基于超声波特征信号处理的导盲仪研究

2018-07-04翟佳文王茂森

兵器装备工程学报 2018年6期

翟佳文，王茂森

(南京理工大学，南京 210094)

将超声波应用于盲人导航的技术也有很久的历史，但是对于超声波技术的应用只是根据声波反射原理提醒使用者前方有无障碍物，而关于障碍物更多的信息却无法获取。本文研发了一种基于超声波特征信号提取和分析算法的新型导盲仪。该导盲仪通过换能器发出一定频段的超声波，在收到回波信号之后，通过一系列算法保留了原始回波的主要特点，这些特点可以有效地帮助人们进行障碍物的判断。经过实验可知，原始信号通过等比降频和信号重构算法处理后，可以突出前方障碍物的特征，不但能够应用在盲人导航平台的传感器，还可应用于各大移动机器人平台，应用十分广泛。

1 硬件平台介绍

导盲仪由超声波收发电路、特征信号处理电路、电源电路、音频播放电路等四部分组成。导盲仪样机如图1(a)所示。超声波收发电路由三个超声波换能器一字排开，超声波发射器位于中间，两个超声波接收器位于两侧，如图1(b)所示。调理电路会滤除超声波接收器收到的回波信号中的环境噪声，并且将信号的幅值放大。经过滤波和放大后的信号被AD芯片采集，然后被中央处理器处理。中央处理器芯片选用TMS320F2812。TMS320F2812是一款擅长于数字信号处理的DSP芯片，拥有150MIPS的主频、32位CPU，内部集成128K×16bit的闪存，18K×16bit的SARAM。这样的处理能力完全满足导盲仪的应用要求。

2 特征段信号提取

如图2所示为墙面反射回波信号被接收器捕捉到之后经过AD转换，存入数组中的情况，由于寄存器为12位，故寄存器中信号幅值最大位4 096。横轴为时间轴，t/μs，纵轴为寄存器中信号幅值的轴，A代表信号幅值，单位为1。为导盲仪向平滑的墙面发射超声波之后接收到的信号。它由两种信号组成，一种是携带了障碍物特征的有效回波信号，成为“特征信号段”，另一种是环境噪声。由图2可知在0 s时，接收到了一个幅值较小的信号，这是超声波发射器对于接收器的直接干扰，即超声波发射时的部分，信号被接收器直接接收到了。之后经历了一段时间的噪声，接收器收到了第一个有效回波信号，在此之后陆续收到了若干次幅值较小的有效回波信号，这些是超声波撞击墙面后反射到周围其他障碍物引起的回波。

本文使用了窗口法对回波信号中的特征段进行提取。如图3所示，图中的信号段就是图2中幅值最大的那一段有效回波信号。经过反复试验可知，环境噪声的幅值远小于特征信号段幅值。这里依据多次实验的经验，设置阈值deta，如果当前数据点幅值的绝对值大于deta，则判定为特征信号点。对于窗口宽度window_size内的每一个数据点均用此方法判断是否为特征信号点。如果在此窗口内没有任何一个特征信号点，则窗口顺着时间轴移动window_size个单位长度。一旦在某个窗口内出现了幅值大于deta的特征信号点，则这个窗口起点的数组下标记录为data_start，窗口终点的数组下标记录为data_end，接着窗口不断向后移动，如果后移的过程中窗口内不断有符合条件的特征信号点，则data_end的值不断刷新为新的窗口终点的数组下标。一旦新的窗口中没有特征信号点了，则data_end不再刷新。那么data_start和data_end的值分别为这一段完整特征信号段在整个有效回波信号数组中的起始下标和终止下标，于是根据这两个下标，就能够准确地提取出一段回波特征信号段。

3 特征信号处理

为了保留回波信号中的原始特征，如幅值、频率等，并且还要在保留的基础上突出这些彰显障碍物特点的信息。本文采取了两种算法相结合的方法进行信号处理，即等比降频法和信号重构法。

3.1 等比降频

等比降频原理图如图4。AD转换器以FS的频率采样回波信号，而处理后需要播放声音的发送频率为FS′。FS′比FS降低了N倍。过程可用如下各式表示：

R(t)=A1sin(2πf1t+φ1)+A2sin(2πf2t+φ2)+…+

Aisin(2πfit+φi)+…

(1)

P(t)=τA1sin(2πf1′t+φ1)+τA2sin(2πf2′t+φ2)+…+

τAisin(2πfi′t+φi)+…

(2)

(3)

(4)

T′=N·T

(5)

式(1)～(5)中：R(t)为回波信号；P(t)为被播放的信号；FS为采样频率采样；fi为原始回波信号R(t)的频率；FS′为发送频率；fi′为被播放的信号P(t)的频率；T为被等比降频处理前的信号时长；T′为被等比降频处理后的信号时长；τ为幅值的变化系数；N为降低倍数。

因此，等比降频算法在保留信号幅值和相位角前提下，降低了信号频率，从而使得信号的播放更长，使得使用者能够有更加充足的时间听取并分析回波信号中的特征。

3.2 特征信号重构

进行信号重构是建立在降频和提取特征段基础上的。将特征信号段的每一个半波都扩展成多个等幅值正弦函数的半波，这样不但能使信号的时间延长，还能突出每个特征数据点，使得信号更加有辨识度。

通过公式换算，可根据特征信号段上每个半波内的采样点数，来推算重构之后的半波的频率。图5为部分特征信号段图。

若第i个半周期波点数为ni，则可得到对应的频率fi为：

(6)

式(6)中，FS为采样频率。

在得到fi后，将其做如下变换：fi′=g(fi);fi为重构之前回波信号的频率，g(x)为频率变换式，fi′为重构之后回波信号的频率。

g(x)为频率变换式。设定fi与fi′满足如下关系：

fL≤fi≤fH

(7)

fL′≤fi′≤fH′

(8)

式(7)、式(8)中:fL为原始回波频率下限；fH为原始回波频率上限；fL′为构造波下限；fH′为构造波上限。

则fL′、fH′、fi′同时满足：

(9)

g(x)为抛物线变换，如图6所示，方程式为：

g(x)=ax2+bx+cfL

(10)

有：

(11)

式(11)中，ni′为fi′对应的半波周期点。可通过下式和ni求出。

(12)

信号重构函数如下：

di(t)=Asin(2πfi′t+φ) 0≤t≤T′

(13)

式(13)中：A为构造波的幅值；fi′为构造后的频率；φ为构造波的初相位；T′为构造后波的持续时间；di(t)为原信号第i个半波进行重构处理的输出信号。

对时间t进行离散化处理：

(14)

式(14)中，m为正整数，q为时间变换系数。

将t带入信号重构函数可得：

(15)

为了使构造出的半波之间衔接平滑，对构造波的幅值进行处理，即：

m=0,1,2,…,q·ni′

(16)

式(16)中:Ai为第i个半周期波的峰值(见图4中的Ai)；Ai-1为第i-1个的半周期波的峰值。

综上，经过信号重构之后，新的信号波形的表达式如下：

(17)

对特征信号段内的每一个半周期波进行同样的处理，便完成整个特征信号段的重构。

当q=6，fL=20 kHz，fC=50 kHz，fH=70 kHz，fL′=12 kHz，fC′=60 kHz，fH′=300 kHz时，得到了如图7所示的特征信号段。

经过分析，exptA有以下特点：

1) exptA与dataA幅值相同，幅值随时间的变化一致；

2) exptA中特征信号段时域较宽，有利于使用者对特征进行分析判断；

3) exptA的频率范围比dataA宽。

4 测试与测试结论

系统基本功能有探测障碍物距离和对不同障碍物进行区分。下面对此两个功能进行测试及数据分析。

4.1 探测距离测试实验

实验示意图如图8所示，实验时，障碍物设置为面积大并且表面平整光滑的墙体，声纳探头垂直正对墙体。声纳头的移动方向垂直于墙面，改变声纳头顶端与墙面之间的距离，由近至远，可以分别得出两个超声波接收器接收到的信号的振幅最大值与声纳头与墙体之间距离的函数图象，如图9所示。从图9得知，当声纳头与墙体距离小于3.5 m时，回波信号的强度最高，信号振幅达到超声波接收器接收范围的最大值。当声纳头与墙体距离大于3.5 m时，随着距离增加，接收到的回波信号强度明显下降，一直到距离达到8 m时，信号强度衰减至信号强度最大时1/8左右，回波信号逐渐减弱。因此导盲仪至少能够探测出前方8 m以内的是否有障碍物。

4.2 不同形状物体的区分实验

本次实验的目的在于利用回波信号中的特征信息来区分不同障碍物。

障碍物为广玉兰树枝以及桂花树枝，两种树枝长度均在30 cm左右，且体积相近，如图10。声纳探头发射频率在 20～70 kHz、平均频率为50 kHz的变频超声波。为了保证回波信号的强度足够大，声纳探头与实验对象的距离为1.5 m，并且将其正对实验对象的中下部，即枝叶最为茂盛之处，以便能够获得最明显的回波特征。

图11为右侧超声波接收器接收到的广玉兰树枝和桂花树枝的回波信号经过等比降频和信号重构算法之后得到了特征信号。由于寄存器为12位，故寄存器中信号幅值最大位4 096。横轴为时间轴，t/μs，纵轴为寄存器中信号的幅值的轴，单位为1。

通过对比这两种波形可以发现，特征信号与障碍物的外形有着很大的关系。广玉兰的叶子稀疏，但面积较大，叶片之间的层叠间隙较少，而且叶面光滑平整，这就造成特征信号的波形比较圆润，说明声波是比较完整地被反射回来，而不是经过多次反射消耗了一部分能量之后才被接收器接受到的。因此广玉兰的特征信号被播放时，使用者会听到响度较大且清脆短促的声音。桂花树的叶子茂密，但面积较小，叶片之间的层叠间隙繁多、叶片密集，这就造成特征信号的波形有很多毛刺。说明声波是经过多次反射消耗了一部分能量之后才被接收器接受到的，反射和接受回波的过程会耗费更多的时间，这也造成了其特征信号的时间也比较长。因此桂花树枝叶的特征信号被播放时，使用者会听到一连串响度较小的声音且时间较长。