Акустичні датчики для повітряної та поверхневої навігації
Рохан Капур
1 Інженерна школа, Університет RMIT, аерокосмічна інженерія та авіаційна дисципліна, Bundoora VIC 3083, Австралія; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (А.Г.)
Субраманський Рамазамі
1 Інженерна школа, Університет RMIT, аерокосмічна інженерія та авіаційна дисципліна, Bundoora VIC 3083, Австралія; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (А.Г.)
Алессандро Гарді
1 Інженерна школа, Університет RMIT, аерокосмічна інженерія та авіаційна дисципліна, Bundoora VIC 3083, Австралія; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (А.Г.)
Рон Ван Шиндель
2 Школа наук, Університет RMIT, Дисципліна комп'ютерних наук та інформаційних технологій, Мельбурн 3000, Австралія; [email protected]
Роберто Сабатіні
1 Інженерна школа, Університет RMIT, аерокосмічна інженерія та авіаційна дисципліна, Bundoora VIC 3083, Австралія; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (А.Г.)
Анотація
1. Вступ
Спрямованість акустичних хвиль здавна використовується для локалізації людьми. Термін «ехолокація» був винайдений Дональдом Р. Гріффіном [1], де він обговорює капітани кораблів, що експлуатують звук для з'ясування оточення корабля та уникнення перешкод в умовах низької видимості. Акустичні датчики забезпечують рішення з низьким розміром, вагою та потужністю (SWaP), яке є дешевим, масштабованим та надійним. Більше того, акустичні датчики мають можливість надавати просторову інформацію з високою роздільною здатністю на короткій відстані. Методи локалізації на основі радіо, такі як Глобальні навігаційні супутникові системи (ГНСС), схильні до погіршення даних у щільному міському середовищі та в приміщеннях [2]. З іншого боку, електромагнітні методи страждають від перешкод з боку інших джерел, а також металевих конструкцій. Оптичні навігаційні датчики також все ще відносно дорогі, і їх продуктивність погіршується в умовах погіршення видимості, а також в середовищах, що складаються з оптично прозорих або непрозорих предметів.
2. Ехолокація в природі
Тварини, особливо ссавці, такі як кажани та дельфіни, використовують для навігації та відстеження акустичні хвилі, що змінюються за частотою, тривалістю та інтенсивністю сигналу. Крім того, кажани виявляють здатність виявляти і, коли потрібно, компенсувати доплерівський зсув. Нижче наведено кілька цікавих спостережень за ехолокацією кажанів:
Кажани можуть знизити інтенсивність дзвінків, наближаючись до сильних світловідбиваючих об'єктів, щоб запобігти занадто великому рівню звукового тиску. Кажани можуть виявляти дуже високу роздільну здатність виявлення цілі з різницею в часі різниці в 10-12 наносекунд [3,6,7]. Тривалість ехолокації може значно варіюватись, при цьому окремі кліки становлять приблизно
Сигнали від 50–100 мкс до постійних частот, які перевищують 30 мс. У таблиці 1 перераховані різні види кажанів та їх тип дзвінка на основі їх раціону.
Таблиця 1
Типи ехолокаційних викликів для різних видів кажанів на основі дієти [11,12].
| Фрукти | Широкосмугові кліки короткої тривалості | Єгипетська фруктова кажан |
| Молі, жуки, мухи та інші комахи | Вузькосмуговий з домінуючою фундаментальною гармонікою | Східна червона кажан |
| Літаючі комахи та дрібні плоди | Мультигармонійна вузькосмугова, слабко чутна для людей | Чорнобородий гробницький кажан |
| Водні комахи, такі як мошки, журавліні мухи та чорні мухи | Короткий, широкосмуговий, з домінуючою фундаментальною гармонікою | Кажан Даубентона |
| Великі комахи, павуки та дрібні хребетні | Короткий, багатогармонійний широкосмуговий | Більший помилковий кажан-вампір |
| Молі | Довгий, багатогармонійний широкосмуговий | Мадагаскарська смоктальна бита |
| Метелик, молі та жуки | Постійна частота (CF) та частотно-модульована (FM) | Більша підковоносна бита |
| Жуки, молі, мухи, оси та літаючі мурахи | Знижений FM-вузькосмуговий зв’язок | Велика коричнева кажан |
| Жуки, молі, мухи та дрібні комахи | Широкосмуговий FM | Вухатий кажан Таунсенда |