波测距设备的最大探测距离和盲区的大小。其中，在超声波在停止驱动后，由于机械惯性，超声波传感器本身还会继续振动，即超声波传感器还会有余震，在超声波传感器振动期间无法在其一定距离范围内接收到准确的回波信号，或其一定距离范围内真实的回波信号由于被余震淹没而无法被识别，该距离范围即称为盲区。超声波测距设备的可探测范围可为由盲区边界至最大探测距离的范围。在本发明的一个具体实施例中，如果盲区边界距超声波传感器0.5m，超声波传感器的最大探测距离为6m，则超声波测距设备的可探测范围为0.5m至6m的范围。
应当理解，超声波由发射到被接收的时间取决于反射超声波位置与发射超声波位置之间的距离，即探测物与超声波传感器之间的距离。因此，对于回波信号来说，某一时间段的回波信号等同于相应距离范围内的回波信号。回波信号为一段时间内时间和幅值均离散的信号，其中，幅值可为电压值，其可表示对应的回波信号的功率。在本发明的实施例中，通过上述的时间与距离的对应关系，可截取相应时间内的回波信号作为可探测距离范围内的回波信号。举例而言，根据超声波的传播速度、传播时间与传播距离之间的关系，可将自超声波传感器发射超声波后的1/v至12/v的时间范围内的回波信号作为上述0.5m至6m的可探测距离范围内的回波信号，其中，v为超声波的传播速度。
在本发明的一个实施例中，可将可探测距离范围内的回波信号等分为多个信号单元。其中，每个信号单元所占时间为可探测距离范围与探测精度之比。每个信号单元与一个时间单元相对应，因此也就与一个距离单元相对应，因此，可根据对应的时间单元或对应的距离单元对每个信号单元分别进行标识，使得每个信号单元均包括距离特征。进一步地而言，如果该信号单元是由探测物反射超声波得到的，即如果该信号单元为本发明实施例后续所要确定的目标回波信号，则可直接根据该信号单元所对应的距离单元获知探测物与超声波传感器之间的距离值，即超声波测距设备所测距离。
举例而言，假设超声波测距设备的探测精度为1cm，则上述0.5m至6m的可探测距离范围可等分为550个信号单元，并标识为X＝{X0，X1，...，X549}，其中，每个信号单元中可包括n个采样点，其中，n为正整数。
S2，获取多个信号单元中每个信号单元的能量值，并根据每个信号单元的能量值从多个信号单元中选取M个待选信号单元，其中，M为正整数。
具体地，可将每个信号单元中所有采样点的幅值相加以得到该信号单元的能量值，或者可直接将每个信号单元的功率作为该信号单元的能量值。然后可将每个信号单元的能量值与能量阈值进行比较，并将能量值大于能量阈值的信号单元选取为待选信号单元。
其中，能量阈值可为预先设定的固定值，也可根据多个信号单元的能量值的均值进行设定，即可根据多个信号单元的能量值进行调整。
在本发明的一个实施例中，可将信号单元X0至X549内中的每个信号单元内的采样点的幅值相加，分别得到信号单元X0至X549的能量值，记为Q＝{Q0，Q1，...，Q499}。能量阈值QT根据Q0至Q549的均值设定。应当理解，若能量阈值QT取太大则容易导致选取不到待选信号单元的情况，若能量阈值QT取得过小，则可导致选取到过多的待选信号单元的情况，在本发明的一个实施例中，可将能量阈值QT设定为1.5倍的Q0至Q549的均值。
S3，设定权值函数，并确定超声波测距设备当前次测距的参考距离，以及根据参考距离对权值函数进行更新。
其中，权值函数以待选信号单元的标识为输入，并以选波概率为输出。其中，选波概率表示该待选信号单元为目标回波信号的概率，即权值函数可用于判断每个待选信号单元是否是由探测物反射超声波得到的。
在本发明的一个实施例中，权值函数可为分段函数或钟形函数等。
在本发明的一个实施例中，可确定M个待选信号单元的能量值中的最大能量值，并根据最大能量值所属的待选信号单元获取对应的距离值，以及将超声波测距设备多次测距所获取的预设数量的距离值的均值确定为超声波测距设备当前次测距的参考距离。
在超声波测距设备开启后首次测距时，可先根据上述方式对参考距离进行初始化。具体地，可连续N次发射超声波，并在每次发射超声波后均执行上述步骤S1至S3，以分别选取相应数量的待选信号单元。在每次选取到相应数量的待选信号单元后，都按照能量值的大小对相应数量的待选信号单元进行排序，并确定能量值最大的待选信号单元，然后根据该能量值最大的待选信号单元的距离特征获取其对应的距离值。判断据此得到的N个距离值中，相邻两个距离值之间的差值，如果差值小于距离阈值，则说明前后N个能量值最大的待选信号是连续的，满足确定初始参考距离的条件，进而可以该N个距离值的均值作为初始参考距离。而如果任意相邻两个距离值之间的差值大于距离阈值，则认为当前选取的待N个能量值最大的待选信号中存在噪声，继续上述的执行初始化方式，直到获取到初始参考距离。其中，N大于等于2。在本发明的一个具体实施例中，N等于5。
如果超声波测距设备是非首次测距，则可将上一次所测距离作为参考距离，或者根据此前多次测距所存储的最大能量值队列确定参考距离，具体确定过程将在后续描述中给出。
在确定参考距离后，可根据参考距离对权值函数进行更新。具体地，可将参考距离设定为权值函数中的参数，以为待选信号单元的距离特征提供参考。通过对比待选信号单元的距离特征与参考距离在权值函数中的关系，则可得到待选信号单元的选波概率。
举例而言，可将参考距离作为钟形函数中的位置参数，并将钟形函数的极值设定为1，通过将待选信号单元对应的距离值代入该钟形函数，则可得到该待选信号单元的选波概率。
S4，根据更新后的权值函数获取M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率，并根据M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率和能量值生成每个待选信号单元的选波参数。
对于上述的M个待选信号单元，可根据分别对应的待选信号单元的标识得到对应的选波概率，记为P＝{P0，P1，...，PM-1}，然后可根据每个待选信号单元对应的选波概率与能量值得到选波参数，M个待选信号单元的选波参数。记为Y＝{Y0，Y1，...，YM-1}。选波参数中既包括选波概率的特征，又包括能量值的特征，具体可通过预设函数，将选波概率和能量值作为自变量，并将选波参数作为因变量，根据选波概率、能量值和该预设函数求得选波参数。例如，每个待选信号单元的选波参数可为其对应的选波概率与能量值之和、选波概率与能量值之积或选波概率与能量值之差等。
S5，根据M个待选信号单元的选波参数确定超声波测距设备当前次测距的目标回波信号，以便根据目标回波信号获取超声波测距设备当前次的所测距离。
具体地，可确定M个待选信号单元的选波参数中的最大选波参数，并判断最大选波参数是否大于预设参数阈值，以及在最大选波参数大于预设参数阈值时，将最大选波参数所属的待选信号单元确定为目标回波信号。
在确定目标回波信号后，可根据目标回波信号所对应的距离单元获取超声波测距设备当前次的所测距离。
在确定目标回波信号，并根据目标回波信号获取超声波测距设备当前次的所测距离之后，还可根据超声波测距设备当前次的所测距离对参考距离进行更新，以便将超声波测距设备当前次的所测距离作为超声波测距设备下一次测距的参考距离。
而如果M个待选信号单元的选波参数均小于预设参数阈值，则当前次测距失败，此时可对参考距离进行初始化，以重新建立测距流程。而如果M个待选信号单元的选波参数不都小于预设参数阈值，则可判断最大选波参数所属的待选信号单元的能量值是否为M个待选信号的能量值中的最大值，如果不是，则将能量值最大的待选信号放入最大能量值队列中；如果是，则清空该最大能量值队列，继而将最大选波参数所属的待选信号单元作为目标回波信号。如果最大能量值队列中的数值个数满足初始参考距离判断条件，即数值个数达到N，则可参考上述对参考距离进行初始化的方式，判断最大能量值队列中的数值之差是否满足确定初始参考距离的条件。如果满足条件，则更新参考距离，并重新建立测距流程，同时清空最大能量值队列。如果最大能量值队列中的数值之差不满足确定初始参考距离的条件，则删除最大能量值队列中最早放入的一个数值，添加当前次的M个待选信号中能量值最大的待选信号。由此，可以在测距失败后及时更新参考距离，实现快速纠正。
根据本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测方法，通过将可探测距离范围内的回波信号划分为多个信号单元，并根据多个信号单元的能量值选取出至少一个待选信号单元，然后根据参考距离、权值函数获取待选信号单元的选波概率和包括能量值和该选波概率的选波参数，以及根据选波参数确定当前次测距的目标回波信号，由此，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高超声波测距设备测距的稳定性和准确率，使得超声波测距设备适用于强干扰环境中。
下面结合一些具体实施例进一步说明本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测方法。
如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，超声波测距设备的测距方法可包括以下步骤：
S101，发射超声波。
S102，对反射波进行AD采样以得到回波信号。
S103，进行检波流程。
S104，进行选波流程。
S105，输出所测距离。
如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，超声波测距设备的回波信号检测方法可包括以下步骤：
S201，截取有效的回波信号。即从接收反射波的总时间T的信号中，截取可探测距离范围所对应的一段时间的信号，作为有效的回波信号。
S202，对回波信号进行划分以得到多个信号单元。可按时间单元，或者说是距离单元对回波信号进行等分。
S203，获取每个信号单元的能量值，并设定能量阈值QT。
S204，逐一判断每个信号单元的能量值是否大于QT。如果是，则执行步骤S205；如果否，则执行步骤S206。
S205，选作待选信号单元。多个信号单元中可选取出M个待选信号单元。
S206，舍弃该信号单元。
S207，由权值函数G(X)生成每个待选信号单元的选波概率P和选波参数Y。
以上步骤为检波流程，通过进行检波流程，获取每个待选信号单元的选波概率和选波参数，以便执行以下的选波流程。
如图4所示，在本发明的一个具体实施例中，超声波测距设备的回波信号检测方法可进一步包括以下步骤：
S301，确定初始参考距离。即对参考距离进行初始化。
S302，更新选波参数。具体通过参考距离更新权值函数G(X)，然后根据更新后的权值函数重新计算每个待选信号单元的选波概率和选波参数。
S303，选择最大选波参数。
S304，判断是否距离跟踪失败。即是否所有的选波参数均小于设定的参数阈值，没有任何待选信号单元满足作为目标回波信号的条件，此时距离跟踪失败，即测距失败。如果是，则返回步骤S301；如果否，则执行步骤S305。
S305，判断最大选波参数所属的待选信号单元的能量值是否为最大能量值。如果是，则执行步骤S306；如果否，则执行步骤S307。
S306，清空最大能量值队列。由于距离跟踪成功，下一次测距直接以当前次的所测距离作为参考距离，因而可直接清空最大能量值队列，继而执行步骤S314。
S307，将能量值最大的待选信号加入最大能量值队列。即如果最大选波参数所属的待选信号单元的能量值不为最大能量值，则找出最大能量值，并将能量值最大的待选信号加入一个存储的队列中。在该步骤后执行步骤S308。
S308，判断最大能量值队列中的数值个数是否满足确定初始参考距离的条件。即最大能量值队列中数值个数达到N。如果是，则执行步骤S309；如果否，则执行步骤S313。
S309，判断最大能量值队列中的数值之差是否满足确定初始参考距离的条件。即N个距离值中相邻两个距离值之间的差值是否小于距离阈值。如果是，则执行步骤S310；如果否，则删除最大能量值队列中最早放入的一个数值，然后执行步骤S313。
S310，更新参考距离。即将大能量值队列中N个数值的均值作为参考距离。
S311，建立新的跟踪流程。即根据该参考距离进行下一次测距。
S312，清空最大能量值队列。
S313，不执行任何操作。
S314，将最大选波参数所属的待选信号单元作为目标回波信号。
以上步骤为选波流程，通过选波流程，确定目标回波信号，从而可进一步根据目标回波信号得到当前次的所测距离。
对应上述实施例，本发明还提出一种非临时性计算机可读存储介质。
本发明实施例的非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当该程序被处理器执行时，可实现本发明上述实施例提出的超声波测距设备的回波信号检测方法。
根据本发明实施例的非临时性计算机可读存储介质，通过执行其存储的计算机程序，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高超声波测距设备测距的可靠性和准确率，使得超声波测距设备适用于强干扰环境中。
对应上述实施例，本发明还提出一种超声波测距设备的回波信号检测装置。
如图5所示，本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测装置，包括：信号获取模块10、信号划分模块20、信号选取模块30、函数更新模块40、参数生成模块50和信号确定模块60。
其中，信号获取模块10用于获取超声波测距设备的可探测距离范围内的回波信号；信号划分模块20用于根据可探测距离范围和探测精度将回波信号划分为多个信号单元；信号选取模块30用于获取多个信号单元中每个信号单元的能量值，并根据每个信号单元的能量值从多个信号单元中选取M个待选信号单元，其中，M为正整数；函数更新模块40用于确定超声波测距设备当前次测距的参考距离，并根据参考距离对确定的权值函数进行更新；参数生成模块50用于根据更新后的权值函数获取M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率，并根据M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率和能量值生成每个待选信号单元的选波参数；信号确定模块60用于根据M个待选信号单元的选波参数确定超声波测距设备当前次测距的目标回波信号，以便根据目标回波信号获取超声波测距设备当前次的所测距离。
在本发明的实施例中，超声波测距设备可在发射超声波后开始通过信号获取模块10对反射波进行AD采样，以得到回波信号。具体地，可通过软件使能硬件驱动电路的方式驱动超声波传感器的发射头来发射超声波，并通过超声波传感器的接收头接收反射波，然后对该反射波进行滤波和通过包括三极管或比较器等的AD采样电路对该反射波进行AD采样得到数字信号，以将得到的数字信号作为最终采集到的回波信号。
其中，超声波测距设备具有对应的可探测范围，可探测范围的大小取决于超声波测距设备的最大探测距离和盲区的大小。其中，在超声波在停止驱动后，由于机械惯性，超声波传感器本身还会继续振动，即超声波传感器还会有余震，在超声波传感器振动期间无法在其一定距离范围内接收到准确的回波信号，或其一定距离范围内真实的回波信号由于被余震淹没而无法被识别，该距离范围即称为盲区。超声波测距设备的可探测范围可为由盲区边界至最大探测距离的范围。在本发明的一个具体实施例中，如果盲区边界距超声波传感器0.5m，超声波传感器的最大探测距离为6m，则超声波测距设备的可探测范围为0.5m至6m的范围。
应当理解，超声波由发射到被接收的时间取决于反射超声波位置与发射超声波位置之间的距离，即探测物与超声波传感器之间的距离。因此，对于回波信号来说，某一时间段的回波信号等同于相应距离范围内的回波信号。回波信号为一段时间内时间和幅值均离散的信号，其中，幅值可为电压值，其可表示对应的回波信号的功率。在本发明的实施例中，通过上述的时间与距离的对应关系，可截取相应时间内的回波信号作为可探测距离范围内的回波信号。举例而言，根据超声波的传播速度、传播时间与传播距离之间的关系，可将自超声波传感器发射超声波后的1/v至12/v的时间范围内的回波信号作为上述0.5m至6m的可探测距离范围内的回波信号，其中，v为超声波的传播速度。
在本发明的一个实施例中，信号划分模块20可将可探测距离范围内的回波信号等分为多个信号单元。其中，每个信号单元所占时间为可探测距离范围与探测精度之比。每个信号单元与一个时间单元相对应，因此也就与一个距离单元相对应，因此，可根据对应的时间单元或对应的距离单元对每个信号单元分别进行标识，使得每个信号单元均包括距离特征。进一步地而言，如果该信号单元是由探测物反射超声波得到的，即如果该信号单元为本发明实施例后续所要确定的目标回波信号，则可直接根据该信号单元所对应的距离单元获知探测物与超声波传感器之间的距离值，即超声波测距设备所测距离。
举例而言，假设超声波测距设备的探测精度为1cm，则上述0.5m至6m的可探测距离范围可等分为550个信号单元，并标识为X＝{X0，X1，...，X549}，其中，每个信号单元中可包括n个采样点，其中，n为正整数。
信号选取模块30具体可将每个信号单元中所有采样点的幅值相加以得到该信号单元的能量值，或者可直接将每个信号单元的功率作为该信号单元的能量值。然后信号选取模块30可将每个信号单元的能量值与能量阈值进行比较，并将能量值大于能量阈值的信号单元选取为待选信号单元。
其中，能量阈值可为预先设定的固定值，也可根据多个信号单元的能量值的均值进行设定，即可根据多个信号单元的能量值进行调整。
在本发明的一个实施例中，信号选取模块30可将信号单元X0至X549内中的每个信号单元内的采样点的幅值相加，分别得到信号单元X0至X549的能量值，记为Q＝{Q0，Q1，...，Q499}。能量阈值QT根据Q0至Q549的均值设定。应当理解，若能量阈值QT取太大则容易导致选取不到待选信号单元的情况，若能量阈值QT取得过小，则可导致选取到过多的待选信号单元的情况，在本发明的一个实施例中，可将能量阈值QT设定为1.5倍的Q0至Q549的均值。
其中，权值函数以待选信号单元的标识为输入，并以选波概率为输出。其中，选波概率表示该待选信号单元为目标回波信号的概率，即权值函数可用于判断每个待选信号单元是否是由探测物反射超声波得到的。
在本发明的一个实施例中，权值函数可为分段函数或钟形函数等。
在本发明的一个实施例中，函数更新模块40可确定M个待选信号单元的能量值中的最大能量值，并根据最大能量值所属的待选信号单元获取对应的距离值，以及将超声波测距设备多次测距所获取的预设数量的距离值的均值确定为超声波测距设备当前次测距的参考距离。
在超声波测距设备开启后首次测距时，函数更新模块40可先根据上述方式对参考距离进行初始化。具体地，可连续N次发射超声波，并在每次发射超声波后均通过上述的信号获取模块10、信号划分模块20和信号选取模块30分别选取相应数量的待选信号单元。在每次选取到相应数量的待选信号单元后，函数更新模块40都按照能量值的大小对相应数量的待选信号单元进行排序，并确定能量值最大的待选信号单元，然后根据该能量值最大的待选信号单元的距离特征获取其对应的距离值。函数更新模块40判断据此得到的N个距离值中，相邻两个距离值之间的差值，如果差值小于距离阈值，则说明前后N个能量值最大的待选信号是连续的，满足确定初始参考距离的条件，进而可以该N个距离值的均值作为初始参考距离。而如果任意相邻两个距离值之间的差值大于距离阈值，则认为当前选取的待N个能量值最大的待选信号中存在噪声，函数更新模块40继续上述的执行初始化方式，直到获取到初始参考距离。其中，N大于等于2。在本发明的一个具体实施例中，N等于5。
如果超声波测距设备是非首次测距，则函数更新模块40可将上一次所测距离作为参考距离，或者根据此前多次测距所存储的最大能量值队列确定参考距离，具体确定过程将在后续描述中给出。
在确定参考距离后，函数更新模块40可根据参考距离对权值函数进行更新。具体地，可将参考距离设定为权值函数中的参数，以为待选信号单元的距离特征提供参考。通过对比待选信号单元的距离特征与参考距离在权值函数中的关系，则可得到待选信号单元的选波概率。
举例而言，可将参考距离作为钟形函数中的位置参数，并将钟形函数的极值设定为1，通过将待选信号单元对应的距离值代入该钟形函数，则可得到该待选信号单元的选波概率。
对于上述的M个待选信号单元，参数生成模块50可根据分别对应的待选信号单元的标识得到对应的选波概率，记为P＝{P0，P1，...，PM-1}，然后可根据每个待选信号单元对应的选波概率与能量值得到选波参数，M个待选信号单元的选波参数。记为Y＝{Y0，Y1，...，YM-1}。选波参数中既包括选波概率的特征，又包括能量值的特征，具体可通过预设函数，将选波概率和能量值作为自变量，并将选波参数作为因变量，根据选波概率、能量值和该预设函数求得选波参数。例如，每个待选信号单元的选波参数可为其对应的选波概率与能量值之和、选波概率与能量值之积或选波概率与能量值之差等。
信号确定模块60具体可确定M个待选信号单元的选波参数中的最大选波参数，并判断最大选波参数是否大于预设参数阈值，以及在最大选波参数大于预设参数阈值时，将最大选波参数所属的待选信号单元确定为目标回波信号。
在确定目标回波信号后，可根据目标回波信号所对应的距离单元获取超声波测距设备当前次的所测距离。
在确定目标回波信号，并根据目标回波信号获取超声波测距设备当前次的所测距离之后，函数更新模块40还可根据超声波测距设备当前次的所测距离对参考距离进行更新，以便将超声波测距设备当前次的所测距离作为超声波测距设备下一次测距的参考距离。
而如果M个待选信号单元的选波参数均小于预设参数阈值，则当前次测距失败，此时可对参考距离进行初始化，以重新建立测距流程。而如果M个待选信号单元的选波参数不都小于预设参数阈值，则可判断最大选波参数所属的待选信号单元的能量值是否为M个待选信号的能量值中的最大值，如果不是，则将能量值最大的待选信号放入最大能量值队列中；如果是，则清空该最大能量值队列，继而将最大选波参数所属的待选信号单元作为目标回波信号。如果最大能量值队列中的数值个数满足初始参考距离判断条件，即数值个数达到N，则可参考上述对参考距离进行初始化的方式，判断最大能量值队列中的数值之差是否满足确定初始参考距离的条件。如果满足条件，则更新参考距离，并重新建立测距流程，同时清空最大能量值队列。如果最大能量值队列中的数值之差不满足确定初始参考距离的条件，则删除最大能量值队列中最早放入的一个数值，添加当前次的M个待选信号中能量值最大的待选信号。由此，可以在测距失败后及时更新参考距离，实现快速纠正。
根据本发明实施例的超声波测距设备的回波信号检测装置，通过将可探测距离范围内的回波信号划分为多个信号单元，并根据多个信号单元的能量值选取出至少一个待选信号单元，然后根据参考距离、权值函数获取待选信号单元的选波概率和包括能量值和该选波概率的选波参数，以及根据选波参数确定当前次测距的目标回波信号，由此，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高超声波测距设备测距的稳定性和准确率，使得超声波测距设备适用于强干扰环境中。
对应上述实施例，本发明还提出一种超声波测距设备。
本发明实施例的超声波测距设备，包括本发明上述实施例提出的超声波测距设备的回波信号检测装置，其具体的实施方式可参照上述实施例，为避免冗余，在此不再赘述。
根据本发明实施例的超声波测距设备，能够准确地检测到目标回波，从而能够大大提高测距的稳定性和准确率，可适用于强干扰环境中。
对应上述实施例，本发明还提出一种飞行器。
本发明实施例的飞行器，包括本发明上述实施例提出的超声波测距设备。
本发明实施例的飞行器可为无人机等，其通过超声波测距设备进行测距，以采集目标数据，或实现自动控制。
根据本发明实施例的飞行器，测距的稳定性和准确率较高。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (19)
1.一种超声波测距设备的回波信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取所述超声波测距设备的可探测距离范围内的回波信号，并根据所述可探测距离范围和探测精度将所述回波信号划分为多个信号单元；
获取所述多个信号单元中每个信号单元的能量值，并根据每个信号单元的能量值从所述多个信号单元中选取M个待选信号单元，其中，M为正整数；
设定权值函数，并确定所述超声波测距设备当前次测距的参考距离，以及根据所述参考距离对所述权值函数进行更新，其中，所述权值函数的输入为所述M个待选信号单元中的任一个的标识，所述权值函数的输出为所述M个待选信号单元中的任一个为目标回波信号的概率，其中，根据所述参考距离对所述权值函数进行更新，包括：将所述参考距离设定为所述权值函数中的参数；
根据更新后的权值函数获取所述M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率，并根据所述M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率和能量值生成每个待选信号单元的选波参数；
根据所述M个待选信号单元的选波参数确定所述超声波测距设备当前次测距的目标回波信号，以便根据所述目标回波信号获取所述超声波测距设备当前次的所测距离。
2.根据权利要求1所述的超声波测距设备的回波信号检测方法，其特征在于，获取所述多个信号单元中每个信号单元的能量值，包括：
将每个信号单元中所有采样点的幅值相加以得到该信号单元的能量值。
3.根据权利要求1所述的超声波测距设备的回波信号检测方法，其特征在于，获取所述多个信号单元中每个信号单元的能量值，包括：
将每个信号单元的功率作为该信号单元的能量值。
4.根据权利要求2或3所述的超声波测距设备的回波信号检测方法，其特征在于，根据每个信号单元的能量值从所述多个信号单元中选取M个待选信号单元，包括：
将每个信号单元的能量值与能量阈值进行比较，并将能量值大于所述能量阈值的信号单元选取为所述待选信号单元。
5.根据权利要求4所述的超声波测距设备的回波信号检测方法，其特征在于，所述能量阈值根据所述多个信号单元的能量值的均值进行设定。
6.根据权利要求1所述的超声波测距设备的回波信号检测方法，其特征在于，根据所述M个待选信号单元的选波参数确定所述超声波测距设备当前次测距的目标回波信号，包括：
确定所述M个待选信号单元的选波参数中的最大选波参数；
如果所述最大选波参数大于预设参数阈值，则将所述最大选波参数所属的待选信号单元确定为所述目标回波信号。
7.根据权利要求6所述的超声波测距设备的回波信号检测方法，其特征在于，在确定所述目标回波信号，并根据所述目标回波信号获取所述超声波测距设备当前次的所测距离之后，还根据所述超声波测距设备当前次的所测距离对所述参考距离进行更新，以便将所述超声波测距设备当前次的所测距离作为所述超声波测距设备下一次测距的参考距离。
8.根据权利要求1或7所述的超声波测距设备的回波信号检测方法，其特征在于，确定所述超声波测距设备当前次测距的参考距离，还包括：
确定所述M个待选信号单元的能量值中的最大能量值；
根据所述最大能量值所属的待选信号单元获取对应的距离值；
将所述超声波测距设备多次测距所获取的预设数量的距离值的均值确定为所述超声波测距设备当前次测距的参考距离。
9.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1-8中任一所述的超声波测距设备的回波信号检测方法。
10.一种超声波测距设备的回波信号检测装置，其特征在于，包括：
信号获取模块，用于获取所述超声波测距设备的可探测距离范围内的回波信号；
信号划分模块，用于根据所述可探测距离范围和探测精度将所述回波信号划分为多个信号单元；
信号选取模块，用于获取所述多个信号单元中每个信号单元的能量值，并根据每个信号单元的能量值从所述多个信号单元中选取M个待选信号单元，其中，M为正整数；
函数更新模块，用于确定所述超声波测距设备当前次测距的参考距离，并根据所述参考距离对确定的权值函数进行更新，其中，所述函数更新模块具体用于：将所述M个待选信号单元中的任一个的标识设置为权值函数的输入，将所述M个待选信号单元中的任一个为目标回波信号的概率设置为权值函数的输出，将所述参考距离设定为所述权值函数中的参数；
参数生成模块，用于根据更新后的权值函数获取所述M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率，并根据所述M个待选信号单元中每个待选信号单元的选波概率和能量值生成每个待选信号单元的选波参数；
信号确定模块，用于根据所述M个待选信号单元的选波参数确定所述超声波测距设备当前次测距的目标回波信号，以便根据所述目标回波信号获取所述超声波测距设备当前次的所测距离。
11.根据权利要求10所述的超声波测距设备的回波信号检测装置，其特征在于，所述信号选取模块将每个信号单元中所有采样点的幅值相加以得到该信号单元的能量值。
12.根据权利要求10所述的超声波测距设备的回波信号检测装置，其特征在于，所述信号选取模块将每个信号单元的功率作为该信号单元的能量值。
13.根据权利要求11或12所述的超声波测距设备的回波信号检测装置，其特征在于，所述信号选取模块将每个信号单元的能量值与能量阈值进行比较，以及将能量值大于所述能量阈值的信号单元选取为所述待选信号单元。
14.根据权利要求13所述的超声波测距设备的回波信号检测装置，其特征在于，所述能量阈值根据所述多个信号单元的能量值的均值进行设定。
15.根据权利要求10所述的超声波测距设备的回波信号检测装置，其特征在于，所述信号确定模块具体用于确定所述M个待选信号单元的选波参数中的最大选波参数，并在所述最大选波参数大于预设参数阈值时，将所述最大选波参数所属的待选信号单元确定为所述目标回波信号。
16.根据权利要求15所述的超声波测距设备的回波信号检测装置，其特征在于，在根据所述信号确定模块确定的所述目标回波信号获取所述超声波测距设备当前次的所测距离之后，所述函数更新模块还根据所述超声波测距设备当前次的所测距离对所述参考距离进行更新，以便将所述超声波测距设备当前次的所测距离作为所述超声波测距设备下一次测距的参考距离。
17.根据权利要求10或16所述的超声波测距设备的回波信号检测装置，其特征在于，所述函数更新模块还用于确定所述M个待选信号单元的能量值中的最大能量值，并根据所述最大能量值所属的待选信号单元获取对应的距离值，以及将所述超声波测距设备多次测距所获取的预设数量的距离值的均值确定为所述超声波测距设备当前次测距的参考距离。
18.一种超声波测距设备，其特征在于，包括根据权利要求10-17中任一项所述的超声波测距设备的回波信号检测装置。
19.一种飞行器，其特征在于，包括根据权利要求18所述的超声波测距设备。
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