Rohan Kapoor

1 Școală de inginerie, Universitatea RMIT, Inginerie aerospațială și disciplină aeriană, Bundoora VIC 3083, Australia; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (A.G.)

Subramanian Ramasamy

1 Școală de inginerie, Universitatea RMIT, Inginerie aerospațială și disciplină aeriană, Bundoora VIC 3083, Australia; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (A.G.)

Alessandro Gardi

1 Școală de inginerie, Universitatea RMIT, Inginerie aerospațială și disciplină aeriană, Bundoora VIC 3083, Australia; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (A.G.)

Ron Van Schyndel

2 Scoala de Stiinte, Universitatea RMIT, Informatica si Disciplina Tehnologiei Informatiei, Melbourne 3000, Australia; [email protected]

Roberto Sabatini

1 Școală de inginerie, Universitatea RMIT, Inginerie aerospațială și disciplină aeriană, Bundoora VIC 3083, Australia; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (A.G.)

Abstract

1. Introducere

Direcționalitatea undelor acustice a fost folosită mult timp pentru localizare de către ființe umane. Termenul „ecolocație” a fost inventat de Donald R. Griffin [1], unde discută căpitanii de nave care exploatează sunetul pentru a stabili împrejurimile navei și a evita obstacolele în medii cu vizibilitate redusă. Senzorii acustici oferă o soluție de dimensiune, greutate și putere redusă (SWaP), care este cost redus, scalabilă și robustă. Mai mult, senzorii acustici au capacitatea de a furniza informații spațiale de înaltă rezoluție la distanțe scurte. Tehnicile de localizare bazate pe radio, cum ar fi sistemele globale de navigație prin satelit (GNSS), sunt predispuse la degradarea datelor în medii urbane dense și în interior [2]. Pe de altă parte, tehnicile electromagnetice suferă de interferențe din alte surse, precum și din structuri metalice. Senzorii de navigație optică sunt, de asemenea, relativ scumpi, iar performanța lor se deteriorează în condiții de vizibilitate degradată, precum și în medii constând din obiecte optic transparente sau opace.

2. Ecolocalizarea în natură

Animalele, în special mamiferele, cum ar fi liliecii și delfinii, utilizează unde acustice care variază în frecvență, durata semnalului și intensitate, pentru navigație și urmărire. În plus, liliecii arată capacitatea de a detecta și, atunci când este necesar, de a compensa schimbarea Doppler. Câteva observații interesante din ecolocalizarea liliecilor sunt enumerate mai jos:

Liliecii își pot reduce intensitatea apelului în timp ce se apropie de obiecte puternic reflectorizante pentru a împiedica nivelul de presiune acustică a ecoului să devină prea mare. Liliecii pot prezenta o rezoluție foarte mare de detectare a țintei cu discriminări de diferență de timp de 10-12 nanosecunde [3,6,7]. Durata ecolocației poate varia considerabil, clicurile individuale fiind aproximativ

Semnalele de 50–100 μs cu frecvență constantă, care depășesc 30 ms. Tabelul 1 listează diferite specii de lilieci și tipul lor de apel, pe baza dietei lor.

tabelul 1

Tipuri de apeluri de ecolocație pentru diferite specii de lilieci pe baza dietei [11,12].

DietEcholocation Tip de apel Specii de lilieci
FructeClicuri de bandă largă de scurtă duratăLiliac cu fructe egiptene
Molii, gândaci, muște și alte insecteBandă îngustă cu armonică fundamentală dominantăLiliac roșu de est
Insecte zburătoare și fructe miciBandă îngustă multiharmonică, slab audibilă pentru oameniLiliac de mormânt cu barbă neagră
Insecte acvatice, cum ar fi mușchi, muște macara și muște negreScurt, în bandă largă, cu armonica fundamentală dominantăLiliacul lui Daubenton
Insecte mari, păianjeni și vertebrate miciBanda largă scurtă, multiharmonicăLiliac vampir fals mai mare
MoliiBandă largă, multiharmonicăLiliacul cu piciorul fraier Madagascar
Fluture, molii și gândaciFrecvență constantă (CF) și frecvență modulată (FM)Liliac de potcoavă mai mare
Gândaci, molii, muște, viespi și furnici zburătoare Bandă îngustă FM măturată în josLiliac mare maro
Gândaci, molii, muște și insecte miciBandă largă FMLiliacul cu urechi mari al lui Townsend

După cum se vede în Tabelul 1, apelul de ecolocație poate consta dintr-o singură frecvență sau mai multe frecvențe cuprinzând o serie armonică. Intervalul de impuls al apelului variază, de asemenea, în funcție de apropierea de țintă. Pe măsură ce liliecii se apropie de țintă, rata de repetare a apelurilor lor crește pentru a obține actualizări mai rapide de localizare. De asemenea, intervalul de impuls al apelului oferă o indicație a intervalului maxim din care liliecii pot detecta obiecte. Liliecii gleaning pot asculta pasiv sunetele generate de pradă pentru a-și localiza prada prin întreruperea ecolocației sau reducerea drastică a intensității apelurilor cu puțin timp înainte de capturarea prăzii [4].

Liliecii mari de culoare brună (Eptesicus fuscus) ar putea localiza aproximativ poziția prăzii sale ascultând ecouri generate de specii [5]. Acest lucru este valabil și pentru delfinii muncitori (Tursiops trunchiază) [8].

Anumiți lilieci precum liliacul mexican cu coadă liberă tind să-și mărească rata de emisii atunci când zboară în perechi. Cu toate acestea, atunci când zboară în grupuri mai mari, liliecii tind să scadă ratele de emisie, reducând astfel interferența reciprocă [9]. Această modulație temporală a emisiilor în lilieci este similară cu algoritmii de sincronizare utilizați în sistemele de comunicații electronice. Acești algoritmi, denumiți și algoritmi de back-off, introduc întârzieri probabiliste în retransmiterea pachetelor pierdute din cauza interferenței [10].

Liliecii prezintă o varietate de comportamente în timp ce fac față interferențelor cauzate de zgomotul din mediu, precum și apelurilor și ecourilor de la liliecii din apropiere. În timp ce unele specii tratează prezența specificațiilor din apropiere ca pe orice altă sursă de zgomot sau obiect în câmpul lor vizual [13], anumite specii de lilieci precum liliecii cu coadă liberă (Molossidae) compensează interferența apelând mai tare sau prin variația frecvenței sau durata impulsurilor de ecolocație [14].

Ecolocalizarea la lilieci se referă la detectarea mediului pe baza timpului de sosire (TOA) al undelor sonore emise de aceștia. Acest lucru ajută liliecii să navigheze și să-și urmărească prada în timpul nopții. Puterea semnalului recepționat indică dimensiunea țintei. De asemenea, analiza spectrului de frecvență al ecoului oferă o idee despre textura suprafeței țintei. Majoritatea apelurilor de ecolocație a liliecilor sunt ultrasonice, variind de la 20-200 kHz, iar intensitatea sunetului poate ajunge până la 130 dB. Au existat încercări de investigare a abilităților de ecolocalizare și la ființele umane, în special la persoanele cu deficiențe de vedere. În [15], abilitățile de ecolocație ale oamenilor nevăzători și vedenți sunt revizuite, sugerând abilități auditive sporite la persoanele cu deficiențe de vedere decât oamenii cu vedere normală. Efectul experienței vizuale anterioare asupra localizării sunetului la persoanele nevăzătoare târzii a fost studiat în detaliu în [16].

Cercetările s-au concentrat asupra analizei dinamicii zborului liliecilor și a încercărilor de a le imita [17]. Liliecii își folosesc fie limba, fie corzile vocale pentru a produce semnale sonare [8]. Liliecii pot varia frecvența, durata semnalului, intensitatea semnalului, compoziția armonică și intervalul pulsului în funcție de mediul înconjurător. Liliecii folosesc semnale de bandă îngustă pentru distanța țintelor îndepărtate și banda largă pentru localizare. Unele specii de lilieci explică, de asemenea, schimbarea Doppler, variind frecvența apelurilor [3,18]. S-au făcut încercări de a dezvolta sonare biomimetice inspirate din urechile sau pinnae exterioare ale liliecilor (Figura 1), pentru localizare și cartografiere, denumite BatSLAM [19].

navigație

Pinnae de liliac al liliacului cu urechi mari al lui Townsend, Corynohinus townsendi [20].