機器人導航中振動檢測傳感器的設計與改進*

王　宏， 王　乾， 郭　崇

(1. 重慶工程職業技術學院 機械工程學院， 重慶 402260； 2. 中國礦業大學 機電與信息工程學院， 北京 100083； 3. 沈陽農業大學 信息與電氣工程學院， 沈陽 110886)

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機器人導航中振動檢測傳感器的設計與改進*

王宏1，2， 王乾2， 郭崇3

(1. 重慶工程職業技術學院 機械工程學院， 重慶 402260； 2. 中國礦業大學 機電與信息工程學院， 北京 100083； 3. 沈陽農業大學 信息與電氣工程學院， 沈陽 110886)

針對采用傳統方法進行振動檢測傳感器數據采集時存在的諧振失真問題，提出基于32通道VXI總線技術和陣列信號處理的機器人導航振動檢測傳感器改進設計方法，并對系統進行了總體設計和功能模塊分析.通過均勻線列陣分布模型對檢測到的振動信號進行陣列信號處理和波束形成分析，并結合32通道VXI總線數據采集技術和PXI總線數據回放技術，進行了系統模塊化設計和集成.結果表明，改進的振動檢測傳感器系統具有較好的數據采集和信號處理能力，為機器人導航提供了準確的參量數據和控制信號輸入.

機器人； 導航； 傳感器； 數據采集； 振動檢測； 控制信號； 模塊化

隨著智能控制和機械工業技術的發展，人工智能得以快速進步.智能機器人作為人工智能的重要產物，逐漸在某些危險和重要環境崗位中取代人類進行相關的生產作業和勘探操作，并在野外勘探、智能遙感控制、極地考察、應急救援及遠程探測等領域都起到了重要作用.而其在行走和作業操作過程中，均需通過振動傳感器對外界環境數據信息進行采樣和分析，再傳輸到機器人智能神經控制單元，結合設定的智能控制算法實現機器人的導航和控制.因此，機器人導航中的振動傳感器是實現機器人模仿人類進行智能行走和作業的基礎，研究相關振動檢測傳感器的優化方法在提高機器人控制穩定性和可靠性方面具有積極重要的意義[1-3].

常用的機器人振動檢測傳感器優化設計基于觸發總線濾波的振動檢測傳感器方法，通過模擬信號預處理方法進行振動信號的自適應采樣和信號分析，提取振動信號的高階譜特征進行傳感器控制.但是該方法模塊化兼容性能不好，可靠性不高，容易出現數據采樣的失真和誤差，對此眾多相關文獻進行改進研究.文獻[4]提出基于聲學基陣收發轉換控制的機器人振動檢測傳感器設計方法，系統包括了數據采集功率放大模塊、收發轉換控制模塊和A/D采樣模塊等，該傳感器檢測系統動態控制增益較高，性能較好，但是在進行傳感器振動信號檢測過程中容易產生抖振，振動信號檢測準確率低；文獻[5]提出基于調諧回路高頻增益放大的機器人導航振動傳感器檢測方法，對ZigBee傳感器的原始數據進行采集，提高了傳感檢測過程的可靠性，但是該方法計算開銷較大，實時性不好；文獻[6]設計的機器人振動信號檢測傳感器采用單通道基陣信號采集實時數據的方法，但隨著機器人行為空間環境干擾因素的多元化，導致傳感器在數據采集中出現諧振失真問題.

針對上述問題，本文提出基于32通道VXI總線技術及陣列信號波束形成處理的機器人導航振動檢測傳感器改進方法.首先分析了系統的總體設計思想和功能模塊，其次針對振動檢測傳感器的信號處理模塊進行振動數據的陣列信號處理，構建波束形成算法，實現對機器人導航控制環境空間信號方位源估計，并以此為軟件算法核心進行系統的模塊化設計，最后對系統進行了仿真調試，得出有效性結論，展示了改進設計的振動傳感器檢測系統在數據采集和信號處理的優越性能.

1　傳感器總體設計與功能指標

1.1機器人導航振動傳感器系統總體設計

為了實現機器人在作業過程中準確導航，采用振動信號檢測和傳感器陣列信號處理方法，對外界環境參量信息進行采集和估計，為機器人控制系統提供準確的數據信息參考，實現了機器人的信息智能處理和導航控制.本文設計的振動檢測傳感器采用VXI總線技術進行高精度數據信息采樣，而其傳感器樣機是由一個裝配機箱和一塊帶有插槽位的底板構成，振動傳感器的基礎模塊如圖1所示.

圖1　振動傳感器基礎模塊結構Fig.1　Basic module structure of vibration sensor

根據圖1所示振動傳感器基礎模塊，采用32通道VXI總線技術進行傳感器系統集成化設計，改進的傳感器振動信號檢測系統具有振動信號測量、機器人導航回波信號模擬、32通道數據記錄存儲和回放以及傳感器陣列信號波束形成分析和信源估計等功能.通過對振動信號的測量，利用多源波束形成方法對機器人作業環境中發射、傳輸和接收的振動信號進行測量和分析.根據傳感器中振動信號轉換器的阻抗特性進行發射電壓響應匹配，實現對振動信號的回波模擬，估計出機器人的目標強度、距離和速度等參量信息，并對回波模擬信號進行特征提取和空間信源估計，最終通過回放頻率體現機器人的導航信息，提高機器人的導航精度[7].

根據上述功能分析得出改進的機器人導航振動檢測傳感器的總體結構模塊，包括振動信號采集基陣模塊、數據收發轉換模塊、AD與DA接口模塊、功率放大模塊和信號處理模塊等，振動檢測傳感器系統的組成框圖如圖2所示.

圖2　振動檢測傳感器系統組成框圖Fig.2　Composition block diagram of vibration detection sensor system

1.2系統功能分析

振動信號采集基陣由32通道的振動信號換能器并聯組成，振動信號換能器是采用壓電傳感器進行原始信號采樣和數據收發，它的功能是電聲、聲電轉換，通過信號采集實現直接通信以及系統同步.當一個信號傳輸至基陣兩端時，采用32通道進行陣列信號采集和實時數據記錄，構建振動信號處理基陣.振動檢測傳感器基陣一般都是收發合置的，本系統同樣采用此設計方法.

檢測傳感器數據采集系統是傳感器檢測系統的基礎，它通過VIX總線控制方法進行信號有效性檢測，通過控制PCI總線傳遞的動態增益碼進行模擬信號預處理，并對振動信號進行輸出動態增益控制，實現回波模擬.而機器人的振動檢測傳感器數據采集模塊主要包括DSP信號處理器、壓控放大器、多路回波信號橋接電路、開關電平邏輯設備、外部I/O設備、寬帶阻抗匹配器、外部存儲器以及復位電路等8個部分.

2　傳感器陣列信號分析和處理

在系統總體設計和數據采集的基礎上進行機器人導航陣列傳感器信號處理.利用信號和機器人行為空間的特征獲得空間處理增益，實現對機器人導航過程中空間參量的估計.使用32通道VXI總線技術進行基陣振動信號采樣，結合波束形成和目標方位估計算法進行信號處理分析.建立傳感器信號和干擾模型，機器人導航過程的振動信號傳感器基陣是由M個陣元組成的均勻線列陣[8-10]，振動信號傳感器基陣均勻線列陣分布示意圖如圖3所示.

圖3　傳感器基陣均勻線列陣分布示意圖Fig.3　Schematic uniform linear array distribution of sensor array

設陣元任意隨機分布在空間平面上，相鄰陣元間有d個振動輻射源si(t)(i=1，2，…，d)，則振動信號傳感器基陣的第m個陣元輸出可表示為

(m=1，2，…，M)

(1)

式中：θi為第i個無指向性振動信號的入射方向角；gm(θi)為第m個均勻線列陣基陣陣元對第i個信號的檢測靈敏度；τm(θi)為第m個陣元通過時域譜估計得到的第i個信號相干波束形成的時間延遲；nm為第m個陣元上的電磁輻射等干擾量.若用矩陣表示則振動信號傳感器的陣元輸出可以描述為一維矢量，即

(2)

各信號的方向矢量在時頻域內相互獨立，則式(2)信號模型可以簡化為

x(t)=Gs(t)+n(t)

(3)

式中：

x(t)=[x1(t)，x2(t)，…，xM(t)]T

(4)

(5)

s(t)=[si(t-τ1(θi))，si(t-τ2(θi))，…，

si(t-τM(θi))]

(6)

根據上述分析得到機器人導航振動數據采集干擾噪聲為一個空間平穩隨機過程.對信號基陣進行隨機信號分析，在圖1所示的線列陣中令第1個陣元為參考陣元，得到振動檢測傳感器第i個信號在第m個陣元上的輸出為

(m=1，2，…，M)

(7)

(8)

利用32通道信號進行特征采樣，振動傳感器的各陣元是無指向性的，采用波束形成方法進行空間增益聚焦，則空間增益聚焦矩陣為

(9)

若噪聲子空間均為窄帶的，且信號子空間中的特征分解中心頻率均為f0，則第i個基陣振動信號采樣的輸出結果可以表示為

si(t)=ui(t)cos[2πf0t+φi(t)]

(i=1，2，…，d)

(10)

式中，φi(t)和ui(t)分別為信號子空間的相位調制和時頻調制.構建慢變函數得到輸出復信號模型為

(i=1，2，…，d)

(11)

對復信號進行解析濾波處理，結合均勻線列陣對θi方向相應向量卷積積分，得到輸出的噪聲為

τm(θi))+φi(t-τm(θi)))]≈

ui(t)exp[j(2πf0t+φi(t))]·

exp(-j2πf0τm(θi))=

(i=1，2，…，d；m=1，2，…，M)

(12)

假設機器人導航中的干擾噪聲分布是復高斯分布，對M個振動信號輻射源信息采樣基陣進行相位加權，對每個陣元輸出的xi(t)分別通過自適應相位加權，加權量為ωi(θ)，則可得到波束形成后傳感器輸出信號的方位估計結果為

ν(t，θ)=ωH(θ)x(t)=xH(t)ω(θ)

(13)

式中：H表示復共軛轉置；x(t)和ω(θ)分別表示為

x(t)=[x1(t)，x2(t)，…，xM(t)]T

ω(θ)=[ω1(θ)，ω2(θ)，…，ωM(θ)]T

圖4　波束形成器的設計結構Fig.4　Design structure for beam shaper

3　傳感器數據采集及信息處理

根據上述算法處理結果作為軟件核心進行傳感器系統模塊化設計.由D/A轉換器輸出兩級程控增益信息，通過DSP信號處理器進行振動信號的采集和上位機通信，通過硬件控制實現振動數據的檢測和通信，系統模塊化設計的要點描述如下：

1) 應用程序加載.初始化成功后，創建采集通道組，把存儲在FLASH中的陣列信號處理程序加載到內部RAM中運行，實現波束形成和探測回波識別；

2) 通過PCI橋接芯片創建傳輸單元，實時記錄采集信號，并實現人機對話；

3) 使用VPP儀器驅動程序采樣振動信號的幅值，對模擬信號進行動態增益控制編碼，初始化VXIplug&play庫，使得模擬信號預處理機輸出信號滿足功能指標；

4) 設置合理的信號源通道和采樣頻率，進行數模AD轉換和DA數據采樣，通過調用hpe1432_getGroupInfo()函數控制A/D轉換器進行正常采樣；

5) 設置一個通道的觸發向量，讀取A/D采樣值，對機器人導航中的振動檢測數據進行陣列信號分析和處理；

6) 與外部SRAM通信，設置觸發低電平值，實現數據存儲；

7) 利用32通道VXI總線技術將采集到的數據傳輸到機器人導航控制系統，實現機器人控制.

收發轉換電路通過儀器會話設置HP E1433A的輸入通道，把振動檢測傳感器檢測到的信息加載到接收端.根據具體的測試需求，讀取采集數據到主控機，通過模擬信號預處理機實現功率放大，當基陣發射電脈沖檢測到觸發信號后，設置數據流參數，循環讀取HP E1562E中的振動數據，方便機器人導航控制系統監控采集.綜上分析，得到本文設計的機器人導航中振動檢測傳感器數據采集和信號處理流程如圖5所示.

圖5　數據采集和信號處理流程Fig.5　Flow chart of data acquisition and signal processing

4　系統調試與仿真實驗分析

為了測試本文設計的振動傳感器檢測系統在實現機器人導航優化控制中的優越性能，進行了仿真實驗分析.首先進行振動原始數據信息的采集，使用32通道任意波形發生器作信號源，采用VXI總線進行數據采樣，其中采樣時間間隔為1.3 s，采樣頻率為1 024 Hz，信號源產生θi/c的脈沖，設置0°、15°、-15°的3個相干源目標.使用HP E1433A的各種觸發模式，外部數字觸發由HP E1433A前面板的“ExTrig”端引入.通過PXI總線數據回放技術進行傳感器采集數據的回放，記錄下振動傳感器數據采集的采樣率、采集時間和采集通道信息，得到機器人導航振動檢測傳感器數據采集輸出結果如圖6所示.

由圖6可見，采用本文設計的機器人導航控制傳感器能實現多通道的振動數據采樣和數據回放輸出功能，為機器人導航提供準確的原始參考數據信息.結合本文設計的陣列信號處理算法，對采集到的原始數據進行波束形成處理，得到不同方向的5個歸一化波束如圖7所示.由圖7可見，波束會隨著陣元間距的增加向正方向變化，反之向負方向變化.同時還可看出，傳感器的陣元可以進行實時修正和個數的選擇，通過系統可以設置自適應信號處理的加權方式和陣元間隔，并根據機器人導航的需求設定波束的主軸方向，由此為機器人導航提供準確的目標方位源信息和特征參量.測試結果證明改進系統具有較好的穩定性和可靠性.為了進一步驗證振動檢測傳感器性能，在時間一定的情況下，與傳統振動檢測傳感器進行對比，結果如圖8所示.

圖6　數據采集輸出結果Fig.6　Output results of data acquisition

圖7　振動檢測傳感器陣列信號波束Fig.7　Array signal beam of vibration detection sensor

圖8　振動檢測傳感器采樣速度對比結果Fig.8　Comparison in sampling speed of vibration detection sensor

由圖8可知，在時間一定的情況下，采用本文設計振動檢測傳感器在0～200 s時間段內采樣速度均在上升狀態；而傳統振動檢測傳感器在20～60 s內采樣速度超過了本文設計的振動檢測傳感器，但60 s后其采樣速度開始降低，且到200 s時其采樣速度都一直低于本文設計的振動檢測傳感器，表明本文設計的振動檢測傳感器具有較好采樣速度.

5　結　語

本文提出基于32通道VXI總線技術及陣列信號波束的機器人導航振動檢測傳感器改進設計方法，分析系統的總體設計和功能模塊，針對振動檢測傳感器的信號處理模塊進行振動數據的陣列信號處理，構建波束形成算法實現對機器人導航控制環境的空間信號方位源估計，并進行了系統的調試仿真.研究表明，本文設計的傳感器系統具有較好的數據采集和信號處理能力，性能優越，穩定可靠.

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(責任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Design and improvement of vibration detection sensor in robot navigation

WANG Hong1, 2, WANG Qian2, GUO Chong3

(1. School of Mechanical Engineering, Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, China; 2. School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 3. College of Information and Electrical Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110886, China)

In order to solve the harmonic distortion problem in the data acquisition process of vibration detection sensor with the traditional method, an improved design method for the robot navigation vibration detection sensor was proposed based on the VXI bus technology with 32 channels and array signal processing. In addition, the overall design and function module analysis of system were carried out. The array signal processing and beam forming analysis for the detected vibration signals were performed with the uniform linear array distribution model. In combination with the VXI bus data acquisition technology with 32 channels and PXI bus data playback technology, the modularization design and integration of system were conducted. The results show that the improved vibration detection sensor system has better abilities in data acquisition and signal processing, and can provide the accurate parameter data and control signal input for the robot navigation.

robot; navigation; sensor; data acquisition; vibration detection; control signal; modularization

2016-03-10.

國家985跨學科創新平臺資助項目(0705-1)； 遼寧省教育廳一般課題資助項目(W2013100)； 遼寧省自然科學基金資助項目(201202191).

王宏(1964-)，男，甘肅臨洮人，副教授，博士，主要從事機器人及其傳感器技術應用等方面的研究.

機械工程

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.08

TN 911

A

1000-1646(2016)04-0403-07

*本文已于2016-06-28 14∶32在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160628.1432.004.html