基于CDMA室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共36頁)

1、長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE PAGE 36編號(hào)(bin ho) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(b y sh j)基于(jy)CDMA室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)CDMA-based indoor ultrasonic three-dimensional positioning system design摘要(zhiyo)本系統(tǒng)結(jié)合射頻通信(tng xn)低成本、低功耗的特點(diǎn)和超聲波定位精度高的特點(diǎn)，而避開它們的缺點(diǎn)，如單獨(dú)的射頻識(shí)別定位精度不高、超聲波測(cè)距的覆蓋范圍有限。提出了一種基于CDMA室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)，能達(dá)到(d do)較高的定位實(shí)時(shí)性和厘米級(jí)的定位精度。本系統(tǒng)具有快速定位和定位精度高等優(yōu)

2、點(diǎn)，并且能實(shí)現(xiàn)多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位，使多目標(biāo)同時(shí)定位或?qū)Ш降膽?yīng)用成為可能，特別適用于多目標(biāo)的室內(nèi)協(xié)同工作，如井下人員的精確定位、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)捕獲以及室內(nèi)無人機(jī)和機(jī)器人的航跡規(guī)劃等。關(guān)鍵詞：CDMA 三維動(dòng)態(tài)定位 射頻同步 超聲波ABSTRACTThe system combines the advantages of the radio frequency communications such as low-cost, low power consumption and high precision of the ultrasonic positioning. while avoidin

3、g their disadvantages, such as separate radio frequency identification accuracy is not high, the limited coverage of ultrasonic ranging. We proposed a three-dimensional indoor ultrasonic positioning system that base on CDMA technology. It can achieve high localization and real-time centimeter-level

4、positioning accuracy. The system is fast positioning and high precision positioning The system can achieve the positioning of multiple mobile target nodes, so that multi-objective positioning or navigation applications also become possible, especially for the multi-objective work in the room, such a

5、s the precise location of the underground personnel, medical care, capture the remote object, indoor UAV, and paining the path of the robot and so on.Key words: CDMA；Three-dimensional dynamic；RF synchronization；Ultrasonic目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295335482 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc29533548

6、2 h I HYPERLINK l _Toc295335483 ABSTRACT PAGEREF _Toc295335483 h II HYPERLINK l _Toc295335484 目錄(ml) PAGEREF _Toc295335484 h III HYPERLINK l _Toc295335485 第1章 緒論 PAGEREF _Toc295335485 h 1 HYPERLINK l _Toc295335486 1.1課題研究目的和意義 PAGEREF _Toc295335486 h 1 HYPERLINK l _Toc295335487 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和前景分析 PAGER

7、EF _Toc295335487 h 1 HYPERLINK l _Toc295335488 1.2.1國內(nèi)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295335488 h 1 HYPERLINK l _Toc295335489 1.2.2國外現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295335489 h 2 HYPERLINK l _Toc295335490 1.2.3前景分析 PAGEREF _Toc295335490 h 3 HYPERLINK l _Toc295335491 1.3本文主要研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc295335491 h 3 HYPERLINK l _Toc295335492 第2章

8、 超聲波定位原理 PAGEREF _Toc295335492 h 4 HYPERLINK l _Toc295335493 2.1超聲波定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式及比較 PAGEREF _Toc295335493 h 4 HYPERLINK l _Toc295335494 2.1.1超聲波技術(shù) PAGEREF _Toc295335494 h 4 HYPERLINK l _Toc295335495 2.1.2超聲波定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 PAGEREF _Toc295335495 h 5 HYPERLINK l _Toc295335496 2.2超聲波測(cè)距及定位算法 PAGEREF _Toc295335496 h

9、 5 HYPERLINK l _Toc295335497 2.2.1 TOA（到達(dá)時(shí)間）測(cè)距 PAGEREF _Toc295335497 h 5 HYPERLINK l _Toc295335498 2.2.2 AOA（到達(dá)角度）測(cè)距 PAGEREF _Toc295335498 h 6 HYPERLINK l _Toc295335499 2.2.3 TDOA(到達(dá)時(shí)間差)測(cè)距 PAGEREF _Toc295335499 h 6 HYPERLINK l _Toc295335500 2.2.4 三邊定位算法 PAGEREF _Toc295335500 h 7 HYPERLINK l _Toc2953

10、35501 2.3超聲波定位系統(tǒng)組成及工作原理 PAGEREF _Toc295335501 h 9 HYPERLINK l _Toc295335502 第3章 軟件仿真 PAGEREF _Toc295335502 h 12 HYPERLINK l _Toc295335503 3.1 CDMA(碼分多址)技術(shù) PAGEREF _Toc295335503 h 12 HYPERLINK l _Toc295335504 3.2偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生 PAGEREF _Toc295335504 h 12 HYPERLINK l _Toc295335505 3.3 m序列與超聲載波的調(diào)制 PAGEREF _To

11、c295335505 h 14 HYPERLINK l _Toc295335506 3.3.1 數(shù)字信號(hào)調(diào)制及其分類 PAGEREF _Toc295335506 h 14 HYPERLINK l _Toc295335507 3.3.2 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK） PAGEREF _Toc295335507 h 14 HYPERLINK l _Toc295335508 3.3.3 2ASK仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc295335508 h 15 HYPERLINK l _Toc295335509 3.4 接收端載波解調(diào) PAGEREF _Toc295335509 h 16 HYPERLIN

12、K l _Toc295335510 3.4.1 2ASK解調(diào)器 PAGEREF _Toc295335510 h 17 HYPERLINK l _Toc295335511 3.4.2 仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc295335511 h 17 HYPERLINK l _Toc295335512 第4章 硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295335512 h 20 HYPERLINK l _Toc295335513 4.1 中心站 PAGEREF _Toc295335513 h 20 HYPERLINK l _Toc295335514 4.2 信標(biāo) PAGEREF _Toc295335514

13、 h 21 HYPERLINK l _Toc295335515 4.3 目標(biāo)節(jié)點(diǎn) PAGEREF _Toc295335515 h 22 HYPERLINK l _Toc295335516 第5章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 PAGEREF _Toc295335516 h 25 HYPERLINK l _Toc295335517 5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _Toc295335517 h 25 HYPERLINK l _Toc295335518 5.2誤差分析 PAGEREF _Toc295335518 h 26 HYPERLINK l _Toc295335519 第6章 總結(jié)與展望 PAGEREF

14、 _Toc295335519 h 28 HYPERLINK l _Toc295335520 6.1 全文總結(jié) PAGEREF _Toc295335520 h 28 HYPERLINK l _Toc295335521 6.2展望 PAGEREF _Toc295335521 h 28 HYPERLINK l _Toc295335522 致謝 PAGEREF _Toc295335522 h 29 HYPERLINK l _Toc295335523 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295335523 h 30第1章 緒論(xln)1.1課題(kt)研究目的和意義現(xiàn)今的“位置服務(wù)”領(lǐng)域非常的火熱，但其

15、大部分都是服務(wù)于戶外移動(dòng)用戶。例如，在開闊的室外環(huán)境中，全球定位系統(tǒng)（GPS）目前已能提供非常精確的定位信息。但是，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(shngchn)、軍事國防中，經(jīng)常需要在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)目標(biāo)定位物進(jìn)行定位和監(jiān)測(cè)。例如，在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)、機(jī)器人和移動(dòng)車、安全防護(hù)、礦井作業(yè)環(huán)境等都需要準(zhǔn)確的室內(nèi)定位信息來實(shí)現(xiàn)空間上的高效控制。與室外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境要復(fù)雜的多，建筑物的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部布局情況，還有許多人為限制因素等都會(huì)對(duì)室內(nèi)定位的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。在很多實(shí)際場(chǎng)合，GPS信號(hào)也可能無法穿透房間的建筑材料而難以用于室內(nèi)環(huán)境。生活中，大型商場(chǎng)、醫(yī)院、大型地下停車場(chǎng)等室內(nèi)或地下環(huán)境當(dāng)中。GPS等室外定位技術(shù)往往會(huì)不能

16、正常工作，甚至徹底失效，然而在這些場(chǎng)所當(dāng)中確實(shí)存在著位置感知需求。很多人都有過這樣的感受，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)陌生的地方不得不進(jìn)入一個(gè)大型的地下商場(chǎng)或者停車場(chǎng)時(shí)會(huì)完全失去方位感，從而在其中迷路。如果是大型商場(chǎng)還可以向其他人問路，如果是地下停車場(chǎng)這樣的無人值守設(shè)施的，一旦迷路只能到處亂找，看著周圍幾乎一模一樣的設(shè)施以及不知所云的路標(biāo)，心情一定很焦急。如果這個(gè)時(shí)候有一套室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)能夠告知你的位置，指引你到你想要去的地方你一定會(huì)感到舒服多了。本課題針對(duì)室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)具有定位精度高，成本相低廉，終端運(yùn)算量較小等的優(yōu)點(diǎn)，提出了基于CDMA室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)技術(shù)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和前景分析1.2.

17、1國內(nèi)現(xiàn)狀華南理工大學(xué)(廣州)的個(gè)人位置跟蹤系統(tǒng)是射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID)在個(gè)人定位上的應(yīng)用，基本原理是通過定時(shí)發(fā)射基站發(fā)射同步時(shí)鐘信號(hào)，手持臺(tái)接收到該信號(hào)后，按照一定的次序同接收基站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換7。解放軍電子工程學(xué)院，復(fù)旦大學(xué)，上海交通大學(xué)南開大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)都曾對(duì)基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行過研究。吉林大學(xué)，上海交通大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)曾經(jīng)對(duì)紅外-超聲定位技術(shù)進(jìn)行過研究。南京郵電(yudin)大，復(fù)旦大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)曾經(jīng)對(duì)UWB10位技術(shù)進(jìn)行過研究，UWB定位技術(shù)有定位精度高，不易受到干擾，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)用范圍受到無線電管理相關(guān)(xinggun)法律的限制，目前美國FC

18、C允許在一定條件下使用UWB。1.2.2國外現(xiàn)狀(xinzhung)1、Active Badge19：采用了擴(kuò)散紅外線技術(shù)。每個(gè)用戶需要攜帶一個(gè)小的紅外線標(biāo)記設(shè)備。Active Badge定位系統(tǒng)是根據(jù)近似法來估計(jì)用戶的位置。由于采用的是紅外線技術(shù)，當(dāng)環(huán)境中有熒光燈或直射陽光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生假的紅外線散射，這使得Active Badge在定位時(shí)會(huì)有些困難。此外紅外線只有幾米的有效范圍，這就限制了定位環(huán)境是小型或中型的房間，在大房間內(nèi)則需要安裝多個(gè)紅外線信標(biāo)機(jī)。2、Active Bat20：采用超聲的傳輸時(shí)間延遲技術(shù)。控制器發(fā)送射頻請(qǐng)求包，同時(shí)利用有線網(wǎng)絡(luò)向設(shè)置在屋頂?shù)膫鞲衅靼l(fā)送一個(gè)同步復(fù)位信號(hào)。定位

19、目標(biāo)攜帶有Active Bat標(biāo)簽。Bat標(biāo)簽收到控制器發(fā)送的射頻請(qǐng)求包后，發(fā)射超聲脈沖到屋頂放置的傳感器。屋頂?shù)拿總€(gè)傳感器測(cè)量出從復(fù)位到超聲到達(dá)的時(shí)間間隔，并計(jì)算出Bat標(biāo)簽到它的距離。本地控制器向中心控制器提交距離測(cè)量值，中心控制器再進(jìn)行延遲計(jì)算。從Bat標(biāo)簽到傳感器，如果超聲脈沖是經(jīng)過反射，而不是沿直線路徑傳輸，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的傳感器測(cè)量值，而用統(tǒng)計(jì)修正可以減少這種誤差。Active Bat提供了比Active Badge系統(tǒng)更高的定位精度。3、RADAR21定位系統(tǒng)：RADAR是基于IEEE802.11無線局域網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)跟蹤定位系統(tǒng)。根據(jù)基站測(cè)量無線設(shè)備發(fā)射的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和信噪比，系統(tǒng)計(jì)算出

20、建筑物內(nèi)定位目標(biāo)的二維位置。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：需要的基站不僅少，而且實(shí)現(xiàn)了建筑物內(nèi)的無線上網(wǎng)、位置感知等多種功能。兩大缺點(diǎn)是:第一，跟蹤定位的物體必須支持無線局域網(wǎng)，這對(duì)于低功率的小型設(shè)備來講是不切實(shí)際的;第二，它只是二維定位，并不適用于多層建筑內(nèi)的定位，或者建筑內(nèi)的三維定位。4、Cricket22系統(tǒng)依靠遍布于墻壁和天花板上的信標(biāo)通過無線電信道向外發(fā)布信息。每當(dāng)信標(biāo)發(fā)送RF消息的同時(shí)還并行傳出一個(gè)超聲脈沖。被定位物體或移動(dòng)用戶攜帶的監(jiān)聽器一旦收到RF消息的前幾位，便繼續(xù)監(jiān)聽隨后的超聲脈沖。當(dāng)脈沖到達(dá)時(shí)，根據(jù)無線信號(hào)和超聲波信號(hào)傳播速度的差異計(jì)算出信號(hào)從信標(biāo)到該監(jiān)聽器之間的距離。它實(shí)現(xiàn)了幾何測(cè)量和

21、近似法兩種定位技術(shù)，當(dāng)接收到多個(gè)信標(biāo)的信號(hào)時(shí)利用幾何測(cè)量計(jì)算位置；如果只有一個(gè)信標(biāo)的信號(hào)，就采用近似法。Cricket里的信標(biāo)和監(jiān)聽器是非常相似的硬件設(shè)備，可以相互變換，完全通過軟件來控制。由于Cricket的位置計(jì)算過程是在用戶端運(yùn)行，所以能夠較好地保護(hù)隱私信息。不足之處在于缺乏集中的管理或監(jiān)控，對(duì)于移動(dòng)接收端還有計(jì)算負(fù)擔(dān)和能耗的負(fù)擔(dān)。5、SpotON23是一個(gè)(y )利用RFID的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位系統(tǒng)。它通過無線電信號(hào)強(qiáng)度的衰減來測(cè)量信號(hào)經(jīng)過的距離。設(shè)計(jì)者將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信與定位的思想結(jié)合在一起，每個(gè)用戶或物體上附有一個(gè)RFID標(biāo)簽，通過估計(jì)各個(gè)RFID標(biāo)簽間的距離給出用戶間的相對(duì)位置。因此，S

22、potON既可以提供用戶的絕對(duì)位置，也可以提供相對(duì)位置。這使得系統(tǒng)還可以利用(lyng)越來越多加入進(jìn)來的參與者來提高定位的準(zhǔn)確度。雖然已經(jīng)設(shè)計(jì)出一些硬件，但完整的系統(tǒng)到目前還沒有建成。1.2.3前景(qinjng)分析盡管國內(nèi)外對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，取得了長足的進(jìn)展，但總的來說這項(xiàng)技術(shù)并不成熟，成功的商業(yè)應(yīng)用并不多見。并且以上幾個(gè)系統(tǒng)都存在的不足，使得它們尚處在研究階段，仍然有很多可以改進(jìn)的地方。同時(shí)，生活生產(chǎn)對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)的迫切需求，例如軍事上的城市反恐，工業(yè)上的設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷，以及商業(yè)導(dǎo)航和醫(yī)療監(jiān)護(hù)等。因此，研究針對(duì)室內(nèi)特定環(huán)境的定位和系統(tǒng)迫切需要開辟新的途徑和方法。

23、1.3本文主要研究?jī)?nèi)容室內(nèi)定位技術(shù)多種多樣，各具優(yōu)缺點(diǎn)。由于不同的定位技術(shù)所采用的介質(zhì)和技術(shù)各不相同。比如采用距離或角度測(cè)定，干擾和沖突的避免，根據(jù)距離/角度得到坐標(biāo)的算法等方面有很多相似之處，本文通過對(duì)各種室內(nèi)定位技術(shù)的比較，提出一種定位精度高，保密性好，功耗小的定位系統(tǒng)基于CDMA室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)。本文主要章節(jié)及內(nèi)容如下：第一章介紹了室內(nèi)定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，講述了課題的研究?jī)?nèi)容和研究意義。第二章主要介紹了超聲波定位的原理，以及超聲波測(cè)距及其定位算法，并闡述了本系統(tǒng)的工作原理。第三章首先介紹CDMA技術(shù)，其次重點(diǎn)介紹了本系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)的過程。通過軟件仿真進(jìn)一步證明本方案的可行性。第四章

24、是硬件設(shè)計(jì)，主要介紹本系統(tǒng)的各部分硬件電路組成。第五章通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析指出系統(tǒng)中可能產(chǎn)生誤差的原因，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，并提出改進(jìn)方案。第六章對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行總結(jié)并且對(duì)后續(xù)工作展望。第2章 超聲波定位原理2.1超聲波定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(shxin)方式及比較2.1.1超聲波技術(shù)(jsh)所謂超聲，是相對(duì)于人耳的聽域范圍而言的。正常人所能聽到的聲音頻率在20Hz20kHZ范圍內(nèi)，頻率低于20Hz或高于20kHz人耳都聽不到。人們(rn men)將頻率高于20kHZ的波稱為超聲波。超聲波屬于機(jī)械波，超聲波在空氣中傳播幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響?，F(xiàn)代超聲應(yīng)用中，超聲波一般由

25、超聲換能器產(chǎn)生和接收。超聲波換能器實(shí)質(zhì)上是一類機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。按其工作原理可分為壓電式、電磁式和磁致伸縮式等三種。目前，常見的超聲波換能器一般都是壓電式的。它是利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)來工作的。超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接受換能器，既能發(fā)射超聲波又能接受發(fā)射出去的超聲波的回波。超聲換能器的種類很多，按照其結(jié)構(gòu)可分為直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙探頭(一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接受)、聚焦探頭(將聲波聚集成一束)、水浸探頭(可浸在液體中)以及其它專用探頭。在本系統(tǒng)中采用雙探頭超聲波傳感器，如圖示。圖2-1 超聲測(cè)距傳感器實(shí)物2.1.2超聲波定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(shxin)方式根據(jù)信號(hào)傳遞方向

26、不同，超聲定位系統(tǒng)可以分為(fn wi)如下三類：1、倒GPS超聲定位系統(tǒng)25：在GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，定位物體只接收信號(hào)(xnho)，不發(fā)送信號(hào)，信號(hào)只由衛(wèi)星進(jìn)行廣播。與GPS定位系統(tǒng)的信號(hào)傳遞方向相反，在常規(guī)超聲局部定位系統(tǒng)中，定位物體只發(fā)送信號(hào)，不接收信號(hào)，信號(hào)由定位物體發(fā)送,基站只進(jìn)行接收信號(hào)。所以，可將常規(guī)超聲局部定位系統(tǒng)稱為“倒GPS定位系統(tǒng)。2、應(yīng)答超聲波定位系統(tǒng)25：包括上行應(yīng)答和下行應(yīng)答。上行應(yīng)答是指一個(gè)基站發(fā)出呼叫信號(hào)，定位物體應(yīng)答，所有基站接收應(yīng)答信號(hào)。與上行應(yīng)答相反，下行應(yīng)答方式又稱二次雷達(dá)方式，它首先由定位物體發(fā)出呼叫信號(hào)，所有基站應(yīng)答，定位物體接收應(yīng)答信號(hào)并估計(jì)與基

27、站之間的距離。應(yīng)答式定位方法在水聲定位系統(tǒng)中廣泛采用，例如：如海洋油氣開發(fā)、深海礦藏資源調(diào)查、海底光纜管線調(diào)查與維護(hù)等，需要聲學(xué)定位系統(tǒng) (Acoustic Positioning system)對(duì)水下拖體進(jìn)行導(dǎo)航定位，如水下遙控機(jī)器人ROV (Remotely Operated vehicle)、水下無人機(jī)器人UUV(Unmanned Underwater Vehicles)等。3、類GPS超聲波定位系統(tǒng)25：在類GPS超聲波定位系統(tǒng)中，用超聲波取代電磁波，用在固定位置處配置的超聲波發(fā)射傳感器(基站)取代GPS中的空間衛(wèi)星星座。定位物體只接收信號(hào)，不發(fā)送信號(hào)，信號(hào)只由基站進(jìn)行廣播，定位物體根

28、據(jù)接收信號(hào)估計(jì)與各個(gè)基站之間的距離。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用類GPS超聲波定位方式，信號(hào)只由基站發(fā)射，定位物體接收并處理信號(hào)從而得到當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，通過計(jì)算得到定位物體坐標(biāo)。2.2超聲波測(cè)距及定位算法2.2.1 TOA（到達(dá)時(shí)間）測(cè)距TOA(Time of Arrival)測(cè)距是根據(jù)已知的信號(hào)傳播速度和測(cè)量的信號(hào)傳播時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定位。TOA定位，就是測(cè)量出兩個(gè)或多個(gè)參考點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的信號(hào)傳播時(shí)間，從而分別得出目標(biāo)點(diǎn)與各參考點(diǎn)之間的估計(jì)距離，以各參考點(diǎn)位置為圓心，相應(yīng)的與目標(biāo)點(diǎn)間的距離為半徑畫圓，可以得到兩個(gè)或多個(gè)圓，這些圓的交點(diǎn)從理論上講就應(yīng)該是目標(biāo)點(diǎn)在二維平面上的位置。幾何原理如圖2-1所示，圖中B1

29、，B2，B3分別代表參考節(jié)點(diǎn)1，2，3。r1，r2，r3分別表示參考點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)間的估計(jì)距離，交點(diǎn)X就代表目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。圖2-2 TOA原理圖2.2.2 AOA（到達(dá)(dod)角度）測(cè)距AOA26 (Angles of Arrival)測(cè)距是通過參考點(diǎn)接收器天線陣列測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射的AOA，形成一根(y n)從參考點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的徑向連線，即方向線。由2個(gè)參考點(diǎn)得到的2根方向線的交點(diǎn)就是目標(biāo)點(diǎn)的位置，如圖2-3所示。因此，AOA算法只需要個(gè)參考點(diǎn)就可以確定位置，而2條直線只有一個(gè)(y )交點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)軌跡有多個(gè)交點(diǎn)的現(xiàn)象。 ACB圖2-3 AOA原理圖2.2.3 TDOA(到達(dá)(dod)時(shí)間差)

30、測(cè)距 基于TDOA測(cè)距原理是發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(hào)(xnho)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及已知這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過已有基本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。具體算法如圖2-4所示。設(shè)無線信號(hào)(xnho)的傳播速度為c1，超聲波傳播速度為c2，則它們的速度差為S，可由（1）式計(jì)算得到。則接收端到發(fā)射端的距離d可由（2）式得到。圖2-4 TDOA的原理圖 （1） （2）基于測(cè)距的定位算法有很多種，如RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度）、TOA（到達(dá)時(shí)間）、AOA（到達(dá)角度）、TDOA(到達(dá)時(shí)間差)等，從多方面考慮，TDOA定位技術(shù)更適合本系統(tǒng)。TDOA定

31、位原理發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及已知這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過已有基本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。由于本系統(tǒng)中無線信號(hào)采用射頻信號(hào)，其傳播速度（大約為3*108m/s）接近光速，遠(yuǎn)大于超聲波的傳播速度（常溫下，大約為340m/s）。工作過程中，已知參考節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射超聲波和射頻信號(hào)，經(jīng)過一段時(shí)間，待定位節(jié)點(diǎn)首先接收到射頻信號(hào)并開始計(jì)時(shí)，再經(jīng)過一段時(shí)間，再接收到超聲波信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束。超聲波傳播的時(shí)間則是兩個(gè)時(shí)間的和。射頻信號(hào)的傳輸時(shí)間可以忽略不計(jì)，而只取后一段時(shí)間，因此測(cè)量距離就等于測(cè)出超聲波傳播速度和兩種信號(hào)到達(dá)接收

32、端的間間隔的乘積，即到達(dá)時(shí)間差法（TDOATime Difference of Arrival）。最后接收端到發(fā)射端之間的距離d就簡(jiǎn)化成（3）式 （3）2.2.4 三邊定位(dngwi)算法在測(cè)得距離的前提下，設(shè)計(jì)(shj)了以下定位方法。首先在室內(nèi)空間建立坐標(biāo)系，選定三個(gè)參考點(diǎn)1、2、3，設(shè)待定位的目標(biāo)點(diǎn)為M，它們的空間坐標(biāo)如圖2-4所示，其中參考點(diǎn)坐標(biāo)己知，目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)未知。三個(gè)參考點(diǎn)選在同一參考平面上，可選室內(nèi)地板作為此參考平面。其中點(diǎn)1定為整個(gè)室內(nèi)空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)，分別與點(diǎn)2、點(diǎn)3構(gòu)成X軸、Y軸。確定需要定位的目標(biāo)點(diǎn)后，使用系統(tǒng)硬件手段和軟件程序測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)和三個(gè)參考點(diǎn)的距離l、m、n，算

33、出目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值。式中變量如圖2-5所示。圖2-5 定位(dngwi)原理圖空間中任意一點(diǎn)M(X，Y，Z)到三個(gè)確定點(diǎn)1（0，0，0）、2（x，0，0）、3 (0，y，0)的距離分別l、m、n，側(cè)有： (4)由（4）式推導(dǎo)后可以得到點(diǎn)的坐標(biāo)為 (5)因此，可知(k zh)測(cè)出l、m、n即可得到點(diǎn)M(X，Y，Z)。通過三邊定位可以得到空間任一點(diǎn)的坐標(biāo)(zubio)，從而完成三維定位。 2.3超聲波定位系統(tǒng)組成(z chn)及工作原理本系統(tǒng)由中心站、信標(biāo)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是：中心站通過射頻模塊周期性的發(fā)送同步控制指令（包含各個(gè)信標(biāo)的位置信息）；各個(gè)信標(biāo)收到該指令后，立刻向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)

34、送擴(kuò)頻超聲波信號(hào)；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到該同步指令后，立刻啟動(dòng)定時(shí)器，同時(shí)采集超聲波信號(hào)，并把指令中的有用信息（各個(gè)信標(biāo)的位置信息）存儲(chǔ)起來，方便后續(xù)定位使用；超聲波信號(hào)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，取出定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，得到時(shí)間T，由d=C*T（C為常溫下超聲波的傳播速度）得到信標(biāo)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)收到多于三個(gè)信標(biāo)的信號(hào)時(shí)，便可做定位算法運(yùn)算。對(duì)采集到的超聲波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，確定是幾號(hào)基站發(fā)過來的超聲波信號(hào)，從而確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。本系統(tǒng)的示意圖如圖2-6所示。本系統(tǒng)工作流程圖如圖2-7所示。圖2-6 本系統(tǒng)(xtng)的示意圖圖2-7 本系統(tǒng)(xtng)工作流程圖本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)空間三維定位采用了多個(gè)信標(biāo)(xn

35、 bio)，如果用傳統(tǒng)的單脈沖超聲測(cè)距方法定位(dngwi)物體就無法區(qū)分各個(gè)基站發(fā)送過來的信號(hào)。如果采用碼分多址技術(shù)，給每個(gè)基站分配一個(gè)單獨(dú)的偽隨機(jī)碼，將偽隨機(jī)碼與超聲載波進(jìn)行二進(jìn)制幅移鍵控調(diào)制(偽隨機(jī)二進(jìn)制序列為高電1時(shí)，發(fā)送超聲脈沖；為低電平0時(shí)，不發(fā)送超聲脈沖)，用已調(diào)信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)送器，由于具有不同結(jié)構(gòu)的偽隨機(jī)碼幾乎不相關(guān)，據(jù)此定位物體可以區(qū)分各個(gè)基站發(fā)送過來的信號(hào)，進(jìn)而估計(jì)出與定位基站的距離。然后通過解算非線性定位方程組得到定位物體的當(dāng)前位置。本文將在下一章介紹CDMA技術(shù)。第3章 軟件(run jin)仿真3.1 CDMA(碼分多址)技術(shù)(jsh) CDMA是以碼分多址接入技術(shù)為

36、基礎(chǔ)的數(shù)字蜂窩(fngw)移動(dòng)通信系統(tǒng)。碼分多址是以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的，所謂擴(kuò)頻是把信息的頻譜擴(kuò)展到寬帶中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)，將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，可以加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾、抗多徑、隱蔽、保密和多址能力。適用于碼分多址蜂窩通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻技術(shù)是直接序列(xli)擴(kuò)頻（DS）簡(jiǎn)稱直擴(kuò)。它的產(chǎn)生包括調(diào)制和擴(kuò)頻兩個(gè)步驟。比如，先用要傳送的信息對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，再用偽隨機(jī)序列（PN序列）擴(kuò)展信號(hào)的頻譜；也可以先用偽隨機(jī)序列與信息相乘（把信息的頻譜擴(kuò)展），再對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，二者是等效的。在CDMA系統(tǒng)中，不同用戶傳輸?shù)男畔⑹强扛髯圆煌木幋a序列來區(qū)分的。雖然信號(hào)在時(shí)間域和頻率域是重疊的，但用戶信號(hào)可以依靠各自不

37、同的編碼序列來區(qū)分的。本系統(tǒng)中的CDMA技術(shù)是通過m序列（偽隨機(jī)碼）和超聲波載波以BASK調(diào)制形成擴(kuò)頻信號(hào)。在本系統(tǒng)中基站發(fā)射的信號(hào)是偽隨機(jī)碼和超聲載波以BASK調(diào)制后的擴(kuò)頻脈沖信號(hào)。3.2偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生本系統(tǒng)采用CDMA技術(shù)，給每個(gè)基站分配一個(gè)單獨(dú)的偽隨機(jī)碼，將偽隨機(jī)碼與超聲載波進(jìn)行二進(jìn)制幅移鍵控調(diào)制(偽隨機(jī)二進(jìn)制序列為高電1時(shí)，發(fā)送超聲脈沖；為低電平0時(shí)，不發(fā)送超聲脈沖)，從而區(qū)分不同基站發(fā)來的超聲波信號(hào)。偽隨機(jī)序列又稱偽隨機(jī)碼，它是具有類似于隨機(jī)序列基本特性的確定序列。M序列是最常用的一種偽隨機(jī)序列，它是由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的序列。在本文中基站所使用的測(cè)距碼是偽隨機(jī)碼，的

38、區(qū)別在于：隨機(jī)碼是不可預(yù)測(cè)的，它在將來時(shí)刻的取值只能從統(tǒng)計(jì)意義上去描述；偽隨機(jī)序列實(shí)質(zhì)上不是隨機(jī)的，而是收發(fā)雙方都知道的確定性信號(hào)。之所以稱其為偽隨機(jī)(偽噪聲)序列，是因?yàn)樗憩F(xiàn)出白噪聲采樣序列的統(tǒng)計(jì)特性，在不知其生成方法的偵聽者來說像真的偽隨機(jī)序列。m序列可以由線性移位寄存器(LSR)產(chǎn)生，圖3-1是一個(gè)4級(jí)反饋移位寄存器的示意圖，其中包括4級(jí)移位寄存器，模2相加反饋電路及脈沖發(fā)生器。圖3-1 4級(jí)反饋(fnku)移位寄存器示意圖本系統(tǒng)采用CDMA技術(shù)，給每個(gè)基站分配(fnpi)一個(gè)單獨(dú)的偽隨機(jī)碼，將偽隨機(jī)碼與超聲載波進(jìn)行二進(jìn)制幅移鍵控調(diào)制(偽隨機(jī)二進(jìn)制序列為高電1時(shí)，發(fā)送超聲脈沖；為低電平

39、0時(shí)，不發(fā)送超聲脈沖)，從而區(qū)分不同基站發(fā)來的超聲波信號(hào)。CDMA編碼采用(ciyng)Mtalab進(jìn)行仿真。5級(jí)線性反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列的仿真系統(tǒng)（初始狀態(tài)00001)。5級(jí)m序列的特征多項(xiàng)式為F(x)=1+x3+x5，其仿真電路如圖3-2所示，m序列波形圖如圖3-3所示。圖3-1 級(jí)線性反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列的仿真系統(tǒng)圖3-3 F(x)=1+ x3+x5在matlab軟件的simulink完成系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，采用五個(gè)延遲器搭建電路，延遲器初值依次設(shè)為0，0，0，0，1。通過仿真產(chǎn)生5級(jí)m序列波形如上圖所示。3.3 m序列與超聲載波(zib)的調(diào)制3.3.1 數(shù)字信號(hào)調(diào)制(tiozh)及

40、其分類調(diào)制（modulation) 是指對(duì)信號(hào)源的信息進(jìn)行處理加到載波上，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸(chun sh)的形式的過程，就是使載波隨信號(hào)而改變的技術(shù)。一般來說，信號(hào)源的信息（也稱為信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基信號(hào)?；鶐盘?hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因此必須把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的信號(hào)以適合于信道傳輸。這個(gè)信號(hào)叫做已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)叫做調(diào)制信號(hào)。調(diào)制是通過改變高頻載波即消息的載體信號(hào)的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化來實(shí)現(xiàn)的。而解調(diào)則是將基帶信號(hào)從載波中提取出來以便預(yù)定的接收者（也稱為信宿）處理和理解的過程。通信系統(tǒng)中，用的數(shù)字

41、調(diào)制方式有ASK（振幅移鍵控調(diào)制)，控制載波的幅度?？刂戚d波的頻率，稱為FSK(頻率移鍵控調(diào)制)。控制載波的相位，PSK（二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制)。3.3.2 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）本系統(tǒng)所采用的超聲載波頻率為40kHz。m序列的參數(shù)選定之后，必須對(duì)m序列與超聲載波的調(diào)制方式進(jìn)行選擇分析。首先，超聲換能器的窄帶特性決定了系統(tǒng)不宜采用BFSK調(diào)制方式。m序列與超聲載波采用BPSK調(diào)制方式時(shí)，上述對(duì)單脈沖回波信號(hào)特點(diǎn)的分析可知，作為機(jī)械裝置的超聲換能器在發(fā)送和接收超聲波時(shí)存在一定的振動(dòng)慣量，聲接收信號(hào)在“1”碼與“0”碼交接處沒有明顯的相位改變，所以系統(tǒng)無法利用BPSK調(diào)制方式。實(shí)踐證明，BASK

42、是最適合超聲定位系統(tǒng)使用的調(diào)制方式，即偽隨機(jī)碼二進(jìn)制序列為高電平“1”發(fā)送超聲脈沖。為低電平“0”時(shí)，不發(fā)送超聲脈沖。2ASK稱為二進(jìn)制振幅鍵控又稱為OOK，它是以單極性不歸零碼序列來控制正弦載波的開啟與關(guān)閉。所謂“鍵控”是指一種如同“開關(guān)”控制的調(diào)制方式。比如對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，由于調(diào)制信號(hào)只有兩個(gè)狀態(tài)，調(diào)制后的載波參量也只能具有兩個(gè)取值，其調(diào)制過程就像用調(diào)制信號(hào)去控制一個(gè)開關(guān)，從兩個(gè)具有不同參量的載波中選擇相應(yīng)的載波輸出，從而形成已調(diào)信號(hào)?！版I控”就是這種數(shù)字調(diào)制方式的形象描述。在2ASK中，載波幅度隨著調(diào)制信號(hào)1和0的取值而在兩個(gè)狀態(tài)之間變化。二進(jìn)制幅度鍵控中最簡(jiǎn)單的形式稱為通斷鍵控（O

43、OK），即載波在數(shù)字信號(hào)1或0的控制下來實(shí)現(xiàn)通或斷。OOK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 （3-1）這里，A為載波幅度(fd)，c為載波頻率，an為二進(jìn)制數(shù)字信息，an可表示(biosh)為 (3-2)在一般情況下，調(diào)制信號(hào)是具有(jyu)一定波形形狀的二進(jìn)制脈沖序列，可表示為： (3-3)這里Ts為調(diào)制信號(hào)間隔，g(t)為單極性脈沖信號(hào)的時(shí)間波形，an為式（3-2）表示的二進(jìn)制數(shù)字信息。比如當(dāng)序列an為1001時(shí)所對(duì)應(yīng)的B(t)波形以及B(t)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制所得的OOK的典型波形如圖3-3所示。圖 3-5 OOK信號(hào)波形3.3.3 2ASK仿真結(jié)果綜上所述，基站發(fā)射信號(hào)的體制設(shè)計(jì)如下：超聲載波頻率為

44、40kHz，偽隨機(jī)碼采用31位的m序列，偽隨機(jī)碼和超聲載波以2ASK作為調(diào)制方式。仿真結(jié)果如下：圖3-6 m序列與超聲波調(diào)制(tiozh)信號(hào)仿真電路圖圖3-7 示波器range time 為0.04時(shí)仿真(fn zhn)結(jié)果當(dāng)把示波器參數(shù)(cnsh)Range Time改為0.004時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如下：圖3-8 當(dāng)示波器參range time為0.004時(shí)仿真圖由仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)m序列為1時(shí)，發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng)m序列為0時(shí)，不發(fā)射超聲波脈沖。因此，當(dāng)給基站派發(fā)不同的m序列時(shí)，就可以區(qū)分是哪一個(gè)基站發(fā)送來超聲波信號(hào)，從而完成定位。3.4 接收端載波(zib)解調(diào)系統(tǒng)在發(fā)射端發(fā)射的是偽隨機(jī)碼和

45、超聲載波以2ASK調(diào)制后的擴(kuò)頻脈沖信號(hào)。為了在接受端區(qū)分不同基站發(fā)射來的，要對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)。通過解調(diào)從攜帶消息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息。在各種信息(xnx)傳輸或處理系統(tǒng)中，發(fā)送端用所欲傳送的消息對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生攜帶這一消息的信號(hào)。接收端必須通過解調(diào)恢復(fù)所傳送的消息才能加以利用。3.4.1 2ASK解調(diào)器和模擬常規(guī)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)一樣，2ASK信號(hào)也有包絡(luò)檢波和相干解調(diào)兩種方式，兩種解調(diào)器的方框圖如圖3-8所示。由于被傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)1和0，因此，在每個(gè)碼元持續(xù)期間要用抽樣判決電路對(duì)低通濾波器的輸出作一次判決以確定信號(hào)取值。相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生(chnshng)一個(gè)本地的相干載波。相干解調(diào)是

46、指：利用與接受信號(hào)的載波同頻同相的恢復(fù)載波來進(jìn)行解調(diào)。圖3-9 相干解調(diào)示意圖相干解調(diào)原理是：首先從接收信號(hào)r(t)中提取離散的載波分量，使得所恢復(fù)的頻率及相位與接收信號(hào)的載波同頻同相，然后再將接收信號(hào)r(t)與恢復(fù)載波相乘，經(jīng)低通濾波器后，濾除載頻的二倍頻分量，再從低通濾波輸出信號(hào)y(t)中設(shè)法提取時(shí)鐘分量，然后將已同步的時(shí)鐘對(duì)y(t)的眼圖最大睜開處進(jìn)行周期性抽樣、判決，再生出數(shù)據(jù)信號(hào)。3.4.2 仿真結(jié)果本系統(tǒng)采用simulink仿真，通過搭建模塊完成解調(diào)，圖中out1（產(chǎn)生m序列的仿真電路3-6的封裝電路）是產(chǎn)生m序列的單元，out1與sine wave（超聲波40k）相乘得到擴(kuò)頻信號(hào)

47、，擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過AWGN（模擬信道）得到衰減信號(hào)，由于信號(hào)中存有高頻噪聲信號(hào)需經(jīng)過放大器，再經(jīng)Analog Filter Design（帶通濾波器）濾除噪聲。將信號(hào)與恢復(fù)載波（40k超聲波）相乘，再經(jīng)Analog Filter Design 1（低通濾波器）提取時(shí)鐘分量，然后經(jīng)過判決器得到原來的m序列。以下是搭建電路及仿真結(jié)果。圖3-10 信號(hào)解調(diào)(ji dio)仿真電路(dinl)主要(zhyo)單元參數(shù)設(shè)定為：圖3-11 帶通濾波器參數(shù)設(shè)定圖3-12 低通濾波器參數(shù)(cnsh)設(shè)定圖3-13 4路scope的range time為0.03時(shí)仿真(fn zhn)波形圖中第一路是sine wav

48、e波形（超聲波40k），第二路是載波信號(hào)信號(hào)（m序列與40k載波相乘(xin chn)），第三路是解調(diào)信號(hào)，第四路是經(jīng)過判決器得到原來的m序列。第4章 硬件設(shè)計(jì)在前面提到的本定位(dngwi)系統(tǒng)主要由中心站、基站和定位物體或定位目標(biāo)等三部分組成，這三個(gè)組成部分都裝配有無線收發(fā)模塊。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程如下: 中心站通過射頻模塊(m kui)周期性的發(fā)送同步控制指令（包含各個(gè)信標(biāo)的位置信息）；各個(gè)信標(biāo)收到該指令后，立刻向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送擴(kuò)頻超聲波信號(hào)；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到該同步指令后，立刻啟動(dòng)定時(shí)器，同時(shí)采集超聲波信號(hào)，并把指令中的有用信息（各個(gè)信標(biāo)的位置信息）存儲(chǔ)起來，方便后續(xù)定位使用；超聲波信號(hào)到達(dá)目標(biāo)

49、節(jié)點(diǎn)時(shí)，取出定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，得到時(shí)間T，由d=C*T（C為常溫下超聲波的傳播速度）得到信標(biāo)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)收到多于三個(gè)信標(biāo)的信號(hào)時(shí)，便可做定位算法運(yùn)算。對(duì)采集到的超聲波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，確定是幾號(hào)基站發(fā)過來的超聲波信號(hào)，從而確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。從上面系統(tǒng)工作過程(guchng)可以看出,系統(tǒng)功能單元設(shè)計(jì)主要包括:信標(biāo)超聲波發(fā)射信號(hào)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)超聲波信號(hào)接收機(jī)設(shè)計(jì)和中心站設(shè)計(jì)。4.1 中心站中心站采用無線龍公司提供的基于CC2430的ZiGBee開發(fā)套件，控制整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步，并給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)提供各個(gè)信標(biāo)的位置信息，接收來自目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，同時(shí)通過串口上傳給上位機(jī)，在上位機(jī)上顯示。中心站

50、的實(shí)物圖如圖4-1所示。圖4-1 中心站實(shí)物圖4.2 信標(biāo)(xn bio)信標(biāo)(xn bio)由無線模塊和超聲波發(fā)送模塊組成，負(fù)責(zé)接收中心站發(fā)來的同步指令，并啟動(dòng)超聲波發(fā)送模塊發(fā)送擴(kuò)頻超聲波信號(hào)。信標(biāo)(xn bio)超聲波發(fā)射示意圖如圖4-2所示，信標(biāo)的外觀圖如圖4-3所示，信標(biāo)的電路板如圖4-4所示，超聲波發(fā)送電路圖如4-5所示。圖4-2 信標(biāo)超聲波發(fā)射示意圖實(shí)物圖為：圖4-3 信標(biāo)的外觀圖圖4-4 信標(biāo)(xn bio)的電路板圖4-5 超聲波發(fā)射(fsh)電路原理圖4.3 目標(biāo)(mbio)節(jié)點(diǎn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)由無線模塊、超聲波接收模塊、ATMEGA128核心板組成。目標(biāo)節(jié)采集中心站發(fā)來的同步指令，

51、提取同步指令中的有用信息，同時(shí)啟動(dòng)超聲波接收模塊和定時(shí)器，開始采集信標(biāo)發(fā)來的超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波信號(hào)到達(dá)時(shí)，取出定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，ATMEGA128單片機(jī)對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，確定是幾號(hào)信標(biāo)發(fā)過來的信號(hào)，并做定位算法運(yùn)算。工作原理圖如4-6所示，超聲波接收電路部分原理圖如圖4-7所示，MEGA128超聲波信號(hào)采集與處理板如圖4-8所示。圖4-6 接收端電路(dinl)示意圖圖4-7 超聲波傳感器接收(jishu)電路原理圖圖4-8 MEGA128超聲波信號(hào)采集(cij)與處理板本系統(tǒng)為提高測(cè)量精度,采用溫度(wnd)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐ拚郎囟葘?duì)聲速的影響,溫度測(cè)量采用ds18b20溫度傳感器。圖4-

52、9 溫度控制電路(dinl)第5章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本系統(tǒng)介紹了基于CDMA的室內(nèi)(sh ni)超聲波定位技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)試，提出了改進(jìn)方案。5.1 實(shí)驗(yàn)(shyn)數(shù)據(jù)分析在室溫(sh wn)(如:15)環(huán)境下，進(jìn)行試驗(yàn)。通過串口將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本實(shí)驗(yàn)先在平面上實(shí)驗(yàn)最后擴(kuò)展到三維。1、測(cè)量距離為324cm時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過對(duì)同以平面上的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行100次測(cè)量，把得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪成圖，圖形如下。圖5-1 測(cè)量距離為324cm數(shù)據(jù)折線圖通過圖形分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值基本在320cm325cm之間，只有少數(shù)幾個(gè)值誤差較大。通過分

53、析，對(duì)實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行改動(dòng)，濾除最大值。得到如下圖示。圖5-2 程序改后的測(cè)量數(shù)據(jù)折線圖2、采用(ciyng)平均值測(cè)距平均值測(cè)距是基于前幾次試驗(yàn)(shyn)的結(jié)論發(fā)現(xiàn)的，由于每次所測(cè)數(shù)值在實(shí)際值左右浮動(dòng)，因此采用多次測(cè)距（每8次做一次平均）然后(rnhu)再做平均值得到數(shù)值如下。圖5-3 平均值法測(cè)量數(shù)據(jù)折線圖3、三維定位在實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)對(duì)一個(gè)已知點(diǎn)測(cè)距，結(jié)果如表5-1示。表5-1實(shí)際位置（x,y,z）第一次測(cè)量第二次測(cè)量第三次測(cè)量第四次測(cè)量（35，25，5）（37，23，4）（34，25，6）（33，24，5）（36，24，4）（20，40，5）（21，42，7）（19，41，6）（22，40，7

54、）（20，41，4）（30，25，10）(28，27，9)（30，23，9）（29，24，11）（32，26，8）（27，27，27）（25，26，28）（26，25，29）（27，29，25）（28，26，27）通過對(duì)定位數(shù)據(jù)的分析，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相近卻不相同。但是測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定,具有一定的重復(fù)性。通過合理算法進(jìn)一步提高測(cè)量精度。5.2誤差分析本系統(tǒng)存有誤差，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不相同，產(chǎn)生誤差原因有兩個(gè)關(guān)鍵因素：1、溫度溫度對(duì)超聲波的傳播速度有很大的影響。在空氣中聲速用式5-1來表示 (5-1)式中R氣體普適常數(shù)。氣體定壓熱容與定容熱容的比值。M氣體分子量。T氣體(qt)的絕對(duì)溫度

55、。在通常(tngchng)情況下，上式中R、M對(duì)超聲波在空氣(kngq)中的傳播速度影響不大，可視為常量看待。因此，我們只需要研究溫度對(duì)聲速的影響。表5-2列出了幾種不同溫度時(shí)的聲速。表5-2溫度20100102030100速度319325323338344349386如果只考慮溫度對(duì)聲速的影響，同過對(duì)公式5-1的分析可知，聲速對(duì)應(yīng)溫度的變化率為0.17%/。即溫度每變化10聲速改變了約1.7%。如果按照相同聲速來計(jì)算，測(cè)量距離也會(huì)隨之改變1.7%。在本系統(tǒng)中，在硬件電路中采用18B20對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。射頻同步射頻同步是本系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)，本系統(tǒng)采用cc2430無線模塊實(shí)現(xiàn)射頻同步，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)

56、現(xiàn)在射頻同步方面存在延時(shí)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)延時(shí)是固定的，為1ms，通過在軟件設(shè)計(jì)上加以補(bǔ)償可以減小誤差。第6章 總結(jié)與展望6.1 全文(qun wn)總結(jié)超聲測(cè)距技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)與國防中有著廣泛的應(yīng)用，用多傳感器組合測(cè)距，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的空間定位與運(yùn)動(dòng)跟蹤。本文主要在室內(nèi)超聲波定位技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。本文著重介紹了一種基于CDMA室內(nèi)超聲波三維定位技術(shù)，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案。通過誤差(wch)分析提出改進(jìn)方案。本論文首先介紹了關(guān)于(guny)室內(nèi)定位的國內(nèi)外現(xiàn)狀，通過對(duì)這些技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹，最后確定用超聲波做室內(nèi)定位。通過對(duì)超聲波定位原理的介紹，我選擇了采用類GPS的超聲波定位方式。綜合超聲波的定位算

57、法，我采用了TDOA測(cè)距方法。由于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)接到多個(gè)信標(biāo)發(fā)來的超聲波，為了區(qū)分不同信標(biāo)發(fā)送來的超聲波，我們采用CDMA技術(shù)，通過擴(kuò)頻通信最后區(qū)分不同信標(biāo)發(fā)送來的超聲波，完成最終定位。本論文通過軟件仿真，把信號(hào)的發(fā)送（調(diào)制）、以及接受（解調(diào)）的過程做了仿真，說明本論文在理論上是可以實(shí)現(xiàn)三維定位的。接著通過硬件設(shè)計(jì)，完成中心站、信標(biāo)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)等硬件電路設(shè)計(jì)，最后組成定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)可達(dá)到以下指標(biāo)：（1）測(cè)試范圍：4*4*3m3/50個(gè)信標(biāo)；（2）刷新率：20次/秒；（3）靜態(tài)定位精度：2cm；（4）動(dòng)態(tài)定位精度：15cm(移動(dòng)物體的速度3m/s)6.2展望經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，本設(shè)計(jì)涉及到硬件、軟件等

58、多方面的知識(shí)，由于本人理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限以及時(shí)間上的限制。所完成的工作是很初步的，有些地方可以進(jìn)一步完善與改進(jìn)，如：（1）、超聲波發(fā)射與接收電路均可采用專用集成芯片完成。這樣的適當(dāng)改進(jìn)可以簡(jiǎn)化電路、會(huì)消除由分立元件帶來的隨機(jī)誤差，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。（2）、對(duì)動(dòng)態(tài)物體的定位的精度提高也是亟待解決的問題。（3）、軟件方面還可以進(jìn)一步優(yōu)化以便提高測(cè)量精度。例如進(jìn)一步排除溫度、濕度、氣壓等對(duì)聲速的影響，硬件電路的反應(yīng)速度以及射頻同步對(duì)超聲波傳播時(shí)間的影響。（4）、本設(shè)計(jì)中還未深入研究多徑問題、多普勒效應(yīng)、人為噪聲等可能影響本系統(tǒng)的定位精度。致謝(zh xi)深深(shn shn)的感謝楊陽老師(

59、losh)以高尚的思想情操、嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的治學(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識(shí)、循循善誘的教導(dǎo)方式和為人師表的風(fēng)范，使我受益匪淺。并將永遠(yuǎn)激勵(lì)我奮發(fā)向上。在課題研究過程中,得到了楊陽老師和肖金紅師兄悉心的指導(dǎo)與幫助。值此論文完成之際，謹(jǐn)再一次向尊敬的楊老師和肖金紅師兄表示衷心的感謝，并致以崇高的敬意。同時(shí)也向這四年來一直教導(dǎo)我的老師們致以最衷心的感謝。感謝實(shí)驗(yàn)室所有師兄，在學(xué)習(xí)中給予我很多的幫助。最后，我還要衷心的感謝我的家人，是他們?cè)谖覍W(xué)習(xí)、工作和生活中不斷的給予理解、支持和幫助，正是他們的無私奉獻(xiàn)才使我順利地度過了十幾年的學(xué)習(xí)生涯。謝謝！ 參考文獻(xiàn)1 王福東超聲波定位系統(tǒng)的原理(yunl)與應(yīng)用J自動(dòng)化與儀表(ybio)1998，3（3）：15-172 李娟，唐小超，葛立峰基于CC1101射頻技術(shù)(jsh)的室內(nèi)超聲定位系統(tǒng)J自動(dòng)化與儀表2009，6：1-43 祝思文基于寬帶超聲傳感器的室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究J檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置2007，9：7-94 苑寶玉超聲