張沁言，韓 儀，王四海

（1.北京郵電大學(xué) 數(shù)字媒體與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，北京 100876；2.北京郵電大學(xué) 理學(xué)院，北京 100876）

大學(xué)生園地

一種基于多源收發(fā)異體結(jié)構(gòu)的室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)

張沁言1，韓 儀2，王四海2

（1.北京郵電大學(xué) 數(shù)字媒體與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，北京 100876；2.北京郵電大學(xué) 理學(xué)院，北京 100876）

提出一種高性能超聲定位系統(tǒng)，采用紅外和無(wú)線信號(hào)同時(shí)作為同步信號(hào)構(gòu)成收發(fā)異體的定位結(jié)構(gòu)，采用偽隨機(jī) M序列進(jìn)行載波擴(kuò)頻，形成碼分多址的多基站收發(fā)機(jī)制，通過(guò)設(shè)計(jì)廣角探頭來(lái)擴(kuò)大作用范圍，設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路提高測(cè)量精度.本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)10 Hz的測(cè)量速率和厘米級(jí)的測(cè)量精度，能有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的高精度定位.

室內(nèi)定位；超聲波；碼分多址；嵌入式系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、機(jī)器人等行業(yè)的迅猛發(fā)展，定位技術(shù)越來(lái)越體現(xiàn)出其重要性.總體來(lái)說(shuō)，定位技術(shù)可分為室外定位和室內(nèi)定位.室外定位技術(shù)已十分成熟，其米級(jí)的定位精度已經(jīng)適合于大部分導(dǎo)航定位需求.而室內(nèi)定位所面臨的環(huán)境更為復(fù)雜多變，其技術(shù)體系也紛繁龐雜，因此一直以來(lái)都沒(méi)有得到很好的解決.目前廣泛流行的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括紅外定位、各個(gè)頻段的無(wú)線電定位（RFID、WiFi等技術(shù)均歸為此類）、視覺(jué)定位、超寬帶（Ultra Wideband，UWB）定位、超聲波定位、地磁、激光定位等［1，2］.各種技術(shù)的定位精度和實(shí)現(xiàn)的難易程度如圖1所示.

圖1 各種室內(nèi)定位技術(shù)性能對(duì)比

與其他定位技術(shù)相比，超聲定位具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、定位精度高、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，具有廣泛的室內(nèi)定位應(yīng)用前景.然而，超聲波的小波束角、多源干擾、多徑現(xiàn)象等因素對(duì)其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用造成了嚴(yán)重的影響.文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了一種用于移動(dòng)機(jī)器人避障的超聲測(cè)距系統(tǒng)，發(fā)射和接收傳感器都置于移動(dòng)機(jī)器人本體上，這種收發(fā)同體的設(shè)計(jì)代表了非常廣泛的一類超聲應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是接收和發(fā)射傳感器采用同一

系統(tǒng)控制，信號(hào)同步方便，但收發(fā)同體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠靈活，且必須依賴障礙物反射，嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的應(yīng)用.為了區(qū)分多路超聲源，文獻(xiàn)［4］分別介紹了一種時(shí)分和頻分發(fā)射方式，但前者發(fā)射周期長(zhǎng)，后者不易擴(kuò)展，均不適合大范圍的移動(dòng)目標(biāo)定位.

本文提出一種高精度的室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)超聲定位系統(tǒng).接收和發(fā)射模塊采用收發(fā)異體設(shè)計(jì)，同時(shí)采用紅外和無(wú)線信號(hào)作為同步信號(hào)，采用偽隨機(jī)M序列控制多路超聲信號(hào)的發(fā)送，構(gòu)成碼分多址的信號(hào)傳輸體系，采用廣角探頭，加大了波束角；此外，通過(guò)設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償?shù)入娐罚M(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度.系統(tǒng)基于STM32 Cortex-M3微處理器的嵌入式架構(gòu)，性能可靠，尺寸小巧，且便于快速部署.

1 超聲波定位基本原理

如圖2，在室內(nèi)空間建立統(tǒng)一的三維直角坐標(biāo)系O-xyz.超聲發(fā)射節(jié)點(diǎn)S1-Sn均勻地構(gòu)成發(fā)射陣列，布置于天花板上，基線長(zhǎng)度（相鄰兩個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離）為a.移動(dòng)目標(biāo)R1-Rm上裝有超聲接收節(jié)點(diǎn).對(duì)于某一接收節(jié)點(diǎn) R1，若測(cè)得其與各發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離l1-ln，則根據(jù)幾何關(guān)系，有如下非線性方程組：

圖2 超聲定位系統(tǒng)原理示意圖

其中，（xj，yj，zj）為發(fā)射節(jié)點(diǎn) Sj的三維坐標(biāo)，j=1，…，n，（x，y，z）為待測(cè)接收節(jié)點(diǎn)R1的三維坐標(biāo)，解方程組（1）即可獲得R1的空間坐標(biāo)信息.方程組的求解可采用解析法或數(shù)值法.若采用解析法，則只需3個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)即可定位出移動(dòng)目標(biāo)，但由于距離的測(cè)量存在誤差，解析法的定位精度隨所選的發(fā)射節(jié)點(diǎn)不同而不同，需根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)所在的不同區(qū)域進(jìn)行最優(yōu)切換.因此本文采用Gauss-Newton數(shù)值迭代法求解，其本質(zhì)是采用多傳感信息融合來(lái)提高測(cè)量精度，具體的算法見文獻(xiàn)［5］.然而，由于超聲波的作用距離有限，且存在遠(yuǎn)近效應(yīng)，并非越多的距離測(cè)量值對(duì)位置的估算越有效，本文在任意時(shí)刻僅選擇離移動(dòng)目標(biāo)最近的4個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定位.以上位置估算的前提是已知各發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間的距離，接下來(lái)的問(wèn)題則是如何測(cè)量收發(fā)間的距離.超聲測(cè)距的基本原理是測(cè)量到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA），即收發(fā)節(jié)點(diǎn)間設(shè)計(jì)一同步信號(hào)，同步信號(hào)發(fā)射時(shí)發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送超聲波，此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)記下時(shí)刻t1；超聲波到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)后，接收節(jié)點(diǎn)記下時(shí)刻t2，則到達(dá)時(shí)間t=t2-t1.假設(shè)超聲在空氣中的傳播速度為c，則發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離為l=ct.本文中同步信號(hào)采用紅外和無(wú)線信號(hào)兩種，二者由同一IO口控制，相互補(bǔ)充能發(fā)揮比單一同步信號(hào)更好的性能：紅外信號(hào)可克服室內(nèi)無(wú)線信號(hào)受干擾造成同步信號(hào)丟失的情況，無(wú)線信號(hào)則可克服紅外信號(hào)因障礙物遮擋造成同步信號(hào)丟失的情況.

2 性能增強(qiáng)設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)定位性能，本文對(duì)以上基本的超聲定位系統(tǒng)進(jìn)行了一系列性能增強(qiáng)設(shè)計(jì)，包括如下內(nèi)容.

2.1 碼分多址發(fā)射

為了擴(kuò)大超聲波的覆蓋面積，系統(tǒng)包括多個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成多源發(fā)射陣列.對(duì)于移動(dòng)目標(biāo)上的接收節(jié)點(diǎn)而言，則需要區(qū)別接收到的是哪個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的信號(hào).傳統(tǒng)的時(shí)分系統(tǒng)采用不同發(fā)射節(jié)點(diǎn)分時(shí)輪發(fā)的方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加后，發(fā)射周期勢(shì)必會(huì)增大，從而降低了測(cè)量速率，不利于移動(dòng)快動(dòng)態(tài)的目標(biāo)定位，而且這種方式還會(huì)受到多徑回波的干擾.另一種頻分系統(tǒng)為每個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)特有的發(fā)射頻率，接收節(jié)點(diǎn)對(duì)不同頻率分別進(jìn)行響應(yīng)，從而區(qū)別出發(fā)射源；當(dāng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加后，發(fā)射節(jié)點(diǎn)的頻率會(huì)分得更細(xì)，對(duì)市面上常用的發(fā)射探頭提出了挑戰(zhàn).

本文采用碼分多址的方式對(duì)發(fā)射源進(jìn)行區(qū)分，每個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)都分配一串全局唯一的二進(jìn)制識(shí)別碼.發(fā)射時(shí)，由一個(gè)IO口輸出識(shí)別碼，另一個(gè)IO口輸出正常的超聲載波信號(hào)，二者相“與”后輸出擴(kuò)頻信號(hào)，以作為發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入源（圖3）.識(shí)別碼設(shè)計(jì)為偽隨機(jī)M序列，實(shí)踐證明，這是一種很好的超聲發(fā)射脈沖壓縮信號(hào)，能有效提高測(cè)量精度和抗干擾能力［6］.本文正是采用了這種方式來(lái)設(shè)計(jì)

識(shí)別碼，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)識(shí)別碼解調(diào)出接收到的是哪一路發(fā)射信號(hào).此外，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)段接收到多個(gè)同一偽隨機(jī)序列編碼的信號(hào)時(shí)，則只接收最先到達(dá)的信號(hào)，后續(xù)的信號(hào)可認(rèn)為是該信號(hào)的多徑發(fā)射回波，從而克服了多徑現(xiàn)象的干擾.

圖3 碼分多址發(fā)射原理圖

2.2 廣角探頭設(shè)計(jì)

在本文的收發(fā)異體超聲定位結(jié)構(gòu)中，我們希望超聲波的波束角越大越好，這樣有利于覆蓋更大的定位范圍.然而市面上的超聲探頭波束角都較?。ㄒ话阈∮?0°）.為了擴(kuò)大發(fā)射節(jié)點(diǎn)的覆蓋面積，本文在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上布置了4個(gè)換能器，以一定角度呈放射狀排布，各個(gè)探頭由同一擴(kuò)頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)，由此極大地增加了發(fā)射節(jié)點(diǎn)的覆蓋面積.

2.3 干擾補(bǔ)償設(shè)計(jì)

測(cè)量干擾包括溫度波動(dòng)、系統(tǒng)誤差和環(huán)境噪聲等.溫度影響聲音的傳播速度，為此，接收節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路，采用DS18B20單總線數(shù)字式溫度傳感器，通過(guò)一個(gè)IO口模擬總線邏輯實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量.DS18B20體積小、價(jià)格低廉、測(cè)量精度高，是可靠的溫度測(cè)量方案.對(duì)于系統(tǒng)遲延、器件誤差等系統(tǒng)誤差，采用標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)定的方法擬合出補(bǔ)償曲線，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)射節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

發(fā)射節(jié)點(diǎn)采用STM32F103VET6控制器，超聲傳感器選擇 40 kHz換能器，紅外同步信號(hào)選擇38 kHz信號(hào)，無(wú)線同步選擇 nRF24L01+低功耗單片無(wú)線收發(fā)器芯片.如圖4（見下頁(yè)）所示為超聲和紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路.S1ID接 STM32的一個(gè)IO口，用以輸出偽隨機(jī) M序列擴(kuò)頻碼；PWM-40K和PWM-38K接STM32的兩個(gè)PWM輸出口，分別輸出40 kHz和38 kHz的方波信號(hào)，作為超聲和紅外載波信號(hào).載波信號(hào)與偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼經(jīng)74HC08進(jìn)行“與”操作后作為后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的輸入，最后經(jīng)LS3和D17分別發(fā)出超聲波和紅外光信號(hào).值得一提的是，為擴(kuò)大發(fā)射節(jié)點(diǎn)的覆蓋面積，每一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)包括4套傳感驅(qū)動(dòng)電路和4個(gè)發(fā)射探頭.發(fā)射節(jié)點(diǎn)以100 ms為周期重復(fù)發(fā)射超聲、紅外和無(wú)線信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)10 Hz的目標(biāo)檢測(cè)速率.無(wú)線收發(fā)器nRF24L01+工作在2.4 GHz頻段，與STM32間采用SPI通信，片選使能信號(hào) CE連接到一個(gè) IO口，用以控制是工作在發(fā)射還是接收模式.無(wú)線信號(hào)與紅外同步輸出，用以提供另一種同步方式.

3.2 接收節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

接收節(jié)點(diǎn)同樣采用STM32F103VET6芯片.超聲和紅外接收分別采用基于 CX20106A 和TSOP1838SS3V的集成芯片解決方案，接收核心電路如圖5（見下頁(yè)）所示.當(dāng)接收換能器LS1接收到超聲信號(hào)時(shí)，CX20106A的第7腳輸出低電平，否則輸出高電平.同樣，當(dāng)TSOP1838SS3V接收到紅外信號(hào)時(shí)，在第1腳輸出低電平，否則輸出高電平.工作時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)首先收到紅外同步信號(hào)，與TIM4-CH3相連的控制器管腳被拉低，可設(shè)置下降沿觸發(fā)的中斷，檢測(cè)第一個(gè)下降沿并進(jìn)入中斷程序，在其中通過(guò)一個(gè)全局計(jì)數(shù)器來(lái)記錄同步時(shí)刻t1.隨后，當(dāng)接收到超聲信號(hào)時(shí)，與TIM4-CH3相連的管腳被拉低，同樣可檢測(cè)第一個(gè)下降沿來(lái)觸發(fā)中斷，從而記錄超聲到達(dá)時(shí)刻t2.值得一提的時(shí)，除了記錄時(shí)刻t1和t2外，接收程序還要讀取偽隨機(jī)碼來(lái)判斷接收到的是哪一路信號(hào).當(dāng)收到四路信號(hào)后，主程序進(jìn)行一次位置坐標(biāo)計(jì)算，從而更新目標(biāo)位置.接收節(jié)點(diǎn)也配備了nRF24L01+無(wú)線收發(fā)器，用以提供無(wú)線同步方式.

4 實(shí)驗(yàn)

硬件系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6（見下頁(yè)）所示，一塊發(fā)射板可通過(guò)杜邦線插接4個(gè)發(fā)射探頭，分散布置于天花板上；接收板包含一個(gè)接收探頭、一個(gè)紅外接收管以及DS18B20和nRF24l01+的擴(kuò)展口，布置于待測(cè)移動(dòng)目標(biāo)上.實(shí)驗(yàn)用偽隨機(jī)序列采用31位的M序列，碼元持續(xù)時(shí)間為200 us，接收端經(jīng)包絡(luò)檢波器解調(diào)出M序列，一個(gè)M序列持續(xù)的時(shí)間不超過(guò)10 ms，加上M序列間的間隔以及系統(tǒng)的定位處理時(shí)間，一個(gè)定位周期最長(zhǎng)為100 ms，從而可以保證10 Hz的定位頻率.圖7（a）所示為某次距離測(cè)量中的原始M序列，圖7（b）所示為接收端解調(diào)后的M序列，可見接收端能很好地恢復(fù)出原始M序列.

最后進(jìn)行的是室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)在一個(gè)6 m長(zhǎng)、6 m寬、3 m高的室內(nèi)封閉環(huán)境進(jìn)行，存在反射多徑干擾.天花板上布置四組發(fā)射節(jié)點(diǎn)，連線成3 m邊長(zhǎng)的正方形，地面上布置移動(dòng)接收節(jié)點(diǎn)，正方形中心與接收節(jié)點(diǎn)的連線同豎直平面所形成的夾角記作θ.以室內(nèi)某底角為原點(diǎn)構(gòu)建基準(zhǔn)直角坐標(biāo)系，待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置記為（x，y，z），在不同的θ角下進(jìn)行多組測(cè)量，每組進(jìn)行10次測(cè)量，計(jì)算平均值和最大測(cè)量誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1（見P.44.）.可見，在大偏角下系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度，同時(shí)擁有良好的抑制多徑干擾和環(huán)境干擾的能力.

圖4 超聲和紅外發(fā)射電路

圖5 超聲和紅外接收電路

圖6 實(shí)驗(yàn)硬件實(shí)物圖

圖7 偽隨機(jī)M序列

表1 定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于多源異體超聲傳感器的高性能室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng).系統(tǒng)設(shè)計(jì)為收發(fā)異體結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了無(wú)線和紅外兩種同步信號(hào)，采用STM32 Cortex-M3的嵌入式架構(gòu)，其特點(diǎn)是包括了一系列性能增強(qiáng)設(shè)計(jì)：采用碼分多址的發(fā)射方式，通過(guò)偽隨機(jī)M序列來(lái)區(qū)分發(fā)射源，同時(shí)降低了多徑干擾和環(huán)境噪聲干擾；設(shè)計(jì)廣角探頭，從而擴(kuò)大了發(fā)射節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍；設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償?shù)雀蓴_補(bǔ)償方法，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度.本系統(tǒng)為室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位提供了一種廉價(jià)、可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)的解決方案，具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

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An ultrasonic location system for indoor moving target using multi-source and separated T／R structure

ZHANG Qin-yan1，HAN Yi2，WANG Si-hai2
（1.School of Digital Media＆Design Arts，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China；2.School of Science，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China）

A high performance ultrasonic location system is proposed.Both infrared and radio signals are applied as synchronizing signals，forming a locating structure with separated transmitter and receiver.Pseudo random M sequence is utilized as spread spectrum carrier to form a CDMA-based multi-station mechanism.Wide-angle probes are designed for expanding the detecting area.In addition，a temperature compensation circuit is designed to improve the measurement accuracy.This system can achieve 10 Hz sample rate and centimeter level measurement accuracy，and is verified to be effective for locating moving indoor targets.

indoor location；ultrasound；CDMA；embedded system

O 59；TB 559

A

1000-0712（2016）11-0040-05

2015-09-08；

2016-05-26

北京郵電大學(xué)大學(xué)生研究創(chuàng)新基金、北京市共建項(xiàng)目（S-201510013027）專項(xiàng)資助

張沁言（1996-）女，四川宜賓人，北京郵電大學(xué)數(shù)字媒體技術(shù)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院2014級(jí)本科生.

王四海，E-mail：wshjlpa＠sina.com