基于單接收頭的超聲波多目標測距[圖]

超聲波測距傳感器以其測量精度高、響應(yīng)快和價格低廉而廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場測距、移動機器人導(dǎo)航和定位等場合。超聲波測距傳感器常用的方式是1個發(fā)射頭對應(yīng)1個接收頭，也有多個發(fā)射頭對應(yīng)1個接收頭。它們共同之處是：每個接收頭只測量一個位置，這個位置就是除盲區(qū)內(nèi)因發(fā)射的超聲波旁瓣引起的接收信號超聲波包絡(luò)峰值外，第1個接收信號超聲波包絡(luò)峰值對應(yīng)的距離。在機器人自主導(dǎo)航避障時，機器人只關(guān)心最近障礙物的距離，是能夠完成自主避障的。但是在機器人定位時，尤其在動態(tài)環(huán)境下，1個接收頭同時測量多個距離，能夠更多地描述環(huán)境信息，這對機器人用超聲波定位具有重要意義。

1超聲波

1. 1超聲波測距原理

超聲波測距原理比較簡單，一般是采用時差法。即：通過檢測發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時間差Δt ,求出障礙物的距離d ,計算公式為：d = cΔt/ 2,其中：

c 為超聲波波速，T1為環(huán)境攝氏溫度。

1. 2發(fā)射信號超聲波包絡(luò)

在發(fā)射頭兩端加40kHZ 的矩形脈沖電壓，壓電晶體把電能轉(zhuǎn)變成機械能，帶動其上振動板運動，見圖1. 振動板的固有頻率是40kHZ,由于共振，振動板很快起振，然后穩(wěn)定，脈沖電壓撤銷，振動板作阻尼振蕩衰減。若振動板長時間工作在最大振幅狀態(tài)，即振動板新增能量與其損耗能量相等，這樣產(chǎn)生的超聲波能量大，有利于提高信噪比，但是接收信號超聲波包絡(luò)從起振到峰值的時間將變長（放大器增益小，不出現(xiàn)削頂?shù)那闆r下）,不利于閾值選擇，誤差變大，也不利于第二個位置的測量，另外盲區(qū)也會增大。振動板振動時，空氣、壓電晶體（起振時是激勵）等消耗振動板能量，其中受空氣阻力消耗的能量轉(zhuǎn)變成發(fā)射超聲波。壓電晶體激勵撤銷，則振動板振動作阻尼呈指數(shù)關(guān)系衰減。把振動板簡化成是一個彈簧振子，設(shè)振動板在一個正弦周期（T = 25μs）內(nèi)是標準正弦波，則在發(fā)射頭振動板運動周期數(shù)N≤發(fā)射頭激勵脈沖數(shù)N時，發(fā)射頭振動板運動滿足：

x= a（n）sinωt（1）

式中t ∈[ （N- 1）T , nT ] , a（n）是第N個周期內(nèi)的振幅。

k 是常數(shù)，E（n）是第N個周期內(nèi)振動板的機械能。

a是一個與衰減有關(guān)的常系數(shù)，Ef （n）第N個周期內(nèi)振動板損耗的機械能。

ΔE 是壓電晶片每次施加的能量。

在N> N時，發(fā)射頭振動板運動能量滿足：

1. 3接收信號超聲波包絡(luò)

發(fā)射頭產(chǎn)生的超聲波遇到不同介質(zhì)就會產(chǎn)生回波，接收頭把回波轉(zhuǎn)變成電能，產(chǎn)生接收信號?，F(xiàn)分析超聲波垂直入射到墻壁面時的接收信號，接收信號超聲波包絡(luò)由起振階段和衰減階段兩部分組成，如圖1。

接收信號與回波超聲包絡(luò)的各正弦波幅值關(guān)系是：

式中W R 是接收信號包絡(luò)峰值，W Echo 是回波包絡(luò)峰值，H 是回波的單位沖擊響應(yīng)。

圖1實際接收信號（N= 5）

從圖1中可看出，接受信號包絡(luò)從起振到峰值的時間要小于從峰值衰減至噪聲幅值的時間。實際總長度接近1. 5 ~ 2ms ,而從起振到包絡(luò)峰值只需250μs 左右，即9 ~ 12個T , T = 25μs.

根據(jù)發(fā)射的超聲波能量特點，得出接收信號每個周期能量的表達式，設(shè)每個周期內(nèi)的正弦波是標準正弦波且發(fā)射頭振動板尚未達穩(wěn)定振動狀態(tài)。

　　N是發(fā)射頭激勵脈沖數(shù)。

由（6）、（7）式知：在N, a一定的情況下，每個反射面產(chǎn)生的回波作用接收頭得到的接收信號經(jīng)歸一化后是相同的。為了便于取閾值，分析接收信號包絡(luò)的特性與n、N的關(guān)系是必要的。首先找出定值a,方法是取N= 5 , a值在一定范圍內(nèi)變化得到多幅仿真圖，經(jīng)比較a= 5 000/ s 時得到的圖2與圖1接近。根據(jù)得到的a值可仿真N= 12時的接收信號，見圖3.

圖2 接收信號仿真（N= 5 , a= 5 000/ s）

圖3 接收信號仿真（N= 12, a= 5 000/ s）

2 閾值和分辨率