1、毕业设计(论文)外文资料翻译院 系专业学生姓名班级学号外文出处Sensors and Actuators A 118(2005)183-189指导教师评语：指导教师签名： 年 月 日用于自动导向车的高精度超声波进出站引导系统F.Tonga,r,S.K.Tsoa,T.Z.Xub中国香港城市大学智能协会自动控制和操作系统小组设计中国厦门，361005，厦门大学海洋系2003年10月9日接受：2004年6月29日接受修订本；2004年6月29日采用；2004年9月29日联机登录摘要随着自动导向车在现代制造中物料处理方面越来越广泛的应用，其导向技术已经引起广大的关注。这篇论文的目的就是研究基于自动导向
2、车二维的超声波随着自动导向车在现代制造中物料处理方面越来越广泛的应用，其导向技术已经引起广大的关注。这篇论文的目的就是研究基于自动导向车二维的超声波传感器。作为一种可靠的和经济的方法，超声波传感器的应用还面临着某些缺点：如精度低。现代作业中采用一种新颖的高精度、低成本的超声波进出站引导系统用于基于进出站引导工作站的AGV定位。传感器。作为一种可靠的和经济的方法，超声波传感器的应用还面临着某些缺点：如精度低。现代作业中采用一种新颖的高精度、低成本的超声波进出站引导系统用于基于进出站引导工作站的AGV定位。在准备的方案中，电磁波被作为同步触发飞行时间计数器。进出站引导系统分别由超频率音频接受装置和
3、分别处于同一高度的烟火散发装置的工作站和自动导向车组成。自动导向车的二维位置由两个超声波发射信号和两个接收器获得。为了保证基于超声波传感器中低消耗狭窄的带宽中进出站引导的准确性，采用一种适当运算法则的超声波传感器用来实现高精度距离修正（1mm）。建立在自动导向车上样本上的实验结果证实了预测的想法，自动导向车的位随着自动导向车在现代制造系统中越来越广泛的应用，其进出站引导技术已经置精度在X和Y方向上可以达到3mm，在定位上可以达到12004 Elsevier B.V.所有权利声明保留关键词：自动导向车；进出站引导；平衡；超声波探测；1. 绪论物料处理无论在花费还是时间上都是现代加工制造工业中的一
4、个重要组成部分。确切的说，统计表明处理只占据一项典型工作5%的时间，其他时间都被花费在存储和运输过程1,2中。由于在机动性、适应性和效率方面的优胜，自动导向车在现代制造体系中扮演着一个越来越重要的角色。这样，对自动导向车技术的研究就对自动处理系统的产业化显出重要的意义。自动导向车的主要任务就是将物料从一个工作台传送另一个工作场所。在行走的过程中，自动导向车要定位自身的二维位置。传统的方法是依靠埋在地下的电线或者是固定位置上的反射激光。 当自动导向车行走到一个工作台附近的时候，它就进入到进出站引导模式。自动导向车进出站引导中一个更大困难的问题是其对工作台的位置和相对关系两方面都要得到控制。同时，
5、为了满足机械接触地面的需要，进出站引导程序必须采用比正常行走更高的精确性，这个问题已经被多个学者所提出。Vazetal3开发出了基于进出站引导系统的可移动机器人上的红外线传感器反射体，这种装置的精度在X和Y方向可以达到5mm,在方位上可以达到1。利用超声波传感器和CCD-线-相机，Roth的进出站引导系统的精确度在方位和距离上可以低于5mm。 超声波传感器被广泛应用于可移动机器人中。因为基于进出站引导解决方案上的超频率响的缘故，进出站引导的准确性基本上依靠点与点间的超声波距离修正的精确性。一般地，依照描述的精确性，已经有很多高精度的超声波装置。人造偏光板能在10.7m5的范围内产生1的平行排列
6、单位。由Figueroa开发出的一对发射器-接收器传感器能在0.9m6的范围内达到0.152mm的探测精度。 虽然如此，目前几乎没有可用于评估窄带传感器精确性效果的系统。考虑到窄带传感器的特点，传统方法将会导致因测量时间的延迟而造成的精确性较低。为了解决这个问题，去卷积策略能通过排除传感器有限波段的影响而提供一个可行的解决方案7,8。但去卷积方法的不足之处在于操作设计到分割过程，这对数据误差是十分敏感的，特别是当被一个很小的数值分开时。尽管内含参数补偿能减小数值的影响，但是这种最佳参数的选择是十分困难的。在目前的研究中，由于采用了相应的均等化处理来减少上述方法的负面因素，一种高精度性低成本的超
7、声波进出站引导方案浮出水面。考虑到和超频率音箱相比具有极高的传播速度，电磁波被用作为触发信号来测量超声波的传播时间。 剩下的内容组织如下：第一，介绍位置的描述和关系的确定方案的理论基础。接下来，形成高精度处理方法和系统的硬件及软件设计的轮廓。2. 理论基础和系统描述 作为一种已确定的技术，超声波传感器已经被广泛地用于移动机器人10-12的配置系统。这些系统可以分为两类，一类是脉冲-反射模式，另一种是发射器-接收器模式。发射器-接收器模式系统可以避免目标反射面问题，因而可靠性更高。Mahajan和Figueroa13,Martin et al 15已经研发出了用于移动机器人的发射器-接受器模式的
8、超声波导航系统。为了能达到高度的可靠性和精确性，现行方案中采用发射器-接收器模式。整个进出站引导系统由两部分组成：安装在自动导向车上的发射装置和位于工作台上的接受装置。发射装置和接受装置安装在同一高度，这样可以将进出站引导问题化成二维模型来处理。同时，在触发测量时间的同步系统中采用电磁波。2.1位置和方位测量原理 在自动导向车的二维位置问题中采用三角测量方法方案。通过测量Dca和位于自动导向车上的发射器c和接受台A之间的Dcb以及已知位置B，自动导向车的二维位置就可以如图1所示那样被确定下来。 二维位置计算如下： (1) (2)准确来说，进出站引导高精度的位置定位和关系测量，关系测量时基于输出
9、定位完成的，两点确定一条直线，借助安装在自动导向车上的两个发射器F,H，自动导向车是靠工作台上的接受装置D，E定位，这样我们就可以测得自动导向车离工作台的相对位置关系，相对位置关系计算如下： (3) 图1 2D位置和方位测量法则为了确保方位测量的准确性，发射台M在AGV上被首先定位在E，D两点的中信线上，其优先级在AGV方位测量之上。图2 同步时间系统2.2同步系统设计电磁波作为同步系统来控制时间计数器。同步原理介绍：在发射台发射出超声波脉冲的同时，无线发射器模块发射出一个同步电磁脉冲，接受装置在接到触发同步脉冲时计数一次，然后等待接受超声波脉冲去停止计数器工作并记录下时间，不同接受位置的时间
10、值被用作计算AGV位置和方位关系时的参数。3 高精度超声波研究 3.1精确度考虑 上节所述的位置和关系测量原理意味着AGV的导航精度已经达到了超声波探测的精度。尽管如此，超声波探测在传统上应用中还是存在着精度较低的问题。普遍认为存在着许多因素如空气的扰动、湿度、温度，传感器未校准和传感器的带宽限制着超声波探测的准确性，其中，传感器的带宽是主要原因。从一个小带宽传感器获得的信号渐渐地在时间领域上从开始值到达峰值，这就导致探测精度低。根据Cramer-Rao理论，限制了尺寸的时间变化的确定下限，那么系统就有16 (4)这里T是测量时间的宽度，SNR是信号与接收信号的噪音的比率，fl和fh分别是系统
11、带宽的较低限和较高限。经验证，和发射信号的带宽及空气媒介带宽相比较，传感器的带宽是整个系统带宽的主要限制。结果在相同的信噪比下，低带宽传感器导致了较低的探测精度。这项工作中，分析得出超声波传感器的带宽是探测精度较低的主要原因，通过廉价的，频带受限制的超声波传感器，采用同等化处理方法，可以达到探测精确性。3.2传感器同等化 传感器平衡装置是一个倒转滤波器，过去常用来平衡传感器中的小带宽从而增大整个系统的带宽。借助去卷积滤波器的帮助，传感器的影响可以通过使用倒转系统得到减小。理想地，传感器的误差和自身的滤波器将会导致延时脉冲： （5）这里c是延时常数。在去卷积处理后，整个系统的时间区分精度在传感器
12、的波段影响后有所提高。3.3建立在适应运算法则基础上的传感器同等化 为避免第一节所提到的直接去卷积方法的缺点，人们采用适当的运算法则去调整有限脉冲响应（FIR）传感器均衡的分量。同等化在两个阶段完成：滤波器系数在反复使用一个参考信号中得到调整；第二，去卷积法通过从调整获得的固定系数中实现。 在调整阶段，为了获得较高的信噪比下得接受信号x（k），发射器和接受器传感器被固定在确定的地方，其间只有一个很小的距离（设置为0.5m）。将发射激励d（x）输入到发射器，接收器传感器接收到的信号就作为调整过程的输入，参考信号为延时激励信号。然后根据最小平均数平方法则就可以得出设备安装检查平衡装置的重量Wk.系
13、数Wk的变换规则如下： （7） （8）这里u是一个常量，用来控制收敛率；e（k）是与系统相适应的误差：N是输入参考信号的长度；L是滤波器系数的长度；d（k）和x（k）分别是参考信号和输入信号。引用延时常量c用来确保倒转模型的因果关系。系统采用的传感器是频率为3khz，带框为3db廉价的扑通模型T/R40-16.工作在中心频率是40khz的弯曲震动模式下，它能够适应空气媒介。尽管如此，对于超声波探测系统来说，她的带宽是限制其精确性的主要因素。因此，同等化过程用来减少带宽的影响从而提高了探测的精确性。4. 实验工作4.1高精度超声波探测4.1.1传递时间的确定方法 在目前的工作中，获得的信号可以达
14、到1Msps 8-bitADC的水平。在集中的适应性调整过程中，获得的重量被作为传感器均衡器的固定信号保存下来。图4（A）和（B）分别是同等化前后超声波信号获得的时间记录。为了容易估计时间，通过同等化过程由固定在确定位置（当前方案为0.5m）的一对传感器获得的时间记录被相交相关操作中用作标准信号。同样地，通过比较现行方法和古典互相关系的目的后，在无需同等化过程的情况下通过一对传感器就可以获得标准信号。 在取得了标准信号后，根据相应的接受信号和标准信号之间的相互关系，时间就可以通过AGV上的发射装置和工作站上的接受装置确定下来。图4（C）和（D）中配有插图部分展示了在没有相应同等化标准信号和有相
15、应同等化标准信号时的接受信号的规格化交相互关系曲线。相互关系曲线的顶点被选定为超声波的到达时间（图4（C）和（D）中标记有黑色箭头处）。 图4 信号波形（A）（B）和自身同等化前后的规格化相反关系曲线（C）（D）相应标准信号 4.1.2校准过程和传播速度的调整传播时间的确定方法包括和实际到达时间之间的偏移量。如果信号的形成没有实质性的变化，这个偏移量可作为常量来处理，并且可以在开始时校准一次。校准过程可由安装在相距为2m的固定位置上的两个传感器测出的400个测量值得平均值实现。除传播时间之外，超声波的传播速度C的精确性也会影响输出的修正值。在现代研究中，为准确起见，温度因素也被计算在内。为了减少受温度变化影响的C造成的探测误差，现采用补偿方法。温度T（）和C（m/s）的关系可由下式得出18: (9)传播速度C和在每次测试开始时测量的温度相对应。4.1.3
