高精度超聲波測距方法的研究

趙浪濤，趙永花，柴清

(蘭州工業(yè)學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

超聲測距是一種非接觸式的測量方法，與紅外線、激光等測距方法比較，具有靈敏度高，抗聲波和電磁干擾能力強，在實現(xiàn)上簡單、成本低、可靠性高、便于安裝維護等優(yōu)點，因此在液位測量、機器人定位和避障、短距離無障礙長度測量、計算機視覺輔助識別等方面具有廣泛的應用前景。但常規(guī)的超聲波測距普遍測量精度較低，為實現(xiàn)測量精度的要求，對常規(guī)測距方法進行結構改造、應用先進的Morlet復小波信號處理方式，提高超聲波測距的精度，達到工業(yè)控制所容許誤差范圍。

1 常規(guī)超聲波測距的原理及系統(tǒng)組成

常規(guī)超聲波測距的原理［1］是利用超聲波發(fā)射器連續(xù)地發(fā)射出40 kHz聲波信號，一旦遇到障礙物，超聲波就會被反射回來，然后利用超聲波接收器接收接受回波信號，利用微處理器測量出從發(fā)射超聲波到接收到超聲波的時間差t，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度c，通過微處理器就可以計算機出從發(fā)射點障礙物的距離為d=ct。其測量系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 超聲波測距系統(tǒng)組成

2 超聲波測距溫度補償校正

常規(guī)超聲波測距中，受到空氣中環(huán)境溫、濕度以及大氣壓的影響，聲波的傳輸速度跟著變化，特別是環(huán)境溫度的變化引起聲波傳輸速度的影響，為了提高測量的精度，使測量具有實際工程應用前景，加裝溫度補償校正裝置很有必要。

因超聲波也是聲波，根據(jù)聲速的計算公式［2］有:

式中γ為氣體的絕熱體積系數(shù)(空氣為1.4)，p為氣體的氣壓(海平面為 1.013 ×106Pa)，ρ0為氣體密度(空氣為1.29 kg/m3)。

對于1 mol空氣，假定質(zhì)量為m，體積為V，密度ρ0為m/V，則

上式可以看出，γ、R、m都為常數(shù)，超聲波的傳輸速度c只與絕度溫度T有關，當溫度保持不變的情況下，則超聲波在空氣中的傳輸速度與壓強沒有關系。在0℃的空氣中，c0=331.5 m/s。

通過上式可知，當環(huán)境溫度升高或降低1℃，聲速就增加或減小0.607 m/s，因此，消除由環(huán)境溫度不同而導致的測量誤差就很有必要。通過高精度溫度傳感器事實檢測環(huán)境溫度θ，就可以比較精確測量出從發(fā)射點到障礙物之間的實際距離。同時，在通過溫度補償校正以后，測量精度的關鍵就取決于測量超聲波從發(fā)射到接收到發(fā)射超聲波的時間差t。

3 超聲波測距結構改進

通過前面的分析可以知道，當環(huán)境溫度升高或降低1℃，聲速就會增加或減小0.607 m/s，同時，采用溫度補償校正［3］后，雖然可以大大提高超聲波測距的精度，但是對由溫度測量系統(tǒng)本身引起的誤差，系統(tǒng)無法修正，測量誤差還是較大。為徹底消除因溫度引起的誤差，提高超聲波測距的精度，可以考慮在常規(guī)測量的基礎上適當進行結構的改進，其結構如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，改進后的結構［4］是在探測儀的底板上部安裝一個固定距離的標準校正板，d表示超聲波反射器(接收器)到探測目標的距離，d0表示超聲波反射器(接收器)到標準校正板的距離，為便于校正和測量，在設計制作時讓校正板盡量可以在AB平面上左右移動。設超聲波在該環(huán)境中的傳播速度為c，根據(jù)超聲波測距原理有:

圖2 超聲測距改造結構測量原理圖

由上式可以看出，經(jīng)過改進以后，目標測量距離只和d0、t、t0有關，而與實際超聲波在當前環(huán)境中傳播的速度c無關，該超聲波測量距離的測量精度只與標準校正板的安裝距離d0和超聲波回波時間的測量有關，只要保證校正板安裝的精度足夠高，超聲波測距的精度就取決于回波時間測量的精度，而與超聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣?、溫度等無關，客觀上消除了因外界溫度濕度、氣壓、氣流等的不確定性對測量精度的影響。在實際實現(xiàn)過程中，可以通過將超聲波回波信號輸入單片機外部中斷入口，采用外部中斷的方式測量時間t、t0，然后通過微處理器求解測量出從超聲波發(fā)射端到障礙物之間的實際距離。

4 超聲波回波時間的準確測量

對超聲波回波信號而言，回波信號往往受到障礙物材質(zhì)、表面結構等諸多因素的影響，超聲回波信號往往含有許多諧波和間諧波，信號非常復雜，難以準確識別出回波，從而嚴重影響了超聲檢測的準確性。目前常規(guī)超聲檢測中常用的傅里葉變換諧波檢測方法只能夠?qū)φ沃C波進行檢測分析，而對間諧波處理效果不太好，雖然利用加窗插值算法可以提高檢測精度，往往會降低低頻的分辨率，造成無法檢測信號中頻率相近的諧波和間諧波。復小波變換其特點是首先它只有一個基函數(shù)，通過對該基函數(shù)的平移和拉伸實現(xiàn)時頻變換，因復小波函數(shù)是由一系列母小波為復數(shù)的基函數(shù)組成，其小波變換參數(shù)也為復數(shù)，利用小波變換系數(shù)模的局部極大值可以近似檢測超聲波回波的頻率，得到信號幅值和相位的準確信息。根據(jù)上述分析，要準確測量距離只需檢測超聲波回波的峰值前沿到來時間，為達到測量要求，從信號處理的角度出發(fā)，引入Morlet復小波理論。

4.1 Morlet復小波理論

小波分析方法是當前瞬態(tài)信號檢測的有效方法。因為小波變換在時域和頻域上能夠良好的體現(xiàn)信號的局部化性質(zhì)，利用小波變換系數(shù)模的局部極大值特性，可以精確分析回波信號的不連續(xù)性和不可微性，為信號的互異性分析提供可靠的途徑。因此在超聲波測距中，引入小波分析理論，對接收到的障礙物反射回來的回波信號進行處理，獲得平滑、有效的超聲波回波信號包絡曲線，然后利用峰值檢測法準確測量反射回波峰值前沿的到達時間。

根據(jù)小波分析理論的計算方法，對于任意時序信號x(t)而言，其小波包絡的分析計算公式［5］為:

其中，a、b分別為函數(shù)的尺度和平移因子，分別決定小波的時頻窗在頻域和時域的位置，當尺度因子a選定到一定小時，小波變換或小波系數(shù)WT可以等效為中心頻率的帶通濾波器對x(t)進行濾波的結果。

Morlet復小波具有良好的時頻局部化顯現(xiàn)特性，且對稱性較好，在實際應用中，如果對形狀控制參數(shù)β取值越小時，從信號幾何形狀方面來講，小波函數(shù)更加接近實際信號的波形，依據(jù)小波分析的最大匹配原則，當子波與所分析的實際信號在幾何形狀上越相似的時候，該子波提取到的信號特征就越準確。

Morlet復小波函數(shù)的數(shù)學表達式為:

式中j=-1，β為形狀控制參數(shù)，當取β=1時，其實部、虛部及模波形如圖3所示。

圖3 Morlet復小波

從復小波函數(shù)變換波形可以看出，Morlet復小波函數(shù)的模能夠完全平滑地包絡信號的實部和虛部，因此，通過Morlet復小波函數(shù)變換，能夠比較完整獲得被測信號的小波包絡曲線，消除了因環(huán)境噪聲等其他因素引起的干擾信號，使得信號顯現(xiàn)更加平滑、規(guī)整。

4.2 超聲波回波信號峰值時間的測量

通過上面的分析可以知道，應用Morlet復小波變化理論變化，可以將超聲波信號的模能夠完全包絡，下面介紹如何檢測包絡曲線的峰值，從而通過微處理器準確檢測超聲波回波峰值的到來時間。借助先進的測量工具可以發(fā)現(xiàn)，對于某一具體確定的障礙物而言，超聲波回波信號的波形基本上不隨測量距離的遠近而發(fā)生很大的變化，也就是說，經(jīng)過小波變換以后，超聲波回波的包絡曲線具有較好的一致性，波形形狀基本不變，只是幅值略有不同。超聲波峰值檢測原理［6］如圖4所示，其基本原理是首先通過Morlet復小波變換得到圖4所示的包絡檢測曲線，然后利用通過微分電路可接收到的超聲波信號變換成交變信號，再利用過零檢測電路將交變變換成矩形波，然后該信號送入微處理器外部中斷入口，通過定時器/計數(shù)器外部中斷方式就可以準確測定超聲波峰值到來時間，從而消除或者極大的減小因超聲波回波時間檢測所導致的測量誤差。

包絡峰值時間點的檢測方法測量超聲波回波到來時間與信號幅值無關，只與回波峰值到來時間有關，該檢測方法具有優(yōu)良的傳輸時間檢出特性。

5 結束語

利用常規(guī)超聲波測距的基本原理，通過在進行系統(tǒng)改進，增設溫度補償或標準校正裝置，減小因環(huán)境變化和外界擾動對實際測量系統(tǒng)精度的影響。同時根據(jù)回波傳輸?shù)奶攸c，利用Morlet復小波原理，應用回波包絡峰值檢測法，獲得比傳統(tǒng)Hilbert檢測方法更加實用、能夠體現(xiàn)回波信號特征包絡曲線，能夠更加準確測量出超神波回波峰值時間的到來時間，實現(xiàn)精確測距。試驗結果表明，在有效測量范圍內(nèi)，該方法消除或降低了因測量環(huán)境溫度影響和超聲波回波時間測量所導致的測量誤差，使測量能夠達到一般工業(yè)測距精度的要求，具有實際推廣和應用價值。

圖4 回波包絡峰值檢測波形

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