Codificación de emisiones ultrasónicas con secuencias complementarias para uso en exteriores
- Autores: Fernando Javier Álvarez Franco
- Directores de la Tesis: Jesús Ureña Ureña (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2006
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Ramón Mazo Quintas (presid.), Álvaro Hernández Alonso (secret.), Herbert Peremans (voc.), Raquel Pérez-Aloe Valverde (voc.), Fernando Seco Granja (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: e_Buah
- Resumen
- español
En esta tesis se propone un nuevo sistema sensorial para ambientes externos que está basado en el uso de sensores ultrasónicos y que es susceptible de ser empleado en aoplicaciones de distinta naturaleza, tales como la detección de obstáculos o el posicionamiento local de objetos. Este sistema puede operar de manera fiable en condiciones meteorológicas adversas gracias a una codificación eficiente de la señal ultrasónica que al mismo tiempo le confiere una elevada inmunidad al ruido, la capacidad de discriminar hasta cuatro emisiones realizadas simultáneamente y, además, una precisión submilimétrica en la medida de distancias equivalentes a la obtenida por los sistemas sónar más evolucionados de la robótica móvil.
La propuesta de un nuevo esquema de codificación, adecuado a las exigencias que impone el uso de señales ultrasónicas en el exterior, se fundamenta en un profundo análisis de los distintos mecanismos que afectan de manera determinante a la propagación de este tipo de ondas. Este análisis permite identificar al fenómeno de las turbulencias como el más problemático a la hora de transmitir señales ultrasónicas codificadas en el exterior, motivando así un estudio teórico detallado de este mecanismo. Como resultado de este estudio, se caracteriza el comportamiento de una atmósfera turbulenta a través de un tiempo de coherencia que impone un límite superior para la duración de las emisiones codificadas. La dependencia teórica de este tiempo con la intensidad de las turbulencias y con la velocidad del viento es corroborada experimentalmente. A partir de un análisis detallado de los datos obtenidos se propone un modelo empírico para una atmósfera turbulenta que reproduce con exactitud la dispersión espectral observada para una portadora ultrasónica.
Una vez caracterizada la propagación de las ondas ultrasónicas en el exterior, se presenta el nuevo esquema de codificación basado en el uso de conjuntos de cuatro secuencias complementarias. Este esquema tiene su origen en el desarrollo de un novedoso algoritmo de generación de este tipo de secuencias que permite obtener de una forma muy sencilla cuatro conjuntos de cuatro secuencias mutuamente ortogonales entre sí. Además, lo que es más importante, es posible diseñar a partir de él un sistema de correlación eficiente que reduce considerablemente el número total de operaciones necesarias para llevar a cabo la detección de estas secuencias.
Se acomete a continuación el diseño del sistema sensorial ultrasónico comenzando por la propuesta de un esquema de modulación en fase que hace posible la emisión de las señales codificadas a través del estrecho ancho de banda de los transductores ultrasónicos. El desarrollo del módulo de detección de este tipo de señales va acompañado de la propuesta de un conjunto de algoritmos de proceso de la señal que permiten compensar los efectos negativos derivados de la demodulación incoherente.
Finalmente, todos los algoritmos de proceso de la señal ultrasónica son optimizados e implementados sobre una arquitectura configurable que hace posible la operación del sistema en tiempo real. Un conjunto de pruebas experimentales permiten tanto comprobar que el comportamiento del sistema en el exterior es el esperado como determinar las características del mismo que se derivan de las excelentes propiedades de correlación mostradas por los conjuntos de secuencias complementarias.
- English
In this thesis a new sensory system for outdoor environments is proposed. This system is based on the use of ultrasonic sensors and can be employed for different applications, such as obstacle detection and local positioning. It can reliably operate under adverse meteorological conditions by virtue of an efficient signal coding which, at the same time, provides the system with a high robustness to noise and the possibility of discriminating up to four simultaneous emissions. Moreover, a submilimetric precision in distance measurements is achieved, similar to that of the most advanced sonars in mobile robotics.
The proposal of the new coding scheme, which must be consistent with the constraints inherent in the use of ultrasonic signals outdoors, is based on a thorough analysis of the different mechanisms involved in the propagation of this kind of waves. This analysis allows the identification of atmospheric turbulence as the most problematic phenomenon when transmitting encoded ultrasonic signals outdoors, thus motivating a detailed theoretical study of this phenomenon. As a result of this study, the behaviour of a turbulent atmosphere is characterised through a coherence time which imposes an upper limit to the duration of the encoded emissions. The theoretical dependence of this time on turbulence intensity and wind velocity is experimentally corroborated. From a detailed analysis of the acquired data, an empirical model for a turbulent atmosphere is proposed, which accurately reproduces the spectral spreading observed for an ultrasonic carrier.
Once the outdoor propagation of ultrasonic waves has been characterized, a new coding scheme based on the use of complementary sets of sequences is presented. This scheme has its origin in the development of a novel algorithm that easily generates four mutually orthogonal sets of sequences. Furthermore, an efficient correlator can be designed for the sequences generated with this algorithm, which notably decreases the total number of operations necessary to carry out the detection of these sequences.
Next, the architecture of the sensory system is presented, starting with the proposal of a phase modulation scheme in order to efficiently emit the energy of the encoded signals through the limited bandwidth of the transducers. The design of the detection module is carried out with the development of a set of processing algorithms that ameliorate the negative effects caused by the incoherent demodulation.
Finally, all the signal processing algorithms are optimised and implemented on a configurable architecture that makes possible the real time operation of the system. A set of experimental tests is presented with a double objective: first to verify the proper performance of the system outdoors, and second to determine all its features derived from the excellent correlation properties that characterise complementary sets of sequences.
- español
