实验题目：自主跟踪行李箱的超声波测控系统设计与开发

1. 课程、学时、年级：

课程：数字信号处理、自动控制原理、测控电路、测控系统与仪器设计；学时：32学时；年级：大三第二学期。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否有不同层次的要求

设计和实现一套以应答式超声波定位为基础、能够自动跟踪声源目标的行李箱测量与控制系统。

1） 基本要求：

（1）采取行李箱以超声波脉冲询问、目标以超声波脉冲应答的方式对目标声源进行实时定位，数据更新率大于 10Sps；（2）以数字方式显示目标相对于行李箱的坐标、方位角、距离；探测距离不低于 6m、精度不低于 $0 . 2 \mathrm { m }$ ，方位角测量精度不低于 $\pm 3 ^ { \circ }$ ；行李箱与目标距离 6m 时，有效探测角度不小于 50度；距离 1m时，有效探测角度不小于80 度；（3）具备基本的运动控制功能：当距离大于设定阈值时，加速前进，反之减速前进直至停止，；当方位角大于阈值时，做转向运动，降低方位角偏差；当探测不到目标时或当俯仰角大于阈值时（暂不具备爬坡功能），蜂鸣器报警；（4）分析限制定向和测距精度的关键因素，有哪些是不可改变的、有哪些是可以消除或弥补的；分析比较不同方案的硬件、软件成本以及稳定性。

2）扩展功能：具备回声探测和规避障碍物的功能；具备在使用者旁边同步前进的功能，即具备近远场定向测量自适应切换功能。

3）提高功能：在多个目标中识别和跟踪单个特定目标的功能，即多个系统可同时互不干扰地工作；具备近远场脉冲长度自动调节功能，以实现测量盲区和精度的最佳配置。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）查阅资料，学习时延测距和声达时间差/耳间强度差测方位角的原理,推导计算公式，设计算法。
2）调研超声传感器或换能器，注意器件的接收灵敏度、工作带宽、发射强度、指向性、输入和输出信号形式等关键的特征参数，分析各自驱动电路的特点；
3） 选定一种超声发射器和传感器，测试其基本的输入输出响应，并设计放大/检波/滤波电路,通过仿真优化之后，搭建电路，测试不同距离、不同指向时的信噪比；
4） 设计应答器，在不同的探测距离和方位时，具备恒定的响应延时。
5） 采用软硬件结合的方式测量方位角，设计相应算法或电路，并进行分组讨论；改进之后搭建系统，测试方位角和距离的测量精度、线性度、探测距离。
6） 设计方位和距离的反馈控制算法和电机驱动电路；掌握 DSP 和单片机原理及开发编程，利用简易小车搭载上述硬件系统进行目标跟踪的测试和演示。
7） 撰写设计总结报告，并通过分组演讲和视频演示，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

目前的自动跟踪行李箱有视觉、GPS 和回声探测等方法，视觉法软硬件开销大、成本高、对照明有要求，GPS 在室外效果较好，回声探测距离短、辨识度弱。设计和实现一套以应答式超声波定位为基础、能够自动跟踪声源目标的行李箱测量与控制系统，可以弥补上述不足。涉及的知识和技能：数学建模与误差分析；功率放大、信号调理、模拟滤波器、精密解调电路设计；采样定理、欠采样的理解和应用，数字滤波器设计，通过分析系统响应优化激励信号；电机驱动与反馈控制；嵌入式系统设计：需求分析与资源分配，模数转换、定时计数器、总线等的运用；计算机辅助设计和仿真应用。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

锻炼学生分析和解决工程问题能力，即，应用电路、信号处理、嵌入式系统设计等专业知识和数学、声学等基本原理，识别、分解和表达复杂工程问题，通过文献、器件、工艺、价格等调查研究以及灵活使用多种资源、工具进行预测、模拟、优化、验证，设计和开发出合理、可行的解决方案，并能体现创新意识。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验的过程是一个涉及专业知识和技能比较全面的综合性实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、测试标定、现场演示、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）工程开发思路的规范性：首先介绍项目研究的意义和国内外研究现状，让学生对项目来源有一个基本的认识，对产品需求有一个准确的定位。其次，指导学生如何将复杂工程问题合理地分成若干个比较简单的子问题，分析这些子问题的相互制约关系，确定解决优先级和并行开发思路；最后讲解开发各个子模块需要的专业知识、技能和工具，并布置知识和技能的学习、复习和练习任务。

（2）方案论证的充分性和效率：引导学生从工程实际需求中分析和提炼关键技术问题，并利用所学专业知识获得基本的结论，设计解决方案；对于所涉及的各个课程、技能给予必要的提示和限定，确保学生在正确和规范的途径上自由发挥；要求 2-3 人分为一组，对项目开发需求进行明确分工，对于每一子功能至少提出两种解决方案，答辩通过后选择一种实施。

（3）原理、方法、技能的创新性：在项目开发的各个环节采用启发式问题将学生一步步引向问题的本质，让学生自己选择解决方法、分析效果和成本；同时让学生亲身体会项目开发的严密性、条理性和现实性；引导学生发现所设计测控系统的不足，需要做哪些进一步研究和突破才能改进；在工程开发中，锻炼学生以解决工程问题为目的，学习新知识、新技能的能力以及善于利用各种辅助工具和资源的能力。

（4）实验进程的掌控：实验中，教师要经常巡视记录，掌握每个团队的实验情况、鼓励完成更多实验任务；在实验过程中，根据需要组织 2-3 次中期汇报，组织学生交流研发过程中的遇到的困难和问题、解决途径、待解决的问题，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面和视野；老师重点了解学生在系统调试时解决问题的方法。

（5）提供相关传感器、相似测控系统的网络资源的获取途径，提供个别指导，但要兼顾考核的需要。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的技术、电路、器件。

1） 系统结构

如图 1 所示，系统包括传感器、信号调理、处理器、电机控制与驱动、电源模块等几部分。其中传感器模块的超声波应答器位于目标上，其余部分在行李箱上。信号调理模块包括：脉冲发生器与功率放大电路，用于驱动超声波询问器；滤波放大和精密检波电路，用于检测探测回波包络，以降低后续采样和信号处理负担；数字整形与逻辑组合电路用于将回波包络转化成包含相位或时延信息的数字信号，便于处理器直接测量时延和相位。处理器负责运行信号处理与控制算法，实现的功能有数据采集、方位与距离解算、数字测量与运动控制。

图 1 系统结构

2） 实现方案（1）工作方式：

系统的工作流程如图 2 所示。每次定位时，首先由行李箱发射询问超声脉冲，当目标的应答器识别到询问信号时，发回应答信号，行李箱接收应答信号，通过对应答信号进行软件和硬件方面的处理实现对目标的定位、进而跟随。其中，利用回波的时延测量距离，利用耳间强度差和相位差测量目标方位角。

图2 系统的工作流程

（2）测量原理

如图3所示，测量包括距离测量和方位角测量。距离测量依靠询问脉冲和应答脉冲的时延计算，该时延还需减去应答器的反应滞后时间。当目标在远场时，由于双耳的幅度差不明显，可利用双耳相位差计算目标方位角；当目标在近场时，由于双耳的相位差不在满足简化条件，相位差和方位角的关系变得复杂，而幅度比较大、幅度差随方位角变化比较灵敏，可采用双耳强度差测量目标方位角。

图3 定位原理

（3）信息获取

首先在超声信号的发射和接收方面：发射器限定为谐振式超声波发射器或换能器，限定谐振频率大于等于 $2 0 \mathrm { k H z }$ ，以免对人而造成伤害；超声接收器可以采用谐振式超声波换能器，也可以采用宽频的 MEMS 麦克风；其中 MEMS 麦克风又分为数字输出式和模拟输出式两大类，对此不做限制。超声发射器的驱动方式可以采用功率型方波驱动也可以采用模拟功率放大器驱动。接收信号的初级放大电路需要注意所选择的传感器是交流输出（共振型换能器）还是直流耦合输出（麦克风）。

其次，在超声波包络、相位等信息获取方面，如图 4(a)所示，既可以采用全软件的方式，如DSP过采样高速采样和信号处理或者单片机欠采样低速采样和信号处理；也可以采用全硬件的方式，如精密检波电路，数字整形，利用单片机的计数器测量相位差和包络宽度差（对应幅度差）；还可以采用硬件 $^ +$ 软件混合的方式，即，检波之后通过单片机的超低速采样和信号处理实现幅值和相位的测量。图4(b)是部分实现细节，包括部分驱动和信号处理电路、资源分配、控制器处理流程等。

在测量结果的数字显示形式上，全部采用字符型 LCD 形式，采用标准接口驱动，显示信息量大、开发效率高，有助于项目顺利按时进行。

图4 信息获取技术路线

（4）运动控制

跟随目标的运动控制技术路线如图 5 所示。首先测量方位角和距离相对于设定值的偏差，按照如图所示的策略对行李箱的姿态、速度进行实时调整。行李箱的驱动可以采用步进电机也可以采用直流电机，功率放大器件全部采用主流的专用集成芯片。对于采用了有速度反馈的电机，可以对运动控制的偏差、滞后性、平滑性提出更加具体的指标要求。

图 5 目标跟随控制技术路线

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1）项目需求分析
2） 实现方案论证及结论
3） 理论推导计算与算法设计
4） 电路设计与调试方案、过程、结果
5） 实验数据记录与数据处理分析
6） 系统子模块及整体调试运行的图表、程序、照片及分析、说明
7） 成本核算、器件清单及损耗程度
8） 对项目的总结及体会

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1） 方案设计是否经过了充分、有效地调研和思考，方案论证答辩时回答是否正确、清晰。
2） 功能构思、电路设计的创新性、正确性、合理性，自主思考与独立实践能力。
3） 实验过程中分析问题和解决问题的能力。
4） 是否充分利用实验室已有的软硬件条件，是否经过充分的调研、仿真、计算验证。
5） 实验质量：电路方案的焊接质量、组装工艺，软件代码的编写是否规范，系统装配是否合
理。
6） 实验数据：不同距离时方位角测试数据和测量误差；不同方位时距离测试数据和测量误差。
7） 实物验收：现场演示或视频演示，完成时间。
8） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1. 采用“应答式”代替“回声式”定位，在原理上保证了测量精度，又增加了系统复杂度，将学生的精力更多地聚焦到系统的优化实施、专业知识的学以致用等方面。2. 通过外围电路和处理器的开放式配置，实现测量任务在软硬件之间灵活切换，充分体现了知识应用的综合性和实现方法的多样性。3. 实验内容针对实际的社会、工程需求，让学生在“用中学”、“用中研”，采用主流技术，如 DSP，规范开发标准，技术起点高。

实验案例信息表