本發(fā)明涉及相對運動的兩個不規(guī)則（難于產(chǎn)生回波）物體測距方法，尤其適用于無人機之間的測距技術領域。

背景技術：

由于超聲波能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。超聲波測距原理是在超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，它的根據(jù)是接收器接到超聲波時的時間差，與雷達測距原理相似。

目前，自發(fā)自收式超聲波測距方法存在以下問題：被測物體外形不規(guī)則，或是物體表面為吸音材質時難以產(chǎn)生回波；被測物體周邊有其他障礙物，且其他障礙物對超聲波優(yōu)先反射，會產(chǎn)生干擾。激光測距測距精度高，但由于接收器要能準確接收到反射激光，因此對發(fā)射器和接收器的安裝位置及運行特征要求極高；對射式超聲測距方法雖能解決被測物體外形不規(guī)則、放射效果不佳等問題，但由于測量前先進行紅外發(fā)送接收握手要求測量體和被測量體保持發(fā)送面和接收面相對穩(wěn)定（不旋轉、僅做前后相對運動），使用范圍受限。

所以，對于物體外形不規(guī)則（難于產(chǎn)生回波）、相對位置變化（有相對旋轉）等復雜條件下兩物體間相對距離的測量定位，需要提出新的解決方案。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：針對相對運動的不規(guī)則（難于產(chǎn)生回波）物體之間有效測距問題，提出一種基于ZigBee通信的超聲測距系統(tǒng)及方法。本發(fā)明基于ZigBee協(xié)議通信進行測距同步信號發(fā)送、接收和校驗；然后通過統(tǒng)計超聲波傳播時間統(tǒng)計及通過溫度對聲波速度的修正，最終可以計算出外形不規(guī)則、不易產(chǎn)生回波且相對軸向位置頻繁變化物體的實時距離。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

本發(fā)明提出一種基于ZigBee通信的超聲測距系統(tǒng)，包括安裝于測量物體上的主機和安裝于被測物體上的從機；其中：

主機包括：第一MCU模塊、第一ZigBee模塊、溫度傳感器及超聲波接收探頭組；

從機包括：第二MCU模塊、第二ZigBee模塊及超聲波發(fā)送探頭組；

所述第二MCU模塊通過第二ZigBee模塊向第一ZigBee模塊發(fā)送測距同步信號，同時通過超聲波發(fā)送探頭組發(fā)送超聲波信號；

所述第一MCU模塊通過第一ZigBee模塊接收測距同步信號，同時通過超聲波接收探頭組檢查超聲波信號以獲得超聲波傳輸時間；然后通過溫度傳感器檢測當前環(huán)境溫度，根據(jù)溫度傳感器采集的溫度對聲波速度進行修正，最后計算出測量主機與被測從機之間的實際距離。

進一步的，本發(fā)明的超聲測距系統(tǒng)，建立ZigBee連接前，所述第一、第二MCU模塊的串口設置為串行口方式，選取相同的晶振頻率和波特率，多機通道設為雙機通信。

進一步的，本發(fā)明的超聲測距系統(tǒng)，第一MCU模塊和第二MCU模塊均采用STC89C52或AT89S51單片機。

進一步的，本發(fā)明的超聲測距系統(tǒng)，第一ZigBee模塊和第二ZigBee模塊均采用ZM5168。

進一步的，本發(fā)明的超聲測距系統(tǒng)，所述超聲波發(fā)送探頭組包含6個探頭，分別安裝于測量物體的前、后、左、右及上、下面；超聲波接收探頭組包含6個探頭，分別安裝于被測物體的前、后、左、右及上、下面。

本發(fā)明還提出一種基于超聲測距系統(tǒng)的超聲測距方法，包括以下步驟：

（1）、主機、從機通過ZigBee模塊建立無線透明傳輸通信聯(lián)絡；

（2）、從機發(fā)出測距同步信號并發(fā)出超聲波信號；具體為：

（2-1）、位于被測物的從機基于同步串行通信數(shù)據(jù)幀形式，通過第二ZigBee模塊以時間T為周期發(fā)出測距同步信號數(shù)據(jù)幀；

（2-2）、在發(fā)出測距同步信號數(shù)據(jù)幀后，采用超聲波發(fā)送探頭組立即發(fā)送超聲波信號；

（3）、主機接收、校驗、確認測距同步信號，并記錄從接收到同步信號數(shù)據(jù)幀到接收到超聲波信號所用時間，得到超聲波傳播時間；

（4）、根據(jù)超聲波傳播時間計算主、從機間的距離，具體包括以下步驟：

A、采用第一MCU模塊保存超聲波傳輸時間T_w，單位是秒，采用溫度傳感器采集主機的環(huán)境溫度Ts，單位是℃，并且發(fā)送至第一MCU模塊；

B、在第一MCU模塊中，采用公式V=331.5+0.607Ts對聲波速度V進行修正，速度單位是米/秒；

C、采用公式d=V×T_w計算主機與從機之間的實際距離，d代表修正后的實際距離, 單位是米。

進一步的，本發(fā)明的超聲測距方法，步驟（1）中，基于Zigbee協(xié)議 BasicRF實現(xiàn)主機、從機的無線透明傳輸。

進一步的，本發(fā)明的超聲測距方法，步驟（2-1）中通信協(xié)議格式為：2個始端握手字符+2個超聲波發(fā)出標示字符+2個校驗字符+2個末端握手字符；其中，2個始端握手字符用于和接收主機進行通信發(fā)送數(shù)據(jù)幀前同步，2個超聲波發(fā)出標示字符分別是字符01110101B和字符10101110B，第1個校驗字符為2個超聲波發(fā)出標示字符相與結果，第2個校驗字符為2個超聲波發(fā)出標示字符的異或結果。

進一步的，本發(fā)明的超聲測距方法，步驟（3）中主機接收、校驗、確認測距同步信號具體包括以下步驟：

(3-1)、主機檢測到2個始端握手字符后，開始接收測距同步信號數(shù)據(jù)楨中2個超聲波發(fā)出標示字符和2個校驗字符；對2個超聲波發(fā)出標示作相與和異或操作，并將結果與接收到的2個校驗字符分別進行比較：如果相與和異或的值與2個校驗字符不相等，說明未正常收到測距同步信號，主機等待接收下次測距同步信號；若相等，則確認收到測距同步信號，立即啟動定時器并準備接收超聲波信號。

(3-2)、一旦接收到超聲波信號，立即停止定時器定時并記錄定時值作為超聲波傳輸時間。

進一步的，本發(fā)明的超聲測距方法，其中周期T最小值的選取與測量最大距離L_max有關，T的最小值取0.01L_max。

本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

本發(fā)明的一種基于ZigBee通信的超聲測距方法，針對相對運動的不規(guī)則（難于產(chǎn)生回波）物體之間有效測距問題，提出一種基于ZigBee通信的超聲測距系統(tǒng)及方法。本發(fā)明能夠輕松的測出被測物體外形不規(guī)則，不易產(chǎn)生回波，且相對軸向位置頻繁變化物體的實時距離測量，具有非常重要的意義和實用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖。

圖2是本發(fā)明的原理示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語（包括技術術語和科學術語）具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

首先，如圖2所示，本發(fā)明提出一種基于ZigBee通信的超聲測距系統(tǒng)，包括安裝于測量物體上的主機和安裝于被測物體上的從機。

其中安裝于測量物體上的主機包括：MCU模塊、ZigBee模塊，以及超聲波接收探頭組（含6個探頭分別安裝于測量物體的前、后、左、右及上、下面），MCU模塊可通過ZigBee模塊接收測距同步信號，通過超聲波接收探頭組檢查超聲波信號，通過溫度傳感器檢測當前環(huán)境溫度。

安裝于被測物體上的從機包括：MCU模塊、ZigBee模塊，以及超聲波發(fā)送探頭組（含6個探頭分別安裝于被測物體的前、后、左、右及上、下面），MCU模塊可通過ZigBee模塊發(fā)送測距同步信號，通過超聲波發(fā)送探頭組發(fā)送超聲波信號。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，主機和從機的MCU模塊優(yōu)先選用STC89C52或AT89S51單片機，ZigBee模塊優(yōu)選ZM5168。建立ZigBee連接前，主、從兩臺機子MCU串口設置為串行口方式1，選取相同的晶振頻率和波特率，多機通道設為雙機通信。

參考圖1所示，本發(fā)明提出一種超聲測距方法，包括以下步驟：

（1）、主、從機通過專用ZigBee模塊，建立無線透明傳輸通信聯(lián)絡；

（2）、從機發(fā)出測距同步信號（保證可靠通信（協(xié)議驗證、校驗技術等））并發(fā)出超聲波信號；

（3）、主機接收、校驗、確認測距同步信號，并記錄從接收到ZigBee同步信號到接收到超聲波信號所用時間；

（4）、根據(jù)超聲波傳播時間計算主、從機間的距離。

作為本發(fā)明的一個具體實施例，在步驟（1）中，基于精簡的Zigbee協(xié)議BasicRF實現(xiàn)主、從機的無線透明傳輸，即不管傳的是什么，采用的設備只是起一個通道作用，把要傳輸?shù)膬热萃旰玫膫鞯綄Ψ?。發(fā)送方和接收方數(shù)據(jù)的長度和內容完全一致，相當于一條無形的傳輸線。簡單的說就是透明傳輸就是不需要關心傳輸?shù)倪^程,其優(yōu)勢是用戶在其基礎上，創(chuàng)建自己需要的協(xié)議格式，用戶不用局限于第三方協(xié)議。而采用普通的傳輸就是你還需要控制傳輸?shù)倪^程。

在步驟（2）中，具體包括以下步驟：

（2-1）、被測物主機基于同步串行通信數(shù)據(jù)幀形式以時間T為周期發(fā)出測距同步信號數(shù)據(jù)幀，通信協(xié)議格式為：2個始端握手字符+2個超聲波發(fā)出標示字符+2個校驗字符+2個末端握手字符；其中，2個始端握手字符用于和接收主機進行通信發(fā)送數(shù)據(jù)幀前同步，超聲波發(fā)出標示字符包括2個字符01110101 10101110，第1個校驗字符為2個超聲波發(fā)出標示字符相與結果，第2個校驗字符為2個超聲波發(fā)出標示字符的異或結果；

被測物從機發(fā)出測距同步信號數(shù)據(jù)幀的周期T最小值的選取與測量最大距離L_max有關，T的最小值取0.01L_max。

（3-2）、被測物體主機發(fā)出測距同步信號數(shù)據(jù)幀后立即發(fā)送超聲波信號。

在步驟（3）中，具體包括以下步驟：

(3-1)、測量主機檢測到2個始端握手字符后，開始接收測距同步信號數(shù)據(jù)楨中2個超聲波發(fā)出標示字符和2個校驗字符。對2個超聲波發(fā)出標示作相與和異或操作，并將結果與接收到的2個校驗字符分別進行比較，如果相與和異或的值與2個校驗字符不相等，說明未正常收到測距同步信號，主機等待接收下次測距同步信號，若相等，則確認收到測距同步信號，立即啟動定時器并準備接收超聲波信號。

(3-2)、一旦接收到超聲波信號，立即停止定時器定時并記錄定時值作為超聲波傳輸時間T_w。

在步驟（4）中，具體包括以下步驟：

（4-1）、測量主機中央處理器保存超聲波傳輸時間T_w；溫度傳感器采集環(huán)境溫度Ts并且發(fā)送至中央處理器；

（4-2）、在中央處理器中，首先采用下述公式對聲波速度進行修正，其中，Ts為溫度傳感器采集的溫度；

V=331.5+0.607Ts。

（4-3）、計算測量主機與被測從機之間的實際距離即修正后的實際d, 單位米，T_w為超聲波傳輸時間T_w；

d=V×T_w。

本發(fā)明提出一種基于ZigBee通信的超聲測距系統(tǒng)及方法，該方法在無線通信的基礎上，可以達到使用對射式超聲波探測器測量本身不能產(chǎn)生回波物體之間的實時距離。

以上所述僅是本發(fā)明的部分實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。