隋卫平[1]2003年在《高精度实时超声测距技术研究》文中研究表明本文围绕在恶劣环境下如何实现高精度超声实时测距这一主题，对超声测距系统的系统结构以及测距算法进行了研究和探讨。 文章首先研究了超声换能器的工作机理，通过理论推导并与实验相结合，设计了一种适合中小功率换能器的驱动电源：研究了超声波在空气中传播的衰减特性，设计了自动增益控制电路，扩大了超声信号处理的动态范围和处理精度；采用系统级芯片搭建了一套超声测距系统的硬件平台；通过实验验证，系统具有较强的噪声抑制能力，可以在一定程度上扩展超声换能器的作用距离。 其次，文章研究了传统的自适应延时估计测距算法，分析了算法性能上优点和缺点：通过研究超声回波包络信号的一致性特点，提出了基于回波包络的最小均方延时估计算法，并对算法进行了软件仿真，分析了算法的性能，最后进行了实际验证，理论分析和实验结果相一致。 最后，文章讨论了自适应滤波器的收敛过程与滤波器权系数之间的关系，提出了一种新的快速自适应延时搜索算法，并在搭建的超声测距实验系统上进行了验证，达到了预期的目的。
曹伟伟[2]2016年在《基于STM32化工原料储罐液位超声检测系统》文中研究说明超声波测距性能稳定,便于使用,实际的化工生产中,密闭的储料罐中部分液体产品由于有毒或具有腐蚀性无法方便的对液位深度进行实时监测,可以利用超声检测手段方便精确的完成测量。当前,市面上出售的各种超声波测距产品基本上均以空气测距为主,液体测距这一块产品不多,即使有售价也相当昂贵。基于此现状,本文设计了一套以STM32主控芯片(型号具体为STM32F103VET6)并结合其自身携带的高精度A/D模数转换器为核心的便携式超声波液体测距仪,可以实现原料储罐中液体高精度、实时性的测量需要。本设计系统的硬件部分采用分模块设计的思路,用以实现超声波的发射、接收、信号调理、数据采集和实时显示等功能。硬件器件的选材上都使用了精度高、噪声低等性能优良的元器件,超声波的发射部分主要包括STM32定时器的PWM驱动信号,MOS管和变压器组成的用以实现功率放大的正激式开关电源两块内容。针对回波夹杂的成分比较复杂的问题,对接收的回波需要设计专门的处理电路,目的是为了放大微小的回波信号、滤除夹杂在回波中的噪声干扰信号,硬件上初步处理送入ADC采样的模拟信号,提高测量精度。软件设计中提出了利用阈值和存储地址反推回波峰值所在时刻的方法,简化了硬件电路设计,可以有效的检测出回波到达的峰值。对测试结果进行测试实验,结果显示,本文设计的液体测距系统以水为测试环境,实现了实时精确测量,且成本较市场需求而言很低,在实际的工程应用方面具有一定的前景。
寇雪芹[3]2015年在《塔机障碍物远距离超声测距方法与识别机理研究》文中进行了进一步梳理塔式起重机(以下简称塔机)是建筑施工行业中的标志性装备,具有高空作业、重心高、工作幅度大的特点,广泛应用于建筑工地上的水平和垂直吊装。随着城市基础建设规模的不断扩大,塔机之间的碰撞以及塔机与周边障碍物的碰撞概率随之增高,由此造成的重大事故时有发生且呈上升趋势。针对目前塔机防碰撞监测技术存在的不足,本文基于主动式测障以及预警思想,研究塔机周边障碍物远距离超声传感测距以及障碍物超声回波特征识别方法,具有重要的理论和工程意义。本文完成的主要研究工作及创新性成果有:针对项目组研制的远距离超声测量硬件装置,构建了基于虚拟仪器的超声测量系统并对其进行了系统优化实验研究。设计了基于Lab VIEW的上位机软件,具有超声信号的采集与分析等功能;根据超声学和振动学理论,分析了超声信号回波过程及其产生机理;根据发射激励脉冲个数与超声回波幅值关系的实验,优化了远距离超声测量系统的发射参数。通过障碍物距离实验和超声波入射角实验,证明了该测量系统对30米范围内障碍物检测的有效性。针对传统数字滤波对峰值坐标有时间延迟且信噪比较低、影响测距准确度和目标信号的检测等问题,提出了适合分析非平稳超声信号的小波改进阈值消噪算法。根据超声回波信号噪声特点,确定了消噪评价指标。通过实验,分析了传统数字滤波算法在超声回波信号消噪前后的延时、信噪比和均方误差等方面的不足。根据小波阈值消噪的方法,提出了一种新的参数可调阈值函数。应用小波改进阈值消噪算法进行了仿真和实验研究,结果表明:改进阈值函数具有良好的消噪效果和灵活的调节性,提高了测量系统的抗干扰能力。研究了利用超声信号回波模型进行远距离测距的方法。利用模型仿真和实验装置详细分析了传统的阈值法和互相关法在远距离超声测距方面的抗噪性、精度、稳定性和适用性情况,针对二者测距存在的不足,研究了超声回波受迫上升段波形与超声激励脉冲的关系,建立了回波的包络曲线时域信号数学模型,并提出了改进的包络峰值法和峰值结合包络模型法两种测距方法。仿真和实验表明改进的测距算法的远距离测距性能优于传统的测距法,对单障碍物和多障碍物的远距离测距都能满足工程实际精度要求。研究了障碍物远距离超声回波幅值模型和识别机理。通过理论推导和实验分析,研究了传感器张角与距离的关系,得到不同距离的张角能量系数;研究了不同距离处对应的最大有效圆面积和障碍物面积的比例关系,得到面积比例系数;分析了角类、面类、柱类障碍物的回波特点,综合各影响因素,建立了典型材质和形状障碍物的超声回波幅值模型。分析了传感器入射角对回波的振动时间特征的影响,研究了传感器小倾角范围内不同材质引起的回波差异,对它们的回波进行时域和时频域特征提取,采用基于欧式距离判据的特征评价和支持向量机进行材质的分类识别,识别效果良好。
曹玉华[4]2007年在《超声测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用》文中指出自主式移动机器人是目前机器人领域的研究重点之一,因它有着广阔的科研空间和应用潜力。而要获得完全自主意义的移动机器人,即在完全未知的环境下完成各种智能任务,成功的避障是最基本的要求。本文主要介绍超声测距系统及其在机器人模糊避障中的应用。第一章首先讨论了机器人技术的研究发展,及应用情况。介绍了机器人研究自始至今的叁个发展阶段。陈述了国外研究成果和动向,并介绍了我国机器人研究进展情况和战略规划。而且对超声测距在机器人导航、路径规划、避障等方面的应用发展概况进行了一般性的介绍和总结,最后提出了本研究工作意义,并阐述了本文的主要内容。第二章介绍了机器人的整个硬件系统。以ATmega128为控制核心,包括直流电机,速度传感器,电源模块等的设计。这部分只作为超声测距及用于机器人模糊避障的硬件平台。因此,本论文对此并未作较深研究和设计。第叁章详细介绍了超声测距系统。超声测距的原理以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离。本部分阐述了超声测距技术及其应用,介绍了具体的软硬件设计。为了提高超声测距的精度,采取了温度补偿等措施。第四章论述了机器人基于超声测距的模糊避障算法。首先简述了模糊控制理论,在此理论基础上,建立了机器人避障的模糊规则,利用超声测距的结果,使得机器人完成避障动作。最后,对全文工作进行了总结,指出了今后进一步的研究方向。
王丽娜[5]2009年在《基于小波变换高精度在线超声波测距技术研究》文中提出超声波测距系统以其价格低廉、易实现等优点被广泛应用于工业领域。测量精度和实时性是评价超声波测距系统的两个重要指标,本文设计了高精度超声波长度实时测控系统,同时解决了超声波测距的测量精度和实时性问题,对超声波测距的工业应用具有很高的实用价值。本文在分析了超声波测距技术和小波理论发展现状的基础上,指出了超声波测距方法和常用超声波信号处理方法,分析了小波变换理论。重点研究了小波去噪技术在超声波测距中的运用,指出了目前超声波测距系统存在的问题,并对超声波测距系统的精度问题进行了总结。本文提出了一种实时工件长度测量原理与实现方法,成功设计了超声波长度实时测控系统,对系统构成进行分析,并给出了详细的误差分析,实验运行结果表明,实际测量的误差与误差分析基本吻合。最后本文采用小波变换对超声回波进行去噪,对回波去噪算法进行优化,并利用MATLAB进行仿真。仿真结果证明,利用小波变换对测距回波信号进行二次去噪,这种测量方法比以往别的传统方法更加精确,充分证明了基于小波变换超声波回波去噪算法的有效性和可行性,实现了高精度的工件长度在线测量。
靳霖霖[6]2009年在《面向泊车的超声检测技术研究》文中进行了进一步梳理本文以自动泊车系统为应用背景,从泊车用超声传感器系统、高稳定性超声波测距处理算法以及基于超声传感器的倒车环境感知技术等叁个方面展开了深入的理论研究并完成了主要的实验验证。具体完成的主要工作包括:(1)针对自动泊车系统的功能需求,研究了各种超声波换能器的性能特点,对泊车用多超声传感器进行了选型,测定了车位检测超声波换能器的中心频率;设计并制作了基于单片机的超声传感器系统硬件平台,能够完成不同采样频率的设定,超声通道的选择,实时地显示超声波测量的泊车车位轮廓,并能记录超声检测的结果等功能,具有功能强大、抗干扰能力强的优点。(2)在超声测距处理算法的研究方面,本文分析了调制解调系统的抗噪声性能和对系统处理增益的影响,研究了数字相关法与匹配滤波器的等价性;说明了伪随机码在测距过程中相比单脉冲调制信号的优越性,并使用包络相关解调算法实现了伪随机码数字相关测距;引入并使用了两步相关快速测距算法,使相关计算的速度得到提高。而且,面向泊车系统应用,提出了相关函数估计法的一种新的实现方案,使相关函数算法在实时系统中得到了较好地的应用。(3)根据泊车系统主动安全的需求,研究了倒车障碍物超声检测。在深入研究Polaroid 600超声波传感器波束角的基础上,建立了该传感器的检测区域模型;设计了泊车用超声传感器阵列,并对其探测范围、安全预警区域划分、工作时序进行了探讨;详细分析了在获取不同数量的距离信息的情况下的超声数据融合算法,推导出障碍位置的计算公式;根据倒车过程中避碰的功能需求,分析了两种倒车情况下汽车发生碰撞的原因,并设计了汽车间隙传感器,建立了基于超声检测的倒车环境模型。对汽车倒车环境感知技术的研究,为进一步建立基于多类型传感器信息融合的环境模型做了一些基础性工作。
祝琴[7]2006年在《扩频技术在超声测距系统中的应用研究》文中认为超声测距技术在物位测量、车辆安全行驶辅助系统、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等领域具有广阔的应用前景。一般的超声测距系统作用距离都不大,使其应用推广受到了较大的制约。本文将研究大作用距离、高精度的超声测距技术,以及扩频技术在超声测距系统中的应用,这对于超声测距技术的发展具有重要意义。主要研究内容包括:1.根据换能器的技术指标,对换能器压电振子的类型和参数进行了选择。从总体上分析了超声测距系统的工作原理及其组成部分,并指出了发射和接收电路设计的关键环节,讨论了测量中可能存在的误差来源,并给出了补偿措施。2.设计了一种新型的超声换能器驱动电路和高精度的回波接收电路。为提高系统的机电能量转换效率,对换能器采用了阻抗匹配技术,并对发射电路进行了优化设计,最后给出了超声测距的实验结果。3.研究了伪随机码扩频在超声测距系统中的应用及其相关的信号处理算法。分析了m序列参数选择方法及其与超声载波的调制方式,建立了超声扩频测距时延估计模型,研究了基于FFT的常规时延估计算法及其改进算法,给出了实验结果。最后,分析了超声测距的精度问题。实验表明,本超声波测距系统的量程大于32米,超过了美国AIRMAR公司的同类产品(Airducer AR30)。目前,这项研究成果得到了初步应用,为解决“未知环境中移动机器人导航控制理论与方法研究”(国家自然科学基金重点项目,60234030)和“无人作战平台”(部委“十·五”预研项目)的远距离野外目标探测问题提供了技术支持。
冷强[8]2015年在《高精度超声波测距方法与装置的研究》文中研究指明在一些高危、强磁干扰或无光线的环境下,超声波测距作为一种实时、简单易用的非接触测量技术得到了广泛的应用。超声波有着很强的指向性,且是低频波,在空气中传播时能量消耗慢,而且相比于激光,其传播速度慢易于实时控制测量,同时对色彩不敏感,可用于带烟雾的环境中。然而,传统的渡越时间法由于在换能器两端施加偏置电压的瞬间,其振子不会立即起振,则产生一定的时延,而在接收端同样也是,这就导致了超声测距的精度下降。同时接收端由于要对带有杂波的微弱信号进行前置放大,将可能导致信号丢失或缺失,降低了传统的渡越时间法的测量精度。为了提高超声波测距的精度,本文研究了适用于高精度超声波测距的双频相位差法。该方法采用两列不同频率的连续超声波,在两列波声速、频率已知的情况下,可以通过相应的相位差来确定探头与障碍物间的距离。这种方法使用连续发射的超声波,解决了振子起振时延的问题,很大程度上减少了渡越时间法里出现的测距误差。但是由于超声波的频率特性限制,双频相位差法的测距范围受到很大限制。为此,本文在双频连续波相位法的基础上进行了进一步的研究,综合渡越时间法对其进行量程上的扩展,设计一套以双频连续波相位差超声测距方案为核心、以传统的超声测距渡越时间法为辅助的综合超声波测距系统。最后经过实验平台搭建测试,系统的各个指标、波形基本符合方案的设计需求。文章最后对设计的系统进行了误差分析,并给出提高准确性和精度的一些建议。
刘建一[9]2009年在《基于ARM的超声波测距系统研究》文中认为超声波测距技术在车辆避障与安全预警系统、车辆自动导航和现场机器人等技术专题中具有广阔的应用前景。近年来,嵌入式技术发展迅速,极大地促进测距仪器向性能优越、价格便宜、操作简便的方向发展。基于嵌入式操作系统的超声波测距仪器成为目前的研究热点。本文提出了一种基于ARM技术的超声波测距系统方案。方案采用了叁星公司的嵌入式处理器S3C2410作为系统的硬件平台,将嵌入式Linux操作系统移植到该平台上,并开发相应的设备驱动程序。同时本方案还引入高性能嵌入式GUI系统开发工具包—Qt/Embedded,并在此基础上开发超声波测距系统的图形用户界面。本文在超声测距的理论上和技术上主要对以下内容进行重点研究:(1),文章研究了测距原理和超声波传感器工作机理,以增大超声测距系统的作用距离为主要目标,对超声测距发射电路、接收电路和信号处理算法等各方面进行系统的理论研究与验证。(2),在提高实时性方面,成功的在硬件平台上移植了高实时的Linux操作系统,提高了系统实时处理能力。(3),在超声波回波信号降噪算法研究方面,对超声波回波信号数字信号处理中的自适应FIR带通滤波器的一些问题进行了分析研究。本方案采用嵌入式模块化设计,便于升级和维护。为今后超声波测距系统的研制提供了一种切实可行的高性能解决方案,并对其它嵌入式应用系统而言有很好的参考应用价值。
安啸[10]2012年在《非接触式测距技术在工业现场的应用研究》文中研究说明随着自动化和信息化的发展，我国机械工业的制造水平和竞争力有很大的提高，但是工业化进程的加快和自动化水平的提高对测距技术和测量水平的发展也有新的要求。因此实现非接触式测距技术与工业生产的融合才能适应现代化工业技术的发展要求，才更具有研究意义。超声波测距技术就是一种常见的非接触式测距技术，本文根据超声波测距基本原理和工业生产要求，设计了一种基于防撞功能，以保证工业安全生产的超声波测距系统。本文主要进行了四个方面的研究。一是通过对超声波和超声波测距技术的系统全面的介绍分析，提出了超声波测距系统的总体设计方案。二是对测距系统进行了硬件方面的设计。包括单片机最小系统、超声波的发射电路、超声波的接受电路、电源转换电路、测温电路、工件检测部分及及其他外围电路部分的设计。叁是根据测距系统的逻辑关系编写了系统的流程图并运用C语言和STC89C52单片机的编译环境Keil完成了测距系统软件的设计。四是进行超声波测距系统的实验并在实验结果的基础上，结合一些影响超声测距的因素，对系统进行了误差分析。该测距系统通过实验表明各主要波形及技术指标均达到设计要求。该系统具有硬件结构简单、成本低、工作稳定、精度高等优点，并能实现物流小车距离的实时显示和报警功能，在有限范围的距离测量及预警具有较高的精度和可靠性。本系统具有一定的代表性，对于其他非接触式测距系统的设计具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]. 高精度实时超声测距技术研究[D]. 隋卫平. 国防科学技术大学. 2003
[2]. 基于STM32化工原料储罐液位超声检测系统[D]. 曹伟伟. 上海应用技术大学. 2016
[3]. 塔机障碍物远距离超声测距方法与识别机理研究[D]. 寇雪芹. 西安建筑科技大学. 2015
[4]. 超声测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用[D]. 曹玉华. 中国海洋大学. 2007
[5]. 基于小波变换高精度在线超声波测距技术研究[D]. 王丽娜. 长春理工大学. 2009
[6]. 面向泊车的超声检测技术研究[D]. 靳霖霖. 国防科学技术大学. 2009
[7]. 扩频技术在超声测距系统中的应用研究[D]. 祝琴. 国防科学技术大学. 2006
[8]. 高精度超声波测距方法与装置的研究[D]. 冷强. 华北电力大学. 2015
[9]. 基于ARM的超声波测距系统研究[D]. 刘建一. 河北工程大学. 2009
[10]. 非接触式测距技术在工业现场的应用研究[D]. 安啸. 长安大学. 2012
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