本發(fā)明屬于測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲波測距裝置及測距方法。

背景技術(shù)：

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，測距技術(shù)在醫(yī)療探傷、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場、倒車提醒等領(lǐng)域應(yīng)用作用越來越廣泛。根據(jù)測距是否接觸，主要分為接觸式和非接觸式測距方法，其中非接觸式方法主要有激光、超聲波及紅外線等，激光測距精度高，但其價格高昂，很少應(yīng)用在民用領(lǐng)域。紅外測距的優(yōu)點是便宜，易制，安全，缺點是精度底，距離近，方向性差等。由于超聲波對外界光線和電磁場不敏感且具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，費用低，再加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點。超聲波測距的應(yīng)用變得越來越普及。已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。目前，國內(nèi)市場上使用的超聲波測距儀主要是通過溫度對聲波進(jìn)行直接補(bǔ)償。然而，直接進(jìn)行溫度的補(bǔ)償，容易存在環(huán)境溫度測量的誤差，進(jìn)而造成聲速誤差加大，此外，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度還與空氣濕度、大氣壓力等因素有關(guān)，因此超聲波的聲速易受到環(huán)境溫度，空氣濕度及大氣壓的影響，且呈相關(guān)關(guān)系，因此，可用方程描述超聲波聲速變化過程。而L-M算法是一種無條件約束優(yōu)化且專門用于誤差平方和最小化的方法，是梯度下降法和牛頓法的結(jié)合，所以本發(fā)明將采用L-M算法對超聲波聲速進(jìn)行曲線擬合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了達(dá)到上述技術(shù)目的，充分考慮到超聲波在介質(zhì)中的傳播速度受周圍環(huán)境溫度、濕度、壓力等因素的影響，本發(fā)明提出了一種超聲波測距裝置及測距方法，具有高精度、響應(yīng)速度快、低成本等特點。

實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種超聲波測距裝置，包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器控制芯片；所述溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器的輸出信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后送入到微處理器控制芯片中；所述微處理器控制芯片的輸入端還與超聲波傳感器的輸出端相連。

所述的一種超聲波測距裝置，還包括隔離模塊、電源模塊、顯示模塊和時鐘模塊，所述隔離模塊位于A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器控制芯片之間，所述電源模塊、顯示模塊和時鐘模塊分別與微處理器控制芯片電連接。

所述顯示模塊包括指示燈、顯示屏。

所述微處理器控制芯片中包括聲速擬合單元，用于將溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器中實時測得的值，帶入到聲速擬合單元中的擬合方程中去擬合計算出實際超聲波聲速，最后根據(jù)下式計算出實際待測距離：

S＝2/vt

式中：S為實際待測距離，v為實際超聲波聲速，t為超聲波傳感器接收高電平持續(xù)的時間；所述擬合方程v＝f(T,R,P)為：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))＾2+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R＾2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln為自然對數(shù)的符號，P₁、P₂……P₁₁為擬合常系數(shù)。

一種超聲波測距方法，包括以下步驟：

步驟一、采集實際環(huán)境的環(huán)境溫度T、大氣濕度R、大氣壓強(qiáng)P；

步驟二、基于L-M算法擬合超聲波聲速v的擬合方程；

步驟三、將環(huán)境溫度T、大氣濕度R、大氣壓強(qiáng)P帶入到超聲波聲速v的擬合方程v＝f(T,R,P)，得到實際超聲波聲速v；

步驟四、根據(jù)實際超聲波聲速v、超聲波傳感器接收高電平持續(xù)的時間t，計算得到實際待測距離S，完成測距。

所述的一種超聲波測距方法，所述超聲波測距方法還包括：步驟五：通過顯示屏查看當(dāng)前測得的距離S、環(huán)境溫度T，大氣濕度R及大氣壓強(qiáng)P。

所述步驟二的基于L-M算法擬合超聲波聲速V的擬合方程v＝f(T,R,P)，具體為：

(1)給出訓(xùn)練誤差允許值ε，初始化向量Z(0)，Z(0)為擬合方程v＝f(T,R,P)的參數(shù)組成的向量賦予的初始值；

(2)利用新的閾值和權(quán)值組成變換矩陣計算Z(i)；

(3)計算誤差指標(biāo)函數(shù)E(Z)的Jacobian矩陣J(Z)；

(4)計算殘差ΔZ，如果E(Z(i))<ε，跳轉(zhuǎn)到步驟(6)；否則計算Z(i+1)，同時計算誤差指標(biāo)函數(shù)E(Z(i+1))；

(5)若E(Z(i+1))<E(Z(i))，則令i＝i+1，μ＝μ/β，轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則不更新矩陣Z，Z(i+1)＝Z(i)，μ＝μβ，轉(zhuǎn)到步驟(4)；

(6)停止，得到擬合方程：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))22+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln為自然對數(shù)的符號，P₁、P₂……P₁₁為擬合常系數(shù)；Z(i)為第i次迭代的閾值和權(quán)值組成的向量，Z(i+1)為第i+1次迭代的閾值和權(quán)值組成的向量，Z(i+1)＝Z(i)+ΔZ，其中ΔZ＝-[J^T(Z)J(Z)+μI]-¹J(Z)e(Z)，J(Z)為Jacobian矩陣，μ阻尼系數(shù)，μ＞0，β為因子，I為單位矩陣，誤差e(Z)＝(e₁(Z),e₂(Z),…,e_N(Z))^TE(Z)為誤差指標(biāo)函數(shù)，N為輸出向量的維數(shù)，n代表權(quán)值數(shù)目，N和n為正整數(shù)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的一種超聲波測距裝置及測距方法，用戶可以通過TFTLCD顯示屏查看當(dāng)前待測距離S、環(huán)境溫度T、大氣濕度R及大氣壓強(qiáng)P。此外，當(dāng)超聲波測距儀正常工作時，測距儀上面的LED指示燈顯示綠燈，當(dāng)出現(xiàn)故障時，顯示紅燈。微處理器控制芯片通過L-M算法擬合出的超聲波聲速方程來對計算實際的超聲波聲速，進(jìn)而求出高精度的待測距離S，整個超聲波測距儀實現(xiàn)了自動化報警、斷電的保護(hù)措施；此處講的斷電保護(hù)主要是指采用軟件的方式來對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)的，因為微控制器里面的RAM(隨機(jī)存儲器)一旦電源關(guān)閉或者發(fā)生斷電，其RAM中的數(shù)據(jù)將會丟失，為了能把所測量到的數(shù)據(jù)保存下來且為了節(jié)約整個裝置的成本，所以此處我們采用微控制器自帶的Flash存儲器(閃存)模擬EEPROM(帶電可擦寫可編程只讀存儲器)來對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，這樣當(dāng)整個裝置重新工作的時候就可以對斷電時的數(shù)據(jù)讀取并顯示出來。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種超聲波測距裝置的一種實施例的原理示意圖。

圖2為本發(fā)明的一種超聲波測距方法的流程示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，一種超聲波測距裝置，包括溫度傳感器2、濕度傳感器3、氣壓傳感器4、超聲波傳感器5、A/D轉(zhuǎn)換器6、微處理器控制芯片1；所述溫度傳感器2、濕度傳感器3、氣壓傳感器4的輸出信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器6后送入到微處理器控制芯片1中；所述微處理器控制芯片1的輸入端還與超聲波傳感器5的輸出端相連。

所述的一種超聲波測距裝置，還包括隔離模塊7、電源模塊9、顯示模塊10和時鐘模塊8，所述隔離模塊7位于A/D轉(zhuǎn)換器6和微處理器控制芯片1之間，所述電源模塊9、顯示模塊10和時鐘模塊8分別與微處理器控制芯片1電連接。

所述顯示模塊10包括指示燈、顯示屏。

所述微處理器控制芯片1中包括聲速擬合單元，用于將溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器中實時測得的值，帶入到聲速擬合單元中的擬合方程中去擬合計算出實際超聲波聲速，最后根據(jù)下式計算出實際待測距離：

S＝2/vt

式中：S為實際待測距離，v為實際超聲波聲速，t為超聲波傳感器接收高電平持續(xù)的時間；所述擬合方程v＝f(T,R,P)為：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))^2+P₄*(Ln(T))^3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))^2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln為自然對數(shù)的符號，P₁、P₂……P₁₁為擬合常系數(shù)，是借助L-M算法擬合出來的系數(shù)，主要受到超聲波聲速v,環(huán)境溫度T、大氣濕度R及大氣壓強(qiáng)P的影響。

在本發(fā)明中，微處理器控制芯片：負(fù)責(zé)采集環(huán)境溫度T、大氣濕度R、大氣壓強(qiáng)P和接收高電平持續(xù)的時間t(即超聲波傳感器的渡越時間)，并通過擬合方程求出高精度超聲波聲速，進(jìn)而求出實際待測距離。

溫度傳感器2：由高反射率的材料和A級Pt100薄膜鉑電阻組成，能減少輻射誤差，提高溫度測量精度。

在本發(fā)明的一種實施例中，溫度傳感器2：由高反射率的材料和A級Pt100薄膜鉑電阻組成，能減少輻射誤差，提高溫度測量精度；濕度傳感器3：用于采集環(huán)境實時相對濕度R；氣壓傳感器4：用于測量環(huán)境大氣壓強(qiáng)P；超聲波傳感器5：采用HC-SR04超聲波測距模塊，用于采集超聲波從發(fā)射到接收的渡越時間t；A/D轉(zhuǎn)換模塊6：采用24位Σ/Δ低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794，主要功能是將溫度傳感器、濕度傳感器及氣壓傳感器采集到模擬量轉(zhuǎn)化成以數(shù)字形式輸出的數(shù)字量；隔離模塊7：采用光電耦合器，主要作用是對輸入、輸出電信號進(jìn)行良好的隔離，保證電絕緣能力和抗干擾能力；顯示模塊10：包括指示燈、TFTLCD顯示屏兩部分，指示燈亮綠燈表示超聲波測距離儀正常工作，亮紅燈表示超聲波測距離儀出問題。TFTLCD顯示屏可以用來顯示當(dāng)前待測距離S、環(huán)境溫度T，大氣濕度R及大氣壓強(qiáng)P。、

綜上所述：超聲波測距裝置的工作原理為：

(1)系統(tǒng)上電后，微控制器通過數(shù)據(jù)采集裝置采集環(huán)境實時溫度T、大氣濕度R和大氣壓強(qiáng)P，并利用存儲在微處理器控制芯片內(nèi)的聲速擬合單元中的超聲波聲速擬合方程v＝f(T,R,P)求出高精度環(huán)境實時超聲波聲速v。

(2)根據(jù)得到的環(huán)境實時超聲波聲速v，再通過微處理器控制芯片的捕獲功能計算出超聲波接收器高電平持續(xù)的時間t，由于求出超聲波聲速的時候，還需要知道超聲波從發(fā)射到接收的時間t，這樣才能計算出待測物體的距離S。本發(fā)明中采用的超聲波傳感器為渡越時間類型的傳感器，也就是說該傳感器只能測量超聲波從發(fā)射到接收的時間t，而這個時間t在超聲波傳感器中是通過高電平持續(xù)的時間來進(jìn)行測量的，這個高電平持續(xù)時間的測量是通過微控制器定時器自帶的具有輸入捕獲功能的定時器來進(jìn)行捕獲高電平的，這樣定時器的時間就是超聲波傳感器從發(fā)射聲波到接受聲波的時間t了。進(jìn)而算出超聲波測距儀的待測距離S，并將所得距離S、采集的環(huán)境溫度T、大氣濕度R及大氣壓強(qiáng)P傳輸給TFTLCD顯示屏，方便用戶觀察。

一種超聲波測距方法，包括以下步驟：

步驟一、采集實際環(huán)境的環(huán)境溫度T、大氣濕度R、大氣壓強(qiáng)P；在具體實施例中，分別通過溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器來采集環(huán)境溫度T、大氣濕度R、大氣壓強(qiáng)P；

步驟二、基于L-M算法擬合超聲波聲速v的擬合方程；

步驟三、將環(huán)境溫度T、大氣濕度R、大氣壓強(qiáng)P帶入到超聲波聲速v的擬合方程v＝f(T,R,P)，得到實際超聲波聲速v；

步驟四、根據(jù)實際超聲波聲速v、超聲波傳感器接收高電平持續(xù)的時間t，計算得到實際待測距離S，完成測距。

所述超聲波測距方法還包括：步驟五：通過顯示模塊中的顯示屏查看當(dāng)前測得的距離S、環(huán)境溫度T，大氣濕度R及大氣壓強(qiáng)P；通過顯示模塊中的指示燈進(jìn)行測距報警。

所述步驟二的基于L-M算法擬合超聲波聲速V的擬合方程v＝f(T,R,P)，具體為：

(1)給出訓(xùn)練誤差允許值ε，初始化向量Z(0)，Z(0)為擬合方程v＝f(T,R,P)的參數(shù)組成的向量賦予的初始值；

(2)利用新的閾值和權(quán)值組成的變換矩陣計算Z(i)；環(huán)境溫度T，大氣濕度R及大氣壓強(qiáng)P對聲速有直接影響，在同一溫度、濕度下，氣壓越高，超聲波的聲速就會越大；在一定濕度、氣壓下，溫度和超聲波聲速成正相關(guān)，同理，在一定的溫度、氣壓下，濕度與超聲波的聲速成正相關(guān)(只是濕度和聲速的變化過程比較緩慢，但是依舊是正相關(guān))，通過上述關(guān)系來確定閾值的大小，進(jìn)而篩選符合要求的數(shù)據(jù)，針對所篩選出來數(shù)據(jù)，使用權(quán)值拋棄偏離誤差較大的數(shù)值，然后通過新的誤差來確定權(quán)值的更新(i為第i次的迭代,Z(i)是第i次迭代的閾值和權(quán)值組成的向量矩陣)；

(3)計算誤差指標(biāo)函數(shù)E(Z)的Jacobian矩陣J(Z)；

(4)計算殘差ΔZ，如果E(Z(i))＜ε，跳轉(zhuǎn)到步驟(6)；否則計算Z(i+1)，同時計算誤差指標(biāo)函數(shù)E(Z(i+1))；

(5)若E(Z(i+1))＜E(Z(i))，則令i＝i+1，μ＝μ/β，轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則不更新矩陣Z，Z(i+1)＝Z(i)，μ＝μβ，轉(zhuǎn)到步驟(4)；

(6)停止，得到擬合方程：

v＝(P₁+P₂*Ln(T)+P₃*(Ln(T))＾2+P₄*(Ln(T))＾3+P₅*R+P₆*R^2+P₇*P)/(1+P₈*Ln(T)+P₉*(Ln(T))＾2+P₁₀*R+P₁₁*P)

式中：Ln為自然對數(shù)的符號，P₁、P₂……P₁₁為擬合常系數(shù)；Z(i)為第i次迭代的閾值和權(quán)值組成的向量，Z(i+1)為第i+1次迭代的閾值和權(quán)值組成的向量，Z(i+1)＝Z(i)+ΔZ，其中ΔZ＝-[J^T(Z)J(Z)+μI]^-1J(Z)e(Z)，J(Z)為Jacobian矩陣，μ阻尼系數(shù)，μ＞0，β為因子，I為單位矩陣，誤差e(Z)＝(e₁(Z),e₂(Z),…,e_N(Z))^TE(Z)為誤差指標(biāo)函數(shù)，N為輸出向量的維數(shù)，n代表權(quán)值數(shù)目，N和n為正整數(shù)。

具體實施時，記錄采用L-M算法控制方法的測量序號、實際值、測量值、相對誤差。如表1所示：(測量值就是用發(fā)明的超聲波測距裝置進(jìn)行測量的，實際值就是用高精度的激光測距儀測量的)

表1

分析表1中的數(shù)據(jù)，本發(fā)明的基于L-M算法的超聲波測距裝置能夠把測量值誤差控制在0.785cm左右，相對誤差小于1％，因此本發(fā)明的超聲波測距裝置具有相對誤差小、測量精確度高等特點。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。