CN101173986B - 一种无盲区的超声测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无盲区的超声测距仪，包括向被测物体发射超声波的超声波发射模块，接收由被测物体反射的回波的超声波接收模块，与所述超声波接收模块实现电连接的、对回波进行放大的信号放大模块，与所述信号放大模块相连，计算得到初步距离值的信号处理模块，与所述信号处理模块相连的信号存储和控制模块，用于记录所述初步距离值并控制输出最终距离值；与所述信号存储和控制模块相连并受其控制的波形调整模块，用于实时调整超声波发射模块所发射的超声波形状。此外，还包括与所述信号存储和控制模块相连的信号补偿模块。本发明的无盲区的超声测距仪量程大，测量距离可达10米，无测距盲区、可全量程测量且测量精度高达1毫米。

Description

一种无盲区的超声测距仪

技术领域

本发明涉及一种测距装置，更具体地说，涉及一种通过测量超声波的传播时间来计算被测物体距离的无盲区的超声测距仪。

背景技术

由于超声波指向性强，勿需接触物体，能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单且易于做到实时控制，并且在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

超声测距仪通过超声波发生器向目标物体发射超声波，当声波到达目标物体时被反射回到超声测距仪，超声测距仪中的声波接收器接收目标物体发射的声波并自动记录下从声波发射时刻到声波被目标物体反射回到超声测距仪的时刻之间的时间。因为我们已知声波在传输介质中的传递速度，这样就可以计算出从声波发生器到目标物体间的距离。

如图1所示，是超声测距的一般原理框图。超声波发射器1以固定角度α、固定频率向某一方向发射一束超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物3就立即返回来，超声波接收器2收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s＝340t/2，t为计时时间。当然，超声波也可在其它传播介质中传播，假设超声波在该传播介质中的传播速度为v m/s，则发射点距障碍物的距离s＝vt/2。

可见，只要控制超声波的发射时刻，采集超声波自发射至接收到来自被测物体的发射波这样一个往返时间的间隔，就可以得到测量距离。

此处，发射头1和接收头2之间的安装距离固定为x，x和被测物3的距离形成锐角等腰三角形，而发射波的覆盖面是有限的，即发射波的角度α是有限的，因此当被测量的物体逐渐靠近传感器时，该锐角三角形向钝角等腰三角形转化，由于α的限制，当被测物体非常接近传感器时，该钝角不能再继续变大，因此形成盲区，这基本上是超声测距仪固有的特性。

超声测距仪具有性能可靠、结构简单、生产成本低、使用方便、测量精度高、能在恶劣的环境中工作等优点。

超声测距的主要应用范围：卷筒直径实时测量、工作情况监测、物体的尺寸分类或选择、层面、液面控制、接近预警或安全防范、非接触测距和系统输出等。

目前超声测距仪的设计一般有两种方法：一是使用专用集成电路设计超声测距仪，但是专用集成电路的成本很高；二是用常规分立器件和单片机设计。然而，这两种方法存在的最大的共同问题都是测量盲区较大，通常对于短距离测量，如1m量程，盲区达15cm以上；2m量程中盲区达20cm以上，6m以上盲区达到40cm，有些产品甚至达到80cm。传感器在使用过程中，大的盲区使得近距离的测量无法实现，就好比远视眼，只能看远处，近处就像瞎子一样。现有技术状态下，超声测距仪很难同时保证又缩小盲区又有大的量程。另外，超声测距仪的特点使得它又具有很大的应用范围，因此需要有一种既能缩小盲区又有大的量程的超声测距仪。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述测量盲区大且测量量程有限、精度低的缺陷，提供一种大量程，测量距离可达10m，无测距盲区、可全量程测量且测量精度高达1毫米(1mm)的无盲区的超声测距仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无盲区的超声测距仪，包括向被测物体发射超声波的超声波发射模块，接收由被测物体反射的回波的超声波接收模块，与所述超声波接收模块实现电连接的、对回波进行放大的信号放大模块，以及与所述信号放大模块相连，计算得到初步距离值的信号处理模块，还包括与所述信号处理模块相连的信号存储和控制模块，用于记录所述初步距离值并控制输出最终距离值；与所述信号存储和控制模块相连并受其控制的波形调整模块，用于实时调整超声波发射模块所发射的超声波形状。

在本发明所述的无盲区的超声测距仪中，还包括与所述信号存储和控制模块相连的信号补偿模块。

在本发明所述的无盲区的超声测距仪中，各模块对信号进行处理的流程包括以下步骤：

(S301)首先进行超声波满功率发射；

(S302)检测是否有接收信号，如果有则转到步骤(S303)，否则返回；

(S303)进行计数并计算与被测物体间的初步距离值；

(S304)记录所得到的初步距离值；

(S305)调整发射波形的占空比；

(S306)判断记录次数是否大于预定次数，如果是则转到步骤(S307)，否则转到步骤(S302)；

(S307)进行数据融合处理，信号补偿并输出最终距离值，返回到步骤(S302)。

在本发明所述的无盲区的超声测距仪中，所述(S305)中的调整发射波形的占空比包括：判断步骤(S304)中所得到的距离值是否大于第一预定值，如果是则将方波的占空比调整为第一占空比；否则判断该距离值是否小于第二预定值，如果是则将方波的占空比调整为第二占空比，否则将方波的占空比调整为第三占空比。

在本发明所述的无盲区的超声测距仪中，所述步骤(S305)中的预定次数为3、4或5；所述第一预定值为6米，所述第二预定值为1米；所述第一占空比为75％，所述第二占空比为25％，所述第三占空比为50％。

在本发明所述的无盲区的超声测距仪中，所述步骤(S307)中的数据融合处理是指对经过预定次数采集到的信号，简单地去除最大值和最小值，对剩下数值求平均值。

在本发明所述的无盲区的超声测距仪中，所述步骤(S307)中的信号补偿是指在所述信号补偿模块进行以下三种方式的信号补偿：(1)补偿接收到回波的时刻与信号处理结束后触发计数停止之间的差值；(2)补偿单片机本身计数精度；(3)补偿环境对超声波的声速影响。

本发明还提供了一种超声测距方法，包括如下步骤：(a)首先进行超声波满功率发射；(b)检测是否有接收信号，如果有则转到步骤(c)，否则返回；(c)进行计数并计算与被测物体间的初步距离值；(d)记录所得到的初步距离值；(e)调整发射波形的占空比；(f)判断记录次数是否大于预定次数，如果是则转到步骤(g)，否则转到步骤(b)；(g)进行数据融合处理，信号补偿并输出最终距离值，返回到步骤(b)。

在本发明所述的超声测距方法中，所述(e)中的调整发射波形的占空比包括：判断步骤(d)中所得到的距离值是否大于第一预定值，如果是则将方波的占空比调整为第一占空比；否则判断该距离值是否小于第二预定值，如果是则将方波的占空比调整为第二占空比，否则将方波的占空比调整为第三占空比。

在本发明所述的超声测距方法中，所述步骤(g)中的数据融合处理是指对经过预定次数采集到的信号，简单地去除最大值和最小值，对剩下数值求平均值。

实施本发明的无盲区的超声测距仪，具有以下有益效果：消除了测距盲区，而且可达到全量程测量；测量量程大，测量距离可达10米。此外，通过信号补偿模块可提高测量精度，且测量精度高达1毫米。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中超声测距的原理框图；

图2是本发明无盲区的超声测距仪优选实施例的逻辑框图；

图3是本发明无盲区的超声测距仪优选实施例的信号处理流程图；

图4是本发明无盲区的超声测距仪优选实施例的测距原理框图；

图5是本发明无盲区的超声测距仪优选实施例中调整发射波形占空比的流程图；

图6是本发明无盲区的超声测距仪优选实施例的电路原理图。

具体实施方式

如图2所示，是本发明无盲区的超声测距仪优选实施例的逻辑框图。其中包括超声波发射模块、超声波接收模块、信号放大模块，信号处理模块、信号存储和控制模块、波形调整模块以及信号补偿模块。超声波发射模块向障碍物发射超声波。该超声波到达障碍物后被发射回来，超声波接收模块接收该发射超声波，并将其传送到信号放大模块。信号放大将信号进行放大后传送到信号处理模块，信号处理模块进行计数并计算一个初步距离值。接着将该初步距离值传输到信号存储和控制模块，由其进行存储并记录测量次数。同时可根据该初步距离值控制波形调整模块进行发射波形的占空比调整。波形调整模块根据所记录的距离值调整发射波形占空比，从而调整发射功率，进而变相调整放大倍数。经过预定次数的信号采集之后，信号存储和控制模块可将所记录的所有初步距离值进行融合处理以保证消除误信号，最后将处理后的距离值传送给信号补偿模块进行信号补偿，从而输出具有一定测量精度的最终距离值。

如图3所示，是本发明无盲区的超声测距仪优选实施例中信号处理的流程图。在步骤301中，超声波发射模块首先进行满功率发射。接着，在步骤302中，由超声波接收模块检测是否有接收信号，如果是则转到步骤303，否则返回。在步骤303中，由信号放大模块对信号进行放大并由信号处理模块进行计数并计算初步距离值。在步骤304中，信号存储和控制模块记录步骤303中所得到的初步距离值。在步骤305中，由波形调整模块根据初步距离值调整发射波形占空比，从而调整发射功率，进而可变相调整放大倍数。在步骤306中，信号存储和控制模块判断已记录次数是否大于预定次数，如果是，则说明已记录所需的距离值，可转到步骤307中，对数据进行融合处理，并由信号补偿模块对该距离值进行补偿并输出最终结果。如果尚未达到预定次数，则转到步骤302中。在步骤307中输出最终距离值之后，返回到步骤302中，进行下一个最终距离值的计算、记录和输出等操作。

下面将结合本发明优选实施例对本发明无盲区的超声测距仪的各模块做进一步说明。

1、超声波发射模块

本发明优选实施例中采用了发射增强型的40k频率方波激励超声波发射器。由单片机软件生成40k方波，发射器硬件采用双路信号，即在超声发射头的两端都提供方波信号。一般情况下采用单路信号。这样可根据情况增强发射信号的强度，同时又不改变信号的频率，从而可以调整发射信号的强度。

超声传感器之所以在探测距离越大的情况下会出现测量盲区越大的问题，是因为如果要提高探测距离，必须提高发射功率。而发射器的发射功率越大，在探测近距离物体时，接收器很容易收到误信号。所谓误信号是指并非由超声波探测到的被测对象反射回来的信号，而是发射波形对接收器形成直接干扰，即cross-talk信号(串扰信号)。因此，如果要实现长的探测距离和小的盲区，甚至是无盲区，必须改变发射方式，即采用声波波形分段调整技术。

在本发明优选实施例中，信号发射时，不采用常规的固定信号强度方式，而是采用分段方式。即在探测长距离物体时，令发射模块进行全功率发射；在探测中间段距离物体时，令发射模块采用半功率发射；在探测近距离物体时，令发射模块采用低功率。这样就可以解决由超强信号带来的干扰所形成大盲区的问题。

但是，要解决超声传感器本身固有的盲区，必须改变信号的波形。从图1可见，之所以形成盲区，是因为α角度固定，在被测物体与超声传感器的距离非常近时，探测波形形成的三角形不能再继续变形，即等腰三角形的钝角不能再继续变大，因而形成盲区。在本发明优选实施例中，如图4所示，当被测物体3与超声传感器的距离逐渐变小时，可以实时调整超声波的形状，即超声波的发射波形的角度α逐步变大，从而消除盲区三角形。

2、超声波接收模块

超声波接收模块与超声波发射模块相配对，用于接收由被测物体反射回来的超声波。在本发明优选实施例中，超声波接收模块与现有技术相同，在此不作详细说明。

3、信号放大模块

将接收到的超声波调制脉冲变为交变电压信号，其信号幅度随距离不同而不同。在距离较远的情况下，声波的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，需要放大处理。通常对信号进行2-3级放大，放大倍数在几十万倍左右。如果按照常规的方式，信号弱小时(远距离)经过放大后，信号增强；而信号较强时(近距离处)经放大后信号会过强，以至于饱和，这也进一步致使盲区形成。这样就存在了矛盾，因而需要在信号放大和处理时，既能保证弱小信号足够放大，又保证强的信号不失真。在本发明优选实施例中，通过硬件和软件相结合的方式实现信号处理的控制，可智能调节放大的程度，使之均衡。具体调节方法将在下面的波形调整模块进行说明。

4、信号处理模块

对信号进行放大之后，在信号处理上，通过计数发射超声波到接受到回波的时刻差，得到超声波的传播时间，进而可计算得到被测物体的初步距离值。

5、信号存储和控制模块

信号存储和控制模块可记录信号处理模块得到的初步距离值，并根据该距离值的大小控制波形调整模块进行波形调整。同时计算记录次数，判断该记录次数是否达到预定次数，如果是则对预定次数内的所有初步距离值进行融合处理以消除误信号。同时可将融合处理后的数据传送到信号补偿模块，控制信号补偿模块对该数据进行补偿处理，并得到具有足够精度的最终距离值。

在本发明的优选实施例中，对信号进行5次采集，简单地去除最大值和最小值，剩下数值求平均值。之所以采集5次是因为如果次数过多，测量时间过长，导致反应较慢，不符合实时性的要求。当然，本领域技术人员应该理解，信号采集的次数也可根据需要进行调整。但是如果信号采集的次数过大，容易导致计算时间过长，响应慢；而如果信号采集的次数过少，则没有融合价值。所以信号采集的次数选择为3-5次较好。

6、波形调整模块

如图5所示，给出了根据探测距离的变化实时调整超声波形状的流程图。首先由高低电平实现40k方波，并将该方波输出给单片机的相关管脚，进而实现超声波的发射。接着判断被测物体与超声传感器的距离是否大于第一预定值，在本优选实施例中，第一预定值为6米，如果是则将方波的占空比调整为第一占空比，在本优选实施例中，第一占空比选为75％。如果被测物体与超声传感器的距离小于第一预定值，则再次判断被测物体与超声传感器的距离是否小于第二预定值，在本优选实施例中，第二预定值为1米，如果是将方波的占空比调整为第二占空比，在本优选实施例中，第二占空比选为25％。如果该距离大于第二预定值而小于第一预定值，在本优选实施例中，即距离值介于1米和6米之间时，将方波的占空比调整为第三占空比，在本优选实施例中，第三占空比选为50％。本发明优选实施例中，采用的方波占空比分别为25％、50％和75％。本领域技术人员可理解，也可采取其它数值范围的方波占空比。

在波形调整模块中，通过调整发射波形占空比，进而可调整发射功率。由于调整了超声波发射模块的发射功率，相当于调整了信号放大和处理模块中的放大倍数，从而相当于根据距离远近对不同强弱的信号采取不同的放大倍数，从而既可保证弱小信号足够放大，又保证强的信号不失真。

7、信号补偿模块

为了保证测量精度，在信号采集过程中，存在三方面的补偿，一是接收到回波的时刻与信号处理结束后触发计数停止之间存在差值，需要补偿；二是单片机本身计数精度的补偿；三是温度等环境对超声波的声速影响的补偿。

(1)、第一种情况形成的误差是较随机的，由于接收到的第一个回波未必是前面所发射的第一个波反射形成的，有可能会是所发射的一串波中的其中一个所反射回来的，即有遗失，因此，在前面数据采集中进行了5次采集，对这种误差也会有所补偿，另外就是通过下面第(4)条进行系统误差补偿。

(2)、第二种情况可以采用高主频的单片机，计数时选用最小指令周期作为计数的步长值，这样可以较精确地采集计数间隔，改善计数精度，这一点对提高测量精度是很直接的。

(3)、第三种情况的温度补偿，由于声波的传输速度受温度和介质的影响，

                 C＝331.5+0.607t(m/s)

上式中，C为声速，C＝340m/s是指常温在15°时的速度，t是温度，由上式可见，速度受温度的影响很大，如果不进行温度的补偿，会对传感器的测量精度有影响。

温度补偿需要在系统中采用温度传感器，实时检测环境温度，计算声速C的值，从而获取在这一速度下的距离值。

(4)进行传感器标定。传感器进行一系列的距离测量，获取测量值与真实值之间的差值，得出系统误差，进行比例补偿。

如图6所示，是本发明无盲区的超声测距仪优选实施例的电路原理图。在图6中，左边是超声波发射，IOA0和IOA1是单片机的输出口，用来给超声波发射器施加激励信号，也正是通过这两个口来进行信号调节；右边是超声波信号接收和放大处理模块，IOA3是单片机的输入信号，图中省略单片机，单片机对IOA3的输入信号进行处理，得出距离值。

本发明还提供了一种超声测距方法。首先进行超声波满功率发射，然后检测是否有接收信号，如果没有则返回继续检测，如果有则进行计数并计算与被测物体间的初步距离值。随后记录所得到的初步距离值并根据该初步距离值实时调整发射波形的占空比，如果初步距离值大于第一预定值则将方波的占空比调整为第一占空比，如果初步距离值小于第二预定值，则将方波的占空比调整为第二占空比，如果初步距离值介于第一预定值和第二预定值之间，则将方波的占空比调整为第三占空比。接着判断记录次数是否大于预定次数，如果没有返回继续检测是否有接收信号，如果是则对进行融合处理，信号补偿并输出最终距离值。在此所述的数据融合处理是指对经过预定次数采集到的信号，简单地去除最大值和最小值，对剩下数值求平均值。

在本发明的优选实施例中，所述预定次数是指为3、4或5。因为如果信号采集的次数过大，容易导致计算时间过长，响应慢；而如果信号采集的次数过少，则没有融合价值。所以信号采集的次数选择为3-5次较好。所述第一预定值为6米，所述第二预定值为1米。所述第一占空比为75％，所述第二占空比为25％，所述第三占空比为50％。这些数值都是优选实施例中所选用的，本领域技术人员应明白，可以采用其它数值，只要不脱离本发明的精神和范围即可。

本发明的无盲区的超声测距仪消除了测距盲区，而且可达到全量程测量；测量量程大，测量距离可达10米。此外，通过信号补偿模块可提高超声测距仪的测量精度，且测量精度高达1毫米。

Claims (5)

1.一种无盲区的超声测距仪，包括向被测物体发射超声波的超声波发射模块，接收由被测物体反射的回波的超声波接收模块，与所述超声波接收模块实现电连接的、对回波进行放大的信号放大模块，与所述信号放大模块相连，计算得到初步距离值的信号处理模块，以及与所述信号处理模块相连的信号存储和控制模块，用于记录所述初步距离值并控制输出最终距离值，其特征在于，

还包括：

与所述信号存储和控制模块相连并受其控制的波形调整模块，用于调整超声波发射模块所发射的超声波的占空比；

与所述信号存储和控制模块相连的信号补偿模块；且

所述无盲区的超声测距仪的各个模块对信号处理的流程包括以下步骤：

(S301)超声波发射模块首先进行超声波满功率发射；

(S302)超声波接收模块检测是否有接收信号，如果有则转到步骤(S303)，否则返回；

(S303)由信号放大模块对信号进行放大并由信号处理模块进行计数并计算初步距离值；

(S304)信号存储和控制模块记录步骤(S303)所得到的初步距离值；

(S305)波形调整模块根据初步距离值调整发射波形的占空比，从而调整发射功率；

(S306)信号存储和控制模块判断记录次数是否大于预定次数，如果是则转到步骤(S307)，否则转到步骤(S302)；

(S307)进行数据融合处理，信号补偿模块进行信号补偿并输出最终距离值，返回到步骤(S302)；其中，

所述步骤(S305)中的调整发射波形的占空比包括：判断步骤(S304)中所得到的距离值是否大于第一预定值，如果是则将方波的占空比调整为第一占空比；否则判断该距离值是否小于第二预定值，如果是则将方波的占空比调整为第二占空比，否则将方波的占空比调整为第三占空比；

所述第一预定值为6米，所述第二预定值为1米；所述第一占空比为75％，所述第二占空比为25％，所述第三占空比为50％。

2.根据权利要求1所述的无盲区的超声测距仪，其特征在于，

所述步骤(S305)中的预定次数为3、4或5。

3.根据权利要求1所述的无盲区的超声测距仪，其特征在于，所述步骤(S307)中的数据融合处理是指对经过预定次数采集到的信号，简单地去除最大值和最小值，对剩下数值求平均值。

4.一种超声测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)首先进行超声波满功率发射；

(b)检测是否有接收信号，如果有则转到步骤(c)，否则返回；

(c)进行计数并计算与被测物体间的初步距离值；

(d)记录所得到的初步距离值；

(e)根据所述初步距离值调整发射波形的占空比以调整发射功率；

(f)判断记录次数是否大于预定次数，如果是则转到步骤(g)，否则转到步骤(b)；

(g)进行数据融合处理，信号补偿并输出最终距离值，返回到步骤(b)；其中，

所述步骤(e)中的调整发射波形的占空比包括：判断步骤(d)中所得到的距离值是否大于第一预定值，如果是则将方波的占空比调整为第一占空比；否则判断该距离值是否小于第二预定值，如果是则将方波的占空比调整为第二占空比，否则将方波的占空比调整为第三占空比；

所述第一预定值为6米，所述第二预定值为1米；所述第一占空比为75％，所述第二占空比为25％，所述第三占空比为50％。

5.根据权利要求4所述的超声测距方法，其特征在于，所述步骤(g)中的数据融合处理是指对经过预定次数采集到的信号，简单地去除最大值和最小值，对剩下数值求平均值。

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