CN111796289A - 一种超声波精确测距与抗干扰方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波精确测距与抗干扰方法及系统。该系统主要由测速探头(1)、测速挡板(2)、探头安装折面(3)、若干个测距探头和信号处理电路板组成，其中：若干个测距探头均匀安装在夹角为θ的安装折面(3)的棱线上，在测速探头(1)正前方设置一个固定距离的测速挡板(2)。该方法包括：相邻探头发射不同频率超声波、所测目标形状判断、声波‑电流转换延迟补偿、控制探头折面安装面角度、测量当前气温下的超声波即时波速，使得超声波测距系统在工作过程中避免气温、压电转换延迟、多次回波干扰、次要测量目标等的干扰，综合提高超声波测距的精确性及抗干扰性。

Description

一种超声波精确测距与抗干扰方法及系统

技术领域

本发明属于测距技术领域，尤其涉及一种超声波精确测距与抗干扰方法及系统。

背景技术

目前自动化技术迅速发展，测距技术越来越受到业界的重视，其中超声波因其传播距离远、指向性强、抗雨雪干扰等特点受到广泛运用，其原理是，利用电脉冲激发超声波换能器产生超声波信号，待超声波信号在介质中传播接触物体产生回波后，接收回波并根据发射信号与接收信号的时间差计算距离。

但同时超声波测距也存在精确问题，易受到附近其他超声波信号、信号转换时间、介质温度等因素影响，自动化技术发展与精确的测距关系紧密，为取得更智能的研究成果，必须进一步减小超声波测距的误差。单一影响因素的规避往往效果不够显著，希望的是能通过整合各装置一体来多方面避免影响因素的干扰，从而实现更加精确的超声波测距。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提供一种超声波精确测距与抗干扰方法及系统，用以提高超声波测距的抗干扰性及准确性。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的超声波精确测距与抗干扰系统，主要由测速探头、测速挡板、探头安装折面、若干个测距探头和信号处理电路板组成，其中：若干个测距探头均匀安装在夹角为θ的安装折面的棱线上，在测速探头正前方设置一个固定距离的测速挡板。

本发明可以在系统结构水平方向的两侧装有两块距离固定的测速挡板及一个测速探头，通过实时测量当前环境气温下的超声波波速以达到对超声波测距进行温度补偿的目的。

所述测距探头可以有5个，将5个探头安装在夹角为θ的安装折面的两个面所交合的棱上的小孔中，各测距探头之间的间距相等，以减少回波信号的干扰。

所述信号处理电路板，包括超声波信号激励电路、超声波信号接收电路和信号转换电路、微处理器运行电路、CAN总线接口电路、电源电路；测速探头和每个测距探头分别与信号处理电路板中的超声波信号激励电路和超声波信号接收电路接口连接，超声波信号接收电路将接收到的信号送给信号转换电路，将信号转换为标准TTL电平信号后输入微处理器运行电路，经过微处理器计算为距离数据，再通过CAN总线接口电路输出给其它电子应用单元(如车辆高度控制器、平整度调整器等应用单元)。

本系统利用其探头安装折面和测速挡板组成的支架安装在被测物区域，用于精确测量被测物与该系统的距离；该系统通过CAN总线与外接电子单元相连，用于发出测量的距离数据。

本发明提供的超声波精确测距与抗干扰方法，包括：相邻探头发射不同频率超声波、根据回波占空比大小进行所测目标形状判断、声波-电流压电转换的延迟补偿、控制探头折面安装面角度以控制回波反射角度、测量当前气温下的超声波即时波速的步骤，使得超声波测距系统在工作过程中避免气温、压电转换延迟、多次回波干扰、次要测量目标的干扰，综合提高超声波测距的精确性及抗干扰性；根据回波占空比大小可得所测目标的形状大小，判断是否为主要测量目标，以排除次要测量目标的干扰；根据超声波回波、激励电流的频率和强度以及压电材料的密度等参数，计算声-电之间转换的时间并进行延迟补偿，用于精确计算超声波信息传输时间，进而精确获得测量距离。

上述方法中，相邻探头发射超声波信号频率各不相同，并且每一轮之间各探头发射的频率也各不相同，按照探头的排列顺序进行编号，第一轮每个探头的发射频率依次为f₁₁、f₁₂、f₁₃、f₁₁、f₁₂，第二轮每个探头的发射频率依次为f₂₁、f₂₂、f₂₃、f₂₁、f₂₂，其中f₁₁＝f₁₂+f＝f₁₃-f，f₂₁＝f₂₂+f＝f₂₃-f。单片机从激励电流产生瞬间记录发射时刻t_n1，以发射和接收的超声波频率是否相同为依据，在探头接收到相同频率超声波信号产生回波电流时记录接受时刻t_n2，根据各探头的发射与接收时刻计算传播时间平均值：

xf_n1≤f≤yf_n1

式中：

代表传播时间平均值，f₁₁、f₁₂、f₁₃代表第一轮各探头发射频率，f₂₁、f₂₂、f₂₃代表第二轮各探头发射频率，f代表频率偏差，i代表探头编号，x、y代表频率偏差参数，t_i1代表激励电流产生瞬间的发射时刻，t_i2代表探头接受到相同频率超声波信号产生回拨电流的时刻。

本发明依据所测目标表面反射回的超声波回波中波峰与波谷在一个周期内所占比例不同的原理，在接收时一次性接收回波的三个周期并分析；依据回波的周期相较发射波不会改变的原理，判断接收的回波是否为所发射的信号；分析所接受回波图谱，得出回波波峰与波谷在一个周期中所占比例，按照占空比判断所测目标反射面大小来分辨主要和次要目标，用于排除附近其它次要目标的影响。

上述方法中，超声回波依据压电转换原理实现超声波信号与电信号的互相转换，其激励电流转换为超声波以及超声回波转换为回波电流两过程均存在延迟，依据产生的激励电流和接收到的超声回波的参数进行压电转换延迟补偿，其计算方法为：

式中：I_电代表激励电流强度，I_波代表超声回波声强，ρ代表压电材料密度，f_电激励电流频率，f_波代表超声回波频率，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅分别代表I_电、ρ、f_电、I_波、f_波的对应参数，t_激表示产生的激励电流的延迟补偿时间，t_回表示接收的回波电流的延迟补偿时间。

上述方法中，可以利用相向且距离为固定值S_温的测速探头1不断发射接收超声波信号，测得超声波经过已知固定距离的时间，得到当前温度下的超声波速，其计算方法为：

式中：c₁代表即时超声波波速，S_温代表系统用于测速的固定距离，t_温代表系统中测温装置超声波自发射到接收回波所经过的时间，S代表与被测目标间的距离，t_激表示产生的激励电流的延迟补偿时间，t_回表示接收的回波电流的延迟补偿时间。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

(1)目前大多数超声波测距装置安装面多采用平面结构，超声波会在被测面与安装面之间来回多次反射，造成探头接收回波时容易发生紊乱。本发明所采用的折面安装则解决了多次反射问题，其发射回波经过一次反射后即脱离探头接收范围，避免了多次回波干扰。

(2)目前超声波测距装置的探头由于需避免回波干扰，每轮发射之间需要等待较长时间，即使停顿时间在50ms～200ms之间，依然对测距的精确度有较大影响。本发明所采用的相邻探头发射超声波信号频率各不相同，并且每一轮之间相同探头发射的频率也不相同，避免了每轮测量之间的停顿，提高了测距的响应速度。

(3)在本发明中，利用固定距离测出超声波传播时间并以此计算出当前环境气温下的超声波波速的方法，替换了传统的超声波传播速度温度补偿方法，避免了温度补偿公式中数据转换及环境温度测量中产生的误差，提高了测距的精确度。

附图说明

图1为本申请的探头安装面侧视图及超声波发射、反射的应用场景示意图；

图2为本申请的避免超声波多次回波干扰的极端情况示意图；

图3为本申请的超声波精确测距系统示意图；

图4为本申请的方法流程图。

图中：1.测速探头；2.测速挡板；3.探头安装折面；4.第一测距探头；5.第二测距探头；6.第三测距探头；7.第四测距探头；8.第五测距探头。

具体实施方式

为使本发明更通俗易懂并便于理解其目的与优点，接下来将结合实施案例与附图对本发明进行进一步解释与说明，但不限定本发明。

本发明提供的超声波精确测距与抗干扰系统，其结构如图1-图3所示，主要由一个测速探头1、测速挡板2、探头安装折面3、若干个测距探头和信号处理电路板组成，其中：所述若干个测距探头，均匀安装在夹角为θ的折面的棱线上，在测速探头正前方设置一个固定距离的测速挡板2。上述硬件共同构成了超声波测距装置。

所述测速探头1可以采用收发一体的常用超声波探头，通过测速探头自带卡套安装在一侧的测速挡板上，用于即时测量当前气温下超声波的波速。

所述测速挡板2为铝合金板，可以通过螺钉装在探头安装折面3的两侧，用于通过固定距离反射测速探头发射的超声波。

所述若干个测距探头，其数量可以依据实际情况而定。本实施例给出了5个测距探头，分别通过测距探头自带卡套安装在探头安装折面3的棱线处，每两个相邻测距探头之间的距离为L。5个测距探头分别是第一测距探头4、第二测距探头5、第三测距探头6、第四测距探头7和第五测距探头8。

所述测距探头采用收发一体的常用超声波探头，用于进行电信号和超声波相互转换，即根据电信号产生超声波，以及根据接收的超声波产生电信号。

所述超声波测距装置，通过支架安装在被测物区域，用于精确测量被测物与该装置的距离。该装置通过CAN总线与其它电子单元连接，用于发出测量的距离数据。

所述支架由探头安装折面3和测速挡板2组成。

所述探头安装折面3，由两块铝合金板构成，其夹角θ由于需要保证超声波二次回波不会进入探头的接收范围，其值受超声波发射角度α影响，即θ≤π-2α。

所述信号处理电路板，通过螺钉安装在超声波测距装置内部，用于变换超声波信号并计算出测量距离。信号处理电路板中包括超声波信号激励电路、超声波信号接收电路和信号转换电路、微处理器运行电路、CAN总线接口电路、电源电路。每个超声波探头分别与信号处理电路板中的超声波信号激励电路和超声波信号接收电路接口连接，超声波信号接收电路将接收到的信号送给信号转换电路，信号转换为标准TTL电平信号后输入微处理器运行电路，经过微处理器中的程序计算为距离数据，再通过CAN总线接口电路输出给其它电子单元，电源电路为整个电路板提供运行电源。

本发明提供的超声波精确测距与抗干扰系统，其工作过程是：超声波测距装置开始工作时，发射电脉冲信号同时开始计时，电脉冲信号到达超声波换能器内部的压电晶体等转换元件，共振激发出超声波信号，其中电-波信号转换存在转换延迟，对精确测距产生一定影响。同时由于超声波在超声波测距装置与被测目标之间易产生多次回波，为避免多次回波干扰，应等待回波能量消耗一定程度时再进行下一轮信号发射，其等待时间同样对精确测距产生较大影响。通过探头接收回波时，环境中非本装置发射的超声波易对测距结果产生影响，同时超声波信号到达换能器内部转换元件激发电信号时存在转换延迟。产生的电信号反馈最终记录接收时间，而单个数据不具备足够的说服力，环境中意外情况无法通过单个数据避免，同时环境温度对于波速影响极大。以上因素均对超声波精确测距产生了一定程度的影响。

本发明提供的超声波精确测距与抗干扰系统，具有以下技术效果：

1、系统结构中测距探头的安装处为夹角为θ的两个面所交合的棱上，将五个探头均匀安装在棱上设置的小孔中，可使得首次反射的回波不会通过多次反射再次射入探头接收范围内，以避免超声波多次回波干扰。

2、系统结构水平方向的两侧装有两块距离固定的测速挡板及一个测速探头，可通过实时测量当前环境气温来达到对超声波波速的进行温度补偿的目的。

本发明提供的超声波精确测距与抗干扰方法，包括相邻探头发射不同频率超声波、所测目标形状判断、声波-电流转换延迟补偿、控制探头折面安装面角度、测量当前气温下的超声波即时波速步骤，通过这些步骤，使得超声波测距系统在工作过程中避免气温、压电转换延迟、多次回波干扰、次要测量目标等的干扰，综合提高超声波测距的精确性及抗干扰性。

步骤1，参阅图3，本发明的超声波精确测距系统设有五个测距探头(以下统称探头)以及一个测速探头。在夹角为θ的探头安装折面3的棱线上设置五个测距探头，通过信号处理电路板中的超声波信号激励电路，使相邻探头发射不同频率超声波，并在探头安装折面3两侧设置测速挡板，在一侧的挡板上设置测速探头；

参阅图1和图2，探头发射角度为α的超声波信号后接触被测目标表面，产生角度同样为α的回波，由于需要避免超声波经被测目标表面反射两次及以上后再射入探头范围A内，应控制一次反射的回波经折面反射后不得进入被测目标表面的nA范围内，其第一次的反射回波经过平面反射后，以该平面的垂线为法线再次反射，并以此反射线为角平分线，半角为

形成反射波，因此折面的夹角θ的范围可由以下计算方式得出：

θ≤π-2α (2)

将所述折面夹角控制在一定范围中，能有效避免多次回波信号的干扰，使得探头所能接收到的回波信号均为第一次由被测目标反射的回波信号，提高了测距的精确度和抗干扰性；

具体地，在测距过程中，测量目标的相对方位无法直接测得，可通过比较水平方向设置的五个探头的所测距离以判断方位；

步骤2，参阅图3，设置于折面棱线上的五个探头均向与位于水平面内棱线得垂直方向发射超声波信号，其中相邻的探头其发射频率各不相同。测距过程中常存在较多的特殊情况，例如附近气温骤变、被测表面起伏较大等，需要对五个探头所测得的时间取算术平均值。考虑到若相邻探头发射相同频率超声波信号，易在接收时发生紊乱，对数据会产生较大影响，可采用相邻探头发射不同频率的超声波信号，在探头接收时以频率判断为依据仅取用与发射时频率相同的回波信号，以此规避数据接收时可能会产生的紊乱。

步骤3，进一步地，在一轮中五个探头同时发射超声波信号，按照探头的排列顺序进行编号，第一轮每个探头的发射频率依次为f₁₁、f₁₂、f₁₃、f₁₁、f₁₂，第二轮每个探头的发射频率依次为f₂₁、f₂₂、f₂₃、f₂₁、f₂₂，其中f₁₁＝f₁₂+f＝f₁₃-f，f₂₁＝f₂₂+f＝f₂₃-f。同时为保证测量数据的即时性与精确性，在第一轮超声波信号发射完毕后，立即发射下一轮信号，以此类推。考虑到前一轮发射的超声波信号会在探头与被测目标之间来回反射直至能量耗尽，会对探头接收第一次反射的回波信号产生干扰，可采用每一轮探头所发射的超声波信号各不相同的方式来节省每一轮发射所需要等待的时间以提高精确性，单片机从激励电流产生瞬间记录发射时刻t_n1，以发射和接收的超声波频率是否相同为依据，在探头接收到相同频率超声波信号产生回波电流时记录接受时刻t_n2，其传播时间平均值计算方法为：

xf_n1≤f≤yf_n1 (4)

式中：f₁₁、f₁₂、f₁₃代表第一轮各探头发射频率，f₂₁、f₂₂、f₂₃代表第二轮各探头发射频率，f为频率偏差，n为探头编号，x、y为频率偏差参数，t_i1代表激励电流产生瞬间的发射时刻，t_i2代表探头接受到相同频率超声波信号产生回拨电流的时刻。

步骤3，在某些实施方式中，考虑到探头检测范围的环境中存在除主要测量目标外的其他次要测量目标，而环境中各次要检测目标的表面形状各不相同，可根据不同表面形状所反射的回波信号占空比各不相同的原理，分析所接收到的回波信号并分析其图谱，依据占空比大小判断所测目标表面大小，以区分主要测量目标和次要测量目标；

步骤4，进一步地，由于超声波信号在传播过程中，经过反射时频率不发生改变即周期保持不变，为提高测距的准确性，避免收集单个周期时出现图谱分析不准确的情况，可采用一次性收集超声波三个周期的方法提高准确性；

步骤5，在某些实施方式中，超声波信号与电脉冲信号实现转换存在时间延迟，并非瞬时转换。在整个超声波测距过程中存在两个转换阶段，激励电流转换为超声波发射信号以及超声回波转换为回波电流。为保证测距的精确性，必须将以上两个过程所耗费的时间考虑在内。依据压电转换同频共振的原理，推导压电材料密度、激励电流强度、电流频率、超声波频率、回波声强与压电转换所耗费时间的数学关系：

式中：I_电代表激励电流强度，I_波代表超声回波声强，ρ代表压电材料密度，f_电激励电流频率，f_波代表超声回波频率，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅分别代表I_电、ρ、f_电、I_波、f_波的对应参数，t_激表示产生的激励电流的延迟补偿时间，t_回表示接收的回波电流的延迟补偿时间。

步骤6，在某些实施方式中，波速对于环境温度较为敏感，温度的差异会对测距结果产生极大的影响，需要通过一定的方式进行温度补偿减小误差。目前大部分所采用的超声波温度补偿方式是获取环境温度计算当前环境下的超声波速，由于波速并非直接测量，容易产生延迟及误差；

步骤7，参阅图3，测速探头设置于与另外五个测距探头所成直线的垂直方向上，其正前方设置一固定距离的挡板，即存在固定距离S_温。测速探头所处环境与测距探头所处环境可认为是同一环境，因此测速探头所测量的当前气温下的超声波波速可用于测距探头的计算公式中。由于环境中气温基本不会发生短时间的骤变，故测温频率f_温可设置为每发射两轮超声波信号进行一次测速。其当前气温下的超声波即时波速以及最终测距结果计算方法为：

在某些实施方法中，所述当前温度下的超声波波速c₁，包括：即时测量以避免因气温变化导致超声波波速变化而产生的影响，测量频率为f_温。

式中：c₁代表即时超声波波速，S_温代表系统用于测速的固定距离，t_温代表系统中测温装置超声波自发射到接收回波所经过的时间，S代表与被测目标间的距离，

代表传播时间平均值。

本发明提供的超声波精确测距与抗干扰方法，具有以下技术特点：

1、相邻探头发射超声波信号频率各不相同，并且每一轮之间相同探头发射的频率也不相同，通过区分接收到超声波信号频率，用以减少相邻探头之间及同一个探头相邻两轮所发射超声波产生的干扰。

2、分析所接收超声波回波中的图谱，计算占空比并根据占空比大小判断所测物体表面大小，用于排除测量区域内其他次要目标的影响。

3、根据超声波回波、激励电流的频率和强度以及压电材料的密度等参数，计算声-电之间转换的时间并进行延迟补偿，用于精确计算超声波信息传输时间，进而精确获得测量距离。

以上所述实施例仅描述了本发明存在可能性的几种实施例，提到的实施例描述较为详细与具体，但不可理解为本发明仅存在以上提到的几种实施例。应当指出的是，本领域的技术人员可以在本申请的范围内对上述实施例进行修改、替换、变型或者提出新的实施例。

Claims (10)

1.一种超声波精确测距与抗干扰系统，其特征是该系统主要由测速探头(1)、测速挡板(2)、探头安装折面(3)、若干个测距探头和信号处理电路板组成，其中：若干个测距探头均匀安装在夹角为θ的安装折面(3)的棱线上，在测速探头(1)正前方设置一个固定距离的测速挡板(2)。

2.根据权利要求1所述的超声波精确测距与抗干扰系统，其特征是在系统结构水平方向的两侧装有两块距离固定的测速挡板及一个测速探头，通过实时测量当前环境气温下的超声波波速以达到对超声波测距进行温度补偿的目的。

3.根据权利要求1所述的超声波精确测距与抗干扰系统，其特征在于，所述测距探头有5个，将5个探头安装在夹角为θ的安装折面(3)的两个面所交合的棱上的小孔中，各测距探头之间的间距相等，以减少回波信号的干扰。

4.根据权利要求1所述的超声波精确测距与抗干扰系统，其特征在于所述信号处理电路板，包括超声波信号激励电路、超声波信号接收电路和信号转换电路、微处理器运行电路、CAN总线接口电路、电源电路；测速探头(1)和每个测距探头分别与信号处理电路板中的超声波信号激励电路和超声波信号接收电路接口连接，超声波信号接收电路将接收到的信号送给信号转换电路，将信号转换为标准TTL电平信号后输入微处理器运行电路，经过微处理器计算为距离数据，再通过CAN总线接口电路输出给其它电子应用单元。

5.根据权利要求1所述的超声波精确测距与抗干扰系统，其特征在于利用其探头安装折面(3)和测速挡板(2)组成的支架安装在被测物区域，用于精确测量被测物与该系统的距离；该系统通过CAN总线与外接电子单元相连，用于发出测量的距离数据。

6.一种超声波精确测距与抗干扰方法，其特征是包括：相邻探头发射不同频率超声波、根据回波占空比大小进行所测目标形状判断、声波-电流压电转换的延迟补偿、控制探头折面安装面角度以控制回波反射角度、测量当前气温下的超声波即时波速的步骤，使得超声波测距系统在工作过程中避免气温、压电转换延迟、多次回波干扰、次要测量目标的干扰，综合提高超声波测距的精确性及抗干扰性；根据回波占空比大小可得所测目标的形状大小，判断是否为主要测量目标，以排除次要测量目标的干扰；根据超声波回波、激励电流的频率和强度以及压电材料的密度等参数，计算声-电之间转换的时间并进行延迟补偿，用于精确计算超声波信息传输时间，进而精确获得测量距离。

7.根据权利要求6所述超声波精确测距与抗干扰办法，其特征在于，相邻探头发射超声波信号频率各不相同，并且每一轮之间各探头发射的频率也各不相同，按照探头的排列顺序进行编号，第一轮每个探头的发射频率依次为f₁₁、f₁₂、f₁₃、f₁₁、f₁₂，第二轮每个探头的发射频率依次为f₂₁、f₂₂、f₂₃、f₂₁、f₂₂，其中f₁₁＝f₁₂+f＝f₁₃-f，f₂₁＝f₂₂+f＝f₂₃-f。单片机从激励电流产生瞬间记录发射时刻t_n1，以发射和接收的超声波频率是否相同为依据，在探头接收到相同频率超声波信号产生回波电流时记录接受时刻t_n2，根据各探头的发射与接收时刻计算传播时间平均值：

xf_n1≤f≤yf_n1

式中：

代表传播时间平均值，f₁₁、f₁₂、f₁₃代表第一轮各探头发射频率，f₂₁、f₂₂、f₂₃代表第二轮各探头发射频率，f代表频率偏差，i代表探头编号，x、y代表频率偏差参数，t_i1代表激励电流产生瞬间的发射时刻，t_i2代表探头接受到相同频率超声波信号产生回拨电流的时刻。

8.根据权利要求6所述超声波精确测距与抗干扰办法，其特征在于，依据所测目标表面反射回的超声波回波中波峰与波谷在一个周期内所占比例不同的原理，在接收时一次性接收回波的三个周期并分析；依据回波的周期相较发射波不会改变的原理，判断接收的回波是否为所发射的信号；分析所接受回波图谱，得出回波波峰与波谷在一个周期中所占比例，按照占空比判断所测目标反射面大小来分辨主要和次要目标，用于排除附近其它次要目标的影响。

9.根据权利要求8所述超声波精确测距与抗干扰办法，其特征在于，超声回波依据压电转换原理实现超声波信号与电信号的互相转换，其激励电流转换为超声波以及超声回波转换为回波电流两过程均存在延迟，依据产生的激励电流和接收到的超声回波的参数进行压电转换延迟补偿，其计算方法为：

式中：I_电代表激励电流强度，I_波代表超声回波声强，ρ代表压电材料密度，f_电激励电流频率，f_波代表超声回波频率，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅分别代表I_电、ρ、f_电、I_波、f_波的对应参数，t_激表示产生的激励电流的延迟补偿时间，t_回表示接收的回波电流的延迟补偿时间。

10.根据权利要求6所述超声波精确测距与抗干扰办法，其特征在于，利用相向且距离为固定值S_温的测速探头(1)不断发射接收超声波信号，测得超声波经过已知固定距离的时间，得到当前温度下的超声波速，其计算方法为：

式中：c₁代表即时超声波波速，S_温代表系统用于测速的固定距离，t_温代表系统中测温装置超声波自发射到接收回波所经过的时间，S代表与被测目标间的距离，t_激表示产生的激励电流的延迟补偿时间，t_回表示接收的回波电流的延迟补偿时间。

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