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基于单片机的陆用超声多普勒计程仪的设计与实现
| 论文题名： | 基于单片机的陆用超声多普勒计程仪的设计与实现 |
| 关键词： | 陆用超声多普勒计程仪;单片机;压电换能器;软硬件设计;阻抗匹配;回波信号 |
| 摘要： | 在现有车载组合导航系统中,SINS/OD(惯导和里程仪)和DR(航位推算)组合系统中都需要里程仪测量车辆对地速度,测速精度直接影响车载组合导航系统的精度。然而,车辆打滑或者车轮半径发生变化时,里程仪的刻度因子会发生变化,导致测速精度不稳定,因此在需要高精度测速的场合下,里程仪难以满足要求。 为了克服里程仪的缺点,借鉴船用多普勒计程仪技术经验,本文拟设计一种高精度、低成本的新型测速仪器—陆用多普勒计程仪。它基于多普勒效应,使用压电换能器向斜下方发射一超声波,通过测量发射信号和经地面反射回来的接收信号间的多普勒频移,解算出车辆对地速度。 本文主要研究了陆用多普勒计程仪的设计方案和具体实现方法。完成了系统的软硬件设计,并进行了系统的测试和功能验证。该陆用多普勒计程仪以K60DN512微控制器为核心,先用K60DN512内部的PWM产生40KHz的脉冲方波,接着采用IR2111功率驱动芯片对方波进行D类功率放大,再加载到阻抗匹配网络以驱动压电换能器发出超声波。超声波遇到障碍物之后反射回来,被换能器接收。然后使用程控放大器PGA202对回波信号放大后,经OPA4132构成的带通滤波器滤除噪声信号,并由K60DN512内带ADC进行数据采集。 对于回波信号的处理,本文针对陆用多普勒计程仪具体应用背景,研究了过零检测、软件锁相环和复协方差三种频率估计的具体实现方法。使用MATLAB仿真工具分析了三种算法的计算量和测频精度。结果表明:复协方差法相对于其他两种算法,具有计算量小,测频精度较高,更适合硬件实现的优点。考虑硬件的可实现性,最终选择使用复协方差法对回波信号进行频率估计。 最后,对陆用计程仪的软硬件进行联合调试和仿真。在实验室环境下,测试各主要信号波形,结果表明:各主要波形的技术指标达到设计要求,各软硬件子系统工作稳定、可靠。由于压电换能器性能不足,陆用计程仪的测速精度指标没有达到预定要求。具体原因是:换能器的波束太宽,不同入射角的声线入射到地面,回波信号有不同的多普勒频移,造成多普勒频移扩展。结果使接收信号的频谱比发射信号频谱宽,最终引起较大的测速误差。为确保换能器的性能优良,应采用专业厂家生产的波束宽度很小的换能器。为测试测频算法的精度等级,使用MATLAB对测频算法进行仿真,结果表明:复协方差法测频误差明显小于过零检测法。测频算法精度等级满足测速精度要求,陆用计程仪的总体设计方案可行。 |
| 作者： | 赵海明 |
| 专业： | 导航、制导与控制 |
| 导师： | 黄卫权 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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