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管内无缆微型泳动机器人在线定位技术的研究

刘煜  
【摘要】:微型机器人由于具有惯性小,谐振频率高,响应时间短等特点,使其在生物医学、航空航天、军事等方面显示出广阔的应用前景。微型机器人要完成检测、维修作业,必须要形成高度自治的控制系统,其自身定位能力是关键。由于管内无缆微型泳动机器人本身的特点,其位置和速度的非接触式在线定位检测一直是个难题。因此本文提出了一种基于超声波原理的非接触式管内无缆微型泳动机器人的在线定位检测的新方法。 本文首先对管内微型机器人作了介绍,分析了管内无缆微型泳动机器人研究现状、主要研究内容及相关技术。接着对各种机器人测距方法和传感器进行了比较分析,对超声定位原理、机器人结构设计、超声回波信号衰减补偿、超声波定位算法等管内无缆微型泳动机器人定位中的理论问题进行了深入研究。简述了超声波定位系统的整体设计和特点,对本课题的研究价值和难点作了分析。重点介绍了管内无缆微型泳动机器人在线定位系统的研制,在研究中主要解决了以下问题:(1)为避免模拟、数字信号之间的干扰以及发射电路的影响,将定位系统电源分离,使模拟、数字信号分离开来。同时设计了超声波接收、发射切换电路,使发射和接收电路完全隔离。 (2)为使信号到达数据采集电路后稳定可靠,设计了自动增益控制电路,该电路在FPGA中实现,自动完成自动增益控制功能,不需占用CPU的控制端口和处理时间。(3)为减少无效信号对系统资源的消耗,我们设计了有效数据判断模块,根据超声回波波形开始和终止数据采集。(4)使用FPGA设计了数据采集电路,降低了成本,提高了可靠性,系统具有升级容易、开发周期短等优点。另外还采用了两块双口RAM缓存结构,节省了CPU处理时间与其他资源,CPU采用基于ARM内核的LPC2106。(5)本文使用一种结合渡越法和相位测量法各自优点的超声波测量方法,实现了213.6ns的时间分辨误差,在水中定位方法本身引起的误差只有0.317mm。 实验测量结果表明,经过调试和改进后的定位系统工作稳定可靠,测量误差不超过0.394mm。通过对测量误差的分析以及对测量精度的计算,说明本方案切实可行。


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