用于機(jī)器人導(dǎo)航的高分辨率多傳感器超聲波系統(tǒng)

簡介

在40-200KHZ頻率范圍內(nèi)一個(gè)至多有32個(gè)空氣超聲波振子的多傳感器超聲波系統(tǒng)被開發(fā)用于機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。該系統(tǒng)由一個(gè)探測(cè)和處理板（DSPBRD）組成，而每個(gè)傳感器是由一個(gè)高頻端電子模塊（SONAR）組成。DSPBRD是基于數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（DSP）TMS 320C25，并且具有一個(gè)VME和一個(gè)RS232接口。由此，它在一個(gè)VME機(jī)柜中可以被作為一塊從屬板來運(yùn)行或作為一塊由一個(gè)個(gè)人計(jì)算機(jī)控制的獨(dú)立板來運(yùn)行。DSPBRD能同時(shí)控制并獲得至多來自五個(gè)振子的數(shù)據(jù)。

每個(gè)SONAR模塊是一塊10cm x7cm的板子，包含振子觸發(fā)和接收電子線路。

該系統(tǒng)被開發(fā)用于提供出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)環(huán)境中自動(dòng)移動(dòng)于3米半徑的一個(gè)范圍內(nèi)的障礙物圖。為此，使用了20個(gè)50KHZ振子，每個(gè)以脈沖-回波方式進(jìn)行操作。在此應(yīng)用中，只處理第一個(gè)回波。

該系統(tǒng)的上述應(yīng)用比那些已開發(fā)出來的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的能力。如上所述，有關(guān)硬件資源，有可能使用至多5個(gè)并行探測(cè)通道（多聽覺的）。這就可以通過當(dāng)保持相位同相時(shí)，混合來自不同振子的回波，從而提高超聲波系統(tǒng)橫向清晰度。另外，TMS 320 C25的DSPBRD的出現(xiàn)使幾個(gè)預(yù)處理算法的聯(lián)機(jī)執(zhí)行，諸如匹配過濾、反相過濾和相關(guān)技術(shù)，改進(jìn)了飛行探測(cè)的時(shí)間；使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理解決了具體的對(duì)象-識(shí)別問題。

特別是在這項(xiàng)工作中同時(shí)使用了三個(gè)相鄰振子，中間一個(gè)用作一個(gè)發(fā)送器，所有的用作接收機(jī)。此技術(shù)還稱為三倍聽覺，用于提高具有特殊形狀和位移的探測(cè)對(duì)象的空間分辨率。

目標(biāo)是要在一次機(jī)器人導(dǎo)航的“泊船”相位中解決一個(gè)特殊意義的問題，那就是對(duì)一個(gè)飛機(jī)反射器（相對(duì)于一個(gè)振子飛機(jī)陣列）的位移和傾角的識(shí)別。

一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法已被證明將是一種用來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的有效的處理工具。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理能克服在對(duì)回波信號(hào)飛行時(shí)間的評(píng)估過程中產(chǎn)生的不可避免的錯(cuò)誤（諸如由于振子波瓣寬度、限定的振子大小以及飛機(jī)反射器傾角引起的）。

硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由一個(gè)空氣超聲波振子陣列（在40-200KHZ范圍內(nèi)至多32個(gè)帶中心頻率的部件）、一個(gè)高頻端電子模塊（SONAR）（每個(gè)振子具有一個(gè)）、以及一個(gè)探測(cè)和處理板（DSPBRD）組成。如圖（略）所示的是由Telerobot s.n.c公司（Genova, Italy)在意大利國家科學(xué)研究委員會(huì)的“機(jī)器人目標(biāo)計(jì)劃”中設(shè)計(jì)和完成的活動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)圖。整個(gè)系統(tǒng)的連接設(shè)計(jì)圖列于圖（略）。

DSPBRD板配備了以下內(nèi)容：

--一個(gè)DSP TMS 320 C25，用于控制整個(gè)系統(tǒng)并執(zhí)行特殊的信號(hào)預(yù)處理算法；

--五個(gè)探測(cè)頻道（8位動(dòng)態(tài)范圍，1M樣/秒），允許使用具有高至200KHZ中心頻率的振子；

--一個(gè)從屬VME BUS接口；

--一個(gè)串行RS232鏈（它能在一臺(tái)PC控制下獨(dú)立運(yùn)行）；

--SONAR模塊的兩個(gè)均衡接口。

高頻端電子SONAR模塊包括兩個(gè)邏輯塊：可編程的選擇裝置和發(fā)送/接收裝置。前者是以可編程的邏輯裝置（PLDs）為基礎(chǔ)，使振子拿能根據(jù)一個(gè)任意的臨時(shí)及空間計(jì)劃發(fā)送或接收。它是DSPBRD和發(fā)送接收裝置之間的接口。后者能以高至300KHZ的中心頻率并使用具有最低約為200μs長度的正弦脈沖串來驅(qū)動(dòng)振子。它具有一個(gè)接收級(jí)（具有兩個(gè)可變?cè)鲆骐妷悍糯笃鳎@兩個(gè)放大器的特征是具有一個(gè)200μ Vpp（峰對(duì)峰）的靈敏度以及76dB的最大增益）。

在DSPBRD和SONAR模塊間的連接可通過一條混合的數(shù)模總線（無線電頻率信號(hào)、地址和控制信號(hào)）來獲得。在數(shù)字信號(hào)中，SONAR模塊通過一個(gè)可調(diào)諧的閾來產(chǎn)生一個(gè)r.f信號(hào)的1位抽樣，可用于飛行時(shí)間測(cè)量。

仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

這一部分研究的是評(píng)估與一個(gè)三振子飛機(jī)陣列有關(guān)的飛機(jī)反射器的距離和傾角的問題（主要是關(guān)于機(jī)器人導(dǎo)航的“泊船”相位問題）。通過使用前面所介紹過的系統(tǒng),從而解決了實(shí)施計(jì)算機(jī)仿真的問題以及處理了所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在仿真和實(shí)驗(yàn)階段期間，中心振子被用作為一個(gè)發(fā)送器，而所有的振子被用作接收機(jī)。

使用一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理方法，獲得了飛機(jī)反射器的參數(shù)A（傾角）和參數(shù)R（距離）。在仿真階段，選用了一個(gè)Back Propagation Network。

結(jié)論

一種完善的數(shù)據(jù)探測(cè)和處理系統(tǒng)被設(shè)計(jì)并用于了機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域中。

使用至多5個(gè)獨(dú)立探測(cè)通道以及DSP TMS320 C25處理能力可以解決涉及超聲波導(dǎo)航的特殊問題。

神經(jīng)方法已被證實(shí)是一種強(qiáng)有力的處理工具，它與類似的人造孔徑技術(shù)一起使用，從而能識(shí)別一個(gè)飛機(jī)反射器的位移和偏斜。尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理能克服在對(duì)飛行時(shí)間進(jìn)行的評(píng)估中不可避免的錯(cuò)誤（由于振子輻射波瓣寬度、有限的振子維數(shù)和飛機(jī)反射器偏斜所引起的）。