一种超声波测距方法及超声波测距装置

技术领域

本申请涉及一种超声波测距方法及超声波测距装置。

背景技术

超声波是一种超出人类听觉极限的声波即振动频率高于20kHz的机械 波。超声波传感器的工作过程就是电压和超声波之间的互相转换过程，当超 声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去， 当超声波传感器接收超声波时，接收超声波的探头将超声波转化的电压回送 到微控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小且方向性好还 能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测 距。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外 线传感器。

现有的超声波测距方案主要采用往返时间检测法。超声波发射探头向某 一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途 中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收探头收到反射波就立即停止计时。 假定s(米)为被测物体到测距仪之间的距离，计时时长为t(秒)，超声波 传播速度为v(米/秒)，则有关系式s＝vt/2。在精度要求较高的情况下， 需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按v＝331.4+0.607T对超声波传播速 度加以修正，以减小误差，其中，T为实际温度，单位为摄氏度，v为超声 波在介质中的传播速度，单位为米/秒。

由于超声波探头的本身物理特性，在发射超声波时，接收探头会有余震 发生，俗称拖尾。另外，由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离换 能器较近的小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能测量其距离 值，这个区域称为测量盲区。由于拖尾现象存在，测量盲区比较大，一般地， 盲区在30-50cm左右。

发明内容

本申请实施例提供一种超声波测距方法及超声波测距装置，以减少超声 波测距盲区。

本申请的技术方案是这样实现的：

一种超声波测距方法，该方法包括：

保存用户设置的在未进入测量盲区时的最大拖尾时长t₀；

发射超声波并开始计时；

等待拖尾结束，当拖尾结束时，将当前计时时长作为拖尾时长t_拖尾；

判断t_拖尾<t₀是否成立，若不成立，则当接收到拖尾结束之后的第一次反 射波时，获取当前计时时长t，计算与被测物体之间的距离s：s＝vt/2^q，q为 整数，且q≥2，

其中，v为超声波在介质中的传播速度。

一种超声波测距装置，该装置包括：

发射器：用于发射超声波；

微控单元：用于保存用户设置的在未进入测量盲区时的最大拖尾时长t₀； 指示发射器发射超声波，并在发射器发出超声波时开始计时并等待拖尾结束， 当拖尾结束时，将当前计时时长作为拖尾时长t_拖尾，判断t_拖尾<t₀是否成立， 若不成立，则当接收到拖尾结束之后的第一次反射波时，获取当前计时时长 t，计算与被测物体之间的距离s：s＝vt/2^q，q为整数，且q≥2，其中，v为 超声波在介质中的传播速度；

接收器：用于接收超声波的反射波。

可见，本申请实施例通过在发射超声波后的拖尾长度来判断是否进入了 测量盲区，当确认进入了测量盲区后，对与被测物体之间的距离计算公式进 行调整，从而在进入测量盲区后，仍然能够进行测距，减少了测量盲区。

附图说明

图1为超声波测距仪移动进入测量盲区后的反射波波形的第一示例图；

图2为本申请一实施例提供的超声波测距方法流程图；

图3为本申请另一实施例提供的以无人机为例的超声波测距方法流程 图；

图4为超声波测距仪移动进入测量盲区后的反射波波形的第二示例图；

图5为本申请又一实施例提供的以无人机为例的超声波测距方法流程 图；

图6为本申请实施例提供的超声波测距装置的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

发明人对超声波测距过程进行观察和分析发现：在利用超声波测量超声 波测距仪与被测物体之间的距离时，超声波测距仪发出超声波后，该超声波 测距仪与被测物体之间会发生多次反射，从而返回多次反射波，该现象在超 声波测距仪在某些情况下移动进入测量盲区后更加明显。图1为超声波测距 仪移动进入测量盲区后的反射波波形的第一示例图，其中，第一次返回的反 射波和拖尾结合在一起，形成新的拖尾，新拖尾的宽度等于超声波测距仪进 入测量盲区前的拖尾宽度和第一次返回的反射波的宽度之和。根据上述观察 和分析，发明人给出了新的超声波测距方法，具体如下：

图2为本申请一实施例提供的超声波测距方法的流程图，其具体步骤如下：

步骤201：保存用户设置的在未进入测量盲区时的最大拖尾时长t₀。

步骤202：发射超声波并开始计时。

步骤203：等待拖尾结束，当拖尾结束时，将当前计时时长作为拖尾时 长t_拖尾。

步骤204：判断t_拖尾<t₀是否成立，若不成立，则当接收到拖尾结束之后 的第一次反射波时，获取当前计时时长t，计算与被测物体之间的距离s： s＝vt/2^q，q为整数，且q≥2，其中，v为超声波在介质中的传播速度。

一实施例中，限定q＝2。

一实施例中，步骤201中，同时保存用户设置的进入测量盲区后第1～m 次返回的反射波与未进入测量盲区时的拖尾结合在一起形成的新拖尾的最大 时长t_m，m为正整数，且1≤m≤M；

步骤204中，当判断t_拖尾<t₀不成立时，当接收到拖尾结束之后的第一次 反射波时，获取当前计时时长t之前进一步包括：

从t₁开始，依次将t_拖尾与t_m比较，选择取值与t_拖尾最接近且不大于t_拖尾的t_p，0≤p≤M，且q＝p+2。

一实施例中，步骤204中，判断t_拖尾<t₀是否成立之后进一步包括：

若成立，则当接收到拖尾结束之后的第一次反射波时，获取当前计时时 长t，计算与被测物体之间的距离s：s＝vt/2。

图3为本申请另一实施例提供的以无人机为例的超声波测距方法流程 图，其具体步骤如下：

步骤300：无人机上的超声波测距仪保存用户设置的无人机在未进入测 量盲区时的最大拖尾时长t₀。

其中，t₀可以预先根据多次试验得到。

步骤301：无人机上的超声波测距仪发射超声波并开始计时。

步骤302：无人机上的超声波测距仪等待拖尾结束，当拖尾结束时，将 当前计时时长作为拖尾时长t_拖尾。

步骤303：无人机上的超声波测距仪判断t_拖尾<t₀是否成立，若是，执行 步骤304；否则，执行步骤305。

步骤304：无人机上的超声波测距仪确认无人机未进入测量盲区，则当 接收到拖尾结束之后的第一次反射波时，获取当前计时时长t，计算无人机 与被测物体之间的距离s：s＝vt/2，本流程结束。

其中，v为超声波在介质中的传播速度。

步骤305：无人机上的超声波测距仪确认无人机进入测量盲区，则当接 收到拖尾结束之后的第一次反射波时，获取当前计时时长t，计算无人机与 被测物体之间的距离s：s＝vt/4。

这里，当t_拖尾>t₀时，则确认真正的第一次反射波(如图1中的反射波1) 已经与拖尾合在一起了，本步骤305中提到的“拖尾结束之后的第一次反射 波”其实是“发射超声波后的真正的第二次反射波”(如图1中的反射波2)。

本申请提供的上述方法不仅适用于无人机，更可以广泛适用于其他类型 的机器人、需要进行超声波测距的交通工具等等。

发明人对超声波测距过程进一步观察和分析发现：当超声波测距仪进入 测量盲区后，不仅第一次返回的反射波会和拖尾结合在一起，后续返回的反 射波也可能会和当前拖尾结合在一起，从而不断形成新的拖尾。图4为超声 波测距仪移动进入测量盲区后的反射波波形的第二示例图，在该示例中，第 一次返回的反射波和拖尾结合在一起，形成新的拖尾后，第二次返回的反射 波又和新拖尾结合在一起，再次形成了新的拖尾，第二次形成的新拖尾的宽 度等于超声波测距仪进入测量盲区前的拖尾宽度和第一次返回的反射波的宽 度以及第二次返回的反射波的宽度之和。根据该进一步的观察和分析，发明 人对超声波测距方法进行了进一步的优化，具体如下：

图5为本申请又一实施例提供的以无人机为例的超声波测距方法流程 图，其具体步骤如下：

步骤500：无人机上的超声波测距仪保存用户设置的无人机在未进入测 量盲区时的最大拖尾时长t₀，同时保存用户设置的无人机进入测量盲区后第 1～m次返回的反射波与无人机未进入测量盲区时的拖尾结合在一起形成的新 拖尾的最大时长t_m。

m为正整数，且1≤m≤M。M为用户根据试验情况确定的无人机进入测 量盲区后，可能与拖尾结合的反射波的最大序号。例如：当M＝3时，用户设 置的是t₁、t₂、t₃，其中，t₁为无人机未进入测量盲区时的拖尾与进入测量盲 区后第1次返回的反射波结合在一起形成的新拖尾的最大时长，t₂为无人机 未进入测量盲区时的拖尾与进入测量盲区后第1和第2次返回的反射波结合 在一起形成的新拖尾的最大时长，t₃为无人机未进入测量盲区时的拖尾与进 入测量盲区后第1次、第2次和第3次返回的反射波结合在一起形成的新拖 尾的最大时长。t₀、t_m可以预先根据多次试验得到。

步骤501：无人机上的超声波测距仪发射超声波并开始计时。

步骤502：无人机上的超声波测距仪等待拖尾结束，当拖尾结束时，将 当前计时时长t_拖尾作为拖尾时长。

步骤503：无人机上的超声波测距仪判断t_拖尾<t₀是否成立，若是，执行 步骤504；否则，执行步骤505。

步骤504：无人机上的超声波测距仪确认无人机未进入测量盲区，则当 接收到拖尾结束之后的第一次反射波时，获取当前计时时长t，计算无人机 与被测物体之间的距离s：s＝vt/2，本流程结束。

其中，v为超声波在介质中的传播速度。

步骤505：无人机上的超声波测距仪确认无人机进入测量盲区，则从t₁开始，依次将t_拖尾与t_m(1≤m≤M)比较，选择取值与t_拖尾最接近且不大于t_拖尾的t_p(0≤p≤M)(即在t_p≤t_拖尾<t_p+1(0≤p≤M-1)时，或者t_拖尾≥t_p＝M时，停止比 较)，则确认无人机在进入测量盲区后第1～p+1(0≤p≤M-1)次返回的反射 波与无人机未进入测量盲区时的拖尾结合在一起形成了新的拖尾，则当接收 到拖尾结束之后的第一次反射波时，获取当前计时时长t，计算无人机与被 测物体之间的距离s：s＝vt/2^p+2。

本步骤505中提到的“拖尾结束之后的第一次反射波”其实是“发射超声 波后的真正的第p+1次反射波”。

本申请提供的上述方法不仅适用于无人机，更可以广泛适用于其他类型 的机器人、需要进行超声波测距的交通工具等等。

本申请实施例的有益技术效果如下：

本申请实施例通过发射超声波后的拖尾长度检测是否进入了测量盲区， 当确认进入了测量盲区后，对与被测物体之间的距离计算公式进行调整，从 而在进入测量盲区后，仍然能够进行测距，减少了测量盲区。

经过实验证明，应用本申请实施例后，超声波测距的测量盲区可以压缩 到15cm以内。

图6为本申请实施例提供的超声波测距装置的组成示意图，该装置主要包 括：发射器、微控单元(MCU，MicroControlUnit)和接收器，其中：

发射器：用于发射超声波。

MCU：用于保存用户设置的在未进入测量盲区时的最大拖尾时长t₀；指 示发射器发射超声波，并在发射器发出超声波时开始计时并等待拖尾结束， 当拖尾结束时，将当前计时时长作为拖尾时长t_拖尾，判断t_拖尾<t₀是否成立， 若不成立，则当接收到拖尾结束之后的第一次反射波时，获取当前计时时长 t，计算与被测物体之间的距离s：s＝vt/2^q，q为整数，且q≥2，其中，v为 超声波在介质中的传播速度。

接收器：用于接收超声波的反射波。

一实施例中，MCU计算与被测物体之间的距离s：s＝vt/2^q为：计算与被 测物体之间的距离s＝vt/4。

一实施例中，MCU进一步用于，保存用户设置的进入测量盲区后第1～m 次返回的反射波与未进入测量盲区时的拖尾结合在一起形成的新拖尾的最大 时长t_m，m为正整数，且1≤m≤M，且，

当判断t_拖尾<t₀不成立时，在接收到拖尾结束之后的第一次反射波时，获 取当前计时时长t之前进一步用于，

从t₁开始，依次将t_拖尾与t_m比较，选择取值与t_拖尾最接近且不大于t_拖尾的t_p，0≤p≤M，且q＝p+2。

一实施例中，MCU判断t_拖尾<t₀是否成立之后进一步用于，

若成立，则当接收到拖尾结束之后的第一次反射波时，获取当前计时时 长t，计算与被测物体之间的距离s：s＝vt/2。

一实施例中，该装置位于无人机上。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本 申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本申请保护的范围之内。