雙頻超音波測距研究

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姓名

陳凱志(Kai-Chih Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

雙頻超音波測距研究
(Research in Dual-Frequency Ultrasonic Distance Measurement)

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摘要(中)

本文提出兩個新的超音波測距方法，第一個為雙頻式測距法，其綜合使用兩種不頻率超音波叢波之所有可偵測的波峰波谷到達時間差數列來估算波前到達時間，作為飛行時間(TOF)測距法的依據，以提高傳統飛行時間測距法的準確度；另一為考量量測效率，為了能在固定時間內做更多次的量測，而發明的變頻式訊號取代先前的二次頻率發射，目的在於除了有好的量測準確度之外，希望能再固定時間內作最多次的距離量測，若能提高量測的準確度以及效率，對於未來『動態物體距離量測』工作有相當大的幫助。
由模擬數據可以驗證上述兩種訊號的到達時間測距分析方法都也很好的準確度，相較於傳統第一個跨越門檻時間之測距方法有相當大的改善，模擬量測數據顯示雙頻式訊號測距有4.15um的最大誤差量；變頻式訊號測距有3.61um最大誤差量，變頻式測距法準確度還比雙頻式測距法還要準確，且有較高的量測效率。以此理論驗證的兩種訊號量測法作為量測系統實作之依據。
對兩種量測法的實測數據作一討論，驗證本提出的兩種量測法理論之可行性，實現了一具有3m量測範圍，且有4mm準確度之變頻式超音波測距系統。

摘要(英)

This paper proposes two new ultrasonic distance measurment methods. The first is the dual-frequency. In order to improve traditional ultrasonic distance measurement, it takes all detectable received waves to estimate the real time-of-flight. In addition, considering the measurement efficiency and accuracy, we develop a changed-frequency exciting signal instead of dual-frequency one. It can do more measurement in a constant time.
Simulation results reveal that arrival time analyses of two measurement methods have much better accuracy than traditional measurement. The maximun error in dual-frequency measurement is 4.15um and 3.61um in changed-frequency.
The real implementation is based on theoretical
analys because the accuracy of two methods have been proved. In real measurement data analysis, we examine the feasibility and discuss the error
source. Finally, we develop a measurement system with 4mm error accuracy in the 3m range.

關鍵字(中)

★ 雙頻
★ 超音波
★ 變頻

關鍵字(英)

★ ultrasonic
★ change-frequency
★ dual-frequency

論文目次

論文摘要 I
目錄 II
圖目 VI
1.簡介(INTRODUCTION) 1
1.1超音波量測距離的必要性及優點 1
1.2超音波轉能器的分類 1
1.3超音波距離偵測方式的分類 2
1.4異波速煤體相位差測距系統 3
1.5本文對對射式T-O-F測距法的改良與貢獻 3
1.5.1雙頻波峰波谷到達時間差測距法 3
1.5.2變頻式波峰波谷到達時間差測距法 4
1.5.3異波速媒體測距系統 4
2.超音波系統之數學模型與模擬(MATHEMATICS AND SIMULATION MODEL OF THE ULTRASONIC SYSTEM) 6
2.1超音波TOF量測距離相關的影響因素 6
2.2轉能器數學模型以及實驗環境(條件)假設 6
2.3整體訊號模擬模型 7
2.4各級模擬量測訊號圖與實測量訊號圖比較 8
2.5實測與模擬訊號之共通性 11
2.6提高量測準確性兩個主要困難 12
3.雙頻訊號飛行時間與波峰波谷到達時間分析(FLING TIME ANALYSIS AND ARRIVAL TIME SEQUENCE OF PEAKS OF DUAL FREQUENCY) 13
3.1分析法之假設條件 13
3.2分析法詳述 13
3.2.1輸入訊號定義與假設 13
3.2.2波前到達時間定義 14
3.2.3波峰波谷到達時間數列 15
3.2.4不同頻率之峰谷時間差數列 15
3.3模擬數據 16
3.3.1 穩態模擬數據重建原輸入頻率訊號到達時間數列 16
3.3.2兩時間數列於波前到達時間有一Group Delay差 16
3.3.3單頻逼近線、暫態、穩態模擬訊號說明 18
3.3.4兩到達時間差數列—單頻訊號與模擬訊號 19
4.最小平方差法預估逼近線對飛行時間重建與模擬數據(FLYING TIME RECONSTRUCTION WITH LEAST SQUARE ESTIMATION OF THE APPROXIMATION LINES AND SIMULATION RESULT) 20
4.1可偵測之峰谷到達數列在整體峰谷到達數列中位移之不確定性 20
4.2可偵測之峰谷到達時差數列決定其位移 20
4.3最小方差法估算峰谷到達時差數列逼近線 21
4.4重建波前到達時間及飛行時間 22
4.5超音波量測距離之數值模擬結果 23
4.5.1不同量測距離之到達時間差數列 23
4.5.2量測對真實距離數據圖 23
4.5.3誤差分析(Non Linear Error)說明 25
5.變頻訊號飛行時間與波峰波谷到達時間分析(FLING TIME ANALYSIS AND ARRIVAL TIME SEQUENCE OF PEAKS OF CHANGED FREQUENCY) 26
5.1採用變頻訊號的原因 26
5.2 變頻式訊號量測 26
5.2.1變頻式訊號 26
5.2.2參考訊號 27
5.3分析法詳述 28
5.3.1變頻點飛行時間與波前到達時間 28
5.3.2峰谷到達時間數列 29
5.3.3峰谷到達時間差數列 30
5.3.4最小平方差法與變頻訊號峰谷到達時差數列逼近線 31
5.3.5波前及飛行時間之重建 32
5.4模擬模型峰谷時間數列之分析 32
5.5超音波量測距離之數值模擬結果 34
5.5.1到達時間與參考時間差數列 34
5.5.2量測對真實距離數據圖 35
6.系統實作(REAL SYSTEM IMPLEMENTATION SETUP) 37
6.1整體系統說明 37
6.2超音波發射副系統 38
6.2.1中央處理器 38
6.2.2通訊埠 40
6.2.3量測發射介面 45
6.2.3.1超音波叢波產生器模組 45
6.3.2.2同步訊號產生模組 48
6.2.4超音波驅動器、超音波發射器 49
6.3超音波接受副系統 50
6.3.1中央處理器 50
6.3.1.1通訊解包模組與實現 50
6.3.1.2命令處理模組 54
6.3.1.3無線通訊封包模組 56
6.3.2通訊埠 58
6.3.2.1對主控系統通訊埠 58
6.3.2.2對發射副系統通訊埠 59
6.3.3到達時間計時器 63
6.3.4超音波接收器、訊號放大器、比較器 66
6.4主控系統 67
6.4.1中央處理器 67
6.4.1.1命令處理與傳送 67
6.4.1.2資料收集與處理 67
6.4.2通訊埠 68
7. 實驗架設與數據討論(EXPERIMENT SETUP AND RESULT DISCUSSION) 69
7.1實際量測不可知的參數 69
7.1.1超音波轉能器Group Delay 69
7.1.2第一個可偵測之峰谷位置平移 70
7.1.3超音波轉能器間的距離 70
7.1.4線性補償消除常數值的偏移 70
7.2實驗架設與環境 71
7.3雙頻式測距分析法量測數據 71
7.4變頻式測距分析法量測數據 76
7.4.1各距離下峰谷到達時間差 76
7.4.2量測對實際距離數據圖 83
8.結論與未來展望(CONCLUSION & FUTURE DEVELOPME) 86
9.參考資料與文獻 88

參考文獻

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指導教授

葉則亮、江士標
(Tse-Liang Yeh、Shyh-Biau Jiang)

審核日期

2004-7-12

推文