【正文】 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 ， 使我受益匪淺 。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。通過合理算法進(jìn)一步提高測(cè)量精度。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(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。相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個(gè)本地的相干載波。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)。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)。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區(qū)分的。 通過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。具體算法如圖 24所示。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)。 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。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。Active Bat 提供了比 Active Badge 系統(tǒng)更高的定位精度。 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]。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。 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。 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)。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。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。 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。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。 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。 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)?；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。 “鍵控 ”就是這種數(shù)字調(diào)制方式的形象描述。 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)載波來進(jìn)行解調(diào)。 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。 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。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。 并將永遠(yuǎn)激勵(lì)我奮發(fā)向上 。 （ 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。 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。但是測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定 ,具有一定的重復(fù)性。 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)線模塊、超聲波接收模塊、 ATMEGA128 核心板 組成。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。 所謂 “鍵控 ”是指一種如同 “開關(guān) ”控制的調(diào)制方式。 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 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^程，就 是使載波隨信號(hào)而改變的技術(shù)。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。 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)。 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，再通過已有基本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。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)。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 。它通過無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度的衰減來測(cè)量信號(hào)經(jīng)過的距離。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。 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)。提出了一種基于 CDMA 室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)，能達(dá)到較高的定位實(shí)時(shí)性和厘米級(jí)的定位精度。 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。根據(jù)基站測(cè)量無(wú)線設(shè)備發(fā)射的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和信噪比，系統(tǒng)計(jì)算出建筑物內(nèi)定位目標(biāo)的二維位置。這使得系統(tǒng)還可以利用越來越多加入進(jìn)來的參與者來提高定位的準(zhǔn)確度。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 超聲波 定位原理 超聲波定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式及比較 超聲波技術(shù) 所謂超聲，是相對(duì)于人耳的聽域范圍而言的。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)。則接收端到發(fā)射端的距離 d 可由（ 2）式得到。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是： ① 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）； ② 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)； ③ 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； ④ 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。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)。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)。 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。 帶 通 濾波 器窄 帶 濾波 器鎖 相 環(huán)移相器低 通 濾波 器時(shí) 鐘 提 取電 路判 決 器加 高 斯 白 噪 聲S o o k ( t )定 時(shí) 恢 復(fù) 載 波 抽 樣 y （ t ）相 干 解 調(diào) 器r （ t ）輸 出載 波 提 取 電 路 圖 39 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?gòu)牡屯V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)。 c c 2 4 3 0A 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超 聲 波發(fā) 射 換 能 器MEGA128超聲波信號(hào)采集與處理板 圖 46 接收端電路示意圖 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 47 超聲波傳感器接收電路原理圖 圖 48 MEGA128 超聲波信號(hào)采集與處理板 本系統(tǒng)為提高測(cè)量精度 ,采用溫度補(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 。在空氣中聲速用式 51 來表示 **RTC M?? (51) 式中 R－ 氣體普適常數(shù)。通過誤差分析提出改進(jìn)方案。 在課題研究過程中 ,得到了 楊陽(yáng) 老師 和肖金紅師兄 悉心的指導(dǎo)與幫助 。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。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)延時(shí)是固定的