[发明专利]一种适用于特种机器人的超声波测距系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于特种机器人的超声波测距系统，属于机器人传感器领域。

背景技术

超声波传感器具有信息处理简单、成本低廉等优点，被广泛用作机器人测距传感器，以实现环境探测和导航任务。

超声波测距利用的是超声波近似直线传播和反射的特性，目前常用的测距方式是单脉冲方式。超声波换能器在单脉冲的触发下将超声波发射出去，超声波在介质中传播到被测物体后被反射。超声波换能器接收到反射回波信号，确定出超声波从发射到接收的渡越时间，超声波传播的速度用340m/s近似代替。

特种机器人常常工作在非结构环境下，在实际测距过程中，环境中温度、湿度、气压对超声波的传播速度都会产生影响，其中温度变化的影响最大，因此用340m/s近似代替超声波传播的速度会引入误差；其次超声波回波信号是一个调制信号，无明确的回波信号前沿，因而在确定渡越时间的过程中，其基准点的选择已构成测量误差的主要来源；在非结构环境下，噪声与回波同时被接收，即使电路中带有滤波电路，与脉冲频率相近的噪声依旧无法滤除，这将造成误触发；上述问题已成为制约超声波传感器在特种机器人领域应用的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于特种机器人的超声波测距系统，来解决在实际测距过程中，环境、超声波回波信号基准点的选择、噪声干扰等因素对传播速度测量影响大的问题。

本发明提供的一种适用于特种机器人的超声波测距系统，该系统包括渡越时间确定模块、超声波传播速度实时测量模块。

1)、渡越时间确定模块：主要包括超声波发射换能模块、超声波接收换能模块、超声波发射电路模块、回波接收、放大、滤波电路模块和嵌入式数字信号处理模块(DSP TMS320VC5509A)；嵌入式数字信号处理模块内部的运算程序包括m序列发生模块、本地码发生模块、m序列还原模块和相关判决模块等；超声波发射换能模块通过超声波发射电路模块与嵌入式数字信号处理模块相连，超声波接收换能模块通过回波接收、放大、滤波电路模块与嵌入式数字信号处理模块相连，超声波发射换能模块与超声波接收换能模块发射、接收方向平行且紧密相邻。

渡越时间确定模块的工作过程如下：

基于伪随机序列的自相关性原理，由嵌入式数字信号处理模块通过m序列发生模块产生的伪随机序列经通用I/O引脚输出，激励超声波发射电路模块将其转换成对应的超声波信号，通过超声波发射换能模块发射出去，超声波经障碍物反射到超声波接收换能模块，通过回波接收、放大、滤波电路模块将其滤波、放大后，经过A/D转换，输入给嵌入式数字信号处理模块的m序列还原模块，m序列还原模块将其还原成对应的离散序列，与本地码发生模块产生的伪随机序列通过相关判决模块的相关运算公式进行运算。当相关函数值取值最大时，通过本地伪随机序列与接收到的伪随机序列的相位差便可确定障碍物与超声波换能模块之间的渡越时间。

2)、超声波传播速度实时测量模块：主要包括长方体目标、超声波发射换能模块、超声波接收换能模块、超声波发射电路模块、回波接收、放大、滤波电路模块和嵌入式数字信号处理模块；嵌入式数字信号处理模块内部的运算程序包括m序列发生模块、本地码发生模块、m序列还原模块和相关判决模块等；超声波发射换能模块通过超声波发射电路模块与嵌入式数字信号处理模块相连，超声波接收换能模块通过回波接收、放大、滤波电路模块与嵌入式数字信号处理模块相连，超声波发射换能模块与超声波接收换能模块发射、接收方向平行且紧密相邻，长方体目标固定于超声波发射换能模块与超声波接收换能模块前端，距离为d(30cm＜d＜1m)。

超声波传播速度实时测量模块的工作过程如下：

基于伪随机序列的自相关性原理，由嵌入式数字信号处理模块通过m序列发生模块产生的伪随机序列经通用I/O引脚输出，激励超声波发射电路模块将其转换成对应的超声波信号，通过超声波发射换能模块发射出去，超声波经长方体目标反射到超声波接收换能模块，通过回波接收、放大、滤波电路模块将其滤波、放大后，经过A/D转换，输入给嵌入式数字信号处理模块的m序列还原模块，m序列还原模块将其还原成对应的离散序列，与本地码发生模块产生的伪随机序列通过相关判决模块的相关运算公式进行运算。当相关函数值取值最大时，通过本地伪随机序列与接收到的伪随机序列的相位差便可确定长方体目标与超声波换能模块之间的渡越时间，计算长方体目标距超声波换能模块的距离值d与渡越时间比值的二倍便为超声波传播速度。