一種復合測距儀及其測距方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及定位導航技術領域，特別是一種復合測距儀及其測距方法。
【背景技術】
[0002] 距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數，測距成為數據采集中要解決 的一個問題。目前常見的測距方法有：激光測距、雷達測距和超聲波測距等。其中，激光測 距是利用激光對目標的距離進行測定。激光測距在工作時向目標發射出一束細激光，然后 光電元件接收目標反射的激光束，控制電路中的計數器測定從發射到接收的時間，從而計 算觀測者到目標的距離。雷達測距與激光測距相近，其優點是測距量程大，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的機械波，它同樣具有聲波傳輸的基本物理特性一一反射、折射、干涉等，超聲波在 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、光 電開關相結合來實現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] 現有的超聲波測距大多采用反射式測距法，優點是簡單，但是定位精度差，通常只 能判斷物體的有無及大致的距離，但不適用于準確定位，精度及可靠性都很低。現有的超聲 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，當聲源距離接收傳感器較遠時，接收到的超聲波信號會有較 大的衰減，達不到設定的閾值，進而導致檢測不出來的現象。另外超聲波受多徑效應和非視 距傳播影響問題都未得到解決，使得其應用范圍變的很窄。
[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沒 有能在比較大的范圍得到應用。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是克服現有技術的上述不足而提供一種測距精度高的復合測距儀 及其測距方法。
[0007] 本發明一種復合測距儀的技術方案有兩種，具體如下： 第一種，一種復合測距儀，包括主測模塊和固定位置的信標模塊； 所述信標模塊包括： 第一無線收發模塊，用于以無線的方式與主測模塊聯絡，獲取指令和發射同步信號； 超聲波發射模塊，用于發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： 第二無線收發模塊，用于以無線的方式與信標模塊聯絡，收發指令、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，用于接收來自信標模塊發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，根據其信號的強弱自動進行增益 控制，使輸出的超聲波模擬信號強度保持相對穩定，并將接收到的模擬信號轉換成數字信 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據信息。
[0008] 進一步，所述陣列處理模塊包括前置放大模塊和A/D轉換模塊； 所述前置放大模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據其信號的強弱自動進行增益控 制，使輸出的超聲波模擬信號強度保持相對穩定； 所述A/D轉換模塊用于將檢測時間段內的超聲波模擬信號連續轉換成數字信號并存 儲；通過中央處理器掃描采集到的超聲波信號幅度，處理該組超聲波數據；根據接收到的 超 聲波脈沖群的平均幅值，來計算用于判斷的閾值；達到判斷閾值的點則認為當前測試 的超聲波信號到達起始點，否則認為是噪聲信號。
[0009] 進一步，所述第一無線收發模塊和第二無線收發模塊為WIFI模塊、ZigBee通訊模 塊、藍牙通信模塊或其他串口無線通信模塊。
[0010] 進一步，所述超聲波收發陣列為具有至少四個超聲波感應元的集成陣列，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轉換模塊的通道數 量與超聲波感應元的數量相對應。超聲波收發陣列的形狀可以是弧形、直線形、環形、方形、 橢圓形等等。
[0011] 第二種，一種復合測距儀，包括主測模塊、定位系統平臺和固定位置的信標模塊； 所述定位系統平臺包括： 無線通訊模塊，用于以無線的方式與主測模塊和/或信標模塊聯絡，收發指令并發出 同步信號； 所述信標模塊包括： 第一無線收發模塊，用于以無線的方式與主測模塊聯絡，收發指令和發射同步信號； 超聲波發射模塊，用于發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： 第二無線收發模塊，用于以無線的方式與定位系統平臺或信標模塊聯絡，收發指令和 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，用于接收來自信標模塊發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，根據其信號的強弱進行自動增益 控制，使輸出的超聲波模擬信號強度保持相對穩定，并將接收到的模擬信號轉換成數字信 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 到的超聲波數據信息。
[0012] -種根據上述第一種所述復合測距儀的測距方法，其特征在于：包括以下步驟： (1) 由主測模塊發起建立無線信號請求，呼喚需要的信標模塊，被呼喚到的信標模塊發 送無線信號回應，主測模塊收到回應后完成無線握手； (2) 主測模塊再次發射無線信號啟動測距命令，信標模塊收到命令后，先發射無線起始 同步信號，再發射已編址的超聲波信號； (3) 主測模塊在收到信標模塊發射的無線起始同步信號時開啟數據采集時間窗口 T，實 時采集數據并存儲，處理計算接收到的超聲波信號數據段，識別其編碼，若接收到多組相同 編碼的超聲波信號，只取最先到達的一組超聲波編碼信號，剔除其余雜波，再經計算找到最 先到達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模塊發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] 進一步，步驟（3)中，所述實時采集數據包括：將在T時刻內接收的超聲波信號根 據其信號的強弱自動進行增益控制，輸出穩定的超聲波幅值動態范圍；再將該超聲波模擬 信號轉換為數字信號并存儲。
[0014] 進一步，步驟（3)中，所述處理計算接收到的超聲波信號數據段包括：處理轉換后 的超聲波數字信號，計算得到判斷閾值，若采集到的超聲波信號的幅值達到判斷閾值則認 為當前信號為超聲波信號，否則認為是噪聲信號。
[0015] 進一步，步驟（3)中，所述最先到達的一組超聲波編碼信號為發射的超聲波信號直 線到達超聲波接收陣列的信號；其余后面到達的視為雜波，包括多徑效應、非視距傳播和超 聲波反射產生的信號。
[0016] 進一步，續接所述步驟（4)，進一步包括步驟（5):檢測超聲波接收陣列的不同超聲 波感應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 標模塊發射的超聲波信號到達超聲波感應元時間最短的兩路信號，并結合相對應的兩個超 聲波感應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模塊的距離 以及該信標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所呈的夾角。
[0017]