CN110749888A - 一种基于超声波测距系统的测距方法 - Google Patents

一种基于超声波测距系统的测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波测距系统的测距方法，测距开始后，控制单元交替向不同超声测距模块中的发射探头及接收探头发送启动指令，接收到启动指令的发射探头和接收探头同时开启，接收探头同时开启计时器进行计时；接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，接收到回波信号的超声波测距模块进行时间信息数据的处理，并将结果发送给控制单元；控制单元接收到所述结果后，再次向不同超声波测距模块中的发射探头和接收探头发送启动指令，重复前述步骤，交替启动不同模块中的发射探头和接收探头进行测距。本发明方法可以减小超声测距减的盲区，有利于提高测量的准确性。

Description

一种基于超声波测距系统的测距方法
技术领域
本发明属于测距技术领域，尤其涉及一种基于超声波测距系统的测距方法。
背景技术
超声波测距是利用超声波激发信号与超声波回波信号的传播时间来进行流量或物体位置的测量。超声波测距系统在无人驾驶领域得到了广泛的应用，尤其是在近距离环境感知方面，超声波测距系统被用于探测车体周围障碍物和车体之间的距离。使用超声波测距时，单组超声波测距传感器的信号覆盖范围有限，因此常在车体前、后设置多组超声波测距传感器来进行测距。
超声波是由电脉冲信号引发超声波换能器内部的能量转换元件（如压电晶体等）产生同频率共振而激发得到的信号。在电脉冲信号消失后，其激发时残留的能量仍可以使超声波换能器内部的能量转换元件保持持续振动（自由衰减振荡），直至残留能量消耗完为止。如果超声波回波信号在超声波换能器的余震幅值仍大于超声波回波信号的最大幅值时到达，超声波回波信号会被淹没，而无法被识别。从超声波换能器自由衰减振荡开始直至余震幅值减小至与超声波回波信号的最大幅值相等时的这段时间称为超声波换能器工作盲区。
现有的超声波测距装置通常是将同一组超声测距传感器安装在一起，即超声发射探头和超声接收探头安装在同一安装板上。测距时先启动超声发射探头，为了避开超声波换能器的工作盲区，超声波信号发射后不能马上开启超声波接收探头，而是要等工作盲区时间过后再开启超声波接收探头接收回波信号，以避免超声波接收探头无法区分余震信号和回波信号。这样虽然可以避开超声波换能器的工作盲区，但由于超声波接收探头不是在超声波信号发生后立即开启，而是要等待一段时间后才能开启，存在着不能及时接收到回波信号的可能性，从而影响测距的准确性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以消除超声波换能器工作盲区、提高测距准确性的超声波测距方法。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种基于超声波测距系统的测距方法，所述超声波测距系统至少包括相互独立、间隔设置的第一超声波测距模块和第二超声波测距模块，所述第一超声波测距模块和所述第二超声波测距模块均包括至少一个发射探头和至少一个接收探头；所述第一超声波测距模块及所述第二超声波测距模块与一控制单元通信连接。
所述测距方法包括以下步骤：测距开始后，
S1、所述控制单元向所述第一超声波测距模块中的发射探头以及所述第二超声波测距模块中对应数量的接收探头发送启动指令，所述第一超声波测距模块中的发射探头和所述第二超声波测距模块中的接收探头接收到启动指令后同时开启，所述第二超声波测距模块中的接收探头开启后即启动各自的计时器进行计时。
S2、所述第二超声波测距模块中的接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，当所述第二超声波测距模块的所有接收探头都接收到回波信号后，所述第二超声波测距模块处理时间信息数据，根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行测距计算，并将结果发送给控制单元。
S3、所述控制单元接收到所述第二超声波测距模块发送的结果后，向所述第一超声波测距模块中的接收探头以及所述第二超声波测距模块中的发射探头发送启动指令，所述第一超声波测距模块中的接收探头和所述第二超声波测距模块中的发射探头接收到启动指令后同时开启，所述第一超声波测距模块中的接收探头开启后即启动各自的计时器进行计时。
S4、所述第一超声波测距模块中的接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，当所述第一超声波测距模块的所有接收探头都接收到回波信号后，所述第一超声波测距模块处理时间信息数据，根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行测距计算，并将结果发送给控制单元。
S5、所述控制单元接收到所述第一超声波测距模块发送的结果后，返回步骤S1，重复前述步骤，交替启动不同超声波测距模块中的发射探头和接收探头进行测距。
进一步的，所述第一超声波测距模块的发射探头和接收探头设置于同一安装板上，所述第二超声波测距模块的发射探头和接收探头设置于另一安装板上。
进一步的，所述第一超声波测距模块和所述第二超声波测距模块分别通过阻尼弹簧安装固定。
进一步的，所述第一超声波测距模块和所述第二超声波测距模块中设置有电池，所述电池通过无线充电的方式获取电能。
进一步的，所述第一超声波测距模块及所述第二超声波测距模块以无线通信的方式与所述控制单元通信连接。
进一步的，所述第二超声波测距模块的发射探头及接收探头的数量与所述第一超声波测距模块的发射探头及接收探头的数量对应。
本发明还提供了一种基于超声波测距系统的测距方法，所述超声波测距系统包括至少两个相互独立、间隔设置的超声波测距模块，所述超声波测距模块包括至少一个发射探头和至少一个接收探头。所述超声波测距模块与一控制单元通信连接。
所述测距方法包括以下步骤：测距开始后，
S1、所述控制单元向发射探头及接收探头发送启动指令，所述发射探头和接收探头分别属于不同的超声波测距模块，且接收到启动指令的发射探头的数量和接收到启动指令的接收探头的数量对应，接收到启动指令的发射探头和接收探头同时开启，接收探头开启后即启动各自的计时器进行计时。
S2、接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，当接收到启动指令的所有接收探头都接收到回波信号后，接收探头所属的超声波测距模块处理时间信息数据，根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行测距计算，并将结果发送给控制单元。
S3、所述控制单元接收到超声波测距模块发送的结果后，向另一组发射探头及接收探头发送启动指令，接收到启动指令的发射探头和接收探头分别属于不同的超声波测距模块，且接收到启动指令的发射探头的数量和接收到启动指令的接收探头的数量对应，接收到启动指令的发射探头和接收探头同时开启，接收探头开启后即启动各自的计时器进行计时。
S4、接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，当接收到启动指令的所有接收探头都接收到回波信号后，接收探头所属的超声波测距模块处理时间信息数据，根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行测距计算，并将结果发送给控制单元。
S5、所述控制单元接收到超声波测距模块发送的结果后，返回步骤S1，重复前述步骤，交替启动不同超声波测距模块中的发射探头和接收探头进行测距。
进一步的，所述超声波测距模块通过阻尼弹簧安装固定。
进一步的，所述超声波测距模块设置有电池，所述电池通过无线充电的方式获取电能。
进一步的，所述超声波测距模块以无线通信的方式与所述控制单元通信连接。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：超声波测距系统通过设置至少两个相互独立的超声波测距模块，每个超声波测距模块中设置有数量对应的发射探头和接收探头，且超声波测距模块隔离安装，测距时，不同超声波测距模块上的发射探头和接收探头配合工作，同一超声波测距模块上的发射探头和接收探头不同时工作，从而阻断发射探头发射超声波信号后的余震信号，使余震信号无法传导到正在接收回波信号的接收探头，以消除盲区，而接收探头由于不会受到余震信号的影响，可以和发射探头同步开启接收信号，不用等待超声波换能器工作盲区，有利于提高测量的准确性。本发明方法可以减小超声测距减的盲区，尤其适合于无人驾驶领域，可以实现车辆在拥挤的环境（如电梯里面，密集的仓库里）中流畅的行走。
附图说明
图1为本发明实施例超声波测距模块的示意图。
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述。
现有技术中，同一组超声波测距传感器的发射探头和接收探头由于安装在一起，因此发射探头在发出超声波信号后，其余震信号会影响到与其相邻安装的接收探头，为了避免余震信号的影响，接收探头必须要等待工作盲区过后才能开启以接收回波信号，在工作盲区时间内，接收探头无法接收回波信号，同样也存在着一定的信号接收盲区时段。为了消除接收探头处于关闭状态时的信号接收盲区，本发明的基本思路是：超声波测距系统设置有至少两组相互独立安装的超声波测距模块，每一组超声波测距模块都至少包括一个发射探头和一个接收探头，各组超声波测距模块分别安装在相互独立的安装板上，优选的，采用无线通讯的方式分别与控制单元通信连接，以避免机械振动信号通过电线传递。在测距时，同一超声波测距模块上的发射探头和接收探头不同时开启，而是将一个超声波测距模块上的发射探头和另一个超声波测距模块上的接收探头配对，以交替工作的方式来进行超声波信号的发射和接收，从而可以切断发射探头的余震信号向接收探头的传播路径，来消除信号接收盲区。
下面以一个具体的实施例来对本发明的方法进行说明。如图1所示，本实施例的超声波测距系统包括第一超声波测距模块1和第二超声波测距模块2，第一超声波测距模块1和第二超声波测距模块2都分别具有4组超声波测距传感器，每一组超声波测距传感器均包括一个发射探头a和一个接收探头b。第一超声波测距模块1和第二超声波测距模块2间隔安装在车体的同一侧，例如都安装在车体前侧或车体后侧等。为了防止两个超声波测距模块间的机械振动相互传导，优选的，第一超声波测距模块1和第二超声波测距模块2分别通过阻尼弹簧安装在车体上。超声波测距模块内设置有电池为传感器探头供电。更进一步优选的，为了防止机械振动信号通过电线传递，超声波测距模块内的电池采用无线充电的方式从车体的蓄电池获取电能。两个超声波测距模块间的安装距离在20cm到40cm，以避免两者间机械振动的传递。
下面结合图2，对本发明的测距方法进行说明：测距开始后，
S1、控制单元向第一超声波测距模块1中的发射探头以及第二超声波测距模块2中的接收探头发送启动指令，第一超声波测距模块1中的发射探头和第二超声波测距模块中的接收探头接收到启动指令后，同时开启，进入工作状态。第一超声波测距模块1的各发射探头连续发送8个40kHz的脉冲后自动停止，第二超声波测距模块2的各接收探头开启后即开始接收信号，并同时开启各自的计时器进行计时。
S2、第二超声波测距模块2的接收探头接收到回波信号后，接收到回波信号的接收探头即停止计时，并记录回波信号的到达时间，第二超声波测距模块2的所有接收探头都接收到回波信号后，第二超声波测距模块2根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行时间信息数据的处理，计算出障碍物与车体间的距离，并将测量结果发送给控制单元。障碍物距离计算公式为L=v*T，v为超声波的速度，T为计时器记录的时间，即从超声波信号发射到接收到超声波信号的所需时间。
S3、控制单元接收到第二超声波测距模块2发送的测量结果后，控制单元向第一超声波测距模块1中的接收探头以及第二超声波测距模块中的发射探头发送启动指令，第一超声波测距模块1中的接收探头和第二超声波测距模块中的发射探头接收到启动指令后，同时开启，进入工作状态。同样的，第二超声波测距模块2的各发射探头连续发送8个40kHz的脉冲后自动停止，第一超声波测距模块1的各接收探头开始接收信号，并同时开启各自的计时器进行计时。
S4、第一超声波测距模块1的接收探头接收到回波信号后，接收到回波信号的接收探头停止计时，并记录回波信号的到达时间，第一超声波测距模块1的所有接收探头都接收到回波信号后，第一超声波测距模块1根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行时间信息数据的处理，计算出障碍物与车体间的距离，并将测量结果发送给控制单元。
S5、控制单元接收到第一超声波测距模块1发送的测量结果后，返回步骤S1，重复前述步骤，交替启动不同模块中的发射探头和接收探头进行超声波测距。由于发射超声波信号的发射探头和接收超声波信号的接收探头分属于不同的超声波测距模块，发射探头的余震信号无法传导接收探头，发射探头和接收探头可以同时工作，消除了因余震信号而存在的工作盲区，从而提高测距的准确性。
超声波测距系统中超声波测距模块的数量可以是2个，也可以是2个以上，例如3个或4个或多个，可根据应用场景的需求相应变化。当超声波测距模块的数量改变时，每个超声波测距模块中的发射探头和接收探头的数量也可以相应改变，而不一定每个超声波测距模块都具有相同数量的发射探头和接收探头。例如有3个超声波测距模块时，可以1个超声波测距模块中有4个发射探头和4个接收探头，而另外2个超声波测距模块中分别有2个发射探头和2个接收探头，不管超声波测距模块中发射探头和接收探头的数量为何，测距时每一次都同时启动数量对应的发生探头和接收探头，即启动了4个发射探头，就要启动4个接收探头，且所启动的发射探头和接收探头不属于同一个超声波测距模块，从而可以避免发射探头的余震能量影响接收探头正确接收回波信号，也保证了每一个发射探头发出的超声波信号都能被接收探头接收，以不同组的发射探头和接收探头交替启动工作的方式来进行测距。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述超声波测距系统至少包括相互独立、间隔设置的第一超声波测距模块和第二超声波测距模块，所述第一超声波测距模块和所述第二超声波测距模块均包括至少一个发射探头和至少一个接收探头；所述第一超声波测距模块及所述第二超声波测距模块与一控制单元通信连接；
所述测距方法包括以下步骤：测距开始后，
S1、所述控制单元向所述第一超声波测距模块中的发射探头以及所述第二超声波测距模块中对应数量的接收探头发送启动指令，所述第一超声波测距模块中的发射探头和所述第二超声波测距模块中的接收探头接收到启动指令后同时开启，所述第二超声波测距模块中的接收探头开启后即启动各自的计时器进行计时；
S2、所述第二超声波测距模块中的接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，当所述第二超声波测距模块的所有接收探头都接收到回波信号后，所述第二超声波测距模块处理时间信息数据，根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行测距计算，并将结果发送给控制单元；
S3、所述控制单元接收到所述第二超声波测距模块发送的结果后，向所述第一超声波测距模块中的接收探头以及所述第二超声波测距模块中的发射探头发送启动指令，所述第一超声波测距模块中的接收探头和所述第二超声波测距模块中的发射探头接收到启动指令后同时开启，所述第一超声波测距模块中的接收探头开启后即启动各自的计时器进行计时；
S4、所述第一超声波测距模块中的接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，当所述第一超声波测距模块的所有接收探头都接收到回波信号后，所述第一超声波测距模块处理时间信息数据，根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行测距计算，并将结果发送给控制单元；
S5、所述控制单元接收到所述第一超声波测距模块发送的结果后，返回步骤S1，重复前述步骤，交替启动不同超声波测距模块中的发射探头和接收探头进行测距。
2.根据权利要求1所述的基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述第一超声波测距模块的发射探头和接收探头设置于同一安装板上，所述第二超声波测距模块的发射探头和接收探头设置于另一安装板上。
3.根据权利要求1所述的基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述第一超声波测距模块和所述第二超声波测距模块分别通过阻尼弹簧安装固定。
4.根据权利要求1所述的基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述第一超声波测距模块和所述第二超声波测距模块中设置有电池，所述电池通过无线充电的方式获取电能。
5.根据权利要求1所述的基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述第一超声波测距模块及所述第二超声波测距模块以无线通信的方式与所述控制单元通信连接。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述第二超声波测距模块的发射探头及接收探头的数量与所述第一超声波测距模块的发射探头及接收探头的数量对应。
7.一种基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述超声波测距系统包括至少两个相互独立、间隔设置的超声波测距模块，所述超声波测距模块包括至少一个发射探头和至少一个接收探头；所述超声波测距模块与一控制单元通信连接；
所述测距方法包括以下步骤：测距开始后，
S1、所述控制单元向发射探头及接收探头发送启动指令，所述发射探头和接收探头分别属于不同的超声波测距模块，且接收到启动指令的发射探头的数量和接收到启动指令的接收探头的数量对应，接收到启动指令的发射探头和接收探头同时开启，接收探头开启后即启动各自的计时器进行计时；
S2、接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，当接收到启动指令的所有接收探头都接收到回波信号后，接收探头所属的超声波测距模块处理时间信息数据，根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行测距计算，并将结果发送给控制单元；
S3、所述控制单元接收到超声波测距模块发送的结果后，向另一组发射探头及接收探头发送启动指令，接收到启动指令的发射探头和接收探头分别属于不同的超声波测距模块，且接收到启动指令的发射探头的数量和接收到启动指令的接收探头的数量对应，接收到启动指令的发射探头和接收探头同时开启，接收探头开启后即启动各自的计时器进行计时；
S4、接收探头在接收到回波信号后即停止计时，并记录回波信号的到达时间，当接收到启动指令的所有接收探头都接收到回波信号后，接收探头所属的超声波测距模块处理时间信息数据，根据记录的回波信号到达时间及超声波的传输速度进行测距计算，并将结果发送给控制单元；
S5、所述控制单元接收到超声波测距模块发送的结果后，返回步骤S1，重复前述步骤，交替启动不同超声波测距模块中的发射探头和接收探头进行测距。
8.根据权利要求7所述的基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述超声波测距模块通过阻尼弹簧安装固定。
9.根据权利要求7所述的基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述超声波测距模块设置有电池，所述电池通过无线充电的方式获取电能。
10.根据权利要求7所述的基于超声波测距系统的测距方法，其特征在于：所述超声波测距模块以无线通信的方式与所述控制单元通信连接。
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