由於超音波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超音波經常用於距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超音波來實現。利用超音波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易於做到實時控制，並且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在移動機器人研製上也得到了廣泛的套用。
基本介紹
- 中文名：超音波測距
- 外文名：Ultrasonic ranging
- 領域：測繪科學與技術
- 特徵：指向性強
- 用於：距離的測量
- 套用：移動機器人研製
引言,原理,誤差分析,電路設計,套用,
引言
為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。介紹了三方向（前、左、右）超音波測距系統，就是為機器人了解其前方、左側和右側的環境而提供一個運動距離信息。在超音波測距中,通常因溫度和時間檢測的誤差,使得測距的精度不高。
原理
1、 超音波發生器
為了研究和利用超音波，人們已經設計和製成了許多超音波發生器。總體上講，超音波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超音波，一類是用機械方式產生超音波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超音波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超音波發生器。
2、壓電式超音波發生器原理
圖1
圖1壓電式超音波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超音波發生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈衝信號，其頻率等於壓電晶片的固有振盪頻率時，壓電晶片將會發生共振，並帶動共振板振動，便產生超音波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超音波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超音波接收器了。
3、超音波測距原理
超音波發射器向某一方向發射超音波，在發射時刻的同時開始計時，超音波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超音波接收器收到反射波就立即停止計時。超音波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。
超音波測距的原理是利用超音波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射後遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見，超音波測距原理與雷達原理是一樣的。
測距的公式表示為：L=C×T
式中L為測量的距離長度；C為超音波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發射到接收時間數值的一半)。
超音波測距主要套用於倒車提醒、建築工地、工業現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。
由於超音波易於定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超音波測距專用積體電路都是只有厘米級的測量精度。
誤差分析
根據超音波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超音波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。
時間誤差
當要求測距誤差小於1mm時，假設已知超音波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。
在超音波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小於1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數到1μs的精度，因此系統採用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量範圍內。
超音波傳播速度誤差
超音波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超音波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關係，如表1所示。
已知超音波速度與溫度的關係如下：
式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，
R —氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M—氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，
T —絕對溫度，273K+T℃。
近似公式為：C=C0+0.607×T℃
式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；
T為實際溫度(℃)。
對於超音波測距精度要求達到1mm時，就必須把超音波傳播的環境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超音波速度是332m/s, 30℃時是350m/s，溫度變化引起的超音波速度變化為18m/s。若超音波在30℃的環境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達到5m，測量1m誤差將達到5cm。
電路設計
超音波測距系統的電路設計
本系統的特點是利用單片機控制超音波的發射和對超音波自發射至接收往返時間的計時，單片機選用8751，經濟易用，且片內有4K的ROM，便於編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側和右側測距電路與前方測距電路相同，故省略之。
1、40kHz 脈衝的產生與超音波發射
測距系統中的超音波感測器採用UCM40的壓電陶瓷感測器，它的工作電壓是40kHz的脈衝信號，這由單片機執行下面程式來產生。
PUZEL： MOV 14H, #12H；超音波發射持續200ms
HERE： CPL P1.0 ；輸出40kHz方波
NOP ；
NOP ；
NOP ；
DJNZ 14H，HERE；
RET
前方測距電路的輸入端接單片機P1.0連線埠，單片機執行上面的程式後，在P1.0 連線埠輸出一個40kHz的脈衝信號，經過三極體T放大，驅動超音波發射頭UCM40T，發出40kHz的脈衝超音波，且持續發射200ms。右側和左側測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2連線埠，工作原理與前方測距電路相同。
2、超音波的接收與處理
接收頭採用與發射頭配對的UCM40R，將超音波調製脈衝變為交變電壓信號，經運算放大器IC1A和IC1B兩極放大後加至IC2。IC2是帶有鎖定環的音頻解碼集成塊LM567，內部的壓控振盪器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C4決定其鎖定頻寬。調節R8在發射的載頻上，則LM567輸入信號大於25mV，輸出端8腳由高電平躍變為低電平，作為中斷請求信號，送至單片機處理。
前方測距電路的輸出端接單片機INT0連線埠，中斷優先權最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1連線埠，同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識別由程式查詢來處理，中斷優先權為先右後左。部分源程式如下：
RECEIVE1：PUSH PSW
PUSH ACC
CLR EX1 ；關外部中斷1
JNB P1.1, RIGHT ；P1.1引腳為0,轉至右測距電路中斷服務程式
JNB P1.2, LEFT ；P1.2引腳為0,轉至左測距電路中斷服務程式
RETURN：SETB EX1；開外部中斷1
套用
隨著科學技術的飛速發展,超音波在生產、生活中的套用範圍越來越廣。目前,離生活最近的超音波套用就是測距。如泊車輔助系統、智慧型導盲系統、移動機器人等距離測量都會用到超音波測距。同時,超音波測距技術還能夠實現對障礙物距離的精確測量。
