发明人：罗庆生；韩宝玲；赵小川
一种适用于特种机器人的超声波测距系统
技术领域
本发明涉及一种适用于特种机器人的超声波测距系统，属于机器人传感器领域。
背景技术
超声波传感器具有信息处理简单、成本低廉等优点，被广泛用做机器人测距传感器，以实现环境探测和导航任务。
超声波测距利用的是超声波近似直线传播和反射的特性，目前常用的测距方式是单脉冲方式。超声波换能器在单脉冲的触发下将超声波发射出去，超声波在介质中传播到被测物体后被反射。超声波换能器接收到反射回波信号，确定出超声波从发射到接收的渡越时间，超声波传播的速度用340m/s近似代替。
特种机器人常常工作在非结构环境下，在实际测距过程中，环境中温度、湿度、气压对超声波的传播速度都会产生影响，其中温度变化的影响最大，因此用340m/s近似代替超声波传播的速度会引入误差；其次超声波回波信号是一个调制信号，无明确的回波信号前沿，因而在确定渡越时间的过程中，其基准点的选择已构成测量误差的主要来源；在非结构环境下，噪声与回波同时被接收，即使电路中带有滤波电路，与脉冲频率相近的噪声依旧无法滤除，这将造成误触发；上述问题已成为制约超声波传感器在特种机器人领域应用的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于特种机器人的超声波测距系统，来解决在实际测距过程中，环境、超声波回波信号基准点的选择、噪声干扰等因素对传播速度测量影响大的问题。
本发明提供的一种适用于特种机器人的超声波测距系统，该系统包括渡越时间确定模块、超声波传播速度实时测量模块。
1）渡越时间确定模块主要包括超声波发射换能模块、超声波接收换能模块、超声波发射电路模块、回波接收、放大、滤波电路模块和嵌入式数字信号处理模块（DSP TMS320VC5509A）；嵌入式数字信号处理模块内部的运算程序包括m序列发生模块、本地码发生模块、m序列还原模块和相关判决模块等；超声波发射换能模块通过超声波发射电路模块与嵌入式数字信号处理模块相连，超声波接收换能模块通过回波接收、放大、滤波电路模块与嵌入式数字信号处理模块相连，超声波发射换能模块与超声波接收换能模块发射、接收方向平行且紧密相邻。
渡越时间确定模块的工作过程为：基于伪随机序列的自相关性原理，由嵌入式数字信号处理模块通过m序列发生模块产生的伪随机序列经通用I/O引脚输出，激励超声波发射电路模块将其转换成对应的超声波信号，通过超声波发射换能模块发射出去，超声波经障碍物反射到超声波接收换能模块，通过回波接收、放大、滤波电路模块将其滤波、放大后，经过A/D转换，输入给嵌入式数字信号处理模块的m序列还原模块，m序列还原模块将其还原成对应的离散序列，与本地码发生模块产生的伪随机序列通过相关判决模块的相关运算公式进行运算。当相关函数值取值最大时，通过本地伪随机序列与接收到的伪随机序列的相位差便可确定障碍物与超声波换能模块之间的渡越时间。
2）超声波传播速度实时测量模块：主要包括长方体目标、超声波发射换能模块、超声波接收换能模块、超声波发射电路模块、回波接收、放大、滤波电路模块和嵌入式数字信号处理模块；嵌入式数字信号处理模块内部的运算程序包括m序列发生模块、本地码发生模块、m序列还原模块和相关判决模块等；超声波发射换能模块通过超声波发射电路模块与嵌入式数字信号处理模块相连，超声波接收换能模块通过回波接收、放大、滤波电路模块与嵌入式数字信号处理模块相连，超声波发射换能模块与超声波接收换能模块发射、接收方向平行且紧密相邻，长方体目标固定于超声波发射换能模块与超声波接收换能模块前端，距离为d（30cm＜d＜lm）
超声波传播速度实时测量模块的工作过程为：基于伪随机序列的自相关性原理，由嵌入式数字信号处理模块通过m序列发生模块产生的伪随机序列经通用I/O引脚输出，激励超声波发射电路模块将其转换成对应的超声波信号，通过超声波发射换能模块发射出去，超声波经长方体目标反射到超声波接收换能模块，通过回波接收、放大、滤波电路模块将其滤波、放大后，经过A/D转换，输入给嵌入式数字信号处理模块的m序列还原模块，m序列还原模块将其还原成对应的离散序列，与本地码发生模块产生的伪随机序列通过相关判决模块的相关运算公式进行运算。当相关函数值取值最大时，通过本地伪随机序列与接收到的伪随机序列的相位差，便可确定长方体目标与超声波换能模块之间的渡越时间，计算长方体目标距超声波换能模块的距离值d与渡越时间比值的二倍便为超声波传播速度。
通过渡越时间确定模块来测量障碍物与超声波换能模块之间的渡越时间，通过超声波传播速度实时测量模块来测量机器人所处环境的实际声波速度，应用嵌入式数字信号处理模块通过计算渡越时间和超声波传播速度乘积值的一半，得出机器人距离障碍物的距离。本发明的一种适用于特种机器人的超声波测距系统的测距有效值范围是0.3～8.9m。
本发明的有益效果有：
1）增加了超声波传播速度实时测量模块，该模块基于伪随机序列的自相关性准确地测量渡越时间后，再利用模块中目标物体与超声波换能模块距离已知的条件，计算出超声波的传播速度。克服了传统超声波测距传感器因为超声波传播速度随温度、压强的变化而造成误差的缺点。
2）采用基于伪随机序列自相关性原理测量渡越时间，有效地提高了渡越时间测量的精度，消除了噪声的干扰。
3）采用嵌入式数字信号处理模块处理信号，有效地提高了信息处理的实时性。
4）采用模块化设计，结构简单，功能可靠，可广泛应用于各种特种机器人。该系统对于提高特种机器人的探测能力，增加机器人对未知环境的适应能力具有重要的作用，可进一步扩大特种机器人在民用、军事等领域的应用。(www.xing528.com)
附图说明
附图G-1为渡越时间测定的工作原理图。
附图G-2为超声波传播速度实时测量的工作原理图。
附图G-3为超声波测距装置的外观结构图。
附图G-4为超声波测距装置在特种机器人上应用的示意图。
以上附图中，1—障碍物；2—超声波发射换能模块；3—超声波接收换能模块；4—超声波发射电路模块；5—接收、放大、滤波电路模块；6—m序列发生模块；7—本地码发生模块；8—m序列还原模块；9—相关判决模块；10—嵌入式数字信号处理模块DSP TMS320VC5509A；11—长方体目标。
具体实施方式
下面结合附图G-1～附图G-4实施例对本发明作进一步说明。
以测试环境温度为25.3℃，压强为100.76kPa，相对湿度为15%为例，取不同的实际距离进行测量，检验本发明的误差。
测量具体步骤如下：
1）通过渡越时间确定模块来测量障碍物与超声波换能模块之间的渡越时间。如附图G-1所示，超声波发射换能模块2通过超声波发射电路模块4与嵌入式数字信号处理模块10相连，超声波接收换能模块3通过回波接收、放大、滤波电路模块5与嵌入式数字信号处理模块10相连，超声波发射换能模块2与超声波接收换能模块3发射、接收方向平行且紧密相邻。由嵌入式数字信号处理模块10通过m序列发生模块6产生的m序列通过通用I/O引脚输出，激励超声波发射电路模块4将其转换成对应的超声波信号，通过超声波发射换能模块2发射出去，超声波经障碍物1反射到超声波接收换能模块3，通过接收、放大、滤波电路模块5将其滤波、放大后，经过A/D转换，输入给m序列还原模块8，m序列还原模块8将其还原成对应的离散序列，与本地码发生模块7产生的伪随机序列通过相关判决模块9的相关运算公式进行运算。当相关函数值取值最大时，通过本地伪随机序列与接收到的伪随机序列的相位差便可确定障碍物1与超声波发散换能模块2、超声波接收换能模块3之间的渡越时间。
2）通过超声波传播速度实时测量模块来测量机器人所处环境的实际声波速度。如附图G-2所示，超声波发射换能模块2通过超声波发射电路模块4与嵌入式数字信号处理模块10相连，超声波接收换能模块3通过回波接收、放大、滤波电路模块5与嵌入式数字信号处理模块10相连，超声波发射换能模块2与超声波接收换能模块3发射、接收方向平行且紧密相邻，长方体目标固定于超声波发射换能模块与超声波接收换能模块前端，距离为42.5cm。由嵌入式数字信号处理模块10通过m序列发生模块6产生的m序列通过通用I/0引脚输出，激励超声波发射电路模块4将其转换成对应的超声波信号，通过超声波发射换能模块2发射出去，超声波经长方体目标11反射到超声波接收换能模块3，接收、放大、滤波电路模块5将其滤波、放大后，经过A/D转换，输入给m序列还原模块8，m序列还原模块8将其还原成对应的离散序列，与本地码发生模块7产生的伪随机序列通过相关判决模块9的相关运算公式进行运算。当相关函数值取值最大时，通过本地伪随机序列与接收到的伪随机序列的相位差便可确定长方体目标与超声波换能模块之间的渡越时间。计算长方体目标距超声波换能模块的距离与渡越时间比值的二倍便为超声波传播速度。
3）取渡越时间与机器人所处环境中的超声波传播速度的乘积的一半，得出机器人距离障碍物的距离，这一过程在嵌入式数字信号处理模块中完成，直接输出实验结果见附表G-1。
附表G-1 实验结果
从上述实验结果中可以看出，本发明的适用于特种机器人的新型超声波测距装置的测量误差≤0.1%，具有较高的精度和良好的抗干扰能力。
说明书附图
附图G-1 渡越时间测定的工作原理图
附图G-2 超声波传播速度实时测量的工作原理图
附图G-3 超声波测距装置的外观结构图
附图G-4 超声波测距装置在特种机器人上应用的示意图
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