自适应于声源高速移动和环境疾风的高精度超声测距方法

摘要

一种自适应于声源高速移动和环境疾风的高精度超声测距方法，n边形的底座的n个角设置基座，基座上设置超声探头，n为大于等于3的自然数，n个超声探头存在高度差，n个超声探头具有不同的发射超声频率，n个超声探头分别发射不同频率的超声并监测接收反射信号，依照时间间隔的计算公式，设定优化目标函数，使用牛顿法进行此优化问题的迭代求解得到测量距离。本发明提供了一种自适应于声源高速移动和环境疾风的高精度超声测距方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声测距方法。

背景技术

超声测距的实现业内多采用温度补偿算法，虽然超声传播速度与气温、湿度相关，但是声速还受到风速的影响。声音在空气中传播是纵波形式的机械波，风是空气气流的流动，很自然介质位移会影响声速。在声源高速移动，例如汽车高速行驶时，会引起周边气流的急速流动形成疾风，假设车速为120公里每小时，那么跟汽车外壳靠近的气流几乎与汽车同速，达到33米每秒，这几乎是声速的10％了。由于风速影响声速，这也是为何超声雷达被用于车载雷达、自动驾驶等领域主要在泊车时使用，此时车速是低速或静止状态的。

如图1，由于超声在空气中具有较好的定向传播特性，当风速与超声传播方向呈一个不平行的夹角时，可以使用平行四边形法则进行分解叠加，如果v为声速，u为平行于超声传播方向的风速分量，则真实声速为

传统的超声雷达或者超声测距都没有考虑风速对于测量精度的影响。

发明内容

为了克服已有超声测距方法的未考虑风速影响、精度较低的不足,本发明提供了一种自适应于声源高速移动和环境疾风的高精度超声测距方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自适应于声源高速移动和环境疾风的高精度超声测距方法，n边形的底座的n个角设置基座，基座上设置超声探头，n为大于等于3的自然数，n个超声探头存在高度差，n个超声探头具有不同的发射超声频率，n个超声探头分别发射不同频率的超声并监测接收反射信号，依照时间间隔的计算公式，设定优化目标函数，使用牛顿法进行此优化问题的迭代求解得到测量距离。

进一步，采用n个规格相同的收发一体超声探头，分别使用不同高度填充物进行垫高。

再进一步，n个超声探头分别为垫高0厘米、c厘米、2c厘米、……、(n-1)c厘米，c为单位间隔，测量距离为垫高0厘米的超声探头与目标物之间的距离。

更进一步，n个超声探头发射超声频率依次有倍程差异。

每一个收发探头发射某频率超声后即开始监测计时，只有当收到发送频率的回声时才终止计时。

n取4，方形底座的四个基座上设置超声探头，四个超声探头存在高度差，,4个超声探头分别为垫高0厘米、4厘米、8厘米、12厘米，四个超声探头具有不同的发射超声频率，四个超声探头分别发射不同频率的超声并监测接收反射信号，分别记为t

列出以下方程，

求优化目标函数

使用牛顿法进行此优化问题的迭代求解:

迭代初值

该方案是优选的方案，n也可以取3、5、6等其他数值，取值越大则精度越高，但是运算过程越复杂。

4个超声探头分别发射不同频率规格的超声，垫高0厘米的超声探头发射20K赫兹、垫高4厘米的超声探头发射40K赫兹、垫高8厘米的超声探头发射80K赫兹、以及垫高12厘米的超声探头发射160K赫兹的超声。

本发明在假设风速、风向比较恒定的短时长稳定环境下，设计了风速影响的高精度测距方法，这风速稳定的短时长环境存在于汽车高速行驶或大多数的气象环境下。而且本案设计的方案也不依赖于温度补偿机制。其基本原理如下公式，

上述公式s为超声探头到测距物表面的距离，v为声速，u风速，T表示超声发射、反射接收的总时长。前面所说的风速稳定的短时长环境是指，不妨假设在超声进行发射、反射接收的一个回路时间里风速不变，这个假设在汽车高速行驶、或者多数气象环境下都成立。此外，也可以假设在一个小规模的3维空间内风速可以认为是恒定的。以上公式中s、v、u都是未知的，只有T是系统测得的。

特别强调，一般情况下，声源移动本身并不影响声速，影响声速的是由于声源高速移动带动的气流移动所形成的风。

本发明的有益效果主要表现在：精度较高。

附图说明

图1是风速对声速的影响示意图。

图2是四个相同规格收发一体超声探头组成的方形矩阵示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种自适应于声源高速移动和环境疾风的高精度超声测距方法，n边形的底座的n个角设置基座，基座上设置超声探头，n为大于等于3的自然数，n个超声探头存在高度差，n个超声探头具有不同的发射超声频率，n个超声探头分别发射不同频率的超声并监测接收反射信号，依照时间间隔的计算公式，设定优化目标函数，使用牛顿法进行此优化问题的迭代求解得到测量距离。

本实施例采用4个规格相同的收发一体超声探头，设置在正方形底座的四个角上，分别使用不同高度填充物进行垫高，分别为垫高0厘米、4厘米、8厘米和12厘米。它们分别发射不同频率规格的超声，例如垫高0厘米的发射20K赫兹、垫高4厘米的发射40K赫兹、垫高8厘米的发射80K赫兹、以及垫高12厘米的发射160K赫兹的超声。

垫高0厘米的探头发射20K赫兹超声后，监测接收20K赫兹反射信号的时间间隔，记作t

列出以下方程，

求优化目标函数

使用牛顿法进行此优化问题的迭代求解:迭代初值

如此，迭代得出所需的测量距离s。

本实施例是优选的方案，n也可以取3、5、6等其他数值，取值越大则精度越高，但是运算过程越复杂。

本实施例中，每一个收发探头发射某频率超声后即开始监测计时，只有当收到发送频率的回声时才终止计时。此处由于适应于声源移动、测距物表面移动等多种相对位移运动状态，回收的指定频率的超声的频率较发射频率有所偏移(这就是多普勒效应)，由于我案设计的多个探头发射多种频率声波，相邻频率间隔统一有至少一倍之差。根据多普勒效应计算，只要相对运动位移速度在声速一半以内，就不会混淆(例如，发射40K赫兹的以发射20K赫兹的回波作自己的回波，这种混淆不会发生)。而声速的一半相当于汽车行驶速度为600公里每小时，这个限度自然为大多数应用场合所容纳。