超声红外定位系统抗干扰技术研究

作     者：秦运柏 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙晓颖

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：声干扰 超声定位 电子白板 抗干扰技术 互相关 动态双阈值 

摘      要：超声红外定位技术通过测量超声波传播时间(time of flight, TOF)实现定位,广泛应用于电子白板、机器人导航、虚拟现实等领域。在实际应用中,声辐射干扰、声反射干扰、红外干扰以及电磁干扰会严重影响到系统定位性能,甚至会导致系统定位功能失效,提高抗干扰能力依旧是超声红外定位系统面临的主要技术难题。 本文以超声红外电子白板为平台,研究声辐射干扰和声反射干扰的抑制算法,完成红外干扰和电磁干扰的硬件电路优化设计,综合提高了超声红外定位系统的环境适应性。 针对声辐射干扰问题,分析近4000组实测数据,发现声辐射干扰会使接收信号包络产生断点,根据这一特征信息,研究了声辐射干扰抑制算法。通过二阶差商最大值获取实测信号断点时间,再在理想的超声信号上得到与断点相应的时间点,利用该点的泰勒级数替代断点以前的波形,降低了声辐射干扰的影响。仿真结果表明,在有无声辐射干扰的条件下,该算法均能有效地恢复超声信号。 推导出人为随机操作、划分网格不均匀等测试因素与系统测量误差的定量关系,根据系统测量误差对比分析了所研究的声辐射干扰抑制算法与互相关法、NLMS算法的性能。在错误点数不超过46的情况下,该算法的运算量小于上述典型算法的1/10,为算法的实用化提供了理论依据。 针对声反射干扰问题,研究了互相关法与优化动态双阈值相结合的声反射干扰抑制算法。互相关法包含粗相关法和细相关法两个过程,粗相关法用于判断声反射干扰的存在,细相关法用于精确的时延估计,优化动态双阈值分离反射干扰与信号以及为细相关法提供模糊时延。仿真结果表明,该算法不仅能消除声反射干扰对系统定位性能的影响,还可满足0.5mm系统定位精度的要求。 针对红外和电磁干扰问题,进行低噪声接收电路、红外电路以及低噪声PCB等优化设计,实现了低噪声放大电路信噪比不低于10 dB,红外电路干扰电压峰值不超过800 mV等性能指标,降低了这些干扰对系统定位性能的影响。 创新性工作如下: (1)根据近4000组实测数据的分析,发现声辐射干扰具有使接收信号包络产生断点的特征,在此基础上,提出了利用理想波形替代断点之前波形的声辐射干扰抑制算法。仿真表明,该算法能有效地抑制声辐射干扰。 (2)推导出系统测量误差与人为随机操作、划分网格不均匀等测试因素间的数学表达式,为算法误差分析提供了理论依据,通过与典型算法的运算量与错误点数的对比分析,验证了所提的声辐射干扰抑制算法的可行性和优越性。 (3)提出了优化动态双阈值与互相关法相结合的声反射干扰的抑制算法,实现了声反射干扰与信号的分离,达到0.5mm的动态定位精度,提高了超声红外定位系统的环境适应性。上述工作为超声红外定位系统提供了新的抗干扰方法,为提高超声红外定位系统的环境适应性提供了系统解决方案,对电子白板、虚拟现实跟踪定位装置等产品研究与开发具有一定的参考价值。