[发明专利]基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统及方法

权利要求书

1.一种基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：包括机器鱼超声发射单元、超声接收单元、超声传播时延估计单元、距离计算单元和运动单元；所述超声发射单元采用指向性超声探头，向机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号；所述超声接收单元接收机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向反射回波信号；所述超声传播时延估计单元与超声发射单元、超声接收单元相连接，计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟；所述距离计算单元与超声传播时延估计单元相连接，根据超声传播时延估计单元提供的6个方向的时间延迟和变压器油中的声波速计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离；所述运动单元与距离计算单元相连接，根据机器鱼6个方向与障碍物之间的距离，控制机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。

2.根据权利要求1所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：所述超声发射单元和超声接收单元采用收发一体式的指向性超声探头。

3.根据权利要求2所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：所述指向性超声探头为两个，两个指向性超声探头分别安装在机器鱼的上部和下部，所述上部指向性超声探头完成向前、后、左、右、上5个方向发射和接收超声信号，下部指向性超声探头完成向下1个方向发射和接收超声信号。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：所述指向性超声探头的方向角小于10°。

5.根据权利要求1至3任一项所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：所述超声发射单元的超声发射信号类型采用的调制的窄带超声信号，信号类型为中心频率100kHz～1MHz的正弦波或方波，信号时长为5～10周期。

6.一种如权利要求1至5任一项所述基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、机器鱼上的超声发射单元实时向机器鱼前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号，机器鱼上的超声接收单元接收6个方向反射回波信号；

步骤2、超声传播时延估计单元根据6个方向上超声发射信号和反射回波信号计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟；

步骤3、距离计算单元根据超声传播时延估计单元提供的时间延迟和变压器油中的声波速，计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离；

步骤4、运动单元根据距离计算单元提供的机器鱼6个方向与障碍物之间的距离，控制机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。

7.根据权利要求6所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统的方法，其特征在于：所述步骤2采用PHAT-beta广义互相关算法计算时间延迟，其具体实现方法包括以下步骤：

⑴采用如下公式计算单一方向超声发射信号和反射回波信号的频谱：

上式中，s₁(t)为超声发射信号，s₂(t)为反射回波信号，ω为角频率，X₁(ω)为超声发射信号的频谱，X₂(ω)为反射回波信号的频谱；

⑵采用如下公式计算单一方向的超声发射信号和反射回波信号的互功率谱：

G₁₂(ω)＝X₁(ω)X₂^*(ω)

上式中，*表示复共轭，G₁₂(ω)表示超声发射信号和反射回波信号的互功率谱；

⑶采用如下PHAT-beta广义互相关加权函数对互功率谱进行加权计算：

上式中，Ψ(ω)表示广义互相关加权函数，β为指数调节因子；

⑷对步骤⑵和步骤⑶得到的公式的乘积进行傅里叶逆变换，得到广义互相关函数：

上式中，R₁₂(τ)表示广义互相关函数；

⑸对广义互相关函数进行峰值检测，得到R₁₂(τ)曲线的最大值对应的时间值，该时间至为超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟。

8.根据权利要求6所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统的方法，其特征在于：所述步骤3采用如下公式计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离D：

式中：D为机器鱼与障碍物之间的距离，t₁表示超声发射时间，t₂表示反射回波接收的时间。