基于超声波测距系统的设计-文献综述

文献综述1.课题背景随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等。其中CCD探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销1.雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点2，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂3。随着世界各国汽车持有量的不断增加，车辆碰撞事故也随之增多，尤其在城市道路和高速公路上发生的交通事故更是与日俱增。自适应汽车防碰撞技术和汽车主动防碰撞预警系统以及与此相关的测距技术正是在这种背景下提出的，并己经成为当前车辆工程和测控技术领域中关注的一个热点研究课题4。2.研究目的与现状2.1研究目的和意义倒车雷达，又称泊车辅助系统，它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时视野死角的困扰，提高驾驶的安全性。现在市面上的倒车雷达人多采用超声波测距原理。由探头发送超声波，遇到障碍物，产生同波信号，传感器接收到同波信号后，测出发射超声波和接收到同波的时间延迟，从而计算出车体与障碍物之间的距离。衡量倒车雷达性能的主要指标通常有以卜几个方面:一是测量精度，不仅要求倒车雷达具有高的分辨率，而且还要有低的测量误差;二是探测范围，好的倒车雷达探测自区少、探测范围宽;三是响应时间，这要求倒车雷达能够快速地测量出障碍物的距离，及时地提醒驾驶员障碍物的方位和距离。52.2研究现状与存在的问题2.2.1研究现状目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方而的研究已较成熟。但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低;在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽。近年来，如何合理选择超声发射脉冲，可以使超声波测距系统在提高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力，成为超声波测距技术的又一个重要研究方向。针对此点，程晓畅6借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，率先提出通过选用伪随机二进制序列作为超声发射的脉冲压缩信号，并在接收端对回波进行处理，从而获得窄脉冲的方法。杜晓7等则兼顾测距范围和精度，提出通过采用40kHz与20kHz两种超声波同时测距的双频超声测距方法。脉冲压缩技术与双频超声测距技术在超声测距中的应用，在一定程度上使超声波测距系统同时具备了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测力，但仍旧不能满足高精度测量的要求。2.2.2存在的主要问题根据超声波测距公式L=CT，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。（1）时间误差在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。（2）超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。已知超声波速度与温度的关系如下：式中：r气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R气体普适常量，8.314kgmol-1K-1，M气体分子量，空气为28.810-3kgmol-1，T绝对温度，273K+T。近似公式为：C=C0+0.607T式中：C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度()。对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0时超声波速度是332m/s,30时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。3.课题途径及步骤3.1课题途径超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现8。3.2课题步骤（1）了解超声波测距原理。（2）根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。设计一超声波测距仪，要求：1）设计出超声波测距仪的硬件结构电路。2）对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。3）对设计的电路进行分析。4）以数字的形式显示测量距离。4.遇到的问题及应变措施（1）问题：超声波的测量距离的精确度。拟采取措施：选用HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。（2）问题：超声波传播速度会受温度影响，该如何解决拟采取措施：使用18B20温度传感器进行修正。（3）问题：由于超声波模块的检测角度问题，被检测物体的大小就有了强制性的要求。拟采取措施：测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果。参考文献1徐杰，陈一民，史志龙.双口视觉变焦测距技术J.上海大学学报(自然科学版)，2009(4).2邹祥林，周洪，叶鹏.港口起重机雷达防撞系统的信号处理电路的设计J.传感器与微系统，2007，26(12).3房庆海，赵永丽.卫星激光测距数据处理算法的研究进展J.激光技术，2008，32(4).4潘仲明.大量程超声波测距系统研究D.2006(10).5张芬.基于C8051F320单片机的超声波测距仪J.仪表技术与传感器，2009(12).6程晓畅等.基于相关函数包络峰细化的高精度超声波测距法J.测试技术学报，2006.7杜晓，张重雄.基本SOPC技术的车辆电子后镜系统设计J.嵌入式系统应用，2008(8).8朱维杰，于湘珍.基于超声波测距的自适应倒车雷达设计J.汽车电器，2009(4)：15-17.9张海鹰，高艳丽.超声波测距技术研究J.仪表技术，2011(9)：58-60.10李戈，孟祥杰，王晓华，王重秋.国内超声波测距研究应用现状J.测绘科学，2011年07月，36(4).11裴先如，高海荣.压电材料的研究和应用现状J.安徽化工，2010(6)，36(3).12粟娟.基于单片机的超声波测距系统设计J.企