空气耦合超声波成像装置和机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人感知技术领域，尤其是涉及一种空气耦合超声波成像装置和机器人。


背景技术：

2.超声波可以对透明和高反射率物体进行探测，可以有效透过沙尘和大雾，并且超声波探测物体的成本较低。目前基于单个压电陶瓷超声换能器探头的超声波雷达已经被用于汽车避障、机器人避障等。而机器人在工作时通常需要感知自身和所处环境的信息，雷达(如超声雷达、激光雷达等)是实现机器人感知信息的重要部件。现有超声雷达在进行测距时，通常采用单个发射探头向视场角范围内的障碍物发射超声波，采用单个接收探头接收障碍物反射超声波后得到的反射波，从而计算出障碍物与超声雷达之间的距离。然而，单个发射探头发出的超声波接近于球面波，在视场角范围内的障碍物不能做进一步区分，因此空间分辨率很低，不能提供更多的障碍物信息。同时由于球面波导致声波能量发散，通常测量距离有限。因此目前的超声雷达仅仅起到障碍物探测作用，并没有起到成像雷达的作用，在机器人感知中起到的作用非常有限。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种空气耦合超声波成像装置和机器人，以提高超声波测距的精度，进而保证超声波成像的质量，从而拓宽超声波测距在机器人感知中的应用。
4.第一方面，本发明提供一种空气耦合超声波成像装置，所述装置包括：计算单元、驱动单元、发射单元、接收单元、采集单元、信号处理单元和上位机；所述计算单元分别与所述驱动单元和所述信号处理单元连接；所述驱动单元与所述发射单元连接；所述采集单元分别与所述信号处理单元和所述接收单元连接；所述发射单元包括多个发射阵元；所述接收单元包括多个接收阵元；所述信号处理单元与所述上位机连接；通过所有所述发射阵元向外发射超声波信号，且往不同方向发射的超声波信号的频率不同。
5.作为一种可能的实现，所述驱动单元包括第一带通滤波器和第一放大电路；所述计算单元的输出端通过所述第一带通滤波器与所述第一放大电路的输入端连接；所述第一放大电路的输出端与所述发射单元的输入端连接。
6.作为一种可能的实现，所述采集单元包括第二带通滤波器、第二放大电路和adc采集器；所述接收单元的输出端通过所述第二带通滤波器与所述第二放大电路的输入端连接；所述第二放大电路的输出端通过所述adc采集器与所述信号处理单元的输入端连接。
7.作为一种可能的实现，所述装置还包括第一底板和第二底板；所述发射单元包括发射板；所述接收单元包括接收板；所述多个发射阵元分布在所述发射板的前侧；所述多个接收阵元分布在所述接收板的前侧；所述计算单元和所述驱动单元设置在所述第一底板的后侧；所述采集单元和所述信号处理单元设置在所述第二底板的后侧。
8.作为一种可能的实现，所述装置还包括第一电源管理模块和第二电源管理模块；
所述第一电源管理模块分别与所述计算单元和所述驱动单元连接；所述第二电源管理模块分别与所述信号处理单元和所述采集单元连接；所述第一电源管理模块设置在所述第一底板的后侧；所述第二电源管理模块设置在所述第二底板的后侧。
9.作为一种可能的实现，所述装置还包括第一io接口和第二io接口；所述发射板通过所述第一io接口与所述第一底板连接；所述接收板通过所述第二io接口与所述第二底板连接。
10.作为一种可能的实现，所述发射板有一个或多个；所述接收板有一个或多个；每个所述发射板和每个所述接收板位于同一个平面。
11.作为一种可能的实现，所述多个发射阵元非均匀分布在所述发射板的前侧；所述多个接收阵元非均匀分布在所述接收板的前侧。
12.作为一种可能的实现，每个所述发射阵元和每个所述接收阵元均为空气耦合超声换能器。
13.第二方面，本发明还提供一种机器人，所述机器人包括上述空气耦合超声波成像装置。
14.本发明提供的一种空气耦合超声波成像装置和机器人，该装置包括：计算单元、驱动单元、发射单元、接收单元、采集单元、信号处理单元和上位机；计算单元分别与驱动单元和信号处理单元连接；驱动单元与发射单元连接；采集单元分别与信号处理单元和接收单元连接；发射单元包括多个发射阵元；接收单元包括多个接收阵元；信号处理单元与上位机连接；通过所有发射阵元向外发射超声波信号，且往不同方向发射的超声波信号的频率不同。采用上述技术，可由多个发射阵元向视场角范围内的障碍物发射超声波，并由多个接收阵元接收障碍物反射超声波后得到的反射波，最终由信号处理单元计算出障碍物与装置之间的距离并由上位机进行成像，收发分离，测距精度高，测距盲区小，收发空间交叉，抗干扰，超声波成像的质量较高，从而利于拓宽超声波测距在机器人感知中的应用。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例中一种空气耦合超声波成像装置的示意图；
17.图2为本发明实施例中一种空气耦合超声波成像装置的示例图；
18.图3为本发明实施例中另一种空气耦合超声波成像装置的示例图；
19.图4为本发明实施例中发射板的前侧示例图；
20.图5为本发明实施例中接收板的前侧示例图；
21.图6为本发明实施例中发射部分的一种电路结构示例图；
22.图7为本发明实施例中接收部分的一种电路结构示例图；
23.图8为本发明实施例中接收部分的另一种电路结构示例图。
具体实施方式
24.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.目前，现有超声雷达在进行测距时，通常采用单个发射探头向视场角范围内的障碍物发射超声波，采用单个接收探头接收障碍物反射超声波后得到的反射波，从而计算出障碍物与超声雷达之间的距离。然而，单个发射探头发出的超声波接近于球面波，在视场角范围内的障碍物不能做进一步区分，因此空间分辨率很低，不能提供更多的障碍物信息。同时由于球面波导致声波能量发散，通常测量距离有限。因此目前的超声雷达仅仅起到障碍物探测作用，并没有起到成像雷达的作用，在机器人感知中起到的作用非常有限。
26.基于此，本发明提供一种空气耦合超声波成像装置和机器人，可以提高超声波测距的精度，进而保证超声波成像的质量，从而拓宽超声波测距在机器人感知中的应用。
27.为了便于理解，首先对本发明提供的一种空气耦合超声波成像装置进行介绍。
28.参见图1所示，该装置可以包括发射部分、接收部分和上位机700；发射部分包括计算单元101、驱动单元102和发射单元103；接收部分包括接收单元201、采集单元202和信号处理单元203；计算单元101分别与驱动单元102和信号处理单元203连接；驱动单元102与发射单元103连接；采集单元202分别与信号处理单元203和接收单元201连接；发射单元103包括多个发射阵元1031；接收单元201包括多个接收阵元201；信号处理单元203与上位机700连接。
29.上述发射阵元1031可采用任何可以产生超声的元件，包括但不限于压电陶瓷，如mems(微机电系统)、pvdf(聚偏二氟乙烯)等，对此不进行限定。上述接收阵元2011可采用任何可以探测超声的元件，包括但不限于压电陶瓷，如mems、pvdf等，对此不进行限定。
30.示例性地，参见图2所示，上述空气耦合超声波成像装置可在fov里按照角分辨率往不同方向发射超声波声束，从而对视场角范围内的障碍物300进行扫描。假设一个欲扫描的平面(如墙面等)，可按照扫描的分辨率将该平面划分划分成多个扫描点，如将该平面划分成多个网格，发射单元103中所有发射阵元1031一起发射超声波，根据延时控制发射单元103中所有发射阵元1031发出的超声波的相位，使超声波在空气中干涉叠加后整体朝一个方向(即目标扫描方向)，从而实现对该平面的扫描。
31.示例性地，参见图2所示，上述计算单元101可用于根据发射单元103中所有发射阵元1031的位置分布以及目标扫描方向(即想要扫描的方向)计算出每个发射阵元1031各自发射超声波的相对延时，并将计算出的每个发射阵元1031的相对延时发送给上述驱动单元102。或者，上述计算单元101可用于将预先存储的每个发射阵元1031各自发射超声波的相对延时发送给上述驱动单元102。
32.示例性地，参见图2所示，对于将所有发射阵元1031布设在同一平面上的情形，上述每个发射阵元1031各自相对延时的具体计算过程可以是：以某一个发射阵元1031作为原点建立三维笛卡尔坐标系，每个发射阵元1031具有各自的位置向量，且全部发射阵元1031共用一个以原点作为起点的与目标扫描方向所对应的扫描方向向量，位置向量和扫描方向向量均为三元向量；分别将每个发射阵元1031的位置向量投影到该扫描方向向量上，从而
计算出每个发射阵元1031的相对延时；其中，相对延时用于表征发射阵元1031发射超声波的顺序，即相对延时最小的发射阵元1031最先发射超声波。
33.示例性地，参见图2所示，上述分别将每个发射阵元1031的位置向量投影到该扫描方向向量上，从而计算出每个发射阵元1031的相对延时的步骤具体可以包括：对于每个发射阵元1031，将该发射阵元1031的位置向量与该扫描方向向量做内积，之后除以该扫描方向向量的模，再除以声速，得到该发射阵元1031的延时时间；在计算得到每个发射阵元1031的延时时间后，分别将每个发射阵元1031的延时时间各自减去最小的延时时间，得到每个发射阵元1031的相对延时。此外，还可以采用其他计算方式将每个发射阵元1031的位置向量投影到同一个扫描方向向量上，对此并不进行限定；相应地，还可以采用其他计算方式计算得到每个发射阵元1031的相对延时，对此并不进行限定。
34.示例性地，参见图2所示，上述驱动单元102可用于根据每个发射阵元1031的相对延时通过时钟计数器进行计数，在计数结束时开始产生固定频率(如40khz)的驱动信号1001(如方波信号、弦波信号等)，进而驱动上述发射单元103中的所有发射阵元1031发出超声波信号；其中，不同驱动信号1001是按照不同相对延时1022进行发送的。
35.示例性地，参见图2所示，上述发射单元103可用于根据接收到的上述驱动信号，通过所有发射阵元1031向外发射超声波信号；发射的超声波信号(即超声波束)在时域上是一段脉冲信号(具有第一时域波形1002)，发射的超声波束在遇到障碍物300后会被障碍物300反射，障碍物300反射超声波束后得到的反射波信号在时域上也是一段脉冲信号(具有第二时域波形2001)。上述接收单元201可用于通过各个接收阵元2011接收反射波信号，并向上述采集单元202发送每个接收阵元2011对应的模拟信号。
36.示例性地，参见图2所示，上述采集单元202可用于将接收到每个接收阵元2011对应的模拟信号转化为相应的数字信号，并将每个接收阵元2011对应的数字信号发送给上述信号处理单元203。上述信号处理单元203可用于：对接收到的每个接收阵元2011对应的数字信号进行处理(如匹配滤波、包络检波等)，并按照接收单元201中每个接收阵元2011的位置分布以及想要扫描的方向(与上述目标扫描方向类似，可以在整个视场角范围里面按照一定的角度依次扫描，如1度，也可以局部扫描，即扫描部分角度)分别计算出给每个接收阵元2011对应的处理后信号所加的延时数据(提前或延迟)；之后用计算出的每个接收阵元2011对应的延时数据给每个接收阵元2011对应的处理后信号加相应的延时，并将每个接收阵元2011对应的延时后信号叠加。或者，上述信号处理单元203可用于：对接收到的每个接收阵元2011对应的数字信号进行处理(如匹配滤波、包络检波等)，并用预先存储的每个接收阵元2011对应的处理后信号所加的延时数据(提前或延迟)给每个接收阵元2011对应的处理后信号加相应的延时，以及将每个接收阵元2011对应的延时后信号叠加。
37.示例性地，参见图2所示，上述计算单元101还可用于在最先发射超声波的发射阵元1031发出超声波信号时向上述信号处理单元203发送时钟同步信号。上述信号处理单元203还可用于根据接收到的时钟同步信号和上述叠加得到的结果，计算信号飞行时间。例如，信号飞行时间的具体计算过程可以为：在统一时间零点的前提下，将上述叠加得到的结果中信号强度最大值所对应的时刻减去时钟同步信号所对应的时刻，得到信号飞行时间。
38.示例性地，参见图2所示，针对上述发射单元103与上述接收单元201位于同一个平面的情形，上述计算单元101还可用于：将上述发射的超声波中信号强度最大值所对应发射
阵元1031的方向向量的方向确定为信号发射方向，将上述叠加得到的结果中信号强度最大值所对应的方向确定为信号返回方向；再根据上述发射单元103的中心位置与上述接收单元201的中心位置之间的距离、信号发射方向和信号返回方向建立测距三角形400，并计算出测距三角形400的高，将计算出的测距三角形400的高确定为障碍物300距离发射单元103和接收单元201的深度(即障碍物300与空气耦合超声波成像装置之间的距离)。信号处理单元206将得到的障碍物300的最终深度测量值传输给上位机700，上位机700可以根据得到的最终深度测量值将这个发射方向所对应的扫描点作为三维图像的像素点，并为三维图像的像素点分配相应的深度，最终生成相应的三维图像从而实现超声波成像。此外，上述计算单元101在计算出测距三角形400的高后，还可根据信号飞行时间测量距离，并基于测量得到的距离和测距三角形400的高计算得到障碍物300与空气耦合超声波成像装置之间的距离；该方式可以进一步提高测距结果的精度，进而提高超声波成像的质量。
39.上述空气耦合超声波成像装置每向一个角度发射超声波就可以得到这个角度的深度信息和角度信息，因此通过控制发射超声波的角度就可以扫描当前视场角范围内的空间，以便利用扫描得到的信息完成对该空间的三维成像，从而满足机器人感知的应用需求，尤其可以满足水上机器人感知或者水下机器人感知的应用需求。
40.上述空气耦合超声波成像装置在一次扫描过程中不必每次等接收单元接收反射信号完毕后发射单元再向下一个角度发射超声波，可以使用频分复用技术，往不同方向发送的超声波信号使用不同的频率，这样可以得到不同频率超声波信号所对应的接收信号，从而提高帧率。
41.本发明提供的一种空气耦合超声波成像装置，该装置包括：计算单元、驱动单元、发射单元、接收单元、采集单元、信号处理单元和上位机；计算单元分别与驱动单元和信号处理单元连接；驱动单元与发射单元连接；采集单元分别与信号处理单元和接收单元连接；发射单元包括多个发射阵元；接收单元包括多个接收阵元；信号处理单元与上位机连接；通过所有发射阵元向外发射超声波信号，且往不同方向发射的超声波信号的频率不同。采用上述技术，可由多个发射阵元向视场角范围内的障碍物发射超声波，并由多个接收阵元接收障碍物反射超声波后得到的反射波，最终由信号处理单元计算出障碍物与装置之间的距离并由上位机进行成像，收发分离，测距精度高，测距盲区小，收发空间交叉，抗干扰，超声波成像的质量较高，从而利于拓宽超声波测距在机器人感知中的应用。
42.作为一种可能的实施方式，参见图3所示，上述空气耦合超声波成像装置还可以包括第一底板105和第二底板205；上述发射单元可以包括发射板104；上述接收单元可以包括接收板204；上述多个发射阵元分布在发射板104的前侧；上述多个接收阵元分布在接收板204的前侧；上述计算单元可以采用fpga计算单元106；上述信号处理单元可以采用fpga信号处理单元206；fpga计算单元106和驱动单元102可以设置在第一底板105的后侧；采集单元202和fpga信号处理单元206可以设置在第二底板205的后侧。基于此，示例性地，参见图3所示，fpga信号处理单元206可以通过网线701与上位机700连接。
43.此外，上述信号处理单元还可通过其他方式与上位机连接，对此不进行限定。
44.作为一种可能的实施方式，参见图3所示，上述空气耦合超声波成像装置还可以包括第一电源管理模块107和第二电源管理模块207；第一电源管理模块107可以设置在第一底板105的后侧；第二电源管理模块207可以设置在第二底板205的后侧；外部的电池500分
别与第一电源管理模块107和第二电源管理模块207连接。
45.作为一种可能的实施方式，参见图3所示，上述空气耦合超声波成像装置还可以包括第一io接口和第二io接口；发射板104可以通过第一io接口与第一底板105连接；接收板204可以通过第二io接口与第二底板205连接。
46.作为一种可能的实施方式，上述发射板可以有一个或多个；上述接收板可以有一个或多个。每个发射板和每个接收板可以位于同一个平面或位于不同平面，对此不进行限定。参见图3所示，上述空气耦合超声波成像装置包括一个发射板104和一个接收板204，该接收板204位于该发射板104的一侧，该发射板104和该接收板204位于同一个竖直平面，该发射板104的中心位置与该接收板204的中心位置之间的连线401具有预设长度。此外，针对上述发射板与上述接收板的总数量超过2个的情形，发射板和接收板的布设方式可根据实际需要自定义，如一左一右，一左一右一上，一左一右一上一下等，对此不进行限定。
47.作为一种可能的实施方式，每个发射阵元和每个接收阵元均可采用空气耦合超声换能器。参见图4所示，可将每个空气耦合超声换能器(即第一空气耦合超声换能器1041)作为一个发射阵元，将多个第一空气耦合超声换能器1041非均匀分布在发射板104的前侧。参见图5所示，可将每个空气耦合超声换能器(即第二空气耦合超声换能器2041)作为一个接收阵元，将多个第二空气耦合超声换能器2041非均匀分布在接收板的前侧。此外，还可采用非均匀分布以外的其他分布方式(如均匀分布等)将多个发射阵元布设在发射板104上，还可采用均匀分布以外的其他分布方式(如均匀分布等)将多个接收阵元布设在接收板204上，对此不进行限定。
48.作为一种可能的实施方式，在上述空气耦合超声波成像装置的发射部分中，上述驱动单元可以包括第一带通滤波器和第一放大电路；上述计算单元的输出端通过第一带通滤波器与第一放大电路的输入端连接；第一放大电路的输出端与上述发射单元的输入端连接。此外，上述第一电源管理模块可以分别与上述计算单元和上述驱动单元连接。
49.参见图6所示，上述计算单元可以采用fpga计算单元106；驱动单元102可以包括第一带通滤波器1024和第一放大电路1025；fpga计算单元106的输出端通过第一带通滤波器1024与第一放大电路1025的输入端连接；第一放大电路1025的输出端与发射单元103的输入端连接；第一电源管理模块107分别与fpga计算单元106和驱动单元102连接。
50.参见图3、图4和图6所示，通过第一电源管理模块107将电源的输入电压转换成fpga计算单元106和驱动单元102各自所需的电压，分别为fpga计算单元106和驱动单元102供电；fpga计算单元106将计算出来的相对延时发送给驱动单元102；驱动单元102在接收到相对延时后通过时钟计数器开始计数，当计数结束(即计数每个阵元对应计数到各自相对延时的计数值)时就产生一定周期的方波信号；方波信号的电压通常不能直接驱动发射单元103的探头(即各个发射阵元)，可通过第一带通滤波器1024把方波信号转换为弦波信号，再通过第一放大电路1025把弦波信号的电压放大到空气耦合超声换能器的额定电压，再将放大电压后的弦波信号加在发射单元的各个空气耦合超声换能器(即第一空气耦合超声换能器1041，也即发射阵元)上，由各个空气耦合超声换能器产生一段超声脉冲。
51.作为一种可能的实施方式，在上述空气耦合超声波成像装置的接收部分中，上述采集单元可以包括第二带通滤波器、第二放大电路和adc采集器；上述接收单元的输出端可以通过第二带通滤波器与第二放大电路的输入端连接；第二放大电路的输出端可以通过
adc采集器与上述信号处理单元的输入端连接。此外，上述第二电源管理模块可以分别与上述信号处理单元和上述采集单元连接。
52.参见图7所示，上述信号处理单元可以采用fpga信号处理单元206；采集单元202可以包括第二带通滤波器2021、第二放大电路2022和adc采集器2024；接收单元201的输出端可以通过第二带通滤波器2021与第二放大电路2022的输入端连接；第二放大电路2022的输出端可以通过adc采集器2024与fpga信号处理单元206的输入端连接；第二电源管理模块207分别与fpga信号处理单元206和采集单元202连接。
53.参见图3、图5和图7所示，通过第二电源管理模块107将电源输入电压转换成fpga信号处理单元206和采集单元202各自所需的电压，分别为fpga信号处理单元206和采集单元202供电；接收时，接收单元201的各个空气耦合超声换能器(即第二空气耦合超声换能器2041，也即接收阵元)在接收到障碍物300反射回来的超声脉冲后开始振动，产生电压信号；首先通过第二带通滤波器2021对这部分电压信号进行滤波，滤去噪音，然后通过第二放大电路2022将滤波后的电压信号放大预设倍数，并将放大预设倍数后的电压信号接入adc采集器2024的输入端，fpga信号处理单元206根据adc采集器2024的时序要求控制adc采集器2024的数据采集；通过adc采集器2024将采集的数据传输到fpga信号处理单元206；fpga信号处理单元206再对接收到的信号和数据进行处理以得到相应的信息，以便上位机700可利用fpga信号处理单元206得到的信息进行成像。
54.作为一种可能的实施方式，在上述空气耦合超声波成像装置的接收部分中，上述采集单元还可以包括偏置电路；上述第二放大电路的输出端可以与偏置电路的输入端连接；偏置电路的输出端可以通过adc采集器与上述信号处理单元的输入端连接。
55.基于图7，参见图8所示，采集单元202还可以包括偏置电路2023；第二放大电路2022的输出端可以与偏置电路2023的输入端连接；偏置电路2023的输出端可以通过adc采集器2024与fpga信号处理单元206的输入端连接。在依次通过第二带通滤波器2021和第二放大电路2022对接收单元201各个空气耦合超声换能器产生的电压信号进行处理后，可通过偏置电路2023将处理后的电压信号接入adc采集器2024的输入。
56.为了便于理解，在此以图3至图5为例对上述空气耦合超声波成像装置进行示例性描述如下：
57.参见图4和图5所示，发射单元和接收单元各自均由25个阵元(即第一空气耦合超声换能器1041和第二空气耦合超声换能器2041，对于发射单元来说是发射阵元，对于接收单元来说是接收阵元)组成，发射阵元与接收阵元的分布均采用非均匀分布，该分布方式可以抑制旁瓣，减小干扰。
58.参见图3所示，发射阵元设置于发射板104的前侧，通过io接口(即第一io接口)与第一底板105相连，第一底板105后侧设置有第一电源管理模块107、驱动单元102、fpga计算单元106(时钟频率100mhz)，其中驱动单元102包含第一带通滤波器1024(中心频率40khz，带宽20khz)和第一放大电路1025(放大9.7倍)；接收阵元设置于接收板204的前侧，通过io接口(即第二io接口)与第二底板205相连，第二底板205后侧设置有第二电源管理模块207、采集单元202、fpga信号处理单元206(时钟频率100mhz)，其中采集单元202包含第二带通滤波器2021(中心频率40khz，带宽20khz)、第二放大电路2022(放大2.5倍)、adc采集器2024(芯片ads7946)。
59.参见图3所示，在扫描成像时，把扫描的平面划分为121个像素点，x方向11个像素点，y轴方向11个像素点，从左上到右下依次扫描。把发射板104和接收板204竖直放置在一个平台600的边缘，使两者位于同一平面并且间隔一定的距离(如30cm)并固定。电池500作为电源的输入电压是12v，通过第一电源管理模块107分别给fpga计算单元106和驱动单元102供电。当启动空气耦合超声波成像装置时，fpga计算单元106按照预先设置的扫描方向和该方向对应的延时数据，在切换扫描方向时通过时钟同步线发送同步信号给fpga信号处理单元206，并记录信号发出时刻。驱动单元102在接收到每个发射阵元对应的相对延时后通过计数器开始计数，并在每个发射阵元对应计数到各自相对延时的计数值时，通过io口(即第一io口)产生40khz的方波信号并持续一段时间(如50个周期)，通过第一带通滤波器1024将方波信号转化为弦波信号，再通过第一放大电路1025把信号放大到-16v- 16v，通过io口(即第一io口)加在对应发射阵元上，发射阵元产生一段超声信号。所有发射阵元产生的超声信号在空气中干涉，朝着指定方向发射。超声遇到障碍物300以后产生反射。接收板204上的各个空气耦合超声换能器(即接收阵元)在接收到障碍物反射回来的超声脉冲后开始振动，产生电压信号，首先通过第二带通滤波器2021对信号这部分电压信号进行滤波，然后通过第二放大电路2022将滤波后的电压信号放大2倍并将放大2倍后的电压信号接入adc采集器2024的输入，fpga信号处理单元206根据adc采集器2024的时序要求控制adc采集器2024的数据采集，adc采集器2024的数据采集频率为1mhz，adc采集器2024将采集的数据通过spi协议传输到fpga信号处理单元206，fpga信号处理单元206再对信号进行处理(按照固定的格式打包成udp的网络包)，通过网线701输送到上位机700得到信号飞行时间和接收角度。信号飞行时间和接收角度的具体计算过程是：在得到每个接收阵元接收的信号以后，首先通过匹配滤波和包络检波，选出40khz的信号，再对包络做delay and sum(即延时和叠加)，选择所有接收阵元接收的信号里信号强度最大值对应的方向作为信号返回方向，而该信号强度最大值对应的时刻就是信号到达时刻，该信号到达时刻减去上述信号发出时刻，得到了信号飞行时间，这样就得到了信号返回方向和信号飞行时间。之后fpga信号处理单元206将上述发射的超声信号中信号强度最大值对应的方向作为信号发射方向，将信号飞行时间乘以声速从而得到信号飞行距离，根据发射板104的中心位置与接收板204的中心位置之间的连线401、信号发射方向、信号返回方向和信号飞行距离构建测距三角形400，此时测距三角形400中两条边(即边402和边403)的长度之和(即信号飞行距离)、两个底角(即信号发射方向和信号返回方向)以及底边(即发射板104的中心位置与该接收板204的中心位置之间的连线401)的长度均已知，可根据信号发射方向、信号返回方向和发射板104的中心位置与该接收板204的中心位置之间的连线401的长度解出测距三角形400的高作为障碍物300相对于空气耦合超声波成像装置的一个深度值，根据信号发射方向、信号返回方向和信号飞行距离解出测距三角形400的高作为障碍物300相对于空气耦合超声波成像装置的另一个深度值，将得到的两个深度值取均值就可以得到障碍物300的最终深度测量值。fpga信号处理单元206通过网线701将得到的障碍物300的最终深度测量值传输给上位机700，上位机700可以根据得到的最终深度测量值将这个发射方向所对应的扫描点作为三维图像的像素点，并为三维图像的像素点分配相应的像素值，最终生成相应的三维图像从而实现超声波成像。
60.上述空气耦合超声波成像装置具有以下优势：(1)收发分离，盲区小，收发空间交
叉，抑制旁瓣提高分辨率，抗干扰；(2)多个发射阵元集中发射超声波，探测距离远；(3)非均匀阵列，节约成本；(4)可以使用频分复用技术，从而提高帧率。
61.基于上述空气耦合超声波成像装置，本发明实施例还提供一种机器人，该机器人可以包括上述空气耦合超声波成像装置。
62.示例性地，上述机器人可以为水上机器人、水下机器人等，具体可根据实际应用需求自行确定，对此不进行限定。机器人可在移动的过程中通过空气耦合超声波成像装置实时进行超声波成像。
63.本发明实施例所提供的机器人，由于具有前述空气耦合超声波成像装置的全部技术特征，为简要描述，机器人实施例部分未提及之处，可参考前述空气耦合超声波成像装置实施例中相应内容。
64.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。