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《湖北工业大学》 2017年
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基于数字解调的对射式超声波测距方法研究

赵治俊  
【摘要】:超声波测距技术在汽车倒车雷达、机器人定位系统、金属探伤等工业测控领域应用广泛。科研生产中对超声波测距的精度和测量盲区及测量速度提出越来越高的要求。为此,本文设计了一种基于数字解调的对射式超声测距系统,降低了测量电路的复杂性。针对绝对测距和相对测距两种模式,提出了两种直接数字的信号处理算法,提高了系统的测量精度。通过嵌入式系统软件算法的的编程实现,完成了超声信号的数字解调,并进行了大量实验和数据分析,验证了算法的可行性。具体研究内容如下:首先,在查阅国内外大量关于超声波测距文献的基础上,进行了系统方案设计,构建测量系统的总体框架,设计了超声波测距的主要电路。其次,应用飞行时间检测原理,针对脉冲瞬态激励模式下的超声接收信号,提出了一种基于移动正弦拟合的包络曲线快速提取算法。运用这种算法,分别对传统的单段式脉冲激励与本文提出的三段式正反交替脉冲激励条件下的超声接收信号实现了包络曲线的提取。实验表明,这种包络提取算法速度快,结果可靠。第三,分别实现了两种激励模式下的飞行时间的计算。单段式脉冲激励下,应用二分之一包络峰值点作为位置特征进行飞行时间计算;三段式正反交替激励下,应用过渡谷点作为位置特征实现飞行时间的计算。并通过实验比较发现,三段式正反交替激励模式具有更大的精度优势。第四,应用相位差检测原理,针对超声连续激励模式,提出一种基于最小二乘法的数字椭圆拟合算法,实时获取激励参考信号与超声采样信号的实时相位差,并通过相位解包裹算法将实时相位差扩展为绝对相位差。通过绝对相位差的变化与声波波长成正比的关系,计算出相对距离值。最后,完成了绝对测距实验和相对测距实验。实验发现改进的三段式正反脉冲交替激励模式绝对测距精度达到1mm,测量盲区低至3mm,量程为800mm,基本满足了设计要求和达到了相关测量技术指标。对于相对测距,在现有STM32单片机的极限采样频率下,每周期采样21点,被测对象能够达到的最大移动极限速度为/83.2sm,椭圆拟合误差小于0.2mm,满足超声相对测距的要求。
【学位授予单位】:湖北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB559

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