[發明專利]基于數字濾波、數字包絡提取的超聲波測距算法

在審

• 申請號: 201610670274.0
• 申請日: 2016-08-16
• 公開（公告）號: CN107765235A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 歐耿洲;閔銳;金傳恩;汪群
• 申請（專利權）人: 合肥科盛微電子科技有限公司
• 主分類號: G01S7/539
• 分類號: G01S7/539;G01S15/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明提出了一種數字濾波、數字包絡提取的超聲波測距方法，用于提高測距系統的精度。該處理方法采用全數字化，包絡數字濾波、數字提取包絡、數字峰值點查找。適用于倒車雷達、無人機、掃地機等領域。

背景技術：

1、超聲波在傳輸過程中能量消耗緩慢、且以直線傳播，遇到障礙物會發生繞射和反射，其對于極端的外界環境如霧霾天氣、沙塵暴天氣、雨雪天氣等具有高適應性；同時超聲波不受傳輸介質的影響，在氣體、液體、固體中均可以傳播，且在介質中可以傳輸較遠的距離，對于測距系統來說是一種理想的測量媒介。

2、傳統超聲波測距系統中的帶限濾波器、包絡檢測設計為阻容耦合電路的硬件電路實現，其精度低、效果不穩定，而且由于系統模塊的大小限制，以及傳統RC硬件電路的不穩定性，很難在實際的工程生產中得以利用。同時，如果超聲波測距系統的中心頻率發生變化，內部的電阻、電容需要重新進行更換，對于集成好的測距系統很不方便且增加了硬件成本。傳統的包絡檢測算法是利用偽隨機序列的相關運算進行處理，考慮到相關運算中FFT等運算的復雜性，以及500μs左右的碼元長度，其并不適用于短量程的嵌入式測距系統。

發明內容：

本發明的目的在于解決上述現有技術的問題，提供一種超聲波測距回波測距方法，在算法濾波、算法提取包絡的同時，可以對于綜合輸出結合點跡法計算回波信號的飛躍時間，可以提高測距精度，保證測距系統的實時性。該方法完全使用軟件算法程序實現，在市場上現有的嵌入式主控平臺可以通用。

本發明的目的可以通過以下措施實現：

1、一種超聲波回波信號的數字濾波、數字提取包絡的方法，該方法包括以下5個步驟：

巴特沃斯IIR數字帶通濾波算法(101)、整流器算法(102)、包絡檢測算法(103)、下采樣算法(104)、巴特沃斯IIR數字低通濾波算法(105)。

1)數字帶通濾波算法(101)：在回波信號經過多級放大及ADC數字化之后，首先經過巴特沃斯IIR數字帶通濾波算法；

2)整流器算法(102)：數字帶通濾波算法的輸出會作為整流器算法的輸入，并被整流器算法濾除X軸負半軸回波；

3)包絡檢測算法(103)：包絡峰值提取。整流器算法的輸出會做為包絡峰值提取算法的輸入。通過點跡法來計算飛躍時間T。

4)下采樣算法(104)：包絡峰值提取算法(103)和下采樣算法(104)共同提取X軸正半軸的回波包絡；

5)數字低通濾波算法(105)：回波包絡的數據信息會通過巴特沃斯IIR數字低通濾波算法。

2、進一步地，包絡峰值提取算法和下采樣算法，其特征是：基于等間隔比較并輸出間隔區間內峰值點的原理，利用純軟件實現且不依賴于外界的電容電阻或外設芯片。

3、進一步地，對于濾波及包絡提取算法的綜合輸出信號，提出了一種計算回波渡越時間的點跡法，該點跡法通過尋找低通濾波輸出數組中的峰值點N_top，來計算得到回波到達的飛躍時間T；

4、進一步地，對于濾波及包絡提取算法的綜合輸出信號，提出一種計算回波渡越時間的閾值點跡綜合算法，在系統發送周期方波信號后打開定時器，利用定時器記錄ADC采樣前信號過比較器閾值的時間t1，再通過尋找低通濾波輸出數組中的峰值點N_top，來計算得到回波到達的飛躍時間T。

5、本算法目前實現的微控制器平臺為國產公司nuvoton旗下的NUC472主控(也可以其它型號的主控，例如STM32，單片機，DSP芯片等)，可以節約開發成本。發送波為方波，利用IO口等時間間隔輸出高低電平，頻率為58KHz(算法處理的中心頻率不限)，整套測距算法均在主控CPU內部計算完成，從而得出被測物體的距離。

6、本發明中對于巴特沃斯IIR數字帶通、數字低通濾波算法應對不同的主控平臺形式可以不同，在NUC472主控中可以利用cortex-M4內部集成的DSP庫函數輔助完成，同時也可以利用差分方程設計filter函數實現，差分方程形式如下：

其中ADC采樣的點存放于數組x[n]中，其數組元素的個數由測距大小來確定，a_k為分母系數，b_k為分子系數，分子分母的系數根據工程技術要求(濾波器的階數、帶寬和中心頻率等)來確定，可以通過MATLAB軟件計算得出，y[n]為濾波輸出。