超声波测距 如何保证超声波测距既精确又稳定？

超声波测距有明显的弱点，为什么要坚持使用？这不是衡量市场距离的唯一方法。为什么一定要用？既然有必要使用超声波测距，有什么好的办法克服其先天不足吗？

为了测量机器人到玻璃表面的距离，识别障碍物的边缘，需要一些测距模块。市场上有两种常用的测距模块:

一个是激光测距。该模块具有速度快、精度高、测量距离长的特点，但如果在玻璃表面测量，会导致反射激光无法测量的概率很大。

另一种是超声波测距。该模块速度慢，精度受环境影响，测量距离小于5米，但不受被测表面材质的限制。

根据上述模块的优缺点，结合实际工作环境和大量实验数据，得出玻璃表面超声波测距更为可行的结论。

01.如何控制超声波测量的精度

对于技术人员来说，超声波测距的原理应该是大家都清楚的。在这里，直接粘贴来自百度的信息:

超声波测距的原理是在超声波发射器中发出超声波，这是基于接收器接收超声波时的时间差。超声波发射器向某一方向发射超声波，发射的同时开始计时，超声波在空空气中传播，途中遇到障碍物立即返回，超声波接收器收到反射波时立即停止计时。

以“HC-SR04”超声波测距模块为例，如下图所示:

VCC电源5V，GND接地，TRIG为触发控制信号输入，ECHO为回波信号输出。

基本性能如下:

声音在大气中的传播速度既与温度有关，也与大气压力有关，因此在使用超声波模块高精度测量距离时，需要对声速基准进行校准。

02.如何保证数据读取的稳定性

超声波测距引起数据不稳定的几个原因:

1.测量面密度低，超声波穿透物体时会有多次回波；

2.测量面不平，超声波散射，也会有多次回波；

3.测量平面倾斜，超声波反射不正确；

4.测量面太小，超声波反射量不够。

因此，用超声波更难准确读取距离值和识别边缘。

超声波的工作顺序分为以下步骤:

1.使用IO触发测距，给出至少10us高电平信号；

2.模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

3.有信号返回，通过IO输出高电平。高电平的持续时间是从超声波发射到返回的时间；

4.测试距离=(高电平时间*声速(340米/秒))/2。

具体示意图如下:

先发波，设计代码每100ms测量一次，每次测量完毕改变测量周期开始下一次测量。

为了保证测量的准确性，需要分别在上升沿和下降沿中断捕获定时器计数值，通过变换两者之间的差值就可以得到声音在空传播的时间，进而得到距离值。

为了利用超声波检测边缘，我们需要得到稳定的数据，而卡尔曼滤波可以很好地解决这个问题。

卡尔曼滤波效果由滤波频率、噪声因子和偏差因子决定。我们把卡尔曼滤波得到的距离值打印出来，放在表格中，生成波形图，如下:

分析表明，测距模块不工作时，超声波值在0.5mm范围内变化，稳定性好。减去上次的差值，并生成波形图，如下所示:

当测距模块远离或靠近障碍物表面(模拟边缘)时，数据的增减是稳定的，根据这些数据编写边缘识别算法。

经过多次调整卡尔曼滤波器和边缘识别算法的参数后，边缘识别精度在20-40毫米范围内达到95%以上，在40毫米范围内达到99%以上，保证了超声波测距中数据读取的稳定性。