【正文】 ..........................................................................24 實驗數(shù)據(jù)分析 .................................................................................................24 誤差分析 ..........................................................................................................25 第 6 章 總結(jié)與展望 .....................................................................................................27 全文總結(jié) .........................................................................................................27 展望 ..................................................................................................................27 致謝 ...............................................................................................................................28 參考文獻 .......................................................................................................................29 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 課題研究目的和意義 現(xiàn)今的 “位置服務(wù) ”領(lǐng)域非常的火熱，但其大部分都是服務(wù)于戶外移動用戶。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對室內(nèi)定位的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。很多人都有過這樣的感受，當(dāng)?shù)竭_一個陌生的地方不得不進入一個大型的地下商場或者停車場時會完全失去方位感， 從而在其中迷路。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 和前景分析 國內(nèi)現(xiàn)狀 華南理工大學(xué) (廣州 )的個人位置跟蹤系統(tǒng)是射頻識別系統(tǒng) (RFID)在個人定位上的應(yīng)用，基本原理是通過定時發(fā)射基站發(fā)射同步時鐘信號，手持臺接收到該信號后，按照 一定的次序同接收基站進行數(shù)據(jù)交換 [7]。 國外現(xiàn)狀 Active Badge[19]： 采用 了擴散紅外線技術(shù)。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)則需要安裝多個紅外線信標(biāo)機。 Bat 標(biāo)簽收到控制器發(fā)送的射頻請求包后，發(fā)射超聲脈沖到屋頂放置的傳感器。Active Bat 提供了比 Active Badge 系統(tǒng)更高的定位精度。兩大缺點是 :第一，跟蹤定位的物體必須支持無線局域網(wǎng)，這對于低功率的小型設(shè)備來講是不切實際的 。被定位物體或移動 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。由于 Cricket 的位置計算過程是在用戶端運行，所以能夠較好地保護隱私信息。設(shè)計者將點對點的網(wǎng)絡(luò)通信與定位的思想結(jié)合在長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 3 一起，每個用戶或物體上附有一個 RFID 標(biāo)簽，通過估計各個 RFID 標(biāo)簽間的距離給出用戶間的相對位置。 前景分析 盡管國內(nèi)外對室內(nèi)定位技術(shù)的研究已經(jīng)進行了很多年，取得了 長足的進展，但總的來說這項技術(shù)并不成熟，成功的商業(yè)應(yīng)用并不多見。 本文主要研究內(nèi)容 室內(nèi)定位技術(shù)多種多樣， 各具優(yōu) 缺點。第二章主要介紹了超聲波 定位 的原理 ，以及超聲波測距及其定位算法，并闡述了本系統(tǒng)的工作原理。 第五章通過對實驗數(shù)據(jù)分析指出系統(tǒng)中可能產(chǎn) 生誤差的原因，通過對實驗結(jié)果的總結(jié) ， 并提出改 進方案。人們將頻率高于 20kHZ 的波稱為超聲波。按其工作原理可分為壓電式、電磁式和磁致伸縮式 等三種。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 (一個發(fā)射，一個接受 )、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。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)。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)查與維護等，需要聲學(xué)定位系統(tǒng) (Acoustic Positioning system)對水下拖體進行導(dǎo)航定位，如水下遙控機器人 ROV (Remotely Operated vehicle)、水下無人機器人UUV(Unmanned Underwater Vehicles)等。 超聲波測距及定位算法 TOA（到達時間） 測距 TOA(Time of Arrival)測距是 根據(jù)已知的信號傳播速度和測量的信號傳播時間，實現(xiàn)定位。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 6 A B D C 接收端 T0 T1 VTTd ??? )(01 r 1r 2r 3發(fā) 射 端 圖 22 TOA 原理圖 AOA（到達角度） 測距 AOA[26] (Angles of Arrival)測距是通過參考點接收器天線陣列測出目標(biāo)點發(fā)射的 AOA，形成一根從參考點到目標(biāo)點的徑向連線，即方向線。具體算法如圖 24所示。 TDOA 定位原理發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到 達的時間差以及已知這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點之間的距離，再通過已有基本的定位算法計算出節(jié)點的位置。射頻信號的傳輸時間可以忽略不計，而只取后一段時間，因此測量距離就等于測出超聲波傳播速度 和兩種信號到達接收端的間間隔的乘積，即到達時間差法（ TDOA－ Time Difference of Arrival）。其中點 1 定為整個室內(nèi)空間坐標(biāo)系的原點，分別與點 點 3 構(gòu)成 X 軸、 Y 軸。 通過三邊定位可以得到空間任一點的坐標(biāo)，從而完成三維定位。本系統(tǒng)的示意圖如圖 26 所示。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。 適用于碼分多址蜂窩通信系統(tǒng)的擴頻技術(shù)是直接序列擴頻（ DS）簡稱直擴。雖然信號在時間域和頻率域是重疊的，但用戶信號可以依靠各自不同的編碼序列來區(qū)分的。 偽隨機序列又稱偽隨機碼，它是具有類似于隨機序列基本特性的確定序列。 m序列可以由線性移位寄存器 (LSR)產(chǎn)生，圖 31 是一個 4 級 反饋移位寄存器的示意圖，其中包括 4 級移位寄存器，模 2 相加反饋電路及脈沖發(fā)生器。 5 級 m 序列的特征多項 式 為 F(x)=1+x3+x5，其仿真電路如圖 32 所示， m序列波形圖 如圖 33 所示。一般來說，信號源的信息（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。而解調(diào)則是將基帶信號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。 二進制振幅鍵控（ 2ASK） 本系統(tǒng)所采用的超聲載波頻率為 40kHz。實踐證明， BASK 是最適合超聲定位系統(tǒng)使用的調(diào)制方式，即偽隨機碼二進制序列為高電平 “1”發(fā)送超聲脈沖。比如對于二進制數(shù)字信號，由于調(diào)制信號只有兩個狀態(tài)，調(diào)制后的載波參量也只能具有兩個取值，其調(diào)制過程就像用調(diào)制信號去控制一個開關(guān)，從兩個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。 OOK 信號的時域表達式為 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 15 () c o so o k t nca A ts ?? （ 31） 這里， A 為載波幅度， ωc為載波頻率， an 為二進制數(shù)字信息， an 可表示為 0,1,na ??????出 現(xiàn) 概 率 為 1－ p出 現(xiàn) 概 率 為 1－ p (32) 在一般情況下，調(diào)制信號是具有一定波形形狀的二進制脈沖序列，可表示為： ( ) ( )nSnB t a g t nT??? (33) 這里 Ts 為調(diào)制信號間隔， g(t)為單極性脈沖信號的時間波形， an 為式（ 32）表示的二進制數(shù)字信息。因此，當(dāng)給基站派發(fā)不同的 m序列時，就可以區(qū)分是哪一個基站發(fā)送來超聲波信號，從而完成定位。在各種信息傳輸或處理系統(tǒng)中，發(fā)送端用所欲傳送的消息對載波進行調(diào)制，產(chǎn)生攜帶這一消息的信號。相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個本地的相干載波。將信號與恢復(fù)載波（ 40k 超聲波）相乘，再經(jīng) Analog Filter Design 1（低通濾波器）提取時鐘分量，然后經(jīng)過判決器得到原來的 m 序列。整個系統(tǒng)的工作過程如下 : 中心站通過射頻模塊周期性的發(fā)送同步控制 指令（包含各個信標(biāo)的位置信息）；各個信標(biāo)收到該指令后，立刻向目標(biāo)節(jié)點發(fā)送擴頻超聲波信號；目標(biāo)節(jié)點收到該同步指令后，立刻啟動定時器，同時采集超聲波信號，并把指令中的有用信息（各個信標(biāo)的位置信息）存儲起來，方便后續(xù)定位使用；超聲波信號到達目標(biāo)節(jié)點時，取出定時器的計數(shù)值，得到時間 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)點的距離，當(dāng)收到多于三個信標(biāo)的信號時，便可做定位算法運算。中心站的實物圖如圖 41所示。目標(biāo)節(jié)采集中心站發(fā)來的同步指令，提取同步指令中的有用信息，同時啟動超聲波接收模塊和定時器，開始采集信標(biāo)發(fā)來的超聲波信號，當(dāng)超聲波信號到達時，取出定時器的計數(shù)值， ATMEGA128 單片機對超聲波信號進行相關(guān)處理，確定是幾號信標(biāo)發(fā)過來的信號，并做定位算法運算。通過對實驗結(jié)果的測試，提出了改進方案。 測量距離為 324cm時的實驗結(jié)果 通過對同以平面上的一個點進行 100 次測量， 把得到的實驗數(shù)據(jù)描繪成圖，圖形如下。 圖 52 程序改后的測量數(shù)據(jù)折線圖 采 用平均值測距 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 25 平均值測距是基于前幾次試驗的結(jié)論發(fā)現(xiàn)的，由于每次所測數(shù)值在實際值左右浮動，因此采用多次測距（每 8 次做一次平均）然后再做平均值得到數(shù)值如下。通過合理算法進一步提高測量精度。 M－ 氣體分子量 。 表 52 列出了幾種不同溫度時的聲速 。在本系統(tǒng)中，在硬件電路中采用 18B20對溫度進行補償。本文主要在室內(nèi)超聲波定位技術(shù)進行了簡要介紹。通過對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。 接著通過硬件設(shè)計，完成中心站、信標(biāo)、目標(biāo)節(jié)點等硬件電路設(shè)計，最后組成定位系統(tǒng)。 （ 2）、對動態(tài)物體的定位的精度提高也是亟待解決的問題。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 28 致謝 深深的感謝楊陽老師 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 、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 。 同時也向這四年來一直教導(dǎo)我的老師們致以最衷心