一種復(fù)合測距儀及其測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種復(fù)合測距儀及其測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，測距成為數(shù)據(jù)采集中要解決 的一個問題。目前常見的測距方法有：激光測距、雷達(dá)測距和超聲波測距等。其中，激光測 距是利用激光對目標(biāo)的距離進(jìn)行測定。激光測距在工作時向目標(biāo)發(fā)射出一束細(xì)激光，然后 光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，控制電路中的計數(shù)器測定從發(fā)射到接收的時間，從而計 算觀測者到目標(biāo)的距離。雷達(dá)測距與激光測距相近，其優(yōu)點是測距量程大，但是功耗大、價 格高，使用場合受局限。
[0003] 幾種測距方法中，超聲波的速度相對光速小的多，易于仿真模擬。超聲波是頻率超 過20KHZ的機(jī)械波，它同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦砸灰环瓷?、折射、干涉等，超聲波?不同媒介面超聲波的大部分能量會反射。超聲波測距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光 電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。且超聲波傳感器費用低，易于小型化和集 成化，作為一種測距識別手段，已越來越引起人們的重視。
[0004] 現(xiàn)有的超聲波測距大多采用反射式測距法，優(yōu)點是簡單，但是定位精度差，通常只 能判斷物體的有無及大致的距離，但不適用于準(zhǔn)確定位，精度及可靠性都很低?，F(xiàn)有的超聲 波測距也有很少量采用直射式測距法，但超聲波信號檢測方法大多采用閾值判斷法，這種 方法的缺點是抗干擾能力差，當(dāng)聲源距離接收傳感器較遠(yuǎn)時，接收到的超聲波信號會有較 大的衰減，達(dá)不到設(shè)定的閾值，進(jìn)而導(dǎo)致檢測不出來的現(xiàn)象。另外超聲波受多徑效應(yīng)和非視 距傳播影響問題都未得到解決，使得其應(yīng)用范圍變的很窄。
[0005] 上述問題一直以來是制約著超聲波用于定位的主要問題，使得超聲波定位方式?jīng)] 有能在比較大的范圍得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種測距精度高的復(fù)合測距儀 及其測距方法。
[0007] 本發(fā)明一種復(fù)合測距儀的技術(shù)方案有兩種，具體如下： 第一種，一種復(fù)合測距儀，包括主測模塊和固定位置的信標(biāo)模塊； 所述信標(biāo)模塊包括： 第一無線收發(fā)模塊，用于以無線的方式與主測模塊聯(lián)絡(luò)，獲取指令和發(fā)射同步信號； 超聲波發(fā)射模塊，用于發(fā)出已編址的超聲波信號； 第一智能處理模塊，用于處理接收的指令和儲存超聲波編碼，處理同步時序安排； 所述主測模塊包括： 第二無線收發(fā)模塊，用于以無線的方式與信標(biāo)模塊聯(lián)絡(luò)，收發(fā)指令、接收同步信號，以 及接收超聲波信號的時序安排； 超聲波接收陣列，用于接收來自信標(biāo)模塊發(fā)出的不同角度的超聲波信號； 第二智能處理模塊，包括陣列處理模塊和中央處理器； 所述陣列處理模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強(qiáng)弱自動進(jìn)行增益 控制，使輸出的超聲波模擬信號強(qiáng)度保持相對穩(wěn)定，并將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號； 所述中央處理器用于處理接收的指令、模塊各部分的邏輯關(guān)系、做出同步時序安排、識 別編碼、儲存和分析接收到的超聲波數(shù)據(jù)信息。
[0008] 進(jìn)一步，所述陣列處理模塊包括前置放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊； 所述前置放大模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強(qiáng)弱自動進(jìn)行增益控 制，使輸出的超聲波模擬信號強(qiáng)度保持相對穩(wěn)定； 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將檢測時間段內(nèi)的超聲波模擬信號連續(xù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存 儲；通過中央處理器掃描采集到的超聲波信號幅度，處理該組超聲波數(shù)據(jù)；根據(jù)接收到的 超 聲波脈沖群的平均幅值，來計算用于判斷的閾值；達(dá)到判斷閾值的點則認(rèn)為當(dāng)前測試 的超聲波信號到達(dá)起始點，否則認(rèn)為是噪聲信號。
[0009] 進(jìn)一步，所述第一無線收發(fā)模塊和第二無線收發(fā)模塊為WIFI模塊、ZigBee通訊模 塊、藍(lán)牙通信模塊或其他串口無線通信模塊。
[0010] 進(jìn)一步，所述超聲波收發(fā)陣列為具有至少四個超聲波感應(yīng)元的集成陣列，或由至 少四個獨立的超聲波傳感器分散而成的陣列；所述前置放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的通道數(shù) 量與超聲波感應(yīng)元的數(shù)量相對應(yīng)。超聲波收發(fā)陣列的形狀可以是弧形、直線形、環(huán)形、方形、 橢圓形等等。
[0011] 第二種，一種復(fù)合測距儀，包括主測模塊、定位系統(tǒng)平臺和固定位置的信標(biāo)模塊； 所述定位系統(tǒng)平臺包括： 無線通訊模塊，用于以無線的方式與主測模塊和/或信標(biāo)模塊聯(lián)絡(luò)，收發(fā)指令并發(fā)出 同步信號； 所述信標(biāo)模塊包括： 第一無線收發(fā)模塊，用于以無線的方式與主測模塊聯(lián)絡(luò)，收發(fā)指令和發(fā)射同步信號； 超聲波發(fā)射模塊，用于發(fā)出已編碼的超聲波信號； 第一智能處理模塊，用于處理接收的指令和儲存超聲波編碼，處理同步時序安排； 所述主測模塊包括： 第二無線收發(fā)模塊，用于以無線的方式與定位系統(tǒng)平臺或信標(biāo)模塊聯(lián)絡(luò)，收發(fā)指令和 同步信號，以及接收對待接收的超聲波信號做出的時序安排； 超聲波接收陣列，用于接收來自信標(biāo)模塊發(fā)出的不同角度的超聲波信號； 第二智能處理模塊，包括陣列處理模塊和中央處理器； 所述陣列處理模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強(qiáng)弱進(jìn)行自動增益 控制，使輸出的超聲波模擬信號強(qiáng)度保持相對穩(wěn)定，并將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號； 所述中央處理器用于處理接收的指令、識別編碼、做出同步時序安排、儲存和分析接收 到的超聲波數(shù)據(jù)信息。
[0012] -種根據(jù)上述第一種所述復(fù)合測距儀的測距方法，其特征在于：包括以下步驟： (1) 由主測模塊發(fā)起建立無線信號請求，呼喚需要的信標(biāo)模塊，被呼喚到的信標(biāo)模塊發(fā) 送無線信號回應(yīng)，主測模塊收到回應(yīng)后完成無線握手； (2) 主測模塊再次發(fā)射無線信號啟動測距命令，信標(biāo)模塊收到命令后，先發(fā)射無線起始 同步信號，再發(fā)射已編址的超聲波信號； (3) 主測模塊在收到信標(biāo)模塊發(fā)射的無線起始同步信號時開啟數(shù)據(jù)采集時間窗口 T，實 時采集數(shù)據(jù)并存儲，處理計算接收到的超聲波信號數(shù)據(jù)段，識別其編碼，若接收到多組相同 編碼的超聲波信號，只取最先到達(dá)的一組超聲波編碼信號，剔除其余雜波，再經(jīng)計算找到最 先到達(dá)的此組超聲波編碼信號的起頭時間Τ' ； (4) 計算得到超聲波接收陣列與該信標(biāo)模塊發(fā)射源之間的距離功古Τ' Xc，其中，c 為超聲波信號在常溫下的傳播速度。
[0013] 進(jìn)一步，步驟（3)中，所述實時采集數(shù)據(jù)包括：將在T時刻內(nèi)接收的超聲波信號根 據(jù)其信號的強(qiáng)弱自動進(jìn)行增益控制，輸出穩(wěn)定的超聲波幅值動態(tài)范圍；再將該超聲波模擬 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲。
[0014] 進(jìn)一步，步驟（3)中，所述處理計算接收到的超聲波信號數(shù)據(jù)段包括：處理轉(zhuǎn)換后 的超聲波數(shù)字信號，計算得到判斷閾值，若采集到的超聲波信號的幅值達(dá)到判斷閾值則認(rèn) 為當(dāng)前信號為超聲波信號，否則認(rèn)為是噪聲信號。
[0015] 進(jìn)一步，步驟（3)中，所述最先到達(dá)的一組超聲波編碼信號為發(fā)射的超聲波信號直 線到達(dá)超聲波接收陣列的信號；其余后面到達(dá)的視為雜波，包括多徑效應(yīng)、非視距傳播和超 聲波反射產(chǎn)生的信號。
[0016] 進(jìn)一步，續(xù)接所述步驟（4)，進(jìn)一步包括步驟（5):檢測超聲波接收陣列的不同超聲 波感應(yīng)元接收到的超聲波的編碼是否相同，若不相同則放棄，若相同則甄選出該編碼的信 標(biāo)模塊發(fā)射的超聲波信號到達(dá)超聲波感應(yīng)元時間最短的兩路信號，并結(jié)合相對應(yīng)的兩個超 聲波感應(yīng)元的固定位置和固定角度，計算得出超聲波接收陣列理論中心與信標(biāo)模塊的距離 以及該信標(biāo)模塊與超聲波接收陣列理論中心的右旋角；所述超聲波接收陣列理論中心是指 超聲波接收陣列的幾何中心點；右旋角是指該信標(biāo)模塊與超聲波接收陣列理論中心之間的 距離直線沿超聲波接收陣列理論中心的中軸線向右旋轉(zhuǎn)所呈的夾角。
[0017]