徐瑞超

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院 西安 710300

1 設(shè)計背景

目前,室外定位導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)較為成熟,全球定位系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)等都可以提供最高厘米級的定位精度[1-2]。但在室內(nèi)環(huán)境中,遮擋的存在導(dǎo)致衛(wèi)星信號無法使用,對此,大量研究機構(gòu)致力于尋求新的定位解決方案。在商場、醫(yī)院、辦公樓、停車場等復(fù)雜室內(nèi)場景中,人員定位與貨物位置管理服務(wù)顯得非常重要。當(dāng)前,室內(nèi)定位技術(shù)幾乎都使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò),并且定位解決方案多樣,主要有無線射頻識別技術(shù)[3]、無線保真網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]、藍(lán)牙技術(shù)[5]、蜂舞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[6]、線性調(diào)頻擴頻技術(shù)[7]等。筆者基于線性調(diào)頻擴頻技術(shù)、蜂舞協(xié)議和氣壓傳感器,進(jìn)行多信息融合,設(shè)計了室內(nèi)定位系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中,線性調(diào)頻擴頻模塊為主測距模塊,蜂舞協(xié)議模塊為輔助測距模塊?；谒O(shè)計的多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行物體定位試驗,確認(rèn)了系統(tǒng)的有效性。

2 達(dá)到時間差算法

基于測距原理的定位算法需要確定移動節(jié)點和參考節(jié)點的距離信息,常用的定位算法有基于到達(dá)角度算法[8]、達(dá)到時間差算法[9]、接收信號強度指示算法[10]。獲得距離信息之后,通過質(zhì)心算法、最小二乘法等數(shù)據(jù)處理方式求得節(jié)點的位置坐標(biāo)。基于時間的定位算法要求具有時間同步性,而實際操作中很難保證時間精確同步。為了克服時間同步偏差,筆者采用到達(dá)時間差算法。到達(dá)時間差算法示意圖如圖1所示。

采用達(dá)到時間差算法,需要測量兩個節(jié)點的往返時間差。

信號從移動節(jié)點發(fā)出后,記錄本地時間T1。信號到達(dá)參考節(jié)點后立即返回,移動節(jié)點收到返回信號,再次記錄本地時間T2。根據(jù)移動節(jié)點發(fā)送信號時間T1和接收返回信號時間T2的時間差來計算兩個節(jié)點的距離。

圖1 到達(dá)時間差算法示意圖

3 雙邊雙向定位算法

到達(dá)時間差算法雖然能夠解決時間同步性問題,并且降低了硬件成本,但是仍然存在一些誤差。不同的硬件模塊之間存在硬件處理數(shù)據(jù)延時和晶體振蕩器頻偏,這兩個因素引起了時間誤差。由于每個硬件的物理電氣特性存在差異,信息處理時間也會產(chǎn)生差異,因此各硬件之間存在時間誤差在所難免,采用雙邊雙向定位算法,可以很好地解決這一問題。

采用雙邊雙向定位算法,需要進(jìn)行兩次對稱測量,示意圖如圖2所示。從移動節(jié)點發(fā)出信號,并開始計時。信號到達(dá)參考節(jié)點并返回,數(shù)據(jù)處理延遲時間計作T1。移動節(jié)點收到返回信號后停止計時,從開始計時到停止計時的時間差計作T2。第二個信號從參考節(jié)點發(fā)出,同時開始計時。信號到達(dá)移動節(jié)點并返回,數(shù)據(jù)處理延遲時間計作T3。返回信號到達(dá)參考節(jié)點后停止計時,從發(fā)起定位到停止計時的時間差計作T4。信號的實際傳播時間為T,T1、T2、T3、T4、T之間有如下關(guān)系:

(1)

在上述定位過程中,參考節(jié)點的應(yīng)答信號返回給移動節(jié)點并停止計時,時間差T2包含了移動節(jié)點的數(shù)據(jù)處理延遲時間T3。同理可得,時間差T4中包含了參考節(jié)點的數(shù)據(jù)處理延遲時間T1。由此,信號的實際傳播時間T為:

T=[(T2+T4)-(T1+T3)]/4

(2)

通過T即可得到兩個節(jié)點間十分準(zhǔn)確的距離。

4 室內(nèi)定位系統(tǒng)原理

筆者設(shè)計的多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)由蜂舞協(xié)議模塊、線性調(diào)頻擴頻模塊、氣壓測高模塊三部分組成。線性調(diào)頻擴頻模塊作為主測距模塊,具有定位精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、能耗低等特點,在中長距離測距中能夠發(fā)揮優(yōu)勢。蜂舞協(xié)議模塊作為輔助測距模塊,可以實現(xiàn)主測距信號和輔助測距信號的融合。多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖2 雙邊雙向定位算法示意圖

圖3 多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)原理

氣壓測高模塊的作用是將計算的高度信息和溫度信息通過通用異步接收發(fā)送設(shè)備發(fā)送給蜂舞協(xié)議模塊或線性調(diào)頻擴頻模塊。

融合了主測距信號和輔助測距信號的多個測距值可以有效提高定位精度,多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)工作流程如下:通過串行外設(shè)接口總線與多點控制單元控制處理模塊實現(xiàn)線性調(diào)頻擴頻模塊的數(shù)據(jù)交互,通過天線與外部待定位節(jié)點進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的接收與傳送;采用雙邊雙向定位算法進(jìn)行測距,將主測距值傳輸至多點控制單元控制處理模塊;蜂舞協(xié)議模塊獲得的輔助測距值通過多點控制單元控制處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;氣壓測高模塊通過多點控制單元控制處理模塊獲取高度信息;最終根據(jù)線性調(diào)頻擴頻模塊、蜂舞協(xié)議模塊、氣壓測高模塊獲得的數(shù)據(jù)實現(xiàn)高精度定位。

5 物體定位試驗

常用的定位用于解決人或物在何處、去何地等問題,涉及空間和時間。在現(xiàn)實生活中,除了要獲得人或物的空間位置外,還需要明確空間內(nèi)物體的相對位置信息。與導(dǎo)航定位相同,室內(nèi)定位需要獲取物體所處位置隨時間變化的規(guī)律,不同點則是不僅需要獲取物體的絕對位置,而且需要獲取物體之間的相對位置。

物體最初位置如圖4所示。通過線性調(diào)頻擴頻模塊主測距和蜂舞協(xié)議模塊輔助測距,實現(xiàn)各個物體之間距離的高精度測量。氣壓測高模塊測量獲得不同位置物體的氣壓值,轉(zhuǎn)換為高度值,得到不同貨箱的高度信息。

圖4 物體最初位置

物體定位主要思路分為三步。

(1) 使用高度值進(jìn)行高度定位,在頂層放置最大高度值對應(yīng)的三個物體,在中間層放置中間高度值對應(yīng)的三個物體,在底層放置最小高度值對應(yīng)的三個物體。

(2) 以4號物體作為參考,基于其它各物體與4號物體的距離進(jìn)行各層的定位。假設(shè)1號、2號、3號物體在頂層,并且與4號物體的距離逐漸增大,那么與4號物體距離最近的物體應(yīng)位于第一個位置,與4號物體距離稍遠(yuǎn)的位于第二個位置,與4號物體距離最遠(yuǎn)的位于第三個位置。

(3) 通過距離和高度的測量與比較,得到各個物體之間的相對位置。

氣壓測高模塊由于數(shù)據(jù)波動性會產(chǎn)生誤差,需要將氣壓值減去自身校準(zhǔn)值,然后再轉(zhuǎn)換為高度值。穩(wěn)定狀態(tài)下1 min測量均值可以作為自身校準(zhǔn)值。

進(jìn)行多組試驗,多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)均能成功實現(xiàn)物體的相對定位,其中兩組試驗的物體真實位置與試驗結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 物體定位試驗真實位置與試驗結(jié)果對比

6 結(jié)束語

筆者基于線性調(diào)頻擴頻技術(shù)、蜂舞協(xié)議、氣壓傳感器多信息融合,采用雙邊雙向定位算法,設(shè)計了多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)。通過物體定位試驗確認(rèn)多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)具有較高的定位準(zhǔn)確性,以及良好的穩(wěn)定性和魯棒性。這一系統(tǒng)組網(wǎng)能力強,易于實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布點,成本低,適于推廣應(yīng)用。