基于单接收头的超声波多目标测距

为了使超声波传感器能在动态环境下定位，要求单超声波接收头能测量多个目标。 首先分析了超声波发射头产生的超声波特点，据此推导出接收信号的波形表达式。 其次根据接收信号特点，系统标定时用接收信号包络峰值的0. 5 倍作阈值，而测量时用小阈值，以防止距离信息丢失。 最后用C8051F021 单片机设计了单接收头多目标测距系统。 在2 目标与接收头距离之差大于30 cm 以上时能较精确地测量出2 个距离。

超声波测距传感器以其测量精度高、响应快和价格低廉而广泛应用在工业现场测距、移动机器人导航和定位等场合。超声波测距传感器常用的方式是1 个发射头对应1 个接收头，也有多个发射头对应1 个接收头。 它们共同之处是：每个接收头只测量一个位置，这个位置就是除盲区内因发射的超声波旁瓣引起的接收信号超声波包络峰值外，第1个接收信号超声波包络峰值对应的距离。 在机器人自主导航避障时，机器人只关心最近障碍物的距离，是能够完成自主避障的。 但是在机器人定位时，尤其在动态环境下，1 个接收头同时测量多个距离，能够更多地描述环境信息，这对机器人用超声波定位具有重要意义。

1 超声波

1. 1 超声波测距原理

超声波测距原理比较简单，一般是采用时差法。即：通过检测发射的超声波与其遇到障碍物后产生回波之间的时间差Δt ,求出障碍物的距离d ,计算公式为： d = cΔt/ 2 ,其中：

　　c 为超声波波速， T1 为环境摄氏温度。

1. 2 发射信号超声波包络

在发射头两端加40 kHZ 的矩形脉冲电压， 压电晶体把电能转变成机械能，带动其上振动板运动，见图1. 振动板的固有频率是40 kHZ,由于共振，振动板很快起振，然后稳定， 脉冲电压撤销， 振动板作阻尼振荡衰减。 若振动板长时间工作在最大振幅状态，即振动板新增能量与其损耗能量相等，这样产生的超声波能量大，有利于提高信噪比，但是接收信号超声波包络从起振到峰值的时间将变长（放大器增益小，不出现削顶的情况下） ,不利于阈值选择，误差变大，也不利于第二个位置的测量，另外盲区也会增大。 振动板振动时，空气、压电晶体（起振时是激励）等消耗振动板能量， 其中受空气阻力消耗的能量转变成发射超声波。 压电晶体激励撤销，则振动板振动作阻尼呈指数关系衰减。 把振动板简化成是一个弹簧振子，设振动板在一个正弦周期（ T = 25μs） 内是标准正弦波，则在发射头振动板运动周期数n ≤发射头激励脉冲数N 时，发射头振动板运动满足：

x = A （ n） sinωt （1）

式中t ∈[ （ n - 1） T , nT ] , A （ n）是第n 个周期内的振幅。

ΔE 是压电晶片每次施加的能量。

在n > N 时， 发射头振动板运动能量满足：

1. 3 接收信号超声波包络

发射头产生的超声波遇到不同介质就会产生回波，接收头把回波转变成电能，产生接收信号。 现分析超声波垂直入射到墙壁面时的接收信号，接收信号超声波包络由起振阶段和衰减阶段两部分组成，如图1。

接收信号与回波超声包络的各正弦波幅值关系是：

式中W R 是接收信号包络峰值，W Echo 是回波包络峰值， H 是回波的单位冲击响应。