一种高精度超声波测距处理方法.62.pdfVIP

维普资讯 第37卷 第4期 厦门大学学报 (自然科学版) Vo[．37No、4 摘要 根据声的发射、反射及传输理论推出并用实验验证了漫f距回波包络曲线的近似方程， 据此提出了一种高精度超声波测距信号处理方法．介绍了以单片机实现该方法的超声测距系统，该 系统在2．5～l2m范围内测距误差不大于0．25 ． 关键词 踅童型里：筐 塑塑皂生± 中国图书分类号TB551 考赴圣翌 超声测距是一种非接触的检测方式，和红外、激光及无线电测距相比，在近距范围内超声 测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位等 方面得到了广泛的应用．这方面国内外都做了很多工作[1]．由于信号起伏、温度对声速的影 响等原因，超声测距系统测距精度的提高受到很大的限制，这也影响到了超声测距系统在一些 精度要求较高的场合的应用，所以，这个问题的研究有很大的现实意义． 本文在我系和厦门大学电子工程系联合研制的863项目超“声地形障碍检测系统”中测距 部分的基础上，对这个问题作了较深入的研究，提出了一个实时性好，在较大测距范围内具有 较高精度的新的回波信号处理方法．并完成了以8051单片机为核心的实际系统的设计和调 试，结果表明，测距精度取得了较大的提高． 1 测距脉冲回波包络研究 在超声测距系统中，测距误差也即声脉冲传输时间t的测量误差，实际上是对测距脉冲回 波前沿的检测误差．为了能精确地推算出其前沿，必须对测距脉冲回波包络的特性进行分析． 1．1 理想回波包络 首先研究理想条件下，即空气介质均匀 不存在起伏时回波信号的包络特性． 超声换能器通过压电晶片的逆效应——电致伸缩，在空气介质中产生超声波．测距所用超 声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发射、接受一次．所以在测距脉冲的发射过程中， 发射换能器晶片经历了受迫振动、平衡振动和衰减振动三种状态．根据声的发射、反射理论及 应用力一声类比，我们可推出理想条件下的测距回波包络曲线方程口]，波形见图1． 在各段中回波声压 方程如下 户() 0tg p~：oC ·[口D一 “_q] qtr 户 tr ① 本文到； 国家863计划资助项 目 维普资讯 厦门大学学报 (自然科学版) 其中：1)0~q段因时间短、检测不方便，且表达式较复杂，故不作进一步研究；2) 为空气密 度和声速，r为发射脉宽{3) 为理想回波的声压峰值，是与换能器及反射介质有关的常数；4) q为发射换能器发射时受迫振动段持续时间，是与换能器材料有关的常数；5)C、e、口。是与换能 器、反射介质有关的常数． 1．2 起伏回波包络 起伏是引起超声测距误差的主要原因，所以有必要 对起伏条件下回波曲线的特性进行分析，从而找出能克 服起伏的处理方法． 1)起伏信道 同理想条件相比，空气介质中的起伏 是非常复杂的，是一随机时、空、频变的过程．其原因主 要是空气介质中声速、衰减和散射系数的随机不均匀． 可把空气介质看作一随机时、空、频变信道，输入为理想 信号 ()，输出为起伏信号 ()： 匿 一∽ F图ig1．1浸El距nve回lo波pe包o络fre曲ce线vini图gsignal m ，一 起伏反映在输出信号 (f)上有两方面的效果，一是造成了信号幅度的起伏；二是造成了回波 信号在时域的漂移．这两方面的起伏既影响了信号的检测，也是造成测距误差的主要原因． 2)简化起伏模型 为了对复杂的起伏效应进行深入的分析，提出一简化的起伏模型．在 测距脉冲脉宽t很短(—般测距系统均满足)的条件下： 时域起伏 (f)= O+ ) 为漂移时间，简化后在r范围内认为是常量； 幅域起伏 yo(t)=卢·s() 卢为幅度起伏系数