CN108562906A - 声波测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波测距方法及装置，涉及测量技术领域，主要目的在于克服现有声波测距技术中存在的因回波丢失和声道干扰造成的测量可信度差、难以克服风速影响、以及由回波起伏引起触发相位偏移产生的测距误差。技术主要包括：发送端发送经过编码的检测帧编码格式的声波并启动有效测量波计数。当接收端收到引导码后进入声波接收状态，检测到帧起始定界符后开始对有效测量波计数，接收到第一个有效测量波时，向发送端发送电平握手信号。发送端收到电平握手信号后，发送帧结束定界符，停止计数，统计并传送有效测量波的波数，接收端收到帧结束定界符后，统计实际收到的有效测量波数，若二者相等，则根据统计的有效测量波数和波长的关系计算距离。

Description

声波测距方法及装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种声波测距方法及装置。

背景技术

与红外、激光和无线电测距相似，超声波测距也是一种典型的非接触式检测方法，同时声波还具有成本低、不受光线、电磁场等因素的干扰，因而在机器人避障、空间定位、导航等工业领域得到了广泛应用。

目前，从测量方式上看，超声测距仪具有对射式和反射式，其中，反射式又分收发一体式和收发独立式两种。就测量原理而言，主要有时间飞行法、相位差法和回波幅值法，这三种方法均属于开环测量方法，其主要问题是系统无法检测回波丢失和声波传输通道的干扰，因而难以保证测距结果的可靠性。其中，时间飞行法的基本思想是发射端首先发射一串声波脉冲，接收端同时开始计时，直至收到第一个回波脉冲后停止计时，因而根据声速c和声波飞行时间t即可计算出声波飞行距离。由于收发端无反馈机制，系统无法识别接收端收到的是第几个回波，如果起始回波丢失，会造成较大的测量误差。例如，当测量频率为40KHz，声速为340m/s，丢失起始回波产生的测量误差为8.5mm。相位差法的基本思想是发射端分时发射2种或3种不同频率的声波脉冲，接收端通过鉴相器将接收到的波形与发射时的初始波形依次进行相位比较，获得各个频率的相位差，根据相位差与声波传输距离的关系可以求解距离。其优点是可以连续测量，且测量精度较高，但因相位差与距离之间并非一一映射关系，而是具有一定的周期性，当距离超过一定值时会出现相位差混叠，因而相位差法的测距范围有限。此外，因系统收/发两端处于开环状态，当声波传输通道受到干扰时，系统也会产生较大的测量误差。回波幅值法的基本思想是根据回波幅度与距离之间的正相关特性进行测距，由于回波幅度除与距离有关外，极易受到外界因素的干扰，因而这种测距方法较少在工程上使用。

另外，超声波在空气中传播时，随着距离的增加，其能量按指数规律衰减。因此，在不同距离上的回波幅度的差异很大，由于在调理电路中通常采用电压比较器将回波(形状为半波正弦波)跟某一基准电压比较，将其整形为矩形波后送往微处理器处理。当被测距离变化时，由于回波幅度的变化必然导致其触发相位(或到达时间)的不确定性，这种不确定性是影响时间飞行法和相位差法测量精度的重要原因之一。目前，针对这种回波起伏产生的测距误差采取的主要措施有自动增益控制(AGC)或可变基准比较电压的方法。前者的基本思想是通过AGC电路对远距离衰减的回波进行幅度补偿，从而使其到达比较器的幅度尽量趋于一致。但AGC电路本身是一种滞后补偿且会产生附加的相移，因而补偿精度难以做到一致性。可变基准电压法的思想是将比较器的基准电压设置为可变的，其值随着测量距离的增加而逐渐减小，以补偿回波触发相位的不确定性。由于回波的幅度不仅与距离相关，还受到介质吸收程度、环境等多元因素影响，因此可变基准电压法的精度补偿结果难以量化。并且，由于受测量原理的限制，上述方法无法较好克服风速对测量结果产生的影响。

综上所述，现有的测距方法存在的主要问题可归纳为：1)均为开环模式，系统无法检测回波丢失和声道噪声干扰，因而测距结果的可信度较差；2)难以对回波起伏产生的触发延迟时间进行量化，以便对测距精度进行精确补偿；3)无法抑制风速对距离测量的影响。因此，研制一种能够自动检测声道噪声，精确量化和补偿回波起伏误差，以及能够克服风速影响的声波测距传感器就成为该技术领域亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的声波测距方法及装置。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种声波测距方法，该方法包括：

通过第一测距端发送经过编码的检测帧编码格式的声波，并启动对发送所述检测帧中有效测量波的计数，所述检测帧格式的声波按照发送顺序依次包括引导脉冲、帧起始定界符、有效测量波、帧结束定界符；

通过所述第二测距端接收到所述引导脉冲后，所述第二测距端进入接收有效测量波状态，当检测到所述帧起始定界符时，启动接收有效测量波；

当所述第二测距端接收到第一个有效测量波时，向所述第一测距端发送电平握手信号，记录接收到的有效测量波的个数，对回波进行整形，并通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿；

当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数；

当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效。

进一步地，所述当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数包括：

当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，若存在未发送完毕的有效测量波时，将所述有效测量波发送完毕的剩余波段确定为尾波，记录所述尾波补充发送时间，并向所述第二测距端发送帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数及所述尾波补充时间；

所述当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效包括：

当接收到所述帧结束定界符、所述第一波数以及所述尾波补充时间时，统计接收的有效测量波的第二波数，若所述第一波数与所述第二波数相等，则根据有效波数公式计算出所述第二测距端与所述第一测距端之间的传播通道中实际填充的波数，并根据所述波数与波长关系计算距离，所述实际通道填充波数公式为：

其中，所述t_r为尾波补充时间，所述n_m为一个检测帧中有效测量波的波数，T为回波周期。

进一步地，所述第二测距端与所述第一测距端为对射方式配对关系，其中，通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的声波收/发单元进行发送、和/或接收声波，通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的回波调理电路对接收到的所有有效测量波进行回波调理，并且通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的微处理器根据对射方式执行记录波数、相位偏移补偿以及比较波数的步骤。

进一步地，所述通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿包括：

通过收/发一体式声波转换器将有效测量波的声波振动转换为电压信号，通过带通滤波器与放大器将所述电压信号变换为具有一定幅值的单一频率的正弦波，通过绝对值电路将交流信号处理为直流脉冲信号，并通过电压比较器将所述直流脉冲信号转变为边沿陡峭的矩形波信号；

通过微处理器测量所述边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，通过声波波长和测得的脉宽求解回波脉冲的触发相位，进行相位偏移补偿，所述边沿陡峭的矩形波信号的滞后时间为：所述滞后时间对应的等效波数为：其中，t_w为边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，T为回波周期。

进一步地，所述通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的回波调理电路对接收到的有效测量波进行回波调理之后，所述方法还包括：

通过温度/湿度传感器获取当前环境的温度及相对湿度，并根据声速补偿公式对当前环境下的声速进行补偿；

所述当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效之后，所述方法还包括：

利用所述第二测距端与所述第一测距端为对射配对关系，分别得到第一距离、第二距离，根据所述第一距离、所述第二距离、所述补偿声速、计算待测距离。

另一方面，本发明提供了一种声波测距装置，该装置包括：第一测距端、第二测距端，

所述第一测距端，用于发送经过编码的检测帧编码格式的声波，并启动对发送所述检测帧中有效测量波的计数，所述检测帧格式的声波按照发送顺序依次包括引导脉冲、帧起始定界符、有效测量波、帧结束定界符；

所述第二测距端，用于接收所述引导脉冲后，所述第二测距端进入接收有效测量波状态，当检测到所述帧起始定界符时，启动接收有效测量波；

所述第二测距端，还用于当接收到第一个有效测量波时，向所述第一测距端发送电平握手信号，记录接收到的有效测量波的个数，对回波进行整形，并通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿；

所述第一测距端，还用于当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数；

所述第二测距端，还用于当接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效。

进一步地，所述第一测距端，具体还用于当接收到所述电平握手信号时，若存在未发送完毕的有效测量波时，将所述有效测量波发送完毕的剩余波段确定为尾波，记录所述尾波补充发送时间，并向所述第二测距端发送帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送有效测量波的第一波数及所述尾波补充时间；

所述第二测距端，具体还用于当接收到所述帧结束定界符、所述第一波数以及所述尾波补充时间时，统计接收的有效测量波的第二波数，若所述第一波数与所述第二波数相等，则根据有效波数公式计算出所述第二测距端与所述第一测距端之间的传播通道中实际填充的波数，并根据所述波数与波长关系计算距离，所述实际通道填充波数公式为：

其中，所述t_r为尾波补充时间，所述n_m为一个检测帧中有效测量波的波数，T为回波周期。

进一步地，所述第二测距端与所述第一测距端为对射方式配对关系，其中，所述第一测距端、和/或所述第二测距端包括声波收/发单元、回波调理电路、微处理器；

通过所述声波收/发单元进行发送、和/或接收声波，通过所述回波调理电路对接收到的所有有效测量波进行回波调理，并且通过所述微处理器根据对射方式执行记录波数、相位偏移补偿以及比较波数的步骤。

进一步地，所述声波收/发单元为收/发一体式声波换能器，所述回波调理电路包括：带通滤波器、放大器、绝对值电路、电压比较器，

所述收/发一体式声波转换器，用于将有效测量波的声波振动转换为电压信号；所述带通滤波器与所述放大器，用于将所述电压信号变换为具有一定幅值的单一频率的正弦波；所述绝对值电路，用于将交流信号处理为直流脉冲信号；所述电压比较器，用于将所述直流脉冲信号转变为边沿陡峭的矩形波信号；

其中，通过微处理器测量所述边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，通过声波波长和测得的脉宽求解回波脉冲的触发相位，进行相位偏移补偿；所述边沿陡峭的矩形波信号的滞后时间为：所述滞后时间对应的等效波数为：其中，t_w为边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，T为回波周期。

进一步地，所述装置还包括：温度/湿度传感器，

所述温度/湿度传感器，用于获取当前环境的温度及相对湿度，并根据声速补偿公式对当前环境下的声速进行补偿；

所述微处理器，还用于利用所述第二测距端与所述第一测距端为对射配对关系，分别得到第一距离、第二距离，根据所述第一距离、所述第二距离、所述补偿声速、计算待测距离。

本发明提供的一种声波测距方法及装置，具有以下优点：1、采用电平握手信号实现硬件闭环反馈方法，能够实时保证收发端信号同步控制，实现有效测量波数的精确统计；2)采用检测帧编码协议和声波周期实时识别技术组成软闭环，可有效检测声波传输通道干扰和回波丢失，同时可以克服因换能器机械惯性产生的初始波形畸变和测距误差；3)采用脉宽捕捉方法对检测帧中的有效测量波的初始回波触发相位进行量化，并精确补偿其不确定性产生的系统误差，提高测距精度；4)采用小信号绝对值电路对回波进行全波整流，提高了测量灵敏度，增加了测量距离，同时可以抑制因二极管非线性产生的高次谐波；5)采用双向可逆测量方法可以克服风速影响。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种声波测距方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种检测帧字段构成示意图；

图3为本发明实施例提供的一种声波测距实体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种回波触发相位及脉宽捕获方法示意图；

图5为本发明实施例提供的一种声波测距装置框图；

图6是本发明实施例提供的一种声波测距装置电路示意图；

图7是本发明实施例提供的一种小信号绝对值电路示意图；

图8是本发明实施例提供的一种声波测距方法软件流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

本发明实施例提供了一种声波测距方法，如图1所示，所述方法包括：

101、通过第一测距端发送经过编码的检测帧编码格式的声波，并启动对发送所述检测帧中有效测量波的计数。

其中，所述检测帧格式的声波按照发送顺序依次包括引导脉冲、帧起始定界符、有效测量波和帧结束定界符四个字段，即一次声波测距方法对应一个完整的检测帧，一个完整的检测帧由引导脉冲、帧起始定界符、有效测量波和帧结束定界符四个字段构成，它们彼此波数和频率不同。所述引导脉冲字段优选为2个周期的持续声波，以便能够唤醒第二测距端微处理器，同时能够克服换能器的惯性，一般的，过多的引导脉冲会增加测量周期，所以2个周期的声波为优选的，其频率可以为任意值，本发明实施例不做具体限定。所述帧起始定界符和所述帧结束定界符分别包括1个脉冲波，一般的，需要满足超声波换能器(±5％fc)的要求，提高不同字段之间脉冲频率的区分度，对于谐振频率fc为40KHz的超声波换能器，帧起始定界符和帧结束定界符的声波频率可以分别为38KHz和42KHz，本发明实施例不做具体限定，如图2所示。

需要说明的是，引导脉冲用于克服因声波换能器的机械惯性造成的初始波形频率和幅度特性的不确定性；另外，还用于唤醒第二测距端，使其从睡眠或低功耗状态进入接收状态。帧起始定界符用于标志有效测量波序列的开始。有效测量波的波数代表了声波传输通道的距离。帧结束符标志一个完整测量帧的结束，用于接收端对一个完整检测帧的识别。另外，本发明实施例中的第一测距端在一次声波测距过程中为发送端，第二测距端在一次声波过程中为接收端，且二者收发可逆。

对于本发明实施例，所述第二测距端与所述第一测距端为对射方式配对关系，其中，通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的声波收/发单元进行发送、和/或接收声波，通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的回波调理电路对接收到的所有有效测量波进行回波调理，并且通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的微处理器根据对射方式执行记录波数、相位偏移补偿以及比较波数的步骤。

其中，所述对射方式配对关系即是指第一测距端与第二测距端具有相同的硬件结构，可以执行相同的接收、发送步骤，如分别进行两次声波测距，第一次时，第一测距端作为发送端进行发送声波，第二测距端作为接收端进行接收声波，第二次时，第一测距端作为接收端进行接收声波，第二测距端作为发送端进行发送声波。优选的，每个测量周期由第一测距端与第二测距端相互收/发一次，取两次测量的平均值计算实际距离，从而消除风速的影响。

需要说明的是，由于第一测距端与第二测距端可以通过自身相同的硬件结构来执行对应的收/发声波、回波处理、记录波数、相位偏移补偿以及波数比较等步骤，以便完成一个测量周期的一次相互收/发过程，如图3所示，相同的两端可以执行相同的声波测距步骤。

102、通过所述第二测距端接收到所述引导脉冲后，所述第二测距端进入接收有效测量波状态，当检测到所述帧起始定界符时，启动接收有效测量波。

其中，为了避免因通道干扰致导致回波中的帧结束符丢失，从而造成接收端因无法检测到该字段而陷入死等待状体，可以设定一个测距周期的最长时限，如当接收到引导脉冲后，开启超时检测定时器，用于设定一个测距周期的最长时限，当第二测距端到达最长时限时则结束本次测量。

需要说明的是，对于帧起始定界符的检测可以通过判断是否接到1个频率为38KHz的脉冲波来确定，对于有效测量波的测量可以通过判断是否接收到40KHz的多个脉冲波来确定，对于帧结束定界符的检测可以通过判断是否接收到1个频率为42KHz的脉冲波来确定，本发明实施例中均使用这种方式确定检测帧中的各个波的具体情况，并在微处理器中进行解码编码，不再进行赘述。

103、当所述第二测距端接收到第一个有效测量波时，向所述第一测距端发送电平握手信号，记录接收到的有效测量波的个数，对回波进行整形，并通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿。

为了使得声波传输通道中充满声波，并根据充满的波数与波长的关系计算距离，当第二测距端通过中断方式获得第一个有效测量波的前沿触发时，由于电信号的延迟基本为0，立即发送电平握手信号，形式一个闭环回路，根据接收到后续的有效测量波的个数确定通道中声波的个数，如图3所示，此刻第一测距端不再发送有效测量波。另外，由于距离变化会引起回波幅度变化，当电压比较器触发电平V_T一定时，会造成初始有效测量波的脉冲触发时刻或相位变化，从而产生测距误差，因此，通过脉宽捕获方式精确计算触发相位并据此进行测距误差补偿。

对于本发明实施例，步骤103中,通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿包括：通过收/发一体式声波转换器将有效测量波的声波振动转换为电压信号，通过带通滤波器与放大器将所述电压信号变换为具有一定幅值的单一频率的正弦波，通过绝对值电路将交流信号处理为直流脉冲信号，并通过电压比较器将所述直流脉冲信号转变为边沿陡峭的矩形波信号,以便通过中断方式进行脉冲计数；

通过微处理器测量所述边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，通过声波波长和测得的脉宽求解回波脉冲的触发相位，进行相位偏移补偿,所述边沿陡峭的矩形波信号的滞后时间为：所述滞后时间对应的等效波数为：其中，t_w为边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，T为回波周期。

对于本发明实施例，由于受距离和环境温/湿度变化的影响，接收端收到的回波幅度具有时变性，会使得有效测量波中的初始波触发相位产生某种不确定性，而产生最大1/4波长的系统误差，为了精确测量和补偿因回波起伏产生的触发相位偏移，通过高频计数器测量比较器输出的脉冲宽度，如图4所示，由于脉冲具有对称性，通过声波波长和测得的脉宽可以精确求解回波脉冲的触发相位；根据上述计算的滞后时间对测距误差进行修正。另外，为了能够触发MCU中断，将脉动信号经电压比较器变换为边沿陡峭的脉冲信号。

对于本发明实施例，所述通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的回波调理电路对接收到的有效测量波进行回波调理之后，所述方法还包括：通过温度/湿度传感器获取当前环境的温度及相对湿度，并根据声速补偿公式对当前环境下的声速进行补偿。

由于声速随空气中的温度和湿度而变化，通过温度/湿度传感器测量后，按如下近似公式对声速进行实时修正，所述声速补偿公式为：

其中，c_h与c₀分别为声波在相对湿度为h和干燥空气中的声速，t为环境温度，单位为℃。

104、当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数。

其中，第一测距端接收到电平握手信号时说明当前声波传输通道中充满了声波，则可以通过发送帧结束定界符来通知第二测距端已经将一个完整的检测帧发送完毕，即可以根据接收到的有效测量波的个数来计算距离。一般的，通讯端口发送的有效测量波的第一波数为第一测距端发送波数，以便第二测距端进行测量结果的可信度判定。

对于本发明实施例，为了保证检测帧中各字段为整数以便于接收端对其解码，步骤104具体包括：当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，若存在未发送完毕的有效测量波时，将所述有效测量波发送完毕的剩余波段确定为尾波，记录所述尾波补充发送时间，并向所述第二测距端发送帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数及所述尾波补充时间。

105、当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效。

对于本发明实施例，当接收到的有效测量波波数与发送的有效测量波波数相等时，说明有效测量波在传输过程中无丢失，本次测距结果有效，可以根据波数计算距离。若接收到的有效测量波波数与发送的有效测量波波数不等，则说明存在丢波或通道收到干扰，本次测距结果无效，一般可以通过报警进行提示，以便重新进行测距。

对于本发明实施例，步骤105具体包括：当接收到所述帧结束定界符、所述第一波数以及所述尾波补充时间时，统计接收的有效测量波的第二波数，若所述第一波数与所述第二波数相等，则根据有效波数公式计算出所述第二测距端与所述第一测距端之间的传播通道中实际填充的波数，并根据所述波数与波长关系计算距离，所述实际通道填充波数公式为：

其中，所述t_r为尾波补充时间，所述n_m为一个检测帧中有效测量波的波数，T为回波周期。

对于本发明实施例，由于两个测距端之间的距离可以通过实际充满声波通道的有效测量波表示，在一般情况下，通道距离并非波长的整数倍，实际充满通道的波数并非与一个检测帧中的有效测量波的数目完全一致，因为最后一个有效测量波可能是非完整的一个波，只是为了计数需要，在发送时将其补充为一个完整波，即可以通过在步骤104中记录的尾波补充时间来确定声波通道中实际充满的有效测量波为N_E。

进一步地，本发明实施例中步骤105之后，所述方法还包括：利用所述第二测距端与所述第一测距端为对射配对关系，分别得到第一距离、第二距离，根据所述第一距离、所述第二距离、所述补偿声速、计算待测距离。

对于本发明实施例，第一距离即为将第一测距端作为发送端得到的距离，第二距离即为将第二测距端作为发送端得到的距离，从而完成一个周期的测距，具体的，可以根据如下公式计算：

其中，d₁、d₂分别为第一距离与第二距离，w为风速，对d₁、d₂取平均值，得到的实际距离如下式所示，即可克服风速w的影响，

本发明提供的一种声波测距方法，具有以下优点：1、采用电平握手信号实现硬件闭环反馈方法，能够实时保证收发端信号同步控制，实现有效测量波数的精确统计；2)采用检测帧编码协议和声波周期实时识别技术组成软闭环，可有效检测声波传输通道干扰和回波丢失，同时可以克服因换能器机械惯性产生的初始波形畸变和测距误差；3)采用脉宽捕捉方法对检测帧中的有效测量波的初始回波触发相位进行量化，并精确补偿其不确定性产生的系统误差，提高测距精度；4)采用小信号绝对值电路对回波进行全波整流，提高了测量灵敏度，增加了测量距离，同时可以抑制因二极管非线性产生的高次谐波；5)采用双向可逆测量方法可以克服风速影响。

本发明实施例提供了一种声波测距装置，如图5所示，所述装置包括：第一测距端100、第二测距端200，

所述第一测距端100，用于发送经过编码的检测帧编码格式的声波，并启动对发送所述检测帧中有效测量波的计数，所述检测帧格式的声波按照发送顺序依次包括引导脉冲、帧起始定界符、有效测量波、帧结束定界符；

所述第二测距端200，用于接收到所述引导脉冲后，所述第二测距端200进入接收有效测量波状态，当检测到所述帧起始定界符时，启动接收有效测量波；

所述第二测距端200，还用于当接收到第一个有效测量波时，向所述第一测距端100发送电平握手信号，记录接收到的有效测量波的个数，对回波进行整形，并通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿；

所述第一测距端100，还用于当接收到所述电平握手信号时，向所述第二测距端200发送帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端200发送计数统计的有效测量波第一波数；

所述第二测距端200，还用于当接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效。

具体的，所述第一测距端100，具体还用于当接收到所述电平握手信号时，若存在未发送完毕的有效测量波时，将所述有效测量波发送完毕的剩余波段确定为尾波，记录所述尾波补充发送时间，并向所述第二测距端发送帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送有效测量波的第一波数及所述尾波补充时间；

所述第二测距端200，具体还用于当接收到所述帧结束定界符、所述第一波数以及所述尾波补充时间时，统计接收的有效测量波的第二波数，若所述第一波数与所述第二波数相等，则根据有效波数公式计算出所述第二测距端200与所述第一测距端100之间的传播通道中实际填充的波数，并根据所述波数与波长关系计算距离，所述实际通道填充波数公式为：

其中，所述t_r为尾波补充时间，所述n_m为一个检测帧中有效测量波的波数，T为回波周期。

对于本发明实施例，所述第二测距端200与所述第一测距端100为对射方式配对关系，其中，所述第一测距端100包括声波收/发单元1001、回波调理电路1002、微处理器1003，和/或所述第二测距端200包括声波收/发单元2001、回波调理电路2002、微处理器2003，

所述第一测距端100中，通过所述声波收/发单元1001进行发送、和/或接收声波，通过所述回波调理电路1002对接收到的所有有效测量波进行回波调理，并且通过所述微处理器1003根据对射方式执行记录波数、相位偏移补偿以及比较波数的步骤。

以下为对第一测距端100的硬件结构进行描述，所述第二测距端200与所述第一测距端100中的硬件结构相同，不再赘述。

具体的，所述声波收/发单元1001为收/发一体式声波换能器，所述回波调理电路1002包括：带通滤波器10021、放大器10022、绝对值电路10023、电压比较器10024，

所述收/发一体式声波转换器，用于将有效测量波的声波振动转换为电压信号，所述带通滤波器10021与所述放大器10022，用于将所述电压信号变换为具有一定幅值的单一频率的正弦波，所述绝对值电路10023，用于将交流信号处理为直流脉冲信号，所述电压比较器10024，用于将所述直流脉冲信号转变为边沿陡峭的矩形波信号，以便与通过中断方式进行计数统计；

其中，通过微处理器测量所述边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，通过声波波长和测得的脉宽求解回波脉冲的触发相位，进行相位偏移补偿；所述边沿陡峭的矩形波信号的滞后时间为：所述滞后时间对应的等效波数为：其中，t_w为边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，T为回波周期。

进一步地，所述第一测距端100还包括：温度/湿度传感器1004，所述第二测距端200还包括：温度/湿度传感器2004，

所述温度/湿度传感器1004，用于获取当前环境的温度及相对湿度，并根据声速补偿公式对当前环境下的声速进行补偿；

所述微处理器1003，还用于利用所述第二测距端与所述第一测距端为对射配对关系，分别得到第一距离、第二距离，根据所述第一距离、所述第二距离、所述补偿声速、计算待测距离。

如图3所示，本发明实施例提供了声波测距装置的实体结构图，本发明中的第一测距端100与第二测距端200具有相同的结构，采用对射方式配对，互为可逆。采用电平握手信号和通讯总线互联进行信息交互，构成硬件闭环结构。第一测距端100与第二测距端200包括具有脉宽捕获功能的微控制器(Memory Control Unit，MCU)、声波接收/发送单元和回波调理电路、RS485通讯端口和电平握手信号。MCU为C8051F500，其具有48MHz的时钟频率和PCA(可编程计数阵列)模块，通过将其设置为上升沿和下降沿均可中断触发的脉宽捕获模式，同时配合其高频定时器对脉冲宽度进行计数式测量。

如图6所示，本发明实施例还提供了声波测距装置电路示意图，具体包括具有脉宽捕获功能的MCU、显示/报警模块、温度/湿度传感器、三极管功放、收/发变压器、收发一体式声波换能器、带通滤波器、回波放大器、绝对值电路、比较器、RS485通讯端口和电平握手信号、MAX485芯片。其中，温度/湿度传感器、显示报警单元、MAX485芯片、握手信号、电压比较器及声波发射放大器与微控制器(MCU)连接；所述声波发射单元包括变压器、三极管放大电路和收发一体式声波换能器；所述声波接收单元为收发一体式声波换能器，回波调理电路包括变压器、带通滤波器、回波放大器、绝对值电路和电压比较器；所述通讯端口由控制器I/O口、MAX485芯片组成，并与其对射的声波测距装置连接构成硬件闭环；所述变压器为声波收/发单元共用，与声波发射放大管和接收带通滤波器连接；所述带通滤波器的中心频率为声波换能器的谐振频率，一般的，带宽为2KH。

声波发送过程包括：MCU发射脉冲信号，经三极管Q1放大后由变压器T1推动收发一体式声波换能器P1转换为声波信号。

回波处理流程包括：声波经P1转换为含有噪声的毫伏级弱电压信号，经带通滤波器(中心频率与换能器谐振频率一致，带宽为±2KHz)滤波和放大后获得单一频率的正弦波，其幅值与距离负相关，当距离较远时，幅值较小。为了能够对远距离弱回波信号进行全波整流，同时抑制二极管非线性产生的波形畸变，本发明实施例采用小信号绝对值电路(而非普通的整流电路)将交流信号变换为单极性脉动信号，如图7所示，其输出v_o与输入v_i的关系为：

v₀＝|v_i|。

对于本发明实施例，全波整流采用线性绝对值电路，以便对于微弱的回波信号也可以进行整流，同时不产生高次谐波。由于二极管的导通电压限制，一般的全波整流电路中的二极管非线性会产生高次谐波，且要求回波幅度至少达到0.7V，而绝对值电路对回波幅度要求很低，如可以达到几个毫伏，故可以大大提高测量距离。电压比较器的基准电位为0.5V，可以兼顾较弱的回波信号，同时还具有一定的抗扰动性。收发一体式声波换能器的谐振频率为40KHz，带宽为±2KHz。发送端与接收端通过声波测距的具体流程如图8所示的一种声波测距方法软件流程图，本发明实施例不做具体限定。

本发明提供的一种声波测距装置，具有以下优点：1)采用电平握手信号实现硬件闭环反馈方法，能够实时保证收发端信号同步控制，实现有效测量波数的精确统计；2)采用检测帧编码协议和声波周期实时识别技术，可有效检测声波传输通道干扰和回波丢失，同时可以克服因换能器机械惯性产生的初始波形畸变和测距误差；3)采用脉宽捕捉方法对检测帧中的有效测量波的初始回波触发相位精确计量，并定量补偿其不确定性产生的系统误差，提高测距精度；4)采用小信号绝对值电路对回波进行全波整流，降低了对回波幅度的限制，增加了测量距离，同时可以抑制因二极管非线性产生的高次谐波；5)采用双向可逆测量方法可以克服风速影响。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flashRAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种声波测距方法，应用于声波测距装置，其特征在于，包括：

通过第一测距端发送经过编码的检测帧编码格式的声波，并启动对发送所述检测帧中有效测量波的计数，所述检测帧格式的声波按照发送顺序依次包括引导脉冲、帧起始定界符、有效测量波和帧结束定界符四个字段；

通过所述第二测距端接收到所述引导脉冲后，所述第二测距端进入接收有效测量波状态，当检测到所述帧起始定界符时，启动接收有效测量波；

当所述第二测距端接收到第一个有效测量波时，向所述第一测距端发送电平握手信号，记录接收到的有效测量波的个数，对回波进行整形，并通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿；

当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数；

当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数包括：

当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，若存在未发送完毕的有效测量波时，将所述有效测量波发送完毕的剩余波段确定为尾波，记录所述尾波补充发送时间，并向所述第二测距端发送帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数及所述尾波补充时间；

所述当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效包括：

当接收到所述帧结束定界符、所述第一波数以及所述尾波补充时间时，统计接收的有效测量波的第二波数，若所述第一波数与所述第二波数相等，则根据有效波数公式计算出所述第二测距端与所述第一测距端之间的传播通道中实际填充的波数，并根据所述波数与波长关系计算距离，所述实际通道填充波数公式为：

其中，所述t_r为尾波补充时间，所述n_m为一个检测帧中有效测量波的波数，T为回波周期。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二测距端与所述第一测距端为对射方式配对关系，其中，通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的声波收/发单元进行发送、和/或接收声波，通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的回波调理电路对接收到的所有有效测量波进行回波调理，并且通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的微处理器根据对射方式执行记录波数、相位偏移补偿以及比较波数的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿包括：

通过收/发一体式声波转换器将有效测量波的声波振动转换为电压信号，通过带通滤波器与放大器将所述电压信号变换为具有一定幅值的单一频率的正弦波，通过绝对值电路将交流信号处理为直流脉冲信号，并通过电压比较器将所述直流脉冲信号转变为边沿陡峭的矩形波信号；

通过微处理器测量所述边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，通过声波波长和测得的脉宽求解回波脉冲的触发相位，进行相位偏移补偿，所述边沿陡峭的矩形波信号的滞后时间为：所述滞后时间对应的等效波数为：其中，t_w为边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，T为回波周期。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的回波调理电路对接收到的有效测量波进行回波调理之后，所述方法还包括：

通过温度/湿度传感器获取当前环境的温度及相对湿度，并根据声速补偿公式对当前环境下的声速进行补偿；

所述当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效之后，所述方法还包括：

利用所述第二测距端与所述第一测距端为对射配对关系，分别得到第一距离、第二距离，根据所述第一距离、所述第二距离、所述补偿声速、计算待测距离。

6.一种声波测距装置，其特征在于，包括：第一测距端、第二测距端，

所述第一测距端，用于发送经过编码的检测帧编码格式的声波，并启动对发送所述检测帧中有效测量波的计数，所述检测帧格式的声波按照发送顺序依次包括引导脉冲、帧起始定界符、有效测量波、帧结束定界符；

所述第二测距端，用于接收到所述引导脉冲后，所述第二测距端进入接收有效测量波状态，当检测到所述帧起始定界符时，启动接收有效测量波；

所述第二测距端，还用于当接收到第一个有效测量波时，向所述第一测距端发送电平握手信号，记录接收到的有效测量波的个数，对回波进行整形，并通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿；

所述第一测距端，还用于当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时，向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数；

所述第二测距端，还用于当接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时，统计接收到的有效测量波的第二波数，并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等，若相等，则根据记录的有效测量波的个数计算距离，若不等，则将当前测量结果确定为无效。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述第一测距端，具体还用于当接收到所述电平握手信号时，若存在未发送完毕的有效测量波时，将所述有效测量波发送完毕的剩余波段确定为尾波，记录所述尾波补充发送时间，并向所述第二测距端发送帧结束定界符，停止对所述有效测量波的计数，并通过通讯端口向所述第二测距端发送有效测量波的第一波数及所述尾波补充时间；

所述第二测距端，具体还用于当接收到所述帧结束定界符、所述第一波数以及所述尾波补充时间时，统计接收的有效测量波的第二波数，若所述第一波数与所述第二波数相等，则根据有效波数公式计算出所述第二测距端与所述第一测距端之间的传播通道中实际填充的波数，并根据所述波数与波长关系计算距离，所述实际通道填充波数公式为：

其中，所述t_r为尾波补充时间，所述n_m为一个检测帧中有效测量波的波数，T为回波周期。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二测距端与所述第一测距端为对射方式配对关系，其中，所述第一测距端、和/或所述第二测距端包括声波收/发单元、回波调理电路、微处理器；

通过所述声波收/发单元进行发送、和/或接收声波，通过所述回波调理电路对接收到的所有有效测量波进行回波调理，并且通过所述微处理器根据对射方式执行记录波数、相位偏移补偿以及比较波数的步骤。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述声波收/发单元为收/发一体式声波换能器，所述回波调理电路包括：带通滤波器、放大器、绝对值电路、电压比较器，

所述收/发一体式声波转换器，用于将有效测量波的声波振动转换为电压信号；所述带通滤波器与所述放大器，用于将所述电压信号变换为具有一定幅值的单一频率的正弦波；所述绝对值电路，用于将交流信号处理为直流脉冲信号；所述电压比较器，用于将所述直流脉冲信号转变为边沿陡峭的矩形波信号；

其中，通过微处理器测量所述边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，通过声波波长和测得的脉宽求解回波脉冲的触发相位，进行相位偏移补偿；所述边沿陡峭的矩形波信号的滞后时间为：所述滞后时间对应的等效波数为：其中，t_w为边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度，T为回波周期。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：温度/湿度传感器，

所述温度/湿度传感器，用于获取当前环境的温度及相对湿度，并根据声速补偿公式对当前环境下的声速进行补偿；

所述微处理器，还用于利用所述第二测距端与所述第一测距端为对射配对关系，分别得到第一距离、第二距离，根据所述第一距离、所述第二距离、所述补偿声速、计算待测距离。