塔机防碰撞系统中远距离超声信号消噪的研究.pdf

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1、第46卷第4期西安建筑科技大学学报(自然科学版)Vb1．46NO．42014年8月J．Xi’anUniv．ofArch．&Tech．(NaturalScienceEdition1Agu．2014塔机防碰撞系统中远距离超声信号消噪的研究寇雪芹，谷立臣(西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安710055)摘要：根据塔机防碰撞系统远距离障碍物检测需要，针对远距离超声目标检测时，传统数字滤波对回波消噪后，回波峰值位置有延迟以及远距离信噪比较低，影响目标的检测和测距准确度．提出利用小波改进的阈值函数消噪方法进行回波消噪．仿真和实验结果表明：基于改进阈值的超声回波消噪方法使回波峰值位置无延迟，可

2、以明显提高信噪比，其去噪效果优于传统的数字滤波和小波的软、硬阈值消噪方法，适用于远距离超声测量和目标有效检测．关键词：超声回波；远距离超声测量；小波阈值消噪；信噪比中图分类号：TN912．16文献标志码：A文章编号：1006．7930(2014)04—0598-06塔式起重机结构庞大，塔机与周围障碍物碰撞，会造成塔机事故的发生．现有国内外塔机防碰撞技术特点是根据预先规划的工作区域限制塔臂的旋转范围来预防塔机事故的发生．该方案主要存在的问题是需要人工预先设置工作区域，只监测塔机自身运动状态来预防碰撞事故，而不涉及周围障碍物的主动监测』．超声传感技术是一种非接触式的检测手段，与激光、雷达

3、技术等相比，具有较强的适应性、成本低廉、可靠性好等优点【JJ，已成功应用于机器人避障和汽车倒车防撞系统J．本文选用超声传感技术进行塔机主动防碰撞监测系统的分析与研究．但目前市场上能见到的超声测距产品其有效测距范围普遍在10m左右，要将超声传感技术应用到塔式起重机防碰撞系统上，其预警范围需要在20m范围内J．因此，研究超声传感器远距离测量和目标信息获取技术，是准确探测塔机周围目标的基础和关键技术．在远距离超声测量时，由于空气的吸收损耗和几何扩散损失，超声回波信号随着距离的变化，信号幅度的波动很大．远距离的超声回波信号很微弱，回波等待过程中，会混入大量杂散回波、收发电路的电噪声和声噪声干

4、扰信号’．背景噪声较为严重时，回波有用信息较为微弱，系统难以识别目标有效回波信号的位置，常常造成误判，同时回波信号中含有大量目标的信息，噪声还会影响对目标信号特征的提取．因此必须选择合适的消噪技术，抑制噪声的影响，提高信噪比来有效检测目标和增强电路的测距能力．实际应用中，由于超声测距受环境因素影响较大．在短距离测距时，精度容易控制到毫米、厘米级，远距离测距要到达相应精度，则需要从系统结构以及算法设计上作较大的改进，相应地增加系统和算法的复杂度．目前超声测距所用的滤波方法以模拟带通滤波电路、软件数字带通滤波为主，设计简单，方法相对成熟J．但带通滤波属于频域滤波方法，存在的缺点是：滤波后

5、信号会产生相对于原始信号的延时，除去部分噪声信号的同时，会丢失一部分有用的信息．近年来兴起的小波去噪法是有效去噪方法之一，用在信号去噪处理、图像压缩和故障诊断等活跃的研究领域．目前，小波消噪方法主要是采用Donoho提出的小波域阈值消噪算法，其实现最简单、计算量最小，所以其应用最广j．小波阈值去噪是1994年Donoho和Johnstone在小波变换的基础上提出的概念J，证明其在Besov空间中能得到线性去噪法达不到的最佳估计，收敛速度更快．对于小波阈值去噪，研究者近年来主要关注的关键问题是阈值函数的建立和阈值的确定，它们关系到信号去噪的质量．在阈值去噪函数的建立方面，Donoho和

6、Johnstone等人于1995年提出了硬阈值方法和软阈值方法J，但硬阈值函数在阈值处的不连续性和软阈值函数中估计值与实际值的恒定偏差缺陷，限制了它的进一步应用．为了克服这些缺点，很多专家学者对阈值函数的选择做了研究，但也存在着不足，文献[9]中给出的阈值函数简单，方便实现，虽然解决了软阈值法存在恒定偏差的问题，但连续性仍差；文献[10]中BruceAG提出的半软阈值方法连续性好并保留较大的系数，但需要确定两个阈值，增加了算法的复杂程度；文献[11]中解决了恒定偏差和连续性的问题，但需要估计的阈值调节因子过多，实现起来比较困难．利用小波适合分析非平稳信号的特点，在超声测距和检测中回波

7、信号的处理中有一定应用¨¨J，主要采用经典的小波消噪法处理，没有深入探究传统带通滤波对回波位置即测距准确性的影响以及合适的小波收稿日期：2013—11-05修改稿日期：2014-07—25基金项目：国家自然科学基金项目(50975218)；陕西省教育厅专项基金项目(2013JK1011)；西建大校青年基金项目(QN1019)作者筒介：寇雪芹(1978)，女，博士生，讲师，主要从事信号处理、信息融合方向的研究．E—mail：snow_kou78@163cor