劉文預(yù)答辯教材

研究生劉文導(dǎo)師唐立軍教授唐俊龍副教授基于雷達(dá)測(cè)距的

火車(chē)精確對(duì)接控制研究目錄一、研究意義與背景二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)四、主要研究?jī)?nèi)容五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)六、課題創(chuàng)新點(diǎn)七、參考文獻(xiàn)一、研究意義與背景為了預(yù)防火車(chē)對(duì)接過(guò)程中由于駕駛?cè)藛T操作失誤造成的人生財(cái)產(chǎn)損失，本文針對(duì)火車(chē)對(duì)接的應(yīng)用要求，將主動(dòng)防撞技術(shù)應(yīng)用于火車(chē)對(duì)接過(guò)程。采用FMCW雷達(dá)快速準(zhǔn)確的測(cè)量火車(chē)對(duì)接過(guò)程中兩節(jié)車(chē)廂之間的距離，并通過(guò)反饋回來(lái)的距離信息采用電機(jī)模擬火車(chē)對(duì)接過(guò)程中速度的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能對(duì)接過(guò)程。圖1火車(chē)對(duì)接過(guò)程二、國(guó)內(nèi)外研究意義2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀（1）

1993年美國(guó)的Eaton研制出EVT-300防碰撞報(bào)警雷達(dá)系統(tǒng)；（2）德國(guó)奔馳汽車(chē)公司和英國(guó)勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的FMCW

體制防撞雷達(dá)系統(tǒng)；（3）豐田公司與三菱公司合作開(kāi)發(fā)研制的電子掃描式毫米波雷達(dá)系統(tǒng)；（4）瑞典CelsiusTech電子公司研制了一款FMCW體制適用于高速公路的自適應(yīng)智能駕駛控制系統(tǒng)。圖2汽車(chē)防撞系統(tǒng)工作模型二、國(guó)內(nèi)外研究意義2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)的FMCW毫米波主動(dòng)防撞雷達(dá)研究相對(duì)滯后，但近年來(lái)也取得了一些比較好的研究成果。（1）電子科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等對(duì)FMCW雷達(dá)體制和雷達(dá)基帶信號(hào)處理進(jìn)行了較為深入的研究；（2）廣西大學(xué)和華南理工大學(xué)共同研制的LFMCW雷達(dá)體制的汽車(chē)防撞系統(tǒng)；（3）江蘇賽博電子有限公司與院校合作研制的38GHz汽車(chē)主動(dòng)防撞雷達(dá)系統(tǒng)。三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)測(cè)距技術(shù)指標(biāo)：（1）測(cè)距范圍：1-50m

（2）測(cè)距精度：（3）測(cè)距時(shí)間：<80ms直流電機(jī)控制：（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制（2）通過(guò)PWM波控制直流電機(jī)速度四、主要研究?jī)?nèi)容

本系統(tǒng)以FMCW毫米波雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速為基礎(chǔ)。采用DSP+FPGA體系搭建硬件平臺(tái)，其中DSP選用TI公司的TMS320VC5509A，F(xiàn)PGA選用ALTERA公司的EP2C5T144，系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：（1）雷達(dá)傳感器（2）調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)（3）信號(hào)采集模塊（4）中頻信號(hào)處理模塊（5）速度控制模塊

系統(tǒng)整體框圖如圖所示：圖3火車(chē)對(duì)接控制系統(tǒng)整體框圖四、主要研究?jī)?nèi)容五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器+控制器（DSP+FPGA）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能對(duì)接過(guò)程。5.1FMCW雷達(dá)傳感器

FMCW雷達(dá)傳感器選用24GHz微波雷達(dá)傳感器：IVS-179雷達(dá)。工作原理圖如圖4所示：圖4

雷達(dá)工作原理圖5.1FMCW雷達(dá)雷達(dá)傳感器

IVS-179雷達(dá)鋸齒波調(diào)制測(cè)距物理原理：五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)延效應(yīng)電磁波發(fā)射波與回波頻率差異距離信息中頻信號(hào)圖5（b）鋸齒波調(diào)制FMCW發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)圖5（a）鋸齒波調(diào)制測(cè)距物理原理五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中采用鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)，利用FPGA產(chǎn)生脈寬依次遞增的PWM波，通過(guò)積分放大電路將PWM波變成幅度為0.5V-2.5V，頻率為200HZ的鋸齒波信號(hào)。

圖6（a）同向加法器電路圖6（b）幅度0.5-2.5V，頻率200Hz的鋸齒波

圖7(b)含有泄漏調(diào)制信號(hào)的中頻信號(hào)5.3信號(hào)采集模塊5.3.1高通濾波放大電路

由于FMCW雷達(dá)傳感器壓控振蕩器(VCO)的非理想性，在調(diào)頻的同時(shí)存在寄生調(diào)幅，導(dǎo)致泄漏調(diào)制信號(hào)的存在，直接影響到信號(hào)的頻譜分析處理。

高通濾波放大電路的目的是：抑制泄漏調(diào)制信號(hào)對(duì)雷達(dá)輸出中頻信號(hào)的影響，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，提高信噪比，方便后期信號(hào)處理分析。五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖7(a)高通濾波放大電路圖7(c)抑制泄漏調(diào)制信號(hào)的中頻信號(hào)五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.3信號(hào)采集模塊5.3.2AD采集及數(shù)據(jù)傳輸

AD采集芯片選用16位、采樣率500kHz低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8322。通過(guò)FPGA控制高速ADS8322采集通過(guò)放大濾波的雷達(dá)中頻頻信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)部自帶的FIFO模塊與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖8ADS8322工作時(shí)序

圖9寬度16位深度2048字的同步FIFO模塊

五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.4中頻信號(hào)處理模塊

中頻信號(hào)處理是系統(tǒng)的核心部分。測(cè)距算法主要是分析雷達(dá)輸出中頻信號(hào)的頻譜，通過(guò)尋找含有距離信息的頻率點(diǎn)確定目標(biāo)與傳感器之間的距離。常規(guī)的算法處理是直接對(duì)中頻信號(hào)做FIR濾波以及FFT處理，這種處理結(jié)果基本能滿足測(cè)距要求。5、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.4中頻信號(hào)處理模塊5.4.1DSP算法處理

本系統(tǒng)為了提高測(cè)距精度和處理時(shí)間，擬采用ZOOM-FFT細(xì)化算法，該算法通過(guò)MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)。算法的實(shí)質(zhì)是將包含有距離信息的頻譜進(jìn)行了頻移和頻譜細(xì)化，通過(guò)局部增加頻譜密度，提高頻率分辨率，從而提高距離分辨率。其原理框圖如圖10所示。圖10ZOOM-FFT算法原理框圖五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.4中頻信號(hào)處理模塊5.4.1DSP算法處理

ZOOM-FFT細(xì)化算法程序流程圖如圖11所示：圖11ZOOM-FFT算法原理框圖接收雷達(dá)信號(hào)第一次FFT處理確定細(xì)化頻帶頻移接收完畢是否第二次FFT及頻域?yàn)V波FFT逆變換M倍重新采樣及信號(hào)重構(gòu)第三次FFT處理及頻率調(diào)整輸出距離信息5.5速度控制模塊速度控制模塊利用FPGA設(shè)計(jì)PWM模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。速度控制模塊主要有三個(gè)部分組成：

（1）PWM脈寬調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路；（2）工作/停止控制和正/反轉(zhuǎn)方向控制電路；

（3）由功率放大電路和H橋組成的正反轉(zhuǎn)功率驅(qū)動(dòng)電路。五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.5速度控制模塊

圖12為H橋組成的正反轉(zhuǎn)功率驅(qū)動(dòng)電路：圖12H橋組成的正反轉(zhuǎn)功率驅(qū)動(dòng)電路五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.6測(cè)距樣機(jī)

已研制出測(cè)距樣機(jī)兩臺(tái)，通過(guò)對(duì)研制的測(cè)距樣機(jī)在室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明：測(cè)距樣機(jī)基本符合測(cè)距要求。測(cè)距范圍：1m-50m

測(cè)距精度：

測(cè)距時(shí)間：<80ms

圖13測(cè)距樣機(jī)六、課題創(chuàng)新點(diǎn)1、將FMCW體制毫米波主動(dòng)防撞技術(shù)應(yīng)用于火車(chē)對(duì)接過(guò)程；2、DSP處理中采用ZOOM-FFT算法提高測(cè)距精度和處理時(shí)間；七、參考文獻(xiàn)1.鮑吉龍，應(yīng)延治，趙洪霞.基于DSP技術(shù)的汽車(chē)防撞雷達(dá).微計(jì)算機(jī)信息,2006.22卷，第4-2期2.張恒，劉勝利，范江濤，王良.基于DSP的防撞雷達(dá)信號(hào)采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用,2012.38卷,第4期3.陳海寧,陳照章,梁品,姜子晴.基于DSP的汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).儀表技術(shù)與傳感器,2009.第3期4.梁品,陳照章,于敬泉.基于DSP的汽車(chē)防撞雷達(dá)及其信號(hào)處理.微電子學(xué),2007.37卷,第5期5.趙政春，譚躍，邱飚.基于DSP的毫米波防撞雷達(dá)設(shè)計(jì).中國(guó)高新企業(yè)，2010，第9期6.趙元黎,孫艷敏,楊文超,馮艷平.基于DSP