熊 劍，周先贊，郭 杭，衷衛(wèi)聲

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.南昌大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，江西 南昌 330031)

改進(jìn)的Active Bat室內(nèi)超聲波定位方法

熊 劍1，周先贊1，郭 杭2，衷衛(wèi)聲1

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.南昌大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，江西 南昌 330031)

針對(duì)Active Bat室內(nèi)超聲波位方法中定位精度受環(huán)境溫度、硬件延時(shí)誤差、時(shí)間同步誤差等的影響，提出了改進(jìn)的Active Bat室內(nèi)超聲波定位方法。該方法在Active Bat室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)立一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，通過參考節(jié)點(diǎn)定位坐標(biāo)與實(shí)際位置坐標(biāo)獲取位置誤差修正數(shù)，修正定位終端定位誤差，以提高定位精度。室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、解算、對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，常規(guī)的Active Bat室內(nèi)超聲波定位定位平均誤差為6.93 cm；該方法定位平均誤差為1.86 cm。該方法可以有效提高室內(nèi)定位精度，定位精度提高了接近73.16%。

Active Bat；超聲波定位；誤差修正

0 引言

GPS接收機(jī)[1-2]在室內(nèi)工作時(shí)，信號(hào)受到建筑物的影響而大大衰減，無法滿足人們對(duì)活動(dòng)頻繁的室內(nèi)定位導(dǎo)航[3]。因此，如何解決室內(nèi)的高精度可靠定位成為許多專家學(xué)者們研究的重點(diǎn)。常用的室內(nèi)定位方法有紅外技術(shù)、Zigbee技術(shù)、無線藍(lán)牙技術(shù)、超寬帶技術(shù)以及超聲波技術(shù)[4-5]。在眾多室內(nèi)定位技術(shù)中，超聲波定位技術(shù)作為一種非接觸式的檢測(cè)方法，有著方向性好、縱向分辨率高、對(duì)色彩、光照度不敏感等優(yōu)勢(shì)[6-8]，在定位技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。

典型的超聲波定位系統(tǒng)有Cricket定位系統(tǒng)[9-10]和ActiveBat定位系統(tǒng)[11-12]。MIT研發(fā)的Cricket超聲波定位系統(tǒng)基于超聲波技術(shù)和射頻技術(shù)，其定位精度為10cm左右；AT&TLaboratoriesCambridge研發(fā)的ActiveBat超聲波定位系統(tǒng)將超聲波信號(hào)作為載體，采用TOA算法進(jìn)行定位，其定位精度為9cm左右。由于受到環(huán)境溫度、硬件延時(shí)誤差、時(shí)間同步等因素的影響，Cricket定位系統(tǒng)和ActiveBat定位系統(tǒng)定位精度不是很高，如果克服了這些因素的影響可以有效提高超聲波定位精度。在常規(guī)超聲波定位方法基礎(chǔ)上胡躍輝、MedinaC等[13-14]建立了聲速與溫度之間關(guān)系模型以提高定位精度，由于聲速與溫度之間模型本身存在一定的誤差，聲速的影響不能完全消除；M.M.Saad、J.R.Gonzale等人[15]將基于到達(dá)角度定位方法(AOA)用于室內(nèi)超聲波定位，其定位精度可以達(dá)到9.5cm之內(nèi)，該方法很好地解決了聲速、時(shí)間同步等因素的影響，但是未能解決硬件延時(shí)問題。本文針對(duì)上述問題，提出了改進(jìn)的ActiveBat室內(nèi)超聲波定位方法。

1 Active Bat超聲波定位方法

如圖1所示為ActiveBat超聲波定位系統(tǒng)構(gòu)成圖。其主要由中心站、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和定位終端三部分組成，其具體定位步驟為：

1)中心站發(fā)射射頻信號(hào)，作為時(shí)間同步信號(hào)；

2)定位終端接收到中心站發(fā)射的時(shí)間同步信號(hào)后，啟動(dòng)發(fā)射超聲波信號(hào)；

3)安裝在室內(nèi)固定位置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)之間的時(shí)間差，通過時(shí)間差得到定位終端到各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離信息。

當(dāng)?shù)玫?個(gè)或3個(gè)以上的距離信息時(shí)，可以根據(jù)三邊定位等算法確定定位終端三維坐標(biāo)信息。

ActiveBat超聲波定位系統(tǒng)整體定位精度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能以95%的概率使得定位誤差在9cm之內(nèi)。但是超聲波定位易受環(huán)境溫度、硬件延時(shí)誤差、時(shí)間同步誤差等因素的影響，使得定位誤差較大。針對(duì)這一問題，提出了改進(jìn)的ActiveBat室內(nèi)超聲波定位方法：在ActiveBat超聲波定位系統(tǒng)構(gòu)成基礎(chǔ)上增加參考節(jié)點(diǎn)，通過參考節(jié)點(diǎn)定位坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)對(duì)比得到誤差修正值，通過此修正值修正定位終端位置信息，得到更高精度的三維定位坐標(biāo)。

2 改進(jìn)的Active Bat定位方法

2.1 超聲波定位誤差影響因素

超聲波定位以其定位精度高的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但是其也存在一定的誤差，影響超聲波定位精度的因素主要有：

1)環(huán)境溫度影響

空氣中超聲波信號(hào)傳播速度與環(huán)境溫度存在一定的關(guān)系，如式(1)所示：

(1)

式(1)中，C為空氣中超聲波信號(hào)傳播速度，R為空氣常數(shù)，λ為氣壓熱容和定容熱容比值，M為氣體分子量，T為環(huán)境絕對(duì)溫度。由此可以看出，超聲波信號(hào)在空氣中傳播速度受環(huán)境溫度等因素的影響。超聲波信號(hào)傳播速度C與室內(nèi)溫度T之間的關(guān)系如表1所示。而超聲波定位方法通常采用TOA/TDOA測(cè)距，然后通過三球相交得到位置信息，由于聲速影響測(cè)量距離，所以會(huì)影響到超聲波定位精度。

表1 C與T關(guān)系表

2)硬件延時(shí)誤差

超聲波定位系統(tǒng)主要由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、中心站三部分組成，三部分通常由贏點(diǎn)電路設(shè)計(jì)制板而成，造成各個(gè)硬件設(shè)備上的各種芯片時(shí)延不同而影響超聲波定位精度。

3)時(shí)間同步誤差

由于射頻信號(hào)(RF)在空氣中傳播速度很快，在室內(nèi)環(huán)境下傳播時(shí)間可以忽略不計(jì)，因此室內(nèi)超聲波定位方法通常采用RF信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步。但是，即使RF傳播時(shí)間很短，但也存在一定的時(shí)間誤差以致影響超聲波定位精度。

2.2 改進(jìn)方法的提出

由2.1節(jié)可知，室內(nèi)超聲波定位誤差主要由環(huán)境溫度、硬件延時(shí)誤差、時(shí)間同步誤差等因素引起，假設(shè)其具體誤差公式如下：

δ=δt+δh+δs+δe

(2)

式(2)中δt,δh,δs,δe分別為由環(huán)境溫度、硬件延時(shí)誤差、時(shí)間同步誤差以及其他誤差引起的超聲波定位誤差。這些誤差均可看成是系統(tǒng)誤差，假設(shè)室內(nèi)環(huán)境下，由這些系統(tǒng)誤差造成的多次超聲波定位誤差在x,y,z三軸上具有一定的傾向性，即投影到各個(gè)坐標(biāo)軸上的定位誤差值是在一個(gè)常量上下徘徊，采用常量對(duì)該誤差進(jìn)行修正即可減小定位誤差；由于常量具體值無法確定，采用其中一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)坐標(biāo)軸上的定位誤差作為常量進(jìn)行修正即可減少其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)坐標(biāo)軸上的定位誤差，從而減小定位綜合誤差。室內(nèi)環(huán)境下對(duì)所提出的假設(shè)進(jìn)行了驗(yàn)證分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，從表中可以看出，定位終端在各個(gè)軸上的誤差具有一定的傾向性，假設(shè)成立。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

注：表2中所有測(cè)量數(shù)據(jù)單位均為毫米(mm)；四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)布設(shè)在室內(nèi)屋頂上，其中信標(biāo)1坐標(biāo)為(0,0,3 925)、信標(biāo)2坐標(biāo)為(1 600,0,0)、信標(biāo)3坐標(biāo)為(1 600,1 600,3 925)、信標(biāo)1坐標(biāo)為(0,1 600,3 925)。

表2中綜合誤差Δ即：

(3)

結(jié)合上述假設(shè)提出了改進(jìn)的ActiveBat室內(nèi)超聲波定位方法：在ActiveBat定位系統(tǒng)中增加參考節(jié)點(diǎn)，以提取定位誤差修正量，對(duì)定位終端定位結(jié)果進(jìn)行誤差修正以提高定位精度。其具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

(4)

根據(jù)參考站標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值與測(cè)量值提取誤差修正數(shù)Δ，其中：

(5)

(6)

根據(jù)前面得到的誤差修正數(shù)Δ進(jìn)行位置修正：

(7)

由此可知，根據(jù)參考站得到位置誤差修正數(shù)，通過位置修正方法即可精確測(cè)得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x,y,z)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成與環(huán)境

如圖2所示為改進(jìn)的ActiveBat超聲波定位方法系統(tǒng)構(gòu)成圖，在ActiveBat超聲波定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了參考站以進(jìn)行位置修正。其中，中心站用于時(shí)間同步，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)用于接收超聲波信號(hào)并進(jìn)行測(cè)距，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)用于發(fā)射超聲波信號(hào)，參考站用于獲得誤差修正數(shù)。

室內(nèi)環(huán)境下對(duì)所提出的改進(jìn)的ActiveBat超聲波定位方法進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。公式(8)為超聲波信號(hào)強(qiáng)度與傳播距離的關(guān)系表達(dá)式。可以看出，超聲波信號(hào)強(qiáng)度隨距離的增加衰減比較快，遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)不能接收到超聲波信號(hào)，大范圍室內(nèi)環(huán)境下需布設(shè)多個(gè)信標(biāo)才能保證室內(nèi)范圍內(nèi)都可實(shí)現(xiàn)定位；只能在室內(nèi)局部范圍內(nèi)驗(yàn)證所提出的超聲波定位位置修正方法，取室內(nèi)2m×2m的區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為了保證在區(qū)域范圍內(nèi)每個(gè)位置都可以至少有三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到超聲波信號(hào)，結(jié)合系統(tǒng)構(gòu)成圖在屋頂正方形區(qū)域的四個(gè)角落布設(shè)四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

U=U0e-αL

(8)

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：中心站發(fā)射射頻信號(hào)；參考站和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到中心站發(fā)送來的時(shí)間同步信號(hào)后，分別在不同的時(shí)隙間隔發(fā)射經(jīng)過超聲波信號(hào)；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到參考站及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波信號(hào)分別計(jì)算得到參考站及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)信息；根據(jù)參考站標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)取得定位誤差修正數(shù)修正目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息，實(shí)現(xiàn)精確定位。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

布設(shè)在屋頂?shù)乃膫€(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(單位：mm)分別為：信標(biāo)1(0,0,3 925)，信標(biāo)2(2 000,0,3 925)，信標(biāo)3(2 000,2 000,3 925)，信標(biāo)4(0,2 000,3 925)；取正方形區(qū)域中點(diǎn)為參考點(diǎn)坐標(biāo)為：(1 000,1 000,37)；通過參考點(diǎn)得到定位誤差修正數(shù)三維坐標(biāo)值為：(16.72, 4.07, -62.79)；定位誤差取三維綜合誤差；定位平均誤差即所有定位誤差平均值計(jì)算公式如式(9)所示。

(9)

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大，本文通過曲線圖描述超聲波定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理得到的定位誤差，如圖3所示。其中實(shí)線為常規(guī)的ActiveBat超聲波定位誤差，虛線為所提出的改進(jìn)的ActiveBat室內(nèi)超聲波定位誤差結(jié)果。對(duì)比得出：該方法可以有效提高室內(nèi)定位精度。對(duì)所采集到的多組定位誤差數(shù)據(jù)取平均值，通過計(jì)算得出：采用ActiveBat原理超聲波定位平均誤差為6.93cm；采用改進(jìn)的ActiveBat超聲波定位方法定位平均誤差減小到1.86cm，精度提高了接近73.16%。

4 結(jié)論

本文提出了改進(jìn)的ActiveBat室內(nèi)超聲波定位方法。該方法在ActiveBat室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)立一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，通過參考節(jié)點(diǎn)定位坐標(biāo)與實(shí)際位置坐標(biāo)獲取位置誤差修正數(shù)，修正定位終端定位誤差，以提高定位精度。室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：采用改進(jìn)的ActiveBat室內(nèi)超聲波定位方法可以有效提高室內(nèi)超聲波定位精度；相對(duì)常規(guī)的ActiveBat原理超聲波定位方法，該方法可以將定位精度提高73.16%，使其總體定位誤差保持在5cm之內(nèi)，適用于高精度室內(nèi)超聲波定位。

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An Improved Active Bat Indoor Ultrasonic Positioning Method

XIONG Jian1, ZHOU Xianzan1, GUO Hang2, ZHONG Weisheng1

(1.Academy of Informaition Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2.Collage of Science and Technology, Nanchang University ,Nanchang, 330031, China )

In view of the influence of environment temperature, hardware delay, time synchronization and other factors on the positioning precision of active bat indoor ultrasonic positioning method, this paper proposed an improved active bat indoor ultrasonic positioning method. A reference node was set up based on the structure of active bat indoor ultrasonic positioning system, then, the position error correction was obtained through the positioning coordinate and the actual positioning coordinate of the reference node, and the positioning error of positioning terminal could be fixed to improve the positioning accuracy. The experiment of data collection, calculation, comparison and analysis were made in indoor environment, the experimental verification showed the average error of active bat indoor ultrasonic positioning method was 6.93 cm, while the average error of improved method was 1.86 cm.

active bat; ultrasonic positioning; improve; error correction

2016-09-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41504026)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41374039)

熊劍(1977—)，男，江西撫州人，博士，講師，研究方向：多源信息融合、非線性濾波。E-mail：xiongjian@ncu.edu.cn。

TN96

A

1008-1194(2017)01-0101-05