用于機器人導(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)一個至多有32個空氣超聲波振子的多傳感器超聲波系統(tǒng)被開發(fā)用于機器人學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。該系統(tǒng)由一個探測和處理板（DSPBRD）組成，而每個傳感器是由一個高頻端電子模塊（SONAR）組成。DSPBRD是基于數(shù)字信號處理機（DSP）TMS 320C25，并且具有一個VME和一個RS232接口。由此，它在一個VME機柜中可以被作為一塊從屬板來運行或作為一塊由一個個人計算機控制的獨立板來運行。DSPBRD能同時控制并獲得至多來自五個振子的數(shù)據(jù)。

每個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)境中自動移動于3米半徑的一個范圍內(nèi)的障礙物圖。為此，使用了20個50KHZ振子，每個以脈沖-回波方式進行操作。在此應(yīng)用中，只處理第一個回波。

該系統(tǒng)的上述應(yīng)用比那些已開發(fā)出來的系統(tǒng)具有更強的能力。如上所述，有關(guān)硬件資源，有可能使用至多5個并行探測通道（多聽覺的）。這就可以通過當(dāng)保持相位同相時，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)使幾個預(yù)處理算法的聯(lián)機執(zhí)行，諸如匹配過濾、反相過濾和相關(guān)技術(shù)，改進了飛行探測的時間；使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理解決了具體的對象-識別問題。

特別是在這項工作中同時使用了三個相鄰振子，中間一個用作一個發(fā)送器，所有的用作接收機。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對象的空間分辨率。

目標(biāo)是要在一次機器人導(dǎo)航的“泊船”相位中解決一個特殊意義的問題，那就是對一個飛機反射器（相對于一個振子飛機陣列）的位移和傾角的識別。

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

硬件設(shè)計

該系統(tǒng)由一個空氣超聲波振子陣列（在40-200KHZ范圍內(nèi)至多32個帶中心頻率的部件）、一個高頻端電子模塊（SONAR）（每個振子具有一個）、以及一個探測和處理板（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)研究委員會的“機器人目標(biāo)計劃”中設(shè)計和完成的活動機器人的系統(tǒng)圖。整個系統(tǒng)的連接設(shè)計圖列于圖（略）。

DSPBRD板配備了以下內(nèi)容：

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

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

--一個從屬VME BUS接口；

--一個串行RS232鏈（它能在一臺PC控制下獨立運行）；

--SONAR模塊的兩個均衡接口。

高頻端電子SONAR模塊包括兩個邏輯塊：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)一個任意的臨時及空間計劃發(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)動振子。它具有一個接收級（具有兩個可變增益電壓放大器，這兩個放大器的特征是具有一個200μ Vpp（峰對峰）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)?？偩€（無線電頻率信號、地址和控制信號）來獲得。在數(shù)字信號中，SONAR模塊通過一個可調(diào)諧的閾來產(chǎn)生一個r.f信號的1位抽樣，可用于飛行時間測量。

仿真及實驗數(shù)據(jù)

這一部分研究的是評估與一個三振子飛機陣列有關(guān)的飛機反射器的距離和傾角的問題（主要是關(guān)于機器人導(dǎo)航的“泊船”相位問題）。通過使用前面所介紹過的系統(tǒng),從而解決了實施計算機仿真的問題以及處理了所獲得的實驗數(shù)據(jù)。在仿真和實驗階段期間，中心振子被用作為一個發(fā)送器，而所有的振子被用作接收機。

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

結(jié)論

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

使用至多5個獨立探測通道以及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)方法已被證實是一種強有力的處理工具，它與類似的人造孔徑技術(shù)一起使用，從而能識別一個飛機反射器的位移和偏斜。尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理能克服在對飛行時間進行的評估中不可避免的錯誤（由于振子輻射波瓣寬度、有限的振子維數(shù)和飛機反射器偏斜所引起的）。