CN111812655A - 一种超声测距校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声测距校准装置和方法，其中装置包括微控制器、步进电机调距模块、超声测距模块和显示模块。步进电机调距模块包括步进电机和丝杠滑台，超声测距模块安装在丝杠滑台的滑台上，步进电机接受微控制器的指令调节丝杠滑台的滑台移动，得到超声测距模块测量的实际距离；超声测距模块包括超声波传感器，超声波传感器用于获得与被测物体之间的测量距离，并将测量距离发送至微控制器；微控制器用于根据实际距离和测量距离分析测量误差，并利用测量误差校准测量距离；显示模块用于根据微控制器的指令显示实际距离、测量距离、测量误差以及校准后的测量距离。本发明具有自动校准功能，具有较高的测量精度以及较强的环境适应性。

Description

一种超声测距校准装置和方法

技术领域

本申请属于超声测量技术领域，具体涉及一种超声测距校准装置和方法。

背景技术

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

超声波测距是一种非接触检测技术。除可广泛应用于电业、矿业、化工业、农业用水、食品等工业领域，与我们密切相关的日常生活以及高新技术产业也离不开超声波测距技术。例如，液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞和曲面仿形检测等。目前超声波测距的方法主要有三种：相位检测法，声波幅值检测法和渡越时间检测法。其中渡越时间检测法因其性能良好，电路简单、容易实现等优点被广泛采用。

当然，由于超声波传感器本身结构问题以及超声波的传播速度受温度影响等原因，超声测距装置不可避免会存在测量误差。这些对测距精度不利的问题，科研人员进行了锲而不舍且成效显著的研究，提出了一些改进和补偿方法，如利用温度进行补偿等。但以上方法对电路和硬件有较高的要求，且一般只能对一个环境因素进行补偿校准，所以实施起来存在难度和局限性。因此我们需要一个更简便、适应性更强的校准方式。

发明内容

本申请提供的一种超声测距校准装置和方法，具有自动校准功能，具有较高的测量精度以及较强的环境适应性。

为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：

一种超声测距校准装置，所述超声测距校准装置包括微控制器，以及分别与所述微控制器连接的步进电机调距模块、超声测距模块和显示模块，其中：

所述步进电机调距模块包括步进电机和丝杠滑台，所述步进电机与所述微控制器连接，所述超声测距模块安装在丝杠滑台的滑台上，所述步进电机接受微控制器的指令调节丝杠滑台的滑台移动，得到超声测距模块测量的实际距离；

所述超声测距模块包括超声波传感器，所述超声波传感器用于获得与被测物体之间的测量距离，并将所述测量距离发送至微控制器；

所述微控制器用于根据实际距离和测量距离分析测量误差，并利用所述测量误差校准测量距离；

所述显示模块用于根据微控制器的指令显示实际距离、测量距离、测量误差以及校准后的测量距离。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

作为优选，所述微控制器采用型号为stc89c52的单片机。

作为优选，所述步进电机采用型号为42BYGH39、步距角为1.8°的42步进电机。

作为优选，所述丝杠滑台的导程为8mm、总长度为33cm。

作为优选，所述超声测距校准装置还包括TB6600驱动器，所述TB6600驱动器用于连接微控制器和步进电机连接，完成根据微控制器的指令驱动步进电机运动。

作为优选，所述超声波传感器为HC-SR04传感器。

作为优选，所述显示模块包括LCD1602液晶显示屏。

作为优选，所述超声测距校准装置还包括与微控制器连接的四个按键，四个按键分别具有电机的旋转、改变电机的旋转方向、测距和一键校准功能。

本申请还提供一种基于上述任一技术方案所述的超声测距校准装置的超声测距校准方法，所述超声测距校准方法包括：

步骤S1、微控制器控制步进电机旋转带动丝杠滑台运动；

步骤S2、运动预设间隔后，微控制器控制步进电机停止，得到当前超声测距模块测量的实际距离；

步骤S3、在步进电机停止后，微控制器控制超声测距模块进行测量，获得当前实际距离对应的测量距离；

步骤S4、重复执行步骤S1～S3，直至微控制器获得N对对应的实际距离和测量距离；

步骤S5、根据对应的实际距离和测量距离计算测量误差，并采用最小二乘法将测量误差拟合为关于测量距离的二次函数，利用所述二次函数修正测量距离，完成超声测距校准。

本申请提供的超声测距校准装置和方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本申请提出的超声测距校准装置，利用步进电机和丝杆滑台实现超声波测距的自动校准，具有较高的测量精确度以及较强的环境适应性。

2)本申请利用测量误差校准测量距离，相比于现有的温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等从误差源头考虑进行校准的方法来说，不需要复杂的器件和电路，成本低、容易实现。

3)本申请的整个校准过程完全自动进行，不需要任何手动分析计算，方便快捷。

4)本申请的装置在校准后，可将丝杠滑台电机等校准部件摒弃，变成一个轻巧且高精度的超声波测量装置，高精度测量任何未知距离。

附图说明

图1为本申请的超声测距校准装置的结构框图；

图2为本申请的超声测距校准装置的一种结构示意图；

图3为本申请微控制器、驱动器和步进电机的一种连接示意图；

图4为实施例1中将测量距离和绝对误差的数据利用Excel拟合得到的曲线图；

图5为实施例1中拟合得到的二次函数的误差函数曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

其中一个实施例中，提供一种超声测距校准装置，实现自带校准功能的超声波测距，提高测距精度。

如图1所示，超声测距校准装置包括微控制器，以及分别与微控制器连接的步进电机调距模块、超声测距模块和显示模块。

整个装置主要分为4个部分，完成超声波测距、校准和显示，装置结构简单，功能全面。

具体的，如图2所示，步进电机调距模块包括步进电机和丝杠滑台，步进电机与微控制器连接，超声测距模块安装在丝杠滑台的滑台上，步进电机接受微控制器的指令调节丝杠滑台的滑台移动，得到超声测距模块测量的实际距离。

通过步进电机和丝杠滑台可以准确快速的调节超声测距模块测量的实际距离，在调节时丝杠滑台向前或向后移动，结合步进电机的步距角和丝杠滑台的导程计算，得到不同的实际距离，避免人为手动测量，提高校准速度和精度。

超声测距模块包括超声波传感器，超声波传感器用于获得与被测物体(如图2中所示的挡板)之间的测量距离，并将测量距离发送至微控制器。

微控制器用于根据实际距离和测量距离分析测量误差，并利用测量误差校准测量距离。容易理解的是，微控制器的作用还包括控制步进电机调距模块、超声测距模块和显示模块的工作，关于微控制器如何控制步进电机、超声波传感器和显示器的原理为控制领域的常规手段，这里不再展开描述。

显示模块用于根据微控制器的指令显示实际距离、测量距离、测量误差以及校准后的测量距离。

需要说明的是，显示实际距离、测量距离、测量误差以及校准后的测量距离仅为本申请提供的一种显示内容，在其他实施例中，显示模块的显示内容可以减少或增加，具体根据实际需求进行调整。

本申请的超声测距校准装置通过步进电机旋转带动丝杆滑台上的滑台运动，以设置多种实际距离，并在各实际距离上利用超声波传感器获得测量距离，对比实际距离和测量距离得到测量误差，并利用测量误差修正校准测量距离，以提高超声波测量精度。

由于自带校准功能，当本申请的超声测距校准装置所处的环境改变后，可以先进行校准再投入使用，从而有效避免了因环境因素的改变而导致的测距误差问题。

这里利用测量误差修正校准测量距离，可以是找到测量误差和测量距离之间的关系从而进行修正，也可以是找到测量误差与超声波传播时间之间的关系从而进行修正等。

在一实施例中，为了降低超声测距校准装置的成本，微控制器采用型号为stc89c52的单片机，降低成本的同时保证微控制器运行的可靠性。

为了提高步进电机的可操控性，在一实施例中步进电机采用型号为42BYGH39、步距角为1.8°的42步进电机。

丝杠滑台的导程对实际距离的设置具有一定的限制性，因此在实际使用时需根据应用场景选择适宜的丝杠滑台。在一实施例中，丝杠滑台的导程为8mm、总长度为33cm，完成在小范围内进行超声测距装置的校准。

由于单片机驱动能力有限，因此本申请超声测距校准装置还包括TB6600驱动器，TB6600驱动器用于连接微控制器和步进电机连接，完成根据微控制器的指令驱动步进电机运动。本申请中的TB6600驱动器通过电源适配器连接220V交流电进行供电。

在设置实际距离时，通过改变微控制器发送的脉冲信号的频率和个数，结合驱动器选择的细分来控制步进电机的旋转速度和角度，即控制丝杠滑台前进或后退，以及每次前进或后退的角度。

本申请提供的stc89c52的单片机与TB6600驱动器的一种连接方式如下：

如图3所示，微控制器的EN引脚与TB6600驱动器的EN-引脚连接，微控制器的DIR引脚与TB6600驱动器的DIR-引脚连接，微控制器的CP引脚与TB6600驱动器的CP-引脚连接，微控制器的VCC引脚与TB6600驱动器的EN+、DIR+、CP+引脚连接，TB6600驱动器的B-、B+、A-、A+引脚与42步进电机连接，TB6600驱动器的GND和VCC引脚连接至DC直流电。

进一步的，超声波传感器为HC-SR04传感器，根据发射器发出超声波到超声波遇到被测物体后反射直到最后被接收器接收这一过程的时间和超声波的传播速度计算出所测距离。

显示模块包括LCD1602液晶显示屏，根据微控制器的指令显示相应内容。

为了便于超声测距校准装置的操作，在一实施例中，所述超声测距校准装置还包括与微控制器连接的四个按键，四个按键分别负责电机的旋转、改变电机的旋转方向、测距和一键校准。

四个按键中，负责电机的旋转的为第一按键，负责改变电机的旋转方向的第二按键，负责测距的第三按键，负责一键校准为第四按键。

当按下第一按键后，微控制器识别到第一按键按下，输出对应的指令控制步进电机旋转，从而手动调节超声测距模块测量的实际距离。

当按下第二按键后，微控制器识别到第二按键按下，微控制器改变电机的旋转方向，以便于滑台在丝杠上沿正确的方向移动。

当按下第三按键后，微控制器识别到第三按键按下，微控制器控制超声测距模块进行一次测距。

当按下第四按键后，微控制器识别到第四按键按下，微控制器进行一次全自动的超声测距校准。

为了提高校准的自动化程度以及校准效果，在另一实施例中，还提供一种超声测距校准方法，该方法基于上述任一实施例所述的超声测距校准装置实现。

具体的，超声测距校准方法包括：

步骤S1、微控制器控制步进电机旋转带动丝杠滑台运动。

步骤S2、运动预设间隔后，微控制器控制步进电机停止，得到当前超声测距模块测量的实际距离。

步骤S3、在步进电机停止后，微控制器控制超声测距模块进行测量，获得当前实际距离对应的测量距离。

步骤S4、重复执行步骤S1～S3，直至微控制器获得N对对应的实际距离和测量距离。

步骤S5、根据对应的实际距离和测量距离计算测量误差，并采用最小二乘法将测量误差拟合为关于测量距离的二次函数，利用所述二次函数修正测量距离，完成超声测距校准。

利用多次测量的数据进行校准，可有效排除数据波动带来的影响；并且利用最小二乘法进行拟合，使得校准后的测量距离更接近实际距离。

以下结合实施例具体说明本申请提供的超声测距校准方法以及校准效果。

实施例1

首先需要确定拟合函数的类型，微控制器随机调节步进电机，获得多组测量数据，利用各组测量数据中的实际距离和测量距离计算测量误差，本实施例中的测量误差包括绝对误差和相对误差。

将测量距离和绝对误差的数据，利用Excel拟合，本实施例中拟合成如图4曲线，观察曲线特性，决定将误差拟合成测量距离的二次函数。

然后需要通过实验确定测量点的选区范围和选取间隔，以便用这些测量点的数据拟合成的二次函数能起到尽可能好的校准效果。经过多种方案对比，最后根据丝杆滑台的长度决定选择333mm、283mm、233mm、183mm、133mm、83mm这6个点处进行测量取值和函数拟合。

确定好测量点后，对超声测距校准装置上电，超声测距校准装置上电后，按下第四按键进行一键校准，装置自动开始校准工作：步进电机旋转带动丝杠滑台前进，每前进5cm暂停一段时间，在暂停时超声测距模块测距一次后丝杠滑台再次前进，直到6个点的测量距离全部取到后，步进电机停止转动，单片机自动开始进行测量误差计算以及二次函数拟合和测量距离修正，当屏幕出现F字样，说明一键校准过程完成。

按下第二按键，让丝杠滑台向相反方向运动，并且再次在6个取值点测距，将得到的六个测量距离与未校准前的测量距离进行比较得到下表：

表1校准前后测量数据

实际距离(mm)	83	133	183	233	283	333
							校准前测量距离(mm)	80	129	177	226	273	322
校准前绝对误差(mm)	3	4	6	7	10	11
							校准前相对误差	3.61％	3.01％	3.27％	3.00％	3.53％	3.30％
校准后测量距离(mm)	82	134	182	233	282	334
							校准后绝对误差(mm)	1	1	1	0	1	1
校准后相对误差	1.20％	0.75％	0.55％	0％	0.35％	0.30％

根据表1中校准前的测量距离和绝对误差的数据，拟合得到的二次函数的曲线如图5所示，由图可得，拟合误差函数值与实际绝对误差值十分接近，拟合效果良好。

因此结合表1中校准前后的误差对比可知，本申请对测量距离的校准效果非常好，在丝杠可调范围内的误差保持在1mm内。

为了验证利用丝杆滑台导程之内测量的数据拟合的二次函数对各个实际距离的测量均具有普适性，试验在333mm以外的距离用米尺标定的方式继续验证测量，得到333mm以外的距离校准后的测量结果如表2～4所示表2校准后测量数据1

表3校准后测量数据2

实际距离(mm)	700	750	800	850	900	950
							校准后测量距离(mm)	704	757	807	859	905	957
校准后绝对误差(mm)	4	7	7	9	5	7
							校准后相对误差	0.57％	0.93％	0.88％	1.06％	0.56％	0.74％

表4校准后测量数据3

实际距离(mm)	1000	1050
			校准后测量距离(mm)	1010	1058
校准后绝对误差(mm)	10	8
			校准后相对误差	1％	0.76％

由表2～4可知，直到测量距离为1m时，绝对误差才达到1cm。而在未校准前，当测量距离在28cm左右时，误差已经到1cm。由此可见，校准后的测量距离的精确度大大提高。

本申请提出的超声测距校准装置，相比于现有的普通超声测距装置来说，有更高的测量精确度以及更强的环境适应性。现有的大多数超声测距装置不带自校准的功能。由于传感器的构造问题，真正的发射器和接收器与已知的传感器封装的位置存在区别，这会导致测量系统存在误差；超声波在空气中的传播速度随温度的变化而变化，且这个变化无法忽略不计，这导致测距系统在不同温度的环境下会存在大小不一的误差。前者是固定误差，且数值较小；而后者是可变误差，误差值较明显且与测量距离呈正相关。本装置利用了测量误差与测量距离的相关性，采用函数拟合的方法得到误差随测量距离变化的函数，利用此误差函数直接对测量距离进行修正。

本申请提供的这种忽略误差来源的数值修正方法相比于温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等从误差源头考虑进行校准的方法来说，不需要复杂的器件和电路，成本低、容易实现。

并且本申请整个校准过程完全自动进行，调距、取值、计算误差、拟合、修正只需要一个按键即可全部自动完成，不需要任何手动分析计算，方便快捷。

并且，当本申请的超声测距校准装置被放入一个新的环境下使用时，可以先进行一键校准，校准后将步进电机丝杠调距模块舍弃，得到一个精准的超声波测距仪，在1m以内均可保证测量绝对误差小于1cm。

本申请中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、次序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

本申请中，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超声测距校准装置，其特征在于，所述超声测距校准装置包括微控制器，以及分别与所述微控制器连接的步进电机调距模块、超声测距模块和显示模块，其中：

所述步进电机调距模块包括步进电机和丝杠滑台，所述步进电机与所述微控制器连接，所述超声测距模块安装在丝杠滑台的滑台上，所述步进电机接受微控制器的指令调节丝杠滑台的滑台移动，设置超声测距模块测量的实际距离；

所述超声测距模块包括超声波传感器，所述超声波传感器用于获得与被测物体之间的测量距离，并将所述测量距离发送至微控制器；

所述微控制器用于根据实际距离和测量距离分析测量误差，并利用所述测量误差校准测量距离；

所述显示模块用于根据微控制器的指令显示实际距离、测量距离、测量误差以及校准后的测量距离。

2.如权利要求1所述的超声测距校准装置，其特征在于，所述微控制器采用型号为stc89c52的单片机。

3.如权利要求1所述的超声测距校准装置，其特征在于，所述步进电机采用型号为42BYGH39、步距角为1.8°的42步进电机。

4.如权利要求1所述的超声测距校准装置，其特征在于，所述丝杠滑台的导程为8mm、总长度为33cm。

5.如权利要求1所述的超声测距校准装置，其特征在于，所述超声测距校准装置还包括TB6600驱动器，所述TB6600驱动器用于连接微控制器和步进电机连接，完成根据微控制器的指令驱动步进电机运动。

6.如权利要求1所述的超声测距校准装置，其特征在于，所述超声波传感器为HC-SR04传感器。

7.如权利要求1所述的超声测距校准装置，其特征在于，所述显示模块包括LCD1602液晶显示屏。

8.如权利要求1所述的超声测距校准装置，其特征在于，所述超声测距校准装置还包括与微控制器连接的四个按键，四个按键分别具有电机的旋转、改变电机的旋转方向、测距和一键校准功能。

9.一种基于权利要求1～8任一项所述的超声测距校准装置的超声测距校准方法，其特征在于，所述超声测距校准方法包括：

步骤S1、微控制器控制步进电机旋转带动丝杠滑台运动；

步骤S2、运动预设间隔后，微控制器控制步进电机停止，得到当前超声测距模块测量的实际距离；

步骤S3、在步进电机停止后，微控制器控制超声测距模块进行测量，获得当前实际距离对应的测量距离；

步骤S4、重复执行步骤S1～S3，直至微控制器获得N对对应的实际距离和测量距离；

步骤S5、根据对应的实际距离和测量距离计算测量误差，并采用最小二乘法将测量误差拟合为关于测量距离的二次函数，利用所述二次函数修正测量距离，完成超声测距校准。

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