采摘機器人位置校正方法研究—基于無線傳感網絡和超帶寬調頻方法

田二林，李祖賀

(鄭州輕工業學院 計算機與通信工程學院，鄭州 450002)

0 引言

超帶寬技術解決了困擾無線技術多年的有關傳播方面的重大問題，具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜程度低及能提供厘米級的定位精度等優點，在無線局域網和個人局域網的應用中，可提供低功耗、超帶寬及相對簡捷的通信技術。在農田作業環境中，由于通信條件的限制，采摘機器人在作業過程中的通信能力較差，因此對于其定位和導航誤差的控制較為困難。如果將超帶寬技術引入到采摘機器人通信系統中，結合無線傳感網絡，將有效地提高采摘機器人的通信能力，提高采摘機器人的位置校正精度，從而提高機器人的作業效率。

1 基于無線傳感網絡的采摘機器人位置校正方法

完整的無線傳感網絡主要是由3部分組成，包括傳感器節點、任務管理節點和匯聚節點。傳感器節點是無線傳感網絡結構中重要的器件，既具有通信能力，又具有存儲數據的能力，其結構如圖1所示。

在監測區域的內部或其附近隨機部署大量傳感器節點，這些節點以自組織方式組建成一個無線網絡，各個傳感器節點都具有收集信息及監測數據的功能，利用這些監測數據可以實時地定位采摘機器人的位置。

圖1 無線傳感器網絡結構示意圖

圖2表示基于無線傳感網絡的采摘機器人位置校正和定位導航過程。在精確定位導航過程中，需要反復地校正采摘機器人的位置。這個過程可以使用超帶寬調頻方法，利用超帶寬脈沖信號，提高位置校正的精度，對于提高采摘機器人的定位導航精度與效率具有重要的意義。

2 超帶寬技術特點及調頻方法

超帶寬技術具有很多無可比擬的優點，如果將其使用在位置校正技術上，可以有效提高定位精度，為位置校正提供可靠的數據。超帶寬技術具有系統簡單、傳輸速度快和定位精度高等特點。

1)系統結構簡單。超帶寬技術采用直接發送脈沖序列的方式，而不使用載波和傳統收發設備的變頻，省去了混頻器和功用放大器等裝置，因此使用設備更少，系統更加簡單。超帶寬系統主要由3部分組成，包括微控制器、時間基和脈沖發射接收器。其中，脈沖發射接收器的前端可以集成在一個芯片上，這3部分便可以構成一個簡單的超帶寬系統。

2)傳輸速率高。超帶寬技術的傳輸速率高，其數據的傳輸速率要高于450Mbit/s，是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。超帶寬以寬頻的方式得到高效的傳輸速率，可以結合無線傳感網絡使用而不占用現在的頻率資源。

3)定位精確。為了提高定位精度，在實際定位過程中往往采用沖激脈沖的形式，這種形式如果和超帶寬技術結合起來，將進一步提高定位的精度。這是由于超帶寬無線電具有很強的穿透能力，其在室內和地下室也具有精確的定位功能。

超帶寬在調頻過程中可以采用線性調頻(LFM)的方法，并需要采用匹配的濾波器對脈沖進行壓縮。為了從脈沖回波信號sr(t)提取出表征目標特性的τi(表征相對距離)和σi(表征目標反射特性)，常用的方法是讓sr(t)通過雷達發射信號s(t)的匹配濾波器，如圖3、圖4所示。

圖2 采摘機器人位置校正和定位導航過程

圖3 脈沖信號和匹配濾波器

圖4 LFM信號的匹配濾波

LFM信號(也稱Chirp 信號)的數學表達式為

(1)

(2)

式(2)中的up-chirp信號可寫為

s(t)=S(t)ej2πfct

(3)

當TB>1時，LFM信號特征表達式為

(4)

(5)

(6)

對于一個理想的脈沖壓縮系統，要求發射信號具有非線性的相位譜，并使其包絡接近矩形。設一線性濾波器的輸入信號為x(t)，則

x(t)=s(t)+n(t)

(7)

其中，s(t)為確知信號；n(t)為均值為零的平穩白噪聲。

設線性濾波器系統的沖擊響應為h(t)，其頻率響應為H(ω)，其輸出響應為

y(t)=so(t)+no(t)

(8)

匹配濾波器的脈沖響應為

h(t)=ks*(to-t)

(9)

如果輸入信號為實函數，則與s(t)匹配的匹配濾波器的脈沖響應為

h(t)=cs(to-t)

(10)

其中，c為濾波器的相對放大量，一般c=1。

匹配濾波器的輸出信號為

so(t)=so(t)·h(t)=kR(t-to)

(11)

在真正的通信過程中，需要對脈沖進行調制。假設LFM信號的脈沖寬度為T，可以采用匹配濾波器對脈沖寬度進行壓縮。信號s(t)的匹配濾波器的時域脈沖響應為

h(t)=s*(to-t)

(12)

將式(12)代入式(1)得

(13)

采用超帶寬調頻技術可以有效地提高脈沖信號的定位精度，結合無線傳感網絡，可以實現采摘機器人的位置校正，提高采摘機器人的定位導航精度。

3 基于無線傳感網絡和超帶寬技術的采摘機器人位置校正

為了驗證基于無線傳感網絡的超帶寬技術在采摘機器人位置校正中使用的可行性，以溫室采摘機器人為研究對象，利用無線傳感網絡節點設計了通信網絡，采用PC處理器進行位置校準，其試驗過程如圖5所示。

圖5 實驗用采摘機器人

采摘機器人上搭載了無線傳感網絡節點，并配備了PC高速處理器，可以將接收信號進行快速處理，并發出采摘機器人動作命令。

圖6表示在一個通信區域內布置的網絡節點示意圖。其中，每個立方體采用4個定位節點，可以完成采摘機器人較大活動范圍內的位置校正，通過實驗測試得到了如圖7所示的結果。

圖6 無線傳感網絡節點分布置圖

圖7 兩種定位算法的比較

測試結果表明：采用超帶寬調頻方法可以明顯地提高采摘機器人的定位精度。對定位效率進行了測試，得到了如表1所示的結果。

表1 采摘機器人位置校正效率測試

續表1

由表1可知：和傳統的定位校正方法相比，超寬帶調頻方法可以使機器人獲得更快的響應速度，校正所耗時間較短。因此，該方法可以在采摘機器人定位導航系統中使用。

4 結論

為提高采摘機器人的定位精度及導航效率，結合無線傳感網絡，將超帶寬調頻方法引入到了采摘機器人無線定位系統中，有效地提高了采摘機器人的定位精度和導航效率。為了驗證該方法的可行性，在實際的采摘作業環境中對采摘機器人的作業性能進行了測試，結果表明：相對于傳統的無線定位方法，超帶寬調頻方法在機器人位置校正時間和校正準確率上都具有無可比擬的優勢，因此可以將其以一種新型的定位方法在采摘機器人的定位導航系統中推廣使用。但是，由于超帶寬調頻技術還是一種新技術，可靠性還有待進一步的驗證，待技術成熟后可以在采摘機器人定位技術研究中發揮更大的作用。