CN111024218B - 基于自动跟踪的超声波相关检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自动跟踪的超声波相关检测方法，该方法包括以下步骤：包括以下步骤：S1：计算参考波形的所有的极值，并提取以最大值为中心对称的2m+1个极值点建立参考波形极值序列X_Vm；S2：计算实时接收波形的所有的极值，并提取以最大值为中心对称的2n+1个极值点建立实时波形极值序列X_Sn；S3：将参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn进行滑动相关计算得到参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn的最大相关值τ_max以及本次超声波渡越时间t；S4：将最大相关值τ_max与预设预置有效阈值进行比较当，最大相关值τ_max大于等于有效阈值时，本次测量结果有效，输出测量结果t；否则，本次测量结果无效并建立激励重发机制。

Description

基于自动跟踪的超声波相关检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于自动跟踪的超声波相关检测方法。

背景技术

如图1所示，在超声波换能器能量转换和声波空气传输过程中，由于机械弹性(超声波换能器压电陶瓷片和空气的弹性)的存在，在接收到的超声波脉冲串的头部和尾部会产生超声波波形振幅衰减，从起振开始到最后停止至少需要10多个周期，包络呈现纺锤体形状。超声波到达时的强度(振幅)存在随机变化的成分，采用常规的阈值检测方法判断超声波到达的时间点是不准确的，不能准确地检测超声波渡越时间。一般仅用于机器人避障、倒车防撞装置等要求不高的场合。为了准确地判断超声波到达的时间点，准确检测超声波渡越时间，人们进行了很多探索和改进，目前应用较多的主要有以下4种：

(1)阈值检测法。接收判识简单，但是接收波形幅度变化直接影响测量精度。

(2)相位差法。该方法短距离应用非常准确，已应用于超声波风速仪，自动气象站的大气测温等。但该方法只能用于超声波(机械能波)传输距离很短的场合。

(3)调制波形标记法。对声波进行调制、编码、扩频等均属于此类。应用较多的是双频频移键控法，已用于轿车空调测温和超声波测距仪。

(4)相关检测法或包络检测法。这种方法能有效地利用波形的整体信息，弱化突发噪声、白噪声对测量结果的影响。但是参考波形的合理选择和计算量大一定程度上限制了它的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自动跟踪的超声波相关检测方法，利用参考波形和实时接收波形进行极值相关运算，针对运算结果实时评审参考波形的合理性，差异较大且在有效范围内，直接用当前接收波形替换参考波形，实现参考波形自动跟踪接收波形，周而复始进行超声波接收极值相关检测。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于自动跟踪的超声波相关检测方法，该方法包括以下步骤：

S1：计算参考波形的所有的极值，并提取以最大值为中心对称的2m+1个极值点建立参考波形极值序列X_Vm；

S2：计算实时接收波形的所有的极值，并提取以最大值为中心对称的2n+1个极值点建立实时波形极值序列X_Sn；

S3：将参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn进行滑动相关计算得到参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn的最大相关值τ_max以及本次超声波渡越时间t；

S4：将最大相关值τ_max与预设预置有效阈值进行比较当，最大相关值τ_max大于等于有效阈值时，本次测量结果有效，输出测量结果t；否则，本次测量结果无效并建立激励重发机制。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11：从参考波形中提取信号数据序列V_m，计算参考波形的所有的极值，同时获取参考波形的最大峰值P_V和参考波形的起始时刻T_V0；

S12：以P_V为中心对称提取2m+1个极值点建立参考极值序列X_Vm，根据取出的2m+1个极值点的时刻点构建参考时间序列T_Vm。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21：从实时接收波形中提取信号数据序列S_n，计算实时接收波形的所有的极值，同时获取实时接收波形的最大峰值P_S和实时接收波形的起始时刻T_S0；

S22：以P_S为中心对称提取2n+1个极值点建立实时接收极值序列X_Sn，根据取出的2n+1个极值点的时刻点构建实时接收时间序列T_Sn；其中，n≥m。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

S31：将参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn进行滑动相关计算所采用的具体公式如下：

其中，序数i的取值范围0～m；ΔN为采样点序数，取值范围为0～(n-m)；

S32：获取τ(△N)的最大值作为最大相关值τ_max，最大相关值τ_max对应最大相关值对应序数为ΔN_max，则本次超声波渡越时间t所采用的具体公式为：

Δt_max＝ΔN_max/f_s t＝T_S0-T_V0+Δt_max (2)

其中，△t_max为最大相关时间差，且Δt_max＝ΔN_max/f_s，f_s为采样速率。

进一步地，该方法还包括步骤S5：

当最大相关值τ_max大于等于有效阈值时，则计算该实时接收波形的可信度值，当计算得到的所述可信度值在有效阈值区间(ρ_th，ρ_tv)时，则自动更新参考波形，实现自动跟踪。

进一步地，计算所述实时接收波形的可信度值所采用的具体公式为：

当ρ＜ρ_th时：本次结果判为无效，波形重发；

当ρ_th≤ρ＜ρ_tv时：本次结果有效，超声波渡越时间为t＝T_S0-T_V0+Δt_max，本次实时接收波形替换当前参考波形，实现实时接收波形自动跟踪；

当ρ≥ρ_tv时：本次结果有效，超声波渡越时间为t＝T_S0-T_V0+Δt_max，参考波形继续使用不替换。

本发明的有益效果为：通过采用超声波实时接收信号极值相关检测法判断实时接收波形有效性，该方法大大减少了参与乘加运算的数据量，比普通整体计算量小；并且，波形重发机制消除了无效接收波形的影响，提高了测量结果的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为超声波接收信号极值图。

具体实施方式

一种基于自动跟踪的超声波相关检测方法，该方法包括以下步骤：

S1：计算参考波形的所有的极值，并提取以最大值为中心对称的2m+1个极值点建立参考波形极值序列X_Vm；步骤S1具体包括：

S11：从参考波形中提取信号数据序列V_m，计算参考波形的所有的极值，同时获取参考波形的最大峰值P_V和参考波形的起始时刻T_V0；

S12：以P_V为中心对称提取2m+1个极值点建立参考极值序列X_Vm，根据取出的2m+1个极值点的时刻点构建参考时间序列T_Vm；m取值范围为5～20。

S2：计算实时接收波形的所有的极值，并提取以最大值为中心对称的2n+1个极值点建立实时波形极值序列X_Sn；步骤S2具体包括：

S21：从实时接收波形中提取信号数据序列S_n，计算实时接收波形的所有的极值，同时获取实时接收波形的最大峰值P_S和实时接收波形的起始时刻T_S0；

S22：以P_S为中心对称提取2n+1个极值点建立实时接收极值序列X_Sn，根据取出的2n+1个极值点的时刻点构建实时接收时间序列T_Sn；其中，n≥m，且n取值范围为10～30。

S3：将参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn进行滑动相关计算得到参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn的最大相关值τ_max以及本次超声波渡越时间t；步骤S3具体包括：

S31：将参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn进行滑动相关计算所采用的具体公式如下：

其中，序数i的取值范围0～m；ΔN为采样点序数，取值范围为0～(n-m)；

S32：获取τ(△N)的最大值作为最大相关值τ_max，最大相关值τ_max对应最大相关值对应序数为ΔN_max，则本次超声波渡越时间t所采用的具体公式为：

Δt_max＝ΔN_max/f_s t＝T_S0-T_V0+Δt_max (2)

其中，△t_max为最大相关时间差，且Δt_max＝ΔN_max/f_s，f_s为采样速率。

S4：将最大相关值τ_max与预设预置有效阈值进行比较当，最大相关值τ_max大于等于有效阈值时，本次测量结果有效，输出测量结果t；否则，本次测量结果无效并建立激励重发机制。

该方法通过采用超声波实时接收信号极值相关检测法判断实时接收波形有效性，该方法大大减少了参与乘加运算的数据量，比普通整体计算量小；并且，波形重发机制消除了无效接收波形的影响，提高了测量结果的准确性。

S5：当最大相关值τ_max大于等于有效阈值时，则计算该实时接收波形的可信度值，当计算得到的所述可信度值在有效阈值区间(ρ_th，ρ_tv)时，则自动更新参考波形，实现自动跟踪；计算所述实时接收波形的可信度值所采用的具体公式为：

当ρ＜ρ_th时：本次结果判为无效，波形重发；

当ρ_th≤ρ＜ρ_tv时：本次结果有效，超声波渡越时间为t＝T_S0-T_V0+Δt_max，本次实时接收波形替换当前参考波形，实现实时接收波形自动跟踪；

当ρ≥ρ_tv时：本次结果有效，超声波渡越时间为t＝T_S0-T_V0+Δt_max，参考波形继续使用不替换。

该方法通过采用在有效范围内判定为本次接收波形有效并给出可信度值，根据可信度值判断接收波形数据是否需要替换参考波形，实现参考波形自动跟踪实时接收波形，避免参考波形一成不变，提高了环境适应性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于自动跟踪的超声波相关检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：计算参考波形的所有的极值，并提取以最大值为中心对称的2m+1个极值点建立参考波形极值序列X_Vm；

S2：计算实时接收波形的所有的极值，并提取以最大值为中心对称的2n+1个极值点建立实时波形极值序列X_Sn；

S3：将参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn进行滑动相关计算得到参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn的最大相关值τ_max以及本次超声波渡越时间t；

S4：将最大相关值τ_max与预设预置有效阈值进行比较，当最大相关值τ_max大于等于有效阈值时，本次测量结果有效，输出测量结果t；否则，本次测量结果无效并建立激励重发机制；

S5：当最大相关值τ_max大于等于有效阈值时，则计算该实时接收波形的可信度值，当计算得到的所述可信度值在有效阈值区间(ρ_th，ρ_tv)时，则自动更新参考波形，实现自动跟踪；计算所述实时接收波形的可信度值所采用的具体公式为：

当ρ＜ρ_th时：本次结果判为无效，波形重发；

当ρ_th≤ρ＜ρ_tv时：本次结果有效，超声波渡越时间为t＝T_S0-T_V0+Δt_max，本次实时接收波形替换当前参考波形，实现实时接收波形自动跟踪；

当ρ≥ρ_tv时：本次结果有效，超声波渡越时间为t＝T_S0-T_V0+Δt_max，参考波形继续使用不替换。

2.根据权利要求1所述的基于自动跟踪的超声波相关检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11：从参考波形中提取信号数据序列V_m，计算参考波形的所有的极值，同时获取参考波形的最大峰值P_V和参考波形的起始时刻T_V0；

S12：以P_V为中心对称提取2m+1个极值点建立参考极值序列X_Vm，根据取出的2m+1个极值点的时刻点构建参考时间序列T_Vm。

3.根据权利要求2所述的基于自动跟踪的超声波相关检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21：从实时接收波形中提取信号数据序列S_n，计算实时接收波形的所有的极值，同时获取实时接收波形的最大峰值P_S和实时接收波形的起始时刻T_S0；

S22：以P_S为中心对称提取2n+1个极值点建立实时接收极值序列X_Sn，根据取出的2n+1个极值点的时刻点构建实时接收时间序列T_Sn；其中，n≥m。

4.根据权利要求3所述的基于自动跟踪的超声波相关检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31：将参考波形极值序列X_Vm和实时波形极值序列X_Sn进行滑动相关计算所采用的具体公式如下：

其中，序数i的取值范围0～m；ΔN为采样点序数，取值范围为0～(n-m)；

S32：获取τ(△N)的最大值作为最大相关值τ_max，最大相关值τ_max对应最大相关值对应序数为ΔN_max，则本次超声波渡越时间t所采用的具体公式为：

Δt_max＝ΔN_max/f_st＝T_S0-T_V0+Δt_max (2)

其中，△t_max为最大相关时间差，且Δt_max＝ΔN_max/f_s，f_s为采样速率。

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