高精度超声波单探头测距与多探头定位技术的研究

摘要

超声波测距技术较比其它测距技术具有:低成本，高性能，抗电磁干扰能力强，不受光线、被测物体颜色影响等优势。广泛应用于车辆行驶，液位、物位测量，探测领域，智能机器人的定位和避障中。 目前市面上的超声波测距模块的测距范围一般较小，精度不高。而现在普遍使用的超声波定位系统中的定位算法，需要求解非线性方程组，解法较复杂，计算时间较长，这样不利于系统的实时性。所以针对以上问题本文主要做了如下内容: (1)深入研究超声波的传播过程，设计了一款驱动电压达到100V以上的大功率超声驱动电路。并且为了减小大功率驱动对探头惯性振动时间的影响，做了减小探头惯性振动时间的设计; (2)设计并完成了包括:程控放大、带通滤波、二级放大、包络检出、双阈值比较等环节的超声波信号接收电路。并通过WiFi信号校准发射和接收电路的时基; (3)利用DSP的捕获功能成功准确采集出超声波回波信号，编写并完成了基于C8051F020(发射板控制器)发射程序和TMS320DSP2812(接收板控制器)接收信号采集程序。编写了LabVIEW上位机程序，显示被测目标的运动轨迹。 (4)提出一种新的、高效准确的定位算法，并详细阐述了方法的定位原理及思想。通过实验验证其可行性。 (5)在室内情况下，对系统的测距、定位精度进行测试。详细分析系统的误差及误差产生的原因。对10m范围内测距绝对误差小于5cm，1-10m范围内测距相对误差小于1％。系统在测量范围内的xy方向定位绝对误差小于5cm。

目录

声明

摘要

1．1研究背景与意义

1．2超声波技术的发展现状

1．2．1超声波测距技术

1．2．2超声波定位技术

1．3本课题的主要研究内容

第2章超声波检测系统原理

2．1超声波测距技术

2．1．1超声波的传播特性

2．1．2超声波换能器

2．1．3超声波测距技术原理

2．2超声波定位技术原理

2．3本章小结

第3章超声波定位系统硬件设计

3．1发射电路设计

3．2接收电路设计

3．2．1差分程控放大器设计

3．2．2滤波器和二级放大器设计

3．2．3包络检出电路设计

3．2．4双比较器和电源管理设计

3．3时基同步模块

3．4接收主控芯片DSP2812

3．4．1 DSP2812最小系统

3．4．2电源管理芯片

3．4．3串口通信

3．5系统硬件PCB图与实物图

3．6本章小结

第4章超声波检测系统软件及算法

4．1超声波测距算法

4．1．1理想包络曲线

4．1．2在时间域和幅值域具有扰动的包络曲线

4．1．3算法原理

4．2超声波定位算法

4．2．1算法原理

4．2．2定位部分软件流程

4．3系统软件流程

4．3．1发射部分软件流程

4．3．2接收部分软件流程

4．4本章小结

第5章实验及数据分析

5．1上位机软件设计

5．2测距实验与数据

5．2．1测量数据及盲区分析

5．2．2系统误差分析

5．3定位实验与数据

5．3．1 x、y坐标定位数据及误差分析

5．3．1 z坐标定位数据及误差分析

5．4本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢