基于SOPC的高精度超聲波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文基于NIOS II軟核處理器和卡爾曼濾波算法，利用FPGA平臺(tái)，超聲波傳感器和LCD液晶顯示系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種高精度超聲波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)。以這種方法設(shè)計(jì)的SOPC系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)超聲波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)噪聲干擾過(guò)大的問(wèn)題，提高了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。

引言

　　傳統(tǒng)的超聲波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)面臨噪聲過(guò)大、測(cè)量精度不夠高的問(wèn)題，卡爾曼濾波算法是一種最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，在雷達(dá)測(cè)距和目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，可以用來(lái)提高測(cè)距系統(tǒng)的精度。但是卡爾曼濾波算法的實(shí)現(xiàn)需要用到大量的浮點(diǎn)數(shù)矩陣運(yùn)算，軟件實(shí)現(xiàn)方式通常很難滿足系統(tǒng)對(duì)于高實(shí)時(shí)性的要求，硬件雖然可以保證系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性，但是硬件無(wú)法直接處理浮點(diǎn)數(shù)，并且硬件開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)，成本過(guò)高，這都限制了卡爾曼濾波算法的應(yīng)用。

　　NIOS II處理器是可編程邏輯器件的軟核處理器，可以和存儲(chǔ)器、I/O接口等外設(shè)嵌入到FPGA中，組成一個(gè)靈活、高效的可編程單芯片系統(tǒng)(SOPC)，大大降低了系統(tǒng)的成本、體積和功耗，適合網(wǎng)絡(luò)、電信、數(shù)據(jù)通信、嵌入式和消費(fèi)市場(chǎng)等各種嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合^[1-3]。

　　本文基于FPGA平臺(tái)，采用NIOS II軟核處理器，利用卡爾曼濾波算法對(duì)系統(tǒng)測(cè)量值進(jìn)行濾波處理，設(shè)計(jì)了一種SOPC系統(tǒng)，以這種方法設(shè)計(jì)的測(cè)距系統(tǒng)綜合利用了軟件編程靈活的優(yōu)點(diǎn)以及硬件并行處理、速度較快的特點(diǎn)，運(yùn)用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法保證系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)^[4]，從而大大提高了測(cè)距系統(tǒng)的性能和精度。

1 卡爾曼濾波理論

　　對(duì)于卡爾曼濾波器，首先我們需要引入一個(gè)系統(tǒng)方程：

　　系統(tǒng)的測(cè)量方程為：

　　對(duì)于系統(tǒng)方程，矩陣A稱(chēng)為轉(zhuǎn)換矩陣，矩陣B稱(chēng)為控制矩陣，矩陣C稱(chēng)為測(cè)量矩陣，u是控制量，A、B、C、u由實(shí)際濾波模型決定，均為已知，上述參數(shù)可以是恒定的，也可以是隨時(shí)間變化的^[5]。w是系統(tǒng)噪聲，v是測(cè)量噪聲。

　　卡爾曼濾波算法由五條濾波公式組成：

　　公式一：狀態(tài)預(yù)測(cè)方程

　　公式二：誤差預(yù)測(cè)方程

　　公式三：卡爾曼增益方程

　　公式四：濾波估計(jì)方程

　　公式五：誤差更新方程

　　卡爾曼濾波算法如圖1所示。濾波算法用反饋控制的方法估計(jì)過(guò)程狀態(tài)，濾波器首先預(yù)測(cè)過(guò)程某一時(shí)刻的狀態(tài)，然后通過(guò)測(cè)量值對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行反饋和校正，其中公式一和公式二組成預(yù)測(cè)方程，產(chǎn)生先驗(yàn)估計(jì)，公式三、公式四和公式五組成校正方程，將先驗(yàn)估計(jì)和測(cè)量值結(jié)合構(gòu)造改進(jìn)的后驗(yàn)估計(jì)，即用測(cè)量值對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正，卡爾曼濾波器就是通過(guò)這樣一個(gè)不斷的“預(yù)測(cè)(先驗(yàn))—測(cè)量—校正(后驗(yàn))”的過(guò)程，使得最優(yōu)估計(jì)的誤差隨時(shí)間以指數(shù)衰減，從而使得數(shù)據(jù)逐漸“收斂”，以此來(lái)達(dá)濾波的目的^[6 。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，系統(tǒng)的硬件部分由超聲波傳感器，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板以及LCD液晶屏組成。系統(tǒng)工作時(shí)，F(xiàn)PGA通過(guò)超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)讀取傳感器采集的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波算法進(jìn)行濾波和去噪處理后，再通過(guò)LCD驅(qū)動(dòng)模塊控制LCD液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示。

　　在該系統(tǒng)中，超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)和LCD驅(qū)動(dòng)采用Verilog HDL設(shè)計(jì)，卡爾曼濾波模塊通過(guò)NIOS II軟核中的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。這樣既可以發(fā)揮硬件處理速度快的特點(diǎn)，又可以很好的發(fā)揮C語(yǔ)言處理浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算和編程靈活的特點(diǎn)，從而保證系統(tǒng)性能最優(yōu)。

　　系統(tǒng)采用的LCD液晶屏的尺寸是320*240。圖3是LCD屏幕的分區(qū)顯示效果圖，液晶屏最上部顯示運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果，下部顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其中左側(cè)顯示實(shí)時(shí)波形曲線，右側(cè)顯示實(shí)時(shí)數(shù)值數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的軟件算法流程如圖4所示，F(xiàn)PGA通過(guò)超聲波傳感器采集距離信息，并進(jìn)行距離信息的存儲(chǔ)以完成被檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷，當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)則使用一維卡爾曼濾波算法對(duì)含噪聲的距離測(cè)量值進(jìn)行濾波去噪;當(dāng)物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，則使用二維卡爾曼濾波算法對(duì)含噪聲的距離測(cè)量值進(jìn)行去噪和優(yōu)化處理，并可以利用關(guān)系矩陣和濾波算法得到運(yùn)動(dòng)物體的速度值。