CN1888932A

CN1888932A - 混沌脉冲序列超声测距方法和装置

Info

Publication number: CN1888932A
Application number: CN 200610014786
Authority: CN
Inventors: 孟庆浩; 梁琼; 姚凤娟
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2007-01-03

Abstract

本发明涉及超声波测距技术领域，本发明提供一种混沌脉冲序列超声测距方法，包括下列步骤：(1)生成混沌脉冲序列宽度调制序列；(2)利用混沌脉冲序列宽度调制序列激发超声换能器生成超声波并发射，同时存储混沌脉冲序列宽度调制序列；(3)利用所述超声换能器接收被测物反射后的回波信号；(4)将接收的回波信号与原先的混沌脉冲序列进行相关运算，确定回波时间并计算与被测物的距离。本发明还提供一种实现此方法的装置。采用本发明的方法和装置所实现的超声波测距，具有抗干扰能力强、实时性好、精度高的特点。

Description

混沌脉冲序列超声测距方法和装置

技术领域

本发明属于测距领域，具体而言涉及一种超声测距方法，并涉及一种采用此方法的装置。

背景技术

随着移动机器人和自主车辆技术的发展和性能的日趋完善，它的应用也越来越广泛。要求机器人具有高灵活性、策略性以及良好的协作，如果机器人不能有效的避开障碍物，必然导致机器人的行动受到限制。因此，机器人测距的问题显得非常重要。

超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之结构简单、成本低和硬件容易实现等优点，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。

超声测距通常采用渡越时间法，其原理是利用超声换能器发射超声波，在传播介质(如空气)中传播至被测物，经被测物反射后由超声换能器接收到回波，测量出超声脉冲从发射到接收的时间t(即渡越时间)。在已知超声波速度c的前提下，可计算出至被测物的距离

s (s = \frac{ct}{2}) .

一般超声换能器都有一个波束角，为了获取更多的环境信息，需要安装多个超声测距传感器组成环状。例如，在移动机器人领域使用较多的宝利莱(Polaroid)600系列静电型超声换能器的波束角为15度左右，为了实现全景扫描，需要在移动机器人上安装24个超声换能器。如果这些超声换能器同时发射，势必会产生串扰。所谓串扰，是指一个超声换能器接收到其它换能器发射的超声波(或遇到障碍物以后的超声回波)。

为了消除同一个机器人上多个超声换能器之间的串扰，最简单的方法是按顺序依次激励换能器或交替发射信号，但这种方法的效率很低，使得机器人获取环境信息的实时性受到了很大限制。

“伪随机超声波测距的方法及其测距仪”(专利号：95111535.9)提供了一种伪随机编码测距方案，其特征是所发射和接收的超声波皆为伪随机超声波，微机将接收到的伪随机信号波与发射时存放的伪随机编码进行比较，识别提取。发射装置由微机系统、伪随机波生成器、放大器、发射换能器构成，该微机系统中必须含有一个伪随机码生成程序，伪随机波生成器由反相器、电平移位器、与门组成。此发明的目的在于提供一种伪随机超声波测距的方法及其测距仪，发射换能器和接收换能器所发射和接收的超声波是一种伪随机脉冲超声波，微机系统只对具有该次伪随机特征的信号识别提取，从而消除环境杂波的影响，使超声波测距的探测能力、分辨能力、准确度等性能提高。这种方法有了一定的消除干扰的能力。但此法成功的前提是发射的伪随机激励序列必须具有非常好的自相关性能。而伪随机序列是一种周期序列，如果信号的周期小于渡越时间，将会产生距离模糊，因此限制了超声波的最大可测距离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种抗干扰能力强、实时性好、精度高的超声测距方法，并提供一种采用此方法的装置。以满足移动机器人和自主车辆(尤其是多机器人协调工作的场合)的测距要求。为此，本发明采用如下的解决方案。

一种混沌脉冲序列超声测距方法，包括下列步骤：

(1)利用微机系统生成混沌脉冲序列宽度调制序列；

(2)利用混沌脉冲序列宽度调制序列激发超声换能器生成超声波并发射，同时存储混沌脉冲序列宽度调制序列；

(3)利用所述超声换能器接收被测物反射后的回波信号；

(4)利用微机系统，将接收的回波信号与步骤(2)所存储的混沌脉冲序列进行相关运算；确定回波时间并计算与被测物的距离。

本发明中的混沌脉冲序列宽度调制序列，可以有三种调制方式，第一种方式：脉冲序列的宽度和两个脉冲序列之间的低电平的宽度一起变化；第二种方式：脉冲序列的宽度不变，两个脉冲序列之间的低电平的宽度改变；第三种方式：脉冲序列的宽度改变，而两个脉冲序列之间的低电平的宽度不变。

上述的微机系统可以是计算机、也可以是运算功能比较强的单片机及其外围电路构成。为满足实时性和精度等方面的要求，最好是由DSP(高速信号处理器)及其外围电路构成。

上述的步骤3之后，还可以包括下列步骤：

(1)通过带通滤波器进行滤波；

(2)通过自增益放大电路进行信号处理；

(3)将处理后的信号转化成数字信号。

本发明还提供一种采用上述方法的混沌脉冲序列超声测距装置，该装置包括微机系统，发射驱动电路、换能器，信号处理电路，其中，

微机系统用于生成混沌脉冲序列宽度调制序列；将信号处理电路输出的信号转化成数字信号；将接收的数字信号与所生成的混沌脉冲序列宽度调制序列进行相关运算，确定回波时间并计算与被测物的距离；

发射驱动电路根据微机系统生成的混沌脉冲序列宽度调制序列激发换能器生成和发射超声波；

换能器还用于接收和转化经过被测物反射后的回波信号；

信号处理电路对回波信号进行处理后将其输入微机系统。

为满足实时性和精度要求，该装置中采用的微机系统最好为DSP。

现有技术中适用于本装置的信号处理电路可以有很多种，在本发明中，信号处理电路可以包括带通滤波器和自增益放大电路，由换能器接收和转化的回波信号经过带通滤波器滤波后通过自动增益放大电路向微机系统传送信号。

本发明相对现有技术而言具有显著进步，包括：

(1)抗干扰能力强。如果在同一个测距应用场合，例如移动机器人和自主车辆测距应用场合，采用了多个混沌脉冲序列超声测距装置，可以针对每个超声测距装置的超声换能器分配唯一的发射序列，因此可以有效地去除超声串扰。

(2)可测距离大。采用伪随机激励序列等周期性序列的测距方法和装置，如果信号的周期小于渡越时间，将会产生距离模糊，因此限制了超声波的最大可测距离。而本发明采用的混沌脉冲序列是一种具有尖锐的自相关函数的非周期序列，因此消除了距离模糊现象。增大了可测距离。

(3)测距精度高。利用相关算法，同时对多次采集的数据进行处理，可以消除单次回波的随机误差。

附图说明

图1为混沌脉冲序列宽度调制方式。

图2为本发明的混沌脉冲序列超声测距装置的原理框图。

图3为本发明的超声测距流程图。

图4混沌脉冲宽度调制序列及相关结果举例。

具体实施方式

本发明采用混沌脉冲序列宽度调制序列作为超声换能器的发射序列，利用混沌脉冲序列宽度调制方法产生的序列具有很好的相关特性(具有尖锐的自相关函数和平缓的互相关函数)来消除多超声换能器之间的串扰问题。

混沌脉冲序列具有一个尖锐的自相关函数，且来自不同系统的序列，和来自同一系统但不同吸引子的序列，或者来自同一吸引子但是不同部分的序列之间是不相关的。因此超声换能器要想判断接收的回波是不是自己的发射序列产生的，就需要把接收到的回波和自己的发射序列进行相关，若发现相关函数的值很平缓，没有达到设定的阈值，那说明接受到的回波不是自己的；否则，则说明接受到的回波是自己的。根据相关函数的峰值点确定回波的时间，进而计算到被测物的距离。

本发明提出的混沌脉冲序列宽度调制方法，利用混沌方法产生的混沌数调制脉冲序列的宽度。由于超声换能器自身的惯性，要实现脉冲宽度调制有很大的困难。因此我们采用调制脉冲序列宽度的方式来适应换能器的自身特性，达到消除串扰的目的。脉冲序列宽度调制可以灵活的运用伪随机、混沌或者其他方法。在本发明中使用混沌脉冲序列宽度调制的方法进行调制。脉冲频率使用超声换能器的中心频率，脉冲序列的宽度由脉冲的个数表示，脉冲序列宽度的变化也就是脉冲个数的变化。也可以调制两个脉冲序列之间低电平的宽度。有三种调制方式，见图1。第一种方式(图1(a))：脉冲序列的宽度和两个脉冲序列之间的低电平的宽度一起变化；第二种方式(图1(b))：脉冲序列的宽度不变，两个脉冲序列之间的低电平的宽度改变；第三种方式(图1(c))：脉冲序列的宽度改变，而两个脉冲序列之间的低电平的宽度不变。这三种方式在原理上没有什么区别，只是在具体的应用中有区别。

利用本发明提出的方法，通过DSP发射混沌脉冲序列来激发超声换能器，超声波经过被测物反射后由超声换能器接收，接收到的回波信号通过带通滤波器滤波后，再应用AGC控制增益，利用A/D转换器进行数据采集，把采集到的数据送入DSP中进行相关处理。

同伪随机序列相比，混沌序列不是周期序列，因此消除了距离模糊现象。这种基于混沌脉冲宽度调制的无串扰超声测距方法允许多个超声换能器同时工作(实时性很好)，可很好地解决超声串扰问题。

参见图2，本发明的混沌脉冲序列超声波测距装置，主要由DSP(其他实施例中，也可以采用运算功能比较强的单片机)、发射驱动电路、由超声发射和超声接收部件构成的换能器、带通滤波器和自增益放大电路组成。

DSP起到多方面作用，其第一个作用是要生成混沌脉冲序列宽度调制序列，下文列举了怎样在DSP集成开发环境里通过计算和编程实现混沌数的方法。

发射驱动电路根据微机系统生成的混沌脉冲序列宽度调制序列激发超声发生换能器生成发射超声波。发射超声波遇到被测物后被反射，由超声接收换能器接收回波，并将其转化成电压信号。回波电压信号经过带通滤波器的滤波后，再通过自动增益放大电路向DSP传送信号，利用DSP内置的A/D转换器进行连续信号采集。当A/D堆栈满时，由DSP将采集到的数字信号与所先前所生成的混沌脉冲序列宽度调制序列进行相关运算并判断是否相关。若发现相关函数的值很平缓，没有达到设定的阈值，那说明接受到的回波不是自己的；否则，则说明接受到的回波是自己的。根据相关函数的峰值点确定回波的时间，进而计算到被测物的距离。程序流程图见图3。

下面举例说明了如何生成混沌脉冲序列。在DSP的集成开发环境中，采用最简单的一维虫口模型(即基本的logistic映射)来产生一组取值范围在[0，1]之间的混沌数。

基本logistic映射为：

x(n+1)＝μ·x(n)(1-x(n))，μ∈[3.599，4]，x∈[0，1]

其中x(n)是当前状态，上述映射把x(n)映射为下一状态x(n+1)。选择一个初始值x(0)开始进行迭代，得到的序列{x(n)：n＝0，1，2，A}称为该离散时间动态系统的一条轨迹，即我们所需要的一个混沌时间序列。根据参数μ的不同取值，x(n+1)的取值由周期逐次加倍进入混沌状态，这个过程称为倍周期分岔通向混沌。

当μ∈[3.599，4]时，系统处于混沌状态。混沌时间序列的一个特征是对初始条件敏感。不同的初始值x(0)，无论多么接近都会造成相邻轨迹充分大的分离，迭代出来的轨迹都不相关。可以证明，随着序列长度的增加，初始值非常接近的混沌时间序列将越来越不相关。

可以利用两个比值R_amax/R(0)和R_cmax/R(0)来表征混沌时间序列的相关特性。其中R_amax为自相关的最大旁瓣值，R_cmax为最大的互相关值，R(0)为自相关主峰(即零处自相关值)。为了能够很好地辨认出自己的回波，换能器要求自己发射的回波有很小的R_amax/R(0)；要求换能器之间的R_cmax/R(0)很小则是为了能够很好地剔除别的换能器的回波。

图4给出了2个采用一维虫口模型产生的混沌编码序列及相关结果。其中图4(a)和(b)给出的A和B通道的脉冲序列中，高电平的持续时间固定，低电平的时间由上述混沌模型产生。图4(c)和(d)分别给出了A和B通道的自相关结果，图4(e)给出了互相关结果。可以看出采用混沌编码可以有效地消除其它通道的信号(即串扰)。

【名词解释】：AGC-自动增益控制(Automatic Gain Control)；换能器-将一种形式的能量转换为另一种形式能量的器件；在声学领域，换能器主要指电/声换能器，它实现电能和声能的转换；混沌-无固定周期的循环性行为或性态，即非周期的有序性，严格地说是非周期的具有渐进的自相似有序性的现象；相关处理-利用数学中相关函数的原理，对两个序列进行卷积运算得到一个新的序列。

需要说明的是，本发明的装置发明属于一种组合发明，是一种在技术应用上具有创新性的发明，其中DSP、换能器、发射驱动电路、信号处理电路等，都属于已有技术并且已有多种形式和应用。在此不对其细部特征再作叙述。

此外，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。

Claims

1.一种混沌脉冲序列超声测距方法，包括下列步骤：

(1)利用微机系统生成混沌脉冲序列宽度调制序列；

(3)利用所述超声换能器接收被测物反射后的回波信号；

(4)利用所述微机系统，将接收的回波信号与步骤(2)所存储的混沌脉冲序列进行相关运算；确定回波时间并计算与被测物的距离。

2.根据权利要求1所述的混沌脉冲序列超声测距方法，其特征在于，所述混沌脉冲序列宽度调制序列的宽度和两个脉冲序列之间的低电平的宽度一起变化。

3.根据权利要求1所述的混沌脉冲序列超声测距方法，其特征在于，所述混沌脉冲序列宽度调制序列的宽度不变，两个脉冲序列之间的低电平的宽度改变。

4.根据权利要求1所述的混沌脉冲序列超声测距方法，其特征在于，所述混沌脉冲序列宽度调制序列的宽度改变，而两个脉冲序列之间的低电平的宽度不变。

5.根据权利要求1所述的混沌脉冲序列超声测距方法，其特征在于，所述微机系统是DSP。

6.根据权利要求1所述的混沌脉冲序列超声测距方法，其特征在于，在步骤3之后，还包括下列步骤：

(1)通过带通滤波器对所接收的回波信号进行滤波；

(2)滤波后的回波信号通过自增益放大电路进行信号处理；

(3)将处理后的信号转化成数字信号。

7.一种采用权利要求1所述的方法的混沌脉冲序列超声测距装置，所述装置包括微机系统，发射驱动电路、换能器，信号处理电路，其中，

所述微机系统用于生成混沌脉冲序列宽度调制序列；将信号处理电路输出的信号转化成数字信号；将接收的数字信号与所生成的混沌脉冲序列宽度调制序列进行相关运算，确定回波时间并计算与被测物的距离；

所述发射驱动电路根据微机系统生成的混沌脉冲序列宽度调制序列激发换能器生成和发射超声波；

所述换能器还用于接收和转化经过被测物反射后的回波信号；

所述信号处理电路对回波信号进行处理后将其输入微机系统。

8.根据权利要求7所述的混沌脉冲序列超声测距装置，其特征在于，所述微机系统为DSP。

9.根据权利要求7所述的混沌脉冲序列超声测距装置，其特征在于，所述信号处理电路包括带通滤波器和自增益放大电路，由换能器接收和转化的回波信号经过带通滤波器滤波后通过自动增益放大电路向微机系统传送信号。