基于單接收頭的超聲波多目標測距

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量多個(gè)目標。 首先分析了超聲波發(fā)射頭產(chǎn)生的超聲波特點(diǎn)，據此推導出接收信號的波形表達式。 其次根據接收信號特點(diǎn)，系統標定時(shí)用接收信號包絡(luò )峰值的0. 5 倍作閾值，而測量時(shí)用小閾值，以防止距離信息丟失。 最后用C8051F021 單片機設計了單接收頭多目標測距系統。 在2 目標與接收頭距離之差大于30 cm 以上時(shí)能較精確地測量出2 個(gè)距離。

超聲波測距傳感器以其測量精度高、響應快和價(jià)格低廉而廣泛應用在工業(yè)現場(chǎng)測距、移動(dòng)機器人導航和定位等場(chǎng)合。超聲波測距傳感器常用的方式是1 個(gè)發(fā)射頭對應1 個(gè)接收頭，也有多個(gè)發(fā)射頭對應1 個(gè)接收頭。 它們共同之處是：每個(gè)接收頭只測量一個(gè)位置，這個(gè)位置就是除盲區內因發(fā)射的超聲波旁瓣引起的接收信號超聲波包絡(luò )峰值外，第1個(gè)接收信號超聲波包絡(luò )峰值對應的距離。 在機器人自主導航避障時(shí)，機器人只關(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)測量多個(gè)距離，能夠更多地描述環(huán)境信息，這對機器人用超聲波定位具有重要意義。

1 超聲波

1. 1 超聲波測距原理

超聲波測距原理比較簡(jiǎn)單，一般是采用時(shí)差法。即：通過(guò)檢測發(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， 壓電晶體把電能轉變成機械能，帶動(dòng)其上振動(dòng)板運動(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(cháng)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，但是接收信號超聲波包絡(luò )從起振到峰值的時(shí)間將變長(cháng)（放大器增益小，不出現削頂的情況下） ,不利于閾值選擇，誤差變大，也不利于第二個(gè)位置的測量，另外盲區也會(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）等消耗振動(dòng)板能量， 其中受空氣阻力消耗的能量轉變成發(fā)射超聲波。 壓電晶體激勵撤銷(xiāo)，則振動(dòng)板振動(dòng)作阻尼呈指數關(guān)系衰減。 把振動(dòng)板簡(jiǎn)化成是一個(gè)彈簧振子，設振動(dòng)板在一個(gè)正弦周期（ T = 25μs） 內是標準正弦波，則在發(fā)射頭振動(dòng)板運動(dòng)周期數n ≤發(fā)射頭激勵脈沖數N 時(shí)，發(fā)射頭振動(dòng)板運動(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)板運動(dòng)能量滿(mǎn)足：

1. 3 接收信號超聲波包絡(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，接收頭把回波轉變成電能，產(chǎn)生接收信號。 現分析超聲波垂直入射到墻壁面時(shí)的接收信號，接收信號超聲波包絡(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。