基于單接收頭的超聲波多目標測距

2 閾值和分辨率

閾值的選取，決定本測距系統的測量精度。 由于回波的能量大小受入射角、反射面大小、形狀和材質(zhì)、空氣的濕度和溫度等因素決定，為了較精確地測量文獻中機器人與墻壁之間的距離，下面只針對超聲波垂直入射墻壁，接受信號的大小進(jìn)行分析。

在測量時(shí)，一旦有干擾物擋住超聲波到墻壁的行進(jìn)路徑，則墻壁返回的信號將減弱，過(guò)高的閾值可能測不到墻壁回波信號，動(dòng)態(tài)閾值因無(wú)規律可循而無(wú)法使用，故此閾值采用小固定值，因接收信號中的噪聲峰值較穩定，固定閾值取3~5 倍噪聲峰值。 由于墻壁回波信號不確定地高低變化，在標定測量參數時(shí)，用示波器采集信號，以接收信號包絡(luò )峰值的0. 5 倍處（即圖2 中n = 4 或5 處的時(shí)間） 作為距離信息。 這樣處理的目的是： 即使接收信號過(guò)強或過(guò)弱，測距誤差始終在3~5 cm 以?xún)取?當N 過(guò)大時(shí)，盲區會(huì )增大同時(shí)測量精度也會(huì )下降，見(jiàn)圖3.

多目標測量要能區分出兩個(gè)不同目標。 由于閾值取得小，則系統的分辨能力很差，從圖2 上可看出接收信號經(jīng)1. 5 ms 后正弦幅值是包絡(luò )峰值的0. 015倍。 圖2 的波形只有在超聲波垂直入射墻壁時(shí)才能得到，在大多數情況下接收信號從起振到包絡(luò )峰值基本固定，但是接收信號從包絡(luò )峰值以后各不一樣，一般從起振經(jīng)1. 5 ms~2 ms 后都會(huì )降到閾值以下。

在測量墻壁距離時(shí)，只要干擾物與墻壁保持30 cm以上距離則墻壁距離能較精確獲得。

3 系統硬件

C8051 系列單片機具有豐富的模擬、數字外設和多種總線(xiàn)接口，支持在線(xiàn)編程，是很多測控系統的首選。系統硬件框圖如圖4 ,C8051F021 有5 個(gè)定時(shí)器，5 個(gè)PCA 通道，測4 個(gè)方向的超聲波傳感器發(fā)射頭可共用1 個(gè)40 kHz 方波信號，實(shí)行同步發(fā)射；4 個(gè)接收頭可接入PCA 的4 個(gè)通道。 信號放大電路的放大倍數在800 左右，即使接收信號經(jīng)過(guò)帶通濾波器，噪聲峰值也達30 mv.

圖5 用示波器標定系統（只有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭）