張沁言，韓 儀，王四海

（1.北京郵電大學 數(shù)字媒體與設計藝術學院，北京 100876；2.北京郵電大學 理學院，北京 100876）

大學生園地

一種基于多源收發(fā)異體結構的室內移動目標超聲定位系統(tǒng)

張沁言1，韓 儀2，王四海2

（1.北京郵電大學 數(shù)字媒體與設計藝術學院，北京 100876；2.北京郵電大學 理學院，北京 100876）

提出一種高性能超聲定位系統(tǒng)，采用紅外和無線信號同時作為同步信號構成收發(fā)異體的定位結構，采用偽隨機 M序列進行載波擴頻，形成碼分多址的多基站收發(fā)機制，通過設計廣角探頭來擴大作用范圍，設計溫度補償電路提高測量精度.本系統(tǒng)能實現(xiàn)10 Hz的測量速率和厘米級的測量精度，能有效實現(xiàn)室內移動目標的高精度定位.

室內定位；超聲波；碼分多址；嵌入式系統(tǒng)

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

圖1 各種室內定位技術性能對比

與其他定位技術相比，超聲定位具有實現(xiàn)簡單、定位精度高、價格低廉的特點，具有廣泛的室內定位應用前景.然而，超聲波的小波束角、多源干擾、多徑現(xiàn)象等因素對其在實際系統(tǒng)中的應用造成了嚴重的影響.文獻［3］設計了一種用于移動機器人避障的超聲測距系統(tǒng)，發(fā)射和接收傳感器都置于移動機器人本體上，這種收發(fā)同體的設計代表了非常廣泛的一類超聲應用，其優(yōu)點是接收和發(fā)射傳感器采用同一

系統(tǒng)控制，信號同步方便，但收發(fā)同體的系統(tǒng)設計不夠靈活，且必須依賴障礙物反射，嚴重限制了系統(tǒng)的應用.為了區(qū)分多路超聲源，文獻［4］分別介紹了一種時分和頻分發(fā)射方式，但前者發(fā)射周期長，后者不易擴展，均不適合大范圍的移動目標定位.

本文提出一種高精度的室內移動目標超聲定位系統(tǒng).接收和發(fā)射模塊采用收發(fā)異體設計，同時采用紅外和無線信號作為同步信號，采用偽隨機M序列控制多路超聲信號的發(fā)送，構成碼分多址的信號傳輸體系，采用廣角探頭，加大了波束角；此外，通過設計溫度補償?shù)入娐?，進一步提高了系統(tǒng)的測量精度.系統(tǒng)基于STM32 Cortex-M3微處理器的嵌入式架構，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，在室內空間建立統(tǒng)一的三維直角坐標系O-xyz.超聲發(fā)射節(jié)點S1-Sn均勻地構成發(fā)射陣列，布置于天花板上，基線長度（相鄰兩個發(fā)射節(jié)點的距離）為a.移動目標R1-Rm上裝有超聲接收節(jié)點.對于某一接收節(jié)點 R1，若測得其與各發(fā)射節(jié)點的距離l1-ln，則根據(jù)幾何關系，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 Sj的三維坐標，j=1，…，n，（x，y，z）為待測接收節(jié)點R1的三維坐標，解方程組（1）即可獲得R1的空間坐標信息.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個發(fā)射節(jié)點即可定位出移動目標，但由于距離的測量存在誤差，解析法的定位精度隨所選的發(fā)射節(jié)點不同而不同，需根據(jù)移動目標所在的不同區(qū)域進行最優(yōu)切換.因此本文采用Gauss-Newton數(shù)值迭代法求解，其本質是采用多傳感信息融合來提高測量精度，具體的算法見文獻［5］.然而，由于超聲波的作用距離有限，且存在遠近效應，并非越多的距離測量值對位置的估算越有效，本文在任意時刻僅選擇離移動目標最近的4個發(fā)射節(jié)點來進行定位.以上位置估算的前提是已知各發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點間的距離，接下來的問題則是如何測量收發(fā)間的距離.超聲測距的基本原理是測量到達時間（Time of Arrival，TOA），即收發(fā)節(jié)點間設計一同步信號，同步信號發(fā)射時發(fā)射節(jié)點同時發(fā)送超聲波，此時接收節(jié)點記下時刻t1；超聲波到達接收節(jié)點后，接收節(jié)點記下時刻t2，則到達時間t=t2-t1.假設超聲在空氣中的傳播速度為c，則發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點的測量距離為l=ct.本文中同步信號采用紅外和無線信號兩種，二者由同一IO口控制，相互補充能發(fā)揮比單一同步信號更好的性能：紅外信號可克服室內無線信號受干擾造成同步信號丟失的情況，無線信號則可克服紅外信號因障礙物遮擋造成同步信號丟失的情況.

2 性能增強設計

為了增強定位性能，本文對以上基本的超聲定位系統(tǒng)進行了一系列性能增強設計，包括如下內容.

2.1 碼分多址發(fā)射

為了擴大超聲波的覆蓋面積，系統(tǒng)包括多個發(fā)射節(jié)點，構成多源發(fā)射陣列.對于移動目標上的接收節(jié)點而言，則需要區(qū)別接收到的是哪個發(fā)射節(jié)點的信號.傳統(tǒng)的時分系統(tǒng)采用不同發(fā)射節(jié)點分時輪發(fā)的方式，當節(jié)點數(shù)目增加后，發(fā)射周期勢必會增大，從而降低了測量速率，不利于移動快動態(tài)的目標定位，而且這種方式還會受到多徑回波的干擾.另一種頻分系統(tǒng)為每個發(fā)射節(jié)點設計了一個特有的發(fā)射頻率，接收節(jié)點對不同頻率分別進行響應，從而區(qū)別出發(fā)射源；當發(fā)射節(jié)點數(shù)目增加后，發(fā)射節(jié)點的頻率會分得更細，對市面上常用的發(fā)射探頭提出了挑戰(zhàn).

本文采用碼分多址的方式對發(fā)射源進行區(qū)分，每個發(fā)射節(jié)點都分配一串全局唯一的二進制識別碼.發(fā)射時，由一個IO口輸出識別碼，另一個IO口輸出正常的超聲載波信號，二者相“與”后輸出擴頻信號，以作為發(fā)射驅動電路的信號輸入源（圖3）.識別碼設計為偽隨機M序列，實踐證明，這是一種很好的超聲發(fā)射脈沖壓縮信號，能有效提高測量精度和抗干擾能力［6］.本文正是采用了這種方式來設計

識別碼，接收節(jié)點根據(jù)識別碼解調出接收到的是哪一路發(fā)射信號.此外，當接收節(jié)點在不同時段接收到多個同一偽隨機序列編碼的信號時，則只接收最先到達的信號，后續(xù)的信號可認為是該信號的多徑發(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 廣角探頭設計

在本文的收發(fā)異體超聲定位結構中，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°）.為了擴大發(fā)射節(jié)點的覆蓋面積，本文在每個節(jié)點上布置了4個換能器，以一定角度呈放射狀排布，各個探頭由同一擴頻信號驅動，由此極大地增加了發(fā)射節(jié)點的覆蓋面積.

2.3 干擾補償設計

測量干擾包括溫度波動、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)點設計了溫度補償電路，采用DS18B20單總線數(shù)字式溫度傳感器，通過一個IO口模擬總線邏輯實現(xiàn)溫度的測量.DS18B20體積小、價格低廉、測量精度高，是可靠的溫度測量方案.對于系統(tǒng)遲延、器件誤差等系統(tǒng)誤差，采用標準值標定的方法擬合出補償曲線，實現(xiàn)系統(tǒng)誤差的補償.

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 發(fā)射節(jié)點設計

發(fā)射節(jié)點采用STM32F103VET6控制器，超聲傳感器選擇 40 kHz換能器，紅外同步信號選擇38 kHz信號，無線同步選擇 nRF24L01+低功耗單片無線收發(fā)器芯片.如圖4（見下頁）所示為超聲和紅外發(fā)射驅動電路.S1ID接 STM32的一個IO口，用以輸出偽隨機 M序列擴頻碼；PWM-40K和PWM-38K接STM32的兩個PWM輸出口，分別輸出40 kHz和38 kHz的方波信號，作為超聲和紅外載波信號.載波信號與偽隨機擴頻碼經(jīng)74HC08進行“與”操作后作為后級驅動電路的輸入，最后經(jīng)LS3和D17分別發(fā)出超聲波和紅外光信號.值得一提的是，為擴大發(fā)射節(jié)點的覆蓋面積，每一個發(fā)射節(jié)點包括4套傳感驅動電路和4個發(fā)射探頭.發(fā)射節(jié)點以100 ms為周期重復發(fā)射超聲、紅外和無線信號，從而實現(xiàn)10 Hz的目標檢測速率.無線收發(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 CE連接到一個 IO口，用以控制是工作在發(fā)射還是接收模式.無線信號與紅外同步輸出，用以提供另一種同步方式.

3.2 接收節(jié)點設計

接收節(jié)點同樣采用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）所示.當接收換能器LS1接收到超聲信號時，CX20106A的第7腳輸出低電平，否則輸出高電平.同樣，當TSOP1838SS3V接收到紅外信號時，在第1腳輸出低電平，否則輸出高電平.工作時，接收節(jié)點首先收到紅外同步信號，與TIM4-CH3相連的控制器管腳被拉低，可設置下降沿觸發(fā)的中斷，檢測第一個下降沿并進入中斷程序，在其中通過一個全局計數(shù)器來記錄同步時刻t1.隨后，當接收到超聲信號時，與TIM4-CH3相連的管腳被拉低，同樣可檢測第一個下降沿來觸發(fā)中斷，從而記錄超聲到達時刻t2.值得一提的時，除了記錄時刻t1和t2外，接收程序還要讀取偽隨機碼來判斷接收到的是哪一路信號.當收到四路信號后，主程序進行一次位置坐標計算，從而更新目標位置.接收節(jié)點也配備了nRF24L01+無線收發(fā)器，用以提供無線同步方式.

4 實驗

硬件系統(tǒng)實物圖如圖6（見下頁）所示，一塊發(fā)射板可通過杜邦線插接4個發(fā)射探頭，分散布置于天花板上；接收板包含一個接收探頭、一個紅外接收管以及DS18B20和nRF24l01+的擴展口，布置于待測移動目標上.實驗用偽隨機序列采用31位的M序列，碼元持續(xù)時間為200 us，接收端經(jīng)包絡檢波器解調出M序列，一個M序列持續(xù)的時間不超過10 ms，加上M序列間的間隔以及系統(tǒng)的定位處理時間，一個定位周期最長為100 ms，從而可以保證10 Hz的定位頻率.圖7（a）所示為某次距離測量中的原始M序列，圖7（b）所示為接收端解調后的M序列，可見接收端能很好地恢復出原始M序列.

最后進行的是室內定位實驗.實驗在一個6 m長、6 m寬、3 m高的室內封閉環(huán)境進行，存在反射多徑干擾.天花板上布置四組發(fā)射節(jié)點，連線成3 m邊長的正方形，地面上布置移動接收節(jié)點，正方形中心與接收節(jié)點的連線同豎直平面所形成的夾角記作θ.以室內某底角為原點構建基準直角坐標系，待測節(jié)點的位置記為（x，y，z），在不同的θ角下進行多組測量，每組進行10次測量，計算平均值和最大測量誤差，實驗結果如表1（見P.44.）.可見，在大偏角下系統(tǒng)仍能實現(xiàn)厘米級的定位精度，同時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 實驗硬件實物圖

圖7 偽隨機M序列

表1 定位實驗結果

5 結束語

本文設計了一種基于多源異體超聲傳感器的高性能室內移動目標定位系統(tǒng).系統(tǒng)設計為收發(fā)異體結構，同時設計了無線和紅外兩種同步信號，采用STM32 Cortex-M3的嵌入式架構，其特點是包括了一系列性能增強設計：采用碼分多址的發(fā)射方式，通過偽隨機M序列來區(qū)分發(fā)射源，同時降低了多徑干擾和環(huán)境噪聲干擾；設計廣角探頭，從而擴大了發(fā)射節(jié)點的覆蓋范圍；設計溫度補償?shù)雀蓴_補償方法，進一步提高了系統(tǒng)的測量精度.本系統(tǒng)為室內移動目標定位提供了一種廉價、可靠、擴展性強的解決方案，具有重要的應用價值.

［1］ Deng Z，Yu Y，Yuan X，et al.Situation and development tendency of indoor positioning ［J］. China Communications，2013，10（3）：42-55.

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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

北京郵電大學大學生研究創(chuàng)新基金、北京市共建項目（S-201510013027）專項資助

張沁言（1996-）女，四川宜賓人，北京郵電大學數(shù)字媒體技術與藝術設計學院2014級本科生.

王四海，E-mail：wshjlpa＠sina.com