多目标室内超声波三维定位系统的研究

发布时间：2020-06-08 07:16

【摘要】：地理位置是人类行为活动的重要基础之一,而室内又是人类每天活动时间最长的场所。因此,将室内位置与用户数据或用户感兴趣的信息结合起来是值得深入研究的一个重要课题。室内定位必将成为移动互联时代的最为重要的应用之一。超声波室内定位具有定位精度高、布局简单、抗干扰强、成本低等诸多优势,但同时也存在高精度同步计时困难等难点。另外,传统的超声波定位系统一般将若干固定节点作为发射超声波节点,而被定位目标(未知节点)作为信号接收节点。为了避免定位目标节点接收到的多路信号之间出现串扰,还需要一定的协调算法。本文在国内外有关超声波室内定位的研究基础上,提出了一种超声波定位新方案:首先,被定位的目标节点同时单向发送红外信号及超声波信号给多个固定节点(论文中称为“双”单向法),利用红外信号作为超声波信号的同步计时时标,这样不会出现多路信号串扰;其次,多个固定节点接收端信号检测部分集中在一片FPGA来实现对超声波高精度同步计时,多路信号易于处理且结构简洁明了。最后,在原有传统定位算法的基础上利用最小二乘与泰勒级数展开相结合的方式使定位精度得到进一步提高。通过上述多项措施,本论文研究设计的超声波室内定位算法,精度可以达到厘米级,在实际应用中具有较高的参考价值。论文的主要工作及创新点为:1)设计了“双”单向法测距的发送端超声波和红外驱动电路以及接收端的信号处理电路,以及基于FPGA的高精度同步计时处理模块以及FPGA与STM32之间的通信模块。2)分析了在超波声测距过程中超声波/红外在信号处理电路中的响应及延时问题,修正了由于器件本身的延时而引入的误差,提高了定位的精度,为精确超声波定位奠定了基础。3)分析了几种常用的定位算法:基于绝对时间方法(TOA)、基于时间差方法(TDOA)、基于到达角度方法(AOA)、基于接收信号强度(RSSI)等的优缺点,在此基础上提出了优化算法,即采用最小二乘方法与泰勒级数展开定位算法相结合,使得目标的定位精度得到进一步提高。4)设计将定位目标点发送的红外同步信号加入编码信息,并对红外信息发送间隔加入随机延时,实现了多目标的无干扰定位。
【图文】：

原理图,测距法,反射式,超声波

一、反射式测距法：反射式测距法就是发射超声波并接收由被测物产生的逡逑回波，根据回波与发射波的延时时差计算出到障碍物的距离。如图１．１是超声逡逑波反射式测距法原理图。逡逑显示邋＿逦—？发射驱动；＾逦Ｊ，逡逑｜逦超声发射探头逦／逡逑逦邋机逦逦邋／逡逑逻辑控制一？逦—接收检测逦／逡逑超声接收探头逦／逡逑障碍物逡逑图１．１超声波反射式测距法逡逑２逡逑

原理图,测距法,超声波,应答器

在被测物体上，在主控单元Ａ的作用下向位置固定的应答器发射无线信号，应逡逑答器在收到无线信号后立即向主测距器发射超声波信号，由此得到主测距器与逡逑应答器之间的距离。如图１．２是超声单向式测距法原理图。逡逑单向式测距法可以实现两点测距，当同时有三个或三个以上不在同一直线逡逑上的应答器作出回应时，就可以计算出被测物体所在的位置。逡逑从上述分析可见，采用反射式测距法，信号的接收与发射由一块控制芯片逡逑进行控制，，硬件电路容易实现，但这种测距方法无法通过常用的几个固定点与逡逑移动目标点测距实现定位计算。逡逑无反射式的单向测距法信号的发送与接收是由两块独立的控制芯片协同完逡逑成的，应答器发送的超声波信号仅仅是单程信号，无往返信号。现有的基于超逡逑声波测距的定位算法，一般都是采用这种方法。这种方法的缺点在于当一个主逡逑测距器发送无线信号时，几个固定的应答器同时收到该同步触发信号，并立即逡逑回送超声波信号时
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB559;TN791

【参考文献】