全向超声信号接收组件、全向超声测距系统及方法与流程

本发明涉及超声波测距技术领域，特别是涉及一种全向超声信号接收组件、全向超声测距系统及方法。

背景技术：

在人们的生产与生活中很多地方都会涉及到对距离的测量，而且测量的方式和手段也多种多样。从最传统的使用各种尺子进行测距，到目前的激光测距、超声测距以及远距离的雷达测距，这些测量方法都有着自己的优缺点。传统的测距方式价格低廉、使用方便，激光测距和超声测距则更加的方便快捷，而雷达测距则测量的距离更远，但由于其成本高昂因此多用于军事领域。

对于超声波测距，目前市面上的装置多采用收发同置式，即超声发射装置和接收装置位于一起，通过检测被测目标反射的超声波获得其相对于测量装置的距离。这种测量方式对被测物的材料有一定的要求，且由于超声的反射对超声的能量衰减导致测量距离较短。也有一些装置采用收发异置式，即设置测距基准点，并由位于基准点的超声发射装置发射超声波，并由位于被测物上的超声接收装置接收超声波，通过计算从超声波发出到被收到的时间来获得被测点相对于基准点的距离。这种测量方式精度较高，测量距离较远，可用于室内机器人定位和虚拟现实交互等领域。但由于超声波的指向性较强，若被测物处于运动状态，则很难保证超声波接收装置总能够收到基准点发出的超声波。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种测量准确、高效的全向超声测距方法及系统。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种全向超声信号接收组件，包括：轴向超声信号接收机构，用于接收来自该全向超声信号接收组件至少一端的超声信号、并转换为电信号；径向超声信号接收机构，至少一端与所述轴向超声信号接收机构连接，用于接收来自该全向超声信号接收组件侧面的超声信号、并转换为电信号。

进一步的，还包括底座，所述底座用于固定径向超声信号接收机构。

进一步的，所述轴向超声信号接收机构包括压电片和卡接口，所述卡接口设置于压电片的下表面，所述径向超声信号接收机构包括首尾弯折对接而成的压电薄膜，径向超声信号接收机构的一端固定于所述底座上，另一端通过所述卡接口与压电片连接。

进一步的，所述压电片的材质为压电陶瓷。

本发明还提供了一种全向超声测距系统，包括：信号发射模块，用于周期性地发射超声波信号和同步信号；同步信号接收模块，用于接收所述信号发射模块发出的同步信号；如上所述的全向超声信号接收组件，用于接收所述信号发射模块发出的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号；信号放大模块，用于接收来自全向超声信号接收组件的电信号，对所述电信号进行放大；信号滤波模块，用于对所述信号放大模块送出的信号进行滤波；阈值比较模块，用于对电信号与指定的阈值进行比较，输出高低电平信号送入距离解算模块；所述距离解算模块，用于完成距离解算。

进一步的，还包括加速度传感器，用于动态地改变所述阈值比较模块的参考值。

本发明还提供了一种全向超声测距方法，包括：发射步骤、接收步骤、加工步骤和测量步骤，其中，所述发射步骤包括：利用信号发射模块周期性地发射超声波信号和同步信号；所述接收步骤包括：利用全向超声信号接收组件和同步信号接收模块分别接收所述超声波信号和所述同步信号，并将接收到的所述超声波信号转换为电信号；所述加工步骤包括：利用信号放大模块、信号滤波模块和阈值比较模块对接收步骤获取的所述电信号分别进行放大、滤波处理和阈值比较，并输出高低电平信号；所述测量步骤包括：利用距离解算模块接收所述高低电平信号并解算出所述超声波信号到达所述接受步骤的直达距离。

进一步的，所述接收步骤接收到的所述超声波信号包括径向超声波信号和轴向超声波信号。

进一步的，所述测量步骤的解算过程为：

获取所述接收步骤接收到的所述同步信号的时间t₁；

获取所述接收步骤接收到的所述径向超声波信号的时间t_r11、t_r12...t_r1m；

获取所述接收步骤接收到的所述轴向超声波信号的t_r21、t_r22...t_r2n；

通过寻优算法获取所述径向超声波信号与所述同步信号、所述轴向超声波信号与所述同步信号之间最短时间差t₂：

t₂＝φ(t_r11,t_r12,···,t_r1m,t_r21,t_r22,···,t_r2n)＝min(t_r11,t_r12,···,t_r1m,t_r21,t_r22,···,t_r2n)获取接收到的所述超声波信号的最短距离l＝(t₂-t₁)*c。

本发明还提供了一种全向超声测距方法，包括：发射步骤、接收步骤和测量步骤，其中，所述发射步骤包括：利用信号发射模块周期性地发射超声波信号和同步信号；所述接收步骤包括：利用全向超声信号接收组件和同步信号接收模块分别接收所述超声波信号和所述同步信号，并将接收到的所述超声波信号转换为电信号；所述加工步骤包括：利用信号放大模块、信号滤波模块和阈值比较模块对接收步骤获取的所述电信号分别进行放大、滤波处理和阈值比较，并输出高低电平信号；所述测量步骤包括：利用距离解算模块接收所述高低电平信号并解算出所述超声波信号到达所述接受步骤的直达距离。

进一步的，所述接收步骤接收到的所述超声波信号包括径向超声波信号和轴向超声波信号。

进一步的，所述测量步骤的解算过程为：

获取所述接收步骤接收到的所述同步信号的时间t₁；

获取与上一周期得到的所述超声波信号最接近的时刻作为t₂；

获取接收到的所述超声波信号的最短距离l＝(t₂-t₁)*c。

(三)有益效果

本发明提供的一种全向超声测距方法及系统，其具有以下优点：本发明的全向超声信号接收组件通过径向超声信号接收机构和轴向超声信号接收机构全方位的同步接收测量基准点发出的超声波信号，以保证超声波信号接收效率高、准确性强、接收覆盖面广。本发明的全向超声测距系统及方法利用上述的全向超声信号接收组件有效提高超声波信号接收效率和信号接收覆盖面，并通过距离解算模块解算追踪物体相对于基准点的距离，因此可以快速的获取直达波的准确距离。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的全向超声信号接收组件的结构示意图；

图2为本发明实施例二所述的系统框架图。

其中：1、底座；2、轴向超声信号接收机构；3、径向超声信号接收机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例一提供了一种全向超声信号接收组件，包括轴向超声信号接收机构2和径向超声信号接收机构3，其中，轴向超声信号接收机构2用于接收来自该全向超声信号接收组件至少一端的超声信号、并转换为电信号，其中来自该全向超声信号接收组件至少一端的超声信号视为轴向超声信号；径向超声信号接收机构3的至少一端与轴向超声信号接收机构2连接，用于接收来自该全向超声信号接收组件侧面的超声信号、并转换为电信号，其中来自该全向超声信号接收组件侧面的超声信号视为径向超声信号；通过径向超声信号接收机构3和轴向超声信号接收机构2全方位立体化的同步接收测量基准点发出的超声波信号，并分别将其转化为对应的电信号，以保证超声波信号接收效率高、准确性强、接收覆盖面广。

为了便于固定和放置该全向超声信号接收组件，优选该全向超声信号接收组件还包括底座1，底座1上优选设有用于固定径向超声信号接收机构的安装口，为了便于固定和连接系统各个模块，优选将其他用于信号处理的模块设置在底座1内。

优选的，以轴向超声信号接收机构2和径向超声信号接收机构3作为轴向超声波信号和径向超声波信号的接收传感器，同步接收全方位的超声信号，然后利用轴向超声信号接收机构和径向超声信号接收机构各自将轴向超声波信号和径向超声波信号转换为电信号，从而能够同步的将转换好的电信号向外送出，从而实现电信号的快速准确的收集和传输。

为了快速实现全方位的超声信号收集和电信号的转换，优选本实施例一的轴向超声信号接收机构2包括压电片和卡接口，压电片的压电材料材质优选为压电陶瓷，卡接口设置于压电片的下表面，径向超声信号接收机构3内封装有首尾弯折对接而成的压电薄膜，沿径向超声信号接收机构的外圆周分布，径向超声信号接收机构的一端固定于底座1上，另一端通过卡接口与压电片连接。

具体的，压电薄膜和压电片都可作为应变传感器来接收超声波信号，并将超声波信号转换成电压信号，其中，压电薄膜是一种动态应变传感器，以压电聚偏氟乙烯高分子膜(简称PVDF)作为压电薄膜为例，当拉伸或弯曲一片压电薄膜时，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号(电荷或电压)，并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多，因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28um厚的PVDF的灵敏度典型值为10～15mV/微应变(长度的百万分率变化)，当压电薄膜接收到超声波信号时就会发生相应的形变，这样在薄膜的上下电极表面之间就会产生一个电信号。而压电片的压电材料材质优选为压电陶瓷，压电陶瓷片是一种机电转换器件，其可以将超声信号直接转换为电压信号。利用径向超声信号接收机构3的一端固定连接径向超声信号接收机构2，另一端固定在底座1上，将弯折连接的压电薄膜竖直设置，并使径向超声信号接收机构2的压电陶瓷片的上表面竖直朝上，这样的结构保证无论来自哪个方向的超声波都可以接收到，因此，当压电薄膜或压电陶瓷片接收到多个方向的超声波后同步输出微小的电压信号，通过信号转输机构将电压信号接收叠加后向外传输，从而便于后续的信号放大、滤波等处理。

实施例二

本实施例二提供了一种全向超声测距系统，包括信号发射模块、同步信号接收模块、如实施例一所述的全向超声信号接收组件、信号放大模块、信号滤波模块、阈值比较模块和距离解算模块。

其中，信号发射模块用于周期性地发射超声波信号和同步信号，可设置于待测的测量基准点，其包括超声波发射模块和同步信号发射模块；同步信号接收模块用于接收信号发射模块发出的同步信号，以便在测量步骤中为距离解算提供对比用的数据；全向超声信号接收组件用于接收信号发射模块发出的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号；信号放大模块用于对电信号进行放大，优选的，信号放大模块分别与实施例一所述的轴向超声信号接收机构和径向超声信号接收机构连接，以便将轴向超声波信号和径向超声波信号形成的微弱电信号分别进行放大处理；信号滤波模块用于对信号放大模块送出的信号进行滤波；阈值比较模块用于对电信号与指定的阈值进行比较，输出高低电平信号送入距离解算模块；距离解算模块用于完成距离解算，在距离解算中，优选以同步信号接收模块接收并送出的同步信号作为对比参数，采用寻优算法确定直达波到达的时刻，从而进一步与同步信号的时间对比计算出超声波信号的最短距离，进而准确计算出待测的测量基准点至信号接收点之间的距离。

其中，全向超声信号接收组件的结构与实施例一相同，相同之处不再赘述。

需要说明的是，本实施例二的全向超声信号接收组件中，压电薄膜被首尾弯折对接成一个圆柱的形状，以采集设置于测量基准点处的信号发射模块发送的径向超声波信号，压电陶瓷片固定在圆柱体的压电薄膜的顶端，以采集信号发射模块发送的轴向超声波信号，特别是来自上方的超声波信号。由于利用了压电薄膜可以弯曲的特性制成接收模块的圆柱形柱体，接收径向的超声波，利用压电陶瓷片切片工艺成熟、成本低廉的特性接收上方的超声波，通过将压电薄膜和压电陶瓷片相配合制成如实施例一所述的全向超声信号接收组件，不仅可以发挥出压电薄膜和压电陶瓷片各自的优点，也可以适用于需要全向接收的空间环境下的使用需要，且这种全向超声信号接收组件的测量误差很低，通常测量误差为毫米级。

本实施例二的系统还包括加速度传感器，用于动态地改变阈值比较模块的参考值，优选加速度传感器与距离解算模块连接，当距离解算模块在进行距离结算时，采用的寻优算法遵循连续性原则，利用加速度传感器检测运动的快慢，从而动态地改变判断阈值。

为了优化系统结构，使结构更加便于携带和维护，优选本实施例二所述的同步信号接收模块、信号放大模块、信号滤波模块、阈值比较模块和距离解算模块部分设置在实施例一所述的底座内，其中，信号放大模块直接与轴向超声信号接收机构和径向超声信号接收机构分别连接，从而分别获取由轴向超声信号和径向超声信号转化的电信号。

实施例三

如图2所示，本实施例三提供了一种全向超声测距方法，主要应用在收发异置式超声测距中，在收发异置式超声测距中，位于测距基准点的超声发射装置周期性地发射超声波和同步信号，位于被追踪物体的接收装置接收同步信号，该方法具体包括：发射步骤、接收步骤、加工步骤和测量步骤，其中，

发射步骤包括：利用信号发射模块周期性地发射超声波信号和同步信号；

接收步骤包括：利用全向超声信号接收组件和同步信号接收模块分别接收超声波信号和同步信号，并将接收到的超声波信号转换为电信号；

加工步骤包括：利用信号放大模块、信号滤波模块和阈值比较模块对接收步骤获取的电信号分别进行放大、滤波处理和阈值比较，并输出高低电平信号；

测量步骤包括：利用距离解算模块接收高低电平信号并解算出超声波信号到达接受步骤的直达距离。

其中，接收步骤接收到的超声波信号包括径向超声波信号和轴向超声波信号，优选利用实施例一所述的全向超声信号接收组件的径向超声信号接收机构接收径向超声波信号，利用轴向超声信号接收机构接收轴向超声波信号，从而实现全方向立体化的接收超声波信号，提高信号接收效率和覆盖面。

其中，测量步骤的解算过程为：对输入的径向超声波信号和轴向超声波信号进行分析，分别获取接收步骤接收到的同步信号的时间t₁、接收步骤接收到的径向超声波信号的时间t_r11、t_r12...t_r1m，以及获取接收步骤接收到的轴向超声波信号的t_r21、t_r22...t_r2n；

需要说明的是，m和n分别为接收到的径向超声波信号和轴向超声波信号的声波个数。

通过寻优算法遵循最短时间差原则，由于两点之间直线最短，即可认为t_r11、t_r12...t_r1m以及t_r21、t_r22...t_r2n中与t₁时间差最小的时刻为直达波到达的时刻t₂，以通过接收步骤获取到的同步信号t₁为对比信号，即：

t₂＝φ(t_r11,t_r12,···,t_r1m,t_r21,t_r22,···,t_r2n)＝min(t_r11,t_r12,···,t_r1m,t_r21,t_r22,···,t_r2n)

此原则适用于环境中反射源较少的情形，否则上一周期的反射波会对这一周期产生影响。

获取接收到的所述超声波信号的最短距离为l＝(t₂-t₁)*c，其中，c为超声波在空气中的传播速度。

实施例四

本实施例四提供了另一种全向超声测距方法，该方法的步骤与实施例三基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例四的寻优算法遵循连续性原则，即由于运动物体和基准点之间的距离连续变化，不存在跳变的情况,则可以计算t_r11,t_r12,···,t_r1m,t_r21,t_r22,···,t_r2n与上一周期得到的t₂时刻的差值，该差值与预先设置的一个参考值t_th作比较，差值与参考值最接近的时刻记为该周期的t₂时刻。t_th的设置与运动的快慢有关，故此时需要在系统中加入加速度传感器，用以检测运动的快慢从而动态地改变该参考值。

寻优算法在遵循连续性原则时，该方法的测量步骤的解算过程为：

获取接收步骤接收到的同步信号的时间t₁；

获取与上一周期得到的超声波信号最接近的时刻作为t₂；

获取接收到的超声波信号的最短距离l＝(t₂-t₁)*c。

综上所述，本发明四个实施例所涉及的具有全向超声信号接收组件的全向超声测距系统在工作时，测距基准点的信号发射模块周期性地发射超声波信号和同步信号，位于被追踪物体的全向超声信号接收组件接收同步信号，由于空间中墙壁、桌椅等均可以反射超声波，故全向超声信号接收组件收到的超声波由直达波和反射波构成，反射波的个数与所在环境有关。

全向超声信号接收组件将接收到的超声波信号转化为两路电信号，一路为通过径向超声信号接收机构的压电薄膜输出的径向超声波信号，另一路为通过轴向超声信号接收机构的压电片输出的轴向超声波信号；两路信号分别经过信号放大模块的放大电路、信号滤波模块的滤波电路、阈值比较模块的阈值比较电路处理后，输出高低电平信号，距离解算模块内优选设置有信号接入处理器，该信号接入处理器的两个外部中断引脚用于接收阈值比较模块输出的高低电平信号，当信号发生跳变时将触发处理器中断，处理器分别记录两路信号触发中断的时刻，该时刻即为两路信号到达的时刻，分别用t_r11、t_r12...t_r1m和t_r21、t_r22...t_r2n表示，其中m和n分别为压电薄膜和压电片2接收到的声波的个数，根据同步信号t₁和两路信号到达的时刻通过寻优算法获得直达波到达的时间t₂。

其中，信号滤波模块优选为带通滤波器，其中心频率和发送端发出的超声波信号的中心频率一致；信号接入处理器优选为单片机、或DSP(数字信号处理用芯片的简称)、或其他常见可用于数字信号处理的处理器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。