基于單接收頭的超聲波多目標(biāo)測(cè)距

為了使超聲波傳感器能在動(dòng)態(tài)環(huán)境下定位，要求單超聲波接收頭能測(cè)量多個(gè)目標(biāo)。 首先分析了超聲波發(fā)射頭產(chǎn)生的超聲波特點(diǎn)，據(jù)此推導(dǎo)出接收信號(hào)的波形表達(dá)式。 其次根據(jù)接收信號(hào)特點(diǎn)，系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)用接收信號(hào)包絡(luò)峰值的0. 5 倍作閾值，而測(cè)量時(shí)用小閾值，以防止距離信息丟失。 最后用C8051F021 單片機(jī)設(shè)計(jì)了單接收頭多目標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)。 在2 目標(biāo)與接收頭距離之差大于30 cm 以上時(shí)能較精確地測(cè)量出2 個(gè)距離。

超聲波測(cè)距傳感器以其測(cè)量精度高、響應(yīng)快和價(jià)格低廉而廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和定位等場(chǎng)合。超聲波測(cè)距傳感器常用的方式是1 個(gè)發(fā)射頭對(duì)應(yīng)1 個(gè)接收頭，也有多個(gè)發(fā)射頭對(duì)應(yīng)1 個(gè)接收頭。 它們共同之處是：每個(gè)接收頭只測(cè)量一個(gè)位置，這個(gè)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(hào)超聲波包絡(luò)峰值外，第1個(gè)接收信號(hào)超聲波包絡(luò)峰值對(duì)應(yīng)的距離。 在機(jī)器人自主導(dǎo)航避障時(shí)，機(jī)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(jī)器人定位時(shí)，尤其在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，1 個(gè)接收頭同時(shí)測(cè)量多個(gè)距離，能夠更多地描述環(huán)境信息，這對(duì)機(jī)器人用超聲波定位具有重要意義。

1 超聲波

1. 1 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距原理比較簡(jiǎn)單，一般是采用時(shí)差法。即：通過(guò)檢測(cè)發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間差Δt ,求出障礙物的距離d ,計(jì)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(hào)超聲波包絡(luò)

在發(fā)射頭兩端加40 kHZ 的矩形脈沖電壓， 壓電晶體把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，帶動(dòng)其上振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖1. 振動(dòng)板的固有頻率是40 kHZ,由于共振，振動(dòng)板很快起振，然后穩(wěn)定， 脈沖電壓撤銷(xiāo)， 振動(dòng)板作阻尼振蕩衰減。 若振動(dòng)板長(zhǎng)時(shí)間工作在最大振幅狀態(tài)，即振動(dòng)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(hào)超聲波包絡(luò)從起振到峰值的時(shí)間將變長(zhǎng)（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(gè)位置的測(cè)量，另外盲區(qū)也會(huì)增大。 振動(dòng)板振動(dòng)時(shí)，空氣、壓電晶體（起振時(shí)是激勵(lì)）等消耗振動(dòng)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(lì)撤銷(xiāo)，則振動(dòng)板振動(dòng)作阻尼呈指數(shù)關(guān)系衰減。 把振動(dòng)板簡(jiǎn)化成是一個(gè)彈簧振子，設(shè)振動(dòng)板在一個(gè)正弦周期（ T = 25μs） 內(nèi)是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，則在發(fā)射頭振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)周期數(shù)n ≤發(fā)射頭激勵(lì)脈沖數(shù)N 時(shí)，發(fā)射頭振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足：

x = A （ n） sinωt （1）

式中t ∈[ （ n - 1） T , nT ] , A （ n）是第n 個(gè)周期內(nèi)的振幅。

ΔE 是壓電晶片每次施加的能量。

在n > N 時(shí)， 發(fā)射頭振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)能量滿(mǎn)足：

1. 3 接收信號(hào)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(huì)產(chǎn)生回波，接收頭把回波轉(zhuǎn)變成電能，產(chǎn)生接收信號(hào)。 現(xiàn)分析超聲波垂直入射到墻壁面時(shí)的接收信號(hào)，接收信號(hào)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(hào)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(hào)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)。