超聲波檢測(cè)迅速、方便 ，計(jì)算簡(jiǎn)單，易做到實(shí)時(shí)控制，且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在工業(yè)方面具有應(yīng)用前景。但超聲波傳感器在實(shí)際應(yīng)用中獲得的信息具有一定的不確性，主要原因是探測(cè)波束角大，方向性差，超聲波的鏡面反射、散射和串?dāng)_等問題。尤其是在拐角或某些復(fù)雜環(huán)境下，聲波在物體表面的鏡面反 射是實(shí)際環(huán)境中聲納遇到的最大問題。鏡面反射是指在特定角度發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產(chǎn)生回波，這時(shí)超聲波傳感器就會(huì)忽視這個(gè)物體的存在或產(chǎn)生一個(gè)比實(shí)際距離大的距離讀數(shù)。本文在模糊理論的基礎(chǔ)上分析和處理超聲波傳感器測(cè)距過程中的一些不確定信息，并利用距離影響因子 (RCF) 的矛盾因子，給 出了一個(gè)自適應(yīng)的超聲波傳感器模型，從而能準(zhǔn)確描述超聲波探測(cè)范圍內(nèi)的障礙物所處位置。

1 超聲波不確定信息

在較理想的條件下，聲納的測(cè)量精度令人滿 意。 但在真實(shí)環(huán)境中，聲納測(cè)距結(jié)果存在很大的不確定性，主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)超聲波的散射特性

超聲波發(fā)射的聲波有一 個(gè)散射角a，如圖1所示，超聲波可感知障礙物在扇形區(qū)域內(nèi)，但不能確定障礙物的確切位置。 圖中，P為障礙物和超聲波間的距離；為障礙物與超聲波中軸問的夾角；r為超聲波測(cè)量值。

圖 1 聲納的散射

(2)超聲波的反射

當(dāng)聲波碰到反射物體時(shí)，任何測(cè)量到的反射都只保留一部分的原始信號(hào)，而剩下的一部分能量根據(jù)物體表面材質(zhì)和入射角的不同或被 吸收或被散射或穿過物體，有時(shí)聲納甚至未收到反射信號(hào)，這可能是聲納信號(hào)在嘈雜環(huán)境中多次反射損耗致使最后返回時(shí)已低于接收器響應(yīng)閾值，也可能是人射角太大導(dǎo)致所有信號(hào)都被反射到其他方 向而無法被接收器接收。其中鏡面反射的測(cè)距結(jié)果可能是沒有檢測(cè)到該障礙物或探測(cè)到一 個(gè)大于真實(shí)值的距離值。

2 基于模糊理論的超聲波模 型的創(chuàng)建

2．1 超聲波測(cè)量的不確定函數(shù)

根據(jù)超聲波散射的特性分析，在弧的中心線處存在障礙物的概率值為最大。因此引入兩個(gè)用于表現(xiàn)超聲波測(cè)量不確定性的函數(shù)：

式中c為一個(gè)常數(shù)，表示超聲波信息從確定到不確定間的平滑轉(zhuǎn)換點(diǎn) ；

反映越靠近中軸的地方聲波密度越大，而在邊緣聲波的密度降為0，因此與超聲波中軸問的夾角越小可靠性越高；

反映距超聲波越遠(yuǎn)可靠性越低，而距離超聲波較近的地方， 測(cè)量正確的可能性越高。

2．2 基于模糊邏輯方法的模型的創(chuàng)建

在真實(shí)環(huán)境探測(cè)中，將超聲波探測(cè)的范圍離散化為 m×n(m為矩形的長(zhǎng)，7"1為矩形的寬 )個(gè)相同大小的矩形柵格集合，每個(gè)柵格用 c 表示 ，這樣聲納所探測(cè)的范圍為

定義2個(gè)與U同等大小的模糊集合，分別表示空閑柵格和障礙物柵格。建立聲納向模糊集轉(zhuǎn)換的模型，設(shè)聲納測(cè)量值為r，則

3 自適應(yīng)的超聲波傳感器模型

以上模型主要考慮的因素是聲納傳感器的散射特性，對(duì)鏡面反射的特性未有過多的考慮，在文獻(xiàn)中所討論的，RCF以相乘的形式被應(yīng)用到超聲波傳感器模型中，在減少由鏡面反射引起的測(cè)距不準(zhǔn)確方面有一定的效果。距離影響因子x被定義為 

當(dāng) R>RMAX時(shí)

當(dāng)R≤RMAX時(shí)

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用配備有8個(gè)聲納的機(jī)器人在室內(nèi)完成。該移動(dòng)機(jī)器人所使用的超聲波傳感器的精確度為1('171．聲納探測(cè)范圍在1O～300cm，最大的散射角為 l2.5。超聲波探測(cè)的矩形實(shí)驗(yàn)環(huán)境大小為 3m×3m。圖2為超聲波傳感器的測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。在這里RCF的參數(shù)：r一0．5，RCFmi一0．1，相應(yīng)的R 一1／9，R 一 3In。為了顯示的清 晰 ，本測(cè)距實(shí)驗(yàn)中所采用的柵格大小為1mm×1mm，且只有存在障礙物柵格才在圖中顯示出來。 圖2(b)通過引入矛盾因子，自動(dòng)地修正了超聲波模型。

(a)未使用自適應(yīng)超聲波傳感器模型的測(cè)距實(shí)驗(yàn)圖

co)使用自適應(yīng)超聲波傳感器模型的測(cè)距實(shí)驗(yàn)圖

圖 2 超聲波傳感器的測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

從圖(2)中可看出，在基于模糊理論的超聲波模型測(cè)距的過程中，傳感器模型對(duì)不準(zhǔn)確的距離信息具有不敏感性，因而產(chǎn)生了大量的無效數(shù)據(jù)，尤其在拐角的地方。拐角處，超聲波的鏡面反射明顯；而自適應(yīng)的超聲波模型對(duì)一些大距離的數(shù)據(jù)很好地進(jìn)行了剔除 ，在拐角的地方效果更明顯，從而提高了超聲波測(cè)距的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)束語

本文在分析超聲波測(cè)距過程中的測(cè)量特性和不確定信息的基礎(chǔ)上，用模糊邏輯理論建立了超聲波傳感器的模型，能很好地解決超聲波散射所帶來的不確定信息。為了解決超聲波鏡面反射所帶來的不確定信息，引入了矛盾因子，能自動(dòng)地改變距離影響因子的值，從 而動(dòng)態(tài)地修正超聲波傳感器模型，對(duì)于超聲波的精確測(cè)距和應(yīng)用提供 了依據(jù)。

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