自主跟蹤行李箱的超聲波測控系統的實驗教學設計與開發

馬金玉, 張 濤, 馬鳳鳴, 謝東暉, 馬彥青

(1. 天津大學 精密儀器與光電子工程學院, 精密測試技術及儀器國家重點實驗室, 天津 300072; 2. 天津市計量監督檢測科學研究院, 天津 300072)

目前的自動跟蹤行李箱有視覺、GPS和回聲探測等方法。視覺法軟硬件開銷大、成本高、對照明有要求,GPS在室外效果較好,回聲探測距離短、辨識度弱[1-3]。設計和實現一套以應答式超聲波定位為基礎、能夠自動跟蹤聲源目標的行李箱測量與控制系統,可以彌補上述不足。涉及的知識和技能：數學建模與誤差分析；功率放大、信號調理、模擬濾波器、精密解調電路設計；采樣定理、欠采樣的理解和應用,數字濾波器設計,通過分析系統響應優化激勵信號；電機驅動與反饋控制；嵌入式系統設計，包括需求分析與資源分配及模數轉換、定時計數器、總線等的運用；計算機輔助設計和仿真應用。

該實驗鍛煉學生分析和解決工程問題能力，應用電路、信號處理、嵌入式系統設計等專業知識,和數學、聲學等基本原理,識別、分解和表達復雜工程問題。通過文獻、器件、工藝、價格等調查研究,以及靈活使用多種資源、工具,進行預測、模擬、優化、驗證,設計和開發出合理、可行的解決方案,并能體現創新意識。

1 項目設計思想

超聲波測控系統的工作流程如圖1所示,其中行李箱上安裝1個發射器和2個接收器,類似于雙耳系統；目標上安裝超聲波應答器。每次定位時,首先由行李箱發射詢問超聲脈沖,當目標的應答器識別到詢問信號時,發回應答信號,行李箱接收應答信號,通過對應答信號進行軟件和硬件方面的處理實現對目標的定位、跟隨。其中,利用耳間強度差和相位差測量目標方位角,利用回波的時延測量距離。

圖1 超聲波測控系統的工作流程

1.1 測量原理

如圖2所示,測量包括方位角測量和距離測量。當目標在遠場時,由于雙耳的幅度差不明顯,可利用雙耳相位差Δφ、聲波波長λ和兩耳間距2r計算目標方位角θ；當目標在近場時,由于雙耳的相位差不再滿足簡化條件,相位差和方位角的關系變得復雜,而幅度比較大、幅度差隨方位角變化比較靈敏,可采用雙耳強度差測量目標方位角[4-8]。距離d測量依靠詢問脈沖和應答脈沖的時延Δt和聲速c計算,該時延還需減去應答器的反應滯后時間。

1.2 系統結構

如圖3所示,系統包括傳感器、信號調理、處理器、電機控制與驅動、電源模塊等幾部分。其中傳感器模塊的超聲波應答器位于目標上,其余部分在行李箱上。

圖2 定位原理

脈沖發生器產生單頻脈沖,經過功率放大器,激勵超聲詢問器,超聲應答器的回波返給超聲詢問器,回波信號進入濾波放大電路。對濾波放大信號有3種方案可以實現方位與距離測量：既可以采用全軟件的方式,如DSP過采樣高速采樣和信號處理或者單片機欠采樣低速采樣和信號處理；也可以采用硬件+軟件混合的方式,即檢波之后通過單片機的超低速采樣和信號處理；還可以采用全硬件的方式,如精密檢波電路、數字整形,利用單片機的計數器測量相位差和包絡寬度差(對應幅度差)實現幅值和相位的測量。

系統根據方位角和距離,通過PID控制,完成電機驅動與控制,最終實現目標跟蹤功能。

圖3 系統結構

1.3 運動控制

跟隨目標的運動控制技術路線如圖4所示。首先測量方位角和距離相對于設定值的偏差,按照圖4所示的策略對行李箱的姿態、速度進行實時調整。跟蹤策略為：當距離d變大時,2輪同時加速,反之,2輪同時減速；當方位角偏右時,左輪速度變大；反之,方位角偏左時,右輪速度變大。行李箱的驅動可以采用步進電機也可以采用直流電機,功率放大器件全部采用主流的專用集成芯片。對于采用了有速度反饋的電機,可以對運動控制的偏差、滯后性、平滑性提出更加具體的指標要求。

2 教學實施進展

教學過程采用CDIO-OBE教學理念[9-12],啟發式、探究式和討論式相結合,以學生為本,把單聲道課堂變成雙聲道課堂,把教師教變成學生學,注重培養學生的創新能力、發現問題解決問題的能力、自主學習實踐能力、團隊能力和表達溝通能力(見表1)。

圖4 目標跟隨控制技術路線

實施環節思路目的教師任務學生任務關注重點或細節任務安排提前設計好任務分割和多種實現方案,由略到詳、由少到多,逐步公布和引導鍛煉學生獨立開發項目的能力和獨立設計/甄選方案能力,兼顧方向正確和自由發揮介紹項目意義和研究現狀,需求分析和任務分解,各子任務多個方案設計,確定公布策略按照教師提供項目背景,分析需求;按照教師提供的基本開發思路或原理進行方案設計通過提問的方式了解學生的知識儲備是否充足、基本思路是否合理,及時提醒學生需要補習和增強的知識、技能,及時指出問題并要求修正方案預習自學根據基本研究方案確定需要預習和自學的知識和技能,通過預習進一步完善方案強化學生的專業知識和技能,幫助其自主改進方案,鍛煉學生終身學習和學以致用的能力布置需要復習的測控電路、數字信號處理、自動控制原理的相關章節、聲學定位的必讀文獻、需要學會使用的軟件學習或練習教師布置的內容,并定期匯報經過學習對原方案有何改進或改變通過開卷答題的方式獲取學生的預習報告,檢驗學生對項目的關鍵技術的理解成熟度、思考是否深入嚴密、方案設計有何改進、是否有錯誤,及時反饋更正分組研討采用啟發式問題將學生一步步引向問題的本質,讓學生自己選擇解決方法、分析效果和成本加強工程開發思路的規范性訓練,提高方案論證的充分性和效率,改進方案設計的合理性組織研討會,引導學生利用所學知識從工程實際中提煉和解決關鍵技術問題2～3人一組,根據開發需求明確分工,對于每一子功能至少提出兩種實現方案,答辯通過后選擇一種實施在討論的過程中及時給予必要的專業提示和限定,確保學生在正確和規范的途徑上自由發揮,保證每組方案都合理可行;判斷解決問題的優先級和并行開發的思路是否合理現場教學與操作按照每個子任務方案的相似度分組進行,強調模塊化制作、調試思路,設計各個子任務的技術指標和開發操作規范的考核辦法,提前公布鍛煉學生動手能力和調試方法,鍛煉并行開發能力,試制演示模塊和樣機;提升規范、有序、并行、合作的開發精神經常巡視記錄,掌握每個團隊實驗情況、鼓勵完成更多任務;根據需要組織2-3次中期匯報,讓學生交流遇到的困難和解決途徑對于每個子任務選定一種方案通過搭建硬件電路、軟件編程、機械結構設計實現對分立功能的調試,通過整體裝配聯調實現系統功能教師重點了解學生在軟件和硬件系統調試時解決問題的方法;掌控實驗進程;幫助學生了解不同解決方案及其特點,拓寬其知識面和視野

表1(續)

3 考核評價內容與方式

3.1 考核內容

考核內容與方式,整體分為4大塊,分別是學生的前期準備質量、項目開發的性價比、任務完成情況和結題報告質量。

(1) 前期準備質量,占比30%。方案設計合理、論證充分及結論、理論推導正確，材料預算細致精確及人員分工、答辯情況。

(2) 項目開發的性價比,占比15%。焊接質量、裝配牢固、外觀美觀、成本、有無安全隱患、是否充分應用了計算機輔助及仿真技術。

(3) 任務完成情況,占比40%。完成數目和程度,實現或達到的技術指標、演示成功、可重復。

(4) 結題報告,占比15%。電路與程序調試方案、過程、結果,實驗數據記錄與處理分析,實驗照片及說明,成本核算、器件清單及損耗程度,改進計劃,答辯情況。

3.2 考查系統功能

任務功能完成情況通過3個層次的技術指標或功能演示進行考核。

3.2.1 基礎功能

(1) 對目標定位更新率大于10 S/s；

(2) 以數字方式顯示目標位置；

(3) 探測距離不低于6 m、精度不低于0.2 m,方位角測量精度優于±3°；

(4) 能夠隨著目標的移動而移動和轉彎。

3.2.2 擴展功能

(1) 具備回聲探測和規避障礙物的功能；

(2) 具備在使用者旁邊同步前進的功能；

(3) 具備近遠場定向測量自適應切換功能。

3.2.3 提高功能

(1) 能夠在多個目標中識別和跟蹤單個目標；

(2) 具備近遠場探測脈沖長度自動調節功能。

4 結語

采用應答式在原理上保證了測量精度,又增加了系統復雜度和拓展性,將學生的精力更多地聚焦到系統的優化實施、專業知識的學以致用等方面。通過外圍電路和處理器的開放式配置,實現測量任務在軟硬件之間靈活切換,充分體現了知識應用的綜合性和實現方法的多樣性。 實驗內容針對實際的社會、工程需求,讓學生在“用中學”“用中研”,采用主流技術,如DSP,規范開發標準,技術起點高。