[發明專利]一種不依賴于溫度補償機制的高精度超聲測距方法及裝置

在審

• 申請號: 202010909218.4
• 申請日: 2020-09-02
• 公開（公告）號: CN112051578A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 陸成剛;馮寶忠;李軍
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08;G01S7/521;G01S7/56
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種不依賴于溫度補償機制的高精度超聲測距方法，超聲探頭布置在一根可以自動伸縮的至少兩節段的控制柄上，控制柄上的不同節段的位置分別進行超聲測距，測得各個位置的收發時間間隔，使用最小二乘法計算得到距離。以及提供一種不依賴于溫度補償機制的高精度超聲測距裝置，包括超聲探頭、控制柄和控制單元，所述控制柄是一根可以自動伸縮的至少兩節段的控制柄，所述控制端的端部安裝超聲探頭，所述超聲探頭的收發信號端與所述控制單元連接，所述控制單元包括用于控制柄按照不同節段伸縮的動作控制模塊、用于依照不同節段的發送和接收時間間隔使用最小二乘法計算得到距離的距離計算模塊。本發明不依賴于溫度補償、精度較高。

技術領域

本發明涉及一種超聲測距方法及裝置。

背景技術

利用超聲傳播的定向性較好的特性可以設計測距定位裝置，其主要工作原理如圖1。如圖1超聲探頭方向保證發射線垂直抵達測距物表面，反射線也垂直原路返回，于是發射與接收的時間間隔即為所測距離雙程的超聲傳播時間，利用公式

即可求得s。

在上面公式中v₀為空氣聲速340米每秒，t由測距儀的計時器確定，于是所測距離這種方法有一個問題，一定要保證測距物表面和超聲探頭的垂直，其次一般使用超聲收發一體探頭，該探頭可以在發射、接收之間反復循環切換。如果測距物體表面與探頭方向不垂直，或者使用發射、接收分離探頭，那么涉及到多探頭或探頭陣列以及三角距離計算。這些情形如圖2和圖3所示。

無論以上哪一類情形，超聲測距還有一個獨特的問題，就是聲音速度隨著介質溫度變化而變化，如在空氣中并非始終為340米每秒。因此超聲高精度測距有所謂的溫度補償算法，即由公式v＝331.4+0.61T，s＝vt/2計算，其中v即為隨氣溫T變化的聲音速度，t為計時器測得的發收時間間隔，自然這樣的系統必須攜帶環境溫度測量模塊，一般是溫度測量電路。

發明內容

為了克服已有超聲測距技術的依賴于溫度補償、精度較低的不足,本發明提供了一種不依賴于溫度補償機制的高精度超聲測距方法及裝置。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種不依賴于溫度補償機制的高精度超聲測距方法，超聲探頭布置在一根可以自動伸縮的至少兩節段的控制柄上，控制柄上的不同節段的位置分別進行超聲測距，測得各個位置的收發時間間隔，使用最小二乘法計算得到距離。

進一步，所述控制柄設有3個節段，探頭具有四個位置狀態：原位、縮進一節、縮進二節和縮進三節。當然，也可以是其他數量，例如2個節段、4個節段或5個節段等。

再進一步，設定每一個節段的長度相等，均為h，假設測距物體沒有發生在超聲傳播線上的位移，但可以在傳播線垂直方向有位移，并且測距物表面維持平面狀態不變，假設在探頭的各個位置測得的發收時間間隔為t₁,t₂,t₃,t₄，列出方程如下

其中s、v是未知的，t₁,t₂,t₃,t₄和h是已知的；

使用最小二乘法計算得到：

計算以上矩陣乘法算式，得到距離s。

優選的，所述最小二乘法的過程為：

將式(1)整理成矩陣形式如下：