基于超声波测距的三维定位系统设计与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.42MB 63 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 课题来源与意义
无线定位技术的发展己经有几十年的历史，特别是随着移动通信定位技术的发展，
该技术的研究又成为当前的热点。定位通常是指确定地球表面某种物体在某一参考坐
标系中的位置，它可以是二维地图式的平面定位，也可以是三维空间式的空间定位。
无线定位技术在民用和军事领域中都获得了广泛的应用。移动计算器件的发展和无线
局域网技术的进步促进了移动定位技术的突飞猛进，三角定位、图像分析和信标定位
是三大主要自动定位技术[1]。目前科学家已建立了许多自动定位系统，最主要的定位
系统是大家熟知的全球定位系统（GPS）。
定位按照应用的环境可分为室外定位和室内定位。室外定位技术主要有地图定
位、天文定位、惯性定位、全球定位（GPS），室内定位的许多技术大都受启发于室
外定位，它的发展经历了地图定位、局域定位（LPS）。局域定位使用的技术主要有：
超声定位、红外定位、WIFI（802.11）定位以及最新发展的：蓝牙定位、RFID 定位、
超宽带定位。
现有的定位系统主要有两类：相对定位系统和绝对定位系统。相对定位系统是通
过测量被测物体相对于某个具体位置的距离和方向来确定其当前位置，其特点是长时
间累积定位误差大，不适于精确定位。绝对定位系统通过测量被测物体的绝对位置来
实现定位，这种方法定位精度较高，可以用来修正相对定位系统的误差。
近年来，随着人们对定位信息的需求与日俱增，像GPS这样的室外定位系统得到
了越来越广泛的应用，为在开阔的室外环境中工作的各类用户提供了极大的帮助。与
此同时，室内定位系统的开发与设计也引起了人们的关注。机场、展厅、博物馆、购
物中心、仓库，地下停车场，超市等等都需要使用准确的室内定位信息，对可用空间
和库存物资实现高效的管理，完善自身的功能。此外，越来越多的应用程序也需要使
用室内定位信息实现自身的功能。跟踪系统利用室内被跟踪对象不同时刻的定位信
息，绘制运动轨迹，并以此为依据推算其在未来一段时间里的运动趋势。硬件资源检
测系统则可以根据定位信息，确定配备个人数据终端的用户所在区域，查询已知的资
源分布图，帮助用户就近找到所需的设备，如打印机，扫描仪等；广泛应用于博物馆、
展厅的室内导航系统也需要使用定位信息，引导客人便捷地找到自己感兴趣的内容。
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§1.2 现有的各种不同的室内定位系统介绍
全球定位系统（GPS）[2,3,4,5,6]。对于户外移动定位的成果最普遍的就是全球定位
系统（Global Position System, GPS），
GPS在我国的应用已从少数科研单位和军用部门
迅速扩展到各个民用领域，应用于智能运输系统（ITS），应用于为船舶、汽车、飞机
等运动物体进行定位导航，应用于高精度测量，GPS车辆监控调度系统等。GPS定位
的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方
交会的方法，确定待测点的位置。全球定位系统（GPS）在室内时，直线传播的信号
（LOS：Line Of Sight）会丢失。尽管有辅助GPS（A-GPS）技术，服务器辅助GPS系
统可以给室外蜂窝网手机用户提供定位服务，以及数量不断增加的大量的相关器件可
以获取编码GPS信号，但是定位的精度只可以指示用户所在的建筑物，总的来说精度
还是不能满足室内定位的要求。
Active Badge[7]是采用红外线技术实现的单元接近度定位系统。该系统在待定位的
物体上附上标识，标识使用红外发射机定期发送自身唯一的ID识别码。同时，在定位
区域（一般为建筑物）的每一个房间里固定放置红外接收机，用于提取红外信号携带
的数据，并通过有线网络上报给控制中心数据库，提供给应用程序接口进行定位计算。
由于采用的是红外线技术，当环境中有荧光灯或直射阳光时，会产生假的红外线散射，
这会对Active Badge的定位准确性造成影响。此外红外线只有几米的有效范围，这就
限制了定位单元是小型或中型的房间，在大房间里，该系统需要多个红外线信标机，
否则，大房间中存在着一些死角，如果物体到达这些位置，红外接收机不能正确检测，
就会严重影响系统定位的实时性和准确性。
Active Bat[8,9]是剑桥AT&T实验室随后开发的定位系统，它采用超声的传输时间延
迟技术，提供了比Active Badge系统更高的定位精度。该系统主要由以下几个部分组
成：1.标识：包括射频发射机和超声发射机，它附在需要定位的移动物体上，配置唯
一识别号码，接收来自系统基站的射频信号，同时发送超声波脉冲作为响应。2.接收
机：每一个接收机由射频接收机和超声波接收机两部分组成，通常安装在建筑物的天
花板上。多个接收机相互连接，组成有线网络，并与监控中心相连。3.监控中心：使
用一个或多个射频基站，定期向每个标识发送查询消息，处理接收机得到的数据，计
算标识的当前位置，并刷新数据库中的内容。当标识接收到监控中心发给自己的消息
时，就会发射一个超声波脉冲作为响应。同时接收机会接收到来自监控中心的射频信
号和来自标识的超声波脉冲，比较两者的到达时间差，从而计算出与标识间的距离，
通过网络上报数据给监控中心。监控中心得到三个或二个以上的数据，使用三角测量
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法进行计算，实现对物体的跟踪定位。由于利用超声的传输时间，这种方法要求传感
器遍布屋顶，而且这些传感器的固定位置对测量精度有很大影响。所以，这种方法实
施起来非常麻烦，而且费用昂贵。
Cricket[10,11]系统是2000年对Active Bat系统的改进，它由超声发射器和定位目标的
嵌入接收器组成，通过三角测量计算定位。如同Active Bat系统，Cricket利用了超声的
传输时间和射频控制信号，但是该系统与其不同的是在移动接收机上进行定位和计
算，就不需要在屋顶放置固定传感器。系统是由用户携带的接收器、固定放置在建筑
物内的信标以及中心服务器组成。每一个信标被赋予唯一的识别码，以识别自身所在
的区域，并使用射频信号定时广播该位置信息。接收器则接收信标发来的信号，确定
距离自身最近的信标，该信标识别码标识的区域即为用户所在区域，同时转发数据给
服务器。由服务器完成对数据的进一步计算处理，从而实现定位功能。Cricket比Active
Bat的精度略差些，在房间内它能精确定位在4×4平方英尺（大约1.5平方米）的范围
内。Cricket优点是具有私密性和对分散物体的可测量性。缺点是：由于超声脉冲和射
频数据的定时和处理都在移动接收器上，导致系统缺乏中心管理和监控，以及移动接
收器的计算负荷和电力负荷的增加。
RADAR[12,13,14]是基于IEEE802.11无线局域网技术的室内跟踪定位系统。它是由
Microsoft研究院在2000年开发的。该系统也是通过采集接收器与多个发射器之间的距
离，并使用三角测量法计算出用户的位置。数据可以由接收器本地处理，也可由中心
服务器集中处理。根据基站测量无线设备发射的信号场强和信噪比，系统把信号强度
作为估算射频发射器与接收器间距的依据。系统建立射频信号的传输信道模型，确定
信号衰减与发射器、接收器间墙壁数量的关系，从而得到给定位置接收器最优的距离
估算参数。但是在建筑物内，射频信号传输环境是不断变化的，如果采用同一传输模
型，不可避免地影响了系统的精确度。
Ubisense[15,16,17,18,19]是基于 UWB（Ultra Wide Band，超宽带）的室内位置感知系
统。它是由剑桥 AT&T 实验室和 Ubisense 公司于 2003 年一同开发的。该系统在一个
单向 UWB 定位平台上加入了常规的双向 TDMA（Time Division Multiple Address，时
分多址）控制信道。在该系统中，信标设备向接受器发送 UWB 信号，并利用 AOA
和TDOA 的混合定位算法来实现信标的定位。该系统的优点是：1.精确度高，它能够
在复杂的室内环境下，实现实时三维的定位，并且精度达到几个厘米以下；2.实时响
应性好。缺点是：UWB 的商用化研究刚刚起步，标准协议还未出台，对 UWB 本身
的了解还不够彻底，有些性能还无法好好把握。
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§1.3 定位技术原理介绍
定位原理主要涉及三种技术：1.利用边进行三边测量或利用角度进行三角测量，
利用边是指测量若干点之间的距离，利用角是指测量若干分散点之间的角度或方向。
2.接近度，是指测量一系列点之间的接近程度。3.场景分析，是指从一个有利的观察
点来进行观察分析。在具体应用中，二维或者三维定位的实现一般采用了上述技术中
的一种或多种。在第一种技术中还涉及到基于角度、基于时间、基于场强等多种定位
算法。
1.基于入射角度的定位算法
AOA（Angles of Arrival，到达角度）算法[20]是通过接收机的角度设备测出电磁波
的入射角度，形成一条从基站到移动目标的方向线，由两个基站得到的两个方向线的
交点就是移动目标的位置。因此，AOA 算法只需要两个基站就可以确定位置，两条
直线只有一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象。该算法的缺点是：非视距会给
AOA 定位带来不可预见的误差；由于接收设备角分辨率的限制，移动目标与基站之
间的即离越大，AOA 的测量精度就越低，所以对接收机的性能要求较高。位置估计
的精度还依赖于发送器相对于接收器的位置。如果发送器恰好处在两个接收器之间的
直线上，则 AOA 测量将无法锁定目标位置。因此通常采用多于两个的接收器来提供
定位精度。
2.基于时间的定位算法
该方法可分为 TOA（Time of Arrival，到达时间）和 TDOA（Time Difference of
Arrival，到达时间差）[21]两种算法。根据己知的信号传播速度和测量所得的信号传播
时间来实现定位。它可用于多种不同的信号，如：射频信号、超声、红外、UWB。
TOA 算法是通过测量信号从移动目标到基站之间的传播时间进行定位的。设信号
从移动目标到基站之间的信号传播时间为 T，信号的传输速度为 C，则移动目标与基
站的距离应该为 R=C×T，移动目标应该位于以基站为中心，R为半径的圆上。TOA
算法要求参加定位的各个基站在时间上要严格同步。（见图 1-1）
TDOA 算法，是测量不同观测站接收到同一移动目标的定位信号的时间差，并由
此计算出移动目标到不同观测站的距离差。若移动目标到任何两个基站的距离差为某
一具体值时，该目标必定位于以这两个基站为焦点的某一双曲线上。确定移动目标的
二维位置坐标需要两个以上基站，需要建立两个以上双曲线方程，两双曲线的交点即
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为移动目标的二维位置坐标，如图 1-2 所示。当同时有 N个观测站参与测距时（N>3），
由多个双曲线之间的交汇区域就是对用户位置的估计区域。
图1-1 TOA 理论模型
图1-2 TDOA 理论模型
对于以时间为基准的定位方法，多径效应和非视线传输所带来的传输延时增加是
产生定位误差的主要原因。对于不同的传输信号应分别考虑。红外线：射程短，而且
在传输过程中不能有障碍物阻挡，所以适用性、可测量性不强。射频信号和超声波：
主要由于在室内的反射波干扰了直线传播信号，信号的非视线传输和多径效应造成误
差，解决途径主要是通过增加参与定位的观测站数目和采用高精度的估计算法。
UWB：是非视距信号，可以穿透障碍物传输，并且对多径干扰具有鲁棒性。
3.基于场强的位置感知算法
基于场强的位置感知算法是根据已知的信号发送功率和 RSSI（Received Signal
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Strength Indicator，接收信号场强指示器）
[22]测得的接收信号场强值，计算信号的有效
传播损耗，再利用该损耗值来估算距离。根据三个或三个以上距离值就可确定目标移
动台的位置。该方法主要用于射频信号、IEEE802.11 无线局域网。该算法虽然比较简
单，但定位精度较差，主要由无线信号传输过程中的多径效应和通过障碍时产生的阴
影效应导致的，所以不太适合于室内高精度定位。
§1.4 超声波测距介绍
本次定位系统的设计采用的就是 TOA 的定位算法，采用超声波信号。我们要设
计的是一个空间三维定位系统，空间三点定位的基本原理就是已知空间三点位置坐标
以及这三点到待测物体的距离值，利用空间解析几何的数学方法，通过联立三元二次
方程组求出待测物体的空间位置坐标值。空间已知点到待测物体的距离值，我们设计
用超声波测距的方法来得到，所以本次设计的关键部分就在于超声波精确测距的实
现。
超声检测距离的手段多种多样，但最主要的方法是检测渡越时间。渡越时间是指
超声波从发射器发出到超声波接收器接收到声波所经历的时间间隔。也就是在 TOA
算法中提到的信号到达时间。声源与接收器之间的距离与渡越时间成正比，测量出渡
越时间就可计算出声源与接收器之间的距离。
超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方
法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点。由于超声波的速度相对光速
小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制。由
于其在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业
控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。
这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有高精度、无损、非接
触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶
金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等
领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内的一些学
者也作了相关的研究。
文献[23]详细地阐述了超声波的测距原理，给出了实现超声波测距的具体框图，
并讨论了影响超声波测距精度的几种原因。
文献[24]介绍了一种数字式超声波位移测量仪的结构，工作原理和功能，其数据
处理借助于单片机。文献给出了程序框图，对仪表的各部分硬件电路做了较详细的说
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明，并列出了部分仪表的实测数据和分析了误差产生的原因。
文献[25]提出了一种双频超声波测距的原理和方法。由于空气对超声波的吸收与
超声波的平方成正比，因此，用来测距的超声波的频率不能很高。但另一方面频率越
低，波长越长，测距的绝对误差就越大。测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛
盾。文中提出，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，在测距时同时发射两个频
率的超声波，频率较大的测较近的距离，频率较小的测较长的距离，这样能在较大的
范围内实现较高的测距精度。
文献[26]提出在超声测距系统中，测距误差主要是声脉冲传输时间 t的测量误差，
实际上是对测距脉冲回波前沿的检测误差。作者根据声的发射，反射及传输理论推出
并用实验验证了测距回波包络曲线的近似方程，据此提出了一种高精度超声波测距信
号处理方法，并由理论分析与实验结果，提出了一种基于归一化包络曲线的抗起伏信
号处理方法。
文献[27]中阐述了国外研制的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。测距原
理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波，基于接收信号与发射信号之间的
相位差和两传感器之间的正比关系，用相位差法测量传感器之间的动态距离。文中给
出了设计原理，硬件实施，实验结果。实验结果表明，该测量系统在 15 米的测距精
度可达到 1毫米。
文献[28]提出一种新的计时方法，该方法的原理是回波时延由峰值时延和相位时
延相加而得，分别用不同的检测方法得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波的传
播时间。
§1.5 本文的主要工作和意义
本文第一部分就室内定位问题进行了较详细的探讨，介绍了国内外现有的各种不
同的定位系统以及其优缺点，介绍了各种定位系统的主要的三种定位技术原理。由于
本文是有关超声波定位系统的设计，超声波测距是该系统的重要环节，所以，第一部
分还介绍了国内外的对于超声波测距系统的研究情况。
本文第二部分对超声波定位系统的重要环节：超声波测距技术进行了探讨。从超
声波特性、超声波传感器原理结构、超声波传感器特性到超声波测距原理都作了详细
阐述。
本文第三部分构建了超声波定位系统的系统框图，详细描述了该系统的工作原理
和定位算法。另外，第三部分还对系统的两个重要组成部分 nRF2401 无线收发芯片和
摘要：

第一章绪论-1-第一章绪论§1.1课题来源与意义无线定位技术的发展己经有几十年的历史，特别是随着移动通信定位技术的发展，该技术的研究又成为当前的热点。定位通常是指确定地球表面某种物体在某一参考坐标系中的位置，它可以是二维地图式的平面定位，也可以是三维空间式的空间定位。无线定位技术在民用和军事领域中都获得了广泛的应用。移动计算器件的发展和无线局域网技术的进步促进了移动定位技术的突飞猛进，三角定位、图像分析和信标定位是三大主要自动定位技术[1]。目前科学家已建立了许多自动定位系统，最主要的定位系统是大家熟知的全球定位系统（GPS）。定位按照应用的环境可分为室外定位和室内定位。室外定位技术主要有地图...

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