時(shí)繼潮，李新紅，王雅涵，吳佳齊，呂閃

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，大連 116028)

SSAL算法優(yōu)化的超聲波測(cè)距系統(tǒng)

時(shí)繼潮，李新紅，王雅涵，吳佳齊，呂閃

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，大連 116028)

傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)只是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波，即簡(jiǎn)單地進(jìn)行多次測(cè)量后取平均值，這樣難免會(huì)出現(xiàn)傳感器誤測(cè)的情況，導(dǎo)致最終的測(cè)量誤差很大，引發(fā)誤判。針對(duì)以上問題，本文對(duì)傳統(tǒng)的超聲波測(cè)量方法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于SSAL算法的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)SSAL算法對(duì)返回的信號(hào)進(jìn)行處理，大大減少誤判情況的發(fā)生，從而得到精確的返回?cái)?shù)值，提高了測(cè)量精度。

濾波；超聲波測(cè)距；SSAL算法；精度

引 言

超聲波測(cè)距技術(shù)作為一種新型的非常有應(yīng)用前景的技術(shù)，在各測(cè)試領(lǐng)域都將有無窮的發(fā)展空間，它將朝著測(cè)試更加靈敏、測(cè)量精度更高的方向發(fā)展，從而來滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。總的來說，由于超聲波的針對(duì)性強(qiáng)，耗能少且在介質(zhì)中傳播速度快、距離遠(yuǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注，從而逐漸地被應(yīng)用于各種介質(zhì)中距離的測(cè)量。

但傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)存在著一定的弊端，傳統(tǒng)超聲波測(cè)距系統(tǒng)僅是對(duì)返回來的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波處理，即多次測(cè)量取平均值，這樣往往存在一定誤差，導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)不精確。如超聲波在水位的測(cè)量過程中，發(fā)射信號(hào)很容易碰到水中一些體型比較大生物從而將采集到的不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳送給接收裝置，導(dǎo)致很大的誤差。本設(shè)計(jì)正是針對(duì)現(xiàn)有的一些系統(tǒng)存在的種種不足，將可將信號(hào)提取分離的SSAL算法運(yùn)用到超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，對(duì)所返回來的信號(hào)進(jìn)行分離提取，從而得到精確的測(cè)量值。

本文在綜合研究各方面水位監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代的電子技術(shù)，尤其是單片機(jī)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，再加上提高精度減小誤差的SSAL算法，利用現(xiàn)在的方式及科學(xué)技能研制出一種通用性好、可靠性高、使用方便且可適用于多種監(jiān)測(cè)環(huán)境的超聲波水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有非常重要的意義。

1 超聲波的測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的原理實(shí)際上非常簡(jiǎn)單，超聲波探頭發(fā)出超高頻的超聲波脈沖，其在傳播過程中遇到被測(cè)介質(zhì)的表面便被反射回來，經(jīng)反射回來的部分聲波被同一超聲波探頭接收，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波脈沖的傳播速度和聲音在真空中的傳播速度相同，從發(fā)射超聲波脈沖到接收到超聲波脈沖所需要的時(shí)間間隔與超聲波探頭發(fā)射的脈沖信號(hào)到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。此距離的長(zhǎng)度S與超聲波速度C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系式為S=C×T/2，其傳輸原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由4大部分構(gòu)成,分別為啟動(dòng)選擇電路、超聲波傳感器采集電路、液晶顯示電路和按鍵設(shè)置電

圖1 超聲波傳輸原理框圖

路。其電路原理圖如圖2所示。

由系統(tǒng)的電路原理圖可知，超聲波測(cè)距系統(tǒng)由主控芯片STM32103R8T6進(jìn)行控制，通過SSAL算法對(duì)超聲波傳感器采集到的信息進(jìn)行處理后，由液晶屏進(jìn)行顯示，最終通過比對(duì)分析，求平均數(shù)得出最終的測(cè)量值，大大地提高了測(cè)量精度。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

3 SSAL算法的原理

SSAL算法主要對(duì)空間信號(hào)進(jìn)行分離，從而使設(shè)備更容易接收到被測(cè)信號(hào)。假設(shè)有N元的均勻線陣，信號(hào)的工作波長(zhǎng)為r，各陣元之間的距離為L(zhǎng)。其中共有Q個(gè)空間信號(hào)源，且各信號(hào)源之間不相關(guān)，各陣元的噪聲為Nh(t)，h=1,2,…，噪聲和信號(hào)為Sc(t)，c=1,2,…，其中N和Q都不相關(guān)[1]。因此，第h個(gè)陣元的輸出為：

(1)

(2)

式中：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

假設(shè)相關(guān)矩陣為R，通過求各陣元輸出的相關(guān)矩陣，得到：

(8)

通過對(duì)相關(guān)矩陣R進(jìn)行特征分解，其各特征值及對(duì)應(yīng)的特征向量分別為：r1,r2,…,rQ,rQ+1,…,rN以及V1,V2,…,VQ,VQ+1,…,VN。

各特征向量相互正交且為矩陣R列空間的基，由于最小特征值來源于噪聲，因此與最小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量所構(gòu)成的子空間稱為噪聲子空間，記為D，矩陣R的列空間被劃分成信號(hào)子空間S和噪聲子空間D[3]。

(9)

(10)

又因?yàn)楦魈卣飨蛄肯嗷フ?，所以有?/p>

(11)

特征向量與信號(hào)源所在的方向相同，Q均處于信號(hào)子空間S中，故可以構(gòu)造矩陣：

(12)

顯然有：

(13)

SSAL算法就是根據(jù)式 (13) 來求空間譜P，有：

(14)

譜峰所對(duì)應(yīng)的δ值就是在信號(hào)源方向上的估值，其大小與信號(hào)的強(qiáng)度無關(guān)，所反映的只是信號(hào)矢量D(δ)和噪聲子空間D的正交性[4]。

4 SSAL算法在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用

SSAL算法主要對(duì)超聲波反射回來的信號(hào)進(jìn)行分離提取，可根據(jù)自己的需求提取出相應(yīng)方位的信號(hào)，然后通過相應(yīng)三角變換計(jì)算出實(shí)際的距離。在測(cè)量水位高度時(shí)，為了使測(cè)得的數(shù)值更加精確，可對(duì)與垂直方向左右兩端分別呈一定角度的信號(hào)進(jìn)行提取，然后計(jì)算出這兩個(gè)方位的直線距離，最后通過相應(yīng)的三角變換計(jì)算出垂直距離，通過分析比較，最終確定其垂直距離。

這樣不僅減少了聲波碰到其他物體造成誤判事件的發(fā)生，而且還可以通過對(duì)多方位數(shù)值的比較來提高測(cè)量的精度。

將SSAL算法嵌入到應(yīng)用程序中，通過MATLAB軟件對(duì)返回信號(hào)中垂直方向左右兩端分別呈50°和150°方向的信號(hào)進(jìn)行提取，提取后的波形如圖3所示。

圖3 接收超聲波返回信號(hào)的Matlab仿真

由圖3可以看出，通過SSAL算法最終將所反射回來信號(hào)中與垂直方位左右分別成50°和150°的4個(gè)信號(hào)提取出來，然后根據(jù)信號(hào)的接收時(shí)間通過公式S=C×T/2分別將4個(gè)方位的實(shí)際距離計(jì)算出來，根據(jù)三角公式L=S×cosθ，將4個(gè)方位的L值計(jì)算出來，最后進(jìn)行比較分析。

已知超聲波在水中的轉(zhuǎn)播速度大約為1 500m/s，即C=1 500 m/s，從發(fā)射超聲波到接收到4個(gè)方位的超聲波信號(hào)所用的時(shí)間分別為T1、T2、T3、T4。經(jīng)驗(yàn)證得知，接收到+50°方位的信號(hào)時(shí)間T1=1.376 s，接收到-50°方位的信號(hào)時(shí)間T2=1.380 s，接收到+150°方位的信號(hào)時(shí)間T3=1.90 s，接收到-150°方位的信號(hào)時(shí)間T4=0.642 s，設(shè)根據(jù)公式S=C×T/2計(jì)算出這4個(gè)方位的距離分別為S1、S2、S3、S4，根據(jù)公式L=S×cosθ計(jì)算出這4個(gè)方位的垂直距離分別為L(zhǎng)1、L2、L3、L4，由以上數(shù)據(jù)得到表1。

表1 超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)表

從表1中可以明顯看出，L4明顯小于其他測(cè)量值，這時(shí)就可以將L4定為錯(cuò)誤測(cè)量值，因?yàn)槠浜芸赡苁且驗(yàn)槌暡ㄅ龅剿衅渌矬w反射回來的信號(hào)，不是由水底直接反射回來的信號(hào)，所以將L4舍去，再對(duì)其他三個(gè)計(jì)算出來的垂直距離取平均值，得到最終的水位高度為：

用戶還可以根據(jù)自己的需求實(shí)現(xiàn)對(duì)任意方位信號(hào)的提取，為了使所測(cè)得的數(shù)據(jù)更加精確，可以應(yīng)用SSAL算法對(duì)盡可能多個(gè)方位的信號(hào)進(jìn)行提取，最后分析比較求平均，得到更加精確的測(cè)量值。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

在軟件設(shè)計(jì)方面，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，然后超聲波系統(tǒng)發(fā)射超聲波，隨后系統(tǒng)會(huì)檢查是否有超聲波返回。如果沒有返回超聲波信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)立即再次發(fā)送超聲波；如果檢測(cè)到有信號(hào)返回，則用SSAL算法對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行處理，通過相應(yīng)計(jì)算后將返回信號(hào)的時(shí)間及方位在液晶屏上顯示出來。

因此可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)液晶屏顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，忽略其中誤差比較大的數(shù)據(jù)，對(duì)剩下的數(shù)據(jù)取平均值得到最終的測(cè)量數(shù)值。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

結(jié) 語

本文主要設(shè)計(jì)了基于SSAL算法的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)測(cè)距系統(tǒng)中進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波從而導(dǎo)致誤差大的問題。應(yīng)用SSAL算法，可以根據(jù)自己的需要，將返回信號(hào)中任意方位的信號(hào)提取出來，然后通過計(jì)算整理求平均得到最終的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量目標(biāo)高效、快速、精確的測(cè)量。與普通的超聲波測(cè)量技術(shù)相比，具有低

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時(shí)繼潮(碩士研究生)主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、無線通信等。

Ultrasonic Distance Measurement System Based on SSAL Algorithm Optimize

Shi Jichao,Li Xinhong,Wang Yahan,Wu Jiaqi,Lv Shan

(College of Electrical and Information,Dalian University of Traffic,Dalian 116028,China)

The traditional ultrasonic ranging system only simply filter the system,which simply takes the average after multiple measurements.This approach will occur sensor error situation and result in large final measurement error,thus triggers a false judgment.Aiming at the above problems,the traditional ultrasonic measurement method is improved and an ultrasonic ranging system based on SSAL algorithm is designed in this paper.The experiment results show that the probability of wrong judgment is greatly reduced after the return signal is handled by SSAL algorithm,and it can get exactly return values.It is greatly improve the accuracy of the measurement.

wave filtering;ultrasonic distance measurement;the algorithm of SSAL;accuracy

TP312

A

?迪娜

2017-04-05)