（微电子学与固体电子学专业论文）基于超声信号的小波变换研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 基于超声信号的小波变换研究 摘要 超声定位技术是一种典型的非接触测量技术，其具有结构简单、成本低廉、整 体定位准确性高等优点，因而得到了较广泛的应用，特别是在导盲避障方面，凸显 了其良好的性能。本论文正是以此为出发点，根据之前设计并已经成功应用于e t a s 上的一款基于超声测距的避障系统，重点研究了对全地形的避障算法。目的克服掉 目前超声测距、避障系统一个共有的盲区一对突起的障碍可以识别，而对于类似沟 壑的障碍无法识别的问题。 本文主要研究内容概括如下。 一论文概述了超声波检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的工作机理及特性， 对于影响测距系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功能 的基础上，根据先前的硬件平台，提出了实验系统的总体构成。 二从突变信号或非平稳信号的特性出发，研究了时间一尺度频率分析方法：应用 小波理论，详细分析了对信号的处理过程。这些研究为后面的实验分析奠定了 理论基础。 三论文详细阐述了为验证算法所设计的硬件实验平台，将整个平台系统分为主控 芯片、超声发射电路、回波前置比例放大电路、t g c 电路和滤波电路等部分， 对各个硬件部分都给出了原理图并进行了分析。主控芯片程序是采用c 语言编 写，论文还设计了实验系统的电路板，并进行了实验数据采集与算法验证。 四根据小波理论，提出了一种新的基于小波多分辨率分析的回波处理方法，通过 提取回波在不同分层上的信息，发现空气细节，建立障碍物模型，实现对全地 形的避障。理论方面重点阐述了小波中的多分辨率分析和m a l l a t 算法，推导 了多分辨率分析的特性，将其等价为共轭正交的滤波器组，研究了多分辨率对 信号的分解与重构，随后选取合适的小波基函数对实际采集到的信号进行分 析，验证算法。 关键词：超声，小波变换，电子行动辅助系统，多分辨率分析，全地形障碍识别 分类号：t b 5 5 9 山东师范大学硕士学位论文 s t u d yo nt h er e s e a r c ho fu l t r a s o n i cb a s e dw a v e l e t a b s t r a c t a sat y p i c a ln o n c o n t a c tm e a s u r e m e m ，t h eu l t r a s o n i cp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yh a sm a n y m e r i t s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，h i g ha c c u r a c yo ft h ew h o l ep o s i t i o n i n ga n ds o o n ，t h e r e f o r e ，i ti saw i d es p r e a da p p l i c a t i o n si nr e c e n ty e a r se s p e c i a l l yi nt h ef i e l d so f v i s i o ns u b s t i t u t i o no rt h ee t a s ( e l e c t r o n i ct r a v e la i ds y s t e m ) b eb a s e du p o nt h e f o r m e ru l t r a s o n i ce t a sa r c h i t e c t u r e ，w h i c hh a sb e e nf i n i s h e db yo u rl a b ，t h i sp a p e r s p u r p o s ei st of i n da n e ww a yt oo v e r c o m et h ec o m m o nd i s a d v a n t a g e si nn o w a d a y se t a s ， s i n c ea l lo ft h e mw h i c hb eb a s e do nt h eu l t r a s o n i cc a l ln o tr e c o g n i z et h ea l l - t e r r a i n o b s t a c l e s t h em a i np o i n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 f i r s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ta n df o u n d a t i o n a lp r i n c i p l eo f u l t r a s o n i c d e t e c t i o n t h e ni tp r e s e n t st h ew o r k i n gm e c h a n i z a t i o na n dc h a r a c t e r so fu l t r a s o n i c s e n s o r a tt h es a m et i m e ，i td i s c u s s e san u m b e ro fm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r sw h i c h a f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e m m o r e o v e r , a f t e ri n t r o d u c i n gt h ef u n d a m e n t a l f u n c t i o n so ft h es y s t e m ，a n db eb a s e do nt h ef o r m e re x i s t i n ga r c h i t e c t u r e ，i tp r o p o s e s t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ee x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 2 s t a r t i n gf r o mt h ep r o p e r t i e so ft h em u t a n ts i g n a la n dt h en o n - s t a t i o n a r ys i g n a l ，a f t e r r e s e a r c h i n gt h et i m e - s c a l e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e t a i l e d a n a l y s i so ft h es i g n a lp r o c e s s i n g a n dt h e s es t u d i e sl a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no f t h ef a r t h e re x p e r i m e n t a la n a l y s i s 3 t h e nt h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo ft h ee x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i s i t i o n u s y s t e m ，w h i c hc o n s i s t st h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o l lc i r c u i t ，t h et r a n s m i tc i r c u i to f u l t r a s o n i c ，t h ep r e p o s i t i v ep r o p o r t i o n a la m p l i f i e rc i r c u i t ，t g cc i r c u i t ，t h ef i l t e rc i r c u i t a n ds oo n ，i sd e t a i l e d l yd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h em i c r o c o m p u t e rp r o g r a mi s c o m p i l e dw i t ht h ecl a n g u a g e t h ep a p e rh a sa l s od e s i g n e dt h ec i r c u i tb o a r d o ft h e 山东师范大学硕士学位论文 s y s t e m ，c o l l e c t e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dv e r i f i e dt h ea r i t h m e t i c 4 a c c o r d i n g t ot h ew a v e l e tt h e o r y , an e ww a v e l e t - b a s e dm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i so ft h e e c h om e t h o do ft r e a t m e n th a sb e e np r o p o s e d t h r o u g ht h ee x t r a c t i o no fe c h o i n f o r m a t i o no ni nd i f f e r e n tl a y e r s ，w ec a l ls e tu pm a n yk i n d so fm o d e l so ft h e o b s t a c l e st or e a l i z et h ea l l - t e r r a i no b s t a c l e sr e c o g n a t i o n f o c u s e so nt h e o r i e so f m u l t i r e s o l u t i o nw a v e l e ta n a l y s i sa n dm a l l a t a l g o r i t h m ，t h i sp a p e r d e r i v e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i sf r o mt h er e s e a r c ha n de q u i v a l e n ti tt ot h e c o n j u g a t eq u a d r a t u r ef i l t e rb a n k s u b s e q u e n t l y , a f t e rs t u d y i n gt h em u l t i r e s o l u t i o n s i g n a ld e c o m p o s i t i o na n dr e - c o n f o r m a t i o n ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h eu l t r a s o n i c e o c hs i g n a lb yt h ea p p r o p r i a t ew a v e l e tb a s i sa n dv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo fa l g o r i t h m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，w a v e l e tt r a n s f o r m , t h ee l e c t r o n i ct r a v e la i d s ( e t a s ) ，m u l t i - r e s o l u t i o n a n a l y s i s ，a l l - t e r r a i no b s t a c l e sr e c o g n a t i o n i i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其 他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二亡匕 思。 学位论文作者签名：忝聪差祓 导师签 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权翻夔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适 用本授权书) 学位论文作者签名：弛使毅 导师签字 签字日期：2 0 0 9 年4 月8 日签字日期：2 0 0 9 年4 月8 日 山东师范大学硕士学位论文 1 研究背景与意义 第一章绪论 超声测量是一种典型的非接触式的测量方法，在使用中因为不受光照度、电磁 场、色彩、烟雾、空气能见度等因素的影响，因此在机器人避障、汽车倒车、液位 测量、缺陷识别等许多场合得到了广泛的应用。和诸如激光、微波等其他测距方法 相比，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，并且对时 间的精度要求远小于激光、微波测距等方式，因而超声测距及避障系统电路易实现、 结构简单和造价很低。 此前，我们已经成功设计出了一款基于超声测距的电子行动辅助系统 ( e l e c t r o n i ct r a v e la i d s ) ，此系统由模拟电路以及普通的单片机最小系统构成，成本 低廉，将此系统应用于传统的导盲杖上，提醒盲人前方的障碍，弥补了其传统导盲 方式上的缺陷，扩展了盲人的“视野”。在此系统上，超声测距其造价低、构造简 单、精度相对较高的优势也就极大的体现出来了。 然而在系统的研发与实际应用中也发现了很多局限性：一是超声测距及避障的 精度。首先，因为超声在空气中的衰减很大，所以测量距离的不同，会造成回波信 号的较大起伏，对首个回波的包络检测也会变得不是很清晰，因此其测量会产生较 大的误差；其次，超声脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率， 特别是在近距离测量时的影响会比较大；另外，还有一些诸如环境温度、噪音、风速 等因素，也会对测量造成了一定的影响。二是超声测距及避障只能对突起的障碍进 行识别，而对于类似沟壑的障碍无法识别。在之前的系统上我们是通过探头的不同 安装方式来弥补，然而却没有在根本上解决，因此如何解决这些问题，提高超声测 距的精度以及增加超声避障识别的类型，具有非常大的现实意义。 2 电子行动辅助系统( e t a s ) 在国内外的研究状况 根据世界卫生组织( w h o ) 统计，目前，全世界视觉障碍者约有1 4 亿人，盲人 达4 0 0 0 到4 5 0 0 万人，其中，大约有占总数1 8 的盲人在中副1 1 。黑暗给盲人们的 工作、生活、社交活动带来了非常大的困难。因此，世界各国热衷于盲人康复事业 山东师范大学硕士学位论文 的研究人员都在孜孜不倦地探索着，为盲人设计出能够代替他们眼睛的辅助系统。 近年来，电子行动辅助系统( e l e c t r o n i ct r a v e la i d s e t a s ) 的研究越来越热， 各 国专家都致力于为盲人提供更加安全、有效的辅助行动设备。其中有： 2 1 无线导盲系统 此种辅助是通过预置在某些定点的发射装置，对盲人随身携带的接收装置进行引 导，使盲人能够得到行动、自身位置的各种信息。 以汉城国民大学林在凤教授为首的研究小组在韩国信息通信部投资7 5 万美元的 支持下，研发出了基于手机定位的系统。无论在何地，其经改装的手机均可以根据 范围内安装在建筑物上的定点机反馈给手机使用者必要的方位信息实现导盲。 日本铁道综合技术研究所也研制成功一种通过预先埋植在车站内部、站台及电 车地面的线圈和集成电路组成的r f i d 系统，对盲人的手杖进行引导，同时对其身 上的便携电脑提供必要的信息支持，最终通过便携电脑的处理转化成语音，并由耳 机或小型喇叭传入盲人耳中。 台湾也有类似的设计，科学家通过研制出含有信息的导盲地砖，通过r f i d 技 术对盲人携带的接收装置进行引导。 无线导盲系统不可避免的需要政府投入大量的资金更新其城市的基础导盲设 施，需要重新铺置导盲地砖或者尽可能多的放置定点装置。同时，这种辅助系统对 于盲人来说是一种被动的引导，盲人们并不能真正掌握自身所处的环境。而且，暴 露在室外的顶点装置很容易遭到自然或者认为的破坏。因此在遇到信号盲区、干扰 甚至导盲系统损坏而导致没有定位信号的时候，盲人会比平时更加无助。 2 2 成像导盲系统 最近十年许多科学家着手于让盲人能够得到真正视觉感受的相关研究。通过摄 像头或者声纳等外部成像传感器对外界环境进行编码、成像，然后通过无线或者有 线的方式传输到盲人体内或者体外的译码电路，通过译码电路将信号翻译成盲人能 够感知的信号，使他们能够真切的“看到或“听 到或者听到外部世界实现导盲。 人工视网膜是近年来比较热门的电子、医学交叉技术。通过摄像头捕捉外部的 画面，将捕捉的画面进行处理后通过射频【2 】或者红外【3 】的方式传送到移植到盲人眼 2 山东师范大学硕士学位论文 球内部的接收器，并有相对应的翻译芯片将信号转为神经能够识别的刺激信号，刺 激视网膜进而让盲人能够识别出人脸甚至自由行动。其中主要的研究组有哈佛大学 与麻省理工大学共建的研究中心；美国南加州大学联合5 个国家重点实验室组成的 研究组。此外，还有德国i m i 公司联合u l m 大学、弗莱堡大学，以及日本n a g o y a 大学的y a g i 实验室。在临床上，由h u m a y u n 领导的小组在0 2 年成功地将芯片长期 植入一位视网膜色素变性的盲人。而u l m 大学也于2 0 0 8 年i s s c c 上发布了自己 的第一块原型芯片并且具备了可应用于临床的条件。 声音成像对人工视网膜来说是一种更为便宜的解决方案，通过声纳或者摄像头 将外部信号翻译为某种特定的声音，传送到盲人耳内，盲人根据这些不同的声音重 新建立起对外部环境的识别与感知，实现导盲。比较有名的有l e s l i ek a y 根据超声 成像的s o n i c g u i d e 系统【4 】。这是一个能够探知5 米视角大约5 0 0 的眼镜式导盲系统。 这个系统将发散的超声数据流发送出去，然后接收经过反射回来的信号，将包含地 形地貌信息能量谱【5 】的超声回波信号通过调制成为复杂的可听声波，然后传送到盲 人耳内。通过一段时间的学习，盲人可以根据声音来判断出前方障碍的距离，形状， 甚至表面的软硬程度。j o r g e n s e n 发明了一种手持回声定位系统【6 】，这个系统是一个 手持的超声发射器，盲人可以将它指向任何一个方向，类似于一个超声“手电。 盲人可以通过他建立起对周围障碍物形状的感觉。类似的，i f u k u b e 等人i 7 】设计出了 一种根据蝙蝠原理而开发的导盲系统，他基于一对安装在眼镜上的f m 单发双收的 反馈装置，采集8 1 9 2 个采样点，然后转换成导盲用的信号供盲人使用。还有p e t e r m e i j e r 根据摄像头成像的v o i c e 系统1 8 1 0 1 ，相关参数及其他实现方式参阅文献【1 0 】【1 1 】 【1 2 13 】【14 】。 成像导盲系统能够为盲人们提供丰富的感知信息，让他们能够“看”到周围的 环境。但是像人工视网膜这样的技术其相应的成本非常高，大部分的盲人未必能够 承担得起，而且需要多学科的共同合作，不仅研发成本非常高，而且还需要有很高 的外科手术技巧才能植入，大大降低了成功的概率。而有的技术则需要盲人的一个 重新认知学习的过程，在心理学家与盲人们的评估之后，我们可以了解到像 s o n i c g u i d e 这样的系统需要非常专业的训练能得到一个好的效果，而且由于需要重 新建立抽象的感知过程，也就让人们丧失了之前对周围的事物直观的感觉【1 5 】。同 时还干扰了盲人们对外界的听觉能力。 3 山东师范大学硕士学位论文 2 3 避障导盲系统 利用安装在导盲设备或者便携设备上的光学或者声学技术研发的传感器对前方 障碍物进行判断，告知使用者前方的路是否能安全通过。 光学导盲系统中比较有名的有1 9 7 3 年，b e n j a m i n 等人发明的基于激光测距的 砌口c 5l a s e rc a n e 系统和德国的v i s t a c 公司开发的l a s e r - l a n g s t o c k 系统他们 是通过三对光电二极管所组成的光学三角测量系统对盲人面前障碍物的高度距离 进行测量测量范围一般在1 5 米到3 5 米之间。 声学导盲系统的典型则是8 0 年代出现的m o w a ts e n s o r 系统和n o t t i n g h a m o b s t a c l ed e t e c t o r ( n o d ) 系统。其中l e s l i ek a y , t o n yh e y e s 和a l l a nd o d d s 等人做出 了巨大的贡献。这两个成功商业化的系统虽然已经停产，但是其设计与构思对当今 的导盲系统起到了深远的意义。n o d 是一款手电状的便携超声发射器，通过八个 基本的声音警报，提醒盲人在其所能探知到的2 米范围内障碍物 1 刀，t o n yh e y e 于 1 9 8 4 年设计出了名叫s o n i cp a t h f i n d e r 的避障系统，他将探知距离扩大到了2 4 米 1 2 0 。的范围，大大推动了n o d 系统的发展【1 8 】【1 9 1 。而h o y d a l 和z e l a n o 设计的系 统【2 伽继承了n o d 的设计思路，它应用了一个偏振超声测距系统【2 l 】，通过一个频率 与距离成反比的发声系统，不断提醒盲人使用者障碍的距离变化。m o w a ts e n s o r 系 统与n o d 类似，他会提供给使用者在4 米范围内距离其最近障碍物的距离变化情 况。通过振动报警，距离越近，震动频率越高，通过从1 0 到4 0 h z 的震动频率给使 用者提供警告信息【1 。7 1 。 近年来出现了各种各样的避障导盲系统，有密歇根大学研发的主动牵引式的导 盲设备，通过配备传感器的小车进行障碍物的发现与测量，根据信息融合技术设计 出优化的路线，引导盲人前行f 2 2 1 ，有s o u n df o r e s i g h t 有限公司与剑桥咨询有限公司 合作开发的b a t c a n e 设备1 2 3 】等等。 避障导盲原理简单，实时性好，而且系统的研发和生产成本都相对较低，对盲 人来说能够比较容易负担的起，同时导盲效果也非常的好，维护也非常简单、方便。 随着电子技术的发展，避障所采用的方式变得更为细化，根据不同的需求出现了微 波雷达方式、激光方式、光学方式【2 q 及超声波方式等。微波和激光方式具有测量距 离远和分辨率低的特点，基于三角测量的光学方式具有分辨率高和测量距离短的特 点【2 4 】。而超声波技术难度相对较低、成本也低，在广泛应用于工业测距的同时，近 年来逐渐向民用推广，而显示出强劲的发展势头。 4 山东师范大学硕士学位论文 关键技术的研究现状 采用超声方式进行距离测量来避障的方法很多，而应用最多的一般是基于 p e l l a m 和g a t l 于1 9 4 6 年提出的脉冲回波法，也称之为渡越时间法( t i m e o f - f l i g h t ， t o f ) 。此方法的工作原理是：首先用电振荡脉冲激励超声探头，使之向外界发射超 声信号，超声信号遇到被测物体后会被其反射回来，接收传感器接收到反射回来的 的超声后，计算从发射超声至接收回波所经历的时间间隔t ，然后根据声音的传输 速度得到超声探头与被测物体之间的距离。为了改善超声测距的性能，国、内外学 者研究了许多特殊的测距方法或时延估计算法，常见的有阈值鉴幅法、互相关函数 法和自适应时延估计法等等。一般来说主要的有以下两种： 3 1 阈值检测法 阈值检测法的核心是首先设定门槛电压，当接收到经过放大后的反馈信号超过 此门槛电压时，认定此反馈信号就是发送的时序超声脉冲遇到障碍后反射回的回波 信号。由此计算发送和接收之间的渡越时间并得到距离。在这里，国内外采用了多 种技术来提高精度。 首先，由于回波信号的幅值与距离成反比，目标与换能器之间的距离越远，接 收到的回波能量也就越少，对应电路的输出就越小，相应的射程时间也就越长。因 而，在超声波测距应用中，通常采用改变阈值或增益的方法来提高精度。文献 2 5 采用了时间一阈值可变法，作者使阐值随射程时间的延长呈指数形式递减。文献 2 6 】 采用了时间一增益可变法，作者使接收电路的放大倍数随射程时间的延长呈指数形 式递增。这样，只要适当调整指数函数的时间常数，就能保证在规定的量程范围内 准确地测出目标的距离。 也有的采用双频超声测距方法来提高准确性。文献 2 7 贝j j 介绍了一种实时、高 精度、大范围的双频超声波测距方法，即系统首先发送一定数量的高频超声信号， 然后再发送一定数量的低频超声信号。对于近距离测距，通过首先发送的高频回波 信号进行定位，而对于远距离测距，由于高频信号在空气中比低频信号的衰减要大， 因此一般在l o m 以上回波信号基本只包含低频信号。这样就把远近测距分开进行， 克服了测距范围与测距精度之间的固有矛盾。当然这也意味着系统需要采用具有 高、低两个谐振频率的换能器。 5 山东师范大学硕士学位论文 由于普通的超声测距手段对于回波前沿的出现时刻难以准确的把握，因此很难 精确地估计实际的射程时间。文献 2 8 ， 2 9 则讨论了几种分析与提取回波包络线的 计算方法，用以提高超声波测距精度。文献【3 0 】引入了两次测距的概念，即先发射 一次超声脉冲进行粗测，然后对回波幅度进行分析、处理后得到精测的鉴幅阀值， 然后再发射一次超声波脉冲进行精测距，按粗测时所设定的鉴幅阀值，尽可能的捕 捉到回波中的前面固定位置波。 3 2 时延估计法 最常见的方法是基于互相关函数的时延估计法( 也称为匹配滤波) 。即将发射器 发送的超声信号作为参考信号，在发送出超声信号后，微控制器立即开始计算接收 到的回波信号与参考信号之间做互相关运算并寻找峰值，而相关函数峰值出现的时 刻就是回波到达的时刻。如果超声回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回 波信号上的噪声是高斯白噪声，那么采用此方法的精度将高于与其它时延估计法 【3 l 】 o 另一种常见的方法是最小均方自适应时延估计( l m s t d e ) 。即通过换能器发送 的超声信号作为参考信号，然后在接收到的回波信号前加一延时量，系统通过不断 调整延时量的大小，使经l m s 算法之后的回波信号与参考信号之间方差达到最小 值，此时所加入的延时量就是超声返回的射程时间。这种算法既不需要预先知道信 道噪声的统计特性，也无须考虑回波波形的畸变问题，是一种性能较好的时延估计 方法。著名的m a t l a b 软件包也给出了l m s 自适应时延估计算法的仿真演示，而l m s 算法的最大缺点是计算量大，当自适应滤波器的阶数较高时，系统的实时性将没办 法保证，这将直接影响超声波测距系统的正常运行。 最新的技术则提出了基于遗传算法的l m s 自适应时延估计算法，即把遗传算 法引入l m s t d e 的寻优搜索过程中。这种改进的算法，不仅保留了l m s 自适应滤 波器的优点，而且比常规的l m s t d e 减少了7 5 的计算量【3 2 1 。除此之外，文献 【3 3 1 1 3 4 1 1 3 5 1 1 3 6 讨论了可变步长l m s 自适应滤波器算法，即根据参考信号与回波信 号之差的大小，实时地调整步长因子，以加快l m s 算法的寻优搜索速度，并减少 权系数的失调噪声。 通过介绍可以发现，精确识别突起障碍即对障碍物的测距相对比较成熟，但是， 对于应用于行动辅助系统的超声避障来说，我们不仅仅需要对突起障碍物的识别， 6 山东师范大学硕士学位论文 还需要对沟壑进行发现识别，但是对于沟壑，简单的测距是不能够满足的，之前的 导盲系统则是通过使用传感器的不同摆放来简单实现的。有的技术采用一发多收 【3 7 】【3 8 1 ，多个传感器组成的相交定位法【3 9 1 ，有的技术采用一个单发一个单收一个收发 同体的不同探头组合。然而本质上的识别技术却只有在高端的超声成像及图像识别 中，才会具有如此的分辨能力，但是，这些方法由于运算量非常大，大大降低了其 时效性及性价比，同时需要多个超声探头甚至是超声阵列才能满足，因此没办法应 用于普通的生活中。 论文的研究思路与研究内容 我们可以看到，超声测距及避障的处理方法总有很多种，但是，这些方法是与 具体的工程应用问题相联系的。对于同样可以解决实际问题的多种信号处理方法， 选择哪种方法需要根据很多方面考虑，诸如性价比来区分孰优孰劣，而不能根据算 法的难易程度来评判算法的优劣。 由于需要应用于基于导盲杖上的行动辅助系统，因此，在这里，考虑到一定成 本的解决方案迫切的需要被找到，即需要尽量精确的识别特定方向不平整度的能 力，而又要尽量的廉价以便于生产。 这里，我们将要基于之前所设计出来的辅助行动设备来开发出一种更适合的、 全新的导盲辅助系统，它将在低成本的前提下，精确地避开突起的障碍物，同时还 能够识别沟壑。其系统框图如图1 1 所示，初步计划采用高档单片机或者a r m 来 实现控制以及简单的算法，如果在具体实施中发现选用芯片能力不够的话，可能会 使用d s p 或者f p g a 来实现算法。 7 山东师范大学硕士学位论文 ，主控制器 l报警驱 ， | 动电路 、 发送 5 v接收 电 | 报警输出 源 y 、 ， 信号 i 多路选取电 处理 i tt j 路 1 2 v l i f 一零 i 篓萎l 困 图1 1 系统框图 f i g1 1t h es t r u c t u r eo ft h ee t as y s t e m 本文的主要目的在于，为即将设计研发的系统提供良好的理论基础，找到一种 适合的算法用于将来的系统。 对于凸起障碍物的识别，之前的系统已经完全胜任，但是对于避开沟壑的分辨 能力，鉴于成本，不考虑使用超声阵列实现，而本文则基于原有e a t s 系统改进的 超声发射、采集电路，使用小波变换对回波信号进行分析，建立起不平整度的识别 模型，将回波信号分析后的结果与建立起来的模型比较，使系统具有对特定路形的 简单分辨能力。 由于系统前身对信号的抗干扰能力稍有不足，文章的设计提高了外围电路的整 体性参数，优化了电路。这样一方面减轻了主控芯片需要添加去噪算法的负担，保 证了实时性，降低了对芯片的要求，另一方面保证了系统能够准确快速的对不平整 度模型的识别。 山东师范大学硕士学位论文 1 引言 第二章超声测距、避障技术 超声波与其他的波动形式一样，都具有一般波动的物理共性。如当遇到反射物 的时候，波会产生反射与透射，声场也会发生干涉、叠加，传播中的能量也会被吸 收和衰减等等。由于检测的各种超声换能器( 接收探头) 均具有特定的声束指向性、 频带、灵敏度等性能参数。因此，当超声信号的传播遇到障碍时，可以通过超声波 与这些障碍物之间的相互作用来获取对面障碍的距离，形状等参数，从而达到检测 的目的。更重要的是，超声是一种非接触式的检测技术，与电磁或光学等其它方法 相比，不受光线、烟雾、电磁干扰等影响。加之由于空气中波速较慢，回波信号中 包含的各种结构信息很容易被检测出来，其实时性相对要求较低，而且容易实现较 高的分辨率，其准确度更高，信号处理更可靠等特点，因此，特别适合应用于空气 测距与避障。 超声及超声的传播速度 声音与人类的日常生活紧密相联，人类的周围存在着各种各样的声音。而声学 也是发展较早的几个学科之一。然而，由于超声不能由人耳所听到，因此直到1 8 世纪在开始研究海豚、蝙蝠等生物的特性时，人类才发现了自然界存在的超声。众 所周知，声波是一种机械波，可以在气体、液体和固体中传播。根据声波振动频率 的范围，可以分为次声波、可听声波、超声波。人类可听到的声音频率为 2 0 h z 2 0 k h z ，此段的频率声波称之为可听声波，超出这个频率范围的声音，如频 率低于人类听觉下限频率( 约2 0 h z ) 的声波，称为次声波( 低频声波) ，而频率高于人 类听觉上限频率( 约2 0 k h z ) 的声波，称为超声波，或称超声。声波的速度越高，越 与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。而超声检测中常用的工作频率则工 作在o 2 5 2 0 m h z 范围内【加】 声波、超声波的传播都是一个能量经过空间传递的过程。从声源发出的超声波 向各个方向扩散，在介质中一样可能被反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收。声 波在介质中的传播速度，称为声速。其符号为c 表示，单位为m s 。由声波产生的 9 山东师范大学硕士学位论文 物理过程可知，声波的传播是一种扰动形式和能量的传递，并不是把介质质点由其 平衡位置传走。声速的大小主要取决于所经传播介质的密度、温度等因素。因此， 声速在相当大的频率范围内不会随频率等因素发生变化，也就是说一般情况下，超 声的传播速度与普通可听声波的传播速度相同，其在媒质中的反射、折射、衍射、 散射等规律与可听声波没有本质区别，而与一般声波相比，超声可以穿透不透明物 质，并且具有更好的定向性。当今，超声在一般流体介质( 气体、液体) 中的传播 理论已较成熟。 在常温常压下，空气一般近似为理想气体。超声在理想气体中的传播速度为： 一粤( m s ) ( m s ) ( 2 1 1 ) 弘1 百 【乙l 1 式中m 为气体的摩尔质量； ，为气体的定压比热与定容比热之比； 尺为摩尔气体常数； 丁为热力学温度。 式( 2 1 1 ) 中除摩尔气体常数r 外，其他常量在不同的环境里其，和m 都会有微 小的变化。例如：不同温度下，空气中的氮、氧、二氧化碳及水蒸气等的比例变化 其空气密度均不相同。但在一般的情况下，即非特殊工业污染的条件下，这些微小 变化还不足以影响声速的巨大变化，因此，在本文中认为，对于一定的气体其，；r ， m 为定值。由公式可知：声速与热力学温度的平方根成正比。在热力学温度r 为 2 7 3 1 6 k 、气压为标准大气压情况下，空气中声速的实验值为： c o = ( 3 3 1 4 5 0 0 5 ) m s( 2 1 2 ) 从上面的讨论可以看出，超声波的传播特性与介质特性息息相关。 3 超声的衰减 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，其强度会随传播距离的增加而逐渐减 弱。声波的衰减主要分为吸收衰减、扩散衰减和散射衰减三种类型。其中，介质的 粘滞性、热传导及各种弛豫过程引起了吸收衰减，一般来说，如果介质的吸收能力 强，在其传播的衰减最大，因此，声波在气体中衰减最强，液体其次，固体吸收最 小而衰减最小，因此对于给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和 固体中传播的距离短。扩散衰减是由声源特性引起的，声波在传播过程中因波阵面 l o 山东师范大学硕士学位论文 的面积扩大导致的声强减弱，如声源辐射的是球面波即波阵面是同心球面的时候， 声强就会随其波阵面以r 2 形式增大而以r 2 规律减弱。而散射衰减是由于声波在遇 到介质中诸如悬浮粒子( 空气介质) ，小气泡( 液体介质) 等界面时，声波被散射开来所 发生的衰减，即声波不再沿原来方向前进，而是向不同的方向产生散射，从而导致 声波减弱。 我们知道声波的描述方程为： a ( t ) = 彳 ) c o s ( 删+ h ) ( 2 1 3 ) 其中a ( x ) 为振幅，彩为传播角频率，t 为传播时间，z 为传播距离，k = 2 7 r 2 为波 数，彳为声波波长。 由于声波的衰减，使得a ( x ) 随传播距离的增大而减小。通过文献 4 1 可以证明， 吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律。因此对平面波而言，t ( x ) 的变化规律可 以由下式表示： i ( x ) = a o e 一 ( 2 1 4 ) 以为声源处质子振幅，为不变量，a 为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率 的关系为： 口= 口0 f 2 ( 2 1 5 ) 其中a 。为介质常数，厂为振动频率。在空气中，a 。= 2 x 1 0 。1 3 s 2 c m ，当振动的声 波频率= 4 0 i 讯z 时，可得口= 3 2 1 0 - 4 c m ，即约为3 1 2 5 m 。它的物理意义在 于：超声波在空气媒介中传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗，在 长度上，平面声波的振幅衰减为原来的l e 。而且频率越高，其衰减系数a 越大， 传播的距离也越短。在实际的工程中，为了保证回波强度足够大，一般选用 3 0 1 0 0 k h z 的超声波进行距离测量，最常用的频率为4 0 k h z 。 4 超声换能器( 传感器) 为了实现超声检测，需要来完成产生、发射和接收超声波任务的一种装置。而 这种装置就是超声传感器。超声传感器，又名超声换能器，是超声定位避障系统中 的重要组成部分。 山东师范大学硕士学位论文 超声换能器( 传感器) 是一种可以转换声、电信号的能量转换器件。其可以在超 声频率范围内将变化的电信号转换成特殊的声信号或者将外界声场中的声信号转 换为按照一定规律变化的电信号。换能器的种类很多，但其原理、结构基本相同， 通常都包括一个电能元件和一个振动系统。当用作发射设备时，换能器将激励电源 送来的振荡信号送至电能元件，引起其电场、磁场变化，而这种变化对机械振动系 统产生一个推动力，使探头进入振动状态，推动与换能器接触的介质发生振动，向 外辐射超声。接收过程与此相反，当有超声波抵达的情况下，其外来的超声波作用 在传感器的振动面上，从而带动传感器的机械系统发生振动，机械振动改变磁场， 进而引起传感器电储能元件中的电场发生变化，最终引起传感器的电输出端产生一 个相应于声信号的电压和电流。详细的原理与说明请参阅文献 4 2 】。对于超声换能 器的结构，本文也不再详细说明，相关构造等方面细节请参阅文献 4 3 】。 超声换能器的分类也是多种多样，按照其机电转换的物理效应不同可分为电动 式、电磁式、磁滞式、压电式和电致伸缩式等；按照超声波传感器应用范围的不同可 分为通用性、宽带型、密封型、高频型等；按照发射与接受是否同体可分为收发同体 与收发分体式。目前压电式传感器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测 距、避障选用的是t c f 4 0 1 8 t r l 型传感器。 t c f 4 0 18 t r l 是一款压电陶瓷式收发同体超声波传感器。其中心频率在 4 0 k h z ，接收灵敏度在4 0 k h z 的中心频率，0 d b = 1 0 v p a 的条件下为8 6 d b 。发射灵 敏度在4 0 k h z 的中心频率，1 0 v 、3 0 c m 的条件下为1 0 0 d b 。指向性为7 5 0 ，静电电 容为1 8 0 0 p f _ _ + 2 0 。其发射声压方位特性图如图2 1 所示。 1 2 o 凸 啷 1 0 d b2 0 d b0 阳b - a 咀b一0 锄咀一l 伽嵋哑 图2 1 发射声压方位特性图 f i g2 1t h ec h a r to ft h es o u n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c 山东师范大学硕士学位论文 5 超声避障、测距原理 超声测距所用的方法一般有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法等许多 方法，其中相位检测法精度高，但检测的范围有限：声波幅值检测法易受反射面的影 响，不同反射面的反射率不同因此所反射回的声波幅值差异也很大，所以，现在超 声测距、避障方式中采用最多的是p e l l a m 和g a t l 于1 9 4 6 年提出的脉冲回波法，即 渡越时间法，而本文的测试方法也是采用此原理。 在本文第一章节也介绍过，渡越时间法的基本原理是在声速己知的情况下，通 过测量超声波回声所经历的时间来获得距离。具体来说，当谐振频率为4 0 k h z 的 脉冲信号由两根引线将信号输入后，由压电陶瓷激励器和谐振片将电信号转换成机 械振动，振动经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去。发射出的超声信号向空 中各方向直线传播，遇到障碍物后反射。接收器在收到由发射器传来的超声波后， 使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号，然后输入信号 放大器，供电路后级采集使用。 根据超声波的传播理论，当障碍物的尺寸小于超声波波长的1 2 时，超声波将 发生绕射，只有障碍物尺寸大于波长的1 2 时，超声才发生反射。超声测距的工作 原理如图2 2 所示： j s 1 障碍物 | 图2 2 超声测距工作原理图 f i g2 2t h ec h a r to ft h eu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e 首先超声波向空气中发射超声脉冲，探头发出的超声波在气体中从探头传至障 碍物，声波遇到障碍物反射回至同一探头而被接收。表达式为： s ：一1 甜 ( 2 1 6 ) 2 、 山东师范大学硕士学位论文 s ：所测障碍物的距离 c ：超声