CN108205140A - 检测物体的方法以及相应装置 - Google Patents

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CN108205140A CN201710454003.6A CN201710454003A CN108205140A CN 108205140 A CN108205140 A CN 108205140A CN 201710454003 A CN201710454003 A CN 201710454003A CN 108205140 A CN108205140 A CN 108205140A
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pulses
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M·阿尔伯蒂尼
F·丹杰洛
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Abstract

一种例如借助于压电式换能器检测物体的方法，该方法包括将包括多组脉冲的声信号(TW)发射朝向物体(O)以感应由于这些声信号在该物体处的反射而造成的回波信号(EW)，其中，这些回波信号的时间延迟指示到该物体的距离(D)。该方法包括：发射包括第一组脉冲的第一声信号，该第一组脉冲包括第一数量的脉冲；以及检验是否接收到由于该第一声信号的反射而造成的具有达到回波检测阈值的强度的第一回波信号。如果该第一回波信号的强度达到该回波检测阈值，则根据该第一回波信号的时间延迟来计算到该物体的距离。如果该第一回波信号的强度无法达到该回波检测阈值，则发射包括一组脉冲的一个或多个另外的声信号，其中，脉冲的数量相对于该第一声信号中的脉冲数量而增加。

Description

检测物体的方法以及相应装置
技术领域
本说明书涉及电声学系统。
一个或多个实施例可以应用于例如用于消费者市场的应用和/或机器人学中的例如超声波检测和测距。
背景技术
超声波检测器通常可以用于测量距离、检测障碍物并且在感测器/系统中用于实时检测周围环境。
超声波检测器可以包括发射器和接收器，该发射器在特定方向上“射出”声波(例如，超声波)，该接收器可以检测由于声波在例如障碍物(“目标”)处的反射而产生的发射声波的回波。
测量系统(例如，微控制器)计算飞行时间(TOF)，即，相应(有效)回波信号的发射与接收之间的时间。一旦已知飞行时间，根据声波的速度(v)(例如，在空气中，在20℃下，大约343m/s)，到障碍物的距离(D)可以计算为D＝v*TOF/2。
声波(例如，超声波)可以借助于利用例如其频率等于换能器自然谐振频率的方波驱动的(例如，压电)换能器来生成。系统的接收端可以包括相同的发射换能器(例如，压电换能器)或者第二换能器(例如，压电换能器)。
所发射的总能量可以取决于驱动波形中的脉冲的数量。在衰减能量的传播部分期间并且如果没有高到足以被反射和/或在反射后被接收换能器感测到，测量将会失败。
本领域中已知的针对这个问题的各种解决方案利用了固定数量的脉冲(周期)。这可能导致低准确度和能量浪费，由此使系统效率低下。
低准确度可能是由于例如在近场测量中(模拟)前端接收器的饱和造成的。并且，高能量发射可能引起来自非目标物体的寄生回波并且此效应可能再次造成低准确度。
在具有固定数量的脉冲的信号可能没有强到足以被反射和接收(使得可能导致信息损失)时，相对于待接收的回波信号实际上需要的那些，不必要地使用更高数量的驱动脉冲可能导致能量浪费。
发明内容
尽管在此区域有广泛活动，但是仍需要具有例如更高的准确度和/或更低的能量损失的改进的解决方案。
一个或多个实施例的目的是有助于满足这类需求。
根据一个或多个实施例，可以借助于一种具有在随后的权利要求书中阐述的特征的方法来实现这个目的。
一个或多个实施例还可以涉及一种相应装置(例如，障碍物检测器)。
权利要求书是如在此提供的实施例的本技术公开内容的完整部分。
一个或多个实施例可以例如基于“尝试和调整”方法采用可变数量的脉冲而不是固定数量的脉冲，由此便于找到适用于讨论中的某个操作情形的信号能级。
在一个或多个实施例中，测量系统(例如，微控制器)可以以可能增加的固定启动数量的脉冲(例如，具有3个周期的方波)开始驱动发射器(例如，压电换能器)。
在一个或多个实施例中，这个初值(例如，3，此值以其他方式并非是强制的)可以与发射能量的更低期望的界限相对应以产生可检测回波。
在一个或多个实施例中，这个初值可以是用户可编程的。
在一个或多个实施例中，如果接收到回波信号并且保持此回波信号为“有效”回波信号(例如，达到某个阈值)，则可以计算出到目标(例如，障碍物)的距离。
在一个或多个实施例中，如果相应回波信号无法到达接收器(或者接收到的回波信号太弱以至于不能达到有效性阈值)，则发送包括高于先前数量的多个脉冲的新信号。由此增加了发射能量。
在一个或多个实施例中，可以以增加数量的脉冲(例如，具有逐步增量)进行(重)发射直到接收到有效回波信号。
在一个或多个实施例中，以增加数量的脉冲进行的重发射可能由于达到了脉冲(或能量)数量的上限而被中断。
在一个或多个实施例中，该上限可以是用户可编程的。
附图说明
现在将仅通过示例的方式，参照所附附图来描述一个或多个实施例，在附图中：
-图1是使用一个或多个实施例的可能上下文的框图例示；
-图2是一个或多个实施例的框图例示；
-图3是一个或多个实施例的可能操作的流程图例示；以及
-图4包括分别标记为a)、b)和c)的三个部分，是一个或多个实施例中的信号的可能时间特性的例示。
具体实施方式
在随后的描述中，展示了一个或多个具体细节，旨在提供对本说明书的实施例的示例的深入理解。可以在没有特定细节的一个或多个细节的情况下或者用其他方法、部件、材料等来获得实施例。在其他情况下，没有详细展示或描述已知的结构、材料或操作使得不会模糊实施例的某些方面。
在本说明书的框架中提及“实施例”或“一个实施例”意在指示关于实施例而描述的特定配置、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，可能出现在本说明书的一个或多个部分的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”等短语不一定指代同一个实施例。而且，可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式来对特定构造、结构或特性进行组合。
在此使用的引用仅为了方便而被提供并且因此未限定实施例的保护范畴或范围。
在图1中，参考号10描述了包括距离测量系统100、发射器TX和接收器RX的装置。
这个装置可以用于例如检测存在以及测量从装置10到“目标”物体(例如，障碍物O)的距离D。
在一个或多个实施例中，发射器TX和接收器RX可以包括(多个)例如压电型发射/接收换能器。
在一个或多个实施例中，发射器TX和接收器RX可以包括不同的发射和接收换能器。
在一个或多个实施例中，发射器TX和接收器RX可以共享共同的发射/接收换能器。
如在图1中所例示的安排的操作中，可以借助于发射信号TS(例如，如由系统100所产生的)来驱动发射器TX中的(电声)换能器以生成发射声波(例如，超声波)TW。
声波可以照射在物体O上并且被反射为行进返回至接收器RX的“回”波EW。接收器RX的(声电)换能器将声波EW转化为待馈送至系统100的电回波信号ES。
如先前所讨论的，总飞行时间TOF(即，声波离开换能器TX并且被换能器RX检测到所花费的时间)可以允许计算距离D。
除了下文详细讨论的内容之外，如图1中所例示的系统10的结构和操作在本领域中是已知的，由此使得不必要在此提供更加详细的描述。
在一个或多个实施例中，系统100的操作可以涉及将接收到的信号与特定阈值T进行比较(参见例如待在下文中进行讨论的图4)。在一个或多个实施例中，(只有)在接收到具有足够强度的回波信号ES的情况下，才实际上可以进行处理以生成对距离D的测量。这种操作可以允许例如在没有接收到适当的回波信号时和/或在接收到的回波信号太弱以至于不允许准确/可靠的距离计算时剔除各种类型的寄生信号(例如，噪声)和/或避免不必要地激活处理。
在一个或多个实施例中，系统100可以被配置成用于执行不同的任务，包括例如：
-通过驱动发射器TX中的(例如，压电式)换能器生成对应声波TW来选取有待被发射器TX发射的信号TS中的(例如，用户可选的)多个脉冲(例如，方波的周期)，
-检测(例如，等待固定时间)如接收器RX中的(例如，压电式)换能器通过转换接收到的回波EW可检测到的回波信号ES。
在一个或多个实施例中，系统100可以被配置成用于进行操作，其方式为使得：
-i)如果检测到有效回波信号ES(例如，达到阈值T)，则计算距物体O的距离D，或者
-ii)如果没有检测到有效回波信号ES(例如，根本没有检测到信号或者检测到的信号无法达到阈值T)，则发射“新”的信号TS，其中，脉冲的数量相对于先前的发射而增加(例如，以一致步长)。
在一个或多个实施例中，可以在每次重发射处通过逐步增加(例如，以一致步长)脉冲数量来重复如以上所讨论的操作，直到接收到有效回波信号。
在一个或多个实施例中，可以设置重发射数量的上限(例如，为用户可选的值)并且以逐渐增加的脉冲数量进行的重发射由于达到了此上限而中断。
在图2中，示出了系统100的示例性框图连同发射器TX和接收器RX。
例如并且仅通过示例的方式，在一个或多个实施例中，系统100可以由电池101(例如，锂聚合物电池，容量为250mAh，两个电池单元＝8.4V)供电，该电池为DC-DC转换器102和(微)控制器103(例如，如通过意法半导体集团公司可获得的STM32F334)供电。
DC-DC转换器102可以由微控制器103启动(例如，经由信号EN)并且可以用于“放大”电池电压以驱动发射器TX和接收器RX的(多个)例如压电式换能器。
在一个或多个实施例中，微控制器103可以耦合(例如，经由串行接口)至换能器驱动器104(例如，超声压电驱动器)。
这类耦合可以包括：
-微控制器103将数字驱动信号DDS发送至驱动器104以从发射器TX中产生发射波TW的发射，
-微控制器103从驱动器104接收可以与在接收器RX处接收到的回波EW相对应的(例如，经调节的)回波信号CES。
在一个或多个实施例中，信号DDS可以包括关于周期(脉冲)数量、压电驱动频率和启动命令的信息。在一个或多个实施例中，启动命令还可以启用TOF定时器和超时定时器。
在一个或多个实施例中，换能器驱动器104可以从DC-DC转换器102中接收放大的电压HV并且用其来驱动具有发射信号TS的发射器换能器。
在一个或多个实施例中，换能器驱动器104还可以被配置成用于从接收器换能器中接收回波信号ES并且(例如，利用嵌入式模拟前端)创建待馈送至微控制器103的经调节的回波信号CES。
在一个或多个实施例中，微控制器103可以具有用于检测经调节的回波信号CES的嵌入式模拟比较器。
在一个或多个实施例中，微控制器103由此可以被配置成用于如先前所讨论的那样进行信号CES与阈值T的比较。
在一个或多个实施例中，这类比较可以揭露“有效”回波信号可用于计算到物体的距离D。
在一个或多个实施例中，这类比较同样可以揭露(例如，在从发射开始的特定超时内)还没有“有效”回波信号到达换能器驱动器104的那些情形，从而使得可以如先前所例示的那样以增加数量的脉冲进行重发射。在一个或多个实施例中，超时可以是用户可编程的。
图3的流程图是如先前所讨论的系统100的可能操作的例示。
在步骤1000中的开始(启动)操作之后，可以以选取的频率(例如，压电晶体的固有谐振频率)按照多个N脉冲来驱动发射器换能器。在一个或多个实施例中，可以首先将脉冲的数量N设置为(例如，用户可选的)初值Min，例如，N＝Min。
在步骤1001中，可以(例如，在重置之后)启动TOF(飞行时间)计数器。
在步骤1002中，可以等待回波信号(例如，直到某个超时)。
步骤1003是关于是否接收到有效回波而进行检验的验证步骤的例示。
如果步骤1003的结果是肯定的，则可以在步骤1004中计算距离D并且(可能在步骤1005中在将脉冲数量N重置为初值Min之后)例如鉴于开始新的检测事件操作而可以结束操作。
如果步骤1003的结果是否定的，则可以增加发射信号中的脉冲数量N以产生具有更高能量的发射信号。
这可以涉及第一步骤1006，在该第一步骤中，关于脉冲数量(可能关于初值Min而增加)是否已经达到上限Max N(可能是用户可选的)进行检验。
如果步骤1006的结果是否定的(即，还未达到上限)，则在步骤1007中，增加发射信号TS中的脉冲数量(例如，具有增加步骤长，例如，增加一)并且操作返回至步骤1000的“上游”，即，新的发射信号TS具有由于其中增加的脉冲数量而造成的增加的能量。
如在此所讨论的操作可以涉及步骤1003的一个或多个否定结果，相应地以逐步增加的信号TS的能级重复发射(例如，脉冲数量N经由一致增加(例如，N＝Min+1、N＝Min+2、N＝Min+3等等)而增加)直到步骤1003产生肯定结果，即，接收到允许计算距离D的“有效”回波信号。
尽管以逐渐增加的脉冲数量N来重复发射，但是如果没有接收到有效回波信号并且达到了步骤1006的上限(例如，Max N)(步骤1006的肯定结果)，则在步骤1008中可以将脉冲数量N重置为初值(例如，N＝Min)，而在步骤1009中，可以提供反馈，例如，指示用户不能计算距离，同时，系统可以被配置成用于开始新的检测尝试。
图4的三个图形是以下各项的可能时间特性的例示：
-与发射波TW相对应的发射信号TS，
-与接收到的回波EW相对应的接收信号ES，
-验证阈值T(在一个或多个实施例中，该验证阈值可以时间独立的，例如，随时间推移而减小以允许以更长的TOF接收到的那些回波信号的强度从更大的距离处减小，这展现了更高的衰减)。
图4的三个图形还示出了，在一个或多个实施例中，接收器RX可以在发射期间被禁用以避免由于例如“泄露”到接收器中的发射器信号而造成的假肯定回波。
图4的三种情况是造成“有效”回波信号ES的发射信号TS的例示，即，示出了强到足以达到阈值T的回波信号ES，使得可能的先前的发射导致失败(在图3中的步骤1003的否定结果)和未展示的脉冲数量的调整(例如，增加)(图3中的步骤1007)。
例如(强调的是，图4的图形仅是示例性的并且不应被解释为具有实施例的限制性意义)：
-图4中的图形a)是木质目标材料在距离D＝15cm处的可能特性的例示，其中，发射信号TS包括四个脉冲；
-图4中的图形b)是木质目标材料在距离D＝25cm处的可能特性的例示，其中，发射信号TS包括七个脉冲，即，更高脉冲数量和由于到目标的更远的距离而造成的图形a)的比较；
-图4中的图形c)是包括壁表面的目标材料在距离D＝70cm处的可能特性的例示，其中，发射信号TS包括四个脉冲，即，脉冲数量等于图形a)并且低于图形b)，不管由于壁目标材料与木相比更高的反射率而造成的到目标的更远距离。
因此，一个或多个实施例可以提供一种检测物体的方法，该方法包括：
-将包括多组脉冲的声信号(例如，TW)发射朝向物体(例如，O)以感应由于该声信号在该物体处的反射而造成的回波信号(例如，EW)，其中，该回波信号的时间延迟指示到该物体的距离(例如，D)，
该方法包括：
-发射(例如，1000)包括第一组脉冲的第一声信号，该第一组脉冲包括第一数量的脉冲，
-检验(例如，1003)是否接收到由于该第一声信号的反射而造成的具有达到回波检测阈值(例如，T)的强度的第一回波信号，以及
-i)如果该第一回波信号的强度达到该回波检测阈值，则根据该第一回波信号的时间延迟来计算(例如，1004)到该物体的距离，
-ii)如果该第一回波信号的强度无法达到该回波检测阈值，则发射包括一组脉冲的至少一个另外的声信号，其中，脉冲数量相对于该第一声信号中的脉冲数量而增加(例如，N＝Min+1、N＝Min+2、N＝Min+3、…；1007)。
一个或多个实施例可以包括：
-检验(例如，1003)是否接收到由于该至少一个另外的声信号的反射而造成的具有达到对应回波检测阈值的强度的至少一个另外的回波信号，以及
-i)如果该至少一个另外的回波信号的强度达到该回波检测阈值，则根据该至少一个另外的回波信号的时间延迟来计算到该物体的距离，
-ii)如果该至少一个另外的回波信号的强度无法达到该对应的回波检测阈值，则发射包括一组脉冲的至少一个又另外的声信号，其中，该至少一个又另外的声信号中的脉冲数量随着该至少一个另外的声信号中的脉冲数量的增加而仍进一步增加。
在一个或多个实施例中，该至少一个另外的声信号中的脉冲数量可以随着该第一声信号中的脉冲数量的增加而逐步(例如，N＝Min+1、N＝Min+2、N＝Min+3,…)增加(1007)。
在一个或多个实施例中，该至少一个另外的声信号中的脉冲数量可以随着该第一声信号中的脉冲数量的增加而以一致步长增加。
一个或多个实施例可以包括由于检验到(例如，1006)该至少一个另外的声信号中的脉冲数量已经达到上限阈值，使得相应回波信号的强度无法达到对应回波检测阈值而因此中断发射该声信号。
在一个或多个实施例中，这些声信号可以包括超声信号。
一个或多个实施例可以包括根据这些回波信号的时间延迟来逐渐减小该回波检测阈值(参见例如图4)。
在一个或多个实施例中，物体检测器可以包括：
-发射器(例如，103，TX)，该发射器用于将包括多组脉冲的声信号发射朝向物体以接收由于该声信号在该物体处的反射而造成的回波信号，其中，该回波信号的时间延迟指示到该物体的距离，
-接收器(例如，103，RX)，该接收器用于接收该回波信号，该接收器被配置成用于根据一个或多个实施例的方法进行操作。
在不损害根本原则的情况下，可以仅通过示例的方式就在上文中已经描述的内容更显著地改变细节和实施例，而不偏离保护范畴。
保护范围由以下权利要求书来确定。

Claims (8)

1.一种检测物体的方法，所述方法包括：
-将包括多组脉冲的声信号(TW)发射朝向物体(O)以感应由于所述声信号在所述物体处的反射而造成的回波信号(EW)，其中，所述回波信号的时间延迟指示到所述物体的距离(D)，
所述方法包括：
-发射(1000)包括第一组脉冲的第一声信号，所述第一组脉冲包括第一数量个脉冲，
-检验(1003)是否接收到由于所述第一声信号的反射而造成的具有达到回波检测阈值(T)的强度第一回波信号，以及
-i)如果所述第一回波信号的强度达到所述回波检测阈值(T)，则根据所述第一回波信号的时间延迟来计算(1004)到所述物体的距离(D)，
-ii)如果所述第一回波信号的强度无法达到所述回波检测阈值(T)，则发射(1000)包括一组脉冲的至少一个另外的声信号，其中，脉冲的数量相对于所述第一声信号中的脉冲数量而增加(1007)。
2.如权利要求1所述的方法，包括：
-检验(1003)是否接收到由于所述至少一个另外的声信号的反射而造成的具有达到对应回波检测阈值(T)的强度的至少一个另外的回波信号，以及
-i)如果所述至少一个另外的回波信号的强度达到所述回波检测阈值，则根据所述至少一个另外的回波信号的时间延迟来计算(1004)到所述物体的距离(D)，
-ii)如果所述至少一个另外的回波信号的强度无法达到所述对应的回波检测阈值，则发射(1000)包括一组脉冲的至少一个又另外的声信号，其中，所述至少一个又另外的声信号中的脉冲的数量随着所述至少一个另外的声信号中的脉冲数量的增加而仍进一步增加(1007)。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个另外的声信号中的脉冲的数量随着所述第一声信号中的脉冲数量的增加而逐步增加(1007)。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述至少一个另外的声信号中的脉冲数量随着所述第一声信号中的脉冲数量的增加而以一致步长增加(1007)。
5.如以上权利要求中任一项所述的方法，包括由于检验到(1006)所述至少一个另外的声信号中的脉冲数量已经达到上限阈值，使得所述相应回波信号的强度无法达到对应回波检测阈值而因此中断发射(1000)所述声信号。
6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述声信号(TW，EW)包括超声信号。
7.如以上权利要求中任一项所述的方法，包括根据所述回波信号的时间延迟逐渐减小所述回波检测阈值(T)。
8.一种物体检测器，包括：
-发射器(103，TX)，所述发射器用于将包括多组脉冲的声信号(TW)发射朝向物体(O)以接收由于所述声信号在所述物体处的反射而造成的回波信号，其中，所述回波信号的时间延迟指示到所述物体的距离(D)，
-接收器(103，RX)，所述接收器用于接收所述回波信号，所述接收器被配置成(103)用于根据权利要求1至7中任一项所述的方法进行操作。
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