超聲波避障小車外文文獻(xiàn)翻譯

單位代碼 學(xué)號1103100080分類號TN929.3文獻(xiàn)翻譯用于開發(fā)避障系統(tǒng)聲納仿真院（系）名稱專業(yè)名稱學(xué)生姓名指導(dǎo)教師信息工程學(xué)院

通信工程雷海峰

王緩緩2013年4月3日用于開發(fā)避障系統(tǒng)聲納仿真摘要：海岸線的安全威脅或事件的響應(yīng)時間是一個需要改進(jìn)的地方。目前，美國海岸警衛(wèi)隊的任務(wù)是使用船只或飛機監(jiān)測沿海地區(qū)，潛水部署檢查在海岸線或在任何港口潛在水下的威脅。這會顯著阻礙事件的響應(yīng)時間。解決這個問題的方案是使用自主水下航行器（AUV）持續(xù)監(jiān)測端口。自主水下航行器必須在它運行的環(huán)境中不碰撞到物體。因此避障系統(tǒng)是自主屬水下航行器活動所必備的。傳統(tǒng)的水下航行器通常使用成像或避障掃描聲納。航行器必須有夠大的空間和可用功率來支持這些系統(tǒng)。小型水下航行器可能無法容納一個用于躲避障礙的掃描聲納系統(tǒng)。因此，它需要確定適當(dāng)?shù)穆暭{系統(tǒng)以及相應(yīng)的信號處理方法來解決海岸線的安全問題。本文提出了一套系統(tǒng)的方案從環(huán)境、障礙、聲納配置和信號處理方法的建模與仿真來描述避障系統(tǒng)的性能。聲納模擬器是基于一組圓形活塞換能器建模并基于鏡面反射產(chǎn)生的回波。光線跟蹤算法應(yīng)用于模擬從平面、球形和圓柱形物的反射。所提出的主要貢獻(xiàn)有三點1）幫助我們更好的了解與返回信號相關(guān)的障礙和環(huán)境，2）幫助我們優(yōu)化了海岸線的避障傳感器的復(fù)雜性，3）幫我們更好的設(shè)計了一個特定情況下所需的回避策略。與海岸線安全相關(guān)的一個主要問題是威脅或災(zāi)難的響應(yīng)時間。這樣的考慮不僅基于安全環(huán)境，也基于經(jīng)濟(jì)因素。目前美國海岸警衛(wèi)隊和地方執(zhí)法機構(gòu)通過船只或飛機監(jiān)視這些區(qū)域。然而，很少有監(jiān)測活動發(fā)生水下。任何可能存在的水下威脅必須要潛水員檢測和檢查。因此，由于威脅的位置不確定響應(yīng)時間可能很廣泛。解決這個問題的方法是用自主水下航行器（AUV）連續(xù)監(jiān)視一個端口或推出針對某一特定事件的方案。在任意一種情況下，自主水下航行器必須能夠航行在端口不觸碰到任何障礙、海堤或海底。這是特別具有挑戰(zhàn)性的一個港口環(huán)境，因為障礙一般沒有靜態(tài)位置。因此，一個可靠地避障能力是自主水下航行器，可以動態(tài)的更新其路徑安全導(dǎo)航的需要。一個避障系統(tǒng)（OAS）對于保證自主水下航行器（AUV）的生存能力是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的水下避障系統(tǒng)使用掃描聲納感應(yīng)環(huán)境。這些系統(tǒng)能夠提供有關(guān)航行器周圍高分辨的信息。然而，這些聲納系統(tǒng)的分辨率與其復(fù)雜性的增加是成比例。掃描聲納需要在航行器上有足夠大的空間和數(shù)量安裝它。小型水下航行器提供較小的空間、較小的電子設(shè)備并需要較小的聲納掃描功率［1］。在一個小型的、低功率的自主水下航行器上使用聲納掃描系統(tǒng)可能并不總是可行的。處理數(shù)據(jù)所需的計算時間也有問題的被針對性回避。掃描聲納系統(tǒng)會收集大量的環(huán)境數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理，在航行器的航行環(huán)境中提取有用的功能。從原始的聲納數(shù)據(jù)生成實時信息是很難完成的。通過降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，可以滿足功率、大小和時間的限制。單一的、分離的傳感器可以被換能器陣列代替。這將大大減少有關(guān)環(huán)境可以收集到的數(shù)據(jù)量。多功能避障的研究是基于假設(shè)環(huán)境和障礙已知的環(huán)境。因此，車輛路徑規(guī)劃基于1）在一個任務(wù)中全局優(yōu)化能源消耗的小車不碰到任何一個障礙物，2）分區(qū)周圍的任何障礙都能被檢測到。此項研究的目的是創(chuàng)建使用圓形活塞換能器檢測未知環(huán)境的避障系統(tǒng)。這項研究的結(jié)果將用于實現(xiàn)水下海岸線的安全。本文提出了在弗羅里達(dá)大西洋大學(xué)開發(fā)的3D聲納模擬器。在模擬器中，障礙可以定義在球體，圓柱體，和平面的組合，并且可以調(diào)節(jié)其幾何屬性，如位置、方向和目標(biāo)強度。環(huán)境包含底部和表面邊界。就車輛運動而言，基本的運動學(xué)屬性，如轉(zhuǎn)彎速率、位置、速度和方向可被編程。所提出的三個主要貢獻(xiàn)是：1）幫助我們更好地了解返回信號相關(guān)的障礙和環(huán)境。2）幫助我們優(yōu)化傳感器的避障功能3）幫助我們更好的設(shè)計了為一個特定情況下所需的回避策略。本文的其余部分將用于介紹創(chuàng)建仿真模型。第二節(jié)提供了一些常用的自主避障車聲納系統(tǒng)的類型和背景資料。第三節(jié)包含了討論車輛、環(huán)境和模擬的聲學(xué)模型。模擬結(jié)果的能力可以在第四節(jié)被找到。—二I匕日背景傳感環(huán)境是避障的第一步。了解更多的有關(guān)環(huán)境會產(chǎn)生更簡單的避障方法。由于聲音水下的傳播特性聲納成了水下傳感的主要選擇。因此，兩種類型的聲納進(jìn)行比較，以確定哪些將執(zhí)行避障系統(tǒng)。第一個是飛行時間（TOF）測距系統(tǒng)常用于地面車輛。第二種系統(tǒng)是掃描聲納。性能，如大小和功率的限制，在測試車輛選擇一種聲納類型是需要考慮。A時間飛行系統(tǒng)飛行時間（TOF）測距聲納是考慮的第一類型聲納系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常用于登陸、實驗室的基礎(chǔ)機器人和陸地避障。在這樣一個系統(tǒng)中，傳感器發(fā)出爆炸聲能量和接收返回的回聲。在往返延遲的爆炸用來進(jìn)行測量以確定引起反射物體的距離⑵?范圍通常發(fā)現(xiàn)在方程（1）c是聲音的速度，Tm是飛行時間。1)1)TOF傳感器的寬聲納束，如寶麗來600系列變頻器⑶，在確定一個物體的位置時就會成為問題。雖然目標(biāo)的范圍是準(zhǔn)確的，軸承的目標(biāo)必須落在傳感器波束的某一個地方。波束寬度可以為15°到40°取決于傳感器的大小和功率。一些TOF系統(tǒng)通過用重疊多個轉(zhuǎn)換器的波束寬度克服軸承的誤差。這些傳感器可以被當(dāng)做一個離散陣列［4］。軸承的估算可以由每個重疊范圍估算。取決于精確度和覆蓋角度TOF系統(tǒng)的復(fù)雜性將會增加。在［5］每三個接收器一組來確定25°視角內(nèi)的物體位置。［6］利用這種方法進(jìn)利用24個重疊的傳感器來覆蓋360°。傳統(tǒng)的TOF系統(tǒng)對于多個對象也存在問題。只有距離最近的物體能夠被測量。這不一定是對于航行器最相關(guān)的一個對象。像大多數(shù)聲納系統(tǒng)，飛行時間也會遭受到鏡面反射的影響。鏡面反射是聲波從一個鏡像表面的反射。聲音從一個單一的入射方向反射到一個單一的出射方向。這種類型的反射在發(fā)射脈沖被接受前可以發(fā)生多次。因此，TOF系統(tǒng)必須處理傳入的范圍信息以減少這種類型的傳感誤差。在TOF系統(tǒng)處理范圍讀數(shù)包括三個主要的步驟［6］：閾值，平均和聚類。閾值，范圍讀數(shù)超過某一最大范圍將被丟棄。這一步試圖消除多徑反射產(chǎn)生的接近設(shè)備最大范圍的范圍讀數(shù)。此外，在一定范圍內(nèi)閱讀的最小距離將被認(rèn)為是小故障然后消除。多傳感器數(shù)據(jù)融合是另一種用來消除范圍誤差的方法。在同一時間從不同的傳感器平均結(jié)合幾個獨立的范圍估計。如果這些傳感器有聲波從同一個物體傳回，這時一個更確定的范圍可以被估算。范圍估計的波動是受環(huán)境和傳感器靈敏度的影響的。平均多個讀數(shù)將減少波動的傳播。如果平均顯示大約兩個平均值，那么聚類是用來區(qū)分不同的對象。聚類是一個收集類似范圍讀數(shù)提取平均值的過程。所有傳感器讀取包含在來自同一物體的一個特定的集群［7］。不同的測量范圍將會發(fā)現(xiàn)來自工作區(qū)的多個對象。通常，為了區(qū)分每個對象這些對象都必須通過一定的距離錯開。執(zhí)行TOF傳感是有利的由于其成本低、能耗低［3］和相對較低的計算要求。此外，這些傳感器耐沖擊和輻射易于和電腦連接。TOF系統(tǒng)不能從一個單一的抽樣提供關(guān)于環(huán)境精確的信息。相反，測距信息的歷史記錄必須被保存以及分析。環(huán)境仍然可以從歷史數(shù)據(jù)中粗略的提取。B掃描系統(tǒng)在前一節(jié)聲納系統(tǒng)使用傳感器的操作，最重要的部分，在于他們自己。每個換能器的波束形成被認(rèn)為是相互獨立的。只有整個系統(tǒng)的范圍值被分析執(zhí)行了檢測算法。此外，TOF系統(tǒng)不能直接確定回波的方向。概率設(shè)計法需要對物體的位置粗略的估計。掃描聲納系統(tǒng)從聲音的反射可以用于確定物體的位置。這些系統(tǒng)是由多個傳感器一起密切分組創(chuàng)立的。傳感器將在傳輸、接受和檢測階段互相合作。許多用于水下機器人的避障系統(tǒng)采用高功率掃描聲納系統(tǒng)感知環(huán)境。聲納系統(tǒng)與測距系統(tǒng)相比可以提供一個關(guān)于環(huán)境更高分辨率的視圖。掃描系統(tǒng)的一個缺點是需要增加功率、空間和計算時間。典型的掃描系統(tǒng)可以用50到200個元陣列用于發(fā)送和接受聲音。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在前面章節(jié)中的任何測距系統(tǒng)。掃描系統(tǒng)將從環(huán)境中提取大量的信息。額外的處理這些數(shù)據(jù)意味著跟長的計算時間、更大的存儲器，以及更大的處理模塊空間。在一般情況下，較大的一個陣列或投影系統(tǒng)，光束項目越窄的主瓣［8］。主瓣的大小確定在聲納圖像分辨率的量。較小的主瓣意味著更高的分辨率是可能的。一個好的近似的主辯寬度在等式(2)中被發(fā)現(xiàn)，其中N是元素的數(shù)目，d是厘米的元素的間隔，和九為以厘米為單位的發(fā)射波的波長，可以發(fā)現(xiàn)的主瓣寬度的一個好的近似。Beamwidth(deg.)=50.6x九/((N-1)xd)(2)等式(2)對于多束或掃描系統(tǒng)提出了一個重要的設(shè)計點。高分辨率聲納需要有一個窄的波束寬度。添加更多的元陣列可以有效地變窄光線。然而，聲納系統(tǒng)的物理尺寸可能大于航行器所分配的空間。較小的波長或更高的頻率也可以縮窄光束。如果使用更高的頻率會增加信號的衰弱。因此，必須尋找大小和頻率的適當(dāng)平衡。讀者可以在[8][9][10][11]了解到一個更完整的涉及復(fù)雜掃描避障聲納的討論。聲納系統(tǒng)的物理尺寸和功率是實現(xiàn)測試車輛的兩個主要約束。因此，TOF系統(tǒng)被選為聲學(xué)模型的仿真。在仿真中使用的傳感器總數(shù)目為5個。模擬概述環(huán)境仿真可以分解成一個環(huán)境模型、車輛模型和一個聲學(xué)模型。每個模型一起模仿從車輛行駛環(huán)境返回的聲音。仿真在設(shè)計上具有一定程度的模塊化。改變仿真可以通過快速、簡單的替換不同的模塊來實現(xiàn)。在圖1中我們可以看到一個高層次的仿真流程圖。一個脈沖循環(huán)開始，在整個周期中車輛、環(huán)境和聲學(xué)模擬不斷更新。任何聲從脈沖返回將被記錄并發(fā)送到控制塊?？刂茐K是在哪里將產(chǎn)生躲避動作。仿真將在下一脈沖周期重新開啟聲學(xué)模型。這個過程將在仿真運行時間內(nèi)重復(fù)。環(huán)境、車輛和聲學(xué)模型將進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。控制塊已經(jīng)超出本文的范圍就不討論了。A環(huán)境模型簡單的幾何對象用于創(chuàng)建環(huán)境模型。這種仿真允許使用平面的、球形的、圓柱形的物體。這些組件可以為航行器的操縱建造更復(fù)雜的環(huán)境。在模擬中創(chuàng)建的示例環(huán)境可以再第四節(jié)看到。B車輛模型一個動態(tài)模型被用于車輛運動仿真。只有車輛在航向和螺距的變換被認(rèn)為是控制命令。對的影響還未被研究。車輛的轉(zhuǎn)向和潛水模式可以在方程（3）和（4）中找到。在方程（3）中屮是新的偏航角，屮0是原來的偏航角，屮c是指令方向,△T是仿真時間步長，丄是閉環(huán)航向動力學(xué)時間常數(shù)。潛水模型的定義同樣是01使用丄作為閉環(huán)航向動力學(xué)時間常數(shù)。02屮=屮+0(屮-屮)At(3)0=6+0(6-0)At(4)01c002c0圖1高級別仿真工藝流圖圖1高級別仿真工藝流圖潛水和轉(zhuǎn)向模型表示車輛整體的參考系。車輛的運動必須旋轉(zhuǎn)到與仿真環(huán)境一致的慣性坐標(biāo)系。這是通過三個歐拉角完整連續(xù)的旋轉(zhuǎn)完成的。轉(zhuǎn)動0，間距6,偏航屮［12］。在圖2中可以找到這些角度的定義。旋轉(zhuǎn)矩陣與歐拉角的聯(lián)系可以再方程5到7中找到。R=yaw5)cos(屮)-sin(屮)sin(屮)cos(R=yaw5)R=pitchR=pitchcos(6)0-sin(6)sin(6)0

cos(6)R=rollR=roll10cos(0)0sin(0)0sin(0)cos(0)圖2在模擬中使用的車輛運動的定義圖2在模擬中使用的車輛運動的定義結(jié)合方程（8）中的三個轉(zhuǎn)換矩陣允許主體固定速率Vb和慣性或全球速率V9之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。升沉和搖擺不被視為車輛模型。因此，車輛速度只包含一個surge,V9,術(shù)語。X「V9「V9"「Vb「xxV9=RRR0y—yaw—pitch—rollV90z8）使用全球速度矢量V9可以更新環(huán)境內(nèi)車輛的位置。這在使用方程式（9）時發(fā)現(xiàn)，其中X是車輛新的位置，X是車輛的原始位置，At是模擬的時間步長。0X=X+V9At（9）0C聲學(xué)模型一個圓形活塞換能器用于聲納建模仿真。軸向壓力對活塞換能器,P，可以在x方程（10）找到現(xiàn)，其中P是峰值聲壓f是聲納的工作頻率，t是時間。軸向壓力0c是一個時間長度相等的帶寬的逆運算。頻帶寬度，BW可以在方程（11）中找到。用在方程（10）中峰值聲壓是根據(jù)所選取的聲納系統(tǒng)的震源強度設(shè)置的。P=Psin（2兀f（t-t）） （10）BW二+f（11）x0 c detection 10c軸向壓力不包含軸承或范圍的信息的輸入信號。通過組合具有方向性函數(shù)的軸向壓力H?［4］可以檢查該角的組成部分。。制定的H?在方程(12)中發(fā)現(xiàn)，其中J是貝塞爾函數(shù)第一種順序1。到J參數(shù)是無限小的可以方程(13)找11到，其中，k是所發(fā)送的聲波波數(shù)，a是傳感器的半徑,g是關(guān)閉的接收角度傳感器的軸2J(v))=一1 (12)v

v=kasin(g)(13)反射壓力也會受物體的幾何和材料的影響。平面物體使用反射系數(shù)來考慮不同的材料。球形和圓柱形物體使用的目標(biāo)強度考慮他們的幾何。因此,物體接收到的壓力是通過結(jié)合軸向壓力、方向性、范圍和對象的屬性。方程(14)用于計算平面反射所帶來的壓力,r是對象的距離，H?是指向性可以在方程(12)中找到。C,在方程(14),是為特定材料的反射系數(shù)。這個系數(shù)被定義在方程(15),z是咸水R1的阻抗，z是阻抗的對象的材料。阻抗是介質(zhì)的密度乘以在這種材料［4］中傳播的2聲速。P(t)=卩只日比)2*C(14)2rRz-zC= _(15)Rz+z21球形和圓柱形物體都使用方程(16)。T,在方程(16)中是物體的目標(biāo)強度。方s程(17)中給出的公式用于計算球體的目標(biāo)強度，其中a是球體的半徑。同樣，方程(18)顯示了公式用于計算圓柱形的目標(biāo)強度,a是在碼半徑,r是到該圓柱體中碼［13］的距離。P(t)= 莎r2TS=10log() (17)s4arTS=10log(片)

c2表一在初始模擬運行中使用的參數(shù)VdiiflcPiTiperlicsLengih2mRadiusOil?mI-芮5seci375secFrequeocy10KHz±4腫"IrAiisdiicer總n山1悟o.oiainPingRute1Uz.SimuhktinnFraperilsTimcwpAIE-7see壓力可以使用方程(14)或(16)添加線性找到。因此，在相似時間內(nèi)的壓力檢測可以建設(shè)或破壞干擾總壓力。時間增益被應(yīng)用于綜合壓力這是一個選項，用于實際聲納系統(tǒng)，放大的信號是隨時間增加，以彌補這個系統(tǒng)［3］接收信號強度由于傳播和吸收所造成的損耗。該仿真使用的模型顯示在方程(19)中，其中P是原來的壓力值,P是放大壓力，t是傳at輸時間，t，是接收時間，C是聲音在鹽水中的速度。rswCP=P—sw(t一匸)(19)a2rt結(jié)果仿真將從每個傳感器產(chǎn)生強度和范圍信息。這可能是在現(xiàn)實世界中實現(xiàn)的唯一避障系統(tǒng)信息。一個更強大的系統(tǒng)可以從避障系統(tǒng)保持環(huán)境模型獨立。這對于車輛一無所知的先驗環(huán)境很重要。應(yīng)用于環(huán)境、車輛和聲學(xué)模型的參數(shù)，可以容易的改變。這允許不同的配置進(jìn)行測試。仿真，然后，可以在設(shè)計階段使用的避障聲納以及測試車輛。本節(jié)將提供一些結(jié)果和功能仿真。一些用來在這一節(jié)中生成這些數(shù)字的參數(shù)可以在表I中清楚地看到。共有5個傳感器在車輛模型上使用。側(cè)面，底部和頂部的傳感器是在一個45°角的朝向車輛前方取向。布置在船上的傳感器對測試車輛的測試結(jié)果可以在圖3中看到。在圖3中傳感器的大小已經(jīng)被夸大了，能更清楚的看見。共有5個傳感器在車輛模型上使用。側(cè)

面，底部和頂部的傳感器是在一個45°角的朝向車輛前方取向。圖3、傳感器放置在船體上的測試車的初始運行。如前所述該環(huán)境可以構(gòu)造成平面，球形，圓柱形物體。這些簡單的組件可以被組成更復(fù)雜的場景而車輛在其中必須能夠運作。圖4(a)和4(b)表明兩種環(huán)境中創(chuàng)建的模型。圖4(a)近似為一種薄的圓柱體代表一組樁。圖4(b)同樣代表一個固定的油輪。這兩種環(huán)境中包含的海面和沙質(zhì)底部采用平面對象創(chuàng)建。圖4、在使用三個幾何構(gòu)造塊中創(chuàng)造的兩個環(huán)境。(a)GroupofPilings(b)AnchoredTanker在圖4(a)中看到的堆積環(huán)境用于演示仿真輸出。車輛按指示通過使用“擺動”策略航行在一個固定的路徑環(huán)境。此動作比車輛行駛在一條直線路經(jīng)能讓傳感器查看到更多環(huán)境。在圖5中，可以看到車輛運動通過堆積環(huán)境。

圖5車輛通過打樁環(huán)境的議案每個傳感器的強度和范圍估計的時間序列輸出可以在圖6和圖7中找到。給出了一個電壓輸出強度，為了控制器從變頻器的硬件接受模擬值。每個聲返回電壓被發(fā)現(xiàn)通過方程（14）和（16）的壓力值乘以一個常量與單位［volts/uPa］。值為10-10V/uPa表示傳感器靈敏度用于產(chǎn)生結(jié)果在圖6。在圖7中顯示的范圍值是基于TOF的計算公式（1）。只有第一聲被用于發(fā)現(xiàn)每個傳感器的范圍估計。忽略其余聲脈沖返回的數(shù)據(jù)是合理的反應(yīng)避免，因為最接近的物體是最重要的。此外，僅使用第一個返回值將減少幻想對象產(chǎn)生的多徑鏡面反射［5］的影響。圖6、模擬時間序列通過打樁環(huán)境返回每個傳感器的強度。II!11|0 5 1Q 1& EE 30圖7、每個傳感器通過打樁環(huán)境模擬的時間序列范圍估數(shù)

SBBD-lmossSBBD-lmoss結(jié)論嘗試在避障中不適用高功率的掃描聲納。這種仿真可以用于一個測試床建立一個低功耗的解決方案。在聲學(xué)仿真中是基于眾所周知的模型。然而，使用這樣一個簡單的模型，是一種新的避障方法。這種仿真可以有效地較低創(chuàng)造和測試回避方法的成本。除了測試車輛運動，模擬可以幫助優(yōu)化硬件和車輛參數(shù)。配置用來模擬聲納模型和車輛模型的值是一個容易完成的任務(wù)。保留歷史測試結(jié)果將增加車輛和聲學(xué)在各種環(huán)境中行為的理解。下一步的仿真是開發(fā)躲避運動的算法和在各種環(huán)境中測試他們。更多的結(jié)果將在會議上提出。致謝作者衷心感謝海軍研究辦公室提供獎號N00014-05-C-0031的資金。摘自：中國知網(wǎng)附：英文原文ASONARSimulationusedtoDevelopanObstacleAvoidance

SystemPhilipBouxsein",Dr.EdgarAn",Dr.StevenSchock",andDr.Pierre-PhilippeBeaujean""DepartmentofOceanEngineeringFloridaAtlanticUniversity777GladesRoad

BocaRaton,Florida33431Email:Ahstract-Responsetimetoathreatorincidentforcoastlinesecurityisanareaneedingimprovement.Currently,theU.S.CoastGuardistaskedwithmonitoringthecoastalareasusingboatsorplanes,andSCUBAdiversaredeployedtoinspectanypotentialunderwaterthreatsonthecoastlineorinaport.Thiscansignificantlyhindertheresponsetimetoanincident.Asolutiontothisproblemistouseautonomousunderwatervehicles(AUVs)tocontinuouslymonitoraport.TheAUVmustbeabletonavigatetheenvironmentwithoutcollidingintoobjectsforittooperateeffectively.Therefore,anobstacleavoidancesystemisessentialtotheactivityoftheAUV.ConventionalunderwatervehiclesoftenuseimagingorscanningSONARsforobstacleavoidance.Thespaceandpoweravailableonavehiclemustbelargeenoughtosupportthesesystems.SmallerunderwatervehiclesmaynotbeabletoaccommodateascanningSONARsystemforuseinobstacleavoidance.Thus,itisofgreatinterestandneedtodeterminetheproperconfigurationoftheSONARsystemanditscorrespondingsignalprocessingmethodsforthecoastlinesecurityproblem.ThispaperproposesasystematicapproachtocharacterizetheOASperformanceintermsofenvironments,obstacles,SONARconfigurationandsignalprocessingmethodsviamodelingandsimulation.TheSONARsimulatorisbasedonmodelingasetofcircularpistontransducers,andtheechoesarecreatedbasedonspecularreflections.Theray-tracingalgorithmusedinthesimulationconsidersreflectionsfromplanar,spherical,andcylindricalobjects.Themaincontributionofthepresentedworkisthreefolded:1)helpusunderstandbetterhowthereturnsignalsarerelatedtotheobstaclesandenvironment,2)helpusoptimizethecomplexityofthetransducersforcoastlineobstacleavoidance,and3)helpusbetterdesigntheavoidancestrategyneededforaspecificscenario.1INRODUCTION.Onemajorconcernwithcoastlinesecurityistheresponsetimetoathreatordisaster.Thisconsiderationisbasednotonlyonprovidingsafetyandsecuritytoasituation,butalsooneconomicfactors.Currently,U.S.CoastGuardandlocalenforcementagenciesmonitortheseareaseitherbyboatsorbyplanes.However,verylittlemonitoringactivityhastakenplaceunderwater.Anypotentialunderwaterthreatswillhavetobedetectedandinspectedbyscubadivers.Thus,theresponsetimecanbeextensiveduetotheuncertaintyinlocationofthethreats.Onesolutiontoaddressingthisissueistodeployanautonomousunderwatervehicle(AUV)tocontinuouslymonitoraportortobelaunchedinresponsetoaspecificincident.Ineithercase,theAUVmustbeabletonavigateinaportwithoutcollidingwithanyobstacle,seawalls,orbottom.Thisisespeciallychallenginginaportenvironmentbecauseobstaclesgenerallydonothavestaticpositions.ThereforeareliableobstacleavoidancecapabilityisneededonanAUVthatcandynamicallyupdateitspathtoprovidesafenavigation.Anobstacleavoidancesystem(OAS)isessentialtoensurethesurvivabilityofanautonomousunderwatervehicle(AUV).ConventionalunderwateravoidancesystemsusescanningSONARforsensingtheenvironment.Thesesystemsareabletogivehighresolutioninformationaboutavehicle'ssurroundings.However,theresolutionofaSONARsystemincreasesproportionallywithitscomplexity.ScanningSONARrequireaconsiderableamountofpowerandspacefromthevehicleonwhichitisinstalled.Smallerunderwatervehiclesofferlessspaceforacousticarrays,lessroomforelectronics,andrequiresthattheSONARuselesspower[1].UsingascanningSONARsystemonasmall,lowpowerAUVmaynotalwaysbefeasible.Thecomputationaltimeneededtoprocessdataisalsoproblematicforreactiveavoidance.AscanningSONARsystemwillcollectasizeableamountofdataabouttheenvironment.Thisdatamustbeprocessedinordertoextractusefulfeaturesinthevehicle'ssurroundings.Generatingreal-timeinformationfromtherawSONARdataisdifficulttoaccomplish.ReactiveavoidancemaneuversmaynotbeaccomplishedwithoutcompressingtheSONARdataordecreasingtheresolution.Power,size,andtimeconstraintscanbemetbydecreasingthecomplexityofaSONARsystem.Single,separatedtransducerscanbeutilizedinsteadofarraysoftransducers.Thiswillsignificantlydecreasetheamountofdatathatcanbegatheredabouttheenvironment.Muchobstacleavoidanceresearchisbasedontheassumptionthattheenvironmentandobstaclesareknownapriori.Assuch,thevehiclepathisthenplannedbasedon1)globallyoptimizingtheenergyconsumptionofthevehicleinamissionwhilenothittinganyobstacle,or2)localmaneuveringaroundanyobstaclesthataredetected.Thegoalofthisresearchistocreateanobstacleavoidancesystemusingcircularpistontransducersforsensinganunknownenvironment.Resultsofthisresearchwillbeusedtowardsanunderwatervehicleforcoastlinesecurity.Thispaperpresentsa3DsonarsimulatordevelopedatFloridaAtlanticUniversityforobstacleavoidancecharacterization.Inthesimulator,obstaclescanbedefinedintermsofacombinationofspheres,cylinders,andplanes,andtheirgeometricalattributes,suchaspositionandorientationandtargetstrengthscanbeadjusted.Theenvironmentconsistsofbottomandsurfaceboundaries.Intermsofvehiclemotion,basickinematicsattributes,suchasturningrate,position,velocityandorientationcanbeprogrammed.Themaincontributionofthepresentedworkisthreefolded:1)helpusunderstandbetterhowthereturnsignalsarerelatedtotheobstaclesandenvironment,2)helpusoptimizethetransducersforobstacleavoidancefunction,and3)helpusbetterdesigntheavoidancestrategyneededforaspecificscenario.Therestofthispaperwilldescribethemodelsusedtocreatethesimulation.SectionIIprovidessomebackgroundinformationaboutthetypesofSONARsystemscommonlyusedforobstacleavoidanceinautonomousvehicles.Adiscussionofthevehicle,environmental,andacousticmodelsusedinthesimulationisincludedinSectionIII.ResultsandcapabilitiesofthesimulationcanbefoundinSectionIV.II.BACKGROUNDSensingtheenvironmentisthefirststepinobstacleavoidance.Knowingmoreabouttheenvironmentleadstoamorestraightforwardavoidancemaneuver.SONARisthemainchoiceformostunderwatersensingduetothepropertiesofsoundpropagationinwater.Therefore,twotypesofSONARswerecomparedtodeterminewhichwouldperformthesensingfortheOAS.Thefirstwasatime-of-flight(TOF)rangingsystemfrequentlyusedinterrestrialvehicles.ThesecondsystemlookedatwasascanningSONAR.Theproperties,suchassizeandpowerconstraints,ofthetestvehicleusedforthisprojectwereconsideredinchoosingaSONARtype.Time-oj-FlightSystemsTime-of-flight(TOF)rangingSONARsarethefirsttypeofSONARsystemconsidered.Thesesystemsarecommonlyfoundinlandandlaboratorybasedrobotsandhavebeenusedforterrestrialobstacleavoidance.Insuchasystem,thetransduceremitsaburstofacousticalenergyandreceivesthereturnedechoes.Theroundtripdelayoftheburstismeasuredtodeterminethedistanceoftheobjectthatcausedthereflection[2].Therangeisconventionallyfoundinequation(1),withcbeingthespeedofsoundandTmtheTOFoftheecho.cxTrange —亍斗⑴ThewideSONARbeamofTOFsensors,suchasaPolaroid600-seriestransducer[3],becomesproblematicwhendeterminingthelocationofanobject.Whiletherangeofanobjectisaccurate,thebearingtothatobjectmustfallsomewherewithinthebeamwidthofthetransducer.Thebeamwidthcanbe15°to40°dependingonitssizeandfrequency.SomeTOFsystemsovercomethebearinginaccuraciesbyusingmultipletransducerswithoverlappingbeamwidths.Thesetransducerscanbetreatedasadiscretelinearray[4].Abearingestimatecanthenbemadefromeachoverlappingrangeestimate.ThecomplexityofTOFsystemswillincreasedependingonthedegreeofaccuracyandangularcoverage.In[5]agroupingofthreereceiversisusedtodeterminethepositionsofobjectswithina25°fieldofview.[6]takesthisapproachfurtherbyusingaringof24overlappingsensorstocover360°.MultipleobjectsarealsoproblematicfortraditionalTOFsystems.Onlythedistancetothenearestobjectisusuallymeasured.Thisisnotnecessarilytheonemostpertinentobjectwithregardstothevehicle.LikemostSONARsystems,TOFalsosuffersfromtheeffectsofspecularreflections.Specularreflectionsaremirror-likereflectionsofthesoundwavefromasurface.Soundfromasingleincomingdirectionisreflectedontoasingleoutgoingdirection.Thistypeofreflectioncanoccurmultipletimesbeforeatransmittedpulseisreceived.Specularreflectionsleadtorangeestimatesthatdonotcorrespondtotheobjectsintheenvironment.Therefore,TOFsystemsmustprocesstheincomingrangeinformationinordertoreducethistypeofsensingerror.ProcessingtherangereadingsinaTOFsysteminvolvesthreemainsteps[6]:thresholding,averaging,andclustering.Inthresholding,rangereadingsaboveacertainmaximumrangearediscarded.Thisstepattemptstoeliminatemulti-pathreflectionsthatgiverangereadingsnearthemaximumrangeofthedevice.Inaddition,rangereadingbelowacertainminimumdistancearethoughtofasglitchesandeliminated.Fusingmultiplesensordataisanothermethodusedtoremoverangeerrors.Averagingcombinesseveralindependentrangeestimatesoccurringatthesametimefromdifferenttransducers.Ifthesetransducershaveacousticreturnsfromthesameobject,thenamoreconfidentrangeestimatecanbemade.Rangeestimatesaresubjecttofluctuationsduetotheenvironmentandtransducersensitivity.Averagingmultiplereadingswilldecreasethespreadoffluctuation.Ifaveragingshowsestimatesaroundtwomeanvalues,thenclusteringisusedtodistinguishdifferentobjects.Clusteringistheprocessofextractingthemeanvalueforacollectionofsimilarrangeestimates.Allsensorreadingcontainedinaparticularclustershouldoriginatefromthesameobject[7].Disparaterangemeasurementswilloccurwhenmultipleobjectsarefoundwithintheworkspace.Usually,theobjectswillhavetobestaggeredbyacertaindistanceinordertodistinguisheachobject.PerformingTOFsensingisadvantageousduetoitslowcost,lowenergyconsumption[3],andrelativelylowcomputationrequirements.Inaddition,thesesensorsareshockandradiationresistantandareeasytointerfacewithcomputers[2].TOFsystemsarenotabletoprovideaccurateinformationabouttheenvironmentfromasinglesampling.Instead,ahistoryofranginginformationmustbekeptandanalyzed.Theenvironmentcanstillonlybecoarselyextractedfromthehistoryofdata.ScanningSystemsTheSONARsystemintheprevioussectionusetransducersthatoperate,forthemostpart,ontheirown.Thebeampatternsformedbyeachtransducerisassumedtobeindependentofoneanother.Onlytherangevaluesoftheentiresystemareanalyzedtoperformadetectionalgorithm.Furthermore,TOFsystemscannotdirectlydeterminethedirectionofreturnechoes.Probabilisticmethodsareneededtomakearoughestimateofobjectlocations.AscanningSONARsystemcanbeusedtodetermineobjectlocationsdirectlyfromtheacousticreturns.Thesesystemsarecreatedbycloselygroupingmultipletransducerstogether.Thetransducerswillworkwitheachotherduringthetransmission,reception,anddetectionphases.ManyoftheobstacleavoidancesystemsusedonunderwatervehiclesemployahighpowerscanningSONARsystemforsensingtheenvironment.ScanningSONARallowsforamuchhigherresolutionviewoftheenvironmentthantherangingsystemscanprovide.Thedrawbacksforascanningsystemaretheincreaseinneedforpower,space,andcomputingtime.Typicalscanningsystemscanuse50to200elementarraysforsendingandreceivingsound.Thisismuchgreaterthananyoftherangingsystemslookedatintheprevioussections.Ascanningsystemwillextractalargeamountofinformationfromtheenvironment.Additionalprocessingofthisdatawillmeanlargercomputationaltimes,greatermemorystorage,aswellasmorespacefortheprocessingmodules.Ingeneral,thelargeranarrayorprojectorsystemis,thenarrowerthemainlobeofthebeamitprojects[8].ThesizeofthemainlobedeterminestheamountofresolutioninaSONARimage.Asmallermainlobemeansthathigherresolutionispossible.Agoodapproximationofthemainlobewidthcanbefoundinequation(2),whereNisthenumberofelements,distheelementspacingincentimeters,and九isthewavelengthofthetransmittedwaveincentimeters.Beamwidth(deg.)=50.6x九/((N-1)xd)(2)Equation(2)bringsupanimportantdesignpointwithamultibeam,orscanningsystem.AhighresolutionSONARneedstohaveanarrowbeamwidth.Addingmoreelementstothearraycaneffectivelynarrowthebeam.However,thephysicalsizeoftheSONARsystemmayoutgrowtheallottedspaceonavehicle.Shorterwavelengths,orhigherfrequencies,couldalsobeusedtonarrowthebeam.Attenuationofthesignalwillincreaseifhigherfrequenciesareused.Therefore,aproperbalancebetweensizeandfrequencymustbefound.Thereaderisdirectedto[8],[9],[10],and[11]foramorecompletediscussiononthecomplexitiesinvolvedwithscanningobstacleavoidanceSONAR.ThephysicalsizeandpowerconsumptionoftheSONARsystemarethetwomainconstraintforimplementationonthetestvehicle.Therefore,theTOFsystemwaschosenfortheacousticmodelinthesimulation.Thenumberoftransducersthatisusedinthesimulationwaschosentobeatotaloffive.III.SIMULATIONOVERVIEWThesimulationcanbedecomposedintoanenvironmentalmodel,avehiclemodel,andanacousticmodel.Eachmodelworkstogethertoimitatetheacousticreturnsfromenvironmenttovehicle.Thesimulationhasbeendesignedwithadegreeofmodularity.Alterationstothesimulationcanoccurquicklyandeasilybysubstitutingdifferentblocksormodels.AhighlevelflowchartofthesimulationcanbeseeninFigure1.Onceapingcyclestarts,thevehicle,environmental,andacousticmodelarecontinuouslyupdatedforthedurationofthecycle.Anyacousticreturnsfromthepingareloggedandsenttothecontrolblock.Thecontrolblockiswhereavoidancemaneuverswillbegenerated.Thesimulationwillrestarttheacousticmodelatthebeginningofthenextpingcycle.Thisprocesswillrepeatforthedurationofthesimulationruntime.Theenvironmental,vehicle,andacousticmodelswillbeexplainedinfurtherdetail.Thecontrolblockisnotdiscussedasitisoutofthescopeofthispaper.A.EnvironmentalModelSimplegeometricobjectsareusedtocreatetheenvironmentalmodel.Thesimulationallowstheplacementofplanar,spherical,andcylindricalobjects.Thesecomponentscanbeusedtobuildmorecomplexenvironmentsforthevehicletooperate.SampleenvironmentscreatedinthesimulationcanbeseeninSectionIV.B.VehicleModelAkinematicmodelisusedforvehiclemotionswithinthesimulation.Onlychangesinthevehicle'sheadingandpitchareconsideredforthecontrolcommands.

Theeffectsofrollhavenotbeeninvestigated.Thesteeringanddivingmodelsofthevehiclearefoundinequations(3)and(4).Inequation(3),屮isthenewyawangle,屮istheoriginalyawangle,屮isthecommandedheading,Atisthesimulation0c1timestep,andisthetimeconstantsoftheclosed-loopheadingdynamics.The11divingmodelisdefinedsimilarlywithbeingthetimeconstantoftheclosed-loop2pitchingdynamics.屮=屮+B(屮-屮)At (3) 0=6 +P(0 -0 ) At (4)0 1c0 0 2c0Fig.1.HighLevelFlowChartfortheSimulationFig.2.DefinitionofVehicleMotionsusedintheSimulationPitcliArisRollAxisSiu尹Fig.2.DefinitionofVehicleMotionsusedintheSimulationPitcliArisRollAxisSiu尹YkwAxisThedivingandsteeringmodelsareexpressedinabodyreferencedframetothevehicle.Themotionsofthevehiclemustberotatedintoaninertialframetocoincidewiththesimulationenvironment.Thisisaccomplishedthroughsuccessiverotationsof

thethreeEulerangles:rollQ,pitc0,andyaw屮[12].ThedefinitionoftheseanglescanbefoundinFigure2.RotationmatricesassociatedwitheachEuleranglecanbefoundinequations(5)to7.yaw5)cos(屮)-sin(屮)0

sin(屮)cos(屮)0

yaw5)cos(0)0 sin(0)R= 0 1 0pitch-sin(0)0 cos(0)rollcos(Q)-sin(Qrollcos(Q)-sin(Q)sin(Q)cos(Q)7)Combiningthethreerotationmatricesinequation(8)allowstheconversionCombiningthethreerotationbetweenthebodyfixedvelocity,Vb,andtheinertialorglobalvelocity,V9.Heaveandswaymotionsarenotconsideredinthevehiclemodel.Therefore,thevehiclevelocityonlycontainsasurge,Vbterm.x「V9"「Vb「xxV9=RRR0y—yaw—pitch—rollV90z8)27Thevehiclepositionwithintheenvironmentcanbeupdatedusingtheglobalvelocityvector,V9.Thisisfoundusingequation(9),whereXisthenewvehicleposition,Xistheoriginalvehicleposition,and6.tisthesimulationtimestep.0X=右+V9At(9)0AcousticModelAcircularpistontransducerisusedforSONARmodelinginthesimulation.TheaxialpressureforapistontransducerP,canbefoundinequation(10),wherePisthex0

peakacousticpressure,fistheoperatingfrequencyoftheSONAR,andtistime.cTheaxialpressureiscomputedforalengthoftimeequaltotheinverseofthebandwidth.Thebandwidth,BW,canbefoundinequation(11).Thepeakacousticpressureusedinequation(10)issetbasedonthechosensourceleveloftheSONARsystem.P=Psin(2兀f(t-t)) (10)x0 cdetectionBW二+f(11)10cfoundinequation(12)whereTheaxialpressurecontainsnobearingorrangeinformationabouttheincomingsignal.Theangularcomponentofthedetectionisthenaccountedforbycombiningtheaxialpressurewithadirectivityfunction,H(g)[4].TheformulationofH(g)isfoundinequation(12)whereJistheBesselfunctionofthefirstkindoforder1.1TheargumenttoJTheargumenttoJnumberofthetransmittedsoundwave,aistheradiusofthetransducer,andgistheangleofreceptionoffofthetransducer'saxis.H(g)=H(g)=2J(v)—1——(12)v=kasin(g)(13)Thereflectedpressurewavewillalsobeaffectedbytheobject'sgeometryandmaterial.Planarobjectsuseareflectioncoefficienttoaccountfordifferentmaterials.Sphericalandcylindricalobjectsusetargetstrengthtoaccountfortheirgeometry.Therefore,thereceivedpressurefromanobjectisfoundbycombiningtheaxialpressure,directivity,range,andtheobject'sproperties.Equation(14)isusedtocomputethepressurefromaplanarreflectionwhereristherangetotheobjectandH(g)isthedirectivityfoundinequation(12).C,inequation