[实用新型]基于毫米波雷达的运动平台SLAM系统

摘要

一种基于毫米波雷达的运动平台SLAM系统，包括有硬件部分和软件部分。硬件部分包括有前置放大器、四阶巴特沃斯高通滤波器、可控增益放大器、四阶巴特沃斯低通滤波器等，信号先通过前置放大器放大10倍，经四阶巴特沃斯高通滤波器滤除2000Hz的三角波泄漏与50Hz的工频干扰，然后使用可控增益放大器使得放大后的信号幅值最小不小于1V，最大不超过3V，最后经过四阶巴特沃斯低通滤波器滤除高频噪声，最后通过单片机A/D采样后通过串口发送到PC端。软件部分包括matlab数字滤波以及C#构建的上位机界面，通过SLAM算法绘制环境地图并于上位机人机交互界面中显示。本实用新型性价比高、易于实现、具有良好人机界面、对运动平台的智能控制和自定位技术有着推动作用。

主权项

1.一种基于毫米波雷达的运动平台SLAM系统，其特征在于：包括K‑LC2毫米波雷达传感器以及信号调理电路；信号调理电路包括有电源模块接口、信号输入、输出与测点接口、前置放大器、高通滤波器、可控增益放大器和低通滤波器；K‑LC2毫米波雷达传感器的1号管脚Q通道输出悬空，K‑LC2毫米波雷达传感器的2号管脚V_cc通过电源模块进行+5V供电，K‑LC2毫米波雷达传感器的3号管脚I通道接入后续的前置放大器，K‑LC2毫米波雷达传感器的4号管脚GND与地相接，K‑LC2毫米波雷达传感器的5号管脚V_co接入DDS模块产生的调频带宽为140MHz，频率为2000Hz的调频三角波信号；测距范围为1m～10m，K‑LC2毫米波雷达传感器输出的I通道信号频率范围是3733Hz～37333Hz；前置放大器采用运放OPA211，K‑LC2毫米波雷达传感器输出的I通道差频信号接入OPA211的同相输入端3号管脚+IN，4号管脚V‑与7号管脚V+分别通过电源模块的‑5V与+5V进行双电源供电，6号管脚输出OUT通过反馈电阻R2后与反相输入端2号管脚IN‑相接，再通过接地电阻R1后与GND相接；K‑LC2毫米波雷达传感器的1号、5号、8号三个管脚悬空不接；K‑LC2毫米波雷达传感器的输出信号幅值在±200mv的范围内，测距越远幅值越小，测距越近幅值越大，为了提高信噪比并且将信号控制在一个便于后续滤波处理与AD采样，拟定将信号放大十倍；由同相放大电路增益公式知：将R₂与R₁分别设置为9KΩ与1KΩ时能够得到10倍的增益；高通滤波器用以对传感器输出信号中泄漏的2000Hz三角波与系统中的低频成分的工频干扰进行滤除；四阶高通巴特沃斯滤波器采用运算放大器AD8671来构成，通过两片级联的方式达到四阶滤波器的效果，通过设置相应的电阻电容值来设置滤波器的截止频率f_c；前置放大器的输出通过两个电容C₁、C₂接入AD8671的3号管脚同相输入端+IN，4号管脚V‑与7号管脚V+分别通过电源模块的‑5V与+5V进行双电源供电，6号管脚OUT输出第一级AD8671滤波后的信号，一路通过R₅接到C₁与C₂中间，另一路通过R₆后接入AD8671的2号管脚反相输入端‑IN，再通过R₄与GND相接；1号、5号、8号三个管脚悬空不接；第二级AD8671的3号管脚+IN接第一级AD8671的6号管脚OUT输出的信号，其余电阻电容值的配置与相关设计与第一级完全相同，最后第二级AD8671的6号管脚OUT输出的信号为经过四阶巴特沃斯高通滤波器滤波后的输出信号；AD603是低噪声，具有90MHZ带宽的可变增益放大器，其增益的大小由芯片1号管脚GPOS与2管脚GNEG之间的电压差V_G来控制；芯片3号管脚VINP接入高通滤波器输出的信号，即第二级AD8671的6号管脚OUT，5号管脚COMM作为公共端接GND，6号管脚VNEG与8号管脚VPOS分别接电源模块的‑5V与+5V对芯片进行供电，在管脚外增0.1uf的C₅、C₆去耦后接地；7号管脚VOUT为放大后的输出信号，与5号管脚FDBK短接使得可控增益的范围为‑10dB—30dB；1号管脚GPOS接1K欧姆电位器的可动端，而电位器的两个固定端分别通过4.3KΩ后与电源模块提供的±5V电源相接，从而在1KΩ的电位器上分压得‑500mv～+500mv的电压范围，能够达到芯片手册上提供的增益范围；在通过可控增益放大器后，为了能够滤除电路中高频的噪声，需要一个低通滤波器来保留有用信号而滤除高频噪声；四阶低通巴特沃斯滤波器同样采用AD公司推出的高精度、低噪声、低输入偏置电流的运算放大器AD8671来构成，通过两片级联的方式达到四阶滤波器的效果，通过设置相应的电阻电容值来设置滤波器的截止频率f_c；可控增益放大器AD603的7号管脚VOUT的输出通过两个电阻R₁₃、R₁₄接入AD8671的3号管脚同相输入端+IN，4号管脚V‑与7号管脚V+分别通过电源模块的‑5V与+5V进行双电源供电，6号管脚OUT输出第一级AD8671滤波后的信号，一路通过C₈接到₁₃与R₁₄中间，另一路通过R₁₆后接入AD8671的2号管脚反相输入端‑IN，再通过R₁₅与GND相接；1号、5号、8号三个管脚悬空不接；第二级AD8671的3号管脚+IN接第一级AD8671的6号管脚OUT输出的信号，其余电阻电容值的配置与相关设计与第一级完全相同，最后第二级AD8671的6号管脚OUT输出的信号为经过四阶巴特沃斯高通滤波器滤波后的输出信号；拟定四阶巴特沃斯低通滤波器的截止频率f_c为400KHz，由滤波器截止频率计算公式可计算出400KHz对应的C₇、C₈、C₉、C₁₀与R₁₃、R₁₄、R₁₇、R₁₈值为75pf与5.36KΩ，设置R₁₅、R₁₆、R₁₉、R₂₀分别为62KΩ、9.31KΩ、20KΩ、24.9KΩ，则第一级滤波增益为1.152，第二级滤波增益为2.235，而对于该滤波器整体的品质因数Q也处在一个合理的数值上；四阶巴特沃斯低通滤波器的输出信号通过排针与杜邦线接入单片机的A/D采样端口；系统预留一个BNC接头，用以接收信号发生器的测试信号来检验调理电路是否能够正常工作，其1号管脚接输入INPUT，其余管脚接GND；传感器的5号管脚V_co由一个SMA‑KE接头引入，通过射频连接线将DDS模块输出的调频三角波信号接入；调理电路上预留一个2*4Pin的排针，通过杜邦线与电源模块相连为系统供电；一个6Pin排针的焊盘，前五个焊盘作为测点不予焊接排针，分别接前六片芯片输出后的信号，在调试过程中方便通过示波器观察信号经过处理后的变动，最后一个焊盘上焊接排针，用以通过杜邦线连接单片机的A/D端口。