【正文】 2 線(xiàn)電管理相關(guān)法律的限制，目前美國(guó) FCC 允許在一定條件下使用 UWB。由于采用的是紅外線(xiàn)技術(shù)，當(dāng)環(huán)境中有熒光燈或直射陽(yáng)光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生假的紅外線(xiàn)散射，這使得 Active Badge 在定位時(shí)會(huì)有些困難。定位目標(biāo)攜帶有 Active Bat 標(biāo)簽。從 Bat 標(biāo)簽到傳感器，如果超聲脈沖是經(jīng)過(guò)反射，而不是沿直線(xiàn)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。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(wú)線(xiàn)上網(wǎng)、位置感知等多種功能。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。Cricket 里的信標(biāo)和監(jiān)聽(tīng)器是非常相似的硬件設(shè)備，可以相互變換，完全通過(guò)軟件來(lái)控制。它通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)強(qiáng)度的衰減來(lái)測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)的距離。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(méi)有建成。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(kāi)辟新的途徑和方法。 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 。第四章是硬件設(shè)計(jì)，主要介紹本系統(tǒng)的各部分硬件電路 組成 。正常人所能聽(tīng)到的聲音頻率在20Hz－ 20kHZ 范圍內(nèi)，頻率低于 20Hz 或高于 20kHz 人耳都聽(tīng)不到。超聲 波換能器實(shí)質(zhì)上是一類(lèi)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。 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。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)。與上行應(yīng)答相反，下行應(yīng)答方式又稱(chēng)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)與基站之間的距離。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用類(lèi) 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(guò)計(jì)算得到定位物體坐標(biāo)。 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 23 AOA 原理圖 TDOA(到達(dá)時(shí)間差 )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(wú)線(xiàn)信號(hào)，接 A C B 1? 2? 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 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(guò)已有基本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。 超 聲 波 脈 沖 信 號(hào)距 離 dT 1 T 2T 2 T 1 ＝ 傳 輸 時(shí) 間無(wú) 線(xiàn) 信 號(hào) 圖 24 TDOA 的原理圖 1212ccs cc? ? （ 1） 12()d T T S? ? ? （ 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)。超聲波傳播的時(shí)間則是兩個(gè)時(shí)間的 和。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。 點(diǎn) 2 （ x , 0 , 0 ）點(diǎn) 1 （ 0 , 0 , 0 ）M （ x , y , z ）點(diǎn) 3 （ 0 , y , 0 ） 圖 25 定位原理圖 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： 2 2 2 22 2 2 22 2 2 2()()X Y Z lX x Y Z mX Y y Z n? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ?? (4) 由（ 4）式推導(dǎo)后可以得到點(diǎn)的坐標(biāo)為 ??????????????????22222222222YXlZynlyYxmlxX (5) 因此，可知測(cè)出 l、 m、 n 即可得到點(diǎn) M(X， Y， Z)。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(guò)來(lái)的超聲波信號(hào)，從而確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。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)制幅移鍵控長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 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(guò)來(lái)的信號(hào)，進(jìn)而估計(jì)出與定位基站的距離。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。在 CDMA 系統(tǒng)中，不同用 戶(hù)傳輸?shù)男畔⑹强扛髯圆煌木幋a序列來(lái)區(qū)分的。 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(lái)的 超聲波信號(hào)。 之所以稱(chēng)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(tīng)者來(lái)說(shuō)像 真的偽隨機(jī)序列。 5 級(jí)線(xiàn)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)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 m 序列與超聲載波的調(diào)制 數(shù)字信號(hào)調(diào)制及其分類(lèi) 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?shù)男问降倪^(guò)程，就 是使載波隨信號(hào)而改變的技術(shù)。調(diào)制是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂戚d波的相位， PSK（二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制 )。 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(méi)有明顯的相位改變 ，所以系統(tǒng)無(wú)法利用 BPSK 調(diào)制方式。 所謂 “鍵控 ”是指一種如同 “開(kāi)關(guān) ”控制的調(diào)制方式。二進(jìn)制幅度鍵控中最簡(jiǎn)單的形式稱(chēng)為通 ——斷鍵控（ OOK），即載波在數(shù)字信號(hào) 1或 0 的控制下來(lái)實(shí)現(xiàn)通或斷。 仿真 結(jié)果 如下： 圖 36 m 序列與超聲波調(diào)制信號(hào)仿真電路 圖 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖 37 示波器 range time 為 時(shí)仿真結(jié)果 當(dāng) 把 示波器參數(shù) Range Time 改為 時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如下： 圖 38 當(dāng)示波器參 range time 為 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。通過(guò)解調(diào)從攜帶消息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息。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。 仿真結(jié)果 本系統(tǒng)采用 simulink 仿真，通過(guò)搭建模塊完 成解調(diào)， 圖中 out1（產(chǎn)生 m序列的仿真電路 36 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)，擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò) 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(guò) 放大器，再經(jīng) Analog Filter Design（帶通濾波器） 濾除噪聲。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 第 4 章 硬件設(shè)計(jì) 在前面提到的本定位系統(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(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。 中心站 中心站采用無(wú)線(xiàn)龍公司提供的基于 CC2430 的 ZiGBee 開(kāi)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(lái)自目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，同時(shí)通過(guò)串口上傳給上位機(jī)，在上位機(jī)上顯示。 c c 2 4 3 0 A T M E G A 8擴(kuò) 頻 超 聲 波 發(fā)射 電 路 模 塊控 制 電 路P R B S發(fā) 射 換 能 器超 聲 波 圖 42 信標(biāo)超聲波 發(fā)射 示意圖 實(shí)物 圖為 ： 圖 43 信標(biāo)的外觀圖 圖 44 信標(biāo)的電路板 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 45 超聲波發(fā)射電路原理圖 目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)模塊、超聲波接收模塊、 ATMEGA128 核心板 組成。 圖 49 溫度控制電路 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 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)超聲波定位技術(shù)，通過(guò)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。 本實(shí)驗(yàn)先在平面上實(shí)驗(yàn)最后擴(kuò)展到三維。得到如下圖 示。但是測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定 ,具有一定的重復(fù)性。 λ－ 氣體定壓熱容與定容熱容的比值 。 因此 ， 我們只需要研究溫度對(duì)聲速的影響 。如果按照相同聲速來(lái)計(jì)算，測(cè)量距離也會(huì)隨之改變 %。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 第 6 章 總結(jié)與 展望 全文總結(jié) 超聲測(cè)距技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)與國(guó)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。 本論文首先介紹了關(guān)于室內(nèi)定位的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，通過(guò)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。本論文通過(guò)軟件仿真，把信號(hào)的發(fā)送 （調(diào)制）、 以及接受 （解調(diào)） 的過(guò)程做了仿真，說(shuō)明本論文在理論上是可以實(shí)現(xiàn)三維定位的。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(lái)的隨機(jī)誤差，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。 （ 4）、本設(shè)計(jì)中還未深入研究多徑問(wèn)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。 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 。 謝謝 ！ 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 參考文獻(xiàn) [1] 王福東 ． 超聲波定位系統(tǒng)的原理與應(yīng)用 [J]． 自動(dòng)化與儀表 ． 1998， 3（ 3） ： 1517． [2] 李娟 ， 唐小超 ， 葛立峰基 ． 于 CC1101 射頻技術(shù)的室內(nèi)超聲定位系統(tǒng) [J]． 自動(dòng)化與儀表20xx， 6： 14． [3] 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 ． 20xx，9： 79． [4] 苑寶玉 ． 超聲波室內(nèi)定位技術(shù) [D]． 長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士論文 ． 20xx 年 3 月 ． [5] 謝亞琴 ， 張業(yè)榮 ． 基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的 UWB 定位算法 [J]． 南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )， 20xx， 27(3):7175． [6] 王碧波．室內(nèi)精確定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［ D］．北京：清華大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 ． 20xx