基于超声波雷达的靶标探测法及其装置

技术领域

本发明涉及到一种基于超声波雷达的探测方法及其装置，应用于“存在探测”领域。

背景技术

超声波雷达已在各行业使用多年，按用途主要分为两种：距离探测和存在探测。

距离探测举例：倒车雷达、料位探测、液位探测等。存在探测举例：车位检测、来人警示、闸机开关控制等。

超声波雷达的工作原理：

如图1，超声波雷达探测原理示意图。

超声波雷达发射超声波后即进入接收状态，超声波在传播时如果遇到障碍物会发生反射，所反射的超声波称为“回波”。超声波雷达接收到回波后，依据超声波的发射时间与接收到回波的时间之差△t，再由公式：s=v*△t/2（s表示障碍物的距离，v表示声速，△t表示超声波的发射时间与接收到回波的时间之差），即可计算出障碍物的距离。

超声波雷达在实际应用中，其探测可靠性仍显不足，主要表现为“探测失效”，经分析，其失效原因有以下两种情形：

1.当被探测物体为光滑平面，且该反射面与超声波的传播方向不垂直时，超声波雷达将收不到反射回波。如图2：被探测物为光滑平面时超声波雷达探测失效示意图。

2.当被探测物体表面采用吸波材料时，例如：棉质材料、或其他多孔吸声材料，超声波雷达所发射的超声波被所探测物体表面完全吸收，很明显，此种情形超声波雷达也收不到回波。

本发明提供了一种基于超声波雷达的探测方法和装置，可解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超声波雷达的靶标探测法及其装置，以解决超声波雷达的“探测失效”问题。

本发明采用的技术方案是：

一种基于超声波雷达的靶标探测法及其装置，其特征在于，所述的靶标探测法包括以下步骤：

（1）在超声波雷达的正前方“需探测区域”之外（越过需探测区域），选定或装设一个物体作为“靶标”；

（2）调整超声波雷达的安装角度，使其收发传感器正对步骤（1）中所述的靶标，启动超声波雷达的“初始靶标探测”功能，探测到靶标后的输出信息在超声波雷达上用“声光显示或提示”，其输出信息中包含靶标距离的初始探测值L0；

（3）在超声波雷达中确认并保存步骤（2）中靶标距离的初始探测值L0；

（4）超声波雷达于“存在探测”工作中的算法为：

相关定义：

L0为超声波雷达探测靶标距离的初始探测值；

△L为超声波雷达探测靶标距离的最大偏移量；

L1为需探测区域与超声波雷达的最大距离值，且L1

L为超声波雷达探测输出距离变量；

判“物体存在”的算法有（a）、（b）两种：

（a）超声波雷达的探测输出距离值L≦L1；

（b）不满足算法（a）的条件，且超声波雷达的探测输出距离值L不在L0-△L≦L≦L0+△L所表示的范围内；

判“物体不存在”的算法：

（c）超声波雷达的探测输出距离值L在L0-△L≦L≦L0+△L所表示的范围内。

本发明步骤（2）中所述的“探测到靶标后的输出信息”中包含靶标的回波信号幅度值。

本发明步骤（4）中所述的算法（a）、算法（b）、算法（c），分别增加“探测次数参数”m1、m2、m3（m1、m2、m3均为正整数），当某算法的条件满足后，还需累积计算该算法已完成的探测次数，当达到所设定的探测次数（m1次、m2次、m3次）时，超声波雷达再作出“物体存在与否”的判断。

本发明所述的超声波雷达采用窄波束定向型超声波雷达，其超声波束的发射角度小于30度。

本发明所述的靶标采用圆柱形立柱。

本发明所述的圆柱形立柱，采用车辆导流柱或防撞柱。

本发明和背景技术相比，提高了超声波雷达探测的准确性和可靠性。

附图说明

图1：超声波雷达探测原理示意图。

图2：被探测物为光滑平面时超声波雷达探测失效示意图。

图3：设有“靶标”的超声波雷达工作示意图。

图4：设有“靶标”无探测回波超声波雷达工作示意图。

图5：“靶标”反射面为光滑柱面时的回波示意图。

具体实施方式

本发明的目的是解决超声波雷达在“存在探测”中的失效问题，其失效时的故障现象为：在需探测区域有障碍物，而超声波雷达无输出。

图2：被探测物为光滑平面时超声波雷达探测失效示意图。

如图2所示：在超声波雷达的需探测区域内，有一倾斜且光滑的平面障碍物，超声波雷达所发射的超声波，完全被该光滑平面反射至其他方向，超声波雷达接收不到反射回波。当超声波雷达接收不到反射回波时，显然会判定在需探测区域无障碍物，不会输出“存在信号”。这是超声波雷达探测失效的情形之一。

（注）超声波具有直线传播的特点，当超声波遇到光滑平面时，超声波的反射特性类似于光的反射特性，其“反射角”等于“入射角”，如图2：∠1=∠2。

另外一种探测失效的情形：当被探测物体的表面采用吸声材料时，超声波雷达也会接收不到探测回波。

于自动化控制设备中使用超声波雷达时，如果在“需探测区域”有障碍物，而超声波雷达出现探测失效，有可能带来危险。例如，在道闸设备中装设超声波雷达用以控制自动关闸，如果车辆还未开走，超声波雷达就判定“无车”，必然造成砸车事故。

为此，本发明采用了具有较高安全性的技术方案。

如图3所示：设有“靶标”的超声波雷达工作示意图。

超声波雷达：采用窄波束定向型超声波雷达，其超声波束的发射角度小于30度。

需探测区域：图中的虚线框内即为“需探测区域”，位于超声波雷达的正前方。

靶标的位置与装设：在超声波雷达正前方的“需探测区域”之外，越过“需探测区域”，选定或装设一个物体作为“靶标”。图3所示的“靶标”采用的是一根竖直装设的圆柱形立柱，立柱的顶端高度大于雷达的安装高度。

相关变量定义：

L0为超声波雷达探测靶标距离的初始探测值；

△L为超声波雷达探测靶标距离的最大偏移量；

L1为需探测区域与超声波雷达的最大距离值，在选定或装设靶标时即有关系式：L1

L为超声波雷达探测输出距离变量。

采用靶标探测法的工作步骤为：

（1）在超声波雷达的正前方“需探测区域”之外（越过需探测区域），选定或装设一个物体作为“靶标”；

（2）调整超声波雷达的安装角度，使其收发传感器正对步骤（1）中所述的靶标，启动超声波雷达的“初始靶标探测”功能，探测到靶标后的输出信息在超声波雷达上用“声光显示或提示”，其输出信息中包含靶标距离的初始探测值L0以及靶标的回波信号幅度值；

（3）依据靶标的回波信号幅度值和靶标的距离值，精细调整超声波雷达的安装角度以及靶标的安装位置，使靶标的回波信号幅度值最大；

（4）在超声波雷达中确认并保存步骤（2）中靶标距离的初始探测值L0；

（5）超声波雷达于“存在探测”工作中的算法为：

判“物体存在”的算法有（a）、（b）两种：

（a）超声波雷达的探测输出距离值L≦L1；

（b）不满足算法（a）的条件，且超声波雷达的探测输出距离值L不在L0-△L≦L≦L0+△L所表示的范围内；

判“物体不存在”的算法仅有一种：

（c）超声波雷达的探测输出距离值L在L0-△L≦L≦L0+△L所表示的范围内；

（6）上述步骤（5）中所述的算法（a）、算法（b）、算法（c），分别增加“探测次数参数”m1、m2、m3（m1、m2、m3均为正整数），当某算法的条件满足后，还需累积计算该算法已完成的探测次数，当达到所设定的探测次数（m1次、m2次、m3次）时，超声波雷达再作出“物体存在与否”的判断。

为便于理解，把上述靶标探测法的各步骤概括如下：

步骤（1）可概述为“装设靶标”；

步骤（2）可概述为“探测靶标”；

步骤（3）可概述为“对准靶标”；

步骤（4）可概述为“保存靶标”；

步骤（5）（6）为超声波雷达于“存在探测”工作中的具体算法，可概述为“使用靶标”。

关于步骤（5）的算法说明：

对“物体不存在”的判断，实际上必须满足两个条件：

其一，在需探测区域内没有探测到物体，探测输出距离值不满足L≦L1，也即非算法（a），否则会判“物体存在”；

其二，必须探测到靶标，即满足算法（c）。

算法（c）：超声波雷达探测靶标距离的最大偏移量△L通常较小，超声波雷达一般都能达到误差小于2%的探测精度，如果超声波雷达的探测输出距离值L在L0-△L≦L≦L0+△L所表示的“较小区间”内，可断定该距离值属于靶标，也即在超声波雷达与靶标之间已没有物体所阻挡，故判“物体不存在”。

对“物体存在”的判断，有（a）、（b）两种算法，两者有区别。

算法（a）: 超声波雷达的探测输出距离值L≦L1，也即在“需探测区域”有真实的探测距离输出，说明雷达已探测到了“有效的”障碍物，其“物体存在”的可信度较高。

算法（b）: 不满足算法（a）的条件，且超声波雷达的探测输出距离值L不在L0-△L≦L≦L0+△L所表示的范围内。换言之，即没有在“需探测区域”探测到“有效的”障碍物，也没有探测到靶标——即非算法（a），也非算法（c）。

经分析，超声波雷达的探测距离值满足算法（b）时，可能存在以下两种可能：

其一是在需探测区域有真实的物体存在，靶标被阻挡，超声波雷达即没有收到障碍物的有效回波，也没有收到靶标的有效回波。如图4所示：设有“靶标”无探测回波超声波雷达工作示意图，超声波束在需探测区域被光滑且倾斜的平面阻挡，回波被反射至其他方向。

其二是在需探测区域没有物体存在，靶标没有被阻挡，但超声波雷达却没有收到靶标的有效回波，原因可能是雷达的信号通路故障，也可能是气流扰动等其他原因。

显然，用算法（b）判断“物体存在”的可信度要比算法（a）低，在实际应用中，可根据需要选择算法。当超声波雷达于安全性要求较高的场合中应用时，其探测输出距离值满足算法（a）或算法（b）都应判“物体存在”。

关于步骤（6）的算法说明：

在步骤（6）中，给各算法（a）、（b）、（c）分别增加了“探测次数参数”m1、m2、m3，实际上可理解为一种“重复多次”的确认过程，例如：用算法（a）判物体存在时，如果设探测次数参数m1≧2，则仅当超声波雷达在需探测区域重复探测到障碍物的次数大于等于2后，才判物体存在，这样可以滤除干扰信号，以防止误判。另外两种算法（b）、（c）分别增加探测次数参数m2、m3后，其作用完全相同，不再赘述。

靶标的选取或装设：

由靶标法的探测原理可知，对于“靶标”的材质或形状没有特别要求，只需该靶标能被超声波雷达准确地探测到即可。

靶标可以使用现场已存在的障碍物，如树干、栏杆、墙壁等物，也可以另外加装一个物体。

使用“光滑平面”作为靶标的反射面时，需要调校该平面使之“正对”超声波雷达，使用不方便。正对调校的原因为：如果靶标的光滑平面不正对超声波雷达，可能会发生如图2所示的反射，导致接收不到靶标回波。

靶标采用圆柱形立柱时，超声波反射面为其柱面，如图5：“靶标”反射面为光滑柱面时的回波示意图。此时，只需把超声波雷达的收发传感器对准该立柱，并上下调整雷达的仰角后，一定存在着“可接收的回波”w0。

由图5还可看出，所述的“圆柱形立柱”不一定要求有“完整的柱面”，也可以是部分柱面，如：1/4柱面。

关于圆柱形立柱的直径大小：

当靶标采用圆柱形立柱时，其直径没有上限要求，但如果直径选择太小有可能使回波信号太弱。一般地，当靶标与超声波雷达的距离大于6米时，所选择的立柱直径应不小于3英寸。

本发明应用示例：

超声波雷达采用窄波束定向型10米量程的远程超声波雷达；

靶标采用圆柱形车辆防撞柱（直径4英寸），竖直高度选为1米；

超声波雷达装设于车道一侧，高度为0.7米，并使其收发传感器水平正对路面；

圆柱形车辆防撞柱竖直装设于马路对面距超声波雷达6米处，并使其位于超声波雷达的正前方；

需探测区域为位于超声波雷达和圆柱形车辆防撞柱之间的一段马路。

经实测，使用本发明所述的靶标探测法后，超声波雷达可以准确无误地探测到所有的过往车辆，达到了稳定、可靠的探测目的。