CN113970744B - 基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质 - Google Patents

基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质，包括以下步骤：定时发射第一线性调频超声波信号，并同步将第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号；保存第一脉冲信号中第一目标电平的脉宽，并保存第一目标电平上升沿或下降沿的时间；接收第二线性调频超声波信号，将第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号；获取第二脉冲信号中的第二目标电平的脉宽，若存在与第二目标电平的脉宽相同的第一目标电平，根据脉宽相同的第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿或下降沿的时间计算渡越时间，然后根据渡越时间和当前温度下的声速计算当前距离。本发明克服了现有技术中测量精度的不高的缺点并且降低了计算复杂度。

Description

基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及超声波测距领域，尤其涉及一种基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质。
背景技术
超声波测距的原理是利用超声波在空气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。目前利用超声波测距的方法有以下几种：
1、发出若干个超声波脉冲后，等待并接受这些脉冲，然后计算超声波发射及接收时间差，再根据声速已知计算出被测物体的距离。此种方法一般采用固定频率的超声波脉冲，并且由于发送所有脉冲以及接收所有脉冲均需要一段时间，很难准确检测到第一个超声回波，因此测量误差较大，一般适用于对于精度要求不高或者测量距离较远的场合。
2、使用线性调频超声波测距，即发出的超声波频率随时间变化，因此将超声波的接收信号匹配对应频率的发出信号，并计算这两个信号的时间差就可以确定被测物体的距离，适用于对精度要求较高的场合，但是目前一般是利用傅里叶分析来估计超声波频率。而由于傅里叶变换频率分辨精度受样本宽度限制，样本越多超声波滤波器就要求越宽，因此分辨率也难以提高。同时由于傅里叶分析的计算复杂度较高，对于硬件设备提出了较高的要求，从而增加了成本。
专利CN104678398A提出了一种超声波测距方法，以预设的时间间隔依次向地面发射n个超声波脉冲，n个超声波脉冲的频率按照预设的频率步长依次递增或递减，依次接收由地面反射的所述n个超声波脉冲，并当每次接收到超声波脉冲时，根据第n个脉冲的发射时刻和接收时刻来计算相应的测距时间△Tn，以提高超声波测距的速度和精度。该方案只是以整个波形周期作为分辨率来确定时间，无法识别一个超声波周期内任意点的时刻，精度有进一步提升的空间。同时，该方案对于脉冲频率的计算仍然是采用傅里叶变换，计算复杂度较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质，将所发出以及接收的线性调频超声波信号转换为脉冲信号，并且匹配两个脉冲信号中脉宽和相位相同的位置，从而得到更加精确的测距结果，并且具有较小的计算复杂度。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于线性调频超声波的测距方法，包括以下步骤：
生成连续的第一线性调频超声波信号，定时发射所述第一线性调频超声波信号，并同步将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号；
保存所述第一脉冲信号中第一目标电平的脉宽，并保存第一目标电平对应的上升沿或下降沿的时间；
接收连续的第二线性调频超声波信号，将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号；
获取所述第二脉冲信号中的第二目标电平的脉宽，若存在与第二目标电平的脉宽相同的第一目标电平，根据脉宽相同的第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿或下降沿的时间计算渡越时间，然后根据渡越时间和当前温度下的声速计算当前距离。
进一步的，将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号的步骤具体包括：将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，根据预设的目标相位选取第一信号上对应位置的电压作为第一参考电压，将所述第一信号与第一参考电压作比较，若当前时刻所述第一信号大于第一参考电压，当前时刻输出第一脉冲信号的高电平，若当前时刻所述第一信号小于第一参考电压，当前时刻输出第一脉冲信号的低电平。
进一步的，将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号的步骤具体包括：将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，根据预设的目标相位选取第二信号上对应位置的电压作为第二参考电压，将所述第二信号与第二参考电压作比较，若当前时刻所述第二信号大于第二参考电压，当前时刻输出第二脉冲信号的高电平，若当前时刻所述第一信号小于第二参考电压，当前时刻输出第二脉冲信号的低电平。
进一步的，所述第一目标电平和第二目标电平均为高电平，或者，所述第一目标电平和第二目标电平均为低电平，渡越时间的函数表达式为：
t = t3–t1 = t4–t2
上式中，t1为第一目标电平下降沿时间，t2为第一目标电平上升沿时间，t3为第二目标电平下降沿时间，t4为第二目标电平上升沿时间。
进一步的，当前距离的函数表达式为：
Figure 73446DEST_PATH_IMAGE001
上式中，t为渡越时间，v为当前温度下的声速。
本发明还提出一种基于线性调频超声波的测距系统，包括：
超声波发射模块，用于生成连续的第一线性调频超声波信号，定时发射所述第一线性调频超声波信号，并同步将所述第一线性调频超声波信号发送给第一比较器；
第一比较器，用于将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号后发送给处理器模块；
超声波接收模块，用于接收连续的第二线性调频超声波信号，将所述第二线性调频超声波信号发送给第二比较器
第二比较器，用于将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号后发送给处理器模块；
温度检测模块，用于实时获取当前温度并将当前温度信息发送给处理器模块；
处理器模块，用于检测并保存所述第一脉冲信号中第一目标电平的脉宽，并保存第一目标电平对应的上升沿或下降沿的时间；还用于检测所述第二脉冲信号中的第二目标电平的脉宽，将第二目标电平的脉宽与第一目标电平的脉宽匹配，若存在匹配结果，根据脉宽相同的第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿或下降沿的时间计算渡越时间，然后根据获取的当前温度信息查表得到对应的声速，根据渡越时间和当前温度下的声速计算当前距离。
进一步的，还包括显示模块，所述处理器模块将当前距离的数据发送给显示模块，以显示当前距离。
进一步的，还包括第一滤波放大模块，用于将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，所述第一比较器的同相端通过第一滤波放大模块和超声波发射模块连接，所述第一比较器的反相端接第一信号中预设的目标相位对应位置的电位，使得第一滤波放大模块将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，第一比较器将所述第一信号与第一线性调频超声波信号比较输出第一脉冲信号。
进一步的，还包括第二滤波放大模块，用于将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，所述第二比较器的同相端通过第二滤波放大模块和超声波接收模块连接，所述第二比较器的反相端接第二信号中预设的目标相位对应位置的电位，使得第二滤波放大模块将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，第二比较器将所述第二信号与第二线性调频超声波信号比较输出第二脉冲信号。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有任一所述的基于线性调频超声波的测距方法的计算机程序。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用线性调频超声波信号进行距离测量，对于收发的线性调频超声波信号，均转换为脉冲信号后，匹配脉宽，在脉宽一致的情况下用对应的上升沿或下降沿的时间，以及当前温度下的声速来计算距离，而两个脉冲信号脉宽相同的位置的上升沿或下降沿对应到线性调频超声波信号上为收发的线性调频超声波信号的同相位点，因此实现了较高精度的测量，克服了现有技术中测量精度的不高的缺点，并且相比傅里叶分析也大大减少了计算复杂度，从而降低了对于硬件的计算要求，节约了成本。
附图说明
图1为本发明实施例的方法的流程图。
图2为本发明实施例的系统的结构图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
目前有相当多的超声波测距场景为被测物体距离较近且对于测量结果有高精度需求的情况，例如为了了解橡胶的老化情况，需要精确测出上下隔板之间的距离变化情况，隔振器上下板之间不超过50cm。针对目前的超声波测距方法所存在的缺陷，本实施例提出一种基于线性调频超声波的测距方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1）生成连续的线性调频超声波信号作为第一线性调频超声波信号，定时发射所述第一线性调频超声波信号，并同步将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号；
S2）保存所述第一脉冲信号中第一目标电平的脉宽，并保存第一目标电平对应的上升沿或下降沿的时间；
S3）接收障碍物返回的连续的线性调频超声波信号作为第二线性调频超声波信号，将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号；
S4）获取所述第二脉冲信号中的第二目标电平的脉宽，若存在与第二目标电平的脉宽相同的第一目标电平，则证明接收的第二脉冲信号与第一脉冲信号已同相位，因此可根据脉宽相同的第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿或下降沿的时间计算渡越时间，然后根据渡越时间和当前温度下的声速计算当前距离。
通过上述步骤，本实施例采用线性调频超声波信号进行距离测量，对于收发的线性调频超声波信号，均转换为脉冲信号后，匹配脉宽，在脉宽一致的情况下用对应的上升沿或下降沿的时间，以及当前温度下的声速来计算距离，而两个脉冲信号脉宽相同的位置的上升沿或下降沿对应到线性调频超声波信号上为收发的线性调频超声波信号的同相位点，因此实现了较高精度的测量，克服了现有技术中测量精度的不高的缺点，并且相比傅里叶分析也大大减少了计算复杂度，从而降低了对于硬件的计算要求，节约了成本，能够对于短距离测量取得较好的效果。
与此同时，本实施例中，可连续实时检测第一脉冲信号和第二脉冲信号的第一目标电平和第二目标电平，可采用电路各个参数相对稳定的中间段数据，数据相对精确；且可改变比较器参考电压改变超声波测量点，实现任意相位点测量，这种相位检测法精度更高。
本实施例中，步骤S1）中生成线性调频超声波的频率表达式为：
f =f0 + a*t （1）
上式中，f0为初始频率，a为常数，可以为正值也可以为负值，t表示时间。
如图1所示，本实施例的步骤S1）中将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号的步骤具体包括：将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，根据预设的目标相位选取第一信号上对应位置的电压作为第一参考电压，通过比较器将所述第一信号与第一参考电压比较，若当前时刻所述第一信号大于第一参考电压，当前时刻输出发射脉冲的高电平作为第一脉冲信号的高电平，若当前时刻所述第一信号小于第一参考电压，当前时刻输出发射脉冲的低电平作为第一脉冲信号的低电平。与之对应的，本实施例的步骤S3）中将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号的步骤具体包括：将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，根据预设的目标相位选取第二信号上对应位置的电压作为第二参考电压，通过比较器将所述第二信号与第二参考电压比较，若当前时刻所述第二信号大于第二参考电压，当前时刻输出接收脉冲的高电平作为第二脉冲信号的高电平，若当前时刻所述第二信号小于第二参考电压，当前时刻输出接收脉冲的低电平作为第二脉冲信号的低电平。
本实施例中，第一参考电压选取第一信号波形上升沿或者下降沿过零点的电压，第二参考电压选取第二信号波形上升沿或者下降沿过零点的电压，即目标相位为上升沿或者下降沿的中心的相位，按照实际情况，目标相位还可以选用其他相位，从而将第一信号和第二信号波形其他相位对应位置的电压作为第一参考电压以及第二参考电压，以实现对第一信号和第二信号波形中任意相位点对应的脉冲波形的获取，来提高超声波收发时间的检测精度。
本实施例中，第一目标电平和第二目标电平均为高电平，或者，第一目标电平和第二目标电平均为低电平，以保证存在匹配结果的情况下，第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿时间或者下降沿时间在线性调频超声波信号上的位置相位相同，对于每个第一目标电平，其脉宽LT保存至数组LTn中，对应的上升沿时间或者下降沿时间tT保存至数组tTn中，对于每个第二目标电平，其脉宽LR保存至数组LRn中，对应的上升沿时间或者下降沿时间tR保存至数组tRn中，比较数组LTn和数组LRn中的值，若存在相同大小的脉宽LT和脉宽LR，则表明第一线性调频超声波信号在时间tT的相位和第二线性调频超声波信号在时间tR的相位相同，从而可以计算渡越时间，渡越时间的函数表达式为：
t = t3–t1 = t4–t2 （2）
上式中，t1为第一目标电平下降沿时间，t2为第一目标电平上升沿时间，t3为第二目标电平下降沿时间，t4为第二目标电平上升沿时间，线性调频超声波信号转换成方波脉冲信号后，第一线性调频超声波信号中t1、t2分别表示第一线性调频超声波信号下降和上升时参考电压时刻。同样，第二线性调频超声波信号中t3、t4分别表示第二线性调频超声波信号下降和上升时过参考电压时刻，由于是线性调频，则在同组波中，过参考电压相邻点的时间差不相同，即方波中的脉宽不同。若有t2–t1 = t4–t3 ，则可得第一线性调频超声波信号t2 时刻的参考电压点对应第二线性调频超声波信号t4 时刻的参考电压点，第一线性调频超声波信号t1 时刻的参考电压点对应第二线性调频超声波信号t3 时刻的参考电压点，即有t2与t4时刻同相位，t1与t3时刻同相位。
通过式（2）计算得到的渡越时间即超声波信号在发射端和障碍物之间的往返时间，从而可以计算当前距离，函数表达式为：
Figure 422650DEST_PATH_IMAGE001
（3）
上式中，t为渡越时间，v为当前温度下的声速。
如图2所示，本实施例根据前文所述的方法还提出一种基于线性调频超声波的测距系统，包括：
超声波发射模块，用于生成连续的第一线性调频超声波信号，定时发射所述第一线性调频超声波信号，并同步将所述第一线性调频超声波信号发送给第一比较器；
第一比较器，用于将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号后发送给处理器模块；
超声波接收模块，用于接收连续的第二线性调频超声波信号，将所述第二线性调频超声波信号发送给第二比较器
第二比较器，用于将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号后发送给处理器模块；
温度检测模块，用于实时获取当前温度并将当前温度信息发送给处理器模块；
处理器模块，用于捕获第一脉冲信号，检测并保存所述第一脉冲信号中第一目标电平的脉宽，并保存第一目标电平对应的上升沿或下降沿的时间；还用于捕获第二脉冲信号，检测所述第二脉冲信号中的第二目标电平的脉宽，将第二目标电平的脉宽与第一目标电平的脉宽匹配，若存在匹配结果，根据脉宽相同的第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿或下降沿的时间计算渡越时间，然后根据获取的当前温度信息查表得到对应的声速，根据渡越时间和当前温度下的声速计算当前距离。
如图2所示，本实施例中的基于线性调频超声波的测距系统还包括显示模块，所述处理器模块将当前距离的数据发送给显示模块，以显示当前距离。
如图2所示，本实施例中的基于线性调频超声波的测距系统还包括第一滤波放大模块，用于将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，所述第一比较器的同相端通过第一滤波放大模块和超声波发射模块连接，所述第一比较器的反相端接第一信号中预设的目标相位对应位置的电位，使得第一滤波放大模块将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，第一比较器将所述第一信号与其目标相位对应位置的电位比较输出第一脉冲信号，本实施例中处理器模块采用单片机，单片机PWM输入捕获引脚获取第一脉冲信号，根据计数寄存器中的值可得脉宽LT并保存至数组LTn中，同时开启定时器记录每个上升沿或下降沿时间tT并保存至数组tTn中。
如图2所示，本实施例中的基于线性调频超声波的测距系统还包括第二滤波放大模块，用于将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，所述第二比较器的同相端通过第二滤波放大模块和超声波接收模块连接，所述第一比较器的反相端接第二信号中预设的目标相位对应位置的电位，使得第二滤波放大模块将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，第二比较器将所述第二信号与其目标相位对应位置的电位比较输出第二脉冲信号，单片机PWM输入捕获引脚获取第二脉冲信号，根据计数寄存器中的值可得脉宽LR并保存至数组LRn中，同时开启定时器记录每个上升沿或下降沿时间tR并保存至数组tRn中。
本实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有本实施例中的基于线性调频超声波的测距方法的计算机程序。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于线性调频超声波的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
生成连续的第一线性调频超声波信号，所述第一线性调频超声波信号的频率随时间线性增加或减少，定时发射所述第一线性调频超声波信号，并同步将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号；
保存所述第一脉冲信号中第一目标电平的脉宽，并保存第一目标电平对应的上升沿或下降沿的时间；
接收连续的第二线性调频超声波信号，所述第二线性调频超声波信号为第一线性调频超声波信号的反射信号，将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号；
获取所述第二脉冲信号中的第二目标电平的脉宽，若存在与第二目标电平的脉宽相同的第一目标电平，可根据脉宽相同的第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿或下降沿的时间计算渡越时间，然后根据渡越时间和当前温度下的声速计算当前距离。
2.根据权利要求1所述的基于线性调频超声波的测距方法，其特征在于，将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号的步骤具体包括：将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，根据预设的目标相位选取第一信号上对应位置的电压作为第一参考电压，将所述第一信号与第一参考电压作比较，若当前时刻所述第一信号大于第一参考电压，当前时刻输出第一脉冲信号的高电平，若当前时刻所述第一信号小于第一参考电压，当前时刻输出第一脉冲信号的低电平。
3.根据权利要求1所述的基于线性调频超声波的测距方法，其特征在于，将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号的步骤具体包括：将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，根据预设的目标相位选取第二信号上对应位置的电压作为第二参考电压，将所述第二信号与第二参考电压作比较，若当前时刻所述第二信号大于第二参考电压，当前时刻输出第二脉冲信号的高电平，若当前时刻所述第二信号小于第二参考电压，当前时刻输出第二脉冲信号的低电平。
4.根据权利要求1所述的基于线性调频超声波的测距方法，其特征在于，所述第一目标电平和第二目标电平均为高电平，或者，所述第一目标电平和第二目标电平均为低电平，渡越时间的函数表达式为：
t = t3–t1 = t4–t2
上式中，t1为第一目标电平下降沿时间，t2为第一目标电平上升沿时间，t3为第二目标电平下降沿时间，t4为第二目标电平上升沿时间。
5.根据权利要求1所述的基于线性调频超声波的测距方法，其特征在于，当前距离的函数表达式为：
Figure 277218DEST_PATH_IMAGE001
上式中，t为渡越时间，v为当前温度下的声速。
6.一种基于线性调频超声波的测距系统，其特征在于，包括：
超声波发射模块，用于生成第一线性调频超声波信号，所述第一线性调频超声波信号的频率随时间线性增加或减少，定时发射所述第一线性调频超声波信号，并同步将所述第一线性调频超声波信号发送给第一比较器；
第一比较器，用于将所述第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号后发送给处理器模块；
超声波接收模块，用于接收第二线性调频超声波信号，所述第二线性调频超声波信号为第一线性调频超声波信号的反射信号，将所述第二线性调频超声波信号发送给第二比较器
第二比较器，用于将所述第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号后发送给处理器模块；
温度检测模块，用于实时获取当前温度并将当前温度信息发送给处理器模块；
处理器模块，用于检测并保存所述第一脉冲信号中第一目标电平的脉宽，并保存第一目标电平对应的上升沿或下降沿的时间；还用于检测所述第二脉冲信号中的第二目标电平的脉宽，将第二目标电平的脉宽与第一目标电平的脉宽匹配，若存在匹配结果，根据脉宽相同的第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿或下降沿的时间计算渡越时间，然后根据获取的当前温度信息查表得到对应的声速，根据渡越时间和当前温度下的声速计算当前距离。
7.根据权利要求6所述的基于线性调频超声波的测距系统，其特征在于，还包括显示模块，所述处理器模块将当前距离的数据发送给显示模块，以显示当前距离。
8.根据权利要求6所述的基于线性调频超声波的测距系统，其特征在于，还包括第一滤波放大模块，用于将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，所述第一比较器的同相端通过第一滤波放大模块和超声波发射模块连接，所述第一比较器的反相端接第一信号中预设的目标相位对应位置的电位，使得第一滤波放大模块将所述第一线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第一信号，第一比较器将所述第一信号与其目标相位对应位置的电位比较输出第一脉冲信号。
9.根据权利要求6所述的基于线性调频超声波的测距系统，其特征在于，还包括第二滤波放大模块，用于将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，所述第二比较器的同相端通过第二滤波放大模块和超声波接收模块连接，所述第二比较器的反相端接第二信号中预设的目标相位对应位置的电位，使得第二滤波放大模块将所述第二线性调频超声波信号滤波整形放大后得到第二信号，第二比较器将所述第二信号与其目标相位对应位置的电位比较输出第二脉冲信号。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有权利要求1~5任一所述的基于线性调频超声波的测距方法的计算机程序。
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