鄧光明,張海良,焦國太,龔玉帥

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

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,地雷正向著智能化、多用途方向發(fā)展,技術(shù)含量越來越高,障礙寬度越來越大,出現(xiàn)了智能地雷、組網(wǎng)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(jī)和巡航導(dǎo)彈,也可以用來封鎖敵方機(jī)場上起降的飛機(jī)[1]。但雷場會(huì)因敵方排雷、掃雷、攻擊目標(biāo)有效爆炸或其他可能出現(xiàn)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(xiàn)缺口,這樣必然會(huì)影響雷陣對目標(biāo)的探測、定位和區(qū)域封鎖效果,應(yīng)采取相關(guān)措施對缺口進(jìn)行偵測和修復(fù)。而雷場變化應(yīng)急最直接、最快的辦法是對雷場節(jié)點(diǎn)周圍的相鄰節(jié)點(diǎn)的掌控與定位,一旦節(jié)點(diǎn)消失,周圍的鄰節(jié)點(diǎn)能快速感知,并采取措施去填補(bǔ)或修復(fù),這就要求其鄰雷定位方法能適應(yīng)雷場快速反應(yīng),能在雷場節(jié)點(diǎn)相對靜止的狀況下,偵測鄰雷位置;同時(shí)要求定位裝置體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低。目前的雷場定位技術(shù)研究主要集中在使用聲、毫米波等對目標(biāo)的探測與定位上[1],而對雷場節(jié)點(diǎn)定位研究僅處在初步階段,主要傾向于通過自組織方式構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò),建立網(wǎng)絡(luò)同步,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位[2],但專門針對鄰雷的雷場節(jié)點(diǎn)定位未見相關(guān)報(bào)道。本文針對此問題,提出了一種基于超聲波的雷場節(jié)點(diǎn)分區(qū)域識(shí)別定位方法。

1 分區(qū)域識(shí)別方法

分區(qū)域識(shí)別方法又叫多象限分區(qū)域識(shí)別方法,目前該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種探測與目標(biāo)識(shí)別任務(wù)中,防空導(dǎo)彈就是利用光學(xué)或無線電等發(fā)射天線進(jìn)行分象限探測,通過對目標(biāo)的光電特性識(shí)別進(jìn)行探測與定位的[3-4]。但將該方法與聲學(xué)相結(jié)合進(jìn)行目標(biāo)探測與定位尚未見報(bào)道。

當(dāng)前研究較多的聲學(xué)定向方法主要有時(shí)延差定向法、時(shí)延估計(jì)法、聲強(qiáng)向量法,以及對時(shí)延估計(jì)法和聲強(qiáng)向量法進(jìn)行聯(lián)合使用[5]等,并已在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。而本方法將分區(qū)域識(shí)別方法引入到聲學(xué)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(gè)區(qū)域,如圖1所示。當(dāng)目標(biāo)位于探測距離之外時(shí),探測器處于截止?fàn)顟B(tài);一旦目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域,傳聲器陣列就立即作出反應(yīng),然后信號處理系統(tǒng)可以根據(jù)陣列的反應(yīng)情況和采集到的信號,采取相關(guān)的算法進(jìn)行目標(biāo)的位置判斷。

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

2 基于超聲波的雷場節(jié)點(diǎn)分區(qū)域識(shí)別定位原理

2.1 節(jié)點(diǎn)定位原理

本節(jié)點(diǎn)定位方法運(yùn)用分區(qū)域識(shí)別方法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定向,即在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上安裝多個(gè)超聲波發(fā)射裝置,使超聲波在同一時(shí)刻向周圍360°發(fā)射,在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上按一定角度均勻安裝若干個(gè)超聲波接收裝置,由于雷場節(jié)點(diǎn)體積小,節(jié)點(diǎn)間測距距離遠(yuǎn),節(jié)點(diǎn)上的相鄰超聲波接收頭接收到超聲波信號的時(shí)間差很小,可以忽略不計(jì),可以認(rèn)為在同一節(jié)點(diǎn)上的超聲波接收頭在各自響應(yīng)區(qū)域內(nèi)能同時(shí)接收到超聲信號。超聲波傳感器有一定的指向性,其接收區(qū)域角為60°,當(dāng)相鄰超聲波接收頭之間角度小于60°時(shí),兩者的接收區(qū)域?qū)a(chǎn)生信號接收重疊區(qū)域,即在此區(qū)域內(nèi)兩接收頭將同時(shí)發(fā)生響應(yīng)。當(dāng)多個(gè)超聲波接收頭(大于6個(gè))均勻分布于雷場節(jié)點(diǎn)上時(shí),超聲波接收頭越多,相鄰接收頭之間角度越小,在單個(gè)超聲波接收的60°區(qū)域內(nèi)形成的不同的重疊響應(yīng)區(qū)域越多,即可區(qū)分的識(shí)別區(qū)域也越多,因此可以根據(jù)在同一時(shí)刻不同的重疊響應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的超聲波接收頭的響應(yīng)情況來確定聲源所在方向,即可以通過對該區(qū)域內(nèi)發(fā)生響應(yīng)的超聲波接收頭進(jìn)行識(shí)別來判斷超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)所在的方向。采用這種方法可以將超聲波接收區(qū)域識(shí)別范圍大幅減小,提高節(jié)點(diǎn)定位精度。

以10個(gè)接收頭為例,如圖2所示,圖中將單個(gè)超聲接收區(qū)域劃分成了3個(gè)可識(shí)別區(qū),對每個(gè)超聲接收頭按順序進(jìn)行編號,當(dāng)A區(qū)有超聲波信號時(shí),2、3號超聲波接收頭接收到信號;在B區(qū)有超聲波信號,僅3號超聲波接收頭接收到信號,而在C區(qū)有超聲波信號時(shí),3、4號超聲波頭將接收到信號。而整個(gè)節(jié)點(diǎn)接收區(qū)域被分成了20個(gè)可識(shí)別區(qū),并且每個(gè)不同的區(qū)都對應(yīng)著不同的超聲波接收頭響應(yīng),所以,當(dāng)有超聲波信號到達(dá)時(shí),控制器可以對各個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生響應(yīng)的超聲波接收頭進(jìn)行識(shí)別來判斷聲源所在區(qū)域即超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)所在的方向。

為了能探知節(jié)點(diǎn)的具體位置,需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間測距,本節(jié)點(diǎn)定位方法采用聲學(xué)和無線傳輸相結(jié)合的渡越時(shí)間測距方法,利用無線傳輸確定時(shí)間基準(zhǔn),通過超聲波傳感器測量節(jié)點(diǎn)之間的距離,如圖3所示。首先由節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送無線通訊信號,同時(shí)發(fā)送若干個(gè)周期的超聲波信號;節(jié)點(diǎn)B接收到無線通訊信號以后,開始計(jì)時(shí),當(dāng)接收到超聲波信號后停止計(jì)時(shí)。由于無線通訊信號傳播速度為每秒30萬公里,通訊延時(shí)可以忽略不計(jì),節(jié)點(diǎn)B的計(jì)時(shí)數(shù)值即可視為超聲波從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的傳播時(shí)間,進(jìn)而根據(jù)超聲波的傳輸速度即可求出兩節(jié)點(diǎn)的距離[6]。

通過定向和測距相結(jié)合,就可以得出鄰雷節(jié)點(diǎn)所在的位置。

圖2 超聲波陣列的分區(qū)域識(shí)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(jié)點(diǎn)定位協(xié)調(diào)分析

在雷陣中,各雷場節(jié)點(diǎn)的發(fā)射時(shí)間必須有著良好的協(xié)調(diào)與控制,以避免雷場內(nèi)超聲信號混亂,節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到幾個(gè)鄰雷節(jié)點(diǎn)的信號等情況。本方法采用的是應(yīng)答信號機(jī)制的方法,通過主節(jié)點(diǎn)去控制周圍鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位,假設(shè)主節(jié)點(diǎn)為A,鄰節(jié)點(diǎn)為B,其工作流程如下:

第一步:節(jié)點(diǎn)A通過無線發(fā)送一個(gè)標(biāo)志信號,若節(jié)點(diǎn)B接收到信號,立即返回一個(gè)應(yīng)答信號,同時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)射;

第二步:節(jié)點(diǎn)A接收到無線回復(fù)應(yīng)答信號,便立即啟動(dòng)定時(shí)和超聲波接收。等待一段時(shí)間后,接收到超聲信號,則停止計(jì)時(shí),同時(shí)采用定位原理對B節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算。若沒接收到超聲信號,返回步驟第一步,連續(xù)三次沒有接收到超聲信號,則表明節(jié)點(diǎn)B沒在節(jié)點(diǎn)A掌控范圍內(nèi),屬于非鄰節(jié)點(diǎn),停止對節(jié)點(diǎn)B的定位,轉(zhuǎn)向第三步;

第三步:采用定位節(jié)點(diǎn)B的方法,繼續(xù)對主節(jié)點(diǎn)周圍其余鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位,直到知道節(jié)點(diǎn)周圍所有的鄰節(jié)點(diǎn)的位置和方位。

通過這種方式可以避免多個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射的情況,增加了定位的魯棒性。

3 節(jié)點(diǎn)上超聲波傳感器的排布

考慮到本定位裝置是雷場目標(biāo)探測裝置的輔助和配合裝置,要求其節(jié)點(diǎn)定位裝置體積小,成本較低,所以對于超聲波接收頭數(shù)目的選取,應(yīng)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(shù)目。根據(jù)節(jié)點(diǎn)定位原理,對雷場節(jié)點(diǎn)接收裝置的超聲波接收頭排布問題進(jìn)行了綜合分析,如表1所示。

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

由表1可以看出,只有當(dāng)超聲波接收頭數(shù)n滿足式(1)時(shí),所劃分的區(qū)域數(shù)為2n,且區(qū)域角度θ均勻,易于進(jìn)行區(qū)域識(shí)別,超聲波接收頭的安裝也容易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前的雷場節(jié)點(diǎn)布設(shè)一般是采取自動(dòng)布設(shè),通過自動(dòng)布設(shè)完成后,節(jié)點(diǎn)間的相對位置比較分散,出現(xiàn)雷與雷的位置相對集中的機(jī)率比較小,所以對節(jié)點(diǎn)周圍的鄰雷的掌控可以在定位精度相對較低的情況下進(jìn)行。按理論,識(shí)別區(qū)域越小,定位精度越高,但超聲波方向性比較差,且受外界環(huán)境的影響比較大,特別是風(fēng)和溫度的影響,為了能在所劃分的區(qū)域內(nèi)比較準(zhǔn)確地識(shí)別區(qū)分出來自不同方向的超聲波信號,那么所形成的識(shí)別區(qū)域不能太小,應(yīng)盡量保持區(qū)域角度θ≥20°,綜合式(1)和式(2)可得:

所以,本雷場節(jié)點(diǎn)定位方法最多能對18個(gè)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別區(qū)分,并且9個(gè)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(jié)點(diǎn)上的超聲波發(fā)射頭的排布相對比較簡單,只需讓發(fā)射的超聲波信號能覆蓋達(dá)到360°范圍即可。由于超聲波發(fā)射頭的發(fā)射方向角一般在60°左右,為了確保無盲區(qū)發(fā)射,采用8個(gè)超聲波發(fā)射頭,每個(gè)發(fā)射頭之間間隔45°就能達(dá)到覆蓋要求。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)以上定位方法,搭建了雷場節(jié)點(diǎn)原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),該樣機(jī)安裝9個(gè)超聲波接收頭和8個(gè)超聲波發(fā)射頭,實(shí)驗(yàn)場所選在半徑大于25 m的開闊的場地。

4.1 超聲波分區(qū)域識(shí)別定向?qū)嶒?yàn)

將兩節(jié)點(diǎn)放置于同一水平面上,距離地面20 cm高度,保持接收節(jié)點(diǎn)靜止,將發(fā)射節(jié)點(diǎn)放置在以接收節(jié)點(diǎn)為圓心的場地內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)進(jìn)行定向測試,布置圖如圖4所示,定向?qū)嶒?yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)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?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Empirical datum of ultrasonic orientation

由表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:在10～20 m范圍內(nèi),誤差范圍基本可以在10°以內(nèi);但在小于10 m時(shí),10°以上達(dá)到了15%,而在大于20 m時(shí),10°以上達(dá)到了27%。可以得出,本方法在近處和遠(yuǎn)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(nèi)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(yuǎn)處,誤差主要是由超聲波接收區(qū)域逐漸增大,加上實(shí)驗(yàn)場地環(huán)境的影響,無法比較準(zhǔn)確識(shí)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(zhì)差異,對微弱超聲波信號的響應(yīng)不同,對系統(tǒng)誤差存在著一定的影響。

4.2 超聲波測距實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)將兩節(jié)點(diǎn)放置于同一水平面上,距離地面同一高度(20 cm),通過試驗(yàn),得出最終測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 超聲波測距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental datum of ultrasonic ranging

表3數(shù)據(jù)均為加入溫度和數(shù)據(jù)補(bǔ)償后,并對多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均的結(jié)果,且采用的是聲波的被動(dòng)檢測,產(chǎn)生誤差均與實(shí)際符合,均在誤差允許范圍內(nèi)。由于超聲波發(fā)射器、接收器的放大電路部分以及無線信號收發(fā)過程都有一定程度的延時(shí),這會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的測距精度有一定的影響。

5 結(jié)論

本文提出了一種獨(dú)立于外界設(shè)備,基于超聲波的雷場節(jié)點(diǎn)分區(qū)域識(shí)別定位方法,該方法采用多個(gè)超聲波傳感器在節(jié)點(diǎn)上按照一定規(guī)律的排布,通過分區(qū)域識(shí)別判斷聲源所在方位,同時(shí)利用聲學(xué)和無線傳輸相結(jié)合的渡越時(shí)間測距法進(jìn)行定位輔助,對雷場節(jié)點(diǎn)周圍的鄰雷進(jìn)行定位。由于本次實(shí)驗(yàn)不算充分,且實(shí)驗(yàn)表明了該方法的適用范圍存在一定的局限,還需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

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