基于nanoPAN5375的煤矿井下一维目标跟踪定位系统
发布时间：2020-02-20 10:35
【摘要】：针对煤矿井下一维环境中人员及设备的定位问题,对一维定位理论及应用进行了研究,提出了一维分段定位法,设计了基于无线射频模块的定位系统。定位系统以ATmega1284P微处理器为主控芯片,以nano PAN5375射频模块为核心,采用对称双边双路测距算法(SDS-TWR)实现测距,利用一维分段定位法和卡尔曼滤波算法计算得到最后的定位信息。试验结果表明:系统能够完成实时测距和定位,定位误差可达1 m以内。
【图文】：
际?CSS技术最早应用于雷达领域，用于解决雷达距离测量和距离分辨率的问题，后来被逐步应用于定位当中。CSS技术具有抗干扰能力强、处理增益大、通信可靠稳定性好、功率谱密度低、传输距离远以及系统功耗低等特性[7-9]，这些特性使得CSS技术很合适应用于定位。基于CSS的定位技术采用对称双边双路测距（SDS-TWR）算法进行测距，，可以得到精确的测距信息。SDS-TWR算法能减小节点之间的时钟不同步和时钟漂移带来的误差，提高测距精度[10]。该方法包括2次对称距离测量和1次距离修正，对称双边双路测距算法流程如图1。第1次测量：节点A首先发送数据包到节点B，节点B会返回1个应答确认信息，节点A记录下此过程的传播延迟T1。节点B在接收到节点A数据包时开始计时，并在返回应答时停止计时，记录下节点B的处理延迟T2。此时，数据包往返时间为T1-T2。第2次测量：节点B首先发送数据包到节点A，节点A会返回1个应答确认信息，节点B记录下此过程的传播延迟T3。节点A在接收到节点B的数据包时开始计时，并在返回应答时停止计时，记录下节点A的处理延迟T4。此时，数据包往返时间为T3-T4。假设信号在介质中的传播速度为光速c，则A、B2节点之间的理论距离d为：d=c·（T1-T2）+（T3-T4）4（1）在测量过程中，由于晶体振荡器存在频率漂移，由节点A的晶振测得的时间延迟为T1、T4，假设测量偏差分别为δ1、δ4，则δ1=δ4；由节点B的晶振测得的时间延迟为T2、T3，假设测量偏差分别为δ2、δ3，则δ2=δ3，那么2节点之间的实际距离d′为：d′=c·（T1+δ1）-（T2+δ2）+（T3+δ3）-（T4+δ4）4d
攵喔雒?节点的测距信息实时传送到基站，基站将这些测距信息汇总后发送给上位机，上位机的软件系统会自动生成TXT文档并保存接收到的测距信息，并同时利用定位算法计算得到移动标签的具体位置。2.1硬件设计硬件系统中，锚节点、移动标签和基站采用完全相同的硬件结构，以ATmega1284p单片机作为主控芯片，它具有低功耗、操作简单等特点，并且自带完整的SPI接口控制器，能够完成对nanoPAN5375射频模块的控制及数据收发工作；以nanoPAN5375射频模块为核心，采用CSS技术产生扩频信号及管理无线信号收发。系统硬件结构如图2。nanoPAN5375射频模块集nanoLOCTRX接收器、功率放大器、滤波器等组件于一体，工作在2.4GHz免授权频段，提供了3个可自由调整中心频率的非重叠2.4GHzISM频道；它采用线性调频扩频技术完成线性调频信号的发射与接收，可使用125kbps~2Mbps的可编程数据速率，接收灵敏度可达-95dBm；它同时具有4个可编程数字I/O口，可实现点对点间的精确测距等功能[11]。2.2软件设计2.2.1软件架构软件设计方面主要包括数据发射接收控制程图1对称双边双路测距算法流程图2系统硬件结构图·106·
本文编号：2581306
【图文】：
际?CSS技术最早应用于雷达领域，用于解决雷达距离测量和距离分辨率的问题，后来被逐步应用于定位当中。CSS技术具有抗干扰能力强、处理增益大、通信可靠稳定性好、功率谱密度低、传输距离远以及系统功耗低等特性[7-9]，这些特性使得CSS技术很合适应用于定位。基于CSS的定位技术采用对称双边双路测距（SDS-TWR）算法进行测距，，可以得到精确的测距信息。SDS-TWR算法能减小节点之间的时钟不同步和时钟漂移带来的误差，提高测距精度[10]。该方法包括2次对称距离测量和1次距离修正，对称双边双路测距算法流程如图1。第1次测量：节点A首先发送数据包到节点B，节点B会返回1个应答确认信息，节点A记录下此过程的传播延迟T1。节点B在接收到节点A数据包时开始计时，并在返回应答时停止计时，记录下节点B的处理延迟T2。此时，数据包往返时间为T1-T2。第2次测量：节点B首先发送数据包到节点A，节点A会返回1个应答确认信息，节点B记录下此过程的传播延迟T3。节点A在接收到节点B的数据包时开始计时，并在返回应答时停止计时，记录下节点A的处理延迟T4。此时，数据包往返时间为T3-T4。假设信号在介质中的传播速度为光速c，则A、B2节点之间的理论距离d为：d=c·（T1-T2）+（T3-T4）4（1）在测量过程中，由于晶体振荡器存在频率漂移，由节点A的晶振测得的时间延迟为T1、T4，假设测量偏差分别为δ1、δ4，则δ1=δ4；由节点B的晶振测得的时间延迟为T2、T3，假设测量偏差分别为δ2、δ3，则δ2=δ3，那么2节点之间的实际距离d′为：d′=c·（T1+δ1）-（T2+δ2）+（T3+δ3）-（T4+δ4）4d
攵喔雒?节点的测距信息实时传送到基站，基站将这些测距信息汇总后发送给上位机，上位机的软件系统会自动生成TXT文档并保存接收到的测距信息，并同时利用定位算法计算得到移动标签的具体位置。2.1硬件设计硬件系统中，锚节点、移动标签和基站采用完全相同的硬件结构，以ATmega1284p单片机作为主控芯片，它具有低功耗、操作简单等特点，并且自带完整的SPI接口控制器，能够完成对nanoPAN5375射频模块的控制及数据收发工作；以nanoPAN5375射频模块为核心，采用CSS技术产生扩频信号及管理无线信号收发。系统硬件结构如图2。nanoPAN5375射频模块集nanoLOCTRX接收器、功率放大器、滤波器等组件于一体，工作在2.4GHz免授权频段，提供了3个可自由调整中心频率的非重叠2.4GHzISM频道；它采用线性调频扩频技术完成线性调频信号的发射与接收，可使用125kbps~2Mbps的可编程数据速率，接收灵敏度可达-95dBm；它同时具有4个可编程数字I/O口，可实现点对点间的精确测距等功能[11]。2.2软件设计2.2.1软件架构软件设计方面主要包括数据发射接收控制程图1对称双边双路测距算法流程图2系统硬件结构图·106·
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