基于單接收頭的超聲波多目標(biāo)測距

為了使超聲波傳感器能在動態(tài)環(huán)境下定位，要求單超聲波接收頭能測量多個目標(biāo)。 首先分析了超聲波發(fā)射頭產(chǎn)生的超聲波特點，據(jù)此推導(dǎo)出接收信號的波形表達式。 其次根據(jù)接收信號特點，系統(tǒng)標(biāo)定時用接收信號包絡(luò)峰值的0. 5 倍作閾值，而測量時用小閾值，以防止距離信息丟失。 最后用C8051F021 單片機設(shè)計了單接收頭多目標(biāo)測距系統(tǒng)。 在2 目標(biāo)與接收頭距離之差大于30 cm 以上時能較精確地測量出2 個距離。

超聲波測距傳感器以其測量精度高、響應(yīng)快和價格低廉而廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場測距、移動機器人導(dǎo)航和定位等場合。超聲波測距傳感器常用的方式是1 個發(fā)射頭對應(yīng)1 個接收頭，也有多個發(fā)射頭對應(yīng)1 個接收頭。 它們共同之處是：每個接收頭只測量一個位置，這個位置就是除盲區(qū)內(nèi)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個接收信號超聲波包絡(luò)峰值對應(yīng)的距離。 在機器人自主導(dǎo)航避障時，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，尤其在動態(tài)環(huán)境下，1 個接收頭同時測量多個距離，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單，一般是采用時差法。即：通過檢測發(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(zhuǎn)變成機械能，帶動其上振動板運動，見圖1. 振動板的固有頻率是40 kHZ,由于共振，振動板很快起振，然后穩(wěn)定， 脈沖電壓撤銷， 振動板作阻尼振蕩衰減。 若振動板長時間工作在最大振幅狀態(tài)，即振動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)從起振到峰值的時間將變長（放大器增益小，不出現(xiàn)削頂?shù)那闆r下） ,不利于閾值選擇，誤差變大，也不利于第二個位置的測量，另外盲區(qū)也會增大。 振動板振動時，空氣、壓電晶體（起振時是激勵）等消耗振動板能量， 其中受空氣阻力消耗的能量轉(zhuǎn)變成發(fā)射超聲波。 壓電晶體激勵撤銷，則振動板振動作阻尼呈指數(shù)關(guān)系衰減。 把振動板簡化成是一個彈簧振子，設(shè)振動板在一個正弦周期（ T = 25μs） 內(nèi)是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，則在發(fā)射頭振動板運動周期數(shù)n ≤發(fā)射頭激勵脈沖數(shù)N 時，發(fā)射頭振動板運動滿足：

x = A （ n） sinωt （1）

式中t ∈[ （ n - 1） T , nT ] , A （ n）是第n 個周期內(nèi)的振幅。

ΔE 是壓電晶片每次施加的能量。

在n > N 時， 發(fā)射頭振動板運動能量滿足：

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)就會產(chǎn)生回波，接收頭把回波轉(zhuǎn)變成電能，產(chǎn)生接收信號。 現(xiàn)分析超聲波垂直入射到墻壁面時的接收信號，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(yīng)。