CN109901172A - 基于频率调节的超声波测距方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于频率调节的超声波测距方法、装置及电子设备，涉及超声波测距技术领域，该超声波测距方法包括按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号；接收返回波信号，并记录从发射超声波信号到接收到返回波信号的传播时间；计算返回波信号在频域内幅度最大的频率分量；当连续两次发射中频率分量与发射频率均相等时，根据后一次发射的传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离。本发明实施例提供的一种超声波测距方法、装置及电子设备，可以自主调节超声波测距的工作频率，提高测距准确性和抗干扰性，有效避免多台超声波测距设备工作时的相互干扰，实现多台超声波测距设备的协同工作。

Description

基于频率调节的超声波测距方法、装置及电子设备

技术领域

本发明涉及超声波测距技术领域，尤其是涉及一种基于频率调节的超声波测距方法、装置及电子设备。

背景技术

超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点，因而超声波经常用于距离的测量。在移动机器人领域，为了使机器人能自动避障行走，往往需要装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息，因此，超声波测距被广泛应用在移动机器人上。

随着移动机器人的快速发展，同一空间内多个移动机器人可以同时工作成为了机器人发展的迫切需求。例如，在一个大型房间内需要多个扫地机器人同时工作，以保持整个房间地面干净，因为对于单个扫地机器人，其工作效率是固定的，难以满足在较短时间内打扫完较大的区域。但是，现有的超声波测距设备往往发送相同频率的超声波，当有多台超声波测距设备在同一空间内工作时，相互之间会出现严重干扰，使得测距不准确，导致这类设备无法正常工作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于频率调节的超声波测距方法、装置及电子设备，可以自主调节超声波测距的工作频率，提高测距准确性和抗干扰性，有效避免多台超声波测距设备在工作时的相互干扰，实现多台超声波测距设备的协同工作。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于频率调节的超声波测距方法，应用于超声波测距设备，该方法包括：按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号；接收返回波信号，并记录从发射超声波信号到接收到返回波信号的传播时间；计算返回波信号在频域内幅度最大的频率分量；当连续两次返回波最大幅度频率分量与发射信号频率均相等时，根据后一次发射的传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述计算返回波信号在频域内幅度最大的频率分量的步骤，包括：将该返回波信号由时间域变换到频率域；计算该返回波信号在频率域内幅度最大的频率分量。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述将该返回波信号由时间域变换到频率域的步骤，包括：通过傅里叶变换或快速傅里叶变换算法，将该返回波信号由时间域变换到频率域。

结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述记录从发射超声波信号到接收到返回波信号的传播时间的步骤，包括：设置测距时间标志，并将该测距时间标志置0；当发射超声波信号时，将该测距时间标志由0置1；当接收到返回波信号时，将该测距时间标志置0，并计算该测距时间标志保持为1的时间。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，该根据后一次发射的该传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离的计算公式，为：，式中，为超声波测距设备与障碍物的距离，为后一次发射的超声波信号的传播时间，设备工作环境下声波传输速度。。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，该预设周期数应大于等于八个周期。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，该预设频率表中各个频率值两两之间的差值大于该超声波测距设备的最小可分辨频率。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，可同时协同工作的超声波测距设备的数量为该预设频率表中频率值数目的平方。

第二方面，本发明实施例还提供了一种超声波测距装置，包括：超声波信号发射模块，用于按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号；返回波信号接收模块，用于接收返回波信号，并记录从发射该超声波信号到接收到返回波信号的传播时间；频率分量计算模块，用于计算该返回波信号在频域内幅度最大的频率分量；距离计算模块，用于当连续两次发射中频率分量与发射频率均相等时，根据后一次发射的该传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，该存储器中存储有可在该处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现上述第一方面及其可能的实施方式之一提供的超声波测距方法的步骤。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种超声波测距方法、装置及电子设备，该方法应用于超声波测距设备，包括按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号；接收返回波信号，并记录从发射超声波信号到接收到返回波信号的传播时间；计算返回波信号在频域内幅度最大的频率分量；当连续两次返回波中的频率分量与发射频率均相等时，根据后一次发射的传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离。本发明实施例提供的超声波测距方法可以自主调节超声波测距的工作频率，避免多台超声波测距设备在工作时的相互干扰，实现多台超声波测距设备的协同工作。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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为本发明实施例提供的一种多超声波测距设备应用场景示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于频率调节的超声波测距方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超声波测距设备接收的返回波示意图；

图4为本发明实施例提供的一种经傅里叶变换处理之后的返回波幅频曲线图；

图5为本发明实施例提供的一种超声波测距装置的结构示意图。

图标：

51-超声波信号发射模块；52-返回波信号接收模块；53-频率分量计算模块；54-距离计算模块。

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，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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做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。

超声波是一种频率大于20kHz的波。常用的超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器，压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

因为超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，所以超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。并且超声波的频率大于人耳听觉范围的上限20KHz，因此不会对人的正常生活和工作造成干扰。利用超声波检测障碍物存在反应迅速、携带方便、计算简单、易于实时控制等优点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。

目前，现有的同一型号的超声波测距设备往往发送相同频率的超声波，当有多台超声波测距设备在同一空间内工作时，相互之间会出现严重干扰，使得测距不准确，导致这类设备无法正常工作。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种多超声波测距设备应用场景示意图，在该应用场景中，有4台超声波测距设备，例如可以是扫地机器人，当它们同时进行工作时，都发出超声波测距。对于采购的一批设备，往往是同一型号，而同一型号的超声波测距设备发出同样频率的超声波时，每台设备接收到的返回信号无法分辨其是否是自身发出的信号遇到障碍物时的返回信号，有可能接收到的信号是其他设备发出的信号，而这些都是干扰信号，会导致设备对距离的计算错误，使得设备之间无法正常的协同工作。

基于此，本发明实施例提供的一种基于频率调节的超声波测距方法、装置及电子设备，可以自主调节超声波测距的工作频率，提高测距准确性和抗干扰性，有效避免多台超声波测距设备在工作时的相互干扰，实现多台超声波测距设备的协同工作。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种超声波测距方法进行详细介绍。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种超声波测距方法的流程示意图，该方法应用于超声波测距设备，由图2可见，该方法包括以下步骤：

步骤1：按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号。

对于应用本发明超声波测距方法的超声波测距设备，预先设置超声波的发射时间间隔，例如可以是每间隔50ms发射一次，每次发射时，一次性发射若干个周期的超声波信号。这里，可以设置一次性发射的超声波信号的周期数为固定值，例如，可以设置预设周期数为8次。通过实际检测，一次发射8个周期的超声波信号具有较佳的测量效果。

对于每次发射的超声波，都具有一定的频率。这里，预先设置频率表，在发射超声波信号时，从该频率表中随机选择某一个频率作为发射频率进行发射。为了可以对发射的不同发射频率的超声波信号的返回波进行识别，要求预设频率表中各个频率值两两之间的差值大于超声波测距设备的最小可分辨频率。

步骤2：接收返回波信号，并记录从发射超声波信号到接收到返回波信号的传播时间。

超声波测距设备实时接收返回波信号，当有多台超声波测距设备在同一区域工作时，对于某一目标测距设备，其接收到的返回波信号可能是自身发射信号的返回波，也可能是其他测距设备直接发送的超声波信号或它们的反射波，而这些返回波信号对于该目标测距设备来说都属于干扰波，不是有效信号，会导致该目标测距设备错误的计算与障碍物的距离。

在接收到返回波信号的同时，测距设备记录其发射超声波信号到接收到返回波信号的传播时间。

步骤3：计算返回波信号在频域内幅度最大的频率分量。

为了解析接收到的上述返回波信号是否是测距设备本身发出的超声波信号，需要通过频率的比对进行判别。因此，需要计算该返回波信号在频域内幅度最大的频率分量。该最大的频率分量即为该返回波信号的实际频率。若返回波信号的频率与发射频率一致，则该返回波信号很有可能是测距设备本身发射的超声波信号遇到障碍物后返回的返回波，也是有效的测距信号。

步骤4：当连续两次返回波的频率分量与发射频率均相等时，根据后一次发射的传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离。

测距设备按着预设的发射时间间隔，不断发射超声波信号，同时也不断接受返回波信号，并计算其在频域内幅度最大的频率分量，该过程是循环往复不间断的。当连续两次发射，也即连续两次发射周期中，计算得到的返回波信号的频率分量与发射频率相等时，认为后一次所接收到的返回波信号确实是设备本身发射的超声波信号的返回信号。因此，根据后一次发射的传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离，认为该距离为可靠的设备与障碍物的实际距离。

这里，计算超声波测距设备与障碍物距离的公式为：

式中，为超声波测距设备与障碍物的距离，单位为米；为后一次发射的超声波信号的传播时间，单位为秒。其中，为当前设备工作条件下，超声波在空气中的传播速度（超声波在常温空气中传播的速度为340米/秒）。

这样，对于在同一区域工作的多个超声波测距设备，每台超声波测距设备通过连续不间断的发射超声波信号，并且是随机选取发射频率进行发射，使得连续两次接收到的返回波信号的频率都与自身发射频率相同时，有效排除了所接收到的信号是干扰信号，可以认为所接收到的信号就是自身发射的超声波信号的返回信号，保证了用于计算与障碍物距离的信号是可靠的，提高了测距的准确性，为多台超声波测距设备的协同工作提供了保障。并且，可同时协同工作的超声波测距设备的数量为该预设频率表中频率值数目的平方。例如，若预设频率表中有M个符合要求的频率值，则可以同时协同工作的超声波测距设备的数量为M²台。

在另一种实施方式中，为了记录从发射超声波信号到接收到返回波信号的传播时间，在图2的基础上，可以按以下方式记录该传播时间：

首先，设置测距时间标志，并将该测距时间标志置0；

其次，当发射超声波信号时，将该测距时间标志由0置1；

然后，当接收到返回波信号时，将该测距时间标志置0，并计算该测距时间标志保持为1的时间。

这样，即可精确得到超声波信号从发射到接收返回波信号之间的传播时间。通过计算返回波信号的频率分量，并与发射频率进行比较，在判别该返回波信号确实为目标测距设备本身发射的超声波信号的返回信号之后，该传播时间可以用于计算超声波测距设备与障碍物的实际距离。

在其中一种或多种可能的实施方式中，为了得到返回波信号在频域内幅度最大的频率分量，在图2的基础上，可以先将接收到的返回波信号由时间域变换到频率域，然后再计算该返回波信号在频率域内幅度最大的频率分量。这里，可以通过傅里叶变换或快速傅里叶变换算法，将该返回波信号由时间域变换到频率域。

本发明实施例提供的超声波测距方法，该方法包括按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号；接收返回波信号，并记录从发射超声波信号到接收到返回波信号的传播时间；计算返回波信号在频域内幅度最大的频率分量；当连续两次返回波的频率分量与发射频率均相等时，根据后一次发射的传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离；可以自主调节超声波测距的工作频率，避免多台超声波测距设备在工作时的相互干扰，实现多台超声波测距设备的协同工作。

本发明实施例还提供了一种超声波测距装置，参见图5，为该超声波测距装置的结构示意图，由图5可见，该超声波测距装置包括依次相连的超声波信号发射模块51、返回波信号接收模块52、频率分量计算模块53和距离计算模块54。其中，各个模块的功能如下：

超声波信号发射模块51，用于按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号；

返回波信号接收模块52，用于接收返回波信号，并记录从发射该超声波信号到接收到返回波信号的传播时间；

频率分量计算模块53，用于计算该返回波信号在频域内幅度最大的频率分量；

距离计算模块54，用于当连续两次发射中频率分量与发射频率均相等时，根据后一次发射的该传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离。

本发明实施例所提供的超声波测距装置，其实现原理及产生的技术效果和前述超声波测距方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，该存储器中存储有可在该处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现上述方法实施例及其可能的实施方式之一提供的超声波测距方法的步骤。

本发明实施例提供的电子设备，与上述实施例提供的超声波测距方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于频率调节的超声波测距方法，其特征在于，应用于超声波测距设备，所述方法包括：

按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号；

接收返回波信号，并记录从发射所述超声波信号到接收到返回波信号的传播时间；

计算所述返回波信号在频域内幅度最大的频率分量；

当连续两次接收回波信号所述幅度最大的频率分量与所述发射信号频率均相等时，根据后一次发射的所述传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离。

2.根据权利要求1所述的基于频率调节的超声波测距方法，其特征在于，所述计算所述返回波信号在频域内幅度最大的频率分量的步骤，包括：

将所述返回波信号由时间域变换到频率域；

计算所述返回波信号在频率域内幅度最大的频率分量。

3.根据权利要求2所述的基于频率调节的超声波测距方法，其特征在于，所述将所述返回波信号由时间域变换到频率域的步骤，包括：

通过傅里叶变换或快速傅里叶变换算法，将所述返回波信号由时间域变换到频率域。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于频率调节的超声波测距方法，其特征在于，所述记录从发射所述超声波信号到接收到返回波信号的传播时间的步骤，包括：

设置测距时间标志，并将所述测距时间标志置0；

当发射所述超声波信号时，将所述测距时间标志由0置1；

当接收到所述返回波信号时，将所述测距时间标志置0，并计算所述测距时间标志保持为1的时间。

5.根据权利要求1所述的基于频率调节的超声波测距方法，其特征在于，所述根据后一次发射的所述传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离的计算公式，为：

式中，为超声波测距设备与障碍物的距离，为后一次发射的超声波信号的传播时间，设备工作环境下声波传输速度。

6.根据权利要求1所述的基于频率调节的超声波测距方法，其特征在于，所述预设周期数应大于等于八个周期。

7.根据权利要求1所述的基于频率调节的超声波测距方法，其特征在于，所述预设频率表中各个频率值两两之间的差值大于所述超声波测距设备的最小可分辨频率。

8.根据权利要求7所述的基于频率调节的超声波测距方法，其特征在于，可同时协同工作的超声波测距设备的数量为所述预设频率表中频率值数目的平方。

9.一种超声波测距装置，其特征在于，包括：

超声波装置信号发射模块，用于按预设发射时间间隔，随机选取预设频率表中的任一频率为发射频率发射预设周期数的超声波信号；

超声波装置返回波信号接收模块，用于接收返回波信号，并记录从发射所述超声波信号到接收到返回波信号的传播时间；

频率分量计算模块，用于计算所述返回波信号在频域内幅度最大的频率分量；

距离计算模块，用于当连续两次发射中所述频率分量与所述发射频率均相等时，根据后一次发射的所述传播时间计算超声波测距设备与障碍物的距离。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至8任一项所述的方法的步骤。