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声波测距方法及装置

归档日期:07-26       文本归类:帧尾定界符      文章编辑:爱尚语录

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  本发明公开了一种声波测距方法及装置,涉及测量技术领域,主要目的在于克服现有声波测距技术中存在的因回波丢失和声道干扰造成的测量可信度差、难以克服风速影响、以及由回波起伏引起触发相位偏移产生的测距误差。技术主要包括:发送端发送经过编码的检测帧编码格式的声波并启动有效测量波计数。当接收端收到引导码后进入声波接收状态,检测到帧起始定界符后开始对有效测量波计数,接收到第一个有效测量波时,向发送端发送电平握手信号。发送端收到电平握手信号后,发送帧结束定界符,停止计数,统计并传送有效测量波的波数,接收端收到帧结束定界符后,统计实际收到的有效测量波数,若二者相等,则根据统计的有效测量波数和波长的关系计算距离。

  与红外、激光和无线电测距相似,超声波测距也是一种典型的非接触式检测方法,同时声波还具有成本低、不受光线、电磁场等因素的干扰,因而在机器人避障、空间定位、导航等工业领域得到了广泛应用。

  目前,从测量方式上看,超声测距仪具有对射式和反射式,其中,反射式又分收发一体式和收发独立式两种。就测量原理而言,主要有时间飞行法、相位差法和回波幅值法,这三种方法均属于开环测量方法,其主要问题是系统无法检测回波丢失和声波传输通道的干扰,因而难以保证测距结果的可靠性。其中,时间飞行法的基本思想是发射端首先发射一串声波脉冲,接收端同时开始计时,直至收到第一个回波脉冲后停止计时,因而根据声速c和声波飞行时间t即可计算出声波飞行距离。由于收发端无反馈机制,系统无法识别接收端收到的是第几个回波,如果起始回波丢失,会造成较大的测量误差。例如,当测量频率为40KHz,声速为340m/s,丢失起始回波产生的测量误差为8.5mm。相位差法的基本思想是发射端分时发射2种或3种不同频率的声波脉冲,接收端通过鉴相器将接收到的波形与发射时的初始波形依次进行相位比较,获得各个频率的相位差,根据相位差与声波传输距离的关系可以求解距离。其优点是可以连续测量,且测量精度较高,但因相位差与距离之间并非一一映射关系,而是具有一定的周期性,当距离超过一定值时会出现相位差混叠,因而相位差法的测距范围有限。此外,因系统收/发两端处于开环状态,当声波传输通道受到干扰时,系统也会产生较大的测量误差。回波幅值法的基本思想是根据回波幅度与距离之间的正相关特性进行测距,由于回波幅度除与距离有关外,极易受到外界因素的干扰,因而这种测距方法较少在工程上使用。

  另外,超声波在空气中传播时,随着距离的增加,其能量按指数规律衰减。因此,在不同距离上的回波幅度的差异很大,由于在调理电路中通常采用电压比较器将回波(形状为半波正弦波)跟某一基准电压比较,将其整形为矩形波后送往微处理器处理。当被测距离变化时,由于回波幅度的变化必然导致其触发相位(或到达时间)的不确定性,这种不确定性是影响时间飞行法和相位差法测量精度的重要原因之一。目前,针对这种回波起伏产生的测距误差采取的主要措施有自动增益控制(AGC)或可变基准比较电压的方法。前者的基本思想是通过AGC电路对远距离衰减的回波进行幅度补偿,从而使其到达比较器的幅度尽量趋于一致。但AGC电路本身是一种滞后补偿且会产生附加的相移,因而补偿精度难以做到一致性。可变基准电压法的思想是将比较器的基准电压设置为可变的,其值随着测量距离的增加而逐渐减小,以补偿回波触发相位的不确定性。由于回波的幅度不仅与距离相关,还受到介质吸收程度、环境等多元因素影响,因此可变基准电压法的精度补偿结果难以量化。并且,由于受测量原理的限制,上述方法无法较好克服风速对测量结果产生的影响。

  综上所述,现有的测距方法存在的主要问题可归纳为:1)均为开环模式,系统无法检测回波丢失和声道噪声干扰,因而测距结果的可信度较差;2)难以对回波起伏产生的触发延迟时间进行量化,以便对测距精度进行精确补偿;3)无法抑制风速对距离测量的影响。因此,研制一种能够自动检测声道噪声,精确量化和补偿回波起伏误差,以及能够克服风速影响的声波测距传感器就成为该技术领域亟待解决的问题。

  鉴于上述问题,提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的声波测距方法及装置。

  通过第一测距端发送经过编码的检测帧编码格式的声波,并启动对发送所述检测帧中有效测量波的计数,所述检测帧格式的声波按照发送顺序依次包括引导脉冲、帧起始定界符、有效测量波、帧结束定界符;

  通过所述第二测距端接收到所述引导脉冲后,所述第二测距端进入接收有效测量波状态,当检测到所述帧起始定界符时,启动接收有效测量波;

  当所述第二测距端接收到第一个有效测量波时,向所述第一测距端发送电平握手信号,记录接收到的有效测量波的个数,对回波进行整形,并通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿;

  当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时,向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符,停止对所述有效测量波的计数,并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数;

  当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时,统计接收到的有效测量波的第二波数,并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等,若相等,则根据记录的有效测量波的个数计算距离,若不等,则将当前测量结果确定为无效。

  进一步地,所述当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时,向所述第二测距端发送所述检测帧对应的帧结束定界符,停止对所述有效测量波的计数,并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数包括:

  当所述第一测距端接收到所述电平握手信号时,若存在未发送完毕的有效测量波时,将所述有效测量波发送完毕的剩余波段确定为尾波,记录所述尾波补充发送时间,并向所述第二测距端发送帧结束定界符,停止对所述有效测量波的计数,并通过通讯端口向所述第二测距端发送计数统计的有效测量波的第一波数及所述尾波补充时间;

  所述当所述第二测距端接收到所述帧结束定界符及所述第一波数时,统计接收到的有效测量波的第二波数,并判断所述第一波数与所述第二波数是否相等,若相等,则根据记录的有效测量波的个数计算距离,若不等,则将当前测量结果确定为无效包括:

  当接收到所述帧结束定界符、所述第一波数以及所述尾波补充时间时,统计接收的有效测量波的第二波数,若所述第一波数与所述第二波数相等,则根据有效波数公式计算出所述第二测距端与所述第一测距端之间的传播通道中实际填充的波数,并根据所述波数与波长关系计算距离,所述实际通道填充波数公式为:

  其中,所述tr为尾波补充时间,所述nm为一个检测帧中有效测量波的波数,T为回波周期。

  进一步地,所述第二测距端与所述第一测距端为对射方式配对关系,其中,通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的声波收/发单元进行发送、和/或接收声波,通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的回波调理电路对接收到的所有有效测量波进行回波调理,并且通过所述第二测距端、和/或所述第一测距端中的微处理器根据对射方式执行记录波数、相位偏移补偿以及比较波数的步骤。

  进一步地,所述通过脉宽捕获方式对整形后的回波脉冲触发相位偏移量进行补偿包括:

  通过收/发一体式声波转换器将有效测量波的声波振动转换为电压信号,通过带通滤波器与放大器将所述电压信号变换为具有一定幅值的单一频率的正弦波,通过绝对值电路将交流信号处理为直流脉冲信号,并通过电压比较器将所述直流脉冲信号转变为边沿陡峭的矩形波信号;

  通过微处理器测量所述边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度,通过声波波长和测得的脉宽求解回波脉冲的触发相位,进行相位偏移补偿,所述边沿陡峭的矩形波信号的滞后时间为:所述滞后时间对应的等效波数为:其中,tw为边沿陡峭的矩形波信号的脉冲宽度,T为回波周期。

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