用于机器人导航的高分辨率多传感器超声波系统

在40-200KHZ频率范围内一个至多有32个空气超声波振子的多传感器超声波系统被开发用于机器人学领域的应用。该系统由一个探测和处理板（DSPBRD）组成，而每个传感器是由一个高频端电子模块（SONAR）组成。DSPBRD是基于数字信号处理机（DSP）TMS 320C25，并且具有一个VME和一个RS232接口。由此，它在一个VME机柜中可以被作为一块从属板来运行或作为一块由一个个人计算机控制的独立板来运行。DSPBRD能同时控制并获得至多来自五个振子的数据。

每个SONAR模块是一块10cm x7cm的板子，包含振子触发和接收电子线路。

该系统被开发用于提供出现在结构环境中自动移动于3米半径的一个范围内的障碍物图。为此，使用了20个50KHZ振子，每个以脉冲-回波方式进行操作。在此应用中，只处理第一个回波。

该系统的上述应用比那些已开发出来的系统具有更强的能力。如上所述，有关硬件资源，有可能使用至多5个并行探测通道（多听觉的）。这就可以通过当保持相位同相时，混合来自不同振子的回波，从而提高超声波系统横向清晰度。另外，TMS 320 C25的DSPBRD的出现使几个预处理算法的联机执行，诸如匹配过滤、反相过滤和相关技术，改进了飞行探测的时间；使神经网络处理解决了具体的对象-识别问题。

特别是在这项工作中同时使用了三个相邻振子，中间一个用作一个发送器，所有的用作接收机。此技术还称为三倍听觉，用于提高具有特殊形状和位移的探测对象的空间分辨率。

目标是要在一次机器人导航的“泊船”相位中解决一个特殊意义的问题，那就是对一个飞机反射器（相对于一个振子飞机阵列）的位移和倾角的识别。

一种神经网络方法已被证明将是一种用来实现目标的有效的处理工具。此外，神经网络处理能克服在对回波信号飞行时间的评估过程中产生的不可避免的错误（诸如由于振子波瓣宽度、限定的振子大小以及飞机反射器倾角引起的）。

硬件设计

该系统由一个空气超声波振子阵列（在40-200KHZ范围内至多32个带中心频率的部件）、一个高频端电子模块（SONAR）（每个振子具有一个）、以及一个探测和处理板（DSPBRD）组成。如图（略）所示的是由Telerobot s.n.c公司（Genova, Italy)在意大利国家科学研究委员会的“机器人目标计划”中设计和完成的活动机器人的系统图。整个系统的连接设计图列于图（略）。

DSPBRD板配备了以下内容：

一个DSP TMS 320 C25，用于控制整个系统并执行特殊的信号预处理算法；

五个探测频道（8位动态范围，1M样/秒），允许使用具有高至200KHZ中心频率的振子；

一个从属VME BUS接口；

一个串行RS232链（它能在一台PC控制下独立运行）；

SONAR模块的两个均衡接口。

高频端电子SONAR模块包括两个逻辑块：可编程的选择装置和发送/接收装置。前者是以可编程的逻辑装置（PLDs）为基础，使振子拿能根据一个任意的临时及空间计划发送或接收。它是DSPBRD和发送接收装置之间的接口。后者能以高至300KHZ的中心频率并使用具有最低约为200μs长度的正弦脉冲串来驱动振子。它具有一个接收级（具有两个可变增益电压放大器，这两个放大器的特征是具有一个200μ Vpp（峰对峰）的灵敏度以及76dB的最大增益）。

在DSPBRD和SONAR模块间的连接可通过一条混合的数模总线（无线电频率信号、地址和控制信号）来获得。在数字信号中，SONAR模块通过一个可调谐的阈来产生一个r.f信号的1位抽样，可用于飞行时间测量。

仿真及实验数据

这一部分研究的是评估与一个三振子飞机阵列有关的飞机反射器的距离和倾角的问题（主要是关于机器人导航的“泊船”相位问题）。通过使用前面所介绍过的系统,从而解决了实施计算机仿真的问题以及处理了所获得的实验数据。在仿真和实验阶段期间，中心振子被用作为一个发送器，而所有的振子被用作接收机。

使用一种神经网络处理方法，获得了飞机反射器的参数A（倾角）和参数R（距离）。在仿真阶段，选用了一个Back Propagation Network。

结论

一种完善的数据探测和处理系统被设计并用于了机器人导航领域中。

使用至多5个独立探测通道以及DSP TMS320 C25处理能力可以解决涉及超声波导航的特殊问题。

神经方法已被证实是一种强有力的处理工具，它与类似的人造孔径技术一起使用，从而能识别一个飞机反射器的位移和偏斜。尤其是神经网络的处理能克服在对飞行时间进行的评估中不可避免的错误（由于振子辐射波瓣宽度、有限的振子维数和飞机反射器偏斜所引起的）。