徐盛良，魯照權(quán)，周永燕，王肖玥峰

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 安徽合肥 230009)

0 引言

導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公路交通、航天、航空、航海等諸多領(lǐng)域，而定位是導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人力資源成本的大幅度提高、智能制造技術(shù)的快速上升，企業(yè)對數(shù)字化碼頭、數(shù)字化工廠、數(shù)字化倉庫的需求越來越高。傳統(tǒng)的AGV小車通常采用循跡技術(shù)，移動(dòng)路徑是固定的，已無法滿足智能制造的要求。為了能方便地任意規(guī)劃路徑，必須尋求新的循跡技術(shù)并實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航。而室內(nèi)定位是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。

常見的室內(nèi)定位技術(shù)有超聲波[1]、紅外線[2]、超寬帶[3]、射頻識(shí)別[4](RFID)等技術(shù)，其中，基于射頻信號(hào)強(qiáng)度和超聲波是常用的定位手段。射頻信號(hào)強(qiáng)度定位成本低，覆蓋范圍廣，一般可覆蓋50 m的范圍，但是定位精度低，定位精度達(dá)m級(jí)。室內(nèi)超聲定位精度較高，文獻(xiàn)[5]在室內(nèi)無遮擋的情況下達(dá)到了10 cm以下的定位精度，但覆蓋范圍小，容易受障礙物的影響。結(jié)合射頻信號(hào)強(qiáng)度和超聲波的優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[6]將射頻信號(hào)強(qiáng)度與超聲波融合，通過壓縮感知算法及超聲波網(wǎng)格定位法，在有障礙物的情況下取得了較好的效果，但在全視距下仍有8 cm的誤差。文獻(xiàn)[7] 在Cricket室內(nèi)定位的基礎(chǔ)上，引入節(jié)能機(jī)制的方法，改進(jìn)信道分配策略，降低了系統(tǒng)的能耗和成本，但并未在定位精度上給出更多的證實(shí)。

在室內(nèi)定位中，精度是最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，還需要將系統(tǒng)的成本和能耗降到最低，并保證其安全可靠。因此，本文提出射頻信號(hào)強(qiáng)度[8]與超聲波結(jié)合的室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過粗定位階段，將定位區(qū)域進(jìn)一步縮減，降低了能耗，并采用增加定位基點(diǎn)的方法彌補(bǔ)非視距和覆蓋范圍小的不足，采用移動(dòng)平均濾波法使得數(shù)據(jù)更加可靠。

1 定位原理

移動(dòng)目標(biāo)通過射頻收發(fā)器向每個(gè)塊的中心定位基點(diǎn)發(fā)出射頻信號(hào)，讀出各信號(hào)強(qiáng)度值，比較出信號(hào)強(qiáng)度的最大值，確定出移動(dòng)目標(biāo)所處的塊，喚醒塊中各定位基點(diǎn)到工作狀態(tài)，然后移動(dòng)目標(biāo)對該塊的各定位基點(diǎn)發(fā)出射頻同步命令和超聲波，并開始計(jì)時(shí)。塊中各定位基點(diǎn)收到射頻同步信號(hào)后便開始計(jì)時(shí)，同時(shí)接收超聲波,接收到超聲波后計(jì)時(shí)結(jié)束，由定時(shí)器得出時(shí)間差，將時(shí)間差無線傳輸給移動(dòng)目標(biāo)。移動(dòng)目標(biāo)根據(jù)時(shí)間差與超聲波傳播速度計(jì)算出距離。得出移動(dòng)目標(biāo)到這些定位基點(diǎn)的距離后，尋找最小的3個(gè)距離值，通過三邊測量法[9]并考慮3個(gè)基點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)在定位區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)。

測距原理圖如圖1所示。移動(dòng)目標(biāo)向定位基點(diǎn)發(fā)射超聲波的具體步驟如下：

圖1 測距原理圖

(1)移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送命令01給確定出移動(dòng)目標(biāo)所處的塊中的各定位基點(diǎn)，喚醒定位基點(diǎn)模塊，使其處于工作狀態(tài)，定位基點(diǎn)收到移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送命令01，應(yīng)答收到命令02且返回工作狀態(tài)值81，其格式見表1。

表1 喚醒定位基點(diǎn)格式表

(2)定位基點(diǎn)處于工作狀態(tài)后，移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送RF同步命令11，立即發(fā)射N次超聲波信號(hào)。N次超聲波發(fā)射時(shí)間間隔為1 ms。定位基點(diǎn)收到超聲波獲得測距數(shù)據(jù)后，向移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送命令12，即發(fā)送測距數(shù)據(jù)，其格式見表2。

(3)移動(dòng)目標(biāo)計(jì)算出定位坐標(biāo)后，向上位機(jī)發(fā)送命令21，其格式見表3。

表2 RF同步命令格式表

表3 向上位機(jī)發(fā)送坐標(biāo)格式表

(4)上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后，發(fā)送應(yīng)答命令22，其格式見表4。

表4 發(fā)送應(yīng)答命令格式表

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

采用長為6.8 m、寬為3.4 m、高為3 m的房間作為定位實(shí)驗(yàn)環(huán)境?？紤]所選HC-SR04超聲波模塊的發(fā)射角為30°，在高為3 m時(shí)圓形照射區(qū)域的半徑為1.7 m，將平面的最小定位區(qū)域定義為1.7 m×1.7 m的方格，如圖2所示。這樣，當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)位于定位方格內(nèi)任意位置時(shí)，總會(huì)位于3個(gè)圓形照射區(qū)域內(nèi)。圖中黑色方點(diǎn)表示定位基點(diǎn)，黑色圓點(diǎn)表示移動(dòng)目標(biāo)。塊N1由1、2、3、4方格組成，中心定位基點(diǎn)為B1；塊N2由3、4、5、6方格組成，中心定位基點(diǎn)為B2；塊N3由5、6、7、8方格組成，中心定位基點(diǎn)為B3。

圖2 室內(nèi)平面圖

移動(dòng)目標(biāo)i(xMi,yMi)首先分別對塊N1、N2、N3的中心定位基點(diǎn)B1、B2、B3發(fā)送射頻信號(hào)，讀出定位基點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值為RSS1、RSS2、RSS3。比較出3個(gè)強(qiáng)度值中的最大強(qiáng)度值，確定移動(dòng)目標(biāo)位于哪個(gè)塊內(nèi)，該塊作為粗定位區(qū)域，然后對粗定位區(qū)域每個(gè)方格4個(gè)角上的定位基點(diǎn)進(jìn)行超聲波測距，尋找到最小的3個(gè)測距值。

由于聲速對溫度變化很敏感，室內(nèi)溫度變化較大，故需要對其進(jìn)行修正，修正公式[10]為

(1)

式中：v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T為室內(nèi)溫度。

測量出移動(dòng)目標(biāo)i(xMi,yMi)(i=00H-FFH)到3個(gè)基點(diǎn)(xi,yi)之間的到達(dá)時(shí)間差ti，再乘以速度v，計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)與定位基點(diǎn)之間的距離Ri。分別以定位基點(diǎn)(xi,yi)為圓心，Ri為半徑畫圓，各圓的交點(diǎn)為移動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)(xMi,yMi)。三邊測量法[11]原理如圖3所示。

圖3 三邊測量法

(2)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)定位基點(diǎn)的硬件均包含CC1101射頻收發(fā)器和HC-SR04超聲波模塊及AT89C52單片機(jī)。移動(dòng)目標(biāo)的硬件包含CC1101射頻收發(fā)器、HC-SR04超聲波模塊、AT89C52單片機(jī)、數(shù)碼管顯示、DS18B20溫度傳感器等。CC1101射頻收發(fā)器主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信和超聲波測距的信號(hào)同步。由于CC1101的工作電壓為3.3 V，AT89C52芯片的工作電壓為5 V，故需要采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LS4245才能實(shí)現(xiàn)CC1101與AT89C52的連接。移動(dòng)目標(biāo)和定位基點(diǎn)模塊的核心電路如圖4所示。

圖4 CC1101模塊、HC-SR04與AT89C52連接圖

CC1101針對工業(yè)、科研和醫(yī)療以及短距離無線通信設(shè)備而設(shè)計(jì)，可提供數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)、空閑信道評(píng)估(CCA)、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒(WOR)等硬件支持。其工作頻段為387.0～464.0 MHz。通過4線SPI接口與MCU連接，同時(shí)提供2個(gè)可設(shè)定功能的通用數(shù)字輸出引腳。超聲波模塊HC-SR04可提供2～700 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達(dá)到0.3 cm，感應(yīng)角度、探測距離可調(diào)，即HC-SR04模塊中可調(diào)電阻為392 Ω、≤15°、2～300 cm；可調(diào)電阻為472 Ω、≤30°、2～700 cm。模塊包括發(fā)射器、接收器與控制電路等。CC1101模塊、HC-SR04與AT89C52單片機(jī)連接方式如圖4所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

每個(gè)定位基點(diǎn)有一個(gè)編號(hào)，每個(gè)編號(hào)對應(yīng)確定的坐標(biāo),編號(hào)從原點(diǎn)開始。編號(hào)范圍：B0 00 00H-B0 FF FFH。例如：第000行第000列：B0 00 00H；第000行第255列：B0 00 FFH；第255行第255列：B0 FF FFH。同時(shí)也給移動(dòng)目標(biāo)編號(hào)，編號(hào)的起始字母為D，編號(hào)范圍：D0 00H-D0 FFH。

(1)定位基點(diǎn)坐標(biāo)號(hào)及ID設(shè)置。上位機(jī)通過無線通信給定位基點(diǎn)寫ID號(hào)，定位基點(diǎn)的坐標(biāo)安裝時(shí)通過人工測量獲得并通過命令61設(shè)置,定位基點(diǎn)ID號(hào)寫入成功后，則返回命令62給上位機(jī)，其格式見表5。

表5 定位基點(diǎn)寫ID號(hào)格式表

(2)移動(dòng)目標(biāo)ID 號(hào)設(shè)置。上位機(jī)通過命令71給移動(dòng)目標(biāo)寫ID號(hào),移動(dòng)目標(biāo)ID號(hào)寫入成功后，則返回命令72給上位機(jī)，其格式見表6。

表6 移動(dòng)目標(biāo)寫ID號(hào)格式表

(3)定位軟件設(shè)計(jì)。在超聲波測距之前需要讀取射頻信號(hào)強(qiáng)度，縮小定位區(qū)域。信號(hào)強(qiáng)度絕對值與距離之間的關(guān)系[12]如圖5所示。

圖5 信號(hào)強(qiáng)度絕對值與距離的關(guān)系

從圖5可以看出，距離越小，信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，因此可使移動(dòng)目標(biāo)由整塊區(qū)域縮減為在信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的區(qū)域進(jìn)行超聲波測距定位。

超聲波工作頻率為40 kHz，測距方式采用對射式測距，無線射頻RF作為同步信號(hào)。超聲波測距模塊的工作時(shí)序[13]如圖6所示。

圖6 超聲波工作時(shí)序圖

移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送射頻同步信號(hào)的同時(shí)AT89C52的P3.6給HC-SR04的Trig端口發(fā)出一個(gè)10 μs的脈沖觸發(fā)信號(hào)，然后HC-SR04的內(nèi)部立刻發(fā)出8個(gè)40 kHz的超聲波信號(hào)。當(dāng)定位基點(diǎn)接收到射頻同步信號(hào)后超聲波接收端Echo引腳為高電平并且定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，直到檢測到聲波信號(hào)時(shí)，Echo引腳為低電平，計(jì)時(shí)結(jié)束。此時(shí)，通過Echo高電平的持續(xù)時(shí)間便可算出距離。距離=高電平持續(xù)時(shí)間×聲速。

讀取信號(hào)強(qiáng)度程序流程圖如圖7所示。移動(dòng)目標(biāo)程序流程圖如圖8所示。定位基點(diǎn)程序流程圖如圖9所示。

圖7 讀取信號(hào)強(qiáng)度流程圖

圖8 移動(dòng)目標(biāo)程序流程圖

2.3 測距誤差及修正

根據(jù)超聲波的傳播特性，超聲波在空氣中的傳播質(zhì)量會(huì)隨著距離的增大而衰減。同時(shí)，超聲波測距是由對射式到達(dá)時(shí)間差來計(jì)算距離，因此，延時(shí)和同步精度以及定時(shí)器中斷產(chǎn)生的誤差，使得測量到的數(shù)據(jù)比實(shí)際值大。

圖9 定位基點(diǎn)程序流程圖

在無障礙物環(huán)境中進(jìn)行測距實(shí)驗(yàn)，溫度為25 ℃，補(bǔ)償后的聲速為346.7 m/s。測距距離從0.5 m增加到7 m，每隔0.5 m進(jìn)行1組測距實(shí)驗(yàn)，共測10組數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)測量50次，100 ms測量1次。取多次測量的樣本平均值去掉極值再平均作為實(shí)際測距數(shù)據(jù)。得到測距數(shù)據(jù)與誤差曲線圖如圖10所示。

圖10 測距誤差曲線圖

利用一元線性回歸方法對測量誤差與實(shí)測距離的關(guān)系進(jìn)行擬合，設(shè)一元線性回歸方程[14]為

(3)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量得到的n組測量誤差與距離的數(shù)據(jù)(x1，e1)，(x2，e2)，…，(xn，en)，則：

(4)

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)，由MATLAB求得一元線性回歸方程為式(6)，擬合線見圖10。

e=0.010 135x+0.001 66

(6)

距離修正公式為

x′=x-e

(7)

式中x′的修正后的距離值，m。

即通過誤差補(bǔ)償達(dá)到距離修正。修正后，平均誤差為1.1 cm，滿足高精度定位要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

3.1 靜態(tài)定位結(jié)果

分別在實(shí)驗(yàn)環(huán)境的角落、中心點(diǎn)以及其他點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)定位。每個(gè)點(diǎn)測50次取平均值。靜態(tài)點(diǎn)的定位結(jié)果見表7。其中，定位偏差由式(10)計(jì)算。

(8)

(9)

(10)

式中：(XM′i,YM′i)為移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)值；(XMi,YMi)為移動(dòng)目標(biāo)的定位坐標(biāo)值。

表7 定位偏差表 m

由表7可知靜態(tài)定位最大偏差為3.6 cm，不大于4 cm，具有很高的精度，然而還有一些誤差，比如：皮尺測量實(shí)際坐標(biāo)不準(zhǔn)確引起的測量誤差，定位基點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確引起的系統(tǒng)誤差，外界干擾引起的隨機(jī)誤差等。

3.2 動(dòng)態(tài)定位結(jié)果與誤差分析

實(shí)驗(yàn)中，小車作為移動(dòng)目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境的地面上規(guī)劃出行駛路徑，通過紅外尋跡的方法使小車以不同的速度按路徑行駛。小車上的定位模塊不斷比較B1、B2、B3之間的信號(hào)強(qiáng)度，比較一次需要1 ms，確定出粗定位區(qū)域，然后檢測出與粗定位區(qū)域各定位基點(diǎn)之間的距離，檢測一個(gè)定位基點(diǎn)的距離需要6 ms，每個(gè)粗定位區(qū)域的9個(gè)定位基點(diǎn)共需要54 ms。每個(gè)定位基點(diǎn)的每次測量值分別存放在相應(yīng)的16個(gè)緩沖單元中，每存一個(gè)新的數(shù)據(jù)就丟棄一個(gè)最老的數(shù)據(jù)。

分別計(jì)算粗定位區(qū)域每個(gè)定位基點(diǎn)16個(gè)緩沖單元中的平均值，再把粗定位區(qū)域每個(gè)定位基點(diǎn)的16個(gè)值與平均值比較，大于平均值則替換成平均值，然后再平均作為移動(dòng)目標(biāo)與該定位基點(diǎn)之間的定位距離，從9個(gè)定位距離中選擇最小的3個(gè)值作為式(2)中的R1，R2，R3。求解式(2)即可獲得移動(dòng)目標(biāo)的定位坐標(biāo)(xMi,yMi)。

每隔500 ms，上位機(jī)命令移動(dòng)目標(biāo)上報(bào)一次定位坐標(biāo)，小車速度在0.2 m/s和0.4 m/s時(shí)的軌跡如圖11、圖12所示。其中，以圓心(240,165)，半徑140 cm的圓為實(shí)際軌跡，實(shí)心點(diǎn)為定位坐標(biāo)點(diǎn)。

圖11 小車速度為0.2 m/s時(shí)的軌跡

圖12 小車速度為0.4 m/s時(shí)的軌跡

對不同的速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得速度與誤差關(guān)系如圖13所示。

圖13 動(dòng)態(tài)定位速度誤差圖

由圖13可知，當(dāng)速度變快時(shí)，誤差逐漸增大，且在實(shí)驗(yàn)中觀察到還有一定的時(shí)滯誤差，定位的坐標(biāo)點(diǎn)稍滯后于小車實(shí)際位置，隨著速度增大，這種滯后變大。

4 結(jié)束語

本文給出的室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案通用性強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠顯著減小能耗，且能夠彌補(bǔ)超聲波覆蓋面積小和非視距的不足。動(dòng)態(tài)定位能實(shí)現(xiàn)較高的精度，為數(shù)字化工廠、數(shù)字化倉儲(chǔ)以及無人分揀等定位精度要求較高的領(lǐng)域提供了參考。人機(jī)交互直觀方便，在上位機(jī)的圖形界面上，可對系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看、管理和維護(hù)。然而，目前的研究工作僅在較小的室內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)方案的可行性，要滿足較大的場合，還需要更多的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集、分析。