用于機器人導航的高分辨率多傳感器超聲波系統

簡(jiǎn)介

在40-200KHZ頻率范圍內一個(gè)至多有32個(gè)空氣超聲波振子的多傳感器超聲波系統被開(kāi)發(fā)用于機器人學(xué)領(lǐng)域的應用。該系統由一個(gè)探測和處理板（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是基于數字信號處理機（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機柜中可以被作為一塊從屬板來(lái)運行或作為一塊由一個(gè)個(gè)人計算機控制的獨立板來(lái)運行。DSPBRD能同時(shí)控制并獲得至多來(lái)自五個(gè)振子的數據。

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(xiàn)路。

該系統被開(kāi)發(fā)用于提供出現在結構環(huán)境中自動(dòng)移動(dòng)于3米半徑的一個(gè)范圍內的障礙物圖。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。在此應用中，只處理第一個(gè)回波。

該系統的上述應用比那些已開(kāi)發(fā)出來(lái)的系統具有更強的能力。如上所述，有關(guān)硬件資源，有可能使用至多5個(gè)并行探測通道（多聽(tīng)覺(jué)的）。這就可以通過(guò)當保持相位同相時(shí)，混合來(lái)自不同振子的回波，從而提高超聲波系統橫向清晰度。另外，TMS 320 C25的DSPBRD的出現使幾個(gè)預處理算法的聯(lián)機執行，諸如匹配過(guò)濾、反相過(guò)濾和相關(guān)技術(shù)，改進(jìn)了飛行探測的時(shí)間；使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理解決了具體的對象-識別問(wèn)題。

特別是在這項工作中同時(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。此技術(shù)還稱(chēng)為三倍聽(tīng)覺(jué)，用于提高具有特殊形狀和位移的探測對象的空間分辨率。

目標是要在一次機器人導航的“泊船”相位中解決一個(gè)特殊意義的問(wèn)題，那就是對一個(gè)飛機反射器（相對于一個(gè)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(lái)實(shí)現目標的有效的處理工具。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理能克服在對回波信號飛行時(shí)間的評估過(guò)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）。

硬件設計

該系統由一個(gè)空氣超聲波振子陣列（在40-200KHZ范圍內至多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“機器人目標計劃”中設計和完成的活動(dòng)機器人的系統圖。整個(gè)系統的連接設計圖列于圖（略）。

DSPBRD板配備了以下內容：

--一個(gè)DSP TMS 320 C25，用于控制整個(gè)系統并執行特殊的信號預處理算法；

--五個(gè)探測頻道（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PC控制下獨立運行）；

--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，使振子拿能根據一個(gè)任意的臨時(shí)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(cháng)度的正弦脈沖串來(lái)驅動(dòng)振子。它具有一個(gè)接收級（具有兩個(gè)可變增益電壓放大器，這兩個(gè)放大器的特征是具有一個(gè)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(guò)一條混合的數?？偩€(xiàn)（無(wú)線(xiàn)電頻率信號、地址和控制信號）來(lái)獲得。在數字信號中，SONAR模塊通過(guò)一個(gè)可調諧的閾來(lái)產(chǎn)生一個(gè)r.f信號的1位抽樣，可用于飛行時(shí)間測量。

仿真及實(shí)驗數據

這一部分研究的是評估與一個(gè)三振子飛機陣列有關(guān)的飛機反射器的距離和傾角的問(wèn)題（主要是關(guān)于機器人導航的“泊船”相位問(wèn)題）。通過(guò)使用前面所介紹過(guò)的系統,從而解決了實(shí)施計算機仿真的問(wèn)題以及處理了所獲得的實(shí)驗數據。在仿真和實(shí)驗階段期間，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。

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A（傾角）和參數R（距離）。在仿真階段，選用了一個(gè)Back Propagation Network。

結論

一種完善的數據探測和處理系統被設計并用于了機器人導航領(lǐng)域中。

使用至多5個(gè)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航的特殊問(wèn)題。

神經(jīng)方法已被證實(shí)是一種強有力的處理工具，它與類(lèi)似的人造孔徑技術(shù)一起使用，從而能識別一個(gè)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(shí)間進(jìn)行的評估中不可避免的錯誤（由于振子輻射波瓣寬度、有限的振子維數和飛機反射器偏斜所引起的）。