本文選題：數(shù)字解調(diào) + 正弦擬合�。� 參考：《湖北工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：超聲波測(cè)距技術(shù)在汽車倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人定位系統(tǒng)、金屬探傷等工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。科研生產(chǎn)中對(duì)超聲波測(cè)距的精度和測(cè)量盲區(qū)及測(cè)量速度提出越來(lái)越高的要求。為此,本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字解調(diào)的對(duì)射式超聲測(cè)距系統(tǒng),降低了測(cè)量電路的復(fù)雜性。針對(duì)絕對(duì)測(cè)距和相對(duì)測(cè)距兩種模式,提出了兩種直接數(shù)字的信號(hào)處理算法,提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。通過(guò)嵌入式系統(tǒng)軟件算法的的編程實(shí)現(xiàn),完成了超聲信號(hào)的數(shù)字解調(diào),并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證了算法的可行性。具體研究?jī)?nèi)容如下:首先,在查閱國(guó)內(nèi)外大量關(guān)于超聲波測(cè)距文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)的總體框架,設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距的主要電路。其次,應(yīng)用飛行時(shí)間檢測(cè)原理,針對(duì)脈沖瞬態(tài)激勵(lì)模式下的超聲接收信號(hào),提出了一種基于移動(dòng)正弦擬合的包絡(luò)曲線快速提取算法。運(yùn)用這種算法,分別對(duì)傳統(tǒng)的單段式脈沖激勵(lì)與本文提出的三段式正反交替脈沖激勵(lì)條件下的超聲接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)了包絡(luò)曲線的提取。實(shí)驗(yàn)表明,這種包絡(luò)提取算法速度快,結(jié)果可靠。第三,分別實(shí)現(xiàn)了兩種激勵(lì)模式下的飛行時(shí)間的計(jì)算。單段式脈沖激勵(lì)下,應(yīng)用二分之一包絡(luò)峰值點(diǎn)作為位置特征進(jìn)行飛行時(shí)間計(jì)算;三段式正反交替激勵(lì)下,應(yīng)用過(guò)渡谷點(diǎn)作為位置特征實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)間的計(jì)算。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn),三段式正反交替激勵(lì)模式具有更大的精度優(yōu)勢(shì)。第四,應(yīng)用相位差檢測(cè)原理,針對(duì)超聲連續(xù)激勵(lì)模式,提出一種基于最小二乘法的數(shù)字橢圓擬合算法,實(shí)時(shí)獲取激勵(lì)參考信號(hào)與超聲采樣信號(hào)的實(shí)時(shí)相位差,并通過(guò)相位解包裹算法將實(shí)時(shí)相位差擴(kuò)展為絕對(duì)相位差。通過(guò)絕對(duì)相位差的變化與聲波波長(zhǎng)成正比的關(guān)系,計(jì)算出相對(duì)距離值。最后,完成了絕對(duì)測(cè)距實(shí)驗(yàn)和相對(duì)測(cè)距實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的三段式正反脈沖交替激勵(lì)模式絕對(duì)測(cè)距精度達(dá)到1mm,測(cè)量盲區(qū)低至3mm,量程為800mm,基本滿足了設(shè)計(jì)要求和達(dá)到了相關(guān)測(cè)量技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于相對(duì)測(cè)距,在現(xiàn)有STM32單片機(jī)的極限采樣頻率下,每周期采樣21點(diǎn),被測(cè)對(duì)象能夠達(dá)到的最大移動(dòng)極限速度為/83.2sm,橢圓擬合誤差小于0.2mm,滿足超聲相對(duì)測(cè)距的要求。
[Abstract]:Ultrasonic ranging technology is widely used in automobile reversing radar, robot positioning system, metal inspection and other industrial measurement and control fields. In scientific research and production, the accuracy, blind area and measuring speed of ultrasonic ranging are demanded more and more. Therefore, this paper designs a digital demodulation based on the ultrasonic distance measurement system to reduce the complexity of the measurement circuit. In this paper, two direct digital signal processing algorithms are proposed for absolute distance measurement and relative distance measurement, which improve the measurement accuracy of the system. The digital demodulation of ultrasonic signal is accomplished through the programming of embedded system software algorithm, and a large number of experiments and data analysis are carried out to verify the feasibility of the algorithm. The specific research contents are as follows: firstly, on the basis of consulting a large number of domestic and foreign literature on ultrasonic ranging, the system scheme is designed, the overall framework of the measurement system is constructed, and the main circuit of ultrasonic ranging is designed. Secondly, based on the principle of time-of-flight detection, a fast algorithm for extracting envelope curves based on moving sinusoidal fitting is proposed for ultrasonic signals received in pulse transient excitation mode. By using this algorithm, the envelope curves are extracted from the traditional single-segment pulse excitation and the three-segment positive and negative pulse excitation proposed in this paper. Experimental results show that the algorithm is fast and reliable. Thirdly, the calculation of flight time under two excitation modes is realized respectively. The flight time is calculated by using the 1/2 envelope peak as the position feature and the transition valley as the position feature under the three-segment positive and negative excitation. The experimental results show that the three-segment positive and negative alternating excitation mode has more precision advantages. Fourthly, based on the principle of phase difference detection, a digital ellipse fitting algorithm based on least square method is proposed to obtain the real time phase difference between the excitation reference signal and the ultrasonic sampling signal. The real time phase difference is extended to absolute phase difference by phase unwrapping algorithm. The relative distance is calculated by the relation between the absolute phase difference and the wavelength of sound wave. Finally, the absolute ranging experiment and the relative ranging experiment are completed. The experimental results show that the absolute ranging accuracy is 1 mm, the measurement blind area is as low as 3 mm and the measuring range is 800 mm, which basically meets the design requirements and the related technical specifications. For relative ranging, at the limit sampling frequency of existing STM32 microcontroller, the maximum moving limit velocity of the measured object is 83.2 smm and the ellipse fitting error is less than 0.2 mm, which meets the requirement of ultrasonic relative ranging.
【學(xué)位授予單位】：湖北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB559

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1969436