【正文】 Low cost indoor positioning system Department of Computer Science, University of Bristol, UK, 20xx． [19] Want R, Hopper A, Falcao V． The Active Badge Location System, ACM Transaction on Information Systems, October 1992． [20] Ward A， Jones A， Hopper A． A New Location Technique for the Active Office,． IEEE Personal Communication, April 1997． [21] P. Bahl and ． An InBuilding RF based User Location and Tracking System[C].,In Proc of IEEE INFOCOM,20xx,March 20xx． [22] MIT CSAIL ． The Cricket Indoor Location System, 20xx． [23] Hightower J， Want R， Borriello G ． An Indoor 3D Location Sensing Technology Based on RF Signal Strength Seattle, WA: University of Washington, UW CSE． February 20xx． [24] , ,:A Dynamic Indoor Signal Map Construction and Localization System[C]． In the 4th international conference on Mobile Systems Applications and ServicesMobiSys． 20xx,june 20xx． [25] 程曉暢 ． 類 GPS 超聲定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]． 國(guó)防科技大學(xué)碩士論文 ． 20xx 年 4 月 ． [26] 于建水 ． 基于 AOA 和 TDOA 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維聯(lián)合定位算法 [D]． 山東大學(xué) ． 20xx 。 并將永遠(yuǎn)激勵(lì)我?jiàn)^發(fā)向上 。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) 展望 經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，本設(shè)計(jì)涉及到硬件、軟件等多方面的知識(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。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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案。 表 52 溫度 － 20 － 10 0 10 20 30 100 速度 319 325 323 338 344 349 386 如果只考慮溫度對(duì)聲速的影響，同過(guò)對(duì)公式 51 的分析可知，聲速對(duì)應(yīng)溫度的變化率為 %/℃ 。 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： 溫度 溫度對(duì)超聲波的傳播速度有很大的影 響。 圖 51 測(cè)量距離為 324cm 數(shù)據(jù)折線圖 通過(guò)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。 工作原理圖如 46 所示， 超聲波接收電路部分原理圖如圖 47 所示， MEGA128 超聲波信號(hào)采集與處理板 如圖 48 所示。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)。 相干解調(diào)是指：利用與接受信 號(hào)的載波同頻同相的恢復(fù)載波來(lái)進(jìn)行解調(diào)。 接收端載波解調(diào) 系統(tǒng)在發(fā)射端發(fā)射的是偽隨機(jī)碼和超聲載波以 2ASK 調(diào)制后的擴(kuò)頻脈沖信號(hào)。 “鍵控 ”就是這種數(shù)字調(diào)制方式的形象描述。 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。基帶信號(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。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 1 32 4C 4鐘 脈 沖C 0P R NC 1 圖 31 4 級(jí)反饋移位寄存器示意圖 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)。 本系統(tǒng)中的 CDMA 技術(shù)是通過(guò) 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)。本文將在下一章介紹CDMA 技術(shù)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 超聲波定位系統(tǒng)組成及工作原理 本系統(tǒng)由中心站、信標(biāo)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成。最后接收端到發(fā)射端之間的距離 d 就簡(jiǎn)化成（ 3）式 22d T c?? （ 3） 三邊定位算法 在測(cè)得距離的前提下，設(shè)計(jì)了以下定位方法。設(shè)無(wú)線信號(hào)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。 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。 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。目前，常見(jiàn)的超聲波換能器一般都是壓電式的。第六章對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行 總結(jié)并且對(duì)后續(xù)工作展望。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。因此， SpotON 既可以提供用戶的絕對(duì)位置，也可以提供相對(duì)位置。當(dāng)脈沖到達(dá)時(shí)，根據(jù)無(wú)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(tīng)器之間的距離。 RADAR[21]定位系統(tǒng)： RADAR 是基于 無(wú)線局 域網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)跟蹤定位系統(tǒng)。 Active Bat[20]： 采用超聲的傳輸時(shí)間延遲技術(shù)。 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(kāi)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(guò)研究。在很多實(shí)際場(chǎng)合， GPS 信號(hào)也可能無(wú)法穿透房間的建筑材料而難以用于室內(nèi)環(huán)境。編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 CDMA 室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) CDMAbased indoor ultrasonic threedimensional positioning system design 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘要 本系統(tǒng)結(jié)合射頻通信低成本、低功耗的特點(diǎn)和超聲波定位精度高的特點(diǎn)，而避開(kāi)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。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。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 和前景分析 國(guó)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(guò)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]。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)。Active Bat 提供了比 Active Badge 系統(tǒng)更高的定位精度。被定位物體或移動(dòng) 用戶攜帶的監(jiān)聽(tīng)器一旦收到 RF 消息的前幾位，便繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)隨后的超聲脈沖。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)合在長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 一起，每個(gè)用戶或物體上附有一個(gè) RFID 標(biāo)簽，通過(guò)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。 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)。 第五章通過(guò)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(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié) ， 并提出改 進(jìn)方案。按其工作原理可分為壓電式、電磁式和磁致伸縮式 等三種。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)。 超聲波測(cè)距及定位算法 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。具體算法如圖 24所示。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)接收端的間間隔的乘積，即到達(dá)時(shí)間差法（ TDOA－ Time Difference of Arrival）。 通過(guò)三邊定位可以得到空間任一點(diǎn)的坐標(biāo)，從而完成三維定位。然后通過(guò)解算非線性定位方程組得到定位物體的當(dāng)前位置。雖然信號(hào)在時(shí)間域和頻率域是重疊的，但用戶信號(hào)可以依靠各自不同的編碼序列來(lái)區(qū)分的。 m序列可以由線性移位寄存器 (LSR)產(chǎn)生，圖 31 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。一般來(lái)說(shuō)，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)。 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。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(guò)程就像用調(diào)制信號(hào)去控制一個(gè)開(kāi)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)。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(lái)超聲波信號(hào)，從而完成定位。相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個(gè)本地的相干載波。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程如下 : 中心站通過(guò)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)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(lái)，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。目標(biāo)節(jié)采集中心站發(fā)來(lái)的同步指令，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(kāi)始采集信標(biāo)發(fā)來(lái)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(guò)來(lái)的信號(hào)，并做定位算法運(yùn)算。 測(cè)量距離為 324cm時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 通過(guò)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。通過(guò)合理算法進(jìn)一步提高測(cè)量精度。 表 52 列出了幾種不同溫度時(shí)的聲速 。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。 接著通過(guò)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)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 致謝 深深的感謝楊陽(yáng)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(shí) 、循循善誘的教導(dǎo)方式和為人師表的風(fēng)范 ， 使我受益