[发明专利]抗噪声超声波测距设备及方法

说明书

技术领域

本发明及一种测距方法及设备，尤其涉及一种可抗噪声的超声波测距方法及设备。

背景技术

对于机器人与飞行器而言，要感知周边的环境，需要依靠一系列的传感器相互协调作用。而不同的传感器都有各自的优缺点，到目前为止，尚未出现一种可以完全满足环境建模需要的传感器。所以对各传感器的信息融合是环境建模的有效手段，以利于利用多种传感器获得冗余信息，以准确感知周围环境，为环境建模提供精确的数据。在环境感知技术中，超声波测距占有重要地位。超声波传感器作为一种相对廉价的距离信息传感器，具有体积小，成本低，容易部署等优点，其测距范围一般在0.3米到10米之间，精度能达到毫米级别。由于使用超声波进行测距，所以不受外部环境光线的影响，可在夜晚正常工作，受到雨雪、扬尘等恶劣条件影响较小。其量程与精度正好适合小范围内的环境建模。因此，超声波传感器可以作为机器人的主要测距传感器。因此提高超声波测距设备的工作性能，对于智能机器人的环境感知，环境建模，路径规划以及自主移动具有重要意义。

在超声波测距中，超声波换能器发射超声波束，对障碍物进行扫描，其反射波由接收换能器接收，并且根据回声接收时间与发射时间的时间差 ，估计出障碍物距超声波探头的距离，即：

其中为超声波在介质中的传播速率。

在超声波换能器在接收到反射回波的同时，还会接收到大量的干扰噪声。随着距离的增加，信噪比急剧下降，甚至信号可能被噪声淹没。回波信号信噪比是限制超声波测距距离的主要原因。

在传统超声波测距方法中，换能器发射普通脉冲，接收端使用固定门限判断是否有回波信号，用以估计超声波传播时间。由于超声波换能器所固有的反应时间和有限带宽的滤波效应，其所发射的脉冲有一个逐渐上升的前沿。此现象使得信号突破门限的时间要大于实际的超声波传播时间，而噪声的影响使得此方法所确定的传播时间更加不可靠。因此，传统门限法探测距离和测距精度非常有限。

如，Lizhen W. Novel Ultrasonic Ranging Approach Based on Spread Spectrum Modulation. ICCT’06.ISBN 1-4244-0800-8，第1页至第4页中使用了PN码作为超声波换能器的激励信号，Qinghao M. Real-Time Noncrosstalk Sonar System by Short Optimized Pulse-Position Modulation Sequences. Instrumentation and Measurement. 2009年，第10卷，ISSN 0018-9456，第3442页至3449页中使用了混沌脉冲位置调制信号作为超声波换能器的激励信号。此类扩频法将接收信号与发射信号作相关运算，利用扩频信号尖锐的相关函数估计发射信号与接收信号之间的延时，从而估计出障碍物的距离。然而换能器的窄带滤波效应会让波形产生变化，降低接收波形与发射波形的相关性，从而降低测距精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种抗噪声超声波测距方法及设备，旨在解决当前超声波测距方法及设备受噪声影响较大测量精度低 的技术问题。

为了实现本发明的目的，本采用的技术方案为：

设计一种抗噪声超声波测距设备，包括用于产生周期性激励信号的波形发生装置、对应连接于该波形发生装置的并将周期性激励信号转化为超声波信号的发射换能装置、用于接收经障碍物返回的超声波信号的接收换能装置、对应连接于所述接收换能装置的信号处理装置，所述信号处理装置还与所述波形发生装置建立通信连接；并在该信号处理装置的输出端对应连接有用于显示距离信息的显示装置。

所述周期性激励信号为正弦波周期性激励信号，其频率为30～60 KHz。

所述发射换能装置包括依次连接的FPGA、D/A转换器、功率放大器。

所述信号处理装置包括微处理器。

所述显示装置包括显示屏。

本发明还涉及一种抗噪声超声波测距设备的测距方法，包括下列步骤：

（1）设定如上所述的接收换能装置接收的经障碍物反射回的超声波信号并将其转换为周期性激励信号为：

；

式中为该正弦波周期性激励信号信号的幅度，在信号s(t)末尾处具有作为特征点的峰值，为高斯白噪声；

（2）将信号代入Duffing振子

；