基于STM32的激光與超聲波聯合測距設計

江智威，劉培培，楊 毅，殷佳莉

(成都理工大學 信息科學與技術學院(網絡安全學院、牛津布魯克斯學院)，四川 成都 610059)

0 引 言

近些年，電子技術的不斷發展使得非接觸式的測距方法層出不窮，相較于傳統人工測量存在的費時費力、部分環境人類難以實地測量等問題，電子測量方式應用更加廣泛且更貼近生活。例如生活中常見的倒車預警、家裝設計、工程測量等。隨著5G、AI、物聯網等新技術的不斷成熟，自動泊車、自動駕駛、智能工作機器人等新科技產品也需要更加穩定的測距工具[1-3]。

常見的測距方法包括：視覺檢測技術、雷達測距技術、超聲波測距技術和激光測距技術。前兩種方案的價格昂貴、軟硬件設備復雜，不適合應用于日常生活中。超聲波和激光的測距方式因其價格便宜、設備簡單，成為了民用領域最常見的測距方式[4]。

超聲波測距和激光測距都有較好的精度，但是二者都會因為環境條件的不同而影響其工作的穩定性。超聲波測距的精確度容易受到環境溫度、濕度的影響，而激光測距則可能受到環境光照強度，尤其是紅外光強度的影響而導致測量結果的誤差增大[5]。因此，該文設計一種激光與超聲波混合的測距方式，利用二者影響因素的不同相互抵消誤差，并使用最小二乘法減小測距誤差，使測距結果更加準確。

1 系統總體設計

該文設計了一種基于STM32的激光與超聲波聯合測距方法。該方法所應用的主要設備包括：STM32F103開發板、VL53L0X激光測距模塊、HC-SR04超聲波傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器、LCD顯示屏。首先利用VL53L0X激光測距模塊和HC-SR04超聲波傳感器模塊對目標進行測距，光敏傳感器和溫度傳感器用于監測測試環境的光照強度和溫度，通過STM32F103ZET6主控芯片對所有模塊發送控制指令和接收數據，并將得到的最終測量距離通過LCD屏幕顯示。

該方案的系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件模塊介紹

2.1 STM32F103ZET6主控模塊

該文選用的主控芯片是STM32F103ZET6芯片，STM32F103系列芯片是意法半導體公司基于Cortex-M3內核開發的一款芯片，最大工作頻率達到了72 MHz。Cortex-M3內部的寄存器、數據路徑、存儲器接口等皆為32位。Cortex-M3內核采用了哈弗結構，擁有獨立的指令總線和數據總線并且包含了多個能夠并行處理的總線接口，使得調用指令和讀寫數據能并行處理，從而提升了工作速度。

該主控模塊主要是對超聲波測距模塊、激光測距模塊傳輸控制指令，控制測距模塊工作并接收所測距離數據。主控模塊同時控制光敏傳感器和溫度傳感器進行工作，收集光照強度和溫度數據對已經獲得數據進行補償和加權計算。

2.2 VL53L0X激光測距模塊

VL53L0X是較常用的ToF激光測距傳感器，其使用了940 nm無紅光閃爍激光器，采用了脈沖式的測距技術，避免了相位式測距方法所存在的檢測峰值的誤差。脈沖式激光測距的原理和過程是測距儀器發射出的激光經被測物體反射后由接收端接收回射激光，測距儀器記錄激光往返時間，測距儀器和物體之間的距離為：

(1)

其中，S1為所測距離，C1為光在空氣中的傳播速度，T1為激光往返時間。該方法的精確度取決于接收通道帶寬、探測器信噪比和時間間隔精確度。

VL53L0X模塊原理圖如圖2所示。從圖中可以發現，VL53L0X自帶了2.8 V的穩壓芯片，因此無論是3.3 V還是5 V的外部電源都能使VL53L0X正常工作。模塊通過IIC接口與外部通信，SCL和SDA用于連接MCU的IIC接口[6-8]。

圖2 VL53L0X原理

VL53L0X模塊提供了3種測量模式：(1)單次測量模式：該模式只觸發進行一次測量，測量結束則返回待機狀態等待下一次觸發；(2)連續測量模式：該模式進行連續的測量，直到用戶停止測距才返回待機狀態；(3)定時測量模式：該模式下，模塊通過用戶定義的延遲時間進行連續測量，直到用戶停止測距則返回待機狀態。用戶可以根據需要通過外部的KEY按鈕選擇工作模式，最大精確測量范圍約為1米左右。

意法半導體公司還為VL53L0模塊提供了4種不同精度的測量模式：(1)默認精度模式：測距范圍約1.2米，測量時間約30 ms；(2)高精度模式：測距范圍約1.2米，測量時間約200 ms,黑暗環境中的精確度在正負3%左右；(3)長距離模式：測距范圍約2米，測量時間約33 ms,但只適合在黑暗(無紅外光)環境中使用；(4)高速模式：測距范圍約1.2米，測量時間約20 ms，精度在正負5%左右。

該文采用ATK-VL53L0X-V1.1激光測距模塊，具有測量精度高、體積小、支持IIC通信等特點。在測試中，選用單次測量、默認精度模式。

2.3 HC-SR04超聲波測距模塊

該文選取HC-SR04超聲波傳感器，此模塊精度較高、盲區少，常用于機器人避障、物體測距、倒車雷達等民用領域。HC-SR04包含Vcc、Gnd、Trig、Echo四個接口。Vcc和Gnd分別接入3.3 V電源和地，主控模塊發送一個10 μs以上的高電平，Trig端接收到高電平后傳感器開始工作，模塊內部循環發出8個40 kHz的脈沖，回響信號由低變高則計時開始，當回響信號由高電平變回低電平則計時結束，其高電平通過Echo引腳傳回MCU。超聲波模塊的工作時序如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器時序

根據圖3可以看出，回響信號的高電平持續時間與距離有關，則超聲波模塊的距離計算公式為：

(2)

其中，S2為超聲波模塊所測距離，C2為聲速，T2為回響信號高電平的持續時間[9-11]。

2.4 溫度測量模塊

STM32內部有一個溫度測量傳感器，可以用于測量周圍溫度。該傳感器通過ADCx_IN16通道與開發板的MCU相連接。它的輸出電壓值與溫度相關，并將輸出電壓轉化為數字值輸出到LCD屏幕。該溫度測量模塊的模擬采樣時間是17.1 μs，支持的溫度測量范圍值為-40至125攝氏度，精度約為±1.5攝氏度。

使用內部溫度傳感器時，先激活ADC的內部通道，將ADC_CR2的AWDEN位設置為1，啟動傳感器并設置其與ADCx_IN16通道連接。只需通過ADCx_IN16通道讀取傳感器傳回的電壓值即可根據公式計算出當前溫度。

2.5 光敏傳感器模塊

光敏傳感器作為最常見的傳感器之一，有光電管、光敏電阻、光電二極管、光電三極管、CCD或CMOS圖像傳感器等。該文采用一個光電二極管作為器件的光敏傳感器。光電二極管與常規二極管的原理和功能類似，它有一個具有光敏特性的PN結，工作時需對其加上反向電壓。當受到光照時，PN結中形成空穴對，使得少數載流子密度增加，從而導致反向飽和電流增大形成光電流，并隨著光照強度的變化而變化。

將光電二極管與一個電阻串聯，將電流變化轉換為電壓變化，只需通過測量電壓值就可以判斷當前的光照強度。整個光敏傳感器模塊通過PF8通道與MCU相連，通過讀取PF8通道的數值計算當前光照強度。

2.6 數據傳輸模塊

該系統的數據傳輸主要通過ADC通道和IIC通道。STM32F103ZET擁有3個12位的逐次逼近型的模數轉換器，最大轉換速率為1 MHz，可測量16個外部信號源和2個內部信號源。IIC總線是由SDA數據線和SCL時鐘構成的串行總線。當SCL為高電平，SDA由高電平向低電平跳變則開始傳輸數據，SDA由低電平向高電平跳變時結束數據傳輸。

測量模塊測得距離、溫度、光強度的數據后，通過ADC和IIC通道傳輸給MCU進行下一步處理。

3 系統程序及算法設計

3.1 系統工作流程

該系統利用Keil5對項目軟件進行開發，采用C語言進行程序的編寫。主要程序包含：系統主程序、激光傳感器工作程序、超聲波傳感器程序、溫度傳感器程序、光敏傳感器程序、數據收發程序、LCD顯示程序，整個系統的工作流程如圖4所示。

圖4 系統流程

第一步：電源通電，系統對各個器件進行初始化。

第二步：溫度傳感器測量環境溫度，對超聲波測距進行溫度補償計算。測溫公式為：

T={(V25-Vsense)/Avg-Slope}+25

(3)

其中，T為所測溫度值，V25是在25攝氏度環境下的基準測量電壓值(約為1.43 V)，Vsense為當前所測電壓值，為Vsense曲線的平均斜率(約為4.6 mV/℃)。

由于不同溫度下，聲音速度有差別，故對超聲波聲速進行補償計算，減少其誤差。超聲波聲速的溫度補償公式為：

C3=331.4+0.6T

(4)

其中，C3為溫度補償后的聲音傳播速度，T為所測的工作環境溫度[12-13]。

第三步：激光模塊和超聲波模塊進行測距工作，光敏傳感器對工作環境的光照強度進行測量。該文采用STM32開發板板載的光敏二極管作為光敏傳感器。光敏二極管與一個1 kΩ的電阻串聯，可通過測量其電壓變化，并通過ADC讀取電壓值。將其量化后，將光照強度分為0至100，其中0對應最暗，100對應最亮。這里主要在太陽光下進行測量，因為太陽光中的紅外光對激光傳感器的精度影響較大。

第四步：將激光測距和超聲波測距的結果進行加權計算，加權計算公式為：

S=(1-A/100)×S1+(A/100)×S2

(5)

其中，S為加權計算后的距離，A為光照強度，S1為激光所測距離，S2為超聲波所測距離。

第五步：將加權計算后的距離帶入所求得的線性回歸模型，求出最終結果。

第六步：最終結果的輸出包含多種形式，可以通過LCD屏幕直接顯示測距結果，也可以把結果通過串口通信、藍牙通信等手段輸出給PC機、手機等終端設備做進一步的處理。該文采用LCD屏幕作為測距結果輸出設備。

3.2 最小二乘回歸校正算法

最小二乘法在誤差估計的相關問題中有著廣泛的應用。它通過已有數據，尋找使誤差的平方和最小化的函數，從而達到降低誤差的目的。最小二乘法具有最小方差性、線性、無偏性，這三種性質保證了其估計值是相對貼近實際值的結果。

該文選用了一階最小二乘回歸算法對除了溫度、光照以外的其他因素造成的測距誤差進行校正。最小二乘回歸算法的數學模型為：

Dn(x)=a0+a1x+a2x2+…+anxn

(6)

該文采用的是一階最小二乘回歸，故所求的回歸模型表達式為：

f(x)=ax+b

(7)

其中，f(x)為最小二乘回歸校正后的距離，x為激光與超聲波聯合測距經過加權計算后的距離，a、b為待確定系數。a、b的值滿足方差E取值最小[14-15]。

(8)

其中，yi為實際距離，xi為測量距離。利用式(8)分別對a，b求解偏微分，并令其為0，則a、b的求解公式為：

(9)

利用所測得的數據，求出a、b并帶入式(7)，可以解得最小二乘回歸模型為：

f(x)=1.04x-0.16

(10)

4 實驗及結果分析

該文采用50 cm直尺作為標準距離，對激光與超聲波聯合測距設備進行對照測試。測試分別在上午、中午與夜晚進行，光照強度分別為50、90、0，環境溫度為27℃、32℃、26℃。分時段測量的目的是為了模擬不同的工作環境，使得測試結果盡量貼近實際應用情況。測試結果如表1～表3所示。

表1 上午測距結果

表2 中午測距結果

表3 夜晚測距結果

根據表1至表3，再對12次測量的誤差分別取平均值，超聲波測距的平均誤差為4.08%，激光測距的平均誤差為4.63%，加權后測距的平均誤差為3.59%。通過比較可以得知，加權后的平均測距誤差比超聲波測距的誤差降低了約0.49%，比激光測距的平均誤差降低了1.04%。該實驗結果表明，根據激光與超聲波影響因素不同而采用加權平均計算減小誤差的方法是可行且有效的。

利用式(9)繼續對加權后距離進行最小二乘回歸校正。校正后結果值如表4所示。

表4 最小二乘回歸校正結果

通過對表4中校正后誤差取平均值，可得校正后平均誤差值為2.15%，相較于加權后的平均誤差值3.59%再次降低了1.44%。因此，可以得到最終結論，該設計方案相較于傳統的超聲波測距和激光測距有著更高的穩定性。

5 結束語

基于STM32芯片，功能模塊主要包括距離測量模塊、外部環境檢測模塊、數據處理模塊和數據通信模塊，利用超聲波測距技術、激光測距技術為測距基礎工具，用光敏傳感器和溫度傳感器作為外部輔助工具，通過ADC和IIC通信接口傳輸數據，最后采用加權平均計算和最小二乘法的校正算法處理測量數據，設計出了一種更具穩定性的短距離測距工具。該文詳細介紹了超聲波測距、激光測距和最小二乘回歸算法的相關技術原理，描述了系統的硬件和軟件的設計流程，制作并設計了模擬實驗。實驗結果表明，該設計方案能起到提高穩定性、減小誤差的作用。該設計成本低、容易操作、穩定性強，可以應用于倒車預警、家居測量、工程測繪等領域中。