[发明专利]一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法

说明书

本发明提供一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，首先在超声测距系统的可测范围内任意选择一组不同距离进行标定，通过求解每个距离测量信号对应的包络振幅最大值M，并将超声激励脉冲发生和结束的中间时刻与接收波包络首次到达M/2之间的时刻差表示为飞行时间，得到与标定距离组相对应的飞行时间组；再将待测距离的计算公式定义为以标定距离组及其飞行时间组为样本数据，利用最小二乘法进行线性拟合，得到实际速度和误差修正值δ；对于待测距离l'，利用上述方法得出超声波在介质中的飞行时间t，再由距离公式可计算得出l'值。本发明通过对飞行时间的精确搜索、实际波速的获取以及距离偏差的修正，使得待测距离的测量结果更加准确。

技术领域

本发明属于超声波测距技术领域，具体涉及一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法。

背景技术

超声波测距是一种有源非接触式测量技术，利用超声波在空气中的定向传播测量声波的传播距离，被广泛应用于液位监测、倒车雷达、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前，国内外研究较多的超声波测距原理主要包括相位差检测法、多频测距法和飞行时间检测法。在这三种典型测量原理中，由于具有硬件要求简单、技术成熟等特点，飞行时间检测法的应用最为广泛，飞行时间检测法主要依据于公式l＝c*t，其中c是超声波在介质中的传播速度，t是超声波发射到接收端所需的飞行时间。

在基于飞行时间检测的超声测距法中，超声波接收信号的处理是整个测量系统的关键技术之一，其目的是确定超声波发射时刻与接收起点时刻之间的飞行时间t，以便进一步计算待测距离l。一般当发射端发射非连续的激励脉冲后，接收端超声传感器的惯性延迟使得起振需要上升时间，而且起振阶段幅值较小，导致接收波的波形近似于一种慢起伏的正弦调制信号。上述接收波特性使得其对应包络的起点时刻难以进行检测，由于包络起点时刻与到达峰值时刻的关系比较稳定，因此可以通过检测包络到达峰值的时刻来确定接收波起点时刻。

与传统的超声波测距系统采用模拟电路接收作为接收波检测电路相比，对接收波信号进行数字化分析处理能够获得更高的峰值检测精度。目前，互相关函数法是脉冲法超声测距中最常用的接收波数字信号处理方法，但窄带接收波信号的振荡特性导致它们的相关函数在峰值位置近似于作等幅振荡，其峰值的不唯一性为精确搜索带来困难，从而在高精度测量系统的应用中具有局限性。此外，超声波在传播介质中的速度c通常会受到温度、湿度、介质密度、风向、压强等多种环境因素的影响。由于温度是主要的影响因素，现有基于飞行时间检测法的测距系统增加了温度修正模块，但没有考虑其他环境因素对测距结果的影响。

[文献1]“超声波测距精度的探讨”，湖南大学学报(自然科学版)，第29卷第3期(2002)。

[文献2]“基于二次曲线拟合的超声测距算法研究与实现”，测控技术，第33卷第5期(2014)。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，通过搜索唯一性更优的接收波包络幅值的二分之一处来实现飞行时间t的精确检测，且通过一种“修正”的方式来考虑测量环境及误差因素的影响，从而使得测距结果更接近于其真实值。

本发明所采用的技术方案是：一种改进的基于飞行时间检测的超声波测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：考虑超声波飞行速度会受到环境因素影响及其检测信号不可避免存在的误差干扰，将待测距离的计算公式定义为其中，表示在该环境下的实际波速，δ为误差修正项；

步骤2：在超声测距系统的可测范围内任选一组距离值，以标定的方法获得超声波在该测量环境下的实际速度和测距系统的误差修正值δ；

步骤3：对于任一待测距离l'，通过对其获得的超声波接收信号进行包络求解可进一步得到超声波在介质中的飞行时间t，将获得的t值代入距离公式即可准确地计算得出当前的距离值l'。

作为优选，步骤2的具体实现包括以下子步骤：