机械自动化技术论文提纲

2022-11-15

论文题目：基于FMCW雷达的蔗垄高度检测研究

摘要：甘蔗生产综合机械化被认为是可以有效降低甘蔗种植成本、提高种植经济效益的方法,其中甘蔗收割机械自动化一直是最难突破的瓶颈。目前,甘蔗收割机械自动化面临的最大技术难题是实现甘蔗收割机切割刀盘高度随蔗垄高度的改变进行自动调节,保证刀盘始终在距离蔗垄土壤表面的一定距离下进行切割。我国蔗地主要分布在南方的丘陵地区,地势起伏大,蔗垄高低不平,且蔗垄表面常被杂草与蔗叶等植被覆盖,普通的蔗垄高度测量方法不适用于蔗垄高度实时检测,难以实现刀盘位置随着蔗垄高度的变化自动调节。国外引进的甘蔗收割机亦不能适应我国蔗地的实际情况,而国内的甘蔗收割机刀盘高度自动调节还处于研究试验阶段。基于现有甘蔗垄高检测系统面临的技术难题,本文提出了一种基于调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW）雷达的蔗垄高度检测方案,从我国蔗地的实际情况出发,查阅中外相关文献对该方案进行可行性分析,利用Matlab搭建GUI仿真界面,对蔗地植被覆盖参数、雷达系统参数进行仿真分析,确定合适的雷达系统基本参数,分析并计算FMCW雷达射频前端各个模块的性能指标需求,设计FMCW雷达射频前端电路,利用Cadence软件完成射频前端PCB版图的制作并进行硬件测试与模拟试验。论文主要研究内容如下:（1）查阅文献,确定方案的可行性。查阅中外关于甘蔗收割机与复杂情况下雷达测距的相关文献,分析甘蔗收割机械自动化的技术瓶颈,了解FMCW雷达的原理与优势,明确方案的可行性。（2）建模仿真,进一步从仿真的角度确定方案的可行性。雷达信号的穿透深度由雷达的波长与介质的电磁散射系数决定,本文根据甘蔗收割环境的实际情况,利用Matlab软件对蔗地土壤、蔗地覆盖的植被建立电磁散射模型,分析不同系统参数下的FMCW雷达对蔗垄高度检测的影响,搭建GUI仿真界面,对仿真参数进行改变,确定了雷达射频前端系统的最优工作频率与带宽。（3）FMCW雷达射频前端系统的硬件实现与性能测试。分析了FMCW雷达射频前端系统的性能指标需求,选择合适的射频芯片进行FMCW雷达的射频前端的设计,完成射频前端的硬件测试,验证其功能的完整性。为满足体积小、成本低的设计要求,根据FMCW雷达的作用原理与蔗地的实际情况,设计了雷达射频前端的频率综合器模块、发射前端模块与接收前端模块的PCB原理图及硬件实现方案,制作了PCB版图并进行性能测试,保证搭建的雷达射频前端系统能正常工作。（4）模拟试验与数据处理分析。利用杂草、植物茎叶、土壤模拟蔗垄环境进行模拟试验,分别测试并记录不同测试距离、不同植被覆盖厚度情况下的雷达回波信号,利用Matlab软件对回波信号进行数据处理与分析,将单元平均恒虚警（Cell Averge Constant False Alarm Rate,CA-CFAR）检测方法与二元决策积累理论应用到信号处理中,解决了植被覆盖物与噪声带来的干扰,得到较准确的蔗垄高度检测数据。

关键词：FMCW;射频前端;CA-CFAR;垄高检测

学科专业：农业电气化与自动化

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 蔗垄高度检测研究现状

1.2.2 复杂环境下的雷达测距研究现状

1.3 研究的主要内容

1.4 技术路线

1.5 本章小结