基于超聲波的雷場節點分區域識別定位方法

鄧光明,張海良,焦國太,龔玉帥

(1.中北大學機電工程學院,山西太原 030051;2.山西北方惠豐機電有限公司,山西長治 046012)

0 引言

隨著科學技術的進步,地雷正向著智能化、多用途方向發展,技術含量越來越高,障礙寬度越來越大,出現了智能地雷、組網雷陣等。它們不僅可以攻擊坦克,還可以打擊超低空飛行的直升機和巡航導彈,也可以用來封鎖敵方機場上起降的飛機[1]。但雷場會因敵方排雷、掃雷、攻擊目標有效爆炸或其他可能出現的異常情況而使雷場中某些地雷受到破壞,造成雷場中出現缺口,這樣必然會影響雷陣對目標的探測、定位和區域封鎖效果,應采取相關措施對缺口進行偵測和修復。而雷場變化應急最直接、最快的辦法是對雷場節點周圍的相鄰節點的掌控與定位,一旦節點消失,周圍的鄰節點能快速感知,并采取措施去填補或修復,這就要求其鄰雷定位方法能適應雷場快速反應,能在雷場節點相對靜止的狀況下,偵測鄰雷位置;同時要求定位裝置體積較小、結構簡單、功耗較低。目前的雷場定位技術研究主要集中在使用聲、毫米波等對目標的探測與定位上[1],而對雷場節點定位研究僅處在初步階段,主要傾向于通過自組織方式構建無線傳感器網絡,建立網絡同步,發現網絡拓撲,進行網絡節點定位[2],但專門針對鄰雷的雷場節點定位未見相關報道。本文針對此問題,提出了一種基于超聲波的雷場節點分區域識別定位方法。

1 分區域識別方法

分區域識別方法又叫多象限分區域識別方法,目前該方法已經廣泛應用于各種探測與目標識別任務中,防空導彈就是利用光學或無線電等發射天線進行分象限探測,通過對目標的光電特性識別進行探測與定位的[3-4]。但將該方法與聲學相結合進行目標探測與定位尚未見報道。

當前研究較多的聲學定向方法主要有時延差定向法、時延估計法、聲強向量法,以及對時延估計法和聲強向量法進行聯合使用[5]等,并已在實際系統中得到應用。而本方法將分區域識別方法引入到聲學定位中,通過多傳聲器之間在探測器的圓周上的均勻排布,形成傳聲器陣列,人為地將圓周分成多個區域,如圖1所示。當目標位于探測距離之外時,探測器處于截止狀態;一旦目標進入探測區域,傳聲器陣列就立即作出反應,然后信號處理系統可以根據陣列的反應情況和采集到的信號,采取相關的算法進行目標的位置判斷。

圖1 目標方位信息判斷圖Fig.1 Target bearing information judgment chart

2 基于超聲波的雷場節點分區域識別定位原理

2.1 節點定位原理

本節點定位方法運用分區域識別方法對節點進行定向,即在一個節點上安裝多個超聲波發射裝置,使超聲波在同一時刻向周圍360°發射,在另一個節點上按一定角度均勻安裝若干個超聲波接收裝置,由于雷場節點體積小,節點間測距距離遠,節點上的相鄰超聲波接收頭接收到超聲波信號的時間差很小,可以忽略不計,可以認為在同一節點上的超聲波接收頭在各自響應區域內能同時接收到超聲信號。超聲波傳感器有一定的指向性,其接收區域角為60°,當相鄰超聲波接收頭之間角度小于60°時,兩者的接收區域將產生信號接收重疊區域,即在此區域內兩接收頭將同時發生響應。當多個超聲波接收頭(大于6個)均勻分布于雷場節點上時,超聲波接收頭越多,相鄰接收頭之間角度越小,在單個超聲波接收的60°區域內形成的不同的重疊響應區域越多,即可區分的識別區域也越多,因此可以根據在同一時刻不同的重疊響應區域對應的超聲波接收頭的響應情況來確定聲源所在方向,即可以通過對該區域內發生響應的超聲波接收頭進行識別來判斷超聲波發射節點所在的方向。采用這種方法可以將超聲波接收區域識別范圍大幅減小,提高節點定位精度。

以10個接收頭為例,如圖2所示,圖中將單個超聲接收區域劃分成了3個可識別區,對每個超聲接收頭按順序進行編號,當A區有超聲波信號時,2、3號超聲波接收頭接收到信號;在B區有超聲波信號,僅3號超聲波接收頭接收到信號,而在C區有超聲波信號時,3、4號超聲波頭將接收到信號。而整個節點接收區域被分成了20個可識別區,并且每個不同的區都對應著不同的超聲波接收頭響應,所以,當有超聲波信號到達時,控制器可以對各個區域內發生響應的超聲波接收頭進行識別來判斷聲源所在區域即超聲波發射節點所在的方向。

為了能探知節點的具體位置,需進行節點間測距,本節點定位方法采用聲學和無線傳輸相結合的渡越時間測距方法,利用無線傳輸確定時間基準,通過超聲波傳感器測量節點之間的距離,如圖3所示。首先由節點A向節點B發送無線通訊信號,同時發送若干個周期的超聲波信號;節點B接收到無線通訊信號以后,開始計時,當接收到超聲波信號后停止計時。由于無線通訊信號傳播速度為每秒30萬公里,通訊延時可以忽略不計,節點B的計時數值即可視為超聲波從節點A到節點B的傳播時間,進而根據超聲波的傳輸速度即可求出兩節點的距離[6]。

通過定向和測距相結合,就可以得出鄰雷節點所在的位置。

圖2 超聲波陣列的分區域識別圖Fig.2 Sub-regional recognition chart of ultrasonic array

圖3 超聲波測距原理圖Fig.3 Schematic diagram of the ultrasonic ranging

2.2 節點定位協調分析

在雷陣中,各雷場節點的發射時間必須有著良好的協調與控制,以避免雷場內超聲信號混亂,節點同時收到幾個鄰雷節點的信號等情況。本方法采用的是應答信號機制的方法,通過主節點去控制周圍鄰節點進行定位,假設主節點為A,鄰節點為B,其工作流程如下:

第一步:節點A通過無線發送一個標志信號,若節點B接收到信號,立即返回一個應答信號,同時啟動超聲波發射;

第二步:節點A接收到無線回復應答信號,便立即啟動定時和超聲波接收。等待一段時間后,接收到超聲信號,則停止計時,同時采用定位原理對B節點定位計算。若沒接收到超聲信號,返回步驟第一步,連續三次沒有接收到超聲信號,則表明節點B沒在節點A掌控范圍內,屬于非鄰節點,停止對節點B的定位,轉向第三步;

第三步:采用定位節點B的方法,繼續對主節點周圍其余鄰節點進行定位,直到知道節點周圍所有的鄰節點的位置和方位。

通過這種方式可以避免多個鄰節點同時發射的情況,增加了定位的魯棒性。

3 節點上超聲波傳感器的排布

考慮到本定位裝置是雷場目標探測裝置的輔助和配合裝置,要求其節點定位裝置體積小,成本較低,所以對于超聲波接收頭數目的選取,應在滿足鄰雷定位精度的情況下,盡量減少超聲波接收頭的數目。根據節點定位原理,對雷場節點接收裝置的超聲波接收頭排布問題進行了綜合分析,如表1所示。

表1 超聲波接收區域分布表Tab.1 Region distribution of ultrasonic reception

由表1可以看出,只有當超聲波接收頭數n滿足式(1)時,所劃分的區域數為2n,且區域角度θ均勻,易于進行區域識別,超聲波接收頭的安裝也容易實現。

當前的雷場節點布設一般是采取自動布設,通過自動布設完成后,節點間的相對位置比較分散,出現雷與雷的位置相對集中的機率比較小,所以對節點周圍的鄰雷的掌控可以在定位精度相對較低的情況下進行。按理論,識別區域越小,定位精度越高,但超聲波方向性比較差,且受外界環境的影響比較大,特別是風和溫度的影響,為了能在所劃分的區域內比較準確地識別區分出來自不同方向的超聲波信號,那么所形成的識別區域不能太小,應盡量保持區域角度θ≥20°,綜合式(1)和式(2)可得:

所以,本雷場節點定位方法最多能對18個區域進行識別區分,并且9個超聲波接收頭的排布方式也是唯一適合鄰雷定位排布,其最大定位誤差為±10°。

節點上的超聲波發射頭的排布相對比較簡單,只需讓發射的超聲波信號能覆蓋達到360°范圍即可。由于超聲波發射頭的發射方向角一般在60°左右,為了確保無盲區發射,采用8個超聲波發射頭,每個發射頭之間間隔45°就能達到覆蓋要求。

4 實驗及結果分析

根據以上定位方法,搭建了雷場節點原理樣機進行實驗,該樣機安裝9個超聲波接收頭和8個超聲波發射頭,實驗場所選在半徑大于25 m的開闊的場地。

4.1 超聲波分區域識別定向實驗

將兩節點放置于同一水平面上,距離地面20 cm高度,保持接收節點靜止,將發射節點放置在以接收節點為圓心的場地內隨機移動進行定向測試,布置圖如圖4所示,定向實驗結果統計如表2所示。

圖4 超聲波測距原理圖Fig.4 Schematic diagram of the ultrasonic ranging

表2 超聲波定向實驗數據Tab.2 Empirical datum of ultrasonic orientation

由表2數據統計結果可以看出:在10～20 m范圍內,誤差范圍基本可以在10°以內;但在小于10 m時,10°以上達到了15%,而在大于20 m時,10°以上達到了27%。可以得出,本方法在近處和遠處存在一些問題,定位誤差比較大,故本定位方法比較適合在10～20 m范圍內的鄰雷定位。其中,在近處,誤差主要由地面超聲波反射干擾等原因引起;在遠處,誤差主要是由超聲波接收區域逐漸增大,加上實驗場地環境的影響,無法比較準確識別引起的;另外,所采用的傳感器元件之間存在著一定的品質差異,對微弱超聲波信號的響應不同,對系統誤差存在著一定的影響。

4.2 超聲波測距實驗

該實驗將兩節點放置于同一水平面上,距離地面同一高度(20 cm),通過試驗,得出最終測量實驗數據如表3所示。

表3 超聲波測距實驗數據Tab.3 Experimental datum of ultrasonic ranging

表3數據均為加入溫度和數據補償后,并對多組實驗數據取平均的結果,且采用的是聲波的被動檢測,產生誤差均與實際符合,均在誤差允許范圍內。由于超聲波發射器、接收器的放大電路部分以及無線信號收發過程都有一定程度的延時,這會對整個系統的測距精度有一定的影響。

5 結論

本文提出了一種獨立于外界設備,基于超聲波的雷場節點分區域識別定位方法,該方法采用多個超聲波傳感器在節點上按照一定規律的排布,通過分區域識別判斷聲源所在方位,同時利用聲學和無線傳輸相結合的渡越時間測距法進行定位輔助,對雷場節點周圍的鄰雷進行定位。由于本次實驗不算充分,且實驗表明了該方法的適用范圍存在一定的局限,還需進一步研究和改進。

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