【正文】 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 28 致謝 深深的感謝楊陽老師 以高尚的思想情操 、 嚴謹求學的治學態(tài)度 、 淵博的學識 、循循善誘的教導方式和為人師表的風范 ， 使我受益匪淺 。本文主要在室內(nèi)超聲波定位技術(shù)進行了簡要介紹。通過合理算法進一步提高測量精度。目標節(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，開始采集信標發(fā)來的超聲波信號，當超聲波信號到達時，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，確定是幾號信標發(fā)過來的信號，并做定位算法運算。相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個本地的相干載波。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。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。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。 通過三邊定位可以得到空間任一點的坐標，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。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 標簽，通過估計各個 RFID 標簽間的距離給出用戶間的相對位置。Active Bat 提供了比 Active Badge 系統(tǒng)更高的定位精度。 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 (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]。編號 本科生畢業(yè)設(shè)計 基于 CDMA 室內(nèi)超聲波三維定位系統(tǒng)設(shè)計 CDMAbased indoor ultrasonic threedimensional positioning system design 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 I 摘要 本系統(tǒng)結(jié)合射頻通信低成本、低功耗的特點和超聲波定位精度高的特點，而避開它們的缺點，如單獨的射頻識別定位精度不高、超聲波測距的覆蓋范圍有限。 解放軍電子工程學院，復旦大學，上海交通大學南開大學等研究機構(gòu)都曾對基于接收信號強度指示 (RSSI)的室內(nèi)定位技術(shù)進行過研究。 RADAR[21]定位系統(tǒng)： RADAR 是基于 無線局 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位置，也可以提供相對位置。第六章對本系統(tǒng)設(shè)計過程進行 總結(jié)并且對后續(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)無線信號的傳播速度為 c1，超聲波傳播速度為 c2，則它們的速度差為 S，可由（ 1）式計算得到。 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 9 超聲波定位系統(tǒng)組成及工作原理 本系統(tǒng)由中心站、信標和目標節(jié)點組成。 本系統(tǒng)中的 CDMA 技術(shù)是通過 m 序列（偽隨機碼）和超聲波載波以 BASK調(diào)制形成擴頻信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因此必須把基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的信號以適合于信道傳輸。 “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 號的載波同頻同相的恢復載波來進行解調(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 超聲波信號采集與處理板 如圖 48 所示。 誤差分析 本系統(tǒng)存有誤差，導致測量結(jié)果與實際結(jié)果不相同，產(chǎn)生誤差原因有兩個關(guān)鍵因素： 溫度 溫度對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)，并且通過實驗驗證該方案。 并將永遠激勵我奮發(fā)向上 。 （ 4）、本設(shè)計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。 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 27 第 6 章 總結(jié)與 展望 全文總結(jié) 超聲測距技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)與國防中有著廣泛的應(yīng)用，用多傳感器組合測距，可以實現(xiàn)目標的空間定位與運動跟蹤。但是測量結(jié)果比較穩(wěn)定 ,具有一定的重復性。 c c 2 4 3 0 A T M E G A 8擴 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 信標超聲波 發(fā)射 示意圖 實物 圖為 ： 圖 43 信標的外觀圖 圖 44 信標的電路板 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 22 圖 45 超聲波發(fā)射電路原理圖 目標節(jié)點 目標節(jié)點由無線模塊、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 1 和 0，因此，在每個碼元持續(xù)期間要用抽樣判決電路對低通濾波器的輸出作一次判決以確定信號取值。 所謂 “鍵控 ”是指一種如同 “開關(guān) ”控制的調(diào)制方式。 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 14 m 序列與超聲載波的調(diào)制 數(shù)字信號調(diào)制及其分類 調(diào)制（ modulation) 是指對信號源的信息進行處理加到載波上，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 2 （ x , 0 , 0 ）點 1 （ 0 , 0 , 0 ）M （ x , y , z ）點 3 （ 0 , y , 0 ） 圖 25 定位原理圖 空間中任意一點 M(X， Y， Z)到三個確定點 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）式推導后可以得到點的坐標為 ??????????????????22222222222YXlZynlyYxmlxX (5) 因此，可知測出 l、 m、 n 即可得到點 M(X， Y， Z)。 圖 23 AOA 原理圖 TDOA(到達時間差 )測距 基于 TDOA 測距原理是發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接 A C B 1? 2? 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 7 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。與 GPS 定位系統(tǒng)的信號傳遞方向相反，在常規(guī)超聲局部定位系統(tǒng)中，定位物體只發(fā)送信號，不接收信號，信號由定位物體發(fā)送 ,基站只進行接收信號。第四章是硬件設(shè)計，主要介紹本系統(tǒng)的各部分硬件電路 組成 。它通過無線電信號強度的衰減來測量信號經(jīng)過的距離。從 Bat 標簽到傳感器，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)生錯誤的傳感器測量值，而用統(tǒng)計修正可以減少這種誤差。 本課題針對 室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)具有定位精度高，成本相低廉，終端運算量較小等的優(yōu)點 ，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)，能達到較高的定位實時性和厘米級的定位精度。 吉林大學，上海交通大學等研究機構(gòu)曾經(jīng)對紅外 超聲定位技術(shù)進行過研究。根據(jù)基站測量無線設(shè)備發(fā)射的信號場強和信噪比，系統(tǒng)計算出建筑物內(nèi)定位目標的二維位置。這使得系統(tǒng)還可以利用越來越多加入進來的參與者來提高定位的準確度。 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 4 第 2 章 超聲波 定位原理 超聲波定位系統(tǒng)實現(xiàn)方式及比較 超聲波技術(shù) 所謂超聲，是相對于人耳的聽域范圍而言的。上行應(yīng)答是指一個基站發(fā)出呼叫信號，定位物體應(yīng)答，所有 基站接收應(yīng)答信號。則接收端到發(fā)射端的距離 d 可由（ 2）式得到。整個系統(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（包含各個信標的位置信息）； ② 各 個信標收到該指令后，立刻向目標節(jié)點發(fā)送擴頻超聲波信號； ③ 目標節(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（各個信標的位置信息）存儲起來，方便后續(xù)定位使用； ④ 超聲波信號到達目標節(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）得到信標到目標節(jié)點的距離，當收到多于三個信標的信號時，便可做定位算法運算。在本系統(tǒng)中基站發(fā)射的信號是偽隨機碼和超聲載波以 BASK調(diào)制后的擴頻脈沖信號。這個信號叫做已調(diào)信號，而基帶信號叫做調(diào)制信號。 在 2ASK 中，載波幅度隨著調(diào)制信號 1 和 0 的取值而在兩個狀態(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 鐘 提 取電 路判 決 器加 高 斯 白 噪 聲S o o k ( t )定 時 恢 復 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 r(t)中提取離散的載波分量，使得所恢復的頻率及相位與接收信號的載波同頻同相，然后再將接收信號 r(t)與恢復載波相乘，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 y(t)中設(shè)法提取時鐘分量，然后將已同步的時鐘對 y(t)的眼圖最大睜開處進行周期性抽樣、判決，再生出數(shù)據(jù)信號。 c c 2 4 3 0A T M E G A 8擴 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超聲波信號采集與處理板 圖 46 接收端電路示意圖 長春理工大學本科畢業(yè)設(shè)計 23 圖 47 超聲波傳感器接收電路原理圖 圖 48 MEGA128 超聲波信號采集與處理板 本系統(tǒng)為提高測量精度 ,采用溫度補償?shù)姆椒ㄐ拚郎囟葘β曀俚挠绊?,溫度測量采用 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方案。 在課題研究過程中 ,得到了 楊陽 老師 和肖金紅師兄 悉心的指導與幫助 。例如進一步排除溫度、濕度、氣壓等對聲速的影響，硬件電路的反應(yīng)速度以及射頻同步對超聲波傳播時間的影 響。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)延時是固定的