田二林，李祖賀

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州 450002)

0 引言

超帶寬技術(shù)解決了困擾無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大問題，具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜程度低及能提供厘米級(jí)的定位精度等優(yōu)點(diǎn)，在無線局域網(wǎng)和個(gè)人局域網(wǎng)的應(yīng)用中，可提供低功耗、超帶寬及相對(duì)簡(jiǎn)捷的通信技術(shù)。在農(nóng)田作業(yè)環(huán)境中，由于通信條件的限制，采摘機(jī)器人在作業(yè)過程中的通信能力較差，因此對(duì)于其定位和導(dǎo)航誤差的控制較為困難。如果將超帶寬技術(shù)引入到采摘機(jī)器人通信系統(tǒng)中，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將有效地提高采摘機(jī)器人的通信能力，提高采摘機(jī)器人的位置校正精度，從而提高機(jī)器人的作業(yè)效率。

1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的采摘機(jī)器人位置校正方法

完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要是由3部分組成，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中重要的器件，既具有通信能力，又具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在監(jiān)測(cè)區(qū)域的內(nèi)部或其附近隨機(jī)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)以自組織方式組建成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有收集信息及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能，利用這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)地定位采摘機(jī)器人的位置。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2表示基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的采摘機(jī)器人位置校正和定位導(dǎo)航過程。在精確定位導(dǎo)航過程中，需要反復(fù)地校正采摘機(jī)器人的位置。這個(gè)過程可以使用超帶寬調(diào)頻方法，利用超帶寬脈沖信號(hào)，提高位置校正的精度，對(duì)于提高采摘機(jī)器人的定位導(dǎo)航精度與效率具有重要的意義。

2 超帶寬技術(shù)特點(diǎn)及調(diào)頻方法

超帶寬技術(shù)具有很多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如果將其使用在位置校正技術(shù)上，可以有效提高定位精度，為位置校正提供可靠的數(shù)據(jù)。超帶寬技術(shù)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、傳輸速度快和定位精度高等特點(diǎn)。

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。超帶寬技術(shù)采用直接發(fā)送脈沖序列的方式，而不使用載波和傳統(tǒng)收發(fā)設(shè)備的變頻，省去了混頻器和功用放大器等裝置，因此使用設(shè)備更少，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。超帶寬系統(tǒng)主要由3部分組成，包括微控制器、時(shí)間基和脈沖發(fā)射接收器。其中，脈沖發(fā)射接收器的前端可以集成在一個(gè)芯片上，這3部分便可以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的超帶寬系統(tǒng)。

2)傳輸速率高。超帶寬技術(shù)的傳輸速率高，其數(shù)據(jù)的傳輸速率要高于450Mbit/s，是實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。超帶寬以寬頻的方式得到高效的傳輸速率，可以結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用而不占用現(xiàn)在的頻率資源。

3)定位精確。為了提高定位精度，在實(shí)際定位過程中往往采用沖激脈沖的形式，這種形式如果和超帶寬技術(shù)結(jié)合起來，將進(jìn)一步提高定位的精度。這是由于超帶寬無線電具有很強(qiáng)的穿透能力，其在室內(nèi)和地下室也具有精確的定位功能。

超帶寬在調(diào)頻過程中可以采用線性調(diào)頻(LFM)的方法，并需要采用匹配的濾波器對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮。為了從脈沖回波信號(hào)sr(t)提取出表征目標(biāo)特性的τi(表征相對(duì)距離)和σi(表征目標(biāo)反射特性)，常用的方法是讓sr(t)通過雷達(dá)發(fā)射信號(hào)s(t)的匹配濾波器，如圖3、圖4所示。

圖2 采摘機(jī)器人位置校正和定位導(dǎo)航過程

圖3 脈沖信號(hào)和匹配濾波器

圖4 LFM信號(hào)的匹配濾波

LFM信號(hào)(也稱Chirp 信號(hào))的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

(2)

式(2)中的up-chirp信號(hào)可寫為

s(t)=S(t)ej2πfct

(3)

當(dāng)TB>1時(shí)，LFM信號(hào)特征表達(dá)式為

(4)

(5)

(6)

對(duì)于一個(gè)理想的脈沖壓縮系統(tǒng)，要求發(fā)射信號(hào)具有非線性的相位譜，并使其包絡(luò)接近矩形。設(shè)一線性濾波器的輸入信號(hào)為x(t)，則

x(t)=s(t)+n(t)

(7)

其中，s(t)為確知信號(hào)；n(t)為均值為零的平穩(wěn)白噪聲。

設(shè)線性濾波器系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)為h(t)，其頻率響應(yīng)為H(ω)，其輸出響應(yīng)為

y(t)=so(t)+no(t)

(8)

匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為

h(t)=ks*(to-t)

(9)

如果輸入信號(hào)為實(shí)函數(shù)，則與s(t)匹配的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為

h(t)=cs(to-t)

(10)

其中，c為濾波器的相對(duì)放大量，一般c=1。

匹配濾波器的輸出信號(hào)為

so(t)=so(t)·h(t)=kR(t-to)

(11)

在真正的通信過程中，需要對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制。假設(shè)LFM信號(hào)的脈沖寬度為T，可以采用匹配濾波器對(duì)脈沖寬度進(jìn)行壓縮。信號(hào)s(t)的匹配濾波器的時(shí)域脈沖響應(yīng)為

h(t)=s*(to-t)

(12)

將式(12)代入式(1)得

(13)

采用超帶寬調(diào)頻技術(shù)可以有效地提高脈沖信號(hào)的定位精度，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的位置校正，提高采摘機(jī)器人的定位導(dǎo)航精度。

3 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)和超帶寬技術(shù)的采摘機(jī)器人位置校正

為了驗(yàn)證基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的超帶寬技術(shù)在采摘機(jī)器人位置校正中使用的可行性，以溫室采摘機(jī)器人為研究對(duì)象，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了通信網(wǎng)絡(luò)，采用PC處理器進(jìn)行位置校準(zhǔn)，其試驗(yàn)過程如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)用采摘機(jī)器人

采摘機(jī)器人上搭載了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并配備了PC高速處理器，可以將接收信號(hào)進(jìn)行快速處理，并發(fā)出采摘機(jī)器人動(dòng)作命令。

圖6表示在一個(gè)通信區(qū)域內(nèi)布置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)示意圖。其中，每個(gè)立方體采用4個(gè)定位節(jié)點(diǎn)，可以完成采摘機(jī)器人較大活動(dòng)范圍內(nèi)的位置校正，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到了如圖7所示的結(jié)果。

圖6 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布置圖

圖7 兩種定位算法的比較

測(cè)試結(jié)果表明：采用超帶寬調(diào)頻方法可以明顯地提高采摘機(jī)器人的定位精度。對(duì)定位效率進(jìn)行了測(cè)試，得到了如表1所示的結(jié)果。

表1 采摘機(jī)器人位置校正效率測(cè)試

續(xù)表1

由表1可知：和傳統(tǒng)的定位校正方法相比，超寬帶調(diào)頻方法可以使機(jī)器人獲得更快的響應(yīng)速度，校正所耗時(shí)間較短。因此，該方法可以在采摘機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)中使用。

4 結(jié)論

為提高采摘機(jī)器人的定位精度及導(dǎo)航效率，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將超帶寬調(diào)頻方法引入到了采摘機(jī)器人無線定位系統(tǒng)中，有效地提高了采摘機(jī)器人的定位精度和導(dǎo)航效率。為了驗(yàn)證該方法的可行性，在實(shí)際的采摘作業(yè)環(huán)境中對(duì)采摘機(jī)器人的作業(yè)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)的無線定位方法，超帶寬調(diào)頻方法在機(jī)器人位置校正時(shí)間和校正準(zhǔn)確率上都具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此可以將其以一種新型的定位方法在采摘機(jī)器人的定位導(dǎo)航系統(tǒng)中推廣使用。但是，由于超帶寬調(diào)頻技術(shù)還是一種新技術(shù)，可靠性還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證，待技術(shù)成熟后可以在采摘機(jī)器人定位技術(shù)研究中發(fā)揮更大的作用。