高精度超聲波測距方法的研究

劉 芬，羅前剛，張遠征

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400039）

國有重特大煤礦井下的設備、人員、物質運輸基本依靠無軌膠輪車實現(xiàn)運輸，無軌膠輪車分為礦用重型特種車輛和礦用輕型車輛，其中，礦用重型特種車輛因結構和使用用途的特殊性，駕駛艙多數(shù)為敞開式，由于車輛外型龐大，導致駕駛人員操控視野不佳、車輛不易調向的問題；礦用輕型車輛均采用封閉式駕駛艙，由于車輛常常往返于井上井下，駕駛艙玻璃易受水汽影響，對駕駛人員駕駛視野造成影響[1]。同時，煤礦井下光線不理想，車輛在行駛、車輛調向過程中由于駕駛員視野不佳、光線昏暗、巷道狹窄等因素經(jīng)常會發(fā)生車輛碰撞事故。近幾年，隨著家用汽車自動輔助駕駛技術的飛速發(fā)展，自動泊車等相關技術也越來越成熟，泊車輔助的關鍵是準確判斷車身與周圍環(huán)境的實時距離，需要在車身安裝測距傳感器識別障礙物和實時測量位置。其中，超聲波雷達在自動泊車系統(tǒng)使用廣泛，具有成本低、安裝方便、指向性強、能量衰減比較慢等特點，采用超聲波雷達進行障礙物實時測距，對提高車輛對環(huán)境的感知能力，提高礦用車輛防碰撞應用具有十分重要的意義[2]。

在實際應用中，超聲波測距受環(huán)境溫度影響較大，同時與發(fā)波頻率、硬件檢波電路、驅動方式等密切相關，導致測量誤差增大。本文根據(jù)傳感器硬件特征參數(shù)、安裝位置、環(huán)境溫度、驅動邏輯等要素綜合，提出一種在礦用車輛防碰撞中超聲波雷達自適應的實時測距與感知方法，可得到更準確的位置環(huán)境信息。

1 超聲波測量原理

采用超聲波原理進行障礙物的測距就是測量超聲波在超聲波探頭與被測障礙物之間的飛行時間，其工作原理如下，超聲波探頭首先向外發(fā)射超聲波，超聲波束探測到被測物體時，超聲波束碰撞障礙物表面并反射回超聲波回波信號，然后超聲波探頭接收到超聲波回波信號，并實時比對超聲波回波信號的接收時刻，最后通過ARM 處理器實時計算超聲波發(fā)射測量信號到超聲波回波信號接收到的時間間隔，從而計算得出當前物體與被測物體之間的距離[3]，如圖1所示。

圖1 超聲波測距示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic ranging

從示意圖可知，超聲波的飛行范圍為探頭與障礙物之間，要獲取探頭與障礙物之間的距離，需要測量超聲波從探頭發(fā)出到超聲波回波信號接收到的時間，再知道當前環(huán)境下超聲波的傳播速度，就可以通過計算公式得出[4]，計算公式為

式中：L 為當前物體與被測物體之間的距離；ν 為超聲波的飛行速度；t 為超聲波渡越時間[4]。

超聲波測距的關鍵在于獲取不同工況條件下超聲波的飛行速度ν，并準確測量超聲波從探頭發(fā)出到接到回波信號的時間t。飛行速度ν 一般都可以通過查詢不同溫度條件下超聲波聲速與溫度的對應關系獲取，那么渡越時間t 的測量精確度就會影響超聲波測距的精確度，顯得十分重要。渡越時間的高精度測量比較困難，存在誤差是在所難免的，可以通過采用最優(yōu)化的測量方法將測量誤差盡可能降到最低，這是提高超聲波測距精度的關鍵[5]。

2 渡越時間檢測方法

2.1 溫度對測距精度的影響

聲波的定義范疇已經(jīng)包含了超聲波，因此，c 即為音速，音速的公式為

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為氣體的密度（空氣為1.29 kg/m3）[6]。

對于1 mol 的空氣，質量為m，體積為V，則密度ρ0應為m/V，故：

對于理想氣體，有：

式中：R 為摩爾氣體常數(shù)；T 為絕對溫度，因此：

由于γ，R，m 均為己知常數(shù)，故聲速c 僅與溫度T 有關，若溫度不變，則聲音在空氣中的速率與氣壓無關[7-8]。

在0 ℃的空氣中，C0=331.45 m/s

對于任意溫度下，有：

所以，在理想環(huán)境條件下，超聲波在空氣中的傳播速度可以表示為[9]

不同溫度條件下超聲波聲速與溫度的對應關系，如表1所示。

表1 不同溫度條件下超聲波飛行速度表Tab.1 Ultrasonic flight speed table under different temperature conditions

然而，在實際應用中，溫度會影響超聲波換能器的物理特性，導致接收信號的局部形狀發(fā)生變化。為了驗證該現(xiàn)象，把防碰撞傳感器置于溫度試驗箱中加熱至23 ℃，將靜態(tài)發(fā)射參考波形與該溫度下的測量反射波形進行互相關計算得到超聲波渡越時間，兩波形的對比效果如圖2所示。同理可計算45 ℃下的超聲波渡越時間，波形對比效果如圖3所示。分別計算兩種不同溫度下各4 組測量波形的渡越時間和相關性，統(tǒng)計結果記錄如表2所示。

圖2 23 ℃下互相關效果Fig.2 Cross-correlation effect at 23 ℃

圖3 45 ℃下互相關效果Fig.3 Cross-correlation effect at 45 ℃

表2 不同溫度下互相關結果Tab.2 Cross-correlation results at different temperatures

由圖2、圖3 可以看出，不同溫度條件下測得的測量反射波形具有較大差異，由表2 可以看出，在10 ℃環(huán)境條件下選擇的靜態(tài)發(fā)射參考波形用于其他溫度條件下的互相關計算，隨著溫度差距增大，相關性會逐漸下降，導致渡越時間測量出現(xiàn)“跳周期”誤差。

2.2 動態(tài)波形互相關算法

針對靜態(tài)發(fā)射參考波形環(huán)境適應能力有限的問題，采用實時動態(tài)發(fā)射參考波形進行互相關算法改進，具體步驟實施如下：

首先，構建靜態(tài)發(fā)射參考波形，即將防碰撞傳感器置于當前工作環(huán)境中，采樣得到靜態(tài)發(fā)射參考波形，記為x0，并存儲該參考波形；其次，接收獲取實時測量反射波形，記為x1，將靜態(tài)發(fā)射參考波形x0與實時測量反射波形x1進行互相關計算，得到時間t1，則超聲波渡越時間tof1=t1，并在x1中重新選取動態(tài)發(fā)射參考波形x1′，記錄該參考波形的起點時間t1′，計算t1′與t1的差值作為參考波形x1′相對靜態(tài)參考波形x0的時間偏差，記為Δt1，Δt1=t1′-t1；再次，接收獲取實時測量反射波形，記為x2，將參考波形x1′與x2進行互相關計算，得到時間t2，則超聲波渡越時間tof2=t2+Δt1，在x2中重新選取該測量波形的參考波形x2′，記錄該參考波形的起點時間t2′，計算參考波形x2′相對靜態(tài)參考波形x0的時間偏差，記為Δt2，Δt2=t2′-t2+Δt1，以此類推，可以實時獲取參考波形xn′以及計算超聲波渡越時間tofn[10]。

由于超聲波渡越時間tofn是根據(jù)實時動態(tài)參考波形測量所得，因此，超聲波渡越時間tofn是超聲波發(fā)射到回波接收時間，根據(jù)式（1）可以計算得到機車與障礙物之間的距離。

3 試驗

本文通過以自主研發(fā)的超聲波測距傳感器為試驗對象，該傳感器由表體、超聲波換能器、驅動電路、接收電路、切換控制電路和ARM 處理器構成。其中，超聲波換能器安裝于表體內，采用交替發(fā)射和接收超聲波信號；驅動電路由變壓器升壓驅動電路構成；接收電路由壓控電壓源二階帶通濾波電路，自動增益控制電路，AD（模數(shù)轉換）采樣電路構成；ARM 處理器用于處理數(shù)字信號濾波、互相關運算、時間計算、距離計算及故障診斷等內容。超聲波測距傳感器系統(tǒng)結構如圖4所示，傳感頭結構示意圖如圖5所示。

圖4 超聲波測距傳感器系統(tǒng)架構Fig.4 Ultrasonic ranging sensor system architecture

圖5 傳感頭結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of sensor head structure

為了驗證動態(tài)參考波形用于互相關算法的有效性，首先在溫度試驗箱中對超聲波測距傳感器樣機進行了0.5 m 固定距離測試，分別計算得出渡越時間、相關系數(shù)和測量誤差，結果如表3所示。

表3 互相關結果Tab.3 Cross-correlation results

根據(jù)表3 可以看出，在不同溫度下動態(tài)發(fā)射參考波形與實時測量反射波形均具有高度相關性，且溫度對超聲波渡越時間測量的影響微乎其微，提高了測量的準確性，降低了測量誤差。

4 結語

本文分析了超聲波渡越時間計算的方法原理和特點，指出了其局限性，提出了基于動態(tài)參考波形互相關算法的超聲波渡越時間測量方法，可以克服環(huán)境因素變化對參考波形穩(wěn)定性的影響，通過溫度試驗證明了該方法的可行性，提高了超聲波測距的環(huán)境適應能力，通過標準距離標定試驗驗證了測量準確性，采用動態(tài)參考波形互相關算法的超聲波測距傳感器測量誤差小于±2 cm，重復性小于±0.2 cm，測量精度較高。