严格仿大耳蝠空间目标定位

严格仿大耳蝠空间目标定位
利用声呐感知进行空间中的定位是对机器人视觉感知的有效补充。

大多数蝙蝠都能用声呐进行导航或捕食昆虫,蝙蝠所使用的声呐能够使蝙蝠在黑暗和复杂的环境中灵活移动,确定空间中目标的位置信息。

许多研究都认为蝙蝠实现定位的能力与蝙蝠耳朵的形状有关,但很少有研究者开发人造蝙蝠耳来模仿蝙蝠的能力,其难点在于目标仰角的确定。

本文中通过研究大耳蝠(Plecotusauritus)耳廓的空间声场特性,进行了大耳蝠精确的仰角回波定位的研究,另外还提出了一种行之有效的三维空间目标定位方法,同时严格模仿大耳蝠的定位功能,设计完成了双耳式主动回声定位系统,该装置利用主动声呐可以准确地估计空间中目标的角度。

首先,本文通过对大耳蝠耳廓模型进行在一定频率上的有限元模拟仿真计算,对得到的仿真结果做出统计,得到外耳周围近场特性和远场的方向性,确定了蝙蝠耳模型利用频率驱动的波束扫描特性的基本特点。

其次,为了实现空间中的目标回声定位,设计并搭建了一套双耳式声信号采集与定位系统。

为控制本采集与定位系统实现不同的功能,设计了软件与硬件环境。

使用3D 打印机制作的人造蝙蝠耳为定位系统的核心,超声喇叭为发声装置,在耳模型中加入超声麦克风作为信号接收装置,利用步进电机的转动模仿蝙蝠头的转动。

利用NI高速信号采集卡进行高速双路同步信号的采集,将系统采集到的声波保存为音频文件。

最后,利用仿大耳蝠的耳模型实现了三维空间中目标的回声定位功能。

利用声信号采集系统进行蝙蝠耳被动式特征验证实验,对采集到的双路声信号进行处理,验证了仿真得到的蝙蝠耳波束扫描特性,同时在每个仰角上都拥有
一定的分辨性,频率响应都形成了一定的模式;进行主动式回波信号定位实验,这个实验为三维空间中的单个目标的回声定位。

利用得出的不同模式的回波信号可以确定仰角角度的方法,进行了神经网络的设计与训练;完成了在直立双耳情况下的仰角估计,同时提出了一种基于脉冲串信号的滑动窗口平均算法进行了定位角度的优化;另外,设计了直角耳廓结构用来实现空间中的三维定位。

实验结果表明,本论文使用的仿蝙蝠耳定位方法定位精度较高。

对于大耳蝠来说,双耳相对位置的改变在回波定位中起到重要作用。

研究结论可以让人更加理解蝙蝠在定位中的原理,设计的回波定位为现实中机器人的定位和导航提供了一种新的方法。