馬金玉, 張 濤, 馬鳳鳴, 謝東暉, 馬彥青

(1. 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院, 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072; 2. 天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院, 天津 300072)

目前的自動(dòng)跟蹤行李箱有視覺(jué)、GPS和回聲探測(cè)等方法。視覺(jué)法軟硬件開(kāi)銷大、成本高、對(duì)照明有要求,GPS在室外效果較好,回聲探測(cè)距離短、辨識(shí)度弱[1-3]。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套以應(yīng)答式超聲波定位為基礎(chǔ)、能夠自動(dòng)跟蹤聲源目標(biāo)的行李箱測(cè)量與控制系統(tǒng),可以彌補(bǔ)上述不足。涉及的知識(shí)和技能：數(shù)學(xué)建模與誤差分析；功率放大、信號(hào)調(diào)理、模擬濾波器、精密解調(diào)電路設(shè)計(jì)；采樣定理、欠采樣的理解和應(yīng)用,數(shù)字濾波器設(shè)計(jì),通過(guò)分析系統(tǒng)響應(yīng)優(yōu)化激勵(lì)信號(hào)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)與反饋控制；嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括需求分析與資源分配及模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時(shí)計(jì)數(shù)器、總線等的運(yùn)用；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真應(yīng)用。

該實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)生分析和解決工程問(wèn)題能力，應(yīng)用電路、信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等專業(yè)知識(shí),和數(shù)學(xué)、聲學(xué)等基本原理,識(shí)別、分解和表達(dá)復(fù)雜工程問(wèn)題。通過(guò)文獻(xiàn)、器件、工藝、價(jià)格等調(diào)查研究,以及靈活使用多種資源、工具,進(jìn)行預(yù)測(cè)、模擬、優(yōu)化、驗(yàn)證,設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出合理、可行的解決方案,并能體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)思想

超聲波測(cè)控系統(tǒng)的工作流程如圖1所示,其中行李箱上安裝1個(gè)發(fā)射器和2個(gè)接收器,類似于雙耳系統(tǒng)；目標(biāo)上安裝超聲波應(yīng)答器。每次定位時(shí),首先由行李箱發(fā)射詢問(wèn)超聲脈沖,當(dāng)目標(biāo)的應(yīng)答器識(shí)別到詢問(wèn)信號(hào)時(shí),發(fā)回應(yīng)答信號(hào),行李箱接收應(yīng)答信號(hào),通過(guò)對(duì)應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行軟件和硬件方面的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位、跟隨。其中,利用耳間強(qiáng)度差和相位差測(cè)量目標(biāo)方位角,利用回波的時(shí)延測(cè)量距離。

圖1 超聲波測(cè)控系統(tǒng)的工作流程

1.1 測(cè)量原理

如圖2所示,測(cè)量包括方位角測(cè)量和距離測(cè)量。當(dāng)目標(biāo)在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí),由于雙耳的幅度差不明顯,可利用雙耳相位差Δφ、聲波波長(zhǎng)λ和兩耳間距2r計(jì)算目標(biāo)方位角θ；當(dāng)目標(biāo)在近場(chǎng)時(shí),由于雙耳的相位差不再滿足簡(jiǎn)化條件,相位差和方位角的關(guān)系變得復(fù)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(qiáng)度差測(cè)量目標(biāo)方位角[4-8]。距離d測(cè)量依靠詢問(wèn)脈沖和應(yīng)答脈沖的時(shí)延Δt和聲速c計(jì)算,該時(shí)延還需減去應(yīng)答器的反應(yīng)滯后時(shí)間。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示,系統(tǒng)包括傳感器、信號(hào)調(diào)理、處理器、電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)、電源模塊等幾部分。其中傳感器模塊的超聲波應(yīng)答器位于目標(biāo)上,其余部分在行李箱上。

圖2 定位原理

脈沖發(fā)生器產(chǎn)生單頻脈沖,經(jīng)過(guò)功率放大器,激勵(lì)超聲詢問(wèn)器,超聲應(yīng)答器的回波返給超聲詢問(wèn)器,回波信號(hào)進(jìn)入濾波放大電路。對(duì)濾波放大信號(hào)有3種方案可以實(shí)現(xiàn)方位與距離測(cè)量：既可以采用全軟件的方式,如DSP過(guò)采樣高速采樣和信號(hào)處理或者單片機(jī)欠采樣低速采樣和信號(hào)處理；也可以采用硬件+軟件混合的方式,即檢波之后通過(guò)單片機(jī)的超低速采樣和信號(hào)處理；還可以采用全硬件的方式,如精密檢波電路、數(shù)字整形,利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器測(cè)量相位差和包絡(luò)寬度差(對(duì)應(yīng)幅度差)實(shí)現(xiàn)幅值和相位的測(cè)量。

系統(tǒng)根據(jù)方位角和距離,通過(guò)PID控制,完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制,最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤功能。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 運(yùn)動(dòng)控制

跟隨目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)路線如圖4所示。首先測(cè)量方位角和距離相對(duì)于設(shè)定值的偏差,按照?qǐng)D4所示的策略對(duì)行李箱的姿態(tài)、速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。跟蹤策略為：當(dāng)距離d變大時(shí),2輪同時(shí)加速,反之,2輪同時(shí)減速；當(dāng)方位角偏右時(shí),左輪速度變大；反之,方位角偏左時(shí),右輪速度變大。行李箱的驅(qū)動(dòng)可以采用步進(jìn)電機(jī)也可以采用直流電機(jī),功率放大器件全部采用主流的專用集成芯片。對(duì)于采用了有速度反饋的電機(jī),可以對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的偏差、滯后性、平滑性提出更加具體的指標(biāo)要求。

2 教學(xué)實(shí)施進(jìn)展

教學(xué)過(guò)程采用CDIO-OBE教學(xué)理念[9-12],啟發(fā)式、探究式和討論式相結(jié)合,以學(xué)生為本,把單聲道課堂變成雙聲道課堂,把教師教變成學(xué)生學(xué),注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力、自主學(xué)習(xí)實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)能力和表達(dá)溝通能力(見(jiàn)表1)。

圖4 目標(biāo)跟隨控制技術(shù)路線

實(shí)施環(huán)節(jié)思路目的教師任務(wù)學(xué)生任務(wù)關(guān)注重點(diǎn)或細(xì)節(jié)任務(wù)安排提前設(shè)計(jì)好任務(wù)分割和多種實(shí)現(xiàn)方案,由略到詳、由少到多,逐步公布和引導(dǎo)鍛煉學(xué)生獨(dú)立開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的能力和獨(dú)立設(shè)計(jì)/甄選方案能力,兼顧方向正確和自由發(fā)揮介紹項(xiàng)目意義和研究現(xiàn)狀,需求分析和任務(wù)分解,各子任務(wù)多個(gè)方案設(shè)計(jì),確定公布策略按照教師提供項(xiàng)目背景,分析需求;按照教師提供的基本開(kāi)發(fā)思路或原理進(jìn)行方案設(shè)計(jì)通過(guò)提問(wèn)的方式了解學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備是否充足、基本思路是否合理,及時(shí)提醒學(xué)生需要補(bǔ)習(xí)和增強(qiáng)的知識(shí)、技能,及時(shí)指出問(wèn)題并要求修正方案預(yù)習(xí)自學(xué)根據(jù)基本研究方案確定需要預(yù)習(xí)和自學(xué)的知識(shí)和技能,通過(guò)預(yù)習(xí)進(jìn)一步完善方案強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和技能,幫助其自主改進(jìn)方案,鍛煉學(xué)生終身學(xué)習(xí)和學(xué)以致用的能力布置需要復(fù)習(xí)的測(cè)控電路、數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制原理的相關(guān)章節(jié)、聲學(xué)定位的必讀文獻(xiàn)、需要學(xué)會(huì)使用的軟件學(xué)習(xí)或練習(xí)教師布置的內(nèi)容,并定期匯報(bào)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)對(duì)原方案有何改進(jìn)或改變通過(guò)開(kāi)卷答題的方式獲取學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告,檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)的理解成熟度、思考是否深入嚴(yán)密、方案設(shè)計(jì)有何改進(jìn)、是否有錯(cuò)誤,及時(shí)反饋更正分組研討采用啟發(fā)式問(wèn)題將學(xué)生一步步引向問(wèn)題的本質(zhì),讓學(xué)生自己選擇解決方法、分析效果和成本加強(qiáng)工程開(kāi)發(fā)思路的規(guī)范性訓(xùn)練,提高方案論證的充分性和效率,改進(jìn)方案設(shè)計(jì)的合理性組織研討會(huì),引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)從工程實(shí)際中提煉和解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題2～3人一組,根據(jù)開(kāi)發(fā)需求明確分工,對(duì)于每一子功能至少提出兩種實(shí)現(xiàn)方案,答辯通過(guò)后選擇一種實(shí)施在討論的過(guò)程中及時(shí)給予必要的專業(yè)提示和限定,確保學(xué)生在正確和規(guī)范的途徑上自由發(fā)揮,保證每組方案都合理可行;判斷解決問(wèn)題的優(yōu)先級(jí)和并行開(kāi)發(fā)的思路是否合理現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)與操作按照每個(gè)子任務(wù)方案的相似度分組進(jìn)行,強(qiáng)調(diào)模塊化制作、調(diào)試思路,設(shè)計(jì)各個(gè)子任務(wù)的技術(shù)指標(biāo)和開(kāi)發(fā)操作規(guī)范的考核辦法,提前公布鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力和調(diào)試方法,鍛煉并行開(kāi)發(fā)能力,試制演示模塊和樣機(jī);提升規(guī)范、有序、并行、合作的開(kāi)發(fā)精神經(jīng)常巡視記錄,掌握每個(gè)團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)情況、鼓勵(lì)完成更多任務(wù);根據(jù)需要組織2-3次中期匯報(bào),讓學(xué)生交流遇到的困難和解決途徑對(duì)于每個(gè)子任務(wù)選定一種方案通過(guò)搭建硬件電路、軟件編程、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)分立功能的調(diào)試,通過(guò)整體裝配聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能教師重點(diǎn)了解學(xué)生在軟件和硬件系統(tǒng)調(diào)試時(shí)解決問(wèn)題的方法;掌控實(shí)驗(yàn)進(jìn)程;幫助學(xué)生了解不同解決方案及其特點(diǎn),拓寬其知識(shí)面和視野

表1(續(xù))

3 考核評(píng)價(jià)內(nèi)容與方式

3.1 考核內(nèi)容

考核內(nèi)容與方式,整體分為4大塊,分別是學(xué)生的前期準(zhǔn)備質(zhì)量、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的性價(jià)比、任務(wù)完成情況和結(jié)題報(bào)告質(zhì)量。

(1) 前期準(zhǔn)備質(zhì)量,占比30%。方案設(shè)計(jì)合理、論證充分及結(jié)論、理論推導(dǎo)正確，材料預(yù)算細(xì)致精確及人員分工、答辯情況。

(2) 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的性價(jià)比,占比15%。焊接質(zhì)量、裝配牢固、外觀美觀、成本、有無(wú)安全隱患、是否充分應(yīng)用了計(jì)算機(jī)輔助及仿真技術(shù)。

(3) 任務(wù)完成情況,占比40%。完成數(shù)目和程度,實(shí)現(xiàn)或達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)、演示成功、可重復(fù)。

(4) 結(jié)題報(bào)告,占比15%。電路與程序調(diào)試方案、過(guò)程、結(jié)果,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理分析,實(shí)驗(yàn)照片及說(shuō)明,成本核算、器件清單及損耗程度,改進(jìn)計(jì)劃,答辯情況。

3.2 考查系統(tǒng)功能

任務(wù)功能完成情況通過(guò)3個(gè)層次的技術(shù)指標(biāo)或功能演示進(jìn)行考核。

3.2.1 基礎(chǔ)功能

(1) 對(duì)目標(biāo)定位更新率大于10 S/s；

(2) 以數(shù)字方式顯示目標(biāo)位置；

(3) 探測(cè)距離不低于6 m、精度不低于0.2 m,方位角測(cè)量精度優(yōu)于±3°；

(4) 能夠隨著目標(biāo)的移動(dòng)而移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。

3.2.2 擴(kuò)展功能

(1) 具備回聲探測(cè)和規(guī)避障礙物的功能；

(2) 具備在使用者旁邊同步前進(jìn)的功能；

(3) 具備近遠(yuǎn)場(chǎng)定向測(cè)量自適應(yīng)切換功能。

3.2.3 提高功能

(1) 能夠在多個(gè)目標(biāo)中識(shí)別和跟蹤單個(gè)目標(biāo)；

(2) 具備近遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)脈沖長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

采用應(yīng)答式在原理上保證了測(cè)量精度,又增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和拓展性,將學(xué)生的精力更多地聚焦到系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)施、專業(yè)知識(shí)的學(xué)以致用等方面。通過(guò)外圍電路和處理器的開(kāi)放式配置,實(shí)現(xiàn)測(cè)量任務(wù)在軟硬件之間靈活切換,充分體現(xiàn)了知識(shí)應(yīng)用的綜合性和實(shí)現(xiàn)方法的多樣性。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容針對(duì)實(shí)際的社會(huì)、工程需求,讓學(xué)生在“用中學(xué)”“用中研”,采用主流技術(shù),如DSP,規(guī)范開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn),技術(shù)起點(diǎn)高。