Главная
страница 1
Использование шумоподобных сигналов ИК-диапазона для системы навигации мобильных роботов

Платонова Мария Валерьевна

Лаборатория робототехники и искусственного интеллекта Политехнического музея, Москва, tntlab@yandex.ru
В работе приводится описание системы, позволяющей роботу ориентироваться в пространстве по инфракрасным маякам с помощью широкополосных сигналов, построенных на основе M-последовательностей.

Введение

Одной из актуальных задач робототехники является ориентирование робота в пространстве по маякам. Сигналы для маяков бывают различных типов: ИК-сигналы, радиосигналы, сигналы, построенные на свете видимого диапазона и т.д.

Радиосигналы не подходят для ориентирования в зоне прямой видимости из-за огибания препятствий, сложности настройки и проблем помехозащищенности.

Видимый диапазон неудобен в силу естественных причин.

С другой стороны ИК-диапазон удобен в зоне прямой видимости, он позволяет четко ориентироваться в пространстве, обладает неплохой помехозащищенностью; кроме того, в продаже имеются доступные по цене и компактные ИК-приемники серии TSOP.

При передаче инфракрасного сигнала возникают помехи: солнечный свет, отражение и лампы дневного света[2]. Есть возможность снизить риск зашумления последовательности - кодировать один информационный символ последовательностью нулей и единиц. В работе проанализированы два варианта кодирующих последовательностей: последовательности Баркера и M-последовательности.

В докладе также будет показана специфика передачи и приема закодированных сигналов. Предложенная система реализована с помощью микроконтроллеров ATMega8.

Виды кодовых последовательностей

Кодовая последовательность – это набор нулей и единиц (чипов), с помощью которого кодируют один символ (бит) для дальнейшей передачи. Сам сигнал представляет собой последовательность кодовых последовательностей.

Основными свойствами кодовых последовательностей являются очень хорошие автокорреляционные и взаимнокорреляционные свойства.

От кодовой последовательности зависит помехоустойчивость системы. При одинаковых длинах свойства последовательностей могут кардинально отличаться.

Выигрыш в качестве связи зависит от длинны последовательностей и от их характеристик, в первую очередь - взаимных свойств и способа модуляции[1]. Следовательно, выбор оптимального ансамбля сигналов сводится к поиску такой структуры кодовых последовательностей, в которой центральный пик автокорреляционной функции (АКФ) имеет наибольший уровень, а боковые лепестки АКФ и максимальные выбросы взаимнокорреляционной функции (ВКФ) по возможности минимальны.

В общем виде АКФ определяется интегралом:

Ψ (τ) = ∫f(t)f(t-τ)dt

Она показывает связь сигнала с копией самого себя, смещенного во времени на величину τ.

ФКВ показывает степень соответствия одной кодовой последовательности другой:

Ψ (τ) = ∫f(t)g(t-τ)dt



Последовательности Баркера

АКФ - это разность между числом совпадений (А) и несовпадений (Б) символов кодовой последовательности и ее сдвинутой копии при их посимвольном сравнении. Например, автокорреляционная функция кодовой последовательности Баркера длиной 11 чипов, имеет следующий вид:

1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0

Посимвольное сравнение этой последовательности с ее же копией сведем в таблицу 1.



Таблица 1. АКФ последовательности Баркера в 11 чипов

Значение сдвига

Последователь-ность

Число совпадений А

Число несовпа-дений Б

Значение разности

1

01110001001

5

6

-1

2

10111000100

5

6

-1

3

01011100010

5

6

-1

4

00101110001

5

6

-1

5

10010111000

5

6

-1

6

01001011100

5

6

-1

7

00100101110

5

6

-1

8

00010010111

5

6

-1

9

10001001011

5

6

-1

10

11000100101

5

6

-1

0

11100010010

11

0

11

Графическое изображение АКФ данной последовательности Баркера показано на рис.1.



Рис.1. График АКФ последовательности Баркера в 11 чипов

Такую АКФ можно назвать идеальной, поскольку на ней отсутствуют боковые пики, которые могли бы способствовать ложному обнаружению сигнала.



M-последовательности

Кроме последовательностей Баркера были рассмотрены, так называемые M-последовательности.

Для построения M-последовательностей обычно используются регистры сдвига или элементы задержки заданной длины. Длина последовательности равна 2N-1, где N - число разрядов регистра сдвига. Еще M-последовательности обладают интересным свойством: в каждой последовательности единиц на одну больше чем нулей, т.е. в ней хорошо сбалансировано количество нулей и единиц[3].

Если сравнивать M-последовательность длиной 15 и последовательность Баркера длиной 13, то M-последовательность будет проигрывать последовательности Баркера по АКФ и ВКФ. Т.е. M-последовательность лучше использовать более длинную, чем последовательность Баркера[1]. И если M-последовательность увеличить до 31 символа, она «обгонит» по показателям АКФ и ВКФ последовательности Баркера.

Было проведено сравнение двух последовательностей Баркера длиной 11 чипов и двух M-последовательностей длиной 31 чип. Свойства, характерные для этих последовательностей, будут характерны для любых M-последовательностей и последовательностей Баркера аналогичной длины.

Последовательности Баркера имеют вид:

1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0

1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0

M-последовательности имеют вид:

1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1

0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1

По результатам предварительного моделирования можно сделать вывод, что с помощью последовательности Баркера можно достоверно передавать информацию с одним зашумленным символом в последовательности (при зашумлении 10% информации), а с помощью M-последовательности можно достоверно передавать информацию с шестью зашумленными символами в последовательности (при зашумлении 20% информации). Зашумление в данном контексте - изменение передаваемого символа на инверсный: 1 на 0, 0 на 1.



Реализация

Передатчик

Результаты моделирования показали целесообразность использования M-последовательности в качестве последовательности для кодирования. Передатчик будет ориентировать частоту следования сигнала на элемент TSOP1738, который работает так: импульсы с частотой 38КГц преобразовывает в ноль, а логический ноль – в единицу. Т.е. выдает на вход микроконтроллера инверсную огибающую принятого сигнала.

Итак, каждую единицу в M-последовательности будем кодировать 16 импульсами частоты 38КГц, а принимать будем с помощью элемента TSOP1738.

С помощью трех входных портов микроконтроллера задается сигнатура передаваемого сигнала - число от 0 до 8, т.е. номер передатчика. Именно эта сигнатура кодируется в М-последовательность.

Основная часть программы - это функция обработки прерываний от таймера.

Мы будем менять сигнал на выходном порту каждые 38КГц (так настроено прерывание от таймера). Но на практике частота задаётся выше, чем нужно, чтобы скомпенсировать время входа и выхода из прерывания.

M-последовательность, кодирующая ноль, имеет такой вид:

1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0

M-последовательность, кодирующая единицу, - это ее инверсия:

0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1



Алгоритм

Алгоритм формирования сигнала на выходе микроконтроллера (назовем его SIGNOUT).

BarkerLen=32; -- Длина М- последовательности

TP38=38; -- 38 полупериодов с частотой периода 38КГц

k=0; -- от 0 до kinLen -- длина передаваемой сигнатуры

t=0; -- от 0 до TP38

B=0; -- от 0 до BarkerLen

f=0; -- присваиваем f символ М-последовательности



если kin[k]=1 то f=con1[B] иначе f=con0[B]

если f=1 то SIGOUT=(t%2) иначе SIGOUT=0 -- если t – четное,

-- то SIGOUT=0, иначе SIGOUT=1

t=t+1;


если t>=TP38 то -- прошло 38 полупериодов с частотой 38КГц

если B>=BarkerLen то -- закодировали чип всей m-

-- последовательностью

B=0;


если k>=kinLen то --передали всю сигнатуру

k=0;


delay_us(20000); --делаем интервал между передачей чипов

-- 20мкс

кесли

иначе k=k+1;

кесли

иначе B=B+1;

t=0;


кесли
На рис.2 представлен условный вид последовательности, которая подается на инфракрасные излучатели.



Рис.2. Вид последовательности на передачу

Задержка на 20мкс нужна для разделения пакетов во времени. Принимается одна сигнатура и делается попытка её распознания. Далее следует интервал времени, в который ничего не передается.



Приемник

С помощью одного входного порта принимаем сигнал (от элемента TSOP1738) и в прерывании анализируем его. Но прерывания теперь будут реже - 2 раза за 16 импульсов с частотой 38КГц, т.е. прерывания будут с частотой 4750Гц (но надо всегда чуть-чуть ее варьировать, чтобы учесть время входа/выхода в/из прерывания). Прерывание происходит 2 раза за один импульс для того, чтобы компенсировать расфазирование.



Алгоритм

Принятые чипы хранятся в 32-х разрядном буфере (4 регистра: r0, r1, r2, r3). Также есть буфер, хранящий в себе M-последовательность, кодирующую ноль (эталон нуля).

Внутри прерывания считываем 1 или 0 с входного порта, далее помещаем в буфер (его при каждом новом прерывании надо сдвигать на один символ влево). Буфер складываем по модулю 2 (XOR) с буфером, хранящим нулевую M-последовательность.

Длина последовательности 31, т.е. она помещается целиком в четырех регистрах, после умножения в регистрах остались единицы на тех позициях, на которых буфер не совпал с эталоном нуля. Посчитав эти единицы, мы получим число не совпавших символов буфера с эталоном, отняв это число от 31 (длина M-последовательности), получим, сколько символов совпало.

Очень важным является скорость подсчета этих единиц. Если идти в цикле по 8-ми символам 4-х регистров (с помощью маски вырезая по одному биту) и складывать единицы, получается очень долго. В результате прерывание не успевает завершиться, а микроконтроллер передает управление прерыванию, и оно начинается сначала.

Алгоритм быстрого подсчета единиц в байтах регистра:

r0, r1, r2, r3 – байты регистра, в которых надо подсчитать количество единиц.

1.По маске 10101010 выделяем разряды из регистра r0 и сдвигаем их на один разряд вправо.

2.По маске 01010101 выделяем разряды из этого же регистра.

3.Далее складываем их: в разрядах 0-1, 2-3, 4-5, 6-7 регистра r0 лежат суммы единиц из этих разрядов.

4.По маске 11001100 выделяем разряды из регистра r0 и сдвигаем их на два разряда вправо.

5.По маске 00110011 выделяем разряды из этого же регистра.

6.Далее складываем их: в разрядах 0-3, 4-7 регистра r0 лежат суммы единиц из этих разрядов.

7.По маске 11110000 выделяем разряды из регистра r0 и сдвигаем их на четыре разряда вправо.

8.По маске 00001111 выделяем разряды из этого же регистра.

9.Далее складываем их: в разрядах 0-7 регистра r0 лежат суммы единиц из этих разрядов.

И так делаем для всех остальных регистров.

Количество строк увеличилось, но время выполнения программы уменьшается в разы по сравнению с использованием циклов.

Таким образом, находим количество символов, совпавших в принятом сигнале с M-последовательностью, кодирующей 0 - N0

Количество символов, совпавших в принятом сигнале с М-последовательностью, кодирующей 1, определяется как N1 = 31 - N0

Вначале было подсчитано, что M-последовательность может правильно распознаваться, если у нее правильных символов больше порога . Значит после подсчета N0 и N1, их надо сравнить с пороговой величиной .

Если установить  низким (например, 25), то есть вероятность, что микроконтроллер будет воспринимать «шум» как правильную последовательность. Если установить  высоким (например, 30), то, возможно, он будет принимать правильную последовательность очень редко (но наверняка), и даже не принимать ее вообще, если в помещении есть сильные помехи для инфракрасных лучей: яркий солнечный свет, искусственное освещение или наличие отражающих поверхностей.

Итак, если N0>= - то пришел ноль (добавляем его в регистр для принятой сигнатуры), если N1>= - то пришла единица (добавляем ее в регистр для приемной сигнатуры).

Далее сравниваем принятую сигнатуру с эталонными.

При моделировании задачи использовались микроконтроллеры ATMega8. На рис. 3 изображен испытательный стенд. Он состоит из двух микроконтроллеров (для передачи и приема), инфракрасных излучателей и приемника серии TSOP.



Рис. 3. Испытательный стенд.

Сами программы для микроконтроллеров написаны на языке Си, что значительно увеличивает эффективность процесса программирования и позволяет создавать более переносимые приложения.



Выводы

Результаты эксперимента показали, что предложенная модель может нормально функционировать в условиях естественных зашумлений: солнечный и дневной свет, отражение и т.п.

Разработанный комплекс является основой для создания навигационной системы мобильного робота, т.к. отвечает основным ее критериям - хорошая помехозащищенность, дальность «видения» маяка до 10 метров (примерно) и миниатюрность размеров, что позволяет использовать эту систему на роботах различных размеров.

Наличие такой системы позволяет подойти к решению задачи устойчивого ориентирования робота в ограниченном пространстве по множеству маяков.



Список используемой литературы

  1. Малыгин И. В. Коды, коды, коды http://cxem.net/sprav/sprav111.php

  2. Ипатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. Москва: Техносфера, 2007г

  3. Невдяев Л. CDMA сигналы и их свойства

http://www.osp.ru/nets/2000/11/141475/

This paper describes a system which allows the robot to navigate in the space infrared beacons using broadband signals based on M-sequences.









Смотрите также:
Использование шумоподобных сигналов ик-диапазона для системы навигации мобильных роботов
108.03kb.
1 стр.
Применение метода пространственно варьируемой экспозиции для увеличения динамического диапазона регистрации корреляционных сигналов
23.42kb.
1 стр.
Дипломная работа студента Коробкина А. А
588.33kb.
4 стр.
Программа конференции «Применение системы спутниковой навигации глонасс на территории Московской области»
19.18kb.
1 стр.
Использование коммерческой цифровой камеры для измерения световых полей
22.28kb.
1 стр.
Рекомендация мсэ-r m. 1452-1 (10/2009)
131.85kb.
1 стр.
Программа дисциплины Название дисциплины: Программирование для мобильных устройств
34.42kb.
1 стр.
Мобильные операционные системы
78.98kb.
1 стр.
Примерный перечень вопросов к экзамену по дисциплине Антенны и устройства свч
52.55kb.
1 стр.
Разработка гидроакустического сигнала системы подводной навигации
145.97kb.
1 стр.
«Операционные системы на телефонах»
78.13kb.
1 стр.
Вопросы по дисциплине "электронные, сверхвысокочастотные и квантовые приборы "
36.39kb.
1 стр.