CN114545419A - 超声波测距装置、超声波测距方法及控制器 - Google Patents

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唐学用
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Abstract

本发明实施例提供一种超声波测距装置，包括：超声波发射/接收器，包括排列为环形的多个超声波阵元，每一超声波阵元用于向环形外部发射第一超声波，第一超声波接触目标物体时被目标物体反射，被目标物体反射的第一超声波定义为第二超声波，超声波发射/接收器还用于接收第二超声波；超声波发射/接收通道，用于切换自身工作模式以使得超声波发射/接收器发射第一超声波或接收第二超声波；控制器，用于通过超声波发射/接收通道控制超声波发射/接收器中的一个或多个超声波阵元发射第一超声波，并用于根据第一超声波的发射时间和第二超声波的接收时间获取目标物体的距离信息。本发明实施例还提供一种超声测距方法及控制器。

Description

超声波测距装置、超声波测距方法及控制器
技术领域
本发明涉及超声测距技术领域，尤其设置一种超声波测距装置、应用于该超声波测距装置的超声波测距方法及应用于该超声波测距装置的控制器。
背景技术
传统的超声波测距装置包括单个超声波探头。该超声波探头用于发射超声波。超声波测距装置根据该超声波返回的时间可计算目标物体的距离。一方面，该超声波测距装置中，超声波探头发射超声波的端面的曲率决定了超声波的聚焦点，发射超声波的聚焦点位置被限制，无法同时获取广域距离资讯。另一方面，目标物体距离聚焦点较远时，返回超声波测距装置的超声波在传播过程中发散，造成超声波测距装置解析度下降。
发明内容
本发明一方面提供一种超声波测距装置，包括：
超声波发射/接收器，所述超声波发射/接收器包括排列为环形的多个超声波阵元，每一超声波阵元用于向环形外部发射第一超声波，所述第一超声波接触目标物体时被目标物体反射，被目标物体反射的第一超声波定义为第二超声波，所述超声波发射/接收器还用于接收所述第二超声波；
超声波发射/接收通道，电连接所述超声波发射/接收器，用于切换自身工作模式以使得所述超声波发射/接收器发射所述第一超声波或接收所述第二超声波；以及
控制器，电连接所述超声波发射/接收通道，用于通过所述超声波发射/接收通道控制所述超声波发射/接收器中的一个或多个超声波阵元发射所述第一超声波，并用于根据所述第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息。
本发明另一方面提供一种超声波测距方法，应用于超声波测距装置，所述超声波测距装置包括超声波发射/接收器，所述超声波发射/接收器包括排列为环形的多个超声波阵元；所述超声波测距方法包括：
控制所述超声波发射/接收器中的一个或多个阵元发射第一超声波，所述第一超声波接触目标物体时被目标物体反射，被目标物体反射的第一超声波定义为第二超声波；
控制所述超声波发射/接收器接收所述第二超声波，并根据所述第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息。
本发明另一方面提供一种控制器，应用于超声波测距装置，所述超声波测距装置包括超声波发射/接收器，所述超声波发射/接收器包括排列为环形的多个超声波阵元，所述处理器包括：
发射控制模块，用于控制所述超声波发射/接收器中的一个或多个阵元发射第一超声波，所述第一超声波接触目标物体时被目标物体反射，被目标物体反射的第一超声波定义为第二超声波；
数据处理模块，电连接所述发射控制模块，用于控制所述超声波发射/接收器接收所述第二超声波，并根据所述第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息。
上述的超声波测距装置，通过设置超声波发射/接收器包括排列为环形的多个超声波阵元，在一次收发超声波过程中便可获得较大范围(360°范围)的目标物体的距离信息(或位置信息)，有利于提高超声波测距装置的测距速度；并且，发射第一超声波的阵元数量是可调的(一个或多个)，使得在一次收发超声波的过程中，可检测的范围可调，使得超声波测距装置的检测方式可匹配实际的检测需求，检测方式更灵活。
附图说明
图1为本发明实施例中的超声波测距装置和目标物体的结构示意图。
图2为本发明实施例中的超声波测距装置模块结构示意图。
图3为本发明实施例中的超声波测距方法的步骤流程图。
图4为本发明实施例中各个阵元的发射延迟的示意图。
图5为本发明实施例中超声波发射/接收器发射聚焦的第一超声波的示意图。
图6为一变更实施例中超声波发射/接收器发射发散的第一超声波的示意图。
图7为本发明实施例中各个阵元的接收延迟的示意图。
图8为本发明实施例中超声波发射/接收器接收第二超声波的示意图。
图9为本发明实施例中通过两个测距时段获取目标物体的距离信息的示意图。
图10为一变更实施例中通过三个测距时段获取目标物体的距离信息的示意图。
主要元件符号说明
超声波测距装置 10
超声波发射/接收器 11
阵元 111、E1、E2、E3、E4、E5
超声波发射/接收通道 12
超声波发射通道 121
超声波接收通道 122
发射/接收切换单元 123
控制器 13
发射控制模块 131
数据处理模块 132
目标物体 20
距离 d
步骤 S1、S2
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，超声波测距装置10用于获取环境中存在的目标物体20的距离信息。本实施例中，超声波测距装置10用于发射超声波，当超声波接触目标物体20时，被目标物体20反射，超声波测距装置10根据超声波的发射和接收时间差搭配已知的超声波的声速，即可获得环境中存在的目标物体20距离超声波测距装置10的距离d。
超声波测距装置10通常被整合于其他的智能设备中作为测距的功能模块。例如将超声波测距装置10整合于交通工具或载体中，可用于建构地图或在驾驶过程中监测行驶路径中是否存在障碍物以及障碍物的具体距离。
请参阅图2，超声波测距装置10包括超声波发射/接收器11、超声波发射/接收通道12及控制器13，超声波发射/接收通道12分别电连接超声波发射/接收器11和控制器13。
超声波发射/接收器11包括多个阵元111。多个阵元111可以被设置于一个载体上。多个阵元111排列为环形。每个阵元111用于向远离该环形的环心的方向发射一列第一超声波。所有阵元111同时发射第一超声波时可覆盖360°的测距范围。
第一超声波到达目标物体20后，被目标物体20反射。本实施例中，定义目标物体20反射的第一超声波为第二超声波。超声波发射/接收器11中的阵元还用于接收第二超声波。
定义发射一次第一超声波并接收一次第二超声波的时段为一个测距时段。在每个测距时段中，可以根据实际的测距需求，控制发射第一超声波的阵元111的数量：测距范围较小时，控制较少数量的阵元111发射第一超声波；测距范围较大时，控制较大数量的阵元111发射第一超声波。另外，可根据场域大小，控制每一阵元的延迟时间，来调整超音波发射聚焦位置达到精准测距的需求。
超声波发射/接收通道12包括超声波发射通道121、超声波接收通道122以及分别电连接超声波发射通道121和超声波接收通道122的发射/接收切换单元123。超声波发射通道121和超声波接收通道122皆包括依次电连接的发射波束成型模块、数模转换模块、及放大器。超声波发射通道121和超声波接收通道122中的放大器电连接发射/接收切换单元123。控制器13包括相互电连接的发射控制模块131和数据处理模块132。发射控制模块131电连接超声波发射通道121，数据处理模块132电连接超声波接收通道122。
发射控制模块131用于输出指令，控制超声波发射通道121产生超声波发射信号，发射/接收切换单元123切换至发射状态，传输超声波发射通道121发送的超声波发射信号至相应的一个或多个阵元111，控制该一个或多个阵元111发射第一超声波。被目标物体20反射的第二超声波被该一个或多个阵元111接收，发射/接收切换单元123切换至接收状态，使得被接收的第二超声波被超声波接收通道122转换为数据处理模块132可以识别的信号类型。数据处理模块132可根据第一超声波的发射时间和第二超声波的接收时间获取目标物体20的距离信息。
本发明实施例还提供一种超声波测距方法，应用于上述超声波测距装置10中，具体的，应用于上述控制器13中。
请参阅图3，超声波测距方法包括：
步骤S1，控制所述超声波发射/接收器中的一个或多个阵元发射第一超声波，所述第一超声波接触目标物体时被目标物体反射，被目标物体反射的第一超声波定义为第二超声波；以及
步骤S2，控制所述超声波发射/接收器接收所述第二超声波，并根据所述第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息。
步骤S1中，控制超声波发射/接收器11发射的第一超声波主要具有两种形态：聚焦的第一超声波和发散的第一超声波。
请参阅图4，本实施例中，在一个测距时段，超声波发射/接收器11中多个阵元111发射第一超声波。超声波发射/接收器11发射形态为聚焦的第一超声波时，各个阵元111发射的第一超声波的焦点在环形外。
控制器13可分别根据发射第一超声波的多个阵元111与目标物体20之间的距离，分别获取每个发射第一超声波的阵元111的发射延迟时间，根据该发射延迟时间控制多个阵元111依次发射第一超声波。
请继续参阅图4，本实施例中，在一个测距时段，超声波发射/接收器11中5个阵元(分别为阵元E1、E2、E3、E4和E5)发射第一超声波。在一个测距时段，阵元E1、E2、E3、E4和E5需要被同时聚焦至目标物体20上的一检测点21。
定义检测点21与阵元E1、E2、E3、E4和E5之间的距离分别为Tx_path1、Tx_path2、Tx_path3、Tx_path4和Tx_path5。定义阵元E1、E2、E3、E4和E5的发射延迟时间分别为τTx1、τTx2、τTx3、τTx4、τTx5。由图5可知，检测点21与阵元E1、E2、E3、E4和E5之间的距离不尽相同，而各个阵元发射的第一超声波的传播速度c都是相同的。则通过设置发射延迟时间τTx1、τTx2、τTx3、τTx4、τTx5的值，可使得阵元E1、E2、E3、E4和E5发射的第一超声波同时到达检测点(距离检测点21较近的阵元的发射延迟时间较长，较晚发射第一超声波，距离检测点21较远的阵元的发射延迟时间较短，较早发射第一超声波)。
请参阅图5，建立平面直角坐标系，平面直角坐标系的Y轴为连接第一超声波的焦点F1和多个阵元构成的环形的环心的直线，平面直角坐标系的X轴为与Y轴垂直、与多个阵元构成的环形相切的、靠近发射第一超声波的阵元的直线。X轴和Y轴交点坐标定义为(0,0)，焦点F1坐标定义为(0，R)，发射第一超声波的阵元111的坐标定义为(Xn，Zn)，1≤n≤5，且n为整数。
则，发射延迟时间通过下述公式(1)计算：
Figure BDA0002802784930000061
请参阅图6，于一变更实施例中，超声波发射/接收器11发射形态为发散的第一超声波。发射发散的第一超声波时，第一超声波的焦点F2在各个阵元111构成的环形的环心。
建立平面直角坐标系，平面直角坐标系的Y轴为经过焦点F2的直线，平面直角坐标系的X轴为与Y轴垂直、与多个阵元构成的环形相切的、靠近发射第一超声波的阵元的直线。X轴和Y轴交点坐标定义为(0,0)，焦点F2坐标定义为(0，-R)，发射第一超声波的阵元111的坐标定义为(Xn，Zn)，1≤n≤5，且n为整数。
则，该变更实施例中发射延迟时间通过下述公式(2)计算：
Figure BDA0002802784930000062
目标物体20根据接收到的第一超声波反射第二超声波，第二超声波被发射第一超声波的阵元111接收。
步骤S2中，聚焦接收的第二超声波。控制器13可分别根据发射第一超声波的多个阵元111的延迟时间，和定义成像空间座标和每一阵元的距离，分别获取每个发射第一超声波的阵元111接收第二超声波时的接收延迟时间，根据该接收延迟时间控制多个阵元111依次接收第二超声波。
请参阅图7，本实施例中，在一个测距时段，超声波发射/接收器11中5个阵元(分别为阵元E1、E2、E3、E4和E5)接收第二超声波。在一个测距时段，控制器13需要同时接收由第二超声波转换成的可被识别的信号，超声波从检测点22为成像区域中的其中一点，成像区域涵盖许多检测点，其位置可根据应用场域决定，延迟时间可分别藉由计算检测点和每个接收阵元的距离求得定义第二超声波从检测点22回到阵元E1、E2、E3、E4和E5的距离分别为Rx_path1、Rx_path2、Rx_path3、Rx_path4和Rx_path5。定义阵元E1、E2、E3、E4和E5的接收延迟时间分别为τRx1、τRx2、τRx3、τRx4、τRx5。由图7可知，检测点22与阵元E1、E2、E3、E4和E5之间的距离不尽相同，而第二超声波的传播速度c都是相同的，导致各个阵元E1、E2、E3、E4和E5接收到第二超声波的时间也不尽相同。
阵元E1、E2、E3、E4和E5接收到第二超声波的时间虽不尽相同，但通过设置接收延迟时间τRx1、τRx2、τRx3、τRx4、τRx5的值，可使得控制器13同时接收由第二超声波，透过累加同时到达的第二超声波，可达到完成接收聚焦的步骤，此步骤将会一一重复进行，直到成像中的每一个检测点都完成接收聚焦。
请参阅图8，以如图6中的方式建立平面直角坐标系，定义测距范围内(虚线框范围)任一检测点的坐标为(X，Z)，则，接收延迟时间根据下述公式(3)、(4)、(5)计算：
Figure BDA0002802784930000071
Figure BDA0002802784930000072
τ(X，Z，n)＝τTxn+τRxn (5)
步骤S1中，若在一个测距时段控制所有阵元111发射发散的第一超声波，超声波测距装置10的测距范围可达360°，有利于提升测距速度，但该情况下，空间解析度有待提高。步骤S1中，若在一个测距时段控制阵元111发射聚焦的第一超声波，则可测得距离更远的目标物体，且空间解析度显著提高，但该情况下测距范围相对较小。
本实施例中，通过多个测距时段来获取目标物体20的距离信息，每个测距时段控制阵元发射不同形态的第一超声波，综合每个测距时段获得的测距信息获取目标物体20的距离信息，有利于使得超声波测距装置同时获得发散和聚焦的第一超声波的有益效果。
请参阅图9，本实施例中，在第一测距时段，控制所有阵元111发射发散的第一超声波，并根据接收的第二超声波计算获得第一测距信息d1；在第二测距时段，控制所有阵元111发射多束聚焦(相邻排列的多个阵元111之间分别聚焦)的第一超声波，并根据接收的第二超声波计算获得第二测距信息d2；对第一测距信息d1和第二测距信息d2取平均值即可获得目标物体20的距离d。其中，第二测距时段和第三测距时段虽都发射聚焦的第一超声波，但聚焦的位置是不同的。
请参阅图10，于一变更实施例中，在第一测距时段，控制所有阵元111发射发散的第一超声波，并根据接收的第二超声波计算获得第一测距信息d1；在第二测距时段，控制所有阵元111发射多束聚焦(相邻排列的多个阵元111之间分别聚焦)的第一超声波，并根据接收的第二超声波计算获得第二测距信息d2；在第三测距时段，控制所有阵元111发射多束聚焦的第一超声波，并根据接收的第二超声波计算获得第三测距信息d3；对第一测距信息d1、第二测距信息d2及第三测距信息d3取平均值即可获得目标物体20的距离d。
该变更实施例中，通过增加发射聚焦的第一超声波的时段，有利于进一步提升目标物体20的距离d的准确度。
于其他实施例中，可增加更多的测距时段发射聚焦的第一超声波以获取更多的测距信息，对更多的测距信息取平均值获得目标物体20的距离d。
本实施例提供的超声波测距装置10、超声波测距方法及控制器13，第一方面，通过设置超声波发射/接收器包括排列为环形的多个超声波阵元111，在一次收发超声波过程中便可获得较大范围(360°范围)的目标物体20的距离信息(或位置信息)，有利于提高超声波测距装置10的测距速度；并且，发射第一超声波的阵元111的数量是可调的(一个或多个)，使得在一次收发超声波的过程中，可检测的范围可调，使得超声波测距装置10的检测方式可匹配实际的检测需求，检测方式更灵活。
第二方面，通过设置发射延迟时间可获得聚焦的第一超声波，使得在同一个测距时段发射的第一超声波被同时聚焦至目标物体20，使得第一超声波能量较密集，有利于提升空间解析度；且聚焦的第一超声波也能被投射至更远的距离，有利于检测更远的目标物体20。
第三方面，通过设置接收延迟时间可获得聚焦的第二超声波，使得在同一个测距时段接收的第二超声波被同时聚焦至阵元111，使得第二超声波能量较密集，有利于提升空间解析度，使得控制器13最终计算得到的距离信息更准确。
第四方面，通过设置发射延迟时间也可获得发散的第一超声波，发散的第一超声波可以显著扩大超声波测距装置10在一个测距时段的测距范围，因此，对于需要完成某一个特定范围的检测的情况，通过扩大超声波测距装置10在一个测距时段的测距范围，有利于减少测距次数，也即有利于提升测距速度。
第五方面，通过设置超声波测距装置10在不同的测距时段发射不同形态(聚焦的或发散的)的第一超声波，可在不同的测距时段分别获取不同的测距信息，上述在不同的测距时段获得的不同的测距信息用于计算获得目标物体20的距离信息。采用上述的检测方法，有利于同时获得第一超声波在聚焦和发散的情况下的有益效果。也即，有利于既使得超声波测距装置10获得高解析度，距离信息获取准确，又使得超声波测距装置10的测距速度显著提升。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波测距装置，其特征在于，包括：
超声波发射/接收器，所述超声波发射/接收器包括排列为一环形的多个超声波阵元，每一超声波阵元用于向所述环形的外部发射第一超声波，所述第一超声波接触目标物体时被目标物体反射，被目标物体反射的第一超声波定义为第二超声波，所述超声波发射/接收器还用于接收所述第二超声波；
超声波发射/接收通道，电连接所述超声波发射/接收器，用于切换自身工作模式以使得所述超声波发射/接收器发射所述第一超声波或接收所述第二超声波；以及
控制器，电连接所述超声波发射/接收通道，用于通过所述超声波发射/接收通道控制所述超声波发射/接收器中的一个或多个超声波阵元发射所述第一超声波，并用于根据所述第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息。
2.如权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，所述一个或多个阵元发射的一个或多个第一超声波被聚焦至同一焦点。
3.如权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，所述一个或多个阵元发射发散的第一超声波，所述发散的第一超声波覆盖的测距范围包括所述目标物体所在的范围。
4.一种超声波测距方法，应用于超声波测距装置，其特征在于，所述超声波测距装置包括超声波发射/接收器，所述超声波发射/接收器包括排列为环形的多个超声波阵元；所述超声波测距方法包括：
控制所述超声波发射/接收器中的一个或多个阵元发射第一超声波至一个或多个检测点，所述第一超声波接触目标物体时被目标物体反射，被目标物体反射的第一超声波定义为第二超声波；
控制所述超声波发射/接收器接收所述第二超声波，并根据所述第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息。
5.如权利要求4所述的超声波测距方法，其特征在于，所述控制所述超声波发射/接收器中的一个或多个阵元发射第一超声波的步骤，包括：
根据发射所述第一超声波的一个或多个阵元与所要聚焦的检测点之间的距离，分别获取每个发射所述第一超声波的阵元的发射延迟时间，根据所述发射延迟时间控制所述一个或多个阵元依次发射所述第一超声波。
6.如权利要求5所述的超声波测距方法，其特征在于，所述根据所述发射延迟时间控制所述一个或多个阵元依次发射所述第一超声波的步骤，包括：
根据所述发射延迟时间控制所述一个或多个阵元依次发射聚焦或发散的第一超声波。
7.如权利要求6所述的超声波测距方法，其特征在于，所述根据所述第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息的步骤，包括：
根据聚焦的第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息；或
根据发散的第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息；或
在第一测距时段，根据聚焦的第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取第一测距信息，在第二测距时段，根据发散的第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取第二测距信息，根据所述第一测距信息和所述第二测距信息获取所述目标物体的距离信息。
8.如权利要求7所述的超声波测距方法，其特征在于，所述根据所述第一测距信息和所述第二测距信息获取所述目标物体的距离信息的步骤，包括：
根据所述一个所述第一测距时段获取的第一测距信息和多个所述第二测距时段获取的多个所述第二测距信息获取所述目标物体的距离信息。
9.如权利要求4所述的超声波测距方法，其特征在于，所述控制所述超声波发射/接收器接收所述第二超声波的步骤，包括：
根据发射所述第一超声波的一个或多个阵元与检测点之间的距离，分别获取每个发射第一超声波的阵元的接收延迟时间，根据所述接收延迟时间控制所述一个或多个阵元依次接收所述第二超声波。
10.一种控制器，应用于超声波测距装置，其特征在于，所述超声波测距装置包括超声波发射/接收器，所述超声波发射/接收器包括排列为环形的多个超声波阵元，所述处理器包括：
发射控制模块，用于控制所述超声波发射/接收器中的一个或多个阵元发射一个或多个第一超声波，所述第一超声波接触目标物体时被目标物体反射，被目标物体反射的第一超声波定义为第二超声波；
数据处理模块，电连接所述发射控制模块，用于控制所述超声波发射/接收器接收所述第二超声波，并根据所述第一超声波的发射时间和所述第二超声波的接收时间获取所述目标物体的距离信息。
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