[发明专利]基于数字滤波、数字包络提取的超声波测距算法

说明书

技术领域：

本发明提出了一种数字滤波、数字包络提取的超声波测距方法，用于提高测距系统的精度。该处理方法采用全数字化，包络数字滤波、数字提取包络、数字峰值点查找。适用于倒车雷达、无人机、扫地机等领域。

背景技术：

1、超声波在传输过程中能量消耗缓慢、且以直线传播，遇到障碍物会发生绕射和反射，其对于极端的外界环境如雾霾天气、沙尘暴天气、雨雪天气等具有高适应性；同时超声波不受传输介质的影响，在气体、液体、固体中均可以传播，且在介质中可以传输较远的距离，对于测距系统来说是一种理想的测量媒介。

2、传统超声波测距系统中的带限滤波器、包络检测设计为阻容耦合电路的硬件电路实现，其精度低、效果不稳定，而且由于系统模块的大小限制，以及传统RC硬件电路的不稳定性，很难在实际的工程生产中得以利用。同时，如果超声波测距系统的中心频率发生变化，内部的电阻、电容需要重新进行更换，对于集成好的测距系统很不方便且增加了硬件成本。传统的包络检测算法是利用伪随机序列的相关运算进行处理，考虑到相关运算中FFT等运算的复杂性，以及500μs左右的码元长度，其并不适用于短量程的嵌入式测距系统。

发明内容：

本发明的目的在于解决上述现有技术的问题，提供一种超声波测距回波测距方法，在算法滤波、算法提取包络的同时，可以对于综合输出结合点迹法计算回波信号的飞跃时间，可以提高测距精度，保证测距系统的实时性。该方法完全使用软件算法程序实现，在市场上现有的嵌入式主控平台可以通用。

本发明的目的可以通过以下措施实现：

1、一种超声波回波信号的数字滤波、数字提取包络的方法，该方法包括以下5个步骤：

巴特沃斯IIR数字带通滤波算法(101)、整流器算法(102)、包络检测算法(103)、下采样算法(104)、巴特沃斯IIR数字低通滤波算法(105)。

1)数字带通滤波算法(101)：在回波信号经过多级放大及ADC数字化之后，首先经过巴特沃斯IIR数字带通滤波算法；

2)整流器算法(102)：数字带通滤波算法的输出会作为整流器算法的输入，并被整流器算法滤除X轴负半轴回波；

3)包络检测算法(103)：包络峰值提取。整流器算法的输出会做为包络峰值提取算法的输入。通过点迹法来计算飞跃时间T。

4)下采样算法(104)：包络峰值提取算法(103)和下采样算法(104)共同提取X轴正半轴的回波包络；

5)数字低通滤波算法(105)：回波包络的数据信息会通过巴特沃斯IIR数字低通滤波算法。

2、进一步地，包络峰值提取算法和下采样算法，其特征是：基于等间隔比较并输出间隔区间内峰值点的原理，利用纯软件实现且不依赖于外界的电容电阻或外设芯片。

3、进一步地，对于滤波及包络提取算法的综合输出信号，提出了一种计算回波渡越时间的点迹法，该点迹法通过寻找低通滤波输出数组中的峰值点N_top，来计算得到回波到达的飞跃时间T；

4、进一步地，对于滤波及包络提取算法的综合输出信号，提出一种计算回波渡越时间的阈值点迹综合算法，在系统发送周期方波信号后打开定时器，利用定时器记录ADC采样前信号过比较器阈值的时间t1，再通过寻找低通滤波输出数组中的峰值点N_top，来计算得到回波到达的飞跃时间T。

5、本算法目前实现的微控制器平台为国产公司nuvoton旗下的NUC472主控(也可以其它型号的主控，例如STM32，单片机，DSP芯片等)，可以节约开发成本。发送波为方波，利用IO口等时间间隔输出高低电平，频率为58KHz(算法处理的中心频率不限)，整套测距算法均在主控CPU内部计算完成，从而得出被测物体的距离。

6、本发明中对于巴特沃斯IIR数字带通、数字低通滤波算法应对不同的主控平台形式可以不同，在NUC472主控中可以利用cortex-M4内部集成的DSP库函数辅助完成，同时也可以利用差分方程设计filter函数实现，差分方程形式如下：

其中ADC采样的点存放于数组x[n]中，其数组元素的个数由测距大小来确定，a_k为分母系数，b_k为分子系数，分子分母的系数根据工程技术要求(滤波器的阶数、带宽和中心频率等)来确定，可以通过MATLAB软件计算得出，y[n]为滤波输出。