專利名稱：有限空間形貌超聲探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間探測儀器，更特別的是指一種基于超聲探測原理、DSP信息處理及控制為核心、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的云臺姿態(tài)實(shí)現(xiàn)3自由度空間定位的有限空間形貌超聲探測裝置。
背景技術(shù)：
博物館、銀行、住宅的安全監(jiān)測是公共場所及個(gè)人安全保障的重要儀器及設(shè)備，安全設(shè)備的性能優(yōu)劣是當(dāng)前安保設(shè)備關(guān)注的重要環(huán)節(jié)，包括已有設(shè)備性能的完善，以及新的不同原理安防設(shè)備的發(fā)明都成為這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。另外，惡劣環(huán)境下有限空間的形貌探測，例如，地下洞穴、火山口內(nèi)部狀況、隧道塌方、地震搜救等狹窄空間內(nèi)部狀況形貌探測等，也是科學(xué)研究和災(zāi)難救助等急需解決的問題。因此，從探測原理、探測方法、探測實(shí)用技術(shù)等方面對有限空間內(nèi)的形貌探測及目標(biāo)跟蹤等進(jìn)行研究，具有重要的理論意義和廣泛的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種以超聲探測為基礎(chǔ)的機(jī)械設(shè)備，以DSP為內(nèi)核對信號處理及控制為核心，2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的3維機(jī)械云臺空間定位為機(jī)構(gòu)的有限空間安全監(jiān)測及形貌探測儀器。
本發(fā)明的另一目的是采用信號重構(gòu)理論，實(shí)現(xiàn)反射、散射超聲信號的形貌復(fù)現(xiàn)算法；采用設(shè)定主動(dòng)光源位置及強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)超聲位置信號單色可視化渲染算法；采用仿人智能方法，實(shí)現(xiàn)高性能抗干擾超聲探測信號發(fā)射、接收算法；采用定位脈沖給定方法，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精確定位算法得到有限空間的形貌。
本發(fā)明是一種基于DSP模塊化的有限空間形貌超聲探測裝置，包括控制部分，其至少有超聲發(fā)射、超聲接收、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、鍵盤、系統(tǒng)電源與中央處理器聯(lián)接，還包括機(jī)械部分，其云臺安裝在底座上，底座的中心設(shè)有供導(dǎo)線引出的孔，云臺支架安裝在云臺上，控制俯仰姿態(tài)的電機(jī)A和控制云臺旋轉(zhuǎn)角的電機(jī)B安裝在云臺支架上，蝸桿支架安裝在云臺支架上，俯仰姿態(tài)控制臺通過支承與俯仰姿態(tài)控制軸連接安裝在云臺支架上，俯仰姿態(tài)控制軸穿過云臺支架上端的端孔與支承連接，俯仰姿態(tài)控制軸上套裝有蝸輪，蝸桿安裝在蝸桿支架的中心孔，其一端與控制俯仰姿態(tài)的電機(jī)A的輸出軸連接，超聲發(fā)射器和超聲接收器安裝在俯仰姿態(tài)控制臺的臺面上方，其收發(fā)電路板安裝在俯仰姿態(tài)控制臺的臺面下方。所述控制部分，中央處理器采用DSP為內(nèi)核的處理器，DSP接收鍵盤下發(fā)的指令，并對指令進(jìn)行控制、處理分發(fā)至顯示器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)射器驅(qū)動(dòng)以及A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器接收經(jīng)接收器接收的信號并將其放大電路處理后的信號經(jīng)轉(zhuǎn)換上傳至DSP進(jìn)行控制處理，超聲發(fā)射器與DSP相連，超聲接收器與A/D轉(zhuǎn)換相連。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)利用超聲技術(shù)進(jìn)行有限空間的形貌探測，該方法在具有煙霧、粉塵、無光線等惡劣環(huán)境下有限空間的地貌探測方面超過圖像系統(tǒng)的性能，例如，地下洞穴、火山口內(nèi)部狀況、隧道塌方、地震搜救等狹窄空間內(nèi)部狀況形貌探測；(2)利用超聲技術(shù)進(jìn)行有限空間內(nèi)多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)跟蹤監(jiān)視，常規(guī)的有限空間安全監(jiān)測方法為圖像，例如，博物館、銀行、家庭的安全監(jiān)測等，但是，圖像監(jiān)測方法受限于環(huán)境光線、攝像角度變換、連續(xù)攝像的空間時(shí)間圖像處理技術(shù)等，使得圖像安全監(jiān)測技術(shù)具有一定的局限性，而利用超聲探測的方法可以可克服這些缺點(diǎn)。第一，可以根據(jù)形貌變化快速跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方位；第二，不需任何輔助光源；第三，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好。


圖1是本發(fā)明機(jī)械部分主視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明機(jī)械部分后視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明機(jī)械部分仰視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明控制部分結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明空間形貌探測流程框圖。
圖6是本發(fā)明DSP的電路原理圖。
圖7是本發(fā)明存儲(chǔ)器電路原理圖。
圖8是本發(fā)明DSP的接口電路原理圖。
圖9是本發(fā)明A/D轉(zhuǎn)換器電路原理圖。
圖10是本發(fā)明超聲波信號接收電路原理圖。
圖11是本發(fā)明電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明的有限空間形貌探測儀器，控制部分包括CPU、超聲發(fā)射器、超聲接收器、超聲收發(fā)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、電源電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，機(jī)械部分為3自由度機(jī)械轉(zhuǎn)臺。其超聲發(fā)射器1安裝于俯仰姿態(tài)控制臺4的上方，并與DSP相連接；超聲接收器2也安裝于俯仰姿態(tài)控制臺4的上方(與發(fā)射器在同一位置)，并與放大器和A/D轉(zhuǎn)換器相連接；A/D轉(zhuǎn)換器與DSP相連接；DSP電路分別與電源管理電路、顯示電路、鍵盤、FLASHROM、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相連接；2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的軸分別與3自由度機(jī)械轉(zhuǎn)臺的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸相連接。超聲發(fā)射器，發(fā)射40kHz左右的超聲波，超聲接收器接收超聲反射或散射波，經(jīng)放大器和12位A/D轉(zhuǎn)換器，將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后，送入DSP進(jìn)行處理，通過抗干擾算法、信號重構(gòu)算法、可視化渲染算法，目標(biāo)鎖定算法、顯示算法確定空間某一點(diǎn)與探測儀之間的距離和方位。DSP根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，定時(shí)控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，改變探測儀發(fā)射、接收的空間位置，最終，形成空間掃描結(jié)果。
在本發(fā)明中，機(jī)械部分的云臺轉(zhuǎn)臺5安裝在云臺底座6上，云臺底座6的中心設(shè)有供導(dǎo)線引出的孔16，云臺支架7安裝在云臺轉(zhuǎn)臺5上，控制俯仰姿態(tài)的電機(jī)A10和控制云臺旋轉(zhuǎn)角的電機(jī)B15安裝在云臺支架7上，蝸桿支架13安裝在云臺支架7上，俯仰姿態(tài)控制臺4通過支承401與俯仰姿態(tài)控制軸8連接安裝在云臺支架7上，俯仰姿態(tài)控制軸8穿過云臺支架7上端的端孔與支承401連接，俯仰姿態(tài)控制軸8上套裝有蝸輪11，蝸桿12安裝在蝸桿支架13的中心孔，其一端與控制俯仰姿態(tài)的電機(jī)A10的輸出軸連接，超聲發(fā)射器1和超聲接收器2安裝在俯仰姿態(tài)控制臺4的臺面上方，其收發(fā)電路板3安裝在俯仰姿態(tài)控制臺4的臺面下。在該機(jī)械部分中電機(jī)A10驅(qū)動(dòng)蝸桿12從而帶動(dòng)蝸輪11運(yùn)動(dòng)，使俯仰姿態(tài)控制臺4在預(yù)設(shè)的俯仰位進(jìn)行位姿控制。電機(jī)B15安裝在云臺支架7同電機(jī)A10對稱的位置，電機(jī)B15驅(qū)動(dòng)云臺轉(zhuǎn)臺5按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)位置，電機(jī)A10的輸出軸通過銷14與蝸桿11連接，電機(jī)B15通過銷9與俯仰姿態(tài)控制軸8連接。這樣在2個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下形成3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。
請參見圖6所示，在本發(fā)明中CPU采用TMS320C5402數(shù)字信號處理器芯片，共有144個(gè)端子。各端子的連接DSP U1的電源輸入4、33、56、75、112、130端接+3.3V電源，電源輸入12、16、52、68、91、125、142端接+1.8V電源，地輸入1、3、14、15、34、37、40、50、57、70、72、76、90、93、106、111、126、128、144端接數(shù)字地；U1的16條地址輸出131、132、133、134、136、137、138、139、140、141、5、7、8、9、10、11端分別對應(yīng)聯(lián)接程序存儲(chǔ)器U8的地址24、25、26、27、28、29、30、31、32、35、36、37、38、39、40、41端及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U9的地址5、4、3、2、1、44、43、42、27、26、25、24、21、20、19、18端；其地址輸入140、141、5、7端分別聯(lián)接J1的接口7、25、6、24端；16條數(shù)據(jù)輸出99、100、101、102、103、104、113、114、115、116、117、118、119、121、122、123端分別對應(yīng)聯(lián)接程序存儲(chǔ)器U8的數(shù)據(jù)21、20、19、18、17、16、15、14、11、10、9、8、7、6、5、4端以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U9的數(shù)據(jù)7、8、9、10、13、14、15、16、29、30、31、32、35、36、37、38端；其數(shù)據(jù)輸入99、100、101、102、103、104、113、114端分別聯(lián)接J1的接口13、31、12、30、11、29、10、28端；其程序存儲(chǔ)器U8的44端接3.3V的電源，12、34端接數(shù)字地，輸出使能端22端接非門U7的8端，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U9的11、33端接電源3.3V，12、34、39、40端接數(shù)字地，輸出使能端41端接程序存儲(chǔ)器的22端；U1的主機(jī)接口(HD0～HD7)58、69、81、95、120、124、135、6端分別聯(lián)接J2的11、22、921、8、20、7、19端再與鍵盤接；U1的通信端口引端39、46、62、17、129、127、13、18、55、51端分別聯(lián)接J2的接口4、16、2、5、14、1、17、18、3、15端，引端13通過10K的電阻接3.3V，引端92通過開關(guān)S2的10端接數(shù)字地，并通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，中斷響應(yīng)信號引端61聯(lián)接J1的接口4，不可屏蔽中斷引端63聯(lián)接J1的接口9并通一個(gè)開關(guān)S5實(shí)現(xiàn)中斷使能與不使能，可屏蔽外部中斷引端64、65、66分別聯(lián)接J1的接口27、8、26，引端67聯(lián)接J2的接口6，引端64、65、66、67分別通過一個(gè)10K電阻接3.3V，RST98端通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，通過一個(gè)10歐的電阻和一個(gè)復(fù)位開關(guān)接接地，在RST端和地間連一個(gè)100uF的極性電容，工作方式選擇信號引端32通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，同時(shí)通過開關(guān)S2的9端接數(shù)字地，通用I/O端口的輸入引端31聯(lián)接J1的接口3，并通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，同時(shí)引出到跳線P2的3端，通用I/O端口的輸出引端27聯(lián)接J1的接口22，聯(lián)接J3的接口6，聯(lián)接J4的接口6，同時(shí)引出到跳線P2的2端，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號引端19聯(lián)接J1的接口23，并通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，外部程序存儲(chǔ)器片選信號引端20聯(lián)接程序存儲(chǔ)器U8的控制使能3端，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片選信號引端21聯(lián)接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U6的控制使能端6端，I/O設(shè)備選擇信號引端22聯(lián)接J1的接口5，讀寫信號引端23聯(lián)接J1的接口14端，聯(lián)接程序存儲(chǔ)器U8的43端并同時(shí)聯(lián)接非門芯片U7的9端，聯(lián)接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U9的17端，請求控制存儲(chǔ)器接口信號30端聯(lián)接通過一個(gè)10K電阻接3.3V，時(shí)鐘引端77、78、79分別通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，并同時(shí)通過開關(guān)S2的8、7、6端與數(shù)字地相聯(lián)，時(shí)鐘引端96、97接外部晶振，TOUTO82端聯(lián)接J1接口的2端，并引出到跳線P2的1端，U1與串口1的通訊端口引端42、47、44、49、60、54分別聯(lián)接J4的接口9、8、4、3、2、7，J4的1端接5V，5端接數(shù)字地，U1與串口0的通訊端口引端41、45、43、48、59、53分別聯(lián)接J3的接口9、8、4、3、2、7，J3的1端接5V，5端接數(shù)字地。
請參見圖6所示，在本發(fā)明中系統(tǒng)電源采用的是TPS73HD318芯片，共有28個(gè)端子，聯(lián)接方式U2的3、4、9、10端接數(shù)字地，5、6、11、12端接5V電源，5、6端與地間接1uF的電容Cu21，11、12端與地間接1uF的電容Cu22，23、24、25端聯(lián)接在一起，并輸出1.8V電壓，在1.8V的電壓與數(shù)字地間接10u/16V的極性電容Cu23(其23、24、25端接+)，28、22端分別通過100K電阻Ru21、Ru22聯(lián)接在一起，并輸出5V電壓，17、18、19端聯(lián)接一起，并輸出3.3V電壓，在3.3V的電壓與數(shù)字地間分別接0.1uF非極性電容Cu25和10u/16V的極性電容Cu24(其17、18、19端接+)。
請參見圖9所示，在本發(fā)明中A/D板采用的芯片是MAX147，其用20個(gè)端子，各端子的聯(lián)接方式U11的1～8端分別接0.01uF電容C6～C13聯(lián)接模擬地，9、13端接模擬地，14端接數(shù)字地，11端通過0.1uF電容C1聯(lián)接模擬地，11端與穩(wěn)壓芯片U13(LM385)的8端聯(lián)接，11端通過51K的電阻R2和12端聯(lián)接，12端接20端，20端通過10歐的電阻R1接3.3V，20端分別通過0.1uF無極性電容C4和1uF極性電容C5與模擬地聯(lián)接(20端接+)。U13(LM385)的4端接模擬地。
請參見圖10所示，超聲波信號接收電路由OP27組成的兩極運(yùn)放U16、U17和一個(gè)檢波電路U19LM567組成。
請參見圖11所示，在本發(fā)明中超聲發(fā)射電路由晶振、非門芯片U30(4069)和邏輯開關(guān)U31(MAX4053)組成，各端聯(lián)接U30的14端接+15V電源，7端接數(shù)字地，2端和3端聯(lián)接，4端和5端聯(lián)接，6、9、11、13端相互聯(lián)接，1端和2端間聯(lián)接一個(gè)40Kz晶振Y1和20M歐電阻RY1的并聯(lián)，1端和2端分別通過電容CY147pF和CY21000pF的無極性電壓聯(lián)接數(shù)字地，8、10、12端相互聯(lián)接，并與U31的3端聯(lián)接，U31的16端聯(lián)接+15V，5、6、7、8端聯(lián)接數(shù)字地，4端通過一個(gè)跳線聯(lián)接數(shù)字地，9端聯(lián)接Q1(NPN型三極管)的集電極，Q1的集電極通過200K的電阻Rq1聯(lián)接+5V，Q1的發(fā)射極聯(lián)接模擬地，Q1的基極通過2M的電阻Rq2聯(lián)接J3接口的6端。
請參見圖11所示，在本發(fā)明中2個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)由兩路聯(lián)線相同的電路組成，分別由U23(L6210)、U22(L298)、U21(L297)和U26(L6210)、U25(L298)、U24(L297)組成，各管端聯(lián)接U21的12端接+5V電源，2端聯(lián)接數(shù)字地，13、14端分別通過0.5歐電阻R1接數(shù)字地，16端通過22K電阻RRR1接+5V電源，通過3.3nF的無極性電容CC1聯(lián)接數(shù)字地，1端和U24的1端聯(lián)接，10端聯(lián)接J2的接口20端，20端通過10K歐的電阻聯(lián)接+5V，通過復(fù)位開關(guān)和100uF的極性電容C10聯(lián)接數(shù)字地(20端聯(lián)接極性電容的+)，19端通過開關(guān)S4的3、4端聯(lián)接U21的11端，S4的5、6聯(lián)接數(shù)字地，S4的1、2端分別通過100K的電阻RR4聯(lián)接+5V電源，18端聯(lián)接J2的接口19端，17端聯(lián)接J2的接口7端，15端RS3的可調(diào)端，U22的4端接+24V電源，U22的9端接+5V電源，U22的8端接數(shù)字地，U22的5端聯(lián)接U21的4端，U22的6端聯(lián)接U21的5端，U22的7端聯(lián)接U21的6端，U22的10端聯(lián)接U21的7端，U22的11端聯(lián)接U21的8端，U22的12端聯(lián)接U21的9端，U22的1端聯(lián)接U21的14端，U22的15端聯(lián)接U1的13端，U22的2、3、13、14分別聯(lián)接MOTOR1的1、2、3、4端，U23的1、8、9、16端聯(lián)接+24V的電源，U23的3、4、5、6、11、12、13、14端聯(lián)接數(shù)字地，U23的2、7、10、15端分別聯(lián)接MOTOR1的1、2、3、4端。
請參見圖5所示，本發(fā)明采用超聲發(fā)射器和超聲接收器在信號重構(gòu)理論下，實(shí)現(xiàn)反射、散射超聲信號的形貌復(fù)現(xiàn)算法；并采用設(shè)定主動(dòng)光源位置及強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)超聲位置信號單色可視化渲染算法；運(yùn)用仿人智能方法，實(shí)現(xiàn)高性能抗干擾超聲探測信號發(fā)射、接收算法；采用模式識別的非線性多目標(biāo)分類方法，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)跟蹤算法；采用DSP發(fā)出定位脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精確定位算法。其流程圖5所示，在控制部分的系統(tǒng)參數(shù)初始化包括2個(gè)電機(jī)初始位置值，2個(gè)電機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)角度值，2個(gè)電機(jī)的最小分別率設(shè)定值，超聲發(fā)射器的發(fā)射和接收之間的等待時(shí)間，超聲接收器的接收設(shè)定時(shí)間。初始化完成后，來判斷工作鍵上否按下，如果按下判斷電機(jī)A是否處于預(yù)設(shè)的初始位置，如果不是，驅(qū)動(dòng)電機(jī)A到預(yù)設(shè)的初始值；如果按下判斷電機(jī)B是否處于預(yù)設(shè)的初始位置，如果不是，驅(qū)動(dòng)電機(jī)B到預(yù)設(shè)的初始值。開啟超聲發(fā)射器，發(fā)射超聲信號，持續(xù)預(yù)設(shè)的超聲發(fā)射時(shí)間，時(shí)間到達(dá)后，停止發(fā)射，等待設(shè)定的時(shí)間間隔，然后啟動(dòng)超聲接收器，接收超聲信號，持續(xù)設(shè)定時(shí)間間隔，對接收信號進(jìn)行濾波處理，并存入內(nèi)存?zhèn)溆谩Ｔ谂袛嚯姍C(jī)B是否轉(zhuǎn)過最大水平角度，如果沒有，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)B旋轉(zhuǎn)最小分別率設(shè)定角度，在判斷電機(jī)A是否轉(zhuǎn)過預(yù)設(shè)最大的俯仰角度，如果沒有，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)A旋轉(zhuǎn)分別率最小預(yù)設(shè)角度，返回超聲發(fā)射，重復(fù)上述過程直到電機(jī)A轉(zhuǎn)過最大的俯仰預(yù)設(shè)旋轉(zhuǎn)角。對存儲(chǔ)的所獲得的全部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間形貌重構(gòu)算法處理，可視化渲染算法處理，送到顯示器進(jìn)行顯示，整個(gè)過程結(jié)束。
下面將對本發(fā)明中采用的硬件進(jìn)行說明。
(一) 超聲發(fā)射、接收器選擇40kHz～100kHz的超聲發(fā)射、接收器技術(shù)十分成熟，選擇這個(gè)頻段的超聲波，對于有限空間的反射、散射的計(jì)算易于實(shí)現(xiàn)，因此，選擇這類傳感器作為本發(fā)明的發(fā)射、接收器。
(二)CPU芯片選擇微計(jì)算機(jī)芯片作為智能儀器的核心，它的選擇將決定儀器的總體結(jié)構(gòu)。DSP數(shù)字信號處理器芯片是被設(shè)計(jì)為一種特別適合用于進(jìn)行數(shù)字信號處理的微處理器。DSP不僅在運(yùn)算速度上有了很大的提高，而且在通用性和靈活性方面有了極大地改進(jìn)。此外，DSP芯片的成本、體積、重量和功耗也都有了很大程度的下降。本設(shè)計(jì)選擇美國TI公司定點(diǎn)運(yùn)算54系列中的TMS320VC5402 DSP芯片，其在100MHz時(shí)鐘時(shí)的峰值運(yùn)算速度可達(dá)100MIPS。
儀器控制發(fā)射器發(fā)射超聲波信號，通過超聲接收器接收發(fā)射或散射的超聲波信號，根據(jù)信號的反射或散射特性，通過數(shù)字信號處理得到空間距離和方位信息，并控制步進(jìn)電機(jī)定時(shí)改變空間方位角，以得到探測空間的完整形貌數(shù)據(jù)。儀器電路基本上分發(fā)射電路、接收電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、DSP核心等四大部分。發(fā)射電路為一受控振蕩器，以產(chǎn)生超聲頻率的振蕩信號，激勵(lì)超聲發(fā)射器發(fā)出所需頻率的超聲信號；接收電路首先通過選頻電路接收反射或散射回來的超聲信號，然后，經(jīng)過模擬放大電路放大信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到一點(diǎn)的測量結(jié)果，DSP通過控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，給出新的方位角。重復(fù)上述過程，直到發(fā)射器、接收器轉(zhuǎn)過整個(gè)3維空間，DSP得到整個(gè)空間的形貌數(shù)據(jù)，通過對這些檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾算法、信號重構(gòu)算法、可視化渲染算法處理，顯示整個(gè)空間的形貌。如果限定跟蹤空間內(nèi)的某個(gè)目標(biāo)，可以通過目標(biāo)鎖定算法，跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。
(三)電機(jī)選擇采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行方位角控制。
(四)3維機(jī)械轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)選擇采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸控制的3維機(jī)械轉(zhuǎn)臺，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單。
(五) A/D轉(zhuǎn)換器與DSP的接口設(shè)計(jì)DSP核心板的J4接口通過9針接口與A/D板的接口J1相聯(lián)接；(相應(yīng)接口具體參數(shù)參看A/D板和DSP核心板)(六)發(fā)射器振蕩電路與DSP的接口設(shè)計(jì)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與DSP的接口設(shè)計(jì)DSP核心板的J3接口通過9針接口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)&發(fā)射振蕩電路板的J3接口相聯(lián)接；DSP核心板的J2接口通過25針接口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)&發(fā)射振蕩電路板的J2接口相聯(lián)接；(相應(yīng)接口具體參數(shù)參看電機(jī)驅(qū)動(dòng)與發(fā)射板和DSP核心板)(七)LCD顯示器電路與DSP的接口設(shè)計(jì)DSP核心板的J1接口通過37針接口與液晶電路板的J1接口相聯(lián)接；(相應(yīng)接口具體參數(shù)參看液晶板和DSP核心板)(八)鍵盤電路與DSP的接口設(shè)計(jì)DSP核心板的J2接口通過25針接口與鍵盤電路板的J1接口相聯(lián)接；(鍵盤電路板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)&發(fā)射振蕩電路板不會(huì)同時(shí)使用)(相應(yīng)接口具體參數(shù)參看鍵盤板和DSP核心板)
權(quán)利要求
1.一種基于DSP模塊化的有限空間形貌超聲探測裝置，包括控制部分，其至少有超聲發(fā)射、超聲接收、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、鍵盤、系統(tǒng)電源與中央處理器聯(lián)接，其特征在于還包括機(jī)械部分，所述機(jī)械部分的云臺(5)安裝在底座(6)上，底座(6)的中心設(shè)有供導(dǎo)線引出的孔(16)，云臺支架(7)安裝在云臺(5)上，控制俯仰姿態(tài)的電機(jī)A(10)和控制云臺旋轉(zhuǎn)角的電機(jī)B(15)安裝在云臺支架(7)上，蝸桿支架(13)安裝在云臺支架(7)上，俯仰姿態(tài)控制臺(4)通過支承(401)與俯仰姿態(tài)控制軸(8)連接安裝在云臺支架(7)上，俯仰姿態(tài)控制軸(8)通過銷(9)與電機(jī)B(15)的輸出軸連接，俯仰姿態(tài)控制軸(8)穿過云臺支架(7)上端的端孔與支承(401)連接，俯仰姿態(tài)控制軸(8)上套裝有蝸輪(11)，蝸桿(12)安裝在蝸桿支架(13)的中心孔，其一端與控制俯仰姿態(tài)的電機(jī)A(10)的輸出軸通過銷(14)連接，超聲發(fā)射器(1)和超聲接收器(2)安裝在俯仰姿態(tài)控制臺(4)的臺面上方，其收發(fā)電路板(3)安裝在俯仰姿態(tài)控制臺(4)的臺面下方；所述控制部分，還包括控制超聲發(fā)射和超聲接收的收發(fā)電路，中央處理器采用DSP為內(nèi)核的處理器控制電機(jī)A(10)和電機(jī)B(15)實(shí)現(xiàn)3自由度空間的有限空間內(nèi)形貌探測，DSP接收鍵盤下發(fā)的指令，并對指令進(jìn)行控制、處理分發(fā)至顯示器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)射器驅(qū)動(dòng)以及A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器接收經(jīng)接收器接收的信號并將其放大電路處理后的信號經(jīng)轉(zhuǎn)換上傳至DSP進(jìn)行控制處理，超聲發(fā)射器(1)經(jīng)導(dǎo)線與DSP相連，超聲接收器(2)經(jīng)導(dǎo)線與A/D轉(zhuǎn)換相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有限空間形貌超聲探測裝置，其特征在于DSP選取TMS320VC5402芯片，DSP配置的存儲(chǔ)器選取AT29LV1024和CY7C1021V33芯片，A/D轉(zhuǎn)換器選取MAX147芯片，系統(tǒng)電源選取TPS73HD318芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由OP27組成的兩極運(yùn)放和一個(gè)檢波電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的有限空間形貌超聲探測裝置，其特征在于DSP U1的電源輸入4、33、56、75、112、130端接+3.3V電源，電源輸入12、16、52、68、91、125、142端接+1.8V電源，地輸入1、3、14、15、34、37、40、50、57、70、72、76、90、93、106、111、126、128、144端接數(shù)字地；U1的16條地址輸出131、132、133、134、136、137、138、139、140、141、5、7、8、9、10、11端分別對應(yīng)聯(lián)接程序存儲(chǔ)器U8的地址24、25、26、27、28、29、30、31、32、35、36、37、38、39、40、41端及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U9的地址5、4、3、2、1、44、43、42、27、26、25、24、21、20、19、18端；其地址輸入140、141、5、7端分別聯(lián)接J1的接口7、25、6、24端；16條數(shù)據(jù)輸出99、100、101、102、103、104、113、114、115、116、117、118、119、121、122、123端分別對應(yīng)聯(lián)接程序存儲(chǔ)器U8的數(shù)據(jù)21、20、19、18、17、16、15、14、11、10、9、8、7、6、5、4端以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U9的數(shù)據(jù)7、8、9、10、13、14、15、16、29、30、31、32、35、36、37、38端；其數(shù)據(jù)輸入99、100、101、102、103、104、113、114端分別聯(lián)接J1的接口13、31、12、30、11、29、10、28端；其程序存儲(chǔ)器U8的44端接3.3V的電源，12、34端接數(shù)字地，輸出使能端22端接非門U7的8端，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U9的11、33端接電源3.3V，12、34、39、40端接數(shù)字地，輸出使能端41端接程序存儲(chǔ)器的22端；U1的主機(jī)接口(HD0～HD7)58、69、81、95、120、124、135、6端分別聯(lián)接J2的11、22、921、8、20、7、19端再與鍵盤接；U1的通信端口引端39、46、62、17、129、127、13、18、55、51端分別聯(lián)接J2的接口4、16、2、5、14、1、17、18、3、15端，引端13通過10K的電阻接3.3V，引端92通過開關(guān)S2的10端接數(shù)字地，并通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，中斷響應(yīng)信號引端61聯(lián)接J1的接口4，不可屏蔽中斷引端63聯(lián)接J1的接口9并通一個(gè)開關(guān)S5實(shí)現(xiàn)中斷使能與不使能，可屏蔽外部中斷引端64、65、66分別聯(lián)接J1的接口27、8、26，引端67聯(lián)接J2的接口6，引端64、65、66、67分別通過一個(gè)10K電阻接3.3V，RST 98端通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，通過一個(gè)10歐的電阻和一個(gè)復(fù)位開關(guān)接接地，在RST端和地間連一個(gè)100uF的極性電容，工作方式選擇信號引端32通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，同時(shí)通過開關(guān)S2的9端接數(shù)字地，通用I/O端口的輸入引端31聯(lián)接J1的接口3，并通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，同時(shí)引出到跳線P2的3端，通用I/O端口的輸出引端27聯(lián)接J1的接口22，聯(lián)接J3的接口6，聯(lián)接J4的接口6，同時(shí)引出到跳線P2的2端，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號引端19聯(lián)接J1的接口23，并通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，外部程序存儲(chǔ)器片選信號引端20聯(lián)接程序存儲(chǔ)器U8的控制使能3端，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片選信號引端21聯(lián)接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U6的控制使能端6端，I/O設(shè)備選擇信號引端22聯(lián)接J1的接口5，讀寫信號引端23聯(lián)接J1的接口14端，聯(lián)接程序存儲(chǔ)器U8的43端并同時(shí)聯(lián)接非門芯片U7的9端，聯(lián)接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U9的17端，請求控制存儲(chǔ)器接口信號30端聯(lián)接通過一個(gè)10K電阻接3.3V，時(shí)鐘引端77、78、79分別通過一個(gè)10K的電阻接3.3V，并同時(shí)通過開關(guān)S2的8、7、6端與數(shù)字地相聯(lián)，時(shí)鐘引端96、97接外部晶振，TOUTO 82端聯(lián)接J1接口的2端，并引出到跳線P2的1端，U1與串口1的通訊端口引端42、47、44、49、60、54分別聯(lián)接J4的接口9、8、4、3、2、7，J4的1端接5V，5端接數(shù)字地，U1與串口0的通訊端口引端41、45、43、48、59、53分別聯(lián)接J3的接口9、8、4、3、2、7，J3的1端接5V，5端接數(shù)字地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有限空間形貌超聲探測，其特征在于控制超聲發(fā)射和超聲接收的收發(fā)電路中，發(fā)射電路由晶振、非門芯片U30(4069)和邏輯開關(guān)U31(MAX4053)組成，U30的14端接+15V電源，7端接數(shù)字地，2端和3端聯(lián)接，4端和5端聯(lián)接，6、9、11、13端相互聯(lián)接，1端和2端間聯(lián)接一個(gè)40Kz晶振Y1和20M歐電阻RY1的并聯(lián)，1端和2端分別通過電容CY1 47pF和CY2 1000pF的無極性電壓聯(lián)接數(shù)字地，8、10、12端相互聯(lián)接，并與U31的3端聯(lián)接，U31的16端聯(lián)接+15V，5、6、7、8端聯(lián)接數(shù)字地，4端通過一個(gè)跳線聯(lián)接數(shù)字地，9端聯(lián)接Q1(NPN型三極管)的集電極，Q1的集電極通過200K的電阻Rq1聯(lián)接+5V，Q1的發(fā)射極聯(lián)接模擬地，Q1的基極通過2M的電阻Rq2聯(lián)接J3接口的6端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有限空間形貌超聲探測，其特征在于電機(jī)A(10)和電機(jī)B(15)的驅(qū)動(dòng)由兩路聯(lián)線相同的電路組成，分別由U23(L6210)、U22(L298)、U21(L297)和U26(L6210)、U25(L298)、U24(L297)組成，U21的12端接+5V電源，2端聯(lián)接數(shù)字地，13、14端分別通過0.5歐電阻R1接數(shù)字地，16端通過22K電阻RRR1接+5V電源，通過3.3nF的無極性電容CC1聯(lián)接數(shù)字地，1端和U24的1端聯(lián)接，10端聯(lián)接J2的接口20端，20端通過10K歐的電阻聯(lián)接+5V，通過復(fù)位開關(guān)和100uF的極性電容C10聯(lián)接數(shù)字地(20端聯(lián)接極性電容的+)，19端通過開關(guān)S4的3、4端聯(lián)接U21的11端，S4的5、6聯(lián)接數(shù)字地，S4的1、2端分別通過100K的電阻RR4聯(lián)接+5V電源，18端聯(lián)接J2的接口19端，17端聯(lián)接J2的接口7端，15端RS3的可調(diào)端，U22的4端接+24V電源，U22的9端接+5V電源，U22的8端接數(shù)字地，U22的5端聯(lián)接U21的4端，U22的6端聯(lián)接U21的5端，U22的7端聯(lián)接U21的6端，U22的10端聯(lián)接U21的7端，U22的11端聯(lián)接U21的8端，U22的12端聯(lián)接U21的9端，U22的1端聯(lián)接U21的14端，U22的15端聯(lián)接U1的13端，U22的2、3、13、14分別聯(lián)接MOTOR1的1、2、3、4端，U23的1、8、9、16端聯(lián)接+24V的電源，U23的3、4、5、6、11、12、13、14端聯(lián)接數(shù)字地，U23的2、7、10、15端分別聯(lián)接MOTOR1的1、2、3、4端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、5所述的有限空間形貌超聲探測裝置，其特征在于電機(jī)A(10)和電機(jī)B(15)為步進(jìn)電機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有限空間形貌超聲探測裝置，其特征在于使用間斷的超聲發(fā)射、接收方式進(jìn)行空間形貌探測，其超聲波頻率為40～100KHz。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有限空間形貌超聲探測裝置，其特征在于采用步進(jìn)電機(jī)A(10)和步進(jìn)電機(jī)B(15)控制云臺(5)姿態(tài)作為超聲空間掃描的角度定位，其定位精度和定位范圍可以通過鍵盤輸入進(jìn)行選擇。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有限空間形貌超聲探測裝置，其特征在于DSP處理器可將獲得的信號經(jīng)濾波算法、空間定位算法、空間形貌可視化算法重構(gòu)顯示被測空間的形貌。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有限空間形貌超聲探測裝置，屬于空間形貌探測儀器，包括機(jī)械部分和控制部分，機(jī)械部分的電機(jī)A和電機(jī)B與電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接，超聲發(fā)射器與DSP相連，超聲接收器與A/D轉(zhuǎn)換器相連，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、鍵盤、系統(tǒng)電源與DSP連接。本發(fā)明裝置的機(jī)械部分能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)自由度方向定位，控制部分采用基于超聲探測的方法，采用以DSP為核心，以3自由度空間定位機(jī)構(gòu)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、以2個(gè)步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)3維空間定位的設(shè)計(jì)方案，將有限空間形貌的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為超聲反射、散射數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理方法，再現(xiàn)實(shí)際有限內(nèi)空間形貌特征。
文檔編號G01B17/06GK1584497SQ200410009208
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月15日
發(fā)明者鄭紅, 王鵬, 孫海翔, 付湘, 方智文, 李驊, 汪洋, 王東海 申請人:北京航空航天大學(xué)