[發(fā)明專利]聲波測(cè)距方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810041421.7
• 申請(qǐng)日: 2018-01-16
• 公開（公告）號(hào): CN108562906B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白海城
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 遼寧石油化工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S15/08
• 分類號(hào): G01S15/08
• 代理公司: 鄭州先風(fēng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41127
• 代理人: 王俊紅

本發(fā)明公開了一種聲波測(cè)距方法及裝置，涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，主要目的在于克服現(xiàn)有聲波測(cè)距技術(shù)中存在的因回波丟失和聲道干擾造成的測(cè)量可信度差、難以克服風(fēng)速影響、以及由回波起伏引起觸發(fā)相位偏移產(chǎn)生的測(cè)距誤差。技術(shù)主要包括：發(fā)送端發(fā)送經(jīng)過(guò)編碼的檢測(cè)幀編碼格式的聲波并啟動(dòng)有效測(cè)量波計(jì)數(shù)。當(dāng)接收端收到引導(dǎo)碼后進(jìn)入聲波接收狀態(tài)，檢測(cè)到幀起始定界符后開始對(duì)有效測(cè)量波計(jì)數(shù)，接收到第一個(gè)有效測(cè)量波時(shí)，向發(fā)送端發(fā)送電平握手信號(hào)。發(fā)送端收到電平握手信號(hào)后，發(fā)送幀結(jié)束定界符，停止計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)并傳送有效測(cè)量波的波數(shù)，接收端收到幀結(jié)束定界符后，統(tǒng)計(jì)實(shí)際收到的有效測(cè)量波數(shù)，若二者相等，則根據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效測(cè)量波數(shù)和波長(zhǎng)的關(guān)系計(jì)算距離。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種聲波測(cè)距方法及裝置。

背景技術(shù)

與紅外、激光和無(wú)線電測(cè)距相似，超聲波測(cè)距也是一種典型的非接觸式檢測(cè)方法，同時(shí)聲波還具有成本低、不受光線、電磁場(chǎng)等因素的干擾，因而在機(jī)器人避障、空間定位、導(dǎo)航等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

目前，從測(cè)量方式上看，超聲測(cè)距儀具有對(duì)射式和反射式，其中，反射式又分收發(fā)一體式和收發(fā)獨(dú)立式兩種。就測(cè)量原理而言，主要有時(shí)間飛行法、相位差法和回波幅值法，這三種方法均屬于開環(huán)測(cè)量方法，其主要問(wèn)題是系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)回波丟失和聲波傳輸通道的干擾，因而難以保證測(cè)距結(jié)果的可靠性。其中，時(shí)間飛行法的基本思想是發(fā)射端首先發(fā)射一串聲波脈沖，接收端同時(shí)開始計(jì)時(shí)，直至收到第一個(gè)回波脈沖后停止計(jì)時(shí)，因而根據(jù)聲速c和聲波飛行時(shí)間t即可計(jì)算出聲波飛行距離。由于收發(fā)端無(wú)反饋機(jī)制，系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別接收端收到的是第幾個(gè)回波，如果起始回波丟失，會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。例如，當(dāng)測(cè)量頻率為40KHz，聲速為340m/s，丟失起始回波產(chǎn)生的測(cè)量誤差為8.5mm。相位差法的基本思想是發(fā)射端分時(shí)發(fā)射2種或3種不同頻率的聲波脈沖，接收端通過(guò)鑒相器將接收到的波形與發(fā)射時(shí)的初始波形依次進(jìn)行相位比較，獲得各個(gè)頻率的相位差，根據(jù)相位差與聲波傳輸距離的關(guān)系可以求解距離。其優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)測(cè)量，且測(cè)量精度較高，但因相位差與距離之間并非一一映射關(guān)系，而是具有一定的周期性，當(dāng)距離超過(guò)一定值時(shí)會(huì)出現(xiàn)相位差混疊，因而相位差法的測(cè)距范圍有限。此外，因系統(tǒng)收/發(fā)兩端處于開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)聲波傳輸通道受到干擾時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差?；夭ǚ捣ǖ幕舅枷胧歉鶕?jù)回波幅度與距離之間的正相關(guān)特性進(jìn)行測(cè)距，由于回波幅度除與距離有關(guān)外，極易受到外界因素的干擾，因而這種測(cè)距方法較少在工程上使用。

另外，超聲波在空氣中傳播時(shí)，隨著距離的增加，其能量按指數(shù)規(guī)律衰減。因此，在不同距離上的回波幅度的差異很大，由于在調(diào)理電路中通常采用電壓比較器將回波(形狀為半波正弦波)跟某一基準(zhǔn)電壓比較，將其整形為矩形波后送往微處理器處理。當(dāng)被測(cè)距離變化時(shí)，由于回波幅度的變化必然導(dǎo)致其觸發(fā)相位(或到達(dá)時(shí)間)的不確定性，這種不確定性是影響時(shí)間飛行法和相位差法測(cè)量精度的重要原因之一。目前，針對(duì)這種回波起伏產(chǎn)生的測(cè)距誤差采取的主要措施有自動(dòng)增益控制(AGC)或可變基準(zhǔn)比較電壓的方法。前者的基本思想是通過(guò)AGC電路對(duì)遠(yuǎn)距離衰減的回波進(jìn)行幅度補(bǔ)償，從而使其到達(dá)比較器的幅度盡量趨于一致。但AGC電路本身是一種滯后補(bǔ)償且會(huì)產(chǎn)生附加的相移，因而補(bǔ)償精度難以做到一致性?？勺兓鶞?zhǔn)電壓法的思想是將比較器的基準(zhǔn)電壓設(shè)置為可變的，其值隨著測(cè)量距離的增加而逐漸減小，以補(bǔ)償回波觸發(fā)相位的不確定性。由于回波的幅度不僅與距離相關(guān)，還受到介質(zhì)吸收程度、環(huán)境等多元因素影響，因此可變基準(zhǔn)電壓法的精度補(bǔ)償結(jié)果難以量化。并且，由于受測(cè)量原理的限制，上述方法無(wú)法較好克服風(fēng)速對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

綜上所述，現(xiàn)有的測(cè)距方法存在的主要問(wèn)題可歸納為：1)均為開環(huán)模式，系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)回波丟失和聲道噪聲干擾，因而測(cè)距結(jié)果的可信度較差；2)難以對(duì)回波起伏產(chǎn)生的觸發(fā)延遲時(shí)間進(jìn)行量化，以便對(duì)測(cè)距精度進(jìn)行精確補(bǔ)償；3)無(wú)法抑制風(fēng)速對(duì)距離測(cè)量的影響。因此，研制一種能夠自動(dòng)檢測(cè)聲道噪聲，精確量化和補(bǔ)償回波起伏誤差，以及能夠克服風(fēng)速影響的聲波測(cè)距傳感器就成為該技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述問(wèn)題，提出了本發(fā)明以便提供一種克服上述問(wèn)題或者至少部分地解決上述問(wèn)題的聲波測(cè)距方法及裝置。