本發(fā)明屬于超聲波測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種三段式脈沖激勵(lì)與特征提取的超聲測(cè)距方法。

背景技術(shù)：

超聲測(cè)距作為一種有源非接觸式測(cè)量技術(shù)，具有方向集中、穿透力強(qiáng)、能量衰減慢等一系列特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，諸如距離測(cè)量、液位測(cè)量、超聲波探傷、自動(dòng)泊車系統(tǒng)及倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中。在現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外關(guān)于超聲測(cè)距的方法主要分為多頻測(cè)距法、相位差檢測(cè)法、飛行時(shí)間檢測(cè)法等。在這三種測(cè)量方法中，飛行時(shí)間檢測(cè)法由于操作簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易，所以應(yīng)用最廣泛。飛行時(shí)間檢測(cè)法是通過聲波在介質(zhì)中傳播的距離與飛行時(shí)間成正比的關(guān)系實(shí)現(xiàn)測(cè)距的，對(duì)于分體對(duì)射式超聲測(cè)距系統(tǒng)，距離l＝c*t,c代表當(dāng)前環(huán)境下的聲速，t是超聲波從發(fā)射端到接收端中間的渡越時(shí)間，也即飛行時(shí)間。

在傳統(tǒng)的飛行時(shí)間檢測(cè)法中，超聲發(fā)射器每次發(fā)送一定個(gè)數(shù)的脈沖激勵(lì)波，由于能量的疊加，超聲換能器接收的超聲波是一個(gè)慢起伏包絡(luò)的正弦調(diào)制信號(hào)，通過檢測(cè)超聲接收波的起振時(shí)間點(diǎn)或者包絡(luò)峰值點(diǎn)實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)間法測(cè)距，飛行時(shí)間法檢測(cè)的主要技術(shù)難點(diǎn)是超聲傳感器的起振有上升時(shí)間，使得接收波具有慣性延遲，且超聲信號(hào)起振幅值變化小，起振特征不明顯，對(duì)起振時(shí)間點(diǎn)的檢測(cè)存在較大的誤差。而傳統(tǒng)的超聲激勵(lì)方式得到的超聲波包絡(luò)曲線只出現(xiàn)一次包絡(luò)波峰值，當(dāng)超聲接收信號(hào)的波峰處變化平緩或者趨于飽和時(shí)，包絡(luò)曲線的峰值點(diǎn)不具有唯一確定性，會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，影響最終的測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明在傳統(tǒng)的飛行時(shí)間檢測(cè)法的基礎(chǔ)上，提供了一種三段式正反向交替的超聲發(fā)射探頭激勵(lì)方式與超聲接收信號(hào)包絡(luò)特征谷點(diǎn)位置的提取方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)距中距離的精確測(cè)量。

本發(fā)明主要采用如下技術(shù)方案：

一種三段式脈沖激勵(lì)與特征提取的超聲測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于，包括：中心頻率為40khz的tct40-16r/t型分體式超聲波傳感器；超聲波發(fā)射器和接收器以分體對(duì)射式安裝在直線導(dǎo)軌上，發(fā)射器底端固定在直線導(dǎo)軌底端，接收器在0～500mm的范圍內(nèi)移動(dòng)。

一種三段式脈沖激勵(lì)與特征提取的超聲測(cè)距方法，其特征在于，包括：

步驟1：在超聲測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量范圍內(nèi)，任選一組待測(cè)距離組l＝{l1,l2,…,ln}，在每一個(gè)距離下，利用stm32單片機(jī)的pwm模塊先發(fā)送n1個(gè)周期為t的脈沖，延時(shí)t/2，再發(fā)送n2個(gè)周期為t的脈沖,再延時(shí)t/2，最后發(fā)送n3個(gè)周期為t的脈沖，這些脈沖經(jīng)過激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路放大后，按發(fā)送的順序依次被加載到超聲發(fā)射器的發(fā)射端，超聲發(fā)射器隨之發(fā)射超聲波信號(hào)，同一直線方向下的超聲波接收器接收到超聲波信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；其中第三次發(fā)送n3個(gè)激勵(lì)脈沖的目的是為了將前一次的振蕩能量抵消掉，使得超聲發(fā)射器在下一個(gè)激勵(lì)周期來臨之際處于無振蕩狀態(tài)，從而避免了對(duì)下一個(gè)激勵(lì)周期的影響；這里所選定的脈沖個(gè)數(shù)n1、n2、n3能夠保證包絡(luò)最大峰值出現(xiàn)在第二個(gè)峰值上，它們之間應(yīng)滿足最基本的關(guān)系n2>n1、n2>n3；

步驟2：在激勵(lì)信號(hào)發(fā)出的同時(shí)，利用stm32單片機(jī)以δt為采樣時(shí)間間隔對(duì)激勵(lì)信號(hào)和超聲接收信號(hào)進(jìn)行同步12位高速a/d采集，每次采樣點(diǎn)數(shù)為n,對(duì)每次采樣的超聲信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)曲線提取，得到包絡(luò)序列點(diǎn)；

步驟3：以每n個(gè)點(diǎn)為長(zhǎng)度對(duì)包絡(luò)序列點(diǎn)平滑處理，搜索平滑后的包絡(luò)曲線出現(xiàn)的最大峰值點(diǎn)，并標(biāo)記最大峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣序列位置x0，以x0為起點(diǎn)，w為區(qū)間長(zhǎng)度向前搜索平滑后的包絡(luò)曲線最小值點(diǎn)，也即過渡谷點(diǎn)，并標(biāo)記過渡谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣序列位置xp；

步驟4：在待測(cè)距離組l＝{l1,l2,…,ln}條件下，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的xp＝{xp1,xp2,…,xpn}，

由于采樣時(shí)間間隔一定，所以超聲波的飛行時(shí)間與采樣序列位置之間是正比關(guān)系，再結(jié)合距離與飛行時(shí)間的線性關(guān)系可知，所測(cè)距離l與過渡谷點(diǎn)的采樣序列位置xp之間也存在線性關(guān)系；因此，以xp為自變量，l為因變量，采用最小二乘法原理擬合出l與xp的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式l＝axp+b；

步驟5：對(duì)于任一待測(cè)距離l，運(yùn)用步驟1、2、3求出其過渡谷點(diǎn)的采樣序列位置xp，然后將xp代入步驟4擬合的數(shù)學(xué)表達(dá)式中，即求出待測(cè)距離l。

在上述的一種三段式脈沖激勵(lì)與特征提取的超聲測(cè)距方法，所述步驟3中，n等于一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。

本發(fā)明利用正反向脈沖交替激勵(lì)，使超聲發(fā)射器產(chǎn)生了一個(gè)先衰減后增強(qiáng)的振蕩信號(hào)，形成一個(gè)代表振蕩方向變化的過渡谷點(diǎn)?；陲w行時(shí)間檢測(cè)原理可知過渡谷點(diǎn)位置與探測(cè)距離線性相關(guān)?？紤]到該谷點(diǎn)特征明顯，對(duì)此點(diǎn)位置的檢測(cè)誤差小。同時(shí)為了克服單方向脈沖激勵(lì)下的振蕩衰減慢的問題，采用三段式正反向交替激勵(lì)方式，即先正向再反向然后正向的激勵(lì)方式，保證超聲接收器下次測(cè)量前處于無振蕩狀態(tài)。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)例中的超聲測(cè)距系統(tǒng)示意圖。

圖2本發(fā)明實(shí)例中的系統(tǒng)框圖。

圖3本發(fā)明實(shí)例中的改進(jìn)激勵(lì)脈沖采樣信號(hào)圖。

圖4本發(fā)明實(shí)例改進(jìn)激勵(lì)方式下的超聲接收信號(hào)采樣圖、包絡(luò)曲線圖及自變量xp的示意圖。

圖5本發(fā)明實(shí)例中標(biāo)定距離組l與自變量xp的最小二乘線性擬合結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及示例性實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明改進(jìn)后的激勵(lì)方式及超聲接收信號(hào)的處理進(jìn)一步詳細(xì)說明，此處所描述的示例性實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的適用范圍。

本發(fā)明提供改進(jìn)的超聲測(cè)距激勵(lì)方式及其數(shù)據(jù)處理方法，包括以下步驟：

步驟1：本實(shí)例中的超聲測(cè)距系統(tǒng)如圖1所示，測(cè)量系統(tǒng)采用中心頻率為40khz的tct40-16r/t型分體式超聲波傳感器。超聲波發(fā)射器和換能器以分體對(duì)射式安裝在直線導(dǎo)軌上，發(fā)射器底端固定在直線導(dǎo)軌底端，接收器可在0～500mm的范圍內(nèi)移動(dòng)，測(cè)量系統(tǒng)置于溫度恒定的空氣環(huán)境中，本實(shí)例的測(cè)量系統(tǒng)框架圖如圖2所示。本實(shí)例以50mm為間距選取距離組l＝{0,50,100,…,450,500}mm來進(jìn)行標(biāo)定，在每一個(gè)距離條件下，利用stm32單片機(jī)先向發(fā)送3個(gè)周期為25μs的脈沖，延時(shí)12.5μs，再發(fā)送10個(gè)周期為25μs的脈沖,再延時(shí)12.5μs，最后發(fā)送6個(gè)周期為25μs的脈沖，如圖3所示，這些脈沖經(jīng)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路放大后，按發(fā)送的順序依次被加載到超聲發(fā)射器的發(fā)射端，超聲發(fā)射器隨之發(fā)射超聲波信號(hào)，同一直線方向下的超聲波接收器接收到超聲波信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

步驟2：利用stm32單片機(jī)以1.17μs為采樣間隔對(duì)對(duì)激勵(lì)信號(hào)和超聲接收信號(hào)進(jìn)行同步12位a/d采集，每次采樣2000點(diǎn)。對(duì)每次采樣的超聲信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)曲線提取，得到包絡(luò)序列點(diǎn)，如圖4所示。在本實(shí)例中選用的是基于移動(dòng)正弦擬合的包絡(luò)曲線提取方法，但本發(fā)明并不局限于此方法；

步驟3：以每21個(gè)點(diǎn)為長(zhǎng)度對(duì)包絡(luò)序列點(diǎn)平滑處理，搜索平滑后的最大包絡(luò)峰值點(diǎn)，并標(biāo)記最大包絡(luò)峰值點(diǎn)的采樣序列位置組

x0＝{445,573,687,820,960，1091,1345,1460,1582,1695}。以x0為起點(diǎn)，220為區(qū)間長(zhǎng)度(220是本實(shí)例測(cè)量系統(tǒng)在多次試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)區(qū)間長(zhǎng)度)，在對(duì)應(yīng)區(qū)間[x0-220,x0]內(nèi)向前搜索可以平滑后的包絡(luò)曲線的過渡谷點(diǎn)，并標(biāo)記過渡谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣序列位置組

xp＝{284,414,532,666,791,919,1045,1177,1301,1424,1543}；

步驟4：以上述的標(biāo)定距離組l與過渡谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣序列位置組xp為樣本數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合出l與xp的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為

l＝0.395xp-112.664(單位：mm)，兩組數(shù)據(jù)的直線擬合結(jié)果如圖5所示；

步驟5：在本實(shí)例中將超聲接收器置于一任意位置后，利用上述步驟1、2、3的方法，提取包絡(luò)序列點(diǎn)，并計(jì)算上述區(qū)間內(nèi)包絡(luò)曲線的最小值對(duì)應(yīng)的序列xp＝853,將其代入步驟5所擬合的l與xp的數(shù)學(xué)表達(dá)式中，可計(jì)算出當(dāng)前所測(cè)距離為l＝224.271mm。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。