CN201654231U - 基于超声波的动态距离测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于超声波的动态距离测量系统，属距离测量技术领域。该距离测量方法包括：发送端向接收端按照一定频率发送不同频谱特征的超声波信号，并记录所述超声波信号的频谱特征；接收所述接收端返回的无线电信号，所述无线电信号为接收端在收到发送端发送的所述超声波信号后，将所述超声波信号转换成的无线电信号；将所述无线电信号中承载的超声波信号的频谱特征与发送端记录的所述超声波信号的频谱特征匹配对比得出时间差，根据所述时间差计算确定发送端与接收端之间的距离。该方法利用超声波与无线电技术，以简单易行的方式，实现了对两点之间距离方便、准确的进行测定，具有测量效率高、测距结果准确、可以不间断动态测量的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及测距技术领域，特别是涉及一种基于超声波的动态距离测量系统。
背景技术
目前，对距离测量多采用直接测量、激光测距或超声波测距方式，其中，激光测距和超声波测距的测距方式使用的范围越来越多。这种方式主要通过向目标发射激光或者超声波，利用激光和超声波的回波进行计算来实现距离的测量，由于这两种方式都必须借助于回波的原因，至少存在下述缺点：
(1)在所测物体不断移动的过程中，由于无法对准测量点，难以实现测量；
(2)在所测物体的测量点难以反射回波时，比如测量点比较小难以对准，或者由于其物理属性难以反射激光或者超声波，回波比较弱时，将难以进行测量；
(3)对于超声波测量，由于依靠回波进行测量，增加了声波传送路径，易受到多径效应的影响降低测量灵敏度和准确性，另外需要仪器的超声波发射功率比较高，测距范围也受到限制；
(4)对于超声波测量，由于超声波有一定的扩散，当被测点前方一定范围内有障碍物时，将引起测量错误。
实用新型内容
基于上述现有技术所存在的问题，本实用新型实施例提供一种基于超声波的动态距离测距量系统，可以方便的对动态运动的物体的距离进行测量，得出准确的测量结果。
本实用新型的目的是通过下述技术方案实现的：
本实用新型实施例提供一种基于超声波的动态距离测量系统，包括：
发送端装置和接收端装置；
所述发送端装置，设置在发送端，用于向接收端设置的接收端装置按照一定频率周期性发送不同频谱特征的超声波信号，并记录所述超声波信号的频谱特征；及用于接收所述接收端装置返回的无线电信号，所述无线电信号为接收端装置在收到发送端装置发送的所述超声波信号后，将所述超声波信号转换成的无线电信号；将所述无线电信号中承载的超声波信号的频谱特征与发送端记录的所述超声波信号的频谱特征匹配对比得出时间差，根据所述时间差计算确定发送端装置与接收端装置之间的距离；
所述接收端装置，设置在接收端，用于接收所述发送端装置发送的所述超声波信号，并将所述超声波信号转换成无线电信号返回至所述发送端装置。
所述发送端装置包括：
超声波发送装置、无线电接收装置、计时装置、记录单元、计算处理单元和输出装置；
所述超声波发送装置，用于向设置在接收端的接收端装置发送一超声波信号；
所述记录单元，用于记录所述超声波发送装置发送的所述超声波信号的频谱特征；
所述无线电接收装置，用于接收设置在接收端的接收端装置返回的无线电信号；所述无线电信号为接收端装置在收到发送端装置发送的所述超声波信号后，将所述超声波信号转换成的无线电信号；
所述计时装置，用于在所述超声波发送装置发送超声波时刻开始计时，在所述无线电接收装置接收到返回的所述无线电信号时刻终止计时；
所述计算处理单元，用于对所述无线电接收装置接收的无线电信号中载有的超声波信号与所述记录单元记录的发送的超声波信号的频谱特征进行匹配对比，参照计时装置记录的时间得出所述超声波信号与所述无线电信号在发送端装置与接收端装置之间传输时的时间差；并根据所述时间差，计算确定发送端装置所在的发送端与接收端装置所在的接收端之间的距离；
所述输出装置，用于输出所述计算处理单元计算得出的所述距离。
所述输出装置包括：
语音输出装置和/或显示输出装置。
所述发送端装置还包括：频谱特征设定单元，用于对所述超声波发送装置发送的超声波信号的频谱特征进行设定。
所述接收端装置包括：
超声波接收装置、转换单元和无线电发射装置；
所述超声波接收装置，用于接收发送端设置的发送端装置发送的超声波信号；
所述转换单元，用于将所述超声波接收装置接收的所述超声波信号转换成无线电信号；
所述无线电发射装置，用于向发送端设置的发送端装置发射所述转换单元转换后的无线电信号。
从上述本实用新型实施例提供的技术方案中可以看出，本实用新型实施例中利用超声波信号传输的速度与无线电信号传输的速度存在差异的特点，通过测得发送端与接收端之间传输的超声波信号与无线电信号之间的时间差，来方便的测量计算得出发送端与接收端之间的距离。该系统结构简单，可方便实现对两点之间距离进行准确的测定，具有测量效率高、测距结果准确，及可以对运动物体进行动态测量，抗干扰能力强的优点。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的距离测量系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的距离测量系统的发送端装置的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的距离测量系统的接收端装置的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的距离测量方法的示意图；
图5为本实用新型实施例提供的距离测量方法的另一示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例
本实施例提供一种基于超声波的距离测量系统，可用于实现上述测量距离的方法，如图1所示，该系统具体包括：
发送端装置21和接收端装置31；
所述发送端装置21，设置在发送端，用于向接收端设置的接收端装置31按照一定频率周期性发送不同频谱特征的超声波信号，并记录所述超声波信号的频谱特征；及用于接收所述接收端装置31返回的无线电信号，所述无线电信号为接收端装置在收到发送端装置发送的所述超声波信号后，将所述超声波信号转换成的无线电信号；将所述无线电信号中承载的超声波信号的频谱特征与发送端记录的所述超声波信号的频谱特征匹配对比得出时间差，根据所述时间差计算确定发送端装置与接收端装置之间的距离；
所述接收端装置31，设置在接收端，用于接收所述发送端装置21发送的所述超声波信号，并将所述超声波信号转换成无线电信号返回至所述发送端装置21。
上述系统中的发送端装置21如图2所示，具体包括：
超声波发送装置211、无线电接收装置212、计时装置213、记录单元214、计算处理单元215和输出装置216；
所述超声波发送装置211，用于向设置在接收端的接收端装置31发送一超声波信号；
所述记录单元，用于记录所述超声波发送装置211发送的所述超声波信号的频谱特征；
所述无线电接收装置212，用于接收设置在接收端的接收端装置31返回的无线电信号；所述无线电信号为接收端装置31在收到发送端装置21发送的所述超声波信号后，将所述超声波信号转换成的无线电信号；
所述计时装置213，用于在所述无线电接收装置212接收到返回的所述无线电信号时刻开始计时；
所述计算处理单元215，用于对所述无线电接收装置212接收的无线电信号中载有的超声波信号与所述记录单元214记录的发送的超声波信号的频谱特征进行匹配对比，参照计时装置213记录的时间得出所述超声波信号与所述无线电信号在发送端装置21与接收端装置31之间传输时的时间差；并根据得出的所述时间差，计算确定发送端装置21所在的发送端与接收端装置31所在的接收端之间的距离；
所述输出装置216，用于输出所述计算处理单元215计算确定的所述距离。所述的输出装置216可采用语音输出装置，或采用显示输出装置，也可以同时采用语音输出装置和显示输出装置。
上述的发送端装置21还可以包括：频谱特征设定单元210，用于对所述超声波发送装置发送的超声波信号的频谱特征进行设定。
上述系统中的接收端装置如图3所示，具体包括：
超声波接收装置311、转换单元312和无线电发射装置313；
所述超声波接收装置311，用于接收发送端设置的发送端装置21发送的超声波信号；
所述转换单元312，用于将所述超声波接收装置311接收的所述超声波信号转换成无线电信号；
所述无线电发射装置313，用于向发送端设置的发送端装置21发射所述转换单元312转换后的无线电信号。
利用本实施例提供的基于超声波的动态距离测距量的系统，可以快速、方便的测量两点之间的距离，测量方法包括：
发送端向接收端按照一定频率周期性发送不同频谱特征的超声波信号，并记录所述超声波信号的频谱特征；即记录超声波信号的频率、波形、脉冲长度和脉冲间隔时间；
接收所述接收端返回的无线电信号，所述无线电信号为接收端在收到发送端发送的所述超声波信号后，将所述超声波信号转换成的无线电信号；
将所述无线电信号中承载的超声波信号的频谱特征与发送端记录的所述超声波信号的频谱特征匹配对比得出时间差，根据所述时间差计算确定发送端与接收端之间的距离。
上述方法中，将所述无线电信号中承载的超声波信号的频谱特征与发送端记录的所述超声波信号的频谱特征匹配对比得出时间差为：
将无线电信号中承载的超声波信号的频谱特征与发送端记录的所述超声波信号的频谱特征匹配对比时，确定的相同频谱特征之间的时间差值。
上述方法中，根据所述时间差计算确定发送端与接收端之间的距离为：
利用超声波在空气中传播的速度与所述时间差的乘积计算得出发送端与接收端之间的距离。
下面结合图4所示的测量距离的示意图，对上述方法作进一步说明：
该方法主要是利用了超声波传输与无线电信号传输的速度存在极大差异的特点，将装置1设置在发送端，将装置2设置在接收端，通过装置1与装置2配合即可方便的测量发送端与接收端之间的距离，具体步骤如下：
(1)装置1根据预先设置好的频谱特征发出超声波脉冲，并同时将此特征存入缓存芯片，同时通过无线电通讯通知接收端做好接受准备；超声波脉冲的频谱特征包括声波频率、波形、脉冲长度、脉冲间隔时间等；
(2)装置2接收到无线电信号发来的超声波信号后，立即将超声波信号转换为电信号，传回发送端(装置1)；
(3)装置1接收到传回的脉冲频谱特征后，与原来发送的频谱特征进行匹配运算；当装置1发现接收到的超声波信号与发送的超声波信号频谱特征相匹配后，计算超声波发送与接收之间的时间差，然后根据声波在空气中传播的速度，即可计算得出设置在发送端的装置1与接收端的装置2之间的距离；
(4)最后将计算结果直接显示输出或者以其他形式反馈给使用者。
对于动态的距离测量，在进行频谱特征匹配计算时需要注意多普勒效应带来的影响，即相向运动时频率加快，相反运动是频率降低，这时需要以其他特征如波形，脉冲次数等为主要匹配计算依据。如图5所示，在装置1与装置2相对静止时，装置2接收到正常的静止状态脉冲A；在二者产生相向运动时，装置2接收到的脉冲波形被压缩，频率加快为运动状态脉冲B；在二者产生相反运动是，装置2接收到的脉冲波形被拉伸，频率变慢为运动状态脉冲C。这些改变对于频谱特征匹配会有一定的影响，在计算距离结果时应予以考虑。
举例说明如下：
假设装置1发出的超声波频率为f0，声波在空气中的速度为v0，此频率的声波波长为λ，其关系为f0＝v0/λ；
在装置2以v1的速度向装置一运动时，波长λ保持不变，但其频率为：
f1＝(v0+v1)/λ；
在装置2以v1的速度背向装置一运动时，其频率为：
f1＝(v0-v1)/λ。
例如，如果装置1发生超声波频率为30000Hz，如果装置2向装置1以0.1v0的速度运动时，所测到的超声波频率将为33000Hz；如果装置2背向装置1以0.1v0的速度运动时，所测到的超声波频率将为27000Hz。
综上所述，本实用新型实施例中以较简单的方式，充分利用成熟的超声波和无线电技术，实现高效、准确、可靠的对两点间的距离进行测量。由于超声波和无线电装置的功率较低，实现该测量方法的系统可以由低功耗的终端构成，可以方便的安装在移动物体上进行移动中物体间距离的测量。该系统还包括下述优点：
(1)接收装置可以在跟随被测物体移动过程中实现测距，不需要进行目标瞄准，实现动态测量；
(2)接收装置于发送装置分离，超声波的空间行进距离将得到有效缩短(相对于回波测量缩短1/2)，信号接收质量能够得到保障，测量将比较准确，同样的信号发射功率下测距范围更加宽广；
(3)接收装置接收到的信号经过计算机处理后，将只对同一特征信号的最先达到部分，即直线到达部分进行距离计算，可有效避免超声波德多径效应带来的测量干扰。
(4)在发送装置和接收装置中间有小型障碍物时，只要二者可视，小型障碍物将不会对信号接收造成影响，因此不会引起测量误差，而利用回波测量的方法会因为障碍物干扰无法测量。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于超声波的动态距离测量系统，其特征在于，包括：
发送端装置和接收端装置；
所述发送端装置，设置在发送端，用于向接收端设置的接收端装置按照一定频率周期性发送不同频谱特征的超声波信号，并记录所述超声波信号的频谱特征；及用于接收所述接收端装置返回的无线电信号，所述无线电信号为接收端装置在收到发送端装置发送的所述超声波信号后，将所述超声波信号转换成的无线电信号；将所述无线电信号中承载的超声波信号的频谱特征与发送端记录的所述超声波信号的频谱特征匹配对比得出时间差，根据所述时间差计算确定发送端装置与接收端装置之间的距离；
所述接收端装置，设置在接收端，用于接收所述发送端装置发送的所述超声波信号，并将所述超声波信号转换成无线电信号返回至所述发送端装置。
2.如权利要求1所述的基于超声波的动态距离测量系统，其特征在于，所述发送端装置包括：
超声波发送装置、无线电接收装置、计时装置、记录单元、计算处理单元和输出装置；
所述超声波发送装置，用于向设置在接收端的接收端装置发送一超声波信号；
所述记录单元，用于记录所述超声波发送装置发送的所述超声波信号的频谱特征；
所述无线电接收装置，用于接收设置在接收端的接收端装置返回的无线电信号；所述无线电信号为接收端装置在收到发送端装置发送的所述超声波信号后，将所述超声波信号转换成的无线电信号；
所述计时装置，用于在所述超声波发送装置发送超声波时刻开始计时，在所述无线电接收装置接收到返回的所述无线电信号时刻终止计时；
所述计算处理单元，用于对所述无线电接收装置接收的无线电信号中载有的超声波信号与所述记录单元记录的发送的超声波信号的频谱特征进行匹配对比，参照计时装置记录的时间得出所述超声波信号与所述无线电信号在发送端装置与接收端装置之间传输时的时间差；并根据所述时间差，计算确定发送端装置所在的发送端与接收端装置所在的接收端之间的距离；
所述输出装置，用于输出所述计算处理单元计算得出的所述距离。
3.如权利要求2所述的基于超声波的动态距离测量系统，其特征在于，所述输出装置包括：
语音输出装置和/或显示输出装置。
4.如权利要求1所述的基于超声波的距离测量系统，其特征在于，所述发送端装置还包括：频谱特征设定单元，用于对所述超声波发送装置发送的超声波信号的频谱特征进行设定。
5.如权利要求1所述的基于超声波的动态距离测量系统，其特征在于，所述接收端装置包括：
超声波接收装置、转换单元和无线电发射装置；
所述超声波接收装置，用于接收发送端设置的发送端装置发送的超声波信号；
所述转换单元，用于将所述超声波接收装置接收的所述超声波信号转换成无线电信号；
所述无线电发射装置，用于向发送端设置的发送端装置发射所述转换单元转换后的无线电信号。
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