超声波测距国内外研究现状,水平及存在的问题有哪些？
超声波测距国内外研究现状,水平及存在的问题有哪些？
09-08-18 &
声波测距原理及误差分析  一、超声波测距原理    超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。  测距的公式表示为：L=C×T    式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。    超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。    由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。    二、超声波测距误差分析    根据超声波测距公式L=C×T，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    当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t&(0.001/344) ≈0.s 即2.907ms。    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1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间
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基于单片机的超声波测距系统-文献综述2
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国内超声波测距研究应用现状
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第4期李戈等国内超声波测距研究应用现状
目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。3. 2新型超声波换能器研发
随着超声波回波信号处理方法的不断完善，如何研发新型、高性能超声波换能器以进一步拓宽超声波测距的应用空间，作为解决超声波测距系统不足的根本手段，越来越受到国内学者关注。
通过对以Vmos 场效应管为开关元件的超声波发射电路
进行分析，马庆云等［12］
发现激励脉冲宽度对超声波换能器的发射功率影响极大，换能器取得最大发射功率所对应的激励脉冲宽度为其谐振周期的一半。该分析结果对新型超声波换能器的发射电路的设计具有一定的指导作用。针对传统连续调频超声波系统需要使用宽带超声传感器的不足，
李希胜等［13］
提出了一种连续窄带调频超声波测距方法。该方法可以利用较低的瞬时超声波功率实现较高的平均发射功率，从而利用普通超声传感器来组成超声发射-接收传感
器对，避免了使用价格昂贵的宽带超声传感器。
目前国产低功率超声波探头，一般不能用于探测15m 以外的物体，美国AIRMAR 公司生产的Airducer AR30超声
波传感器的作用距离可达30m ，但价格较高。潘仲明等［14］
对大作用距离超声波传感技术进行研究，研制了谐振频率为24. 5kHz 的新型超声波传感器，其作用距离超过了32m ，
测量误差小于2%。廖一等［15］
提出利用弯曲振动换能器改善声匹配，将气介超声波换能器的最大探测距离提高到35m 。
现阶段，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。
3. 3超声波发射脉冲选取
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面的研究已较成熟。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［7］
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。杜晓等［16］
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能力，但仍旧不能满足高精度测量的要求。
4超声波测距的应用
超声波测距凭借其原理简单、易于实现以及成本低等优点，在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞和曲面仿形检测等领域得到了广泛的应用。4. 1液位测量
接触式液位测量存在易渗漏、易腐蚀、不便于检修和维护等问题，利用超声波测距可以实现液位的非接触式测量，解决上述问题。与其他测位方法相比，超声波液位测量具有结构简单、非接触、安装和维护方便、性能稳定可靠等优势。
雷建龙等［17］
基于超声波测距原理，设计了一种便携式液位测量仪。该仪器体积小，便于测量，系统成本低，并且能对速度进行温度补偿，保证了检测精度。但其测量范
围小，测量精度低。陈平等［18］
则将超声波测距技术与测试算法相结合，设计了一种群罐液位监控仪器。该仪器可靠性高，利用单片机内部集成的温度传感器进行了有效的温度补偿和校正，提高了系统的测量精度。
移动机器人定位和避障
移动机器人需要装备多种传感器来获取环境信息以确定自身的位置（定位）和绕开障碍物（避障），其中比较常用的传感系统是视觉系统和超声波测距系统。超声波传感器已经被广泛用作测距传感器，并应用于机器人的定位和避障。
田志宏等［19］
基于超声波测距原理，设计了一种能够智能避障的电动轮椅车，通过安装多组传感器来检测障碍物，
达到避障的目的。王洪青等［20］
设计了一种适用于移动机器人的并行超声波测距系统。其采用多传感器并行工作的方式，提高了测距的实时性，有效屏蔽了系统干扰，满足移动机器人避障的要求。4. 3汽车防撞
随着汽车拥有量的增长，汽车的安全和使用便捷性能受到了空前的关注。由于存在视觉盲区，人们在倒车时无法看清楚车子后面的障碍物，很容易刮伤汽车或发生事故。通过在车身前后安装超声测距传感器可以有效测量车身距障碍物间距离，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
彭翠云等［21］
以Cygnal 单片机为控制器，设计了一种用于汽车倒车系统的超声波测距模块。该模块向决策系统实时提供汽车与障碍物的间距，以利于汽车避障，同时可以保证较高的测距精度和较宽的测距范围。仇成群等［22］
结合超声波测距技术，设计了一种汽车测距防撞报警系统。该系统能够自动检测汽车与障碍物间的距离，并能够实现LED 显示，它具有电路简单、操作便捷、工作稳定等优点。
4. 4曲面仿形检测
大多数曲面外形尺寸很难通过传统测量方式获得，而超声波测距可以通过采用多传感器多角度测距，确定其外形特征，以实现对曲面的检测。
赵海鸣等［23］
在分析各种水下地形测量方法及其特点的基础上，提出了一种应用超声波测距方法进行水下微地形高程数据测量的方法。该方法利用互相关运算可以在信噪比很小的情况下准确定位回波到达时间，从而在复杂环境下实现超声波测距。经试验验证，该方法的测量误差在－1
1cm 以内，探测重构得到的微地形图能真实地反映被测地形特征。
吴穹等［24］
设计了一种超声波车载土石方计量系统，用于测量土石方的体积。该系统采用超声波传感器阵列的形式，利用多个传感器顺序测量出每个超声波传感器到土石方表面的距离，然后通过距离到体积的变换，得出土石方的体积。该系统成本低、硬件容易实现，但由于传感器测量范围有限，系统检测精度仍有待提高。
汪恩军等［25］
设计了一种基于超声波传感器的车辙检测系统，通过在检测车上布置多个超声传感器来获取路面车辙原始信息。此外，该系统针对超声传感器的输出波形，设计了按周期精确采样的方法，从而降低干扰，提高了系统检测检测精度。
张富贵等［26］
在分析果树外形检测机理的基础上，提出了基于超声波测距的果树外形检测方法。该方法通过多个传感器测距，实现对果树外形的检测。但由于传感器数目有限，所得果树外形轮廓曲线与实际的果树外形轮廓曲线误差较大。
5现阶段常见问题的分析及解决
1）超声波传播波速不恒定
超声波在介质中的传播速度随周围环境（温度、压力等）的变化而变化，其中温度的影响最为明显。常温下，超声波的传播速度为340m /s，温度每升高1? ，声速增加约为0. 6m /s，因此超声波测距中一般采用温度补偿的方法，即在数据处理中对超声波传播速度进行实时温度补偿。
2）回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减
回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减，使得接收传感器接收到的回波信号随着测量距离的增大而大幅减小，给回波前沿的准确定位带来困难，造成测量精度降低。在回路上串入自动增益调节环节（AGV ），使得电路放大倍数随着测量距离的增大而相应规律地增加，可有效解决该问题。
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