高精度多頻脈沖超聲測距法研究

吳 軍,沈夢婷

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,天津300072)

高精度多頻脈沖超聲測距法研究

吳 軍,沈夢婷

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,天津300072)

傳統的超聲測距方法基于單頻脈沖飛行時間,原理簡單、應用靈活,但由于聲波易受空氣衰減以及電路噪聲影響,其測量精度較低,多頻連續波相位檢測法可以達到較高的精度,但其受限于連續聲波發射,應用范圍較小。為兼顧測量精度與應用范圍,提出一種采用多頻超聲脈沖發射的方法,利用各頻段聲波之間的固有時間差值,結合飛行時間法精確估計超聲脈沖的到達時間,再通過溫度補償測量現場的聲速,即可得到精確的被測距離。該方法能夠拓展超聲測距的應用范圍,簡化硬件設計,經實驗驗證,在3 m范圍內,測量精度可以達到0.3 mm左右。

超聲測距;多頻脈沖;飛行時間;時差估計;溫度補償;最小二乘擬合

1 概述

本文提出一種多頻脈沖超聲波測量飛行時間的算法。發射2組頻率相近的超聲波,對于同一距離,不同頻率的接收/發射的相位偏移之差恒定,根據此原理,判斷出接收波起振時間,實現大測量范圍的高精度測量。

2 飛行時間精測法

本文選擇了震蕩特性較好的靜電式超聲探頭,中心頻率為50 kHz。發射端與接收端分離的對射式結構,發射8個頻率為f1(f1=50 kHz)的脈沖,間隔1ms發射8個頻率為f2(f2=51.56 kHz)的脈沖。將接收波通過正弦檢波轉變為方波。f1(f2)發射波發射時刻開始計時,檢測到接收波第n個上升沿的時間t1n(t2n)。

在理想情況下,接收波通過比較電路沒有漏檢的周期,發射/接收波模型如圖1所示,則不同頻率接收波之間存在的對應關系如圖2所示,滿足:

其中,ttof為超聲波從發射端傳播到接收端的飛行時間。

圖1 2組頻率相近的超聲波發射/接收理想模型

圖2 不同頻率接收波之間的關系

根據式(2)、式(3),得:

其中,Δt=T1-T2,有:

故t1n-t2n＜＜T1(發射波是8個周期的脈沖,可知n≤8)。

式(4)表明了不同頻率接收波對應的上升沿之間時間的關系。

但在實際情況中,無論是閾值可變法、可控增益法,都無法保證接收波沒有漏檢的周期,且漏檢的周期數會隨著傳播距離的增加而增加,因為聲波在空氣中傳播呈指數衰減。要想提高測距精度,必須準確判斷接收波漏檢的周期數。

f1接收波、f2接收波均有檢漏的周期,且周期數不定。假設f1漏檢m1個周期,f2漏檢m2個周期,將式(2)、式(3)轉換為實際模型,得到:

令Δm=m1-m2,則2組接收波之間存在下列關系:

(1)Δm≥0,有:

其中,t1n,t2(n+m1-m2)對應實際波形中到第n+m1個上升沿的時間。

(2)Δm＜0,有:

其中,t1(n+m2+m1),t2n對應實際波形中到第n+m2個上升沿的時間。

通過判斷出Δm的值,將t1n,t2(n+m1-m2)或t1(n+m2+m1),t2n對應上,即可求出對應的m1,m2的值。

以n=2,m1=4,m2=2為例,如圖3所示。Δm=2＞0,根據式(5),t12-t24=5×Δt。

圖3 2組不同頻率超聲波發射/接收實際模型

Δm的判斷方法如圖4所示。檢測t1i,t2j(初始時i=j=1)并比較大小,當t1i＜t1j時,m1＜m2,f1漏檢的周期數小于f2漏檢的周期數,則增加i直到t1i≥t1j;

當t1i≥t1j時,m1≥m2,此時判斷t1i-t2j與T1的大小。

圖4 漏檢周期差Δm判斷流程

3 溫度補償

4 軟件實現

系統的軟件模塊流程如圖5所示。系統初始化后,清空計數器,然后初始化數字頻率合成器DDS生成頻率為f1,f2的超聲波。依次發射8個周期的f1,f2脈沖,發射的同時開始計時。記錄到接收波f1,f2每個上升沿的時間t1n,t2n(n=1,2,…,8)。根據圖4的流程圖判斷Δm,從溫度模塊實時測量溫度T,將m1,m2,T傳輸給上位機,根據式(5)、式(6)、式(9)得到距離L。

圖5 系統的軟件模塊流程

5 實驗與分析

多頻時間法有2個關鍵:(1)對2個頻率的接收波漏檢周期數m1,m2的判斷;(2)接收波頻率的精度,根據式(5)、式(6),漏檢部分實際的周期與驅動信號的周期T1或T2的偏差,將直接影響起振時間的判斷。實驗1是對m1,m2的判斷,實驗2是對測量距離的誤差分析。實驗狀態如表1所示。其中,測量距離真值、m1真值、m2真值是用示波器測量起振時間標定的,溫度使用精密溫度計測量。實驗裝置示意圖如圖6所示。

表1 實驗狀態

圖6 實驗裝置示意圖

5.1 m1,m2的判斷

在實驗1的狀態下,得到數據表2。根據圖4的流程,判斷出Δm=j-i=1,可計算出m的值。為了保證m值的準確性,使i=i+1,j=j+1,多次計算得到序列Mk。t1i,t2j實際對應情況及Mk值如表3所示。

表2 判斷m值的實驗數據

表3 判斷m值的實驗調整數據

將Mk序列線性擬合,得到擬合曲線方程y=p1×x+p2,p1=1.033 5,p2=2.760 5。其中,截距p2取整[p2]=3=m1-1,得到m1=4。Mk擬合曲線如圖7所示。

圖7 Mk序列擬合曲線

5.2 測量距離誤差分析

在實驗2的實驗狀態下,在322.461mm～2 625.674 mm范圍內,每隔120 mm測量一次,得到相應的m1,m2。根據式(5)、式(6)得到飛行時間繼而得到距離值,如圖8所示。其中,d1表示代入式(5)即根據頻率f1得到飛行時間,d2表示代入式(6)即根據頻率f2得到飛行時間。圖9為對應2種方式得到的測量結果與真值的誤差。由圖可知,根據頻率f1(f1=50 kHz即中心頻率)得到的測量結果誤差明顯較小。

圖8 2種方式測量結果比較

圖9 2種方式測量誤差比較

6 結束語

本文在飛行時間測距法的原理基礎上提出了一種新的高精度超聲測距法。針對飛行時間法存在的聲衰減導致起振時間測量不準確的問題,根據不同頻率的接收/發射的相位偏移之差恒定的原理判斷起振時間。本文通過發送2種不同頻率的驅動信號,分析接收波之間存在的相對關系,建立發射波/接收波實際模型,判斷2組接收波漏檢周期數,進而得到準確的飛行時間。

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編輯 顧逸斐

Study on High Accurate Ultrasonic Ranging Method Using Multi-frequency Pulse

WU Jun,SHEN Mengting
(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

The traditional ultrasonic ranging method is based on time of flight using single frequency pulse.It is flexible in application but has low accuracy.Another high accurate method is based on multi-frequency continuous wave;however its application is limited by the continuous sound wave.In order to consider both measurement accuracy and application, this paper presents a novel method by using multi-frequency ultrasonic pulse.This method obtains accurate distance based on the sound velocity which is compensated by temperature and accurate time of flight estimated through the inherence time difference of different frequency pluses.Experimental results prove the measurement accuracy can achieve about 0.3 mm for the distance up to 3 m.

ultrasonic ranging;multi-frequency pulse;time of flight;time difference estimation;temperature compensation;least-squares fitting

吳 軍,沈夢婷.高精度多頻脈沖超聲測距法研究[J].計算機工程,2015,41(2):278-281,286.

英文引用格式:Wu Jun,Shen Mengting.Study on High Accurate Ultrasonic Ranging Method Using Multi-frequency Pulse[J].Computer Engineering,2015,41(2):278-281,286.

1000-3428(2015)02-0278-04

:A

:TP39

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.02.053

國家“863”計劃基金資助項目(2012AA041205);國家自然科學基金資助項目(51305297)。

吳 軍(1986-),男,博士研究生,主研方向:超聲定位系統;沈夢婷,碩士研究生。

2014-02-24

:2014-03-20E-mail:wujun8686@tju.edu.cn