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】：超聲波測距技術(shù)在汽車倒車?yán)走_、機器人定位系統(tǒng)、金屬探傷等工業(yè)測控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛�？蒲猩a(chǎn)中對超聲波測距的精度和測量盲區(qū)及測量速度提出越來越高的要求。為此,本文設(shè)計了一種基于數(shù)字解調(diào)的對射式超聲測距系統(tǒng),降低了測量電路的復(fù)雜性。針對絕對測距和相對測距兩種模式,提出了兩種直接數(shù)字的信號處理算法,提高了系統(tǒng)的測量精度。通過嵌入式系統(tǒng)軟件算法的的編程實現(xiàn),完成了超聲信號的數(shù)字解調(diào),并進行了大量實驗和數(shù)據(jù)分析,驗證了算法的可行性。具體研究內(nèi)容如下:首先,在查閱國內(nèi)外大量關(guān)于超聲波測距文獻的基礎(chǔ)上,進行了系統(tǒng)方案設(shè)計,構(gòu)建測量系統(tǒng)的總體框架,設(shè)計了超聲波測距的主要電路。其次,應(yīng)用飛行時間檢測原理,針對脈沖瞬態(tài)激勵模式下的超聲接收信號,提出了一種基于移動正弦擬合的包絡(luò)曲線快速提取算法。運用這種算法,分別對傳統(tǒng)的單段式脈沖激勵與本文提出的三段式正反交替脈沖激勵條件下的超聲接收信號實現(xiàn)了包絡(luò)曲線的提取。實驗表明,這種包絡(luò)提取算法速度快,結(jié)果可靠。第三,分別實現(xiàn)了兩種激勵模式下的飛行時間的計算。單段式脈沖激勵下,應(yīng)用二分之一包絡(luò)峰值點作為位置特征進行飛行時間計算;三段式正反交替激勵下,應(yīng)用過渡谷點作為位置特征實現(xiàn)飛行時間的計算。并通過實驗比較發(fā)現(xiàn),三段式正反交替激勵模式具有更大的精度優(yōu)勢。第四,應(yīng)用相位差檢測原理,針對超聲連續(xù)激勵模式,提出一種基于最小二乘法的數(shù)字橢圓擬合算法,實時獲取激勵參考信號與超聲采樣信號的實時相位差,并通過相位解包裹算法將實時相位差擴展為絕對相位差。通過絕對相位差的變化與聲波波長成正比的關(guān)系,計算出相對距離值。最后,完成了絕對測距實驗和相對測距實驗。實驗發(fā)現(xiàn)改進的三段式正反脈沖交替激勵模式絕對測距精度達到1mm,測量盲區(qū)低至3mm,量程為800mm,基本滿足了設(shè)計要求和達到了相關(guān)測量技術(shù)指標(biāo)。對于相對測距,在現(xiàn)有STM32單片機的極限采樣頻率下,每周期采樣21點,被測對象能夠達到的最大移動極限速度為/83.2sm,橢圓擬合誤差小于0.2mm,滿足超聲相對測距的要求。
[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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB559

【參考文獻】

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本文編號：1969436