CN109696680A - 基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位检测的高精度超声波测距模块装置及方法，所述装置包括：发送端超声波换能器和接收端超声换能器；时序控制模块，产生高频的方波信号；超声波幅值调制发生器，用于对高频的方波信号进行低频的幅值调制产生以高频方波为载波的幅值调制信号；超声波驱动电路，用于对幅值调制信号进行功率放大，并驱动发送端超声波换能器产生低频幅值调制的超声波；超声波零相位参考信号电路，用于产生零距离参考信号；超声波信号放大及滤波电路，用于对目标回波信号进行放大及低通滤波；回波相位检测电路，用于将低通滤波后的目标回波信号与零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号；距离计算模块，用于根据直流电压信号计算目标的距离。

Description

基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法

技术领域

本发明涉及距离测量技术，尤其涉及一种基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法。

背景技术

目前，非接触距离测量主要有基于光波、微波以及超声波三类。在这其中，超声波测距传感器是一种成本低、易于集成，对光线、电磁环境变化不敏感的非接触式测距装置。在机器人导航、机器人避障、汽车防撞、工业高度检测、医学成像等领域，超声波测距已得到了大量的应用。

现有的大部分超声波测距传感器都基于时差法测量，该种方法虽简单、易于实现，但存在精度低、易受噪声干扰、盲区大等问题。时差法的原理为：发射一定个数的超声波脉冲，检测发送时刻和超声回波触发时刻之间的时差，声波的传输速度一般是已知的，所以通过时差即可计算出距离。但是，回波触发时刻的准确性受到信号幅值、探头起振延迟的影响，进而降低了超声测距精度。此外，超声波测量盲区内的固有干扰信号以及环境中的噪声信号带来了盲区大和误检测的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决或优化现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法。

本发明第一方面，提供了一种基于相位检测的高精度超声波测距装置，包括发送端超声波换能器和接收端超声换能器；所述装置还包括：

时序控制模块，用于产生高频的方波信号；

超声波幅值调制发生器，与所述时序控制模块连接，用于对所述高频的方波信号进行低频的幅值调制，产生以高频方波为载波的幅值调制信号；

超声波驱动电路，与所述超声波幅值调制发生器连接，用于对所述幅值调制信号进行功率放大，功率放大后的信号驱动发送端超声波换能器产生低频幅值调制的超声波；

超声波零相位参考信号电路，用于检测接收端超声换能器受发送端超声波换能器影响产生的零距离参考信号；

超声波信号放大及滤波电路，用于对接收端超声换能器产生的目标回波信号进行放大，并进行低通滤波；

回波相位检测电路，与所述超声波零相位参考信号电路和超声波信号放大及滤波电路连接，用于将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号；

距离计算模块，与所述回波相位检测电路连接，用于根据所述直流电压信号计算目标的距离。

在根据本发明所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置中，优选地，所述超声波零相位参考信号电路产生的零距离参考信号包括相位差为零的参考信号以及相位差为90°的参考信号。

在根据本发明所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置中，优选地，所述回波相位检测电路包括：

第一信号乘法器，用于对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号和相位差为零的参考信号进行乘法运算；

第一低通滤波器，用于对第一信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第一直流信号；

第二信号乘法器，用于对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号和相位差为零的参考信号进行乘法运算；

第二低通滤波器，用于对第二信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第二直流信号。

在根据本发明所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置中，优选地，所述距离计算模块通过以下步骤计算目标的距离：

1)计算目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差；

2)根据相位差计算出目标的距离。

根据本发明第二方面，还提供了一种基于相位检测的高精度超声波测距方法，包括以下步骤：

产生高频的方波信号；

对所述高频的方波信号进行低频的幅值调制，产生以高频方波为载波的幅值调制信号；

对所述幅值调制信号进行功率放大，功率放大后的信号驱动发送端超声波换能器产生低频幅值调制的超声波；

检测接收端超声换能器受发送端超声波换能器影响产生的零距离参考信号；

对接收端超声换能器产生的目标回波信号进行放大，并进行低通滤波；

将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号；

根据所述直流电压信号计算目标的距离。

在根据本发明所述的基于相位检测的高精度超声波测距方法中，优选地，所述零距离参考信号包括相位差为零的参考信号和相位差为90°的参考信号。

在根据本发明所述的基于相位检测的高精度超声波测距方法中，优选地，所述将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号，具体包括：

对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号和相位差为零的参考信号进行乘法运算；对该信号进行低通处理得到第一直流信号；

对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号和相位差为零的参考信号进行乘法运算；对该信号进行低通处理得到第二直流信号。

在根据本发明所述的基于相位检测的高精度超声波测距方法中，优选地，所述根据所述直流电压信号计算目标的距离，具体包括：

1)计算目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差；

2)根据相位差计算出目标的距离。

实施本发明的基于相位检测的高精度超声波测距装置和方法，具有以下有益效果：本发明通过使用超声波高频振动信号为载波，对超声波进行低频幅值调制，且幅值调制的频率可以更改，同时，使用超声波零相位参考电路获取零距离参考信号，该信号可以做固定相位的延时或其他处理，并利用信号乘法器和低通滤波器来获取回波信号的相位差，通过相位差计算出目标的距离以及目标返回信号的强弱，能够有效提高超声波的测距精度及抗干扰能力，并去除超声波的测量盲区。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的基于相位检测的高精度超声波测距装置的模块框图；

图2为根据本发明的优选实施例中回波相位检测电路的原理示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的基于相位检测的高精度超声波测距装置的模块框图。如图1所示，本发明该实施例提供的基于相位检测的高精度超声波测距装置至少包括：

时序控制模块100，用于产生高频的方波信号。该频率主要取决于超声波换能器的共振频率，常见的从数十kHz到数MHz不等

超声波幅值调制发生器200，与时序控制模块100连接，用于对所述高频的方波信号进行低频的幅值调制，产生一个以高频方波为载波的幅值调制信号。该超声波幅值调制发生器200产生幅值调制信号的幅值调制频率为f_m，此低频频率的大小与超声波的测距范围和测距精度有关，其范围可以取数Hz到数百Hz不等。假定f_m为30Hz，即正弦调制信号周期为33.3ms，若声速为340m/s，则一个周期内，声波可测量的距离为5.66m(此处要考虑声波的折返)。

超声波驱动电路300与超声波幅值调制发生器200连接，用于对幅值调制信号进行功率放大，功率放大后的信号驱动发送端超声波换能器400产生低频幅值调制的超声波。

超声波零相位参考信号电路600，用于检测接收端超声换能器500受发送端超声波换能器影响产生的零距离参考信号。该零距离参考信号进一步反馈给回波相位检测电路800，作为相位差及距离计算的零距离基准。该超声波零相位参考信号电路600产生的零距离参考信号包括相位差为零的参考信号S_0°和相位差为90°的参考信号S_90°：

S_0°＝sin(2πf_mt)；

S_90°＝cos(2πf_mt)

其中，f_m为发送端超声波换能器400发出的超声波信号的幅值调制频率，t为时间。

超声波信号放大及滤波电路700，用于对接收端超声换能器产生的目标回波信号进行放大，并进行低通滤波。幅值调制超声波经目标发射，会在接收端超声换能器中产生目标回波信号。超声波信号放大及滤波电路700对该信号进行放大和低通滤波后得到的目标回波信号S_R为：

S_R＝Asin(2πf_mt-φ)；

其中A为幅值，φ为目标回波信号与零相位基准信号之间的相位差。

回波相位检测电路800，与超声波零相位参考信号电路600和超声波信号放大及滤波电路700连接，用于将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号。

距离计算模块900，与回波相位检测电路800连接，用于根据所述直流电压信号计算目标的距离。

请结合参阅图2，为根据本发明的优选实施例中回波相位检测电路的原理示意图。优选地，如图2所示，所述回波相位检测电路800进一步包括：第一信号乘法器801、第一低通滤波器802、第二信号乘法器803和第二低通滤波器804。

其中第一信号乘法器801用于对超声波信号放大及滤波电路700处理后的目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_0°进行乘法运算得到：

第二信号乘法器803用于对超声波信号放大及滤波电路处理700后的目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_90°进行乘法运算得到：

上述两路信号再经过各自的低通滤波器处理，只保留直流信号。也就是说：

第一低通滤波器802对第一信号乘法器801处理后的信号进行低通处理得到第一直流信号：

第二低通滤波器804对第二信号乘法器803处理后的信号进行低通处理得到第二直流信号：

相应地，距离计算模块900通过以下步骤计算目标的距离：

1)计算目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差为：

其中，S_cos为第一直流信号的电压值，S_sin为第二直流信号的电压值；

2)根据相位差φ计算出目标的距离D：

其中，c为声波的速度，D为目标的距离。

超声波目标回波信号的幅值为：

基于同样的发明构思，本申请提供了一种基于相位检测的高精度超声波测距方法。该方法可以采用但不限于前述基于相位检测的高精度超声波测距装置实现。该实施例提供的方法包括：

步骤S1：产生高频的方波信号；

步骤S2：对所述高频的方波信号进行低频的幅值调制，产生以高频方波为载波的幅值调制信号；

步骤S3：对所述幅值调制信号进行功率放大，功率放大后的信号驱动发送端超声波换能器产生低频幅值调制的超声波；

步骤S4：检测接收端超声换能器受发送端超声波换能器影响产生的零距离参考信号；

步骤S5：对接收端超声换能器产生的目标回波信号进行放大，并进行低通滤波；

步骤S6：将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号；

步骤S7：根据所述直流电压信号计算目标的距离。

优选地，步骤S4产生的所述零距离参考信号包括相位差为零的参考信号S_0°和相位差为90°的参考信号S_90°：

S_0°＝sin(2πf_mt)；

S_90°＝cos(2πf_mt)

其中，f_m为超声波信号的幅值调制频率，t为时间。

优选地，步骤S5中经过信号放大及低通滤波处理后的目标回波信号S_R为：

S_R＝Asin(2πf_mt-φ)；

其中A为幅值，φ为目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差。

优选地，步骤S6中将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号，具体包括以下步骤：

1)通过第一信号乘法器对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_0°进行乘法运算：

2)对第一信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第一直流信号：

3)对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_90°进行乘法运算：

4)通过第二信号乘法器对第二信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第二直流信号：

优选地，步骤S7中根据所述直流电压信号计算目标的距离，具体包括：

1)计算目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差为：

其中，S_cos为第一直流信号的电压值，S_sin为第二直流信号的电压值；

2)根据相位差计算出目标的距离：

其中，c为声波的速度，D为目标的距离。

本发明的基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法，具有以下特点：

1.本发明可以实现零盲区测量。常见脉冲超声波测距，发送端超声波换能器发出一簇超声波脉冲后，会立刻在接收端产生干扰信号，该干扰信号消失之前，超声波无法识别目标产生的回波，即存在测量盲区。本发明发送连续的幅值调制超声波信号，利用了在接收端产生的零距离信号来获取目标回波信号的相位差，即将脉冲测距的干扰信号变为相位测量的基准信号，从原理上解决了脉冲超声波测距的盲区问题。

2.本发明中超声波幅值调制的频率可以做灵活调整，以实现不同的测量精度。从公式中可以看出，选取不同的f_m，如果测得同样的相位，其对应的距离不同。可以看到，f_m越高，超声波的测量精度越高。在实际使用中，还可以用低调制频率的超声波判断障碍物的粗略位置，再用高调制频率获得障碍物更精确的位置。

3.本发明可以测量更远的距离。常见的脉冲式超声波测距模块，发送一簇超声波脉冲后，会检测是否有能够触发门限值的回波信号，若回波信号过弱，则无法检测到目标。本发明使用连续的幅值调制信号，若目标回波信号弱，则可以增加调制信号发送的时间，以获得目标的距离。此方法与成像传感器在低光照条件下增加曝光时间，以获得更好的图像效果的原理是类似的。

4.本发明的装置对干扰信号有更强的鲁棒性。常见的脉冲式超声波测距模块，其回波的检测方式一般为门限触发，若环境中出现突发的短暂性干扰，很容易造成误探测。本发明获取距离的方法，基于连续的幅值调制超声波信号，而突发的短暂性干扰无法产生连续的固定频率的干扰信号，因此本发明中的超声波模块对干扰信号有更强的适应能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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；而这些修改或者替换，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)

1.一种基于相位检测的高精度超声波测距装置，包括发送端超声波换能器和接收端超声换能器；其特征在于，所述装置还包括：

时序控制模块，用于产生高频的方波信号；

超声波幅值调制发生器，与所述时序控制模块连接，用于对所述高频的方波信号进行低频的幅值调制，产生以高频方波为载波的幅值调制信号；

超声波驱动电路，与所述超声波幅值调制发生器连接，用于对所述幅值调制信号进行功率放大，功率放大后的信号驱动发送端超声波换能器产生低频幅值调制的超声波；

超声波零相位参考信号电路，用于检测接收端超声换能器受发送端超声波换能器影响产生的零距离参考信号；

超声波信号放大及滤波电路，用于对接收端超声换能器产生的目标回波信号进行放大，并进行低通滤波；

回波相位检测电路，与所述超声波零相位参考信号电路和超声波信号放大及滤波电路连接，用于将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号；

距离计算模块，与所述回波相位检测电路连接，用于根据所述直流电压信号计算目标的距离。

2.根据权利要求1所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置，其特征在于，所述超声波零相位参考信号电路产生的零距离参考信号包括：

S_0°＝sin(2πf_mt)；

S_90°＝cos(2πf_mt)

其中，f_m为超声波信号的幅值调制频率，t为时间；S_0°是相位差为零的参考信号，S_90°是相位差为90°的参考信号。

3.根据权利要求2所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置，其特征在于，所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号S_R

S_R＝Asin(2πf_mt-φ)；

其中A为幅值，φ为目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差。

4.根据权利要求3所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置，其特征在于，所述回波相位检测电路包括：

第一信号乘法器，用于对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_0°进行乘法运算：

第一低通滤波器，用于对第一信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第一直流信号：

第二信号乘法器，用于对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_90°进行乘法运算：

第二低通滤波器，用于对第二信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第二直流信号：

5.根据权利要求4所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置，其特征在于，所述距离计算模块通过以下步骤计算目标的距离：

1)计算目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差为：

其中，S_cos为第一直流信号的电压值，S_sin为第二直流信号的电压值；

2)根据相位差计算出目标的距离：

其中，c为声波的速度，D为目标的距离。

6.一种基于相位检测的高精度超声波测距方法，其特征在于，所述方法包括：

产生高频的方波信号；

对所述高频的方波信号进行低频的幅值调制，产生以高频方波为载波的幅值调制信号；

对所述幅值调制信号进行功率放大，功率放大后的信号驱动发送端超声波换能器产生低频幅值调制的超声波；

检测接收端超声换能器受发送端超声波换能器影响产生的零距离参考信号；

对接收端超声换能器产生的目标回波信号进行放大，并进行低通滤波；

将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号；

根据所述直流电压信号计算目标的距离。

7.根据权利要求6所述的基于相位检测的高精度超声波测距方法，其特征在于，所述零距离参考信号包括相位差为零的参考信号S_0°和相位差为90°的参考信号S_90°：

S_0°＝sin(2πf_mt)；

S_90°＝cos(2πf_mt)

其中，f_m为超声波信号的幅值调制频率，t为时间。

8.根据权利要求7所述的基于相位检测的高精度超声波测距方法，其特征在于，经过信号放大及低通滤波处理后的目标回波信号S_R：

S_R＝Asin(2πf_mt-φ)；

其中A为幅值，φ为目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差。

9.根据权利要求8所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置，其特征在于，所述将低通滤波后的目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差转换为直流电压信号，包括：

通过第一信号乘法器对目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_0°进行乘法运算：

对第一信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第一直流信号：

通过第二信号乘法器对目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_90°进行乘法运算：

对第二信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第二直流信号：

10.根据权利要求9所述的基于相位检测的高精度超声波测距方法，其特征在于，所述根据所述直流电压信号计算目标的距离，包括：

1)计算目标回波信号与所述零相位基准信号之间的相位差为：

其中，S_cos为第一直流信号的电压值，S_sin为第二直流信号的电压值；

2)根据相位差计算出目标的距离：

其中，c为声波的速度，D为目标的距离。