Please use this identifier to cite or link to this item: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/20914
Title: Modelagem dinâmica em espaço de estados de sinais de ultrassom para a estimação do tempo de trânsito utilizando filtro de Kalman.
???metadata.dc.creator???: LUCENA, Daiana Correia de.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: FREIRE, Raimundo Carlos Silvério.
???metadata.dc.contributor.advisor2???: VILLANUEVA, Juan Moises Mauricio.
Keywords: Transdutores de ultrassom;Tempo de trânsito;Filtro de Kalman estendido;Velocidade do vento;Ultrasound transducers;Time of flight;Extended Kalman filter;Wind speed
Issue Date: Mar-2021
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: LUCENA, Daiana Correia de. Modelagem dinâmica em espaço de estados de sinais de ultrassom para a estimação do tempo de trânsito utilizando filtro de Kalman. 73 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2021.
???metadata.dc.description.resumo???: Uma metodologia para estimação do tempo de trânsito em ondas de ultrassom com aplicação em medição da velocidade do vento é proposta baseado no filtro de Kalman estendido. A técnica proposta utiliza uma estimação de trechos do sinal de ultrassom para medição indireta do tempo de trânsito, a partir de medições da amplitude do sinal do transdutor receptor e do valor de inicialização do tempo de trânsito. Para inicialização do tempo de trânsito, etapa necessária ao uso do filtro Kalman, foi proposta uma metodologia que identifica um valor de limiar de tensão do sinal do transdutor receptor (a partir do qual é determinado o tempo de trânsito inicial) adequado a ser utilizado. Fundamentado neste método, foi construído um modelo computacional de propagação de ondas de ultrassom e procedimentos experimentais foram realizados usando um túnel de vento, com objetivo de aplicar o algoritmo com o Filtro de Kalman na medição indireta do tempo de trânsito. Entre as técnicas que são utilizadas para a medição do tempo de trânsito suas limitações se referem à faixa de medição restrita a um ciclo do sinal, necessidade de encontrar uma função matemática que descreva o sinal de ultrassom ou trechos dele e níveis de ruído do meio. Em simulação, o tempo de trânsito foi obtido com a técnica de diferença de fase no domínio do tempo após o uso do filtro de Kalman como etapa de filtragem utilizando trechos do sinal, em cenários com valores de relação sinal ruído (SNR) menores do que 35 dB, para os quais as técnicas convencionais de detecção de limiar e diferença de fase no domínio do tempo não podem ser aplicadas de forma direta. A técnica proposta com o filtro de Kalman estendido foi usado para medição indireta do tempo de trânsito, obtendo-se com resultados de simulação e experimental um bom desempenho da técnica proposta, com valores do tempo de trânsito com exatidão comparável com os obtidos com a técnica de diferença de fase no domínio da frequência, no entanto sem a restrição da faixa de medição limitada a 2π (um ciclo do sinal).
Abstract: Ultrasound transducers are applied in several systems to measure flow velocity, distance and surface wear, by estimating the ultrasound travel time, from its emission in the transmitting transducer to its detection in the receiving transducer (time of flight), presenting high speed response and good accuracy. Techniques based on time difference and signal processing have been used to time of flight estimation in order to reduce uncertainties. The beginning of signal detection in the receiving transducer for time of flight estimation is hampered by the noise levels of the medium, whose amplitudes are confused with the amplitudes that represent the signal detection. A methodology for ultrasound time of flight estimation applied to wind speed measurement is proposed, based on the extended Kalman filter that uses an estimation of stretch of the ultrasound signal for time of flight indirect measurement, from measurements of the amplitude of the receiving transducer signal and the time of flight initialization value. For time of flight initialization, that is a necessary step to use the Kalman filter, was proposed a methodology that identifies a voltage threshold value of the receiving transducer signal (from which the initial time of flight is determined) to be used. Among the techniques that are used to measure the time of flight, its limitations refer to the measurement range restricted to a signal cycle, the need to find a mathematical function that describes the ultrasound signal or sections of it and middle noise levels. Based on this method, a computational model for the propagation of ultrasound waves was built and experimental procedures were performed using a wind tunnel, in order to apply the algorithm with the Kalman Filter in the time of flight indirect measurement. In simulation, the time of flight was obtained with the phase difference technique in the time domain after the use of Kalman filter as a signal filtering step, in scenarios with signal-to-noise ratio (SNR) values less than 35 dB, for which the conventional techniques of detection of threshold and phase difference in the time domain cannot be applied directly. The Kalman filter was used for time of flight indirect measurement, join as the methodology that identifies a proper voltage threshold value of the receiving transducer signal to be used, obtaining in simulation and experimental results a good performance of the proposed technique, with values of time of flight with accuracy comparable to those obtained with the difference technique in frequency domain, however without the restriction of measurement range limited to 2π (one signal cycle).
Keywords: Transdutores de ultrassom
Tempo de trânsito
Filtro de Kalman estendido
Velocidade do vento
Ultrasound transducers
Time of flight
Extended Kalman filter
Wind speed
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Elétrica
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/20914
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Elétrica.

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DAIANA CORREIA DE LUCENA -TESE (PPGEE) 2021.pdf3.51 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.