优化伪随机脉冲位置调制序列激励的无串扰超声测距系统

    超声换能器因其价格低、尺寸小、硬件接口简单等优点已成为机器人获取环境信息必不可少的传感器。机器人为得到其周围360b范围内障碍物的信息,一般需安装多个超声换能器[1]。当多个具有相同频率的超声换能器同时工作时,就存在着串扰(Crosstalk)问题,即一个超声换能器接收到其它换能器发射或反射的超声波[2]。当超声串扰出现时,若接收换能器无法识别收到的超声信号是否为其自身发射,错误就很难避免。为避免超声串扰造成的影响,当前一个普遍的做法是顺序激励超声换能器,即当一个超声换能器工作完之后再启动下一个超声换能器工作,但这种方式会明显降低工作效率。

    针对这一问题,一些学者提出了不同的消除超声串扰的方法。Borenstein和Koren[3]较早地提出了/错误消除快速超声激励0(EERUF)法,针对两种不同的串扰信号,此法采用/连续读数比较0和/交替延迟比较0分别消除外部和内部串扰。EERUF的优点是实现起来比较经济,缺点是不能彻底消除串扰。要想从根本上消除串扰现象,一个比较有效的方法是给每个超声换能器赋予一个独特的标志,使每个换能器发射的信号各不相同,这样通过回波匹配或相关技术就可以识别出自己的回波。伪随机序列是具有某种随机特性的确定序列,其自相关函数尖锐、任意两个伪随机序列的互相关函数平坦,所以被一些学者用来消除超声串扰。JÊrg和Berg[4]采用伪随机信号调制超声发射序列,在超声发射端通过DP处理板上的D/A转换器将伪随机数字序列换成模拟电压来激励超声换能器,在接收端采用匹配滤波技术来识别接收到的回声信号是否为自己发射的,从而消除串扰。Fortuna和他的同事[5]借用混通信领域中的混沌脉冲位置调制(CPPM)方法来消除超声串扰,但由于脉冲间隔过大,导致整个发射序列的持续时间(200ms)过长,实时性不好。Barker码[6]、Golay互补序列对[7-9 ]等也已被一些学者所使用。Barker码长度较短、种类也有限,因此在使用中受限;Golay互补序列对在实际实现中硬件较复杂。现场可编程门阵列(FPGA)和可编程逻辑器件(PLD)等数字相关器也被一些学者使用[6,10-11],其中文献[10-11]采用二值频移键控的方法构造超声发射序列。Meng和他的同事提出了伪随机调频(PRFM)[12]和跳频伪随机脉宽调制(FPP-WM)[13]的超声序列激励方法以消除串扰,得到了较好的效果。

    当机器人在动态的工作环境中运动时,对超声测距系统的实时性要求很高。超声发射序列的长短对整个测距系统的实时性有很大影响。长的序列一方面会造成发射时间加长,另一方面长的序列对应的回声序列也长,这样相关运算量就会加大,从而降低系统的实时性。目前很少有文献讨论如何用短的超声发射序列来避免超声串扰的发生。