CN111157999A - 一种超声波侦测系统、侦测方法以及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波侦测系统、侦测方法以及设备，包括若干个同样规格的超声波传感器，超声波传感器内设置有若干个不同频率的传声器，其中，若干个超声波传感器同时工作时，若干个传声器按照不同的发射时序来发射信号；传声器的发射时序、接收时序均作为其特征值，通过判别各个传声器的发射时序、接收时序的一致性，来进一步判别各个传感器及其物体侦测结果，以减少或消除同时工作时各个超声波传感器之间同频信号干扰所导致的系统误测误报。本发明中，通过优化超声波传感器、传声器的工作，消除了同频干扰及其它外界干扰，减少了系统的误测误报，提高系统的工作可靠性及精确度。

Description

一种超声波侦测系统、侦测方法以及设备

技术领域

本发明涉及一种超声波侦测系统、侦测方法以及设备。

背景技术

超声波传感器广泛运用于汽车、无人车、无人飞行器、机器人等各类交通工具及工业设备等上。因为超声波自身传播速度（340米/秒）的限制，超声波传感器的侦测反应速度受到很大的影响。为了提高超声波传感器的侦测反应速度，本发明人在已申请发明CN105549022A中提出一解决方案：单个超声波传感器集成多个不同频率规格传声器（也称换能器）、按一定的时序工作，大幅缩减传感器的侦测反应周期，以大幅提高传感器的侦测反应速度。

在较多的运用场合，超声波侦测系统由多个同样规格的超声波传感器组成，如汽车上的泊车辅助系统（倒车雷达）。以四个传感器组成为例，图1为传统单传声器传感器侦测系统布置示意图，侦测系统具有传感器10A、传感器10B、传感器10C、传感器10D四个同样的超声波传感器。

四个同样的超声波传感器采用同样频率规格的传声器10a1，传声器10a1的振动频率（频率）为40K、58K或其它。因为传声器是同样规格，多个传感器在一起同时工作会存在同频干扰，为了避免各传感器之间的同频干扰导致系统的误测误报，传统侦测系统的各个传感器采用轮流工作（侦测）的方式，即一个工作完另一个才接着工作，这样前一个传感器发射的超声波不会干扰到第二个传感器的工作。如图1所示，通常为传感器10A工作完、传感器10B工作，传感器10B工作完、传感器10C工作，传感器10C工作完、传感器10D工作，传感器10D工作完、传感器10A工作……，依此循环，在同一时刻，各个传感器不同时工作。

传统的超声波传感器侦测物体，设传感器量程距离为Ld（通常为系统设定的最远侦测距离），超声波传输速度设为V0（通常为340M/S），完成传感器单次侦测的侦测时间设为Td，即单一传感器的侦测周期为Td，其计算公式为：Td=2*Ld/V0（超声波传播路径为往返行程）。

当系统配置4个传感器时，因为轮流工作，故系统的侦测周期为4Td（单个传感器在系统内的侦测周期也变为4Td），因此当传感器数量增加时，系统的侦测反应速度大大降低了，传感器数量越多，系统的侦测反应速度越慢。

如中国专利CN105549022A中所公开的技术内容，当超声波侦测系统由多个同样规格方案中的超声波传感器组成时（或当超声波侦测系统由多个含有多个不同频率传声器的同样规格传感器组成时），因各个传感器之间存在同样规格的传声器，因此各传感器在一起同时工作时，同样会存在同频干扰；而如果采用如传统泊车辅助系统各传感器轮流工作的传统工作方式，则系统的侦测反应速度也会大大降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超声波侦测方法，该侦测方法反应速度快、误测误报少，具有非常好的可靠性及精确度。本发明的另一目的是提供一种实施上述侦测方法的超声波侦测系统。本发明的另一目的是提供一种应用超声波侦测系统或超声波侦测方法的设备。

为实现上述目的，本发明一种超声波侦测方法，具体为：

1）设置两个或两个以上同样规格的超声波传感器，每个超声波传感器内设置有两个或两个以上不同频率的传声器；

2）超声波传感器内的各个传声器以不同的发射时序发射超声波，并接收物体的反射回波生成回波信号；在单个侦测周期内，超声波传感器完成若干次侦测，以提高超声波传感器的侦测反应速度；

3）超声波传感器对回波信号、发射信号进行比对分析，以及对回波信号接收时序与超声波发射时序的一致性进行比对分析，来判定各个超声波传感器的物体侦测结果，以此减少或消除各超声波传感器之间同频干扰及其它外界干扰导致的系统误测误报。

进一步，所述超声波发射时序包括但不限于各个传声器的发射顺序、开始发射时间间隔。

进一步，若干个所述超声波传感器的工作过程为：

1）在超声波传感器内设置N个传声器，N≥2，包括传声器1、传声器2、……传声器N；

2）传声器1、传声器2、……传声器N为不同的工作频率，单个传声器侦测周期为Td；

3）传声器1与传声器2开始发射时间间隔为Tj1；

4）传声器2与传声器3开始发射时间间隔为Tj2；之后的传声器工作形式以此类推；

5）传声器N与传声器1开始发射时间间隔为Tjn；：

6）Tj1+Tj2+……+Tjn=Td，在一个侦测周期内形成n次发射信号、回波信号；

在工作时间内，各个超声波传感器同时工作时，各个超声波传感器内的若干个传声器按照设定的顺序、设定的时间间隔来发射信号；超声波传感器根据各个传声器回波信号的接收顺序、时间间隔与各个传声器的发射顺序、开始发射时间间隔的一致性，来判别各个超声波传感器及其物体侦测结果，并减少或消除各个超声波传感器之间同频信号干扰。

本发明一种实施上述侦测方法的超声波侦测系统，包括若干个同样规格的超声波传感器，超声波传感器内设置有若干个不同频率的传声器，其中，若干个超声波传感器同时工作时，若干个传声器按照不同的发射时序来发射信号；传声器的发射时序、接收时序均作为其特征值，通过判别各个传声器的发射时序、接收时序的一致性，来进一步判别各个传感器及其物体侦测结果，以减少或消除同时工作时各个超声波传感器之间同频信号干扰所导致的系统误测误报。

进一步，若干个所述传声器的发射顺序、开始发射时间间隔均为动态调整。

进一步，所述传声器是集发射与接收功能为一体的单一传声器，或是为包含发射传声器及接收传声器的传声器组合。

进一步，所述超声波侦测系统最少配置两个所述超声波传感器，每个所述超声波传感器最少配置两个不同频率的所述传声器。

进一步，所述超声波传感器内设置有N个所述传声器，在单个侦测周期Td内产生N个回波信号，来将所述超声波传感器的侦测反应速度提高至N倍。

进一步，所述超声波侦测系统内设置有M个所述超声波传感器，在单个侦测周期Td内产生N*M个回波信号，来将所述超声波侦测系统的侦测反应速度提高至N*M倍。

一种设备，该设备中应用上述任一所述超声波侦测系统，或上述任一所述超声波侦测方法，所述设备为汽车、无人机、无人驾驶车辆、机器人、智能家居设备、安防设备或自动化生产线设备。

本发明中，通过优化超声波传感器、传声器的工作，消除了同频干扰及其它外界干扰，减少了系统的误测误报，提高系统的工作可靠性及精确度。

附图说明

图1为传统单传声器传感器侦测系统布置示意图；

图2为传统单传声器传感器侦测时序示意图；

图3为本发明超声波侦测系统布置示意图；

图4为本发明超声波传感器侦测时序示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图3、图4所示，本发明一种超声波侦测方法，具体为：

1）设置两个或两个以上同样规格的超声波传感器，每个超声波传感器内设置有两个或两个以上不同频率的传声器：

2）超声波传感器内的各个传声器以不同的发射时序发射超声波，并接收物体的反射回波生成回波信号；在单个侦测周期内，超声波传感器完成若干次侦测，以提高超声波传感器的侦测反应速度；

3）超声波传感器对回波信号、发射信号进行比对分析，以及对回波信号接收时序与超声波发射时序的一致性进行比对分析，来判定各个超声波传感器的物体侦测结果，以此减少或消除各超声波传感器之间同频干扰及其它外界干扰导致的系统误测误报。

若干个所述超声波传感器的工作过程为：

1）在超声波传感器内设置N个传声器，N≥2，包括传声器1、传声器2、……传声器N；

2）传声器1、传声器2、……传声器N为不同的工作频率，单个传声器侦测周期为Td；

3）传声器1与传声器2开始发射时间间隔为Tj1；

4）传声器2与传声器3开始发射时间间隔为Tj2；之后的传声器工作形式以此类推；

5）传声器N与传声器1开始发射时间间隔为Tjn；：

6）Tj1+Tj2+……+Tjn=Td，在一个侦测周期内形成n次发射信号、回波信号；

在工作时间内，各个超声波传感器同时工作时，各个超声波传感器内的若干个传声器按照设定的顺序、设定的时间间隔来发射信号；超声波传感器根据各个传声器回波信号的接收顺序、时间间隔与各个传声器的发射顺序、开始发射时间间隔的一致性，来判别各个超声波传感器及其物体侦测结果，并减少或消除各个超声波传感器之间同频信号干扰。

本发明超声波侦测系统，系统由两个或两个以上同样规格的超声波传感器组成，每个超声波传感器包括两个或两个以上不同频率的传声器：传声器1、传声器2、……、传声器N（N≥2）。各个超声波传感器同时工作对物体进行侦测，以加快系统的侦测反应速度。

各个超声波传感器内的传声器1、传声器2、……、传声器N，以不同的发射时序发射超声波，并接收物体的反射回波生成回波信号。超声波传感器对回波信号及回波信号接收时序与超声波发射时序的一致性进行比对分析，以判定各个超声波传感器的物体侦测结果；以此减少或消除各超声波传感器之间同频干扰及其它外界干扰导致的系统误测误报。

传声器1、传声器2、……、传声器N的发射时序包括但不限于传声器1、传声器2、……、传声器N的发射顺序及或开始发射时间间隔。

本实施例中，将通过与现有传统单传声器的超声波传感器侦测时序来进行对比，在传统单传声器的超声波传感器侦测时序的基础上，描述本发明的技术方案。

图2为传统单传声器的超声波传感器侦测时序示意图，其中，TA-10a1为超声波传感器10内传声器10a1的发射信号，SA-10a1为侦测到某一距离物体传声器10a1的回波信号，传声器的侦测周期为Td，因为是传统单传声器的超声波传感器，故超声波传感器的侦测周期也为Td。

本实施例以四个超声波传感器组成为例，图3为本发明多传声器超声波传感器侦测系统布置示意图，侦测系统具有超声波传感器30A、超声波传感器30B、超声波传感器30C、超声波传感器30D四个同样规格的超声波传感器。以每个超声波传感器具有三个不同频率传声器为例，超声波传感器拥有不同频率的传声器30b1、传声器30b2、传声器30b3。

图4为本发明超声波传感器侦测时序示意图，传声器30bx、传声器30by、传声器30bz分别为传声器30b1、30b2、30b3中的某一个。

其中，TA-30bx为超声波传感器30内传声器30bx的发射信号，SA-30bx为传声器30bx的回波信号，TA-30by为传声器30by的发射信号，SA-30by为传声器30by的回波信号，TA-30bz为传声器30bz的发射信号，SA-30bz为传声器30bz的回波信号。

单个传声器（30bx、30by、30bz）的侦测周期皆为Td（超声波传感器/传声器的量程同样设为Ld）。

传声器30by与传声器30bx开始发射时间间隔为Tj1，传声器30bz与传声器30by开始发射时间间隔为Tj2，传声器30bx与传声器30bz开始发射时间间隔为Tj3，其中时间设置要求为：Tj1+Tj2+Tj3=Td。

对同一物体进行侦测，相对应的，传声器30by与传声器30bx回波信号时间间隔为Tj1，传声器30bz与传声器30by回波信号时间间隔为Tj2，传声器30bx与传声器30bz回波信号时间间隔为Tj3。

对比图2、图4可知，传统单传声器超声波传感器工作时在单个侦测周期Td内仅有一个回波信号，本发明中，超声波传感器工作时在单个侦测周期Td内有三个回波信号。

当传声器30bx、传声器30by、传声器30bz以基本等同的开始发射时间间隔侦测时（即Tj1、Tj2、Tj3等于或约等于1/3Td时），超声波传感器30的侦测周期缩减为1/3Td，即超声波传感器30的侦测反应速度提高至超声波传感器10的三倍，即本发明中，超声波传感器侦测反应速度为传统单传声器超声波传感器侦测反应速度的三倍。

本实施例中，假设：超声波传感器30A中传声器的发射顺序为b1、b2、b3，开始发射时间间隔为Tj1a、Tj2a；超声波传感器30B中传声器的发射顺序为b3、b2、b1，开始发射时间间隔为Tj1b、Tj2b；超声波传感器30C中传声器的发射顺序为b1、b3、b2，开始发射时间间隔为Tj1c、Tj2c；超声波传感器30D中传声器的发射顺序为b2、b1、b3，开始发射时间间隔为Tj1d、Tj2d。

物体侦测时，超声波传感器根据各个传声器回波信号的接收顺序、时间间隔与各传声器的发射顺序、开始发射时间间隔的一致性，以判别各个超声波传感器及其物体侦测结果。传声器的发射时序、接收时序均作为其特征值，通过判别各个传声器的发射时序、接收时序的一致性，来进一步判别各个传感器及其物体侦测结果，以减少或消除同时工作时各个超声波传感器之间同频信号干扰所导致的系统误测误报。

例如，当超声波传感器所接收的回波信号按顺序为SA-30b1、SA-30b2、SA-30b3，且SA-30b2与SA-30b1的时间间隔为Tj1a，SA-30b3与SA-30b2的时间间隔为Tj2a时，则判断此为超声波传感器30A的物体侦测回波信号，所得侦测结果为超声波传感器30A的侦测结果。当超声波传感器所接收的回波信号按顺序为SA-30b3、SA-30b2、SA-30b1，且SA-30b2与SA-30b3的时间间隔为Tj1b，SA-30b1与SA-30b2的时间间隔为Tj2b时，则判断此为超声波传感器30B的物体侦测回波信号，所得侦测结果为超声波传感器30B的侦测结果……，以此类推，判别各个超声波传感器及其物体侦测结果。

超声波传感器30A、超声波传感器30B、超声波传感器30C、超声波传感器30D同时工作时，因为各个超声波传感器具有相同频率的传声器，因此超声波传感器之间会存在信号干扰，但干扰信号是随机的，难以形成规律的信号时序。因此本发明采用不同发射时序方式的侦测方式，可以减少或消除同时工作时各个超声波传感器之间同频信号干扰所导致的系统误测误报，也能减少或消除其它外界干扰导致的系统误测误报。

同时由以上可知，本发明超声波传感器侦测系统，所述超声波传感器内设置有N个所述传声器，在单个侦测周期Td内产生N个回波信号，来将所述超声波传感器的侦测反应速度提高至N倍。所述超声波侦测系统内设置有M个所述超声波传感器，在单个侦测周期Td内产生N*M个回波信号，来将所述超声波侦测系统的侦测反应速度提高至N*M倍。

针对本实施例，各个超声波传感器可以同时工作，系统的侦测周期为1/3Td，而传统单传声器超声波传感器侦测系统，各个超声波传感器不能同时工作，系统的侦测周期为4Td，因此本发明超声波传感器侦测系统为传统单传声器超声波传感器侦测系统侦测周期的1/12，即本发明侦测系统侦测反应速度是传统侦测系统侦测反应速度的12倍。

本实施例中，本发明超声波侦测系统配置四个超声波传感器、每个超声波传感器配置三个不同频率传声器，所提升的速度为传统速度的12倍。如果本发明每个超声波传感器中所配置的传声器增加，及或侦测系统配备更多个超声波传感器时，那么本发明侦测系统的反应速度相对传统侦测系统还会进一步增加。本发明超声波侦测系统，系统的侦测反应速度大幅提高，系统的侦测灵敏度及精确度也随之大幅提高。

本发明超声波侦测系统，最少配置两个超声波传感器，每个超声波传感器最少配置两个不同频率传声器，即使采用最简单的配置，相对传统单传声器超声波传感器侦测系统，本发明侦测系统也能大幅提高系统的侦测反应速度。

为了进一步减少或消除各超声波传感器之间同频干扰及其它外界干扰导致的系统误测误报，本发明超声波侦测系统，一优选实施例，系统工作时，系统对各超声波传感器的传声器1、传声器2、……、传声器N的发射时序进行动态调整。仍以四超声波传感器系统为例，本发明超声波侦测系统，超声波传感器30A传声器的发射顺序为b1、b2、b3，开始发射时间间隔为Tj1a、Tj2a；当工作若干时间后，30A传声器的发射顺序变更为b2、b3、b1，开始发射时间间隔仍为Tj1a、Tj2a，或工作若干时间后，30A传声器的发射顺序变更为b1、b2、b3，开始发射时间间隔变为Tj1t、Tj2t（Tj1t、Tj2t不同于Tj1a、Tj2a），等等。系统工作时，规律或随机的调整超声波传感器内传声器发射时序，对其它超声波传感器的同频干扰及其它外界干扰，具有进一步的滤除作用，从而进一步减少系统的误测误报，提高系统的工作可靠性及精确度。

本发明超声波侦测系统，超声波传感器所含传声器，可以是为集发射与接收功能为一体的单一传声器，传声器在物理上是一个器件（如图1中的10a1及图3中的30b1、30b2、30b3）；也可以是为包含发射传声器及接收传声器的传声器组合，在物理上是两个器件（未以图示）。

本发明提供一种设备，该设备中应用上述任一所述超声波侦测系统，或上述任一所述超声波侦测方法，所述设备可以为汽车、无人机、无人驾驶车辆、机器人、智能家居设备、安防设备或自动化生产线设备等设备。本发明超声波侦测系统及侦测方法，系统具有极好的侦测性能，而超声波侦测系统运用极广，可以运用在汽车上，可以运用在无人机、无人车上，也可以运用工业设备上，还可以运用于消费类电子、智能家居、安防上，等等。因此本发明超声波侦测系统及侦测方法具有良好的运用前景及价值。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种超声波侦测方法，其特征在于，该方法具体为：

设置两个或两个以上同样规格的超声波传感器，每个超声波传感器内设置有两个或两个以上不同频率的传声器；

超声波传感器内的各个传声器以不同的发射时序发射超声波，并接收物体的反射回波生成回波信号；在单个侦测周期内，超声波传感器完成若干次侦测，以提高超声波传感器的侦测反应速度；

超声波传感器对回波信号、发射信号进行比对分析，以及对回波信号接收时序与超声波发射时序的一致性进行比对分析，来判定各个超声波传感器的物体侦测结果，以此减少或消除各超声波传感器之间同频干扰及其它外界干扰导致的系统误测误报。

2.如权利要求1所述的超声波侦测方法，其特征在于，所述超声波发射时序包括但不限于各个传声器的发射顺序、开始发射时间间隔。

3.如权利要求1所述的超声波侦测方法，其特征在于，若干个所述超声波传感器的工作过程为：

在超声波传感器内设置N个传声器，N≥2，包括传声器1、传声器2、……传声器N；

传声器1、传声器2、……传声器N为不同的工作频率，单个传声器侦测周期为Td；

传声器1与传声器2开始发射时间间隔为Tj1；

传声器2与传声器3开始发射时间间隔为Tj2；之后的传声器工作形式以此类推；

传声器N与传声器1开始发射时间间隔为Tjn；：

Tj1+Tj2+……+Tjn=Td，在一个侦测周期内形成n次发射信号、回波信号；

在工作时间内，各个超声波传感器同时工作时，各个超声波传感器内的若干个传声器按照设定的顺序、设定的时间间隔来发射信号；超声波传感器根据各个传声器回波信号的接收顺序、时间间隔与各个传声器的发射顺序、开始发射时间间隔的一致性，来判别各个超声波传感器及其物体侦测结果，并减少或消除各个超声波传感器之间同频信号干扰。

4.一种超声波侦测系统，其特征在于，包括若干个同样规格的超声波传感器，超声波传感器内设置有若干个不同频率的传声器，其中，若干个超声波传感器同时工作时，若干个传声器按照不同的发射时序来发射信号；传声器的发射时序、接收时序均作为其特征值，通过判别各个传声器的发射时序、接收时序的一致性，来进一步判别各个传感器及其物体侦测结果，以减少或消除同时工作时各个超声波传感器之间同频信号干扰所导致的系统误测误报。

5.如权利要求4所述的超声波侦测系统，其特征在于，若干个所述传声器的发射顺序、开始发射时间间隔均为动态调整。

6.如权利要求4所述的超声波侦测系统，其特征在于，所述传声器是集发射与接收功能为一体的单一传声器，或是为包含发射传声器及接收传声器的传声器组合。

7.如权利要求4所述的超声波侦测系统，其特征在于，所述超声波侦测系统最少配置两个所述超声波传感器，每个所述超声波传感器最少配置两个不同频率的所述传声器。

8.如权利要求4所述的超声波侦测系统，其特征在于，所述超声波传感器内设置有N个所述传声器，在单个侦测周期Td内产生N个回波信号，来将所述超声波传感器的侦测反应速度提高至N倍。

9.如权利要求8所述的超声波侦测系统，其特征在于，所述超声波侦测系统内设置有M个所述超声波传感器，在单个侦测周期Td内产生N*M个回波信号，来将所述超声波侦测系统的侦测反应速度提高至N*M倍。

10.一种设备，其特征在于，所述设备中应用权利要求4至9任一项所述超声波侦测系统，或应用权利要求1至3任一项所述超声波侦测方法，所述设备为汽车、无人机、无人驾驶车辆、机器人、智能家居设备、安防设备或自动化生产线设备。

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