高精度超聲波測(cè)距方法的研究

劉 芬，羅前剛，張遠(yuǎn)征

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400039）

國有重特大煤礦井下的設(shè)備、人員、物質(zhì)運(yùn)輸基本依靠無軌膠輪車實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸，無軌膠輪車分為礦用重型特種車輛和礦用輕型車輛，其中，礦用重型特種車輛因結(jié)構(gòu)和使用用途的特殊性，駕駛艙多數(shù)為敞開式，由于車輛外型龐大，導(dǎo)致駕駛?cè)藛T操控視野不佳、車輛不易調(diào)向的問題；礦用輕型車輛均采用封閉式駕駛艙，由于車輛常常往返于井上井下，駕駛艙玻璃易受水汽影響，對(duì)駕駛?cè)藛T駕駛視野造成影響[1]。同時(shí)，煤礦井下光線不理想，車輛在行駛、車輛調(diào)向過程中由于駕駛員視野不佳、光線昏暗、巷道狹窄等因素經(jīng)常會(huì)發(fā)生車輛碰撞事故。近幾年，隨著家用汽車自動(dòng)輔助駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)泊車等相關(guān)技術(shù)也越來越成熟，泊車輔助的關(guān)鍵是準(zhǔn)確判斷車身與周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)距離，需要在車身安裝測(cè)距傳感器識(shí)別障礙物和實(shí)時(shí)測(cè)量位置。其中，超聲波雷達(dá)在自動(dòng)泊車系統(tǒng)使用廣泛，具有成本低、安裝方便、指向性強(qiáng)、能量衰減比較慢等特點(diǎn)，采用超聲波雷達(dá)進(jìn)行障礙物實(shí)時(shí)測(cè)距，對(duì)提高車輛對(duì)環(huán)境的感知能力，提高礦用車輛防碰撞應(yīng)用具有十分重要的意義[2]。

在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波測(cè)距受環(huán)境溫度影響較大，同時(shí)與發(fā)波頻率、硬件檢波電路、驅(qū)動(dòng)方式等密切相關(guān)，導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。本文根據(jù)傳感器硬件特征參數(shù)、安裝位置、環(huán)境溫度、驅(qū)動(dòng)邏輯等要素綜合，提出一種在礦用車輛防碰撞中超聲波雷達(dá)自適應(yīng)的實(shí)時(shí)測(cè)距與感知方法，可得到更準(zhǔn)確的位置環(huán)境信息。

1 超聲波測(cè)量原理

采用超聲波原理進(jìn)行障礙物的測(cè)距就是測(cè)量超聲波在超聲波探頭與被測(cè)障礙物之間的飛行時(shí)間，其工作原理如下，超聲波探頭首先向外發(fā)射超聲波，超聲波束探測(cè)到被測(cè)物體時(shí)，超聲波束碰撞障礙物表面并反射回超聲波回波信號(hào)，然后超聲波探頭接收到超聲波回波信號(hào)，并實(shí)時(shí)比對(duì)超聲波回波信號(hào)的接收時(shí)刻，最后通過ARM 處理器實(shí)時(shí)計(jì)算超聲波發(fā)射測(cè)量信號(hào)到超聲波回波信號(hào)接收到的時(shí)間間隔，從而計(jì)算得出當(dāng)前物體與被測(cè)物體之間的距離[3]，如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)距示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic ranging

從示意圖可知，超聲波的飛行范圍為探頭與障礙物之間，要獲取探頭與障礙物之間的距離，需要測(cè)量超聲波從探頭發(fā)出到超聲波回波信號(hào)接收到的時(shí)間，再知道當(dāng)前環(huán)境下超聲波的傳播速度，就可以通過計(jì)算公式得出[4]，計(jì)算公式為

式中：L 為當(dāng)前物體與被測(cè)物體之間的距離；ν 為超聲波的飛行速度；t 為超聲波渡越時(shí)間[4]。

超聲波測(cè)距的關(guān)鍵在于獲取不同工況條件下超聲波的飛行速度ν，并準(zhǔn)確測(cè)量超聲波從探頭發(fā)出到接到回波信號(hào)的時(shí)間t。飛行速度ν 一般都可以通過查詢不同溫度條件下超聲波聲速與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲取，那么渡越時(shí)間t 的測(cè)量精確度就會(huì)影響超聲波測(cè)距的精確度，顯得十分重要。渡越時(shí)間的高精度測(cè)量比較困難，存在誤差是在所難免的，可以通過采用最優(yōu)化的測(cè)量方法將測(cè)量誤差盡可能降到最低，這是提高超聲波測(cè)距精度的關(guān)鍵[5]。

2 渡越時(shí)間檢測(cè)方法

2.1 溫度對(duì)測(cè)距精度的影響

聲波的定義范疇已經(jīng)包含了超聲波，因此，c 即為音速，音速的公式為

式中：γ 為氣體的絕熱體積系數(shù)（空氣為1.4）；P 為氣體的氣壓（海平面為1.013×106Pa）；ρ0為氣體的密度（空氣為1.29 kg/m3）[6]。

對(duì)于1 mol 的空氣，質(zhì)量為m，體積為V，則密度ρ0應(yīng)為m/V，故：

對(duì)于理想氣體，有：

式中：R 為摩爾氣體常數(shù)；T 為絕對(duì)溫度，因此：

由于γ，R，m 均為己知常數(shù)，故聲速c 僅與溫度T 有關(guān)，若溫度不變，則聲音在空氣中的速率與氣壓無關(guān)[7-8]。

在0 ℃的空氣中，C0=331.45 m/s

對(duì)于任意溫度下，有：

所以，在理想環(huán)境條件下，超聲波在空氣中的傳播速度可以表示為[9]

不同溫度條件下超聲波聲速與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 不同溫度條件下超聲波飛行速度表Tab.1 Ultrasonic flight speed table under different temperature conditions

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，溫度會(huì)影響超聲波換能器的物理特性，導(dǎo)致接收信號(hào)的局部形狀發(fā)生變化。為了驗(yàn)證該現(xiàn)象，把防碰撞傳感器置于溫度試驗(yàn)箱中加熱至23 ℃，將靜態(tài)發(fā)射參考波形與該溫度下的測(cè)量反射波形進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算得到超聲波渡越時(shí)間，兩波形的對(duì)比效果如圖2所示。同理可計(jì)算45 ℃下的超聲波渡越時(shí)間，波形對(duì)比效果如圖3所示。分別計(jì)算兩種不同溫度下各4 組測(cè)量波形的渡越時(shí)間和相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果記錄如表2所示。

圖2 23 ℃下互相關(guān)效果Fig.2 Cross-correlation effect at 23 ℃

圖3 45 ℃下互相關(guān)效果Fig.3 Cross-correlation effect at 45 ℃

表2 不同溫度下互相關(guān)結(jié)果Tab.2 Cross-correlation results at different temperatures

由圖2、圖3 可以看出，不同溫度條件下測(cè)得的測(cè)量反射波形具有較大差異，由表2 可以看出，在10 ℃環(huán)境條件下選擇的靜態(tài)發(fā)射參考波形用于其他溫度條件下的互相關(guān)計(jì)算，隨著溫度差距增大，相關(guān)性會(huì)逐漸下降，導(dǎo)致渡越時(shí)間測(cè)量出現(xiàn)“跳周期”誤差。

2.2 動(dòng)態(tài)波形互相關(guān)算法

針對(duì)靜態(tài)發(fā)射參考波形環(huán)境適應(yīng)能力有限的問題，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)射參考波形進(jìn)行互相關(guān)算法改進(jìn)，具體步驟實(shí)施如下：

首先，構(gòu)建靜態(tài)發(fā)射參考波形，即將防碰撞傳感器置于當(dāng)前工作環(huán)境中，采樣得到靜態(tài)發(fā)射參考波形，記為x0，并存儲(chǔ)該參考波形；其次，接收獲取實(shí)時(shí)測(cè)量反射波形，記為x1，將靜態(tài)發(fā)射參考波形x0與實(shí)時(shí)測(cè)量反射波形x1進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到時(shí)間t1，則超聲波渡越時(shí)間tof1=t1，并在x1中重新選取動(dòng)態(tài)發(fā)射參考波形x1′，記錄該參考波形的起點(diǎn)時(shí)間t1′，計(jì)算t1′與t1的差值作為參考波形x1′相對(duì)靜態(tài)參考波形x0的時(shí)間偏差，記為Δt1，Δt1=t1′-t1；再次，接收獲取實(shí)時(shí)測(cè)量反射波形，記為x2，將參考波形x1′與x2進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到時(shí)間t2，則超聲波渡越時(shí)間tof2=t2+Δt1，在x2中重新選取該測(cè)量波形的參考波形x2′，記錄該參考波形的起點(diǎn)時(shí)間t2′，計(jì)算參考波形x2′相對(duì)靜態(tài)參考波形x0的時(shí)間偏差，記為Δt2，Δt2=t2′-t2+Δt1，以此類推，可以實(shí)時(shí)獲取參考波形xn′以及計(jì)算超聲波渡越時(shí)間tofn[10]。

由于超聲波渡越時(shí)間tofn是根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參考波形測(cè)量所得，因此，超聲波渡越時(shí)間tofn是超聲波發(fā)射到回波接收時(shí)間，根據(jù)式（1）可以計(jì)算得到機(jī)車與障礙物之間的距離。

3 試驗(yàn)

本文通過以自主研發(fā)的超聲波測(cè)距傳感器為試驗(yàn)對(duì)象，該傳感器由表體、超聲波換能器、驅(qū)動(dòng)電路、接收電路、切換控制電路和ARM 處理器構(gòu)成。其中，超聲波換能器安裝于表體內(nèi)，采用交替發(fā)射和接收超聲波信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路由變壓器升壓驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成；接收電路由壓控電壓源二階帶通濾波電路，自動(dòng)增益控制電路，AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換）采樣電路構(gòu)成；ARM 處理器用于處理數(shù)字信號(hào)濾波、互相關(guān)運(yùn)算、時(shí)間計(jì)算、距離計(jì)算及故障診斷等內(nèi)容。超聲波測(cè)距傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 超聲波測(cè)距傳感器系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Ultrasonic ranging sensor system architecture

圖5 傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of sensor head structure

為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)參考波形用于互相關(guān)算法的有效性，首先在溫度試驗(yàn)箱中對(duì)超聲波測(cè)距傳感器樣機(jī)進(jìn)行了0.5 m 固定距離測(cè)試，分別計(jì)算得出渡越時(shí)間、相關(guān)系數(shù)和測(cè)量誤差，結(jié)果如表3所示。

表3 互相關(guān)結(jié)果Tab.3 Cross-correlation results

根據(jù)表3 可以看出，在不同溫度下動(dòng)態(tài)發(fā)射參考波形與實(shí)時(shí)測(cè)量反射波形均具有高度相關(guān)性，且溫度對(duì)超聲波渡越時(shí)間測(cè)量的影響微乎其微，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，降低了測(cè)量誤差。

4 結(jié)語

本文分析了超聲波渡越時(shí)間計(jì)算的方法原理和特點(diǎn)，指出了其局限性，提出了基于動(dòng)態(tài)參考波形互相關(guān)算法的超聲波渡越時(shí)間測(cè)量方法，可以克服環(huán)境因素變化對(duì)參考波形穩(wěn)定性的影響，通過溫度試驗(yàn)證明了該方法的可行性，提高了超聲波測(cè)距的環(huán)境適應(yīng)能力，通過標(biāo)準(zhǔn)距離標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)量準(zhǔn)確性，采用動(dòng)態(tài)參考波形互相關(guān)算法的超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量誤差小于±2 cm，重復(fù)性小于±0.2 cm，測(cè)量精度較高。