超聲波測算單元

一、項(xiàng)目名稱：

超聲波測算單元

二、項(xiàng)目概述：

對現(xiàn)代汽車應(yīng)用而言，測距/感知部分相當(dāng)重要，現(xiàn)今這類技術(shù)主要有景深攝像頭，激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)。

誠然激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)有更好的性能，但是超聲波雷達(dá)也有自身的優(yōu)點(diǎn)：

廉價(jià)，可靠，不懼雨霧灰塵，沒有隱私風(fēng)險(xiǎn)，沒有傷害性風(fēng)險(xiǎn)。

所以超聲波在汽車領(lǐng)域最早應(yīng)用，缺點(diǎn)是性能不夠，距離太近。

本項(xiàng)目希望基于簡單廉價(jià)的硬件系統(tǒng)，研發(fā)出靈活有效的算法，提高信噪比，增加測量距離，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)秀的測算單元。

三、作品實(shí)物圖

本項(xiàng)目是個(gè)探索型項(xiàng)目，目標(biāo)是試驗(yàn)，研究算法。因?yàn)闀r(shí)間的關(guān)系，目前調(diào)試完硬件和初步的算法。

因?yàn)橛布贤怀龊啙?，功能性能均由算法?shí)現(xiàn)。所以結(jié)構(gòu)相當(dāng)精簡。。硬件框圖：

其中，主控MCU選擇了TI的MSPM0G1507，主要是因?yàn)槠鋬?nèi)置了較好的模擬外設(shè)，擁有不錯(cuò)的ADC和雙內(nèi)置PGA，所以放大電路都在MCU內(nèi)部了，電路超簡潔：

兩個(gè)PGA組成兩級同相放大器，因?yàn)榛夭ㄐ盘枠O小，所以兩級都采用最大倍數(shù)，32*32=1024倍。

附加一個(gè)psram，供存儲大量采樣數(shù)據(jù)以調(diào)試算法。

超聲波驅(qū)動采用H橋驅(qū)動芯片MX6208，支持車載12V輸入，可以實(shí)現(xiàn)雙倍峰峰值。

對照實(shí)物：

其中按大賽要求選擇了主控MSPM0G1507，另外FRDM-MCXN947（具有16位ADC可以作為數(shù)據(jù)參照）實(shí)驗(yàn)時(shí)用于對比。

模塊預(yù)留了驅(qū)動輸入和放大輸出接口。

調(diào)試時(shí)：

軟件上的調(diào)試結(jié)構(gòu)：

設(shè)置TIMERA0輸出互補(bǔ)PWM波，按超聲波傳感器中心頻率設(shè)定為40KHz，發(fā)射一段時(shí)間后關(guān)閉。

（雖然mx6208有剎車功能，可以輸出均接地，但之后仍有相當(dāng)量的余振只能等待，余振影響最近可測量距離，分體式傳感器可以大幅度改善此問題）

之后關(guān)閉PWM，并把端口設(shè)置改為GPIO，拉低，MX6208輸出進(jìn)入高阻態(tài)。

接收到回波信號進(jìn)入MCU內(nèi)部PGA兩級放大后ADC采樣，儲存以待分析。

調(diào)試狀態(tài)將內(nèi)存中的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送PC，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E4%B8%8A%E4%BD%8D%E6%9C%BA/">上位機(jī)軟件的要求。比如vofa+的firewater格式要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為ASCII碼。

細(xì)節(jié)見附件源碼。效果：

距離墻面2m。

驅(qū)動電壓為12V

驅(qū)動電壓為9V

驅(qū)動電壓為5V

可見即使是5V，短距離也具有實(shí)用性。

核心算法：

采用按發(fā)射波頻率進(jìn)行結(jié)果累加平均，可以有效的提升信噪比。

數(shù)據(jù)波形：

10倍平均波形：

20倍平均波形

可以看到信噪比的提升。

目前這是比較合適的參數(shù)。

算法尋找的峰值點(diǎn)：

取第一個(gè)峰值點(diǎn)計(jì)算時(shí)間，測算出距離：

測量數(shù)據(jù)在195cm~198cm之間浮動。

分析：

因?yàn)檫\(yùn)算速度不夠，不能隨采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)算法處理，所以必須一次性采樣全部數(shù)據(jù)然后計(jì)算。為了減少數(shù)據(jù)量減少計(jì)算時(shí)間，采用的采樣間隔是5us。

對于40KHz的超聲波來說，一個(gè)波只有5個(gè)采樣點(diǎn)，很難采到波峰值，精度必然影響很大，識別錯(cuò)過一個(gè)波形的誤差是0.347mmX25us = 8.675mm,錯(cuò)兩個(gè)波形就大概到±2cm了。

如果能做到1M（間隔1us）或更高的采樣率，精度和穩(wěn)定性都將更好。

戶外測試，干擾更大，距離更開闊，可以達(dá)到6m以上較好的效果。

提高驅(qū)動電壓到14v，則可測到7m多。這個(gè)驅(qū)動電壓是比較低的，通常的超聲波驅(qū)動可以幾十到一百伏。顯然還有優(yōu)化空間。

總結(jié)：

項(xiàng)目基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，驗(yàn)證了高精簡的硬件設(shè)計(jì)配合算法可以實(shí)現(xiàn)低成本高可靠高性能的超聲波測量應(yīng)用。同時(shí)性能上還有比較大的提升空間。

可以廣泛用于汽車、機(jī)器人、工業(yè)和各種其他場合，前景非常好，

四、演示視頻

參數(shù)調(diào)試：

參考附件

戶外測試：

3m穩(wěn)定性

參考附件

5m穩(wěn)定性

參考附件

5m對花壇變距離測量

參考附件

6m對墻壁變距離測量

參考附件

五、項(xiàng)目文檔

原理圖：

參考附件

PCB：

參考附件

程序基于ti mspm0_sdk_2_03_00_07，keil5.38

串口版本：

參考附件

驅(qū)動max7219數(shù)碼管的版本，用于戶外測試：

參考附件