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利用超声波测距系统和声纳回波图 对障碍物探测的分析 Akihisa OHYA, Takayuki OHNO and Shin’ichi YUTA 摘要通过公式计算。其中，c是超声波在空气中的传播速度，t是往返传播时间，即为超声波从发射到接收的时间（如图1）。传播时间法在回波幅度首次超过临界值后产生一个范围值。尽管像这样的方法非常简单，然而从超声波传感器获取的信息仍受传感系统特性的影响。例如它的环境等。 为了探讨传感系统特性对超声波传感器获取信息的影响，我们建立了两个特性互不相同的超声波测距系统，并对这两个系统相互借鉴，研究，检测他们的性能如障碍物检测性及合成的生纳回波图。 图1：TOF原理图 在第二部分中，我们将会介绍两个我们开发的超声波测距系统。该测距系统对障碍物检测的可行性会在第三部分验证。生纳回波图的制作使用在第四部分，最后将在第五部分得出结论。 2.两个超声波测距系统 反射波的模型如图2所示，在图中我们能看到两个障碍物A和B。随着超声波的衰减和传播，反射回波幅度越来越远，从反射回波中分析出的障碍物就越来越小（甚至实际上两个障碍物的尺寸大小、特性等都是一样的）。由于我们使用的是压电式超声波感测器，该超声波传感器的发射器和接收器是相互独立的。因此，接收装置接收到的波，包括从发射器接收的直接辐射波都必须被滤掉。 图2：反射波的模型 我们已经开发出一种超声波测距系统A，该系统A采用的根本方法参照文献[4]和[3]。我们采用一种能较长时间发射脉冲波的超声波发射器。采用放大后的回波和阈值电平的传播时间法计算出一系列值。为了简化电路，让检测回波的阈值电平恒定不变，系统A中每个信号的示意图如图3所示。然而，该系统也存在着一些问题。首先，由于回波信号的强度不是很大，以至于回波信号的放大比较缓慢。因此会导致测量存在误差。为了减少测量误差，必须加快超声波回波信号的放大过程。接下来，通过一个固定的阈值电平，测量的一系列值被控制在一定的范围内。当电平设置得比较高时，不可能探测到较远距离的障碍物，当电平设置得比较低时，在探测近距离的障碍物时受到噪音影响的可能性大。此外，在系统A上连接超声波信号放大器使波的强度增加。然而，它却使方向性更窄。 图3：系统A每个信号的示意图 为了解决系统A使方向性变窄的问题，我们改进了发射和接收的电路，并开发出一种新型的超声波传感器系统B。系统B每个信号的示意图如图4所示。为了增大回波信号的强度以及加快回波信号放大的过程，用一个高电压的单脉冲来发射。该高电压的峰值电压是720V左右，而在系统A中，该电压的峰值只有12V左右。与系统A相比，系统B具有以下优点：首先，通过缩减发射时间能够缩短屏蔽时间，因此，它能够测量离系统较近的障碍物到系统的距离而不像系统A那样受噪音的影响。其次，通过使用高电压放电发射的超声波单脉冲能缩短波信号放大的时间。这样就可以减少测量误差。 图4：系统B每个信号的概念 对于接收器，阈值电平随着时间的推移而降低，并且阈值电平也随着回波幅度和距离的减小而逐步变化。我们称这种方法叫做时间阈值控制法。这种方法不但能隔离近处的物体有较强噪音，并且可以测量出到较远障碍物的距离。通过偏正片超声波测距传感器解决了放大系数随着时间变化而改变的问题。这个过程被称为时间增益控制。但是这个方法的弊端是电路比较复杂，为了用一个简单的电路代替复杂的电路，我们应该让阈值电平随时间变化而不是随放大系数变化。系统B实现了可测量范围的扩大，减小了测量误差，简单的电路也提高了测量性能。使用系统A的回波信号如图5所示。图中左边的一个是直接波，右边的一个是回波。在这种情况下，如果忽略了直射波，就不可能在这个时间测量出较近的障碍物反射回来的回波，而且超声波的信号放大过程缓慢将导致测量误差。 图5：通过系统A获得的一个回波信号的例子 使用系统B进行超声波测距获得的一个回波信号如图6所示。该图表明，直射辐射波缩短，超声波的信号放大时间也缩短。 图6：利用系统B获得的一个回波信号 放大的接收信号和系统B中的阈值电平如图7所示。接收到的波在4V左右达到饱和。首先通过阈值电平上升来滤掉直射辐射波，然后，阈值电平将随着时间而降低。 图7：放大后的接收信号和在系统B中的阈值电平的一个例子 3.障碍物探测能力 为了研究在上一部分提到的两个超声波测距系统的障碍物检测能力，我们要研究超声波测距的最大可测距离与反射障碍物的宽度之间的关系。传统的系统通常安装一个超声波信号放大器来增加相互呼应的强度，如系统A就是在系统上连接超声波信号放大器使波的强度增加。我们可以测得发射器到障碍物间的最大距离数据，也能检测出这个数据和实际距离的误差。实验装置如图8所示。 图8：用于研究最大可测距离与反射障碍物的宽度间关系的实验装置 实验结果如图9所示。