混沌理论在车载超声测距系统中的应用研究

摘 要： 利用混沌系统敏感依赖于初始条件的特性，通过判断系统运动状态的变化，实现车载噪声环境下的微弱超声波信号的提取。系统的仿真实验结果表明混沌振子检测理论在抑制噪声、检测微弱信号方面具有很高的先进性，可以大大提高超声波测距的精度和性能。

关键词： 混沌理论；车载超声测距系统；应用

超声波法是非接触测距中比较常用的一种，虽然具有很多独特的优点，但它在传播过程中衰减比较大。随着信号处理技术和计算机技术的发展，许多新的理论方法应用于超声波信号的去噪处理，很大程度上使得超声波测距的测量精度和灵敏度有所提高。混沌理论是非线性科学最重要的成就之一，近年来发展迅速，是信息检测技术的一个主要发展方向。

用混沌振子检测理论检测车载噪声环境下的超声回波信号，是混沌理论在微弱信号检测方面的一个应用实例，其研究目的就是论证混沌振子检测理论在实际的超声波测距中的可行性与实用性，并为混沌检测理论用于实际产品开发提供理论指导和实现依据。

1 超声波测距系统硬件设计

超声波测距系统硬件实现总体框图如图1所示。

图1 超声波测距系统硬件实现总体框图

本系统中，控制芯片MCU是实时控制和数据采集的核心器件。本论文中控制芯片需要承担以下任务：设定工作方式，产生40KHz的方波脉冲信号，经功率放大后驱动超声波换能器产生超声波；控制超声波接收的运放增益变化；超声波数据的A/D转换，采集补偿温度与车速，并将转换后的超声波数据和校正数据传送给计算机。本系统综合考虑混沌振子非线性检测对数据采样精度和采样时间的要求、USB数据传输的实现等方面，最终选用Atmel公司的AT32UC3B0128。该型号的MCU是一款高性能、低功耗微控制器，32位RISC处理内核（指令集包含DSP指令序列）、频率高达60MHz、内部128KB flash。在数据转换方面，集成了8通道、最高10位的A/D转换器和7通道16位的PWM；在数据传输方面，集成3个USART接口、400kbit/s I2C总线、SPI总线等。最重要的是它包含OTG协议的全速USB 2.0接口，使得由该芯片构成的数据采集系统可以自由地作为通信的主机或与PC机通信的从机。该款芯片性价比较高，在满足电路需要的前提下，具有实现方便、稳定、耗电量小、体积小等优点。

1.1 数据的A/D转换

A/D转换器就是将模拟信号值编制转换成适合于数字处理的二进制码的编码器。使用时需要参考下述性能指标：A/D转换器的位数、转换速率、A/D转换器量程、偏置极性、满刻度误差等。从采样要求来看，在使用10位转换精度的A/D转换器时，MCU时钟频率为8MHz，最大转换时间为2us，能满足系统设计要求。在实际应用时，还要注意A/D转换器对电源电路的要求。这是因为电源电路除了给MCU供电外，还要给A/D转换器供电，并在使用外部电压做基准时为A/D转换器提供基准电压。根据以上分析，本论文选用了Maxim公司的低压差线性稳压器MAX8875进行稳压，及电压基准芯片MAX6190来提供稳定的2.048V外部参考电压。

1.2 USB数据通信

USB即通用串行总线（Univesral Serial Bus），具有传输速度快、支持热插拔、支持双向和同步、性价比高、对外可提供500mA、主流操作系统普遍支持、协议纠错能力强等优势。本文使用AT32UC3B0128芯片集成的OTG标准的全速USB 2.0 （480Mbps）接口。

1.3 补偿温度获取

温度是影响超声波测距精确的主要因素，所以本文主要考虑超声波测距的温度补偿。本文采用DS18B20来获得补偿温度。该芯片可以实现9～12位的温度读数，相应的测量精度最高可达0.0625℃（12位），12位分辨率时的温度转换时间不超过750ms，测量范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内误差为0.5℃，且芯片最大的特点是采用单总线方式通信，且每个DSl8B20 具有固定的唯一序号，可以实现将多个DSl8B20存放在同一条单线总线上，满足在不同地方放置温度敏感器件的需要。

1.4 校正车速获取

一般的测速装置主要有脉冲计数装置、编码技术等。本文选用数字编码器来进行校正车速的测量。其测速原理是：数字编码器输出代表速度快慢的脉冲，单位时间内脉冲数越多说明车速越快，将输出的脉冲输入到MCU的一个I/O口，通过MCU的捕捉功能就可以获取校正车速。

2 Duffing振子在超声波测距中的应用实验研究

根据系统设计总统框图，将被检测的信号作为系统内部周期激励的摄动引入Duffing振子系统。假设待测信号的形式为

，其中 为待测信号幅值， 为噪声。则混沌系统方程为：

信号检测时，首先设置系统参数：步长 ，阻尼 ，内驱动力幅值 。为观察混沌振子对微弱信号的检测能力，本文对频率为 的超声波信号进行实验分析，采用减少发射电压和增大探头间距增大的方法来获得较微弱的超声波信号。假定原始信号中，噪声强大看不出明显的超声波信号特征。为了利用间歇混沌来确定待测信号的频率，我们取参考信号频率 略小于超声波信号的频率。系统本质上是一个离散动力系统，选取的步长 不同，因此导出的离散系统也不同。特别是在系统从混沌状态到有序状态转变时，不同的步长值将导致分叉值明显不同。将被测信号输入Duffing振

。若采样频率为 ，那么一周期内的采样点数

，因为在 和 之间必须满足关系（3）：

当 时，相变域值 约在0.7附近，这里取参考信号幅值 ，目的在于保证检测过程的可靠性。

图2 振子响应

图2为最后的实验结果。从图中可以看到明显的间歇混沌。根据横轴可知，间歇混沌的周期约为20000步，由于所取步长为0.0248，所以周期为20000*0.0248=560s，即：

可得到：

最终检测到的外界信号频率为：

由于实际信号的频率为40.01KHz，所以相对误差为：

由此可见误差很小，本系统可以准确地检测出强噪声背景中的微弱信号。

接下来我们计算一下本系统所能检测到的最小信噪比。系统 ，能检测到 、噪声均方根值

的微弱信号。当 增加到2.31时，相点基本上仍作周期运动，也会偶尔回到混沌区，但系统本质上是稳定的。当 增加到2.5时，系统的周期运动已经被破坏，由于噪声过大，系统已经不能检测到信号了。因此，得到可检测的最小信噪比为：

3 系统性能参数

经过实验，最终得到利用混沌振子检测超声波的测距系统的性能参数如下：

最大测量距离：30m；

盲区：

测量精度：±0.2%；

分辨率：2mm。

4 小结

目前，超声波测距系统的最大测量距离可以达到20m，测距精度为±1%，最高的也不超过±0.5%。应用混沌振子算法后，这些性能指标都改善很多，而且最小信噪比达到了-64.27dB，可见，混沌振子检测理论可以大大提高超声波测距系统的性能。

参考文献：

[1]尹成群、赵华、尚秋峰等，基于混沌检测理论的车载微波测速测距安全预警系统的研究，Modern Scientific Instruments，2006，2：3-33.

[2]基于Duffing振子的微弱信号检测，长春：吉林大学信号与信息处理专业，2005.

[3]程凤芹，基于混沌系统初值敏感性的微弱信号检测，长春：吉林大学信号与信息处理专业，2006.

[4]刘立、孙军，基于混沌振子的微弱信号检测方法研究，沈阳农业大学学报，2005，36（6）：667-670.