基于超声相控阵的前方障碍物检测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种结构简单、成本低、易于实现、易于调整、具有较高的稳定性和全天候工作等优点的基于超声相控阵的前方障碍物检测系统及方法。该系统包括超声相控阵列，该阵列分别与驱动模块和放大调理模块连接；驱动模块与时序控制模块连接，放大调理模块和时序控制模块分别与MCU模块连接；在检测时，时序控制模块根据空间待扫描点的不同，控制各发射超声换能器实现超声波束的聚焦；聚焦后的超声波在遇到障碍物时反射回来，由接收超声换能器接收；接收的信号经放大调理及模数转换后，进入MCU；通过MCU模块的处理得到前方空间的截面障碍物信息，据此可以对前方障碍物的形态提供丰富的识别信息。

Front obstacle detection system and method based on ultrasonic phased array

The invention provides a front obstacle detection system and method based on ultrasonic phased array, which has the advantages of simple structure, low cost, easy realization, easy adjustment, high stability and all-weather operation, etc.. The system includes ultrasonic phased array, the array is respectively connected with the drive module and amplifier connected conditioning module; driving module is connected with the timing control module, amplifying module and a timing control module is respectively connected with the MCU module; when detecting the timing control module according to the space for a scanning point is different, the emission control focus ultrasonic transducer ultrasonic beam; ultrasonic focusing after reflected in the face of obstacles, received by the receiving transducer; receiving the amplified signal conditioning and analog digital conversion after entering MCU; to get in front of the space section obstacle information processing through MCU module, which can form the obstacles for identifying information rich.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
随着压电材料技术和电子技术的发展，超声相控阵技术已广泛地应用在工业无损 探伤、医疗无创检验和水声探测等各个方面，从早期的一维检测，发展到2D和3D成像，其应 用范围和检测精度越来越高。超声相控阵是利用在空间按照特定分布设置的N个超声换能 器组成的阵列，按照特定的时序和相位分别发射超声波包，在空间的一个特定点(焦点)上 各波包产生相干叠加(干涉)，叠加后的超声波在遇到障碍物时反射回来，由超声换能器接 收。在接收端经信号处理，所得到的信号强度会明显超过非焦点上的信号，从而实现对前方 特定位置空间障碍物的探测或得到障碍物的位置信息。利用相控阵特有的电子扫描技术， 可以对前方盲人或智能机器人行走所需空间内的障碍物实现平面扫描，并借助于信号处理 技术，通过对多个截面信息的融合，实现障碍物形态的识别。随着电子技术及传感器技术的 发展，人们不断地借助于最新的电子技术发展成果来研制各种导盲装置。目前国内外各类 导盲设备的专利技术很多，如德国有采用视频识别技术的导盲杖报道，英国专利技术的超声导盲杖， 我国如CN200970303号专利所提出的佩戴式超声导盲装置、CN1883430号专利所公开的一 种装有超声探头的智能导盲车；CN2132503号专利公开的一种集成电路超声导盲眼镜；多 方向探测的超声导盲杖等。采用视频技术其成本很高，且不包含距离信息；即使采用多个视 频传感器，但其会受到光照、灰尘、雨雪、温度等环境因素的影响，从而限制了其应用范围。 超声传感器具有不受上述环境因素的影响的特点，可全天候使用。但单个探头的超声导盲 装置，很难全方位的探测；即使采用分布在不同方向的多个探头，如CN2287937号专利所公 开的扫描式探杖，以及C拟803345号专利所公开的智能导盲杖克服了上述缺点，但却忽视 了对于盲人头部、胸前等重要部位的保护，亦无法实现准确的2D断面信息，从而无法实现 对前方人体行走空间的障碍物全面描述。比如对前方的沟壑、台阶等信息就无法直接进行 识别。因此有必要研制一种对盲人的前方空间进行全方位探测的导盲装置。近年来，超声相控阵技术在工业探伤、医疗、军事等诸多领域得到快速发展，但在 导盲和自主行走机器人的路径探测及避障目前尚未见到系统简单，适合大范围应用的解决 方案及相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述不足，提供一种结构简单、成本低、易于实现、易于调 整、具有较高的稳定性和全天候工作等优点的基于超声相控阵的前方障碍物检测系统及方 法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案基于超声相控阵的前方障碍物检测方法，该方法的检测步骤如下1)将多个发射超声换能器按照特定的二维空间分布组成超声相控阵列；2)时序控制模块根据空间待扫描点的不同，控制各发射超声换能器在不同时刻各 自发出一束同相位的短波束，实现超声波束的空间聚焦和扫描；3)聚焦后的超声波在遇到障碍物时反射回来，由接收超声换能器接收；4)接收超声换能器接收的信号经放大调理后，进入A/D转换模块；5) MCU模块对A/D转换后的数字信号进行处理，从而形成对前方特定距离截面上 的若干焦点的扫面，并根据回波信号形成截面上障碍物的2D数字图像；6)信号处理模块对采集到的2D数字图像进行处理，当载体移动时，MCU会不断地 依次得到前方空间的截面障碍物信息，经对依次采集的截面上对应焦点障碍物信息的记录 和比较，即可形成前方障碍物的3D数字特征；据此可以对前方障碍物的形态提供丰富的识 别信息；7)对于非焦点上的障碍物返回的信号，信号处理模块能够通过信号的模式识别以 及时间窗内的位置信息加以识别；8)识别后的信息可由多种方式通知使用者。所述步骤1)中，所述超声相控阵列是在圆周上内接五边形的五个顶点上分别 放置五个超声换能器，中心位置放一个超声换能器，6个超声换能器均采用中心频率为 40KHz、收发一体的压电陶瓷超声换能器。所述步骤5或步骤6)中，所述断面中心距离相控阵中心1. 5米，下边距地面高度 150mm，上边距地面高度1900mm，左右宽度约1710mm。所述步骤5)中的扫描方法如下1)对波束扫描的断面进行离散化处理，即把断面划分成MXN个离散点，然后分别 把各个离散点作为焦点进行扫描；2)扫描开始后，对选定的第一个焦点进行聚焦发射，发射完毕后计算下一个邻近 焦点与该焦点到接收换能器的飞行时间差；3)如果下一邻近焦点到接收换能器的飞行时间差小于设定的接收时间窗口宽度， 则通过延时使其满足时间窗口宽度的要求；4)按照一定规则依次选择换能器，重复步骤1)和2)；5)本行扫描完成后对下一行扫描点重复上述步骤，直到扫描完所有的焦点。基于超声相控阵的特定区域障碍物检测系统，该系统包括超声相控阵列，该阵列 分别与驱动模块和放大调理模块连接；所述驱动模块与时序控制模块连接，放大调理模块 的输出端与A/D输入端连接；A/D输入端与MCU模块连接，MCU模块分别控制时序控制模块 和输出告警装置，并通过总线接口与上位机连接；其中驱动模块由时序控制模块按照不同的时延分别激发换能器发射一定长度的 超声脉冲序列；由焦点返回的信号由接收单元转换成电信号后，经放大调理模块放大、滤波 后，送A/D转换电路，经A/D转换电路转换成的数字信号送MCU处理；MCU模块通过时序控 制模块和驱动模块对各换能器发射的超声波束进行控制，从而形成对前方特定距离截面上 的特定焦点的聚焦，并根据回波信号形成截面上障碍物的2D数字信息。所述MCU模块采用ARM单片机为核心。所述放大调理模块为固定增益放大器。由平面排列的超声换能器阵列发出一组在空间焦点上聚焦的超声波束，如在焦点附近如有障碍物，则该障碍物所产生的回波会被接收换能器接收，经信号放大、滤波、调理， 然后送入A/D转换电路转换成数字信号，通过信号处理、识别，即可判定该焦点附近是否有 障碍物存在。当对前方特定截面(扫描面)的所有焦点均完成上述扫描后，即可判知该扫描 面所有障碍物的状况(即形成2D图像)。随着本装置在载体(使用者或智能机器人)不断 前行，则可根据按照一定间隔不断得到的多幅空间的2D图像形成前方障碍物的3D信息，据 此可以对前方障碍物的形态提供更丰富的识别信息，如可供通行的甬道、楼梯、沟壑等。识 别后的信息可由多种方式通知使用者。有益效果本专利技术有如下的几个突出特点1系统结构简单，成本低，可全天候工作，易于实现。超声波本身对烟雾、光线、粉 尘、水汽等环境因素并不敏感，因而可全天候工作。针对盲人导盲和智能机器人的应用来 讲，无需对空间障碍物分布提供更多的细节，因此本专利技术对前方截面的离散化分度较低，从 而降低了对电路的要求，采用ARM单片机为核心，充分利用片上资源，减少了外围电路，降 低了系统复杂度和成本，提高了系统的可靠性。2采用有限个价格低廉的超声换能器组成的超声相控阵为传感器，充分利用了相 控阵能够实现定向扫描的特点，实现了对空间障碍物的方位、距离以及形态的识别，解决了 其他同类系统所无法识别的障碍，如沟壑、能够通行的甬道、楼梯等，对盲人提供了更全面 的保护和更详细的障碍物信息。3对于救灾或军用智能机器人而言，往往无法提前选择好行走路线，需要机器人自 主选择可通过的路径，因而需要对前方障碍物中的空洞进行探测和识别本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．基于超声相控阵的前方障碍物检测方法，其特征是，该方法的检测步骤如下：１）将多个发射超声换能器按照特定的二维空间分布组成超声相控阵列；２）时序控制模块根据空间待扫描点的不同，控制各发射超声换能器在不同时刻各自发出一束同相位的短波束，实现超声波束的空间聚焦和扫描；３）聚焦后的超声波在遇到障碍物时反射回来，由接收超声换能器接收；４）接收超声换能器接收的信号经放大调理后，进入Ａ／Ｄ转换模块；５）ＭＣＵ模块对Ａ／Ｄ转换后的数字信号进行处理，从而形成对前方特定距离截面上的若干焦点的扫面，并根据回波信号形成截面上障碍物的２Ｄ数字图像；６）信号处理模块对采集到的２Ｄ数字图像进行处理，当载体移动时，ＭＣＵ会不断地依次得到前方空间的截面障碍物信息，经对依次采集的截面上对应焦点障碍物信息的记录和比较，即可形成前方障碍物的３Ｄ数字特征；据此可以对前方障碍物的形态提供丰富的识别信息；７）对于非焦点上的障碍物返回的信号，信号处理模块能够通过信号的模式识别以及时间窗内的位置信息加以识别；８）识别后的信息可由多种方式通知使用者。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨济民，厉彦忠，李雯雯，李大鹏，杨娟，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：88