鄭琦1，劉龍2，劉強(qiáng)3

　　(1.江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330000; 2.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌，330000;3.華南師范大學(xué) 華南先進(jìn)光電子研究院，廣東 廣州 510006)

　　摘要：在雙探頭近距離的超聲波測距系統(tǒng)中，存在著測量精度不高的問題，并且距離越近誤差越大，在測量距離小于10 cm時(shí)，由于探頭之間的相互影響，將導(dǎo)致無法測量該段距離。本系統(tǒng)根據(jù)超聲波傳播過程中的疊加原理，通過分析探頭之間干擾波與從被測物反射的回波的相互疊加，從而消除在近距離測量時(shí)的測距盲區(qū)。在發(fā)射和接收探頭之間距離不同時(shí)，分析其對(duì)測量誤差的影響，選擇最理想的探頭放置距離，并且結(jié)合溫度對(duì)聲速傳播的影響，設(shè)計(jì)出近距離高精度無盲區(qū)超聲波測距系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：超聲波;近距離;高精度;無盲區(qū);探頭放置

　　中圖分類號(hào)：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.023

　　引用格式：鄭琦，劉龍，劉強(qiáng).基于KL25的高精度無盲區(qū)超聲波測距系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（10）：81-84.

0引言

　　超聲波測距由于具有非接觸式測量、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等許多優(yōu)點(diǎn)，在測距方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。以往的測距方法通常包括以下兩種：（1）用微分電路［1］監(jiān)測回波信號(hào)的極值電壓，該點(diǎn)的斜率為0，并記下從加載激勵(lì)信號(hào)到該時(shí)刻的時(shí)間，從而得到被測物的距離；（2）用固定幅值門限的比較電路［2］，當(dāng)回波信號(hào)的電壓達(dá)到所設(shè)的固定幅值時(shí)產(chǎn)生中斷記下該時(shí)刻，從而計(jì)算出到被測物的距離。這兩種檢測方法的共同缺點(diǎn)是：無法在近距離范圍內(nèi)測量，因?yàn)樗O(jiān)測的特征在測量盲區(qū)內(nèi)［3］都會(huì)出現(xiàn)，從而導(dǎo)致測量結(jié)果錯(cuò)誤。所以對(duì)應(yīng)的一般辦法是舍棄近距離的測量，屏蔽盲區(qū)的信號(hào)檢測，從而限制該類型超聲探頭在近距離測量方面的應(yīng)用，而選用更精密昂貴的超聲波探頭應(yīng)用在近距離測距的場合。

　　在收發(fā)換能器分立的超聲波測距系統(tǒng)中，由于發(fā)射探頭和接收探頭的距離較近，發(fā)射探頭產(chǎn)生的聲波信號(hào)在探頭壁上產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，從而使接收探頭接收到雜亂的回波信號(hào)［4］，且當(dāng)被測物與超聲波探頭相距較近時(shí)，所收到的回波信號(hào)是從障礙物反射所得還是從發(fā)射探頭得到將很難分辨，故限制了其在近距離測量方面的應(yīng)用，因此提高近距離超聲波測距系統(tǒng)的測量精度具有重大的研究意義。

　　本文提出了一種近距離高精度無盲區(qū)超聲波測距的方法，如圖1所示。當(dāng)被測物與超聲波探頭相距較近時(shí)，超聲波探頭之間產(chǎn)生的干擾波和從被測物反射的回波將會(huì)進(jìn)行疊加作用在接收探頭上。探頭之間距離（R）越小，接收到干擾信號(hào)的幅值越大，距離越大，幅值將越小。根據(jù)聲波信號(hào)的疊加原理，采集接收到回波信號(hào)的幅值，通過分析回波信號(hào)的幅值信號(hào)，得出從被測物反射回波的到達(dá)時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)近距離的測量。同時(shí)，兩探頭之間的距離將會(huì)影響分析回波信號(hào)的分辨能力，所以對(duì)兩探頭之間的距離找一個(gè)平衡是提高超聲波在近距離測距精度的關(guān)鍵。

1理論分析

　　在超聲波測距系統(tǒng)中發(fā)射探頭發(fā)射的能量由所加激勵(lì)信號(hào)的能量和探頭本身的物理屬性決定，考慮探頭在半無限大空間中的發(fā)射聲場時(shí)，由于波源各點(diǎn)至軸線上某點(diǎn)的距離不同，存在聲程差，互相疊加時(shí)存在相位差而導(dǎo)致相互干涉，使得一些地方聲壓相互加強(qiáng)，一些地方相互減弱，因此在聲束軸線上出現(xiàn)極大值和極小值，如式（1）所示。這一系列存在極大和極小值的區(qū)域即為近場區(qū)［5］。

　　式中，P為軸線上距離聲源a處聲壓，P0為波型轉(zhuǎn)換次數(shù)，RS為圓盤源半徑，ω為角頻率，t為點(diǎn)源輻射至距離a處的時(shí)間，k=2π/λ。聲壓P隨t做周期變化，在超聲波測距過程中只考慮振幅P1：

　　聲場的指向性，即聲束集中向一個(gè)方向輻射的性質(zhì)，聲束在該點(diǎn)的集中程度反映了該點(diǎn)聲場強(qiáng)度的大小，即可大致地表示該點(diǎn)的聲場強(qiáng)度，指向系數(shù)Dc按式（4）定義，在晶片尺寸一定時(shí)，可以通過式（5）計(jì)算該探頭的擴(kuò)散角度，從而計(jì)算出不同角度點(diǎn)處的聲場強(qiáng)度。

　　當(dāng)已知被測物與超聲波換能器連接線的中軸線之間夾角 θ的大小時(shí)，接收換能器能夠接收到的比例系數(shù)，角度越小，接收的能量越大［6］。

　　通過對(duì)以上公式的分析可以得出，在相對(duì)探頭不同的距離其他實(shí)驗(yàn)條件相同的條件下，聲波在空氣中的傳播速度一定，對(duì)應(yīng)相同的被測物體時(shí)，超聲波探頭接收回波的聲強(qiáng)將與被測物的相對(duì)距離成反比。當(dāng)被測物在測試系統(tǒng)的盲區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，通過采集回波信號(hào)波峰出現(xiàn)的時(shí)刻與無被測物在前時(shí)的情況進(jìn)行對(duì)比，通過實(shí)時(shí)地跟蹤回波信號(hào)的幅度來判斷出被測物所出現(xiàn)的時(shí)刻，進(jìn)而計(jì)算出被測物所處的位置。

　　為了能夠更精確地測量出從被測物反射的回波信號(hào)達(dá)到的時(shí)刻，希望所監(jiān)測回波信號(hào)幅值變化越大越好，以提高信號(hào)的區(qū)分度。因?yàn)榘l(fā)射探頭和接收探頭距離越近幅值越大，此時(shí)干擾信號(hào)產(chǎn)生的幅值信號(hào)起主要作用，而從被測物反射的回波信號(hào)產(chǎn)生的幅值信號(hào)疊加之后會(huì)很弱，影響區(qū)分度，不宜監(jiān)測；當(dāng)發(fā)射探頭和接收探頭放置過遠(yuǎn)時(shí)，雖然干擾信號(hào)引起的幅值變化會(huì)很小，從被測物反射的回波信號(hào)產(chǎn)生的幅值信號(hào)起主要作用，辨識(shí)度提高，但是根據(jù)圖1，探頭相對(duì)距離越遠(yuǎn)誤差越大，所以在其中尋找一個(gè)合適的探頭相對(duì)距離將有利于提高系統(tǒng)的測量精度。

　　因在不同的環(huán)境溫度下聲波的傳播速度是不一樣的，它們之間的關(guān)系如式（6）所示，為了減少環(huán)境溫度對(duì)測量精度的影響，系統(tǒng)中需加入溫度矯正模塊，通過實(shí)時(shí)地測量當(dāng)前環(huán)境下的溫度，更新計(jì)算中聲音的傳播速度，提高測量精度。

　　c=331.4×1+T/273（6）

2系統(tǒng)組成

　　為驗(yàn)證理論分析的正確性，測量系統(tǒng)使用T/R4016超聲波探頭制作了超聲波近距離測距系統(tǒng)，如圖2所示，T/R4016超聲波探頭為廉價(jià)型超聲波測距探頭，擴(kuò)散角為60°，廣泛地用在5 m以內(nèi)的測距領(lǐng)域，其改進(jìn)型的防水探頭被廣泛地應(yīng)用在汽車的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中［7］。在本系統(tǒng)中為實(shí)現(xiàn)距離的精確測量，需要使用處理速度較快的微控制器，至少需達(dá)到微秒級(jí)別才能滿足AD的采集并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，本系統(tǒng)中選用的是NXP KL25微控制作為控制核心，該處理芯片為基于Cortex-M0+內(nèi)核的微控制器，內(nèi)核運(yùn)行頻率達(dá)48 MHz，滿足系統(tǒng)的處理需求。

　　根據(jù)該型號(hào)探頭的頻率特性，其諧振頻率為40 kHz，所以選擇加載在發(fā)射端激勵(lì)信號(hào)為40 kHz的方波信號(hào)，且發(fā)射的激勵(lì)信號(hào)以8個(gè)周期脈沖為一組。原理圖如圖3所示。將trigger引腳連接到KL25的控制引腳，控制激勵(lì)信號(hào)的輸入。

　　因接收器接收到的回波產(chǎn)生的電信號(hào)非常微弱，必須進(jìn)行信號(hào)放大，同時(shí)為了避免其他雜波的干擾，在電路中加了通頻為40 kHz的帶通濾波器，濾除40 kHz左右以外的干擾信號(hào)，處理電路如圖4所示。因?yàn)榧虞d的激勵(lì)信號(hào)為40 kHz的方波信號(hào)，所以通過放大后的回波信號(hào)也是40 kHz的調(diào)幅波信號(hào)，為滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）檢測的連續(xù)性，對(duì)帶通濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波及平滑處理。系統(tǒng)中加入包絡(luò)檢波的另一個(gè)好處是濾除回波信號(hào)的負(fù)半軸，雖然干擾信號(hào)與回波信號(hào)進(jìn)行波形疊加時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分減弱的情況，但是包絡(luò)檢波器會(huì)對(duì)疊加后的波形進(jìn)行平滑處理，得到的回波信號(hào)都在正半軸，所以包絡(luò)檢波后的信號(hào)都是加強(qiáng)后的信號(hào)。

　　系統(tǒng)控制發(fā)送激勵(lì)信號(hào)后，控制器同時(shí)打開定時(shí)器和ADC模塊，ADC一直采集經(jīng)過包絡(luò)檢波后的回波信號(hào)，并且實(shí)時(shí)地分析所采集的信號(hào)，判斷回波信號(hào)的最大值是否出現(xiàn)，若出現(xiàn)再判斷是否為從被測物反射的回波信號(hào)，若是則關(guān)閉定時(shí)器，定時(shí)器里的計(jì)數(shù)值換算為時(shí)間即為聲波從發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時(shí)間。隨后微控制器讀取DS18B20的值，獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度，通過式（6）算出當(dāng)前聲波的傳播速度，通過測得的傳播時(shí)間和傳播速度，計(jì)算得出超聲波探頭與被測物之間的距離。

3實(shí)驗(yàn)與分析

　　使用上節(jié)描述的測試系統(tǒng)，測試溫度為22.5℃，障礙物選用20 cm×20 cm×2 mm光滑印制電路板，使障礙物中心對(duì)準(zhǔn)超聲波換能器連線的中心。當(dāng)無障礙物在前時(shí)，通過微控制器發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，用示波器觀察包絡(luò)檢波后的回波信號(hào)。通過對(duì)比多次相同激勵(lì)下的回波信號(hào)，發(fā)現(xiàn)波形基本無變化，表明在超聲波探頭固定的條件下，接收換能器接收到因發(fā)射換能器產(chǎn)生的干擾信號(hào)是固定的，且系統(tǒng)穩(wěn)定。

　　為了得到最佳的超聲波探頭放置距離，需要經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比回波信號(hào)的幅值，在誤差盡量小、辨識(shí)度可接受的范圍內(nèi)選取最佳的超聲波探頭放置距離。因本組實(shí)驗(yàn)為探究超聲波發(fā)射和接收探頭最佳的放置位置，所以可以直接將示波器的信號(hào)輸入探頭接在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的包絡(luò)檢波模塊的輸出端，用示波器直接觀察測試系統(tǒng)加載激勵(lì)信號(hào)后的回波信號(hào)。

　　本組實(shí)驗(yàn)共分6小組，按超聲波發(fā)射和接收探頭之間的距離進(jìn)行分組，間距即圖1中R值分別為0 cm, 0.5 cm, 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2.5 cm；同時(shí)每組實(shí)驗(yàn)采集兩次數(shù)據(jù)，一次為無被測物在前的回波信號(hào)，一次為被測物在超聲波探頭正前方1 cm時(shí)的回波信號(hào)，如圖5中幅值小的回波信號(hào)線為無被測物在前時(shí)的波形，幅值大的回波信號(hào)線為被測物離超聲波探頭1 cm時(shí)的波形。參照?qǐng)D1為使測量的誤差更小，必須使探頭之間的距離即R值越小越好，同時(shí)為使測量系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)的幅值有更高的辨識(shí)度，幅值差最好大于等于1 V，所以從測試的結(jié)果可以得出，超聲波發(fā)射和接收探頭之間的距離取0.5 cm最佳。

　　在測得超聲波發(fā)射和接收探頭之間的最佳放置距離為0.5 cm后，為測試系統(tǒng)對(duì)距離測量的準(zhǔn)確性，本組試驗(yàn)中，固定超聲波發(fā)射和接收探頭之間的距離為0.5 cm，改變探頭與被測物的相對(duì)距離，通過分析接收到的

　　回波信號(hào)，找出回波信號(hào)最大值到達(dá)的時(shí)刻；通過微控制器集成的ADC模塊可以輕易地采集到回波的電壓信號(hào)，在軟件中識(shí)別出回波信號(hào)的幅值，結(jié)合回波信號(hào)的一些特征，可以很好地分辨出被測物的距離。

　　通過系統(tǒng)中的溫度傳感器DS18B20測得當(dāng)前的溫度為22.5℃,根據(jù)式（6）計(jì)算得出當(dāng)前的聲波速度為344.386 m/s，結(jié)合測得的回波信號(hào)到達(dá)的時(shí)刻，通過串口將測得結(jié)果輸出。測得結(jié)果如表1所示。

　　通過表1中的結(jié)果可知，該方法在近距離的測量方面是可行的，雖然距離越近相對(duì)誤差越大，但測得的結(jié)果仍然在誤差允許范圍之內(nèi)，并且相對(duì)距離越大相對(duì)誤差越小。在研究了探頭之間的最佳放置距離之后，系統(tǒng)測量的偶然誤差減小了，因?yàn)樘岣吡朔敌盘?hào)的區(qū)分度，將有利于分析回波信號(hào)中的幅值信號(hào)，同時(shí)探究探頭之間的放置最短距離，可以減小系統(tǒng)誤差。

4結(jié)論

　　本研究提供了一種近距離高精度無盲區(qū)超聲波測距系統(tǒng)，在提出一種消除超聲波測距盲區(qū)的基礎(chǔ)上，探究了提高系統(tǒng)測量精度的方法，通過探究雙探頭超聲波測距系統(tǒng)中探頭之間最佳的放置距離，同時(shí)輔以溫度補(bǔ)償，使測量系統(tǒng)消除了測距盲區(qū)同時(shí)提高了測量精度，增加了廉價(jià)超聲波探頭在近距離范圍的測量，擴(kuò)大了其應(yīng)用的范圍，相比以前提出的測量方法有了很大的改進(jìn)。

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