孫嘯辰，王韋剛，許晨東，張晨，冒雨龍

（南京郵電大學(xué)，江蘇南京 210023）

目前在室內(nèi)定位領(lǐng)域，有多種定位技術(shù)和方案。UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)定位精度高，但是成本高昂，難以普及[1]。WIFI 定位需要在定位前建立起RSS(Received Signal Strength，接收信號(hào)強(qiáng)度)和室內(nèi)位置的對應(yīng)關(guān)系，前期測試工程量巨大[2]；藍(lán)牙定位易受到周圍環(huán)境中同頻段的干擾，定位不穩(wěn)定[3]；紅外線定位易受到室內(nèi)光線影響，定位精度低[4]；超聲波測距作為一種非接觸式檢測技術(shù)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用[5]，其結(jié)構(gòu)簡單、測距精度高、成本低、穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于液位測量、車輛防碰、室內(nèi)定位、移動(dòng)機(jī)器人自主避障等方面[6]。然而，在超聲波定位過程中，存在只能在特定方向上測距的問題[7-8]，并且反射式超聲波系統(tǒng)只能用于測距。針對上述問題，文中設(shè)計(jì)了一種基于對射式測距和反射錐的定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)的目標(biāo)定位。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

STM32 單片機(jī)具有高性能、低成本和低功耗的優(yōu)點(diǎn)[9]，文中在超聲波發(fā)射端與超聲波接收端都選用該單片機(jī)作為微控制器單元，負(fù)責(zé)控制HC-SR04 模塊發(fā)射和接收超聲波、測距計(jì)時(shí)、WIFI 模塊與上位機(jī)通信。由于HC-SR04 模塊的發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波角度不能滿足對射式測距的需求，因此設(shè)計(jì)的超聲波定位系統(tǒng)在發(fā)射探頭上安裝一個(gè)金屬錐，用于擴(kuò)大超聲波輻射角度。另外，超聲波發(fā)射接收裝置要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)間同步[10]，因?yàn)閃IFI 通信協(xié)議復(fù)雜，存在延時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步，因此文中巧妙地應(yīng)用了紅外同步電路，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。超聲波的傳播速度會(huì)受到溫度的影響，文中基于DS18B20 溫度傳感器設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。另外，文中還采用了ESP-01SWIFI 模塊，用于將測距數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地上傳到上位機(jī)。超聲波定位系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 超聲波定位系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該超聲波定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了定位目標(biāo)可視化顯示，具有定位精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于反射錐的超聲波模塊設(shè)計(jì)

HC-SR04 超聲波模塊發(fā)射探頭的發(fā)射角度在30°以內(nèi)，因此，對射測距范圍受到限制。但是超聲波具有方向性好的特點(diǎn)，能夠在金屬表面上產(chǎn)生反射、折射[11]，于是考慮用一個(gè)金屬錐作為反射面來改變超聲波的傳播路徑。文中將反射錐固定在超聲波發(fā)射探頭上，超聲波經(jīng)過反射錐反射后被擴(kuò)散成一個(gè)近似水平的環(huán)形波束，實(shí)現(xiàn)了水平方向360°全部覆蓋。該環(huán)形波束的垂直方向角度與反射錐頂角角度有關(guān)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文中采用頂角為60°的反射錐。該設(shè)計(jì)的反射錐有效地?cái)U(kuò)大了超聲波的收發(fā)角度。

2.2 超聲波發(fā)射與接收電路

超聲波發(fā)射電路使用HC-SR04 模塊。超聲波接收電路的發(fā)射探頭被拆下來，確保該模塊的接收端探頭不被自己發(fā)射的超聲波干擾。

2.3 紅外同步電路

考慮到超聲波發(fā)射端發(fā)射超聲波和接收端接收超聲波必須控制在同一時(shí)刻[12]，因此必須應(yīng)用同步電路。為了確保紅外接收管在任意角度都能接收到紅外線，文中巧妙地設(shè)計(jì)了一種紅外同步電路，實(shí)現(xiàn)了紅外線360°全覆蓋。

2.4 溫度補(bǔ)償電路

超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速c與溫度有關(guān)[13]。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補(bǔ)償問題。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可以表示為：

式中，T為環(huán)境溫度，單位℃；c為超聲波傳播速度，單位m/s。

為了校準(zhǔn)超聲波在空氣中的傳播速度，提高測距精度，文中在超聲波發(fā)射端配置了DS18B20 溫度傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是電路連接簡單、精度高、體積小、功耗低[14-15]。根據(jù)該傳感器測量的溫度值，結(jié)合式（1）完成超聲波傳播速度的校準(zhǔn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 定位流程

超聲波定位系統(tǒng)軟件定位流程如圖2 所示。

圖2 超聲波定位系統(tǒng)軟件定位流程

3.2 改進(jìn)的加權(quán)多維標(biāo)度定位算法

基于式（6）和（7）可以構(gòu)建估計(jì)輻射源位置向量u的優(yōu)化準(zhǔn)則，如下所示：

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 測距實(shí)驗(yàn)

超聲波定位系統(tǒng)的性能主要取決于距離測量的準(zhǔn)確性，由于受超聲波傳播距離的限制，根據(jù)文獻(xiàn)[15]的實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置，文中在5 m×5 m 的定位區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測距實(shí)驗(yàn)。分別在加入溫度補(bǔ)償電路前和加入溫度補(bǔ)償電路后，選取20 個(gè)觀測點(diǎn)，每個(gè)觀測點(diǎn)記錄100 個(gè)測距數(shù)據(jù)，并取全部數(shù)據(jù)的平均值。

4.2 定位實(shí)驗(yàn)

將超聲波發(fā)射器安裝在待定位目標(biāo)上，將超聲波接收器固定在三腳架上，確保超聲波收發(fā)器處在同一水平面上。通過WIFI 無線模塊將測距信息上傳給上位機(jī)[17]，經(jīng)過改進(jìn)的加權(quán)多維標(biāo)度定位算法解算此時(shí)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在上位機(jī)顯示標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路的有效性，將文中測距結(jié)果與文獻(xiàn)[7](JH-Chan 定位算法)、文獻(xiàn)[8](SR-Chan 定位算法)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 測距誤差對比

從圖3 可以看出，在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與原點(diǎn)之間的距離為4 m 時(shí)，文中設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路的測距誤差為1.2 cm，比JH-Chan小0.2 cm，比SR-Chan小0.4 cm，由此說明文中設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路測距誤差小，精度更高。

為了評估文中提出的改進(jìn)加權(quán)多維標(biāo)度定位算法的效果，與加權(quán)多維標(biāo)度定位算法進(jìn)行定位誤差比較，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同定位算法誤差對比

從圖4 中看出，隨著定位距離的增大，三種算法的定位誤差曲線都呈上升趨勢，其中加入溫補(bǔ)后的改進(jìn)加權(quán)多維標(biāo)度定位算法的誤差曲線上升最緩慢，并且在不同觀測點(diǎn)的定位誤差在三種算法中都最小。在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與原點(diǎn)之間的距離為5 m 時(shí)，未溫補(bǔ)的改進(jìn)加權(quán)多維標(biāo)度定位算法將定位精度提高了26%，加入溫補(bǔ)的改進(jìn)加權(quán)多維標(biāo)度定位算法將定位精度提高了38%?？梢缘贸?，文中提出的加入溫補(bǔ)的改進(jìn)加權(quán)多維標(biāo)度定位算法的定位效果更好，精度更高。

為了更加直觀地分析文中設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路的有效性，仿真得到溫補(bǔ)前和溫補(bǔ)后定位的誤差CDF(Cumulative Distribution Function，累積分布函數(shù))曲線，如圖5 所示。

圖5 定位累積誤差分布曲線

從圖5 中看出，累積分布函數(shù)值隨誤差容許度增加而變大，溫度補(bǔ)償前定位誤差在5 cm 以內(nèi)的點(diǎn)約占40%，定位誤差在4 cm 以內(nèi)的點(diǎn)約占20%。經(jīng)過溫度補(bǔ)償后，定位誤差在5 cm 以內(nèi)的點(diǎn)約占90%，定位誤差在4 cm 以內(nèi)的點(diǎn)約占50%。通過對比加入溫度補(bǔ)償電路前后的定位結(jié)果可以得出，文中設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路有助于提高定位精度。

為了更好地測試文中提出定位算法的效果，將其與JH-Chan 定位算法和SR-Chan 定位算法進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 定位誤差對比

從圖6 可以看出，SR-Chan 定位算法的定位誤差明顯低于JH-Chan 定位算法，但是，文中提出的RCMS 算法的定位誤差小于SR-Chan 算法，定位誤差在5 cm 以內(nèi)。在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與原點(diǎn)之間的距離為5 m時(shí)，SR-Chan 定位算法的定位誤差比JH-Chan 定位算法低35%，RCMS 定位算法的定位誤差比JH-Chan定位算法低43%?？梢缘贸鑫闹刑岢龅腞CMS 定位算法比同類算法定位準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了反射錐結(jié)構(gòu)，將超聲波收發(fā)角度從30°擴(kuò)大到180°；提出了基于DS18B20 溫度傳感器的溫度補(bǔ)償方案，將定位精度提高了38%；提出了改進(jìn)的加權(quán)多維標(biāo)度定位算法，在超聲波有效范圍內(nèi)，將定位誤差減小了4 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的超聲波定位系統(tǒng)定位精度為5 cm，具有較好的推廣意義。