一种超声波测距方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无人飞行器的测距技术。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，农业技术也逐步趋向自动化发展。目前，可利用无人飞行器在预定的高度内对大片的农田进行播种作业。无人飞行器一般采用超声波测距技术判断自身的与地面之间的飞行高度。超声波距离传感器，在成本、精度、可靠性、指向性方面都有较大优势。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
[0003]如图1所示，测距公式表示为:d = ( Λ t*C*c0Sa )/2，d为测量距离长度，Λ t为超声波发射头I发声开始到超声波接收头2接收到从地面3反射声波所经历的时间，C为声波在空气中的传播速度(344m/s(20°C ))，a为超声波发射头I或超声波接收头2与法线4之间的夹角，在实际工程应用中，超声波发射头和超声波接收头可用同一个物理器件实现，或射头和接收头的距离非常近，故有cos a =1。因此，精确测量At即可得到距离d。
[0004]在传统超声波测量距离的方法中，假定所使用的超声波频率固定为40kHz，超声波发射头在一个测量过程中，其工作节拍可分解为:1、发射头发射10个超声波脉冲并计时tl ;2、发射头静默；3、打开接收头；4、等待回波反射5、确认回波反射并计时t2 ;6、计算距离；7、返回1，周而复始。
[0005]在tl时刻发射头开始工作，以脉冲的形式发射10个波形后停止工作；接收头接收到反射回波的时刻记作t2，Λ t = t2-tl，即Λ t为传统测量方法完成一次测距所需的最小时间。实际情况中，单次测量时间消耗还需考虑微处理器带入方程d= (At*C*cosa)/2进行运算所消耗的时间，记作t。。总的测量时间ta=At+t。。随着被测距离的增大，At增大，总的测量时间1亦增大，当测量距离达到5米时，Λ t达到29ms，测量系统的响应频率低于20Hz。加上与超声波测距匹配的软件滤波算法后，精准测量的频率低于2Hz，这个响应频率对于飞行速度超过15m/s的无人飞行器来说显然是不满足实际要求的。因此，提高超声波测量系统的响应频率成了超声波测距方式在无人飞行器测距系统应用中的重要一环。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出一种超声波测距方法，其能解决无人飞行器测距频率低的冋题。
[0007]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0008]一种超声波测距方法，其应用于无人飞行器的信号控制处理模块中，所述无人飞行器安装有超声波发射头和超声波接收头，超声波发射头和超声波接收头均与信号控制处理模块连接，其包括以下步骤:
[0009]步骤1、关闭超声波接收头，超声波发射头以预设的时间间隔Tl依次向地面发射η个超声波脉冲，η个超声波脉冲的频率按照预设的频率步长依次递增或递减，其中，η为大于I的自然数；
[0010]步骤2、当超声波发射头发射完第η个超声波脉冲时，打开超声波接收头，超声波接收头依次接收由地面反射的所述η个超声波脉冲，并当每次接收到超声波脉冲时，根据公式一计算相应的测距时间Λ Tn,公式一为Λ Tn= Tr n_Ttn，其中，Ttn为超声波发射头发射第η个超声波脉冲时的时刻，Trn为超声波接收头接收到第η个超声波脉冲的时刻；
[0011]步骤3、当每次得到相应的测距时间八1；时，根据公式二计算无人飞行器与地面之间的当前距离dn;
[0012]公式二为<=(ATn*C*c0Sa)/2，其中，C为声速，a为超声波发射头或超声波接收头与法线之间的夹角，所述法线与地面垂直。
[0013]优选的，在步骤I之前还有以下步骤:打开超声波接收头，超声波发射头向地面发射一超声波脉冲，超声波接收头接收到所述超声波脉冲后，计算超声波脉冲从超声波发射头发射至到达超声波接收头所经历的测试时间Λ Τ，利用公式η =Δ Τ/Τ1得到一个周期所允许的发射的超声波脉冲的数量η。
[0014]优选的，步骤I中，超声波发射头发射一次超声波脉冲的时间记为Τ2，相邻的两个超声波脉冲之间的时间记为Τ3，则Tl = Τ2+Τ3。
[0015]优选的，Tl= Imsο
[0016]优选的，步骤I中，每一个超声波脉冲所具有的波形的数量为10个。
[0017]优选的，步骤I中，若超声波发射头发射的第I个超声波脉冲的频率为36kHz，则第η个超声波脉冲的频率为44kHz。
[0018]优选的，步骤I中，若超声波发射头发射的第I个超声波脉冲的频率为44kHz，则第η个超声波脉冲的频率为36kHz。
[0019]优选的，步骤2中，当每次接收到超声波脉冲时，还计算接收到的超声波脉冲的频率，以判断当前接收到的超声波脉冲所对应的Trn。
[0020]本发明具有如下有益效果:
[0021]将传统超声波测距方法，I发、I收的节拍扩展成了 η发、η收。单位时间的测量次数提高了 η倍。由于在接收的过程中，发射必须停止，所以实际连续测量中测量的效率比传统超声波测距方方法提高了 η/2倍，从而有效提高超声波测距的频率，也就是说，本发明能够提高超声波测距的速度及精度，满足无人飞行器在飞行过程中的测距要求。
【附图说明】
[0022]图1为超声波测距原理示意图。
[0023]图2为本发明较佳实施例的超声波测距方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]下面，结合附图以及【具体实施方式】，对本发明做进一步描述。
[0025]如图2所示，一种超声波测距方法，其应用于无人飞行器的信号控制处理模块中，所述无人飞行器安装有超声波发射头和超声波接收头，超声波发射头和超声波接收头均与信号控制处理模块连接。信号控制处理模块中具有计时器、MCU、ADC等电子器件。
[0026]本实施例的超声波测距方法具体包括以下步骤:
[0027]步骤S1、无人飞行器起飞后，利用传统的超声波测距方法先初步判断飞行高度。打开超声波接收头，超声波发射头向地面发射一超声波脉冲，超声波接收头接收到所述超声波脉冲后，计算超声波脉冲从超声波发射头发射至到达超声波接收头所经历的测试时间Δ T，利用公式η =Λ Τ/Τ1得到一个周期所允许的发射的超声波脉冲的数量η。Tl为超声波发射头发射超声波脉冲的预设的时间间隔。本实施例的Tl = Imsο
[0028]这是由于声音传播的多向性，超声波发射头在向正下方发射超声波的同时，横向也会有声波传导，导致超声波接收头在超声波发射头发声的同时，会接收到同频的声波。由于超声波发射头与超声波接收头靠的位置很近，所以发射头横向传导的声波对接收头的干扰非常严重，使得超声波接收头无法分辨出当前接收到的声波信号是横向传导的声波还是经过地面反射后回来的声波。所以，在测量刚开始的时候，必须先初判与地面的大致距离。
[0029]步骤S2、关闭超声波接收头，超声波发射头以预设的时间间隔Tl依次向地面发射η个超声波脉冲，η个超声波脉冲的频率按照预设的频率步长(如IkHz)依次递增(也可以以递减的方式进行)，其中，η为大于I的自然数。例如，超声波发射头发射一次超声波脉冲的时间记为Τ2，相邻的两个超声波脉冲之间的时间记为Τ3，则Tl = Τ2+Τ3。本实施例的Τ2=500 μ