如何处理声纳串扰

我们的机器人具有12个圆形声纳传感器的圆形阵列，如下所示：

该声纳传感器本身是相当不错的。我们使用低通滤波器来处理噪声，读数似乎非常准确。但是，当机器人遇到平坦的表面（如墙）时，会发生奇怪的事情。声纳没有显示会指示墙壁的读数，而是看起来像是弯曲的表面。

下图是在机器人面对墙壁时绘制的。与红色直线相比，看到蓝色曲线。红线是通过使用摄像头检测墙壁而产生的，蓝线显示过滤后的声纳读数。

我们认为，此错误是由于串扰引起的，在该串扰中，一个声纳传感器的脉冲以一定角度从墙壁弹起，并被另一个传感器接收。这是一个系统性的错误，因此我们无法像对待噪音一样真正地处理它。有解决方案可以纠正吗？

这是一个普遍的问题，也是很多问题之一。声学传感是一个复杂的研究领域，其中很大一部分用于猜测声波在发送和接收之间所采取的路径。正如您所注意到的，假设它直接返回并直接返回将在实践中产生奇怪的结果。

要真正解决它，您需要使用一个在每个传感器上放置唯一频率和/或音调长度的系统。这可以采取极大的极端措施，例如， 采用跳频伪随机脉冲宽度调制来消除移动机器人中声纳传感器的串扰。

还有一个技术含量低的解决方案，在概念上非常简单。如果您只想检测串扰，则可以在触发所有传感器的脉冲之间触发单个传感器的脉冲。如果您使用任何其他传感器检测到返回脉冲，则表明您处于串扰状态。

实际上，这是非常浪费的：请注意，这实际上可以将您可以采集的样本数量减少一半。因此，您可以通过将传感器分为几组来改善实现，其中该组中的每个成员与其他成员之间的距离要足够远，这样它就不会受到串扰。此方法最可靠的版本是使组本身是伪随机的，这不仅使错误随时间平均，而且有助于在单个传感器的基础上检测串扰。

在您的特定情况下，您还具有摄像头传感器的额外好处，即所显示的摄像头传感器将为范围返回更正确的值。将单独的（并且可能有冲突的）测量结果组合成一个更准确的估计值的策略是它自己的非常广泛的主题（称为Fusion，示例1，示例2），但是与您在此处所做的工作非常相关。

某些传感器（例如Maxbotix MB1200 XL-MaxSonar-EZ0）内置有菊花链系统，其中一个传感器一旦完成测量就会触发下一个传感器。这样，您可以拥有N个传感器，并确保只有一个同时触发，而下一个传感器在第一个传感器收集到返回信号后立即触发。此解决方案很简单，但显然会大大减少您每单位时间获取的数据量。Ian的解决方案更接近最优。

一个机器人可以使用多个超声波传感器吗？是：“使用多个声纳传感器”。

您已经知道，一个传感器通常会收到另一传感器发送的ping的回声。有几种处理交叉敏感的方法，大致按照最简单的顺序进行：

• 一次仅对一个传感器执行一次ping操作，而忽略所有其他传感器，同时等待当前传感器发出的“重影”消失，然后对另一个传感器执行ping操作。这比机械旋转单个换能器要快得多。除非您的机器人以接近音速的速度撞击物体，否则这可能足够快。
• 每个传感器使用相对较窄的光束角发射器或接收器（或同时使用两者），并增加一个传感器与另一个传感器之间的角度，以使一个传感器无法听到另一个传感器的回声（除非传感器前面的东西引起一些奇怪的横向反射） ）—传感器的角度与光束角大致相同。,，这在换能器之间留下了“盲点”，任何换能器都看不到物体。
• 某种组合-例如，增加从一个传感器到另一个传感器的角度，因此一个传感器仅听到来自其2个邻居的回声（大约是光束角的一半）；然后在ping偶数换能器（忽略奇数换能器）和ping奇数换能器（忽略偶数换能器）之间交替。
• 每个换能器以不同的频率运行。las，所有低成本的超声波换能器，除少数例外，均已调整为在40 kHz产生谐振。当收听各种信号时，这些传感器只能“听到” 40 kHz几kHz之内的信号。您将必须进行平衡（a）在为40 kHz设计的换能器上，离40 kHz越远，它的灵敏度就越低，因此您希望频率“相对接近”于40 kHz；（a）所有频率在一起越近，区分它们就越困难，因此您需要一组“相对分开”的频率。我不知道是否有一个好的折衷方案-否则，您会被困在（c）使用调谐到其他频率的更昂贵的传感器上，未调整到任何特定频率的“宽带”传感器。
• 使用各种传输时序来排除幻影回波。假设您从左侧传输，延迟2毫秒（不足以使回波消失），然后从右侧传输，...在回波消失后，从左侧传输，延迟3毫秒，然后从正确的。如果正确的接收器两次都在5毫秒后都收到回声，则可以确定它是真正的回声。如果右侧接收器第一次在5毫秒后返回回声，第二次之后在6毫秒后返回回声，则可能是左侧接收器产生了幻影。（有很多更复杂的“扩频”技术可以将许多发射机同时使用相同的频率分离出来。）
• 合并来自所有接收器的信号。如果您有一个向所有方向ping的中央发射器（或者等效地，您有指向每个方向的发射器，并且您在同一瞬间都对它们进行了ping操作），并且您收到的第一个回波首先击中了左接收器（然后又击中了右接收器）接收器听到回声），您知道最近的障碍物比右边的障碍物更靠近左边。（有更复杂的“相控阵”技术结合了来自所有接收器的信号，甚至还有更复杂的“波束形成”技术用于略微调整所有发射器的发射时间。）

PS：您是否看过“红外与超声波-您应该知道的内容”？

（是的，我之前在“多个超声波测距仪问题”中已经说过这句话。）