CN113433550A - 一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法及其探测器 - Google Patents

一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法及其探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法及其探测器，主要解决现有超声波在环境噪声较大的应用场景，超声波信号容易被环境噪声淹没，灵敏度不高，探测距离有限，难以实现多个超声波同时工作，降低了工作效率的问题。该一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法先根据超声波探测器的ID进行编码后将编码调制到激励信号后发射出去；然后信号碰到障碍物返回被超声波探测器接收；然后计算发射信号和返回信号之间的相关系数ρ；最后相关系数ρ的最大时刻和步骤S1中发射信号的时间差，根据超声波传播的速度计算出障碍物的距离后输出。通过上述方案，本发明达到了灵敏度高、增加探测距离、能实现多个超声波同时工作的目的。

Description

一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法及其探测器
技术领域
本发明涉及超声波探测技术领域，具体地说，是涉及一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法及其探测器。
背景技术
超声波探测器是利用人耳听不到的超声波作为探测手段进行探测的仪器；其利用超声波发射，通过被测物体的反射、回波接收后的时差来测量被测距离的，是一种非接触式测量仪器；超声波探测器主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，也可用于低空无人机飞行高度控制，机器人导航与避障等应用场景；超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，也是作为液体高度测量的理想手段。
现有超声波探测设备通过发射单个超声波脉冲来识别障碍物，如果多个超声波探测器同时工作相互间将产生干扰；为了避免超声波探测器之间的干扰，多个超声波探测器在同一地点工作只能采用分时工作的方式；故现有超声波在环境噪声较大的应用场景，超声波信号容易被环境噪声淹没，灵敏度不高，探测距离有限，难以实现多个超声波同时工作，降低了工作效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法及其探测器，以解决现有超声波在环境噪声较大的应用场景，超声波信号容易被环境噪声淹没，灵敏度不高，探测距离有限，难以实现多个超声波同时工作，降低了工作效率的问题。
为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，对应实施所述超声波探测方法的超声波探测器，该超声波探测方法包括以下步骤：
S1、根据超声波探测器的ID进行编码后将编码调制到激励信号后发射出去；
S2、步骤S1的信号碰到障碍物返回被超声波探测器接收；
S3、计算步骤S1中发射信号和步骤S2返回信号之间的相关系数ρ；
S4、计算步骤S3中相关系数ρ的最大时刻和步骤S1中发射信号的时间差，根据超声波传播的速度计算出障碍物的距离后输出。
超声波测距的原理是利用超声波在介质中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离，其测距原理与雷达原理是一样的；本发明采用脉冲编发的方式发射和接收超声波信号，发射信号前通过调制脉冲幅度将编码信号加载到激励信号上；碰到障碍物返回的信号与发出的信号之间时间差，从而计算出超声波飞行时间，进而得到障碍物距离。
相关系数ρ在某个时间到达最大值，代表该时刻接收到的发射信号最强烈，根据相关系ρ数值最大时刻和发射超声波的时间差可以计算出障碍物的距离；如果有其他超声波探测器发射的超声波被接收到，由于编码数据不同，其计算出的相关系数值较小，不会被认为是本探测器发出的信号；同理噪声信号是随机信号，其信号被收端接收后计算出的相关系数值同样较小，不会被认为是超声波探测器发出的信号，故本发明可以消除噪声干扰，提高探测器的灵敏度，增加探测距离；因每个超声波探测器的编码不一样，其发出和接收的信号均不一样，仅能被对应的超声波探测器识别，故实现多个超声波探测器同时工作，提高了探测效率。
进一步的，步骤S1中编码从数字信号转换为模拟信号后，再将其调制到激励信号中。
进一步的，步骤S3中返回信号为步骤S2中超声波探测器接收的信号通过滤波和放大后，从模拟信号转化为数字信号后的信号；对接收的信号进行滤波和放大，减少噪音的干扰，提高探测器的灵敏度。
进一步的，步骤S3的具体过程如下：
定义：步骤S1中发射出去信号的幅度编码信号为序列A＝{a1，a2，a3，...，an}，长度为n；返回信号截取为长度为n的序列B＝{b1，b2，b3，...，bn}，序列B随着时间变化；
序列A的数学期望E(A)和序列B的数学期望E(B)的计算式分别如下：
Figure RE-GDA0003233034830000031
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
Figure RE-GDA0003233034830000032
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
发端序列A的方差D(A)与收端序列B的方差D(B)；
Figure RE-GDA0003233034830000033
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
Figure RE-GDA0003233034830000034
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
发端序列A和收端序列B的协方差Cov(A，B)
Figure RE-GDA0003233034830000035
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
序列A和收端序列B的相关系数；
Figure RE-GDA0003233034830000041
一种基于脉冲幅度编码的超声波探测器用于一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，所述超声波探测器包括处理器和数模转换器，处理器的信号输出端与数模转换器的信号输入端连接；数模转换器的信号输出端连接有超声波发生器，超声波发生器的驱动端依次连接有超声波发射换能器、超声波接收换能器、滤波整流器、放大器、模数转换器；模数转换器的数字信号输出端与处理器的数字信号输入端连接；其也可为其它超声波探测器。
进一步的，处理器为MCU单元或FPGA。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用脉冲编发的方式发射和接收超声波信号，发射信号前通过调制脉冲幅度将编码信号加载到激励信号上，因每个超声波探测器的编码不一样，其发出和接收的信号均不一样，仅能被对应的超声波探测器识别，故实现多个超声波探测器同时工作，提高了探测效率。
(2)本发明中发射信号和返回信号的相关系数ρ在某个时间到达最大值，代表该时刻接收到的发射信号最强烈，根据相关系ρ数值最大时刻和发射超声波的时间差可以计算出障碍物的距离；如果有其他超声波探测器发射的超声波被接收到，由于编码数据不同，其计算出的相关系数值较小，不会被认为是本探测器发出的信号；同理噪声信号是随机信号，其信号被收端接收后计算出的相关系数值同样较小，不会被认为是超声波探测器发出的信号，故本发明可以消除噪声干扰，提高探测器的灵敏度，增加探测距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1为超声波探测方法的流程图。
图2为根据4个字节的ID号生成超声波激励信号示意图。
图3为相关系数ρ的值随时间关系变化的示意图。
图4为实施例2中超声波探测器的结构框图。
图5为实施例3中超声波探测器的结构框图。
图6为实施例3中实现超声波探测功能的一种IC框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图1至图6 对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
实施例1
如图1所示，一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，对应的实施该超声波探测方法的超声波探测器包括MCU单元，超声波探测器脉冲编码信息存储在其MCU单元中；超声波探测方法的具体步骤如下：
S1、根据超声波探测器的ID进行编码后，将其从数字信号转换为模拟信号后，将转化后的编码调制到激励信号后发射出去；
S2、步骤S1的信号碰到障碍物返回被超声波探测器接收，然后通过滤波和放大后，从模拟信号转化为数字信号形成返回信号；
S3、计算步骤S1中发射信号和步骤S2返回信号之间的相关系数ρ；
S4、计算步骤S3中相关系数ρ的最大时刻和步骤S1中发射信号的时间差，根据超声波传播的速度计算出障碍物的距离后输出。
本发明的每个超声波探测器具有根据序列号随机生成的唯一的ID编号，并且该ID编号储存在其MCU单元内；MCU单元根据ID编号生成脉冲幅度调制编码，编码后的超声波脉冲幅度为4个幅度(PAM4)，每个幅度分别对应逻辑比特00、 01、10、11，即编码的每个符号由两个比特组成，每个字节的编码数据可以由4 个符号表示，图2为一个字节数据的编码。
步骤S3的具体过程如下：
定义：步骤S1中发射出去信号的幅度编码信号为序列A＝{a1，a2，a3，...，an}，长度为n；返回信号截取为长度为n的序列B＝{b1，b2，b3，...，bn}，序列B随着时间变化；
序列A的数学期望E(A)和序列B的数学期望E(B)的计算式分别如下：
Figure RE-GDA0003233034830000061
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
Figure RE-GDA0003233034830000062
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
发端序列A的方差D(A)与收端序列B的方差D(B)；
Figure RE-GDA0003233034830000071
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
Figure RE-GDA0003233034830000072
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
发端序列A和收端序列B的协方差Cov(A，B)
Figure RE-GDA0003233034830000073
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
序列A和收端序列B的相关系数；
Figure RE-GDA0003233034830000074
相关系数ρ为计算结果，它随着接收端接收信号变化，由于发射信号的序列A不变，故其数学期望与方差的值可以在发射超声波前预先计算出来以加快计算速度。
相关系数ρ代表了当前接收信号和发射信号的关系，其值介于-1和1之间，相关系数ρ的值越大代表接收信号和发射信号越一致；实施时会设置一个阈值，当相关系数值超过阈值时可以认为是接收到了包含编码信息的发射信号，当发射信号被障碍物返回并且被接收端接收后，计算出的相关系数ρ的值随时间关系如图3所示。
相关系数ρ在某个时间到达最大值，代表该时刻接收到的发射信号最强烈；根据相关系ρ数值最大时刻和发射超声波的时间差可以计算出障碍物的距离；如果有其他超声波探测器发射的超声波被接收到，由于编码数据不同，其计算出的相关系数值较小，不会被认为是本探测器发出的信号；同理噪声信号是随机信号，其信号被收端接收后计算出的相关系数值同样较小，不会被认为是超声波探测器发出的信号，故此方法可以一定程度上消除噪声干扰；超声波发射器的编码序列越长，超声波探测器的灵敏度越高，抗干扰能力越强。
实施例2
如图4所示，本实施例在实施例1的基础上进一步的，一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，对应的实施该超声波探测方法的超声波探测器包括MCU 单元和数模转换器，MCU单元的信号输出端与数模转换器的信号输入端连接；数模转换器的信号输出端连接有超声波发生器，超声波发生器的驱动端依次连接有超声波发射换能器、超声波接收换能器、滤波整流器、放大器、模数转换器；模数转换器的数字信号输出端与MCU的数字信号输入端连接；其也可为其它超声波探测器。
实施例3
如图5所示，本实施例与实施例1至3的不同之处在于，一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，对应的实施该超声波探测方法的超声波探测器包括 FPGA和数模转换器，FPGA的信号输出端与数模转换器的信号输入端连接；数模转换器的信号输出端连接有超声波发生器，超声波发生器的驱动端依次连接有超声波发射换能器、超声波接收换能器、滤波整流器、放大器、模数转换器；模数转换器的数字信号输出端与FPGA的数字信号输入端连接；其也可为其它超声波探测器。
其中，超声波发射信号编码与接收信号处理，超声波的发端驱动电路和收端滤波电路全部功能可以制作到一个专用IC(集成电路)中，实现一个SoC系统级芯片来达到相同的超声波探测功能如图6所示。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，对应实施所述超声波探测方法的超声波探测器，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据超声波探测器的ID进行编码后将编码调制到激励信号后发射出去；
S2、步骤S1的信号碰到障碍物返回被超声波探测器接收；
S3、计算步骤S1中发射信号和步骤S2返回信号之间的相关系数ρ；
S4、计算步骤S3中相关系数ρ的最大时刻和步骤S1中发射信号的时间差，根据超声波传播的速度计算出障碍物的距离后输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，其特征在于，步骤S1中编码从数字信号转换为模拟信号后，再将其调制到激励信号中。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，其特征在于，步骤S3中返回信号为步骤S2中超声波探测器接收的信号通过滤波和放大后，从模拟信号转化为数字信号后的信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，其特征在于，步骤S3的具体过程如下：
定义：步骤S1中发射出去信号的幅度编码信号为序列A＝{a1，a2，a3，...，an}，长度为n；返回信号截取为长度为n的序列B＝{b1，b2，b3，...，bn}，序列B随着时间变化；
序列A的数学期望E(A)和序列B的数学期望E(B)的计算式分别如下：
Figure FDA0003044138510000011
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
Figure FDA0003044138510000012
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
发端序列A的方差D(A)与收端序列B的方差D(B)；
Figure FDA0003044138510000021
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
Figure FDA0003044138510000022
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
发端序列A和收端序列B的协方差Cov(A，B)
Figure FDA0003044138510000023
(n为从1开始的自然数，i为从1开始的自然数)；
序列A和收端序列B的相关系数；
Figure FDA0003044138510000024
5.一种基于脉冲幅度编码的超声波探测器，其特征在于，用于实现权利要求1至4任一项所述的一种基于脉冲幅度编码的超声波探测方法，所述超声波探测器包括处理器和数模转换器，处理器的信号输出端与数模转换器的信号输入端连接；数模转换器的信号输出端连接有超声波发生器，超声波发生器的驱动端依次连接有超声波发射换能器、超声波接收换能器、滤波整流器、放大器、模数转换器；模数转换器的数字信号输出端与处理器的数字信号输入端连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于脉冲幅度编码的超声波探测器，其特征在于，处理器为MCU单元或FPGA。
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