CN108169752B - 一种基于无线通信的超声波测距方法及系统 - Google Patents

一种基于无线通信的超声波测距方法及系统 Download PDF

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CN108169752B CN201611118048.8A CN201611118048A CN108169752B CN 108169752 B CN108169752 B CN 108169752B CN 201611118048 A CN201611118048 A CN 201611118048A CN 108169752 B CN108169752 B CN 108169752B
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Abstract

本发明提供了一种基于无线通信的超声波测距方法及系统，方法包括：第一节点向第二节点发送第一超声波信号并记录发送时刻；第二节点接收第一超声波信号并记录接收时刻；第二节点向第一节发送第二超声波信号并记录发送时刻；第一节点接收第二超声波信号并记录接收时刻；第一节点向第二节点发送第三超声波信号和携带第一时间戳的无线通信信号并记录发送时刻；第二节点接收无线通信信号以及第三超声波信号并记录接收时刻；第二节点根据第一、第三超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻以及第一时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。本发明提供的测距方法，在实现低成本、远距离测量的同时还保证了测量精度，且不易受到外界信号的干扰。

Description

一种基于无线通信的超声波测距方法及系统
技术领域
本发明涉及测距技术领域，具体涉及一种基于无线通信的超声波测距方法及系统。
背景技术
现有的无线测距技术包括超声波测距技术，超声波是一种频率高于20KHz的声波，由于指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。现在通常使用的超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，根据接收器接收到超声波时的时间差来计算距离，原理简单，测距方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面达到工业使用要求，但超声波测距对反射面要求较高，而且受限于测量距离，当测量距离较远时，精度会迅速降低。
现有的无线测距技术还包括激光测距技术、超宽带测距技术等，激光测距方法与超声波测距方法相同，根据发射激光到返回的激光信号时间差来实现距离的测量；超宽带测距方法有TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)和AOA(Angle ofArrival)等方法，具有测距简单、迅速、测量距离远、定位准确等优点，但是受环境遮挡影响大，功率消耗多，成本高。这也是制约此类测距技术发展的一个重要方面。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于无线通信的超声波测距方法及系统，本发明提供的测距方法，在实现低成本、远距离测量的同时还保证了测量精度，且不易受到外界信号的干扰。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于无线通信的超声波测距方法，包括：
S1、第一节点向第二节点发送第一超声波信号，并记录第一超声波信号的发送时刻；
S2、第二节点接收第一节点发送的第一超声波信号，并记录第一超声波信号的接收时刻；
S3、第二节点向第一节发送第二超声波信号，并记录第二超声波信号的发送时刻；
S4、第一节点接收第二节点发送的第二超声波信号，并记录第二超声波信号的接收时刻；
S5、第一节点向第二节点发送第三超声波信号，并记录第三超声波信号的发送时刻，同时向第二节点发送一个携带第一时间戳的无线通信信号；所述第一时间戳包括第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻和第三超声波信号的发送时刻；
S6、第二节点接收第一节点发送的无线通信信号以及第三超声波信号，并记录第三超声波信号的接收时刻；
S7、第二节点根据第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻以及第一节点发送的第一时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
进一步地，步骤S7具体包括：
第二节点根据下述公式一计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式二计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000021
D＝Tprop×V 公式二
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
进一步地，步骤S7具体包括：
第二节点根据下述公式三计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式四计算第一节点和第二节点之间的距离：
D＝Tprop×V 公式四
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
进一步地，所述第一节点通过WiFi、Zigbee和433MHz中的任意一种通信方式向所述第二节点发送携带所述第一时间戳的无线通信信号。
进一步地，所述方法还包括：
S8’、第二节点将计算得到的第一节点和第二节点之间的距离通过无线通信信号发送给所述第一节点。
进一步地，所述方法还包括：
S8、第二节点向第一节点发送一个携带第二时间戳信息的无线通信信号；所述第二时间戳包括第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻；
S9、第一节点根据第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻、第三超声波信号的发送时刻以及第二节点发送的第二时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
进一步地，步骤S9具体包括：
第一节点根据下述公式一计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式二计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000041
D＝Tprop×V 公式二
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
进一步地，步骤S9具体包括：
第一节点根据下述公式三计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式四计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000042
D＝Tprop×V 公式四
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
第二方面，本发明还提供了一种基于无线通信的超声波测距系统，包括：第一节点和第二节点；
所述第一节点包括第一超声波收发器、第一无线通信信号收发器、第一控制器和第一计时器；
所述第二节点包括第二超声波收发器、第二无线通信信号收发器、第二控制器和第二计时器；
其中，第一超声波收发器用于在第一控制器的控制下向第二超声波收发器发送第一超声波信号，第一计时器记录第一超声波信号的发送时刻；
第二超声波收发器接收第一超声波收发器发送的第一超声波信号，第二计时器记录第一超声波信号的接收时刻；
第二超声波收发器用于在第二控制器的控制下向第一超声波收发器发送第二超声波信号，第二计时器记录第二超声波信号的发送时刻；
第一超声波收发器接收第二超声波收发器发送的第二超声波信号，第一计时器记录第二超声波信号的接收时刻；
第一超声波收发器还用于在第一控制器的控制下向第二超声波收发器发送第三超声波信号，第一计时器记录第三超声波信号的发送时刻；第一无线通信信号收发器用于在第一控制器的控制下向第二无线通信信号收发器发送一个携带第一时间戳的无线通信信号；所述第一时间戳包括第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻和第三超声波信号的发送时刻；
第二无线通信信号收发器接收第一无线通信信号收发器发送的无线通信信号；第二超声波收发器接收第一超声波收发器发送的第三超声波信号，第二计时器记录第三超声波信号的接收时刻；
第二控制器用于根据第二计时器记录的第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻以及第一无线通信信号收发器发送的第一时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
进一步地，第二无线通信信号收发器还用于在第二控制器的控制下向第一无线通信信号收发器发送一个携带第二时间戳的无线通信信号；所述第二时间戳包括第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻；
相应地，第一控制器根据第一计时器记录的第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻、第三超声波信号的发送时刻以及第二无线通信信号收发器发送的第二时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
由上述技术方案可知，本发明提供的基于无线通信的超声波测距方法，将无线通信技术与超声波测距技术相结合，通过获取时间戳的方法计算两个节点之间的距离，在实现低成本、远距离测量的同时保证了测量精度，且不易受到外界信号的干扰。此外，传统超声波测距一般要求反射面比较平整，如果不平会引起反射波反射路径不规则，导致测距产生误差，而本发明实施例在接收端设置了超声波接收装置用于接收超声波，不需要反射，所以不再受限于反射面的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法的流程图；
图2是本发明一实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法的工作原理示意图；
图3是本发明另一实施例提供的基于无线通信的超声波测距系统的结构示意图；
图4是第一节点的结构示意图；
图5是第二节点的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例提供了一种基于无线通信的超声波测距方法，参见图2所示的原理图。图2中，T1为第一超声波信号的发送时刻、T2为第一超声波信号的接收时刻、T3为第二超声波信号的发送时刻、T4为第二超声波信号的发送时刻、T5为第三超声波信号的发送时刻、T6为第三超声波信号的接收时刻，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间。传输路径201是第一节点向第二节点发送第一超声波信号的路径；传输路径202为第二节点向第一节点发送第二超声波信号的路径；传输路径203为第一节点向第二节点发送无线通信信号的路径；传输路径204为第一节点向第二节点发送第三超声波信号的路径；由于无线通信信号传输快于超声波传输，因此所述的传输路径203先于所述的传输路径204到达第二节点。
参见图1所示的流程图，本发明实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法包括如下步骤：
步骤101：第一节点向第二节点发送第一超声波信号，并记录第一超声波信号的发送时刻。
在本步骤中，第一节点在控制器的控制下向第二节点发送第一超声波信号，并记录第一超声波信号的发送时刻T1。
步骤102：第二节点接收第一节点发送的第一超声波信号，并记录第一超声波信号的接收时刻。
在本步骤中，第二节点接收第一节点发送的第一超声波信号，并记录第一超声波信号的接收时刻T2。
步骤103：第二节点向第一节发送第二超声波信号，并记录第二超声波信号的发送时刻。
在本步骤中，第二节点在接收第一节点发送的第一超声波信号之后，随即第二节点向第一节发送第二超声波信号，并记录第二超声波信号的发送时刻T3。
步骤104：第一节点接收第二节点发送的第二超声波信号，并记录第二超声波信号的接收时刻。
在本步骤中，第一节点接收第二节点发送的第二超声波信号，并记录第二超声波信号的接收时刻T4。
步骤105：第一节点向第二节点发送第三超声波信号，并记录第三超声波信号的发送时刻，同时向第二节点发送一个携带第一时间戳的无线通信信号；所述第一时间戳包括第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻和第三超声波信号的发送时刻。
在本步骤中，第一节点接收第二节点发送的第二超声波信号之后，随即在控制器的控制下向第二节点发送第三超声波信号，并记录第三超声波信号的发送时刻T5。同时第一节点向第二节点发送一个携带第一时间戳的无线通信信号，所述第一时间戳包括第一超声波信号的发送时刻T1、第二超声波信号的接收时刻T4和第三超声波信号的发送时刻T5。
步骤106：第二节点接收第一节点发送的无线通信信号以及第三超声波信号，并记录第三超声波信号的接收时刻。
在本步骤中，第二节点接收第一节点发送的无线通信信号以及第三超声波信号，并记录第三超声波信号的接收时刻T6。
步骤107：第二节点根据第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻以及第一节点发送的第一时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
在本步骤中，第二节点根据第二节点自身记录的第一超声波信号的接收时刻T2、第二超声波信号的发送时刻T3、第三超声波信号的接收时刻T6，以及第一节点发送的第一时间戳所包含的第一超声波信号的发送时刻T1、第二超声波信号的接收时刻T4和第三超声波信号的发送时刻T5，根据相应的距离计算原理计算第一节点和第二节点之间的距离。
由上述记载的内容可知，本发明实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法，将无线通信技术与超声波测距技术相结合，通过获取时间戳的方法计算两个节点之间的距离，在实现低成本、远距离测量的同时保证了测量精度，且不易受到外界信号的干扰。此外，传统超声波测距一般要求反射面比较平整，如果不平会引起反射波反射路径不规则，导致测距产生误差，而本发明实施例在接收端设置了超声波接收装置用于接收超声波，不需要反射，所以不再受限于反射面的影响。
下面对本发明实施例能够达到的有益效果进行具体分析如下：
a、本发明实施例由于在两节点之间采用多次超声波信号发送、接收以及节点A通过无线通信方式向节点B发送包含节点A发送及接收相关超声波时刻的时间戳的方式进行两节点之间距离的测量，因而解决了现有的超声波测距中存在的“超声波测距受限于测量距离，当测量距离较远时，精度会迅速降低”的问题，因而可以实现远距离、高精度的测距。同时，本发明实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法，由于在接收端进行超声波接收，不需要接收端进行反射，所以不再受限于反射面的影响，即解决了现有的超声波测距中存在的“超声波测距对反射面要求较高，受限于反射面”的问题。可见，本发明实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法，不但测量距离较远，而且不再受限于传统超声波测距反射面的影响，方向的固定性对测距的影响减少。
b、本发明实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法，在两个节点之间无需进行时间同步便能得到准确的测距结果。
c、本发明实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法，测距实质仍然为超声波测距，因而比目前使用的激光测距、UWB测距等无线测距方法成本要低。
d、本发明实施例提供的基于无线通信的超声波测距方法，由于无线通信信号只携带时间戳信息，无需参与测距，而且传输时间远小于超声波的传输时间，对无线通信信号的传输时间要求降低，因此周围复杂环境对无线通信信号的干扰不会影响超声波测距的精度，抗干扰性增强。
在一种可选实施方式中，所述第一节点通过WiFi、Zigbee和433MHz中的任意一种通信方式向所述第二节点发送携带所述第一时间戳的无线通信信号。例如，可以以无线WiFi作为无线通信信号，WiFi，又称802.11标准，传输速度较高，大于10Mbps，在开放性区域，通讯距离可达300m以上，最重要的是成本低，与超声波测距相结合，不会增加较多的成本。
参见图2所示的原理图，其中，T1为第一超声波信号的发送时刻、T2为第一超声波信号的接收时刻、T3为第二超声波信号的发送时刻、T4为第二超声波信号的发送时刻、T5为第三超声波信号的发送时刻、T6为第三超声波信号的接收时刻，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间。参见图2，传输路径201是第一节点向第二节点发送第一超声波信号的路径；传输路径202为第二节点向第一节点发送第二超声波信号的路径；传输路径203为第一节点向第二节点发送无线通信信号的路径；传输路径204为第一节点向第二节点发送第三超声波信号的路径；由于无线通信信号传输快于超声波传输，因此所述的传输路径203先于所述的传输路径204到达第二节点。
在一种可选实施方式中，上述步骤107具体包括：
第二节点根据下述公式一计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式二计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000111
D＝Tprop×V 公式二
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，单位为：秒(s)；D为第一节点和第二节点之间的距离，单位为：米(m)；V为超声波传输速度，单位是米/秒(m/s)；(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
本实施方式提供的距离计算方法，较为简单，在程序中容易实现，计算周期短，比较适用于第一节点和第二节点中的主频相同的情况。
在另一种可选实施方式中，上述步骤107具体包括：
第二节点根据下述公式三计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式四计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000112
D＝Tprop×V 公式四
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
本实施方式提供的距离计算方法，与上一个实施方式提供的距离计算方法相比较，本实施方式提供的计算方法在程序中实现较为复杂，占用CPU时间长，但误差小，不受限于两个节点之间的主频相同。第一节点和第二节点在采用不同的处理器或不同主频下，采用本实施方式提供的距离计算方法可以消除两个节点主频不等带来的测距误差。
此外，如果第一节点想得到测距结果，有两种方式：第一种方式为第二节点采用上面所述的计算方式计算出两个节点之间的测距值后通过发送一个无线通信信号将测距值传递给第一节点。第二种方式为第二个节点发送一个携带时间戳信息的无线通信信号给第一节点，第一节点根据时间戳信息计算出两个节点之间的测距值。下面通过两种可选实施方式进行分别说明。
在一种可选实施方式中，所述方法还包括：
步骤108’：第二节点将计算得到的第一节点和第二节点之间的距离通过无线通信信号发送给所述第一节点。
在另一种可选实施方式中，所述方法还包括：
步骤108：第二节点向第一节点发送一个携带第二时间戳信息的无线通信信号；所述第二时间戳包括第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻。
步骤109：第一节点根据第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻、第三超声波信号的发送时刻以及第二节点发送的第二时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
在一种可选实施方式中，上述步骤109具体包括：
第一节点根据下述公式一计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式二计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000121
D＝Tprop×V 公式二
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
在一种可选实施方式中，上述步骤109具体包括：
第一节点根据下述公式三计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式四计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000131
D＝Tprop×V 公式四
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
本发明另一实施例提供了一种基于无线通信的超声波测距系统，参见图3，该系统包括：第一节点10和第二节点20。
相应地，参见图4，所述第一节点10包括第一超声波收发器11、第一无线通信信号收发器12、第一控制器13和第一计时器14；
参见图5，所述第二节点20包括第二超声波收发器21、第二无线通信信号收发器22、第二控制器23和第二计时器24；
其中，第一超声波收发器11和第二超声波收发器21，均用于超声波的产生、发送和接收；第一无线通信信号收发器12和第二无线通信信号收发器22，均用于测距的两个节点之间进行无线通信，传输与超声波发送时刻和接收时刻相关的时间戳信息；第一控制器13和第二控制器23，分别用于控制第一计时器14和第二计时器24对超声波和无线通信信号的收发进行准确的计时并计算测距结果。此外，第一控制器13和第二控制器23，还分别用于控制第一超声波收发器11、第一无线通信信号收发器21，以及第二超声波收发器21、第二无线通信信号收发器22的工作状态。
具体地，第一超声波收发器11用于在第一控制器13的控制下向第二超声波收发器21发送第一超声波信号，第一计时器14记录第一超声波信号的发送时刻；
第二超声波收发器21接收第一超声波收发器11发送的第一超声波信号，第二计时器24记录第一超声波信号的接收时刻；
第二超声波收发器21用于在第二控制器23的控制下向第一超声波收发器11发送第二超声波信号，第二计时器24记录第二超声波信号的发送时刻；
第一超声波收发器11接收第二超声波收发器21发送的第二超声波信号，第一计时器14记录第二超声波信号的接收时刻；
第一超声波收发器11还用于在第一控制器13的控制下向第二超声波收发器21发送第三超声波信号，第一计时器14记录第三超声波信号的发送时刻；第一无线通信信号收发器12用于在第一控制器13的控制下向第二无线通信信号收发器22发送一个携带第一时间戳的无线通信信号；所述第一时间戳包括第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻和第三超声波信号的发送时刻；
第二无线通信信号收发器22接收第一无线通信信号收发器12发送的无线通信信号；第二超声波收发器21接收第一超声波收发器11发送的第三超声波信号，第二计时器24记录第三超声波信号的接收时刻；
第二控制器23用于根据第二计时器24记录的第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻以及第一无线通信信号收发器12发送的第一时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
本发明实施例提供的基于无线通信的超声波测距系统，可以用于执行上述实施例所述的基于无线通信的超声波测距方法，其原理和技术效果类似，此处不再详述。
在一种可选实施方式中，第二控制器23用于根据下述公式一计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式二计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000151
D＝Tprop×V 公式二
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，单位为：秒(s)；D为第一节点和第二节点之间的距离，单位为：米(m)；V为超声波传输速度，单位是米/秒(m/s)；(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
本实施方式提供的第二控制器23的距离计算方式，较为简单，在程序中容易实现，计算周期短，比较适用于第一节点的第一控制器和第二节点中的第二控制器的主频相同的状况。
在另一种可选实施方式中，第二控制器23用于根据下述公式三计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式四计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure BDA0001173735660000152
D＝Tprop×V 公式四
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
本实施方式提供的第二控制器23的距离计算方式，与上一个实施方式提供的距离计算方式相比较，本实施方式提供的计算方式在程序中实现较为复杂，占用CPU时间长，但误差小，不受限于两个节点之间的主频相同。第一节点和第二节点在采用不同的处理器或不同主频下，采用本实施方式提供的距离计算方法可以消除两个节点控制器主频不等带来的测距误差。
在一种可选实施方式中，第二无线通信信号收发器22还用于在第二控制器23的控制下向第一无线通信信号收发器12发送一个无线通信信号，该无线通信信号携带有第二控制器23计算得到的第一节点和第二节点之间的距离。
在另一种可选实施方式中，第二无线通信信号收发器22还用于在第二控制器23的控制下向第一无线通信信号收发器12发送一个携带第二时间戳的无线通信信号；所述第二时间戳包括第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻；
相应地，第一控制器13根据第一计时器14记录的第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻、第三超声波信号的发送时刻以及第二无线通信信号收发器22发送的第二时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
在本可选实施方式中，第一控制器13的具体处理过程可参见上述方法实施例中步骤109的两种具体实现方式，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于无线通信的超声波测距方法，其特征在于，包括：
S1、第一节点向第二节点发送第一超声波信号，并记录第一超声波信号的发送时刻；
S2、第二节点接收第一节点发送的第一超声波信号，并记录第一超声波信号的接收时刻；
S3、第二节点向第一节点发送第二超声波信号，并记录第二超声波信号的发送时刻；
S4、第一节点接收第二节点发送的第二超声波信号，并记录第二超声波信号的接收时刻；
S5、第一节点向第二节点发送第三超声波信号，并记录第三超声波信号的发送时刻，同时向第二节点发送一个携带第一时间戳的无线通信信号；所述第一时间戳包括第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻和第三超声波信号的发送时刻；
S6、第二节点接收第一节点发送的无线通信信号以及第三超声波信号，并记录第三超声波信号的接收时刻；
S7、第二节点根据第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻以及第一节点发送的第一时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7具体包括：
第二节点根据下述公式一计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式二计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure FDA0002156224090000011
D＝Tprop×V 公式二
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7具体包括：
第二节点根据下述公式三计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式四计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure FDA0002156224090000021
D＝Tprop×V 公式四
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一节点通过WiFi、Zigbee和433MHz中的任意一种通信方式向所述第二节点发送携带所述第一时间戳的无线通信信号。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
S8’、第二节点将计算得到的第一节点和第二节点之间的距离通过无线通信信号发送给所述第一节点。
6.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
S8、第二节点向第一节点发送一个携带第二时间戳信息的无线通信信号；所述第二时间戳包括第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻；
S9、第一节点根据第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻、第三超声波信号的发送时刻以及第二节点发送的第二时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S9具体包括：
第一节点根据下述公式一计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式二计算第一节点和第二节点之间的距离：
Figure FDA0002156224090000031
D＝Tprop×V 公式二
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S9具体包括：
第一节点根据下述公式三计算超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，并根据下述公式四计算第一节点和第二节点之间的距离：
D＝Tprop×V 公式四
其中，Tprop为超声波在第一节点和第二节点之间的传输时间，D为第一节点和第二节点之间的距离，V为超声波传输速度，(T4-T1)为第二超声波信号的接收时刻与第一超声波信号的发送时刻的时间差，(T3-T2)为第二超声波信号的发送时刻与第一超声波信号的接收时刻的时间差，(T6-T3)为第三超声波信号的接收时刻与第二超声波信号的发送时刻的时间差，(T5-T4)为第三超声波信号的发送时刻与第二超声波信号的接收时刻之间的时间差。
9.一种基于无线通信的超声波测距系统，其特征在于，包括：第一节点和第二节点；
所述第一节点包括第一超声波收发器、第一无线通信信号收发器、第一控制器和第一计时器；
所述第二节点包括第二超声波收发器、第二无线通信信号收发器、第二控制器和第二计时器；
其中，第一超声波收发器用于在第一控制器的控制下向第二超声波收发器发送第一超声波信号，第一计时器记录第一超声波信号的发送时刻；
第二超声波收发器接收第一超声波收发器发送的第一超声波信号，第二计时器记录第一超声波信号的接收时刻；
第二超声波收发器用于在第二控制器的控制下向第一超声波收发器发送第二超声波信号，第二计时器记录第二超声波信号的发送时刻；
第一超声波收发器接收第二超声波收发器发送的第二超声波信号，第一计时器记录第二超声波信号的接收时刻；
第一超声波收发器还用于在第一控制器的控制下向第二超声波收发器发送第三超声波信号，第一计时器记录第三超声波信号的发送时刻；第一无线通信信号收发器用于在第一控制器的控制下向第二无线通信信号收发器发送一个携带第一时间戳的无线通信信号；所述第一时间戳包括第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻和第三超声波信号的发送时刻；
第二无线通信信号收发器接收第一无线通信信号收发器发送的无线通信信号；第二超声波收发器接收第一超声波收发器发送的第三超声波信号，第二计时器记录第三超声波信号的接收时刻；
第二控制器用于根据第二计时器记录的第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻以及第一无线通信信号收发器发送的第一时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，第二无线通信信号收发器还用于在第二控制器的控制下向第一无线通信信号收发器发送一个携带第二时间戳的无线通信信号；所述第二时间戳包括第一超声波信号的接收时刻、第二超声波信号的发送时刻、第三超声波信号的接收时刻；
相应地，第一控制器根据第一计时器记录的第一超声波信号的发送时刻、第二超声波信号的接收时刻、第三超声波信号的发送时刻以及第二无线通信信号收发器发送的第二时间戳计算第一节点和第二节点之间的距离。
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