无串扰超声测距系统硬件电路设计与建模

论文摘要

近年来,超声测距传感器被广泛用于移动机器人避障系统。与激光、红外线、无线电波和图像等避障传感器相比,超声传感器具有成本低、受环境影响小等优点。但是,超声传感器在移动机器人上的应用也遇到了困难,比较突出的问题是当多个超声换能器同时工作时存在的超声串扰现象。超声串扰严重地影响了机器人的测距精度,也阻碍了超声传感器在机器人上的应用。为解决超声串扰问题,一些学者提出了不同的解决方法,其中比较好的思路是基于硬件电路的相关匹配法。然而,实现这一思路的硬件电路尚不理想。本文在对传统超声测距系统深入分析及反复实验的基础上设计了集发射与接收于一体的硬件电路,并对超声发射与接收电路各组成部分和主要器件的功能做了详细解释。此电路具有测量距离远、盲区短,测量信号失真小、精度高,动态范围大、接收信号稳定,成本低、适合推广等特点。采用自回归滑动平均（ARMA）模型及Prony参数估计方法建立了此超声测距电路的输入-输出传递函数,并通过实验验证了传递函数的准确性。此模型的建立可便于无串扰超声测距系统对脉冲编码和调制方式的选择,省去了繁琐的硬件验证,可满足理论研究和仿真的需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义及背景
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 基于启发式思想的软处理法
• 1.2.2 基于硬件的编码法
• 1.3 研究思路
• 1.4 主要贡献
• 1.5 内容安排
• 1.6 本章小结
• 第二章 超声换能器原理
• 2.1 超声波基本理论
• 2.1.1 超声波的三大特性参数
• 2.1.2 超声波的性质
• 2.2 超声换能器原理
• 2.2.1 超声换能器的主要性能指标
• 2.2.2 超声换能器的分类
• 2.2.3 静电超声换能器原理
• 2.2.4 Polaroid 600 系列换能器
• 2.3 超声测距原理
• 2.4 超声串扰
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声测距系统的硬件电路设计
• 3.1 超声测距系统电路方框图
• 3.2 超声测距系统电路原理图
• 3.2.1 电路连接图
• 3.2.2 发射及检测电路原理图
• 3.2.3 滤波电路原理图
• 3.2.4 自增益放大电路原理图
• 3.2.5 整形电路原理图
• 3.2.6 开关控制电路原理图
• 3.3 超声测距系统各电路单元设计原理
• 3.3.1 发射电路及检测电路设计原理
• 3.3.2 滤波电路设计原理
• 3.3.3 自增益放大电路设计原理
• 3.3.4 整形电路设计原理
• 3.3.5 开关控制电路设计原理
• 3.4 本章小结
• 第四章 超声测距系统的参数化建模
• 4.1 超声测距系统线性的理论分析
• 4.1.1 电器元件分析
• 4.1.2 超声测距系统等效电路的分析
• 4.2 超声测距系统线性的实验验证
• 4.3 超声测距系统的参数化建模
• 4.3.1 三种参数模型
• 4.3.2 模型参数估计方法
• 4.3.3 Prony 方法
• 4.4 超声测距系统模型的建立
• 4.5 超声测距系统模型的验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验数据与分析
• 5.1 发射电路、检测电路、自增益放大电路输出信号波形的测量
• 5.1.1 单脉冲激励
• 5.1.2 四脉冲激励
• 5.1.3 八脉冲激励
• 5.1.4 十六脉冲激励
• 5.2 自增益放大电路性能测试
• 5.3 整形电路性能测试
• 5.4 超声波测距结果
• 5.5 数据分析与结论
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢