超聲波測算單元

一、項目名稱：

超聲波測算單元

二、項目概述：

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

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

廉價，可靠，不懼雨霧灰塵，沒有隱私風險，沒有傷害性風險。

所以超聲波在汽車領域最早應用，缺點是性能不夠，距離太近。

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

三、作品實物圖

本項目是個探索型項目，目標是試驗，研究算法。因為時間的關系，目前調(diào)試完硬件和初步的算法。

因為硬件上突出簡潔，功能性能均由算法實現(xiàn)。所以結構相當精簡。。硬件框圖：

其中，主控MCU選擇了TI的MSPM0G1507，主要是因為其內(nèi)置了較好的模擬外設，擁有不錯的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PGA組成兩級同相放大器，因為回波信號極小，所以兩級都采用最大倍數(shù)，32*32=1024倍。

附加一個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，可以實現(xiàn)雙倍峰峰值。

對照實物：

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）實驗時用于對比。

模塊預留了驅(qū)動輸入和放大輸出接口。

調(diào)試時：

軟件上的調(diào)試結構：

設置TIMERA0輸出互補PWM波，按超聲波傳感器中心頻率設定為40KHz，發(fā)射一段時間后關閉。

（雖然mx6208有剎車功能，可以輸出均接地，但之后仍有相當量的余振只能等待，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）

之后關閉PWM，并把端口設置改為GPIO，拉低，MX6208輸出進入高阻態(tài)。

接收到回波信號進入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，因為上位機軟件的要求。比如vofa+的firewater格式要求數(shù)據(jù)轉為ASCII碼。

細節(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，短距離也具有實用性。

核心算法：

采用按發(fā)射波頻率進行結果累加平均，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：

取第一個峰值點計算時間，測算出距離：

測量數(shù)據(jù)在195cm~198cm之間浮動。

分析：

因為運算速度不夠，不能隨采樣數(shù)據(jù)實時算法處理，所以必須一次性采樣全部數(shù)據(jù)然后計算。為了減少數(shù)據(jù)量減少計算時間，采用的采樣間隔是5us。

對于40KHz的超聲波來說，一個波只有5個采樣點，很難采到波峰值，精度必然影響很大，識別錯過一個波形的誤差是0.347mmX25us = 8.675mm,錯兩個波形就大概到±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：

項目基本實現(xiàn)了預期效果，驗證了高精簡的硬件設計配合算法可以實現(xiàn)低成本高可靠高性能的超聲波測量應用。同時性能上還有比較大的提升空間。

可以廣泛用于汽車、機器人、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