基于單接收頭的超聲波多目標測距

2 閾值和分辨率

閾值的選取，決定本測距系統的測量精度。 由于回波的能量大小受入射角、反射面大小、形狀和材質、空氣的濕度和溫度等因素決定，為了較精確地測量文獻中機器人與墻壁之間的距離，下面只針對超聲波垂直入射墻壁，接受信號的大小進行分析。

在測量時，一旦有干擾物擋住超聲波到墻壁的行進路徑，則墻壁返回的信號將減弱，過高的閾值可能測不到墻壁回波信號，動態閾值因無規律可循而無法使用，故此閾值采用小固定值，因接收信號中的噪聲峰值較穩定，固定閾值取3~5 倍噪聲峰值。 由于墻壁回波信號不確定地高低變化，在標定測量參數時，用示波器采集信號，以接收信號包絡峰值的0. 5 倍處（即圖2 中n = 4 或5 處的時間） 作為距離信息。 這樣處理的目的是： 即使接收信號過強或過弱，測距誤差始終在3~5 cm 以內。 當N 過大時，盲區會增大同時測量精度也會下降，見圖3.

多目標測量要能區分出兩個不同目標。 由于閾值取得小，則系統的分辨能力很差，從圖2 上可看出接收信號經1. 5 ms 后正弦幅值是包絡峰值的0. 015倍。 圖2 的波形只有在超聲波垂直入射墻壁時才能得到，在大多數情況下接收信號從起振到包絡峰值基本固定，但是接收信號從包絡峰值以后各不一樣，一般從起振經1. 5 ms~2 ms 后都會降到閾值以下。

在測量墻壁距離時，只要干擾物與墻壁保持30 cm以上距離則墻壁距離能較精確獲得。

3 系統硬件

C8051 系列單片機具有豐富的模擬、數字外設和多種總線接口，支持在線編程，是很多測控系統的首選。系統硬件框圖如圖4 ,C8051F021 有5 個定時器，5 個PCA 通道，測4 個方向的超聲波傳感器發射頭可共用1 個40 kHz 方波信號，實行同步發射；4 個接收頭可接入PCA 的4 個通道。 信號放大電路的放大倍數在800 左右，即使接收信號經過帶通濾波器，噪聲峰值也達30 mv.

圖5 用示波器標定系統（只有一個發射頭和一個接收頭）