国内外专家学者对高精度超声波测距仪的设计实现进行了大量研究,一部分学者研究重点在于高精度测距系统的搭建,另一部分学者对信号处理算法和误差进行了分析,提出了温度补偿电路等减小误差的方法。28662
李淑萍基于 单片机对测距系统进行了搭建,利用超声波传感器来发射和接收超声波,将声波与电能之间相互转换,而距离的测量采用简便的渡越时间法 ,由于声速C与环境温度有相当的关系,所以只需测得温度与间隔时间即可测得目标距离;系统硬件分为四部分: 单片机系统及显示电路、 超声波发射电路、 超声波接收电路、 温度检测电路; 软件系统由主程序、 超声波接收后的中断服务程序、 定时器中断服务程序、 温度转换子程序、 计算程序及显示程序等组成;由单片机控制振荡源发出 脉冲串后,为传输距离足够远,对其进行功率放大,放大后的信号驱动超声波发生器,产生第一个超声波,同时控制定时器初始计时,当回波被接收之后,将微弱的正弦回波进行放大和滤波,通过比较电路转换为方波信号,产生单片机能识别的下降沿脉冲信号,再关闭定时器,此时测得时间t,与温度检测电路显示的温度一起用此前所示公式算出距离即可【1】。论文网
宋永东、周美丽、白宗文用基于 单片机进行了类似系统搭建,王海军将其应用于液位测量领域【2】。刘彬等用脉冲回波法分别测量超声波传感器到液面与底面的距离,用 公式即可测出液面位置【3】。王祖麟等以ARM处理器 为核心,基于μC/OS-II系统,采用回波的A/D信号检测原理,液晶屏显示实时测距,设计了便携式系统;高精度超声波测距仪的技术愈发成熟,大体框架模块相似,即超声波发生与接收电路、温度感应电路、控制电路等【4】。
除测距系统搭建研究外的另外一部分是对信号处理算法与误差分析研究的学者。吴赛燕、杨辉提出,测距措施一般有两种: 脉冲回波法、 相位差法,然而因为测量相位时有 的多值解,确定性不足,所以国内外绝大多数研究都使用脉冲回波法,而当声速C确定以后,精确得出传播时间 成了首要攻克点,科研人员们探究了多种处理算法,并且均可靠可行;作者着重介绍了 自适应时延估计法,自适应滤波器不需事先知道输入信号和噪声的统计特性,可以自动调节本身参数来适应工作过程的需要,以达到某种最佳准则的要求,此种算法核心是在回波返回前加延时,变动延时让通过此算法后的信号与所需信号相干度最大,相当于用滤波消除信道,实现自适应信道均衡【5】。
祝敏提出,由于超声波存在回波窜扰现象,温度对超声波在空气中传播速度有较大影响,以及超声波发出后有衰减,这些影响使得测距结果不准确;她认为 ,为提高精度必须进行温度补偿,可以采用测温器件或者声速预置与补偿相结合来对C进行修正;而另一个主要误差因素是渡越时间t的测量误差,由于是由多个方波组成的脉冲串作为测量载体,不一定检测到是第一回波脉冲,因此影响准确性;可以(1) 添加双比较器(2) 用含自动放大功能的控制电路驱动阈值不变的单比较器,这样距离越远放大倍数越大(3) 用阈值可控电路与单比较器,使测距越远阈值电压越小来补偿;三种方式都能够使误差减小,提高准确度【6】。
最后,赵小强提出一种利用数字温度传感器 在测距时实时传感测温的方案,它可以调节声速C,以此进行补偿调节,提高准确度减小误差【7】。
高精度超声波测距仪在社会生活生产中应用广泛,在未来汽车若加装此测距仪,可以实现自动倒车、无人驾驶、智能驾驶等,解放双手,方便人类,也可以在车距太近时自动报警切换至刹车,避免人们错把油门当刹车的错误,减少重大伤亡和损失,造福大众。此外机器人若加装此设备可以自动探测周围路径,实现自动移动。高精度超声波测距仪将更小型化、智能化、成本更低廉、使用更方便。
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