基于超聲波特征信號處理的導盲儀研究

翟佳文，王茂森

(南京理工大學， 南京 210094)

將超聲波應用于盲人導航的技術也有很久的歷史，但是對于超聲波技術的應用只是根據聲波反射原理提醒使用者前方有無障礙物，而關于障礙物更多的信息卻無法獲取。本文研發了一種基于超聲波特征信號提取和分析算法的新型導盲儀。該導盲儀通過換能器發出一定頻段的超聲波，在收到回波信號之后，通過一系列算法保留了原始回波的主要特點，這些特點可以有效地幫助人們進行障礙物的判斷。經過實驗可知，原始信號通過等比降頻和信號重構算法處理后，可以突出前方障礙物的特征，不但能夠應用在盲人導航平臺的傳感器，還可應用于各大移動機器人平臺，應用十分廣泛。

1 硬件平臺介紹

導盲儀由超聲波收發電路、特征信號處理電路、電源電路、音頻播放電路等四部分組成。導盲儀樣機如圖1(a)所示。超聲波收發電路由三個超聲波換能器一字排開，超聲波發射器位于中間，兩個超聲波接收器位于兩側，如圖1(b)所示。調理電路會濾除超聲波接收器收到的回波信號中的環境噪聲，并且將信號的幅值放大。經過濾波和放大后的信號被AD芯片采集，然后被中央處理器處理。中央處理器芯片選用TMS320F2812。TMS320F2812是一款擅長于數字信號處理的DSP芯片，擁有150MIPS的主頻、32位CPU，內部集成128K×16bit的閃存，18K×16bit的SARAM。這樣的處理能力完全滿足導盲儀的應用要求。

2 特征段信號提取

如圖2所示為墻面反射回波信號被接收器捕捉到之后經過AD轉換，存入數組中的情況，由于寄存器為12位，故寄存器中信號幅值最大位4 096。橫軸為時間軸，t/μs，縱軸為寄存器中信號幅值的軸，A代表信號幅值，單位為1。為導盲儀向平滑的墻面發射超聲波之后接收到的信號。它由兩種信號組成，一種是攜帶了障礙物特征的有效回波信號，成為“特征信號段”，另一種是環境噪聲。由圖2可知在0 s時，接收到了一個幅值較小的信號，這是超聲波發射器對于接收器的直接干擾，即超聲波發射時的部分，信號被接收器直接接收到了。之后經歷了一段時間的噪聲，接收器收到了第一個有效回波信號，在此之后陸續收到了若干次幅值較小的有效回波信號，這些是超聲波撞擊墻面后反射到周圍其他障礙物引起的回波。

本文使用了窗口法對回波信號中的特征段進行提取。如圖3所示，圖中的信號段就是圖2中幅值最大的那一段有效回波信號。經過反復試驗可知，環境噪聲的幅值遠小于特征信號段幅值。這里依據多次實驗的經驗，設置閾值deta，如果當前數據點幅值的絕對值大于deta，則判定為特征信號點。對于窗口寬度window_size內的每一個數據點均用此方法判斷是否為特征信號點。如果在此窗口內沒有任何一個特征信號點，則窗口順著時間軸移動window_size個單位長度。一旦在某個窗口內出現了幅值大于deta的特征信號點，則這個窗口起點的數組下標記錄為data_start，窗口終點的數組下標記錄為data_end，接著窗口不斷向后移動，如果后移的過程中窗口內不斷有符合條件的特征信號點，則data_end的值不斷刷新為新的窗口終點的數組下標。一旦新的窗口中沒有特征信號點了，則data_end不再刷新。那么data_start和data_end的值分別為這一段完整特征信號段在整個有效回波信號數組中的起始下標和終止下標，于是根據這兩個下標，就能夠準確地提取出一段回波特征信號段。

3 特征信號處理

為了保留回波信號中的原始特征，如幅值、頻率等，并且還要在保留的基礎上突出這些彰顯障礙物特點的信息。本文采取了兩種算法相結合的方法進行信號處理，即等比降頻法和信號重構法。

3.1 等比降頻

等比降頻原理圖如圖4。AD轉換器以FS的頻率采樣回波信號，而處理后需要播放聲音的發送頻率為FS′。FS′比FS降低了N倍。過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)為回波信號；P(t)為被播放的信號；FS為采樣頻率采樣；fi為原始回波信號R(t)的頻率；FS′為發送頻率；fi′為被播放的信號P(t)的頻率；T為被等比降頻處理前的信號時長；T′為被等比降頻處理后的信號時長；τ為幅值的變化系數；N為降低倍數。

因此，等比降頻算法在保留信號幅值和相位角前提下，降低了信號頻率，從而使得信號的播放更長，使得使用者能夠有更加充足的時間聽取并分析回波信號中的特征。

3.2 特征信號重構

進行信號重構是建立在降頻和提取特征段基礎上的。將特征信號段的每一個半波都擴展成多個等幅值正弦函數的半波，這樣不但能使信號的時間延長，還能突出每個特征數據點，使得信號更加有辨識度。

通過公式換算，可根據特征信號段上每個半波內的采樣點數，來推算重構之后的半波的頻率。圖5為部分特征信號段圖。

若第i個半周期波點數為ni，則可得到對應的頻率fi為：

(6)

式(6)中，FS為采樣頻率。

在得到fi后，將其做如下變換：fi′=g(fi);fi為重構之前回波信號的頻率，g(x)為頻率變換式，fi′為重構之后回波信號的頻率。

g(x)為頻率變換式。設定fi與fi′滿足如下關系：

fL≤fi≤fH

(7)

fL′≤fi′≤fH′

(8)

式(7)、式(8)中:fL為原始回波頻率下限；fH為原始回波頻率上限；fL′為構造波下限；fH′為構造波上限。

則fL′、fH′、fi′同時滿足：

(9)

g(x)為拋物線變換，如圖6所示，方程式為：

g(x)=ax2+bx+cfL

(10)

有：

(11)

式(11)中，ni′為fi′對應的半波周期點。可通過下式和ni求出。

(12)

信號重構函數如下：

di(t)=Asin(2πfi′t+φ) 0≤t≤T′

(13)

式(13)中：A為構造波的幅值；fi′為構造后的頻率；φ為構造波的初相位；T′為構造后波的持續時間；di(t)為原信號第i個半波進行重構處理的輸出信號。

對時間t進行離散化處理：

(14)

式(14)中，m為正整數，q為時間變換系數。

將t帶入信號重構函數可得：

(15)

為了使構造出的半波之間銜接平滑，對構造波的幅值進行處理，即：

m=0,1,2,…,q·ni′

(16)

式(16)中:Ai為第i個半周期波的峰值(見圖4中的Ai)；Ai-1為第i-1個的半周期波的峰值。

綜上，經過信號重構之后，新的信號波形的表達式如下：

(17)

對特征信號段內的每一個半周期波進行同樣的處理，便完成整個特征信號段的重構。

當q=6，fL=20 kHz，fC=50 kHz，fH=70 kHz，fL′=12 kHz，fC′=60 kHz，fH′=300 kHz時，得到了如圖7所示的特征信號段。

經過分析，exptA有以下特點：

1) exptA與dataA幅值相同，幅值隨時間的變化一致；

2) exptA中特征信號段時域較寬，有利于使用者對特征進行分析判斷；

3) exptA的頻率范圍比dataA寬。

4 測試與測試結論

系統基本功能有探測障礙物距離和對不同障礙物進行區分。下面對此兩個功能進行測試及數據分析。

4.1 探測距離測試實驗

實驗示意圖如圖8所示，實驗時，障礙物設置為面積大并且表面平整光滑的墻體，聲納探頭垂直正對墻體。聲納頭的移動方向垂直于墻面，改變聲納頭頂端與墻面之間的距離，由近至遠，可以分別得出兩個超聲波接收器接收到的信號的振幅最大值與聲納頭與墻體之間距離的函數圖象，如圖9所示。從圖9得知，當聲納頭與墻體距離小于3.5 m時，回波信號的強度最高，信號振幅達到超聲波接收器接收范圍的最大值。當聲納頭與墻體距離大于3.5 m時，隨著距離增加，接收到的回波信號強度明顯下降，一直到距離達到8 m時，信號強度衰減至信號強度最大時1/8左右，回波信號逐漸減弱。因此導盲儀至少能夠探測出前方8 m以內的是否有障礙物。

4.2 不同形狀物體的區分實驗

本次實驗的目的在于利用回波信號中的特征信息來區分不同障礙物。

障礙物為廣玉蘭樹枝以及桂花樹枝，兩種樹枝長度均在30 cm左右，且體積相近，如圖10。聲納探頭發射頻率在 20～70 kHz、平均頻率為50 kHz的變頻超聲波。為了保證回波信號的強度足夠大，聲納探頭與實驗對象的距離為1.5 m，并且將其正對實驗對象的中下部，即枝葉最為茂盛之處，以便能夠獲得最明顯的回波特征。

圖11為右側超聲波接收器接收到的廣玉蘭樹枝和桂花樹枝的回波信號經過等比降頻和信號重構算法之后得到了特征信號。由于寄存器為12位，故寄存器中信號幅值最大位4 096。橫軸為時間軸，t/μs，縱軸為寄存器中信號的幅值的軸，單位為1。

通過對比這兩種波形可以發現，特征信號與障礙物的外形有著很大的關系。廣玉蘭的葉子稀疏，但面積較大，葉片之間的層疊間隙較少，而且葉面光滑平整，這就造成特征信號的波形比較圓潤，說明聲波是比較完整地被反射回來，而不是經過多次反射消耗了一部分能量之后才被接收器接受到的。因此廣玉蘭的特征信號被播放時，使用者會聽到響度較大且清脆短促的聲音。桂花樹的葉子茂密，但面積較小，葉片之間的層疊間隙繁多、葉片密集，這就造成特征信號的波形有很多毛刺。說明聲波是經過多次反射消耗了一部分能量之后才被接收器接受到的，反射和接受回波的過程會耗費更多的時間，這也造成了其特征信號的時間也比較長。因此桂花樹枝葉的特征信號被播放時，使用者會聽到一連串響度較小的聲音且時間較長。

5 結論

本文研究的導盲儀將接收到的回波信號進行降頻重構處理，保留且適當放大信號的特征，不但可以用于測量前方障礙物的距離還可以區分障礙物的外形，為使用者提供更多關于障礙物的信息。通過實驗結果的對比和分析得出：該導盲儀性能穩定，能夠滿足盲人導盲的基本需求，并且結構簡單、成本低廉，具有很高的實用價值。

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