厘米级室内无线定位方法研究

1、    厘米级室内无线定位方法研究    尹梦雪摘 要：随着经济的快速发展和业务的不断扩充，人们对定位和导航的需求也越来越大，但是，市场上的定位工具很难满足人们对精确度的要求。简要介绍了将声波与射频技术相结合完成定位工作一种方案，利用时间差测距，预计定位精度为2050 mm，以期为日后的相关工作提供参考。关键词：室内定位；超声波；电磁波；时间差：tn92 ：a doi：10.15913/ki.kjycx.2015.17.0091 方案概述定位装置包括发射装置和接收装置两部分。发射装置同时发射电磁波和超声波信号，接收装置从接收到电磁波信号开始计时，到第一次

2、收到声波信号为止，由此得到t，接收装置据此计算出其与发射装置的距离。至此，分别得到3个不同发射装置的坐标和接收装置到发射装置的距离，即可算出接收装置在空间中的坐标。2 定位原理定位装置的定位原理如图1所示。室内环境是三维立体空间，传感器节点有2种，分别为发射器和接收器节点，如图2所示，则假设发射器2节点之间的距离为l，坐标为（x，y，z），其中，x>0，y0，z0. 由于该节点发射的超声波信号方向性比较强，所以，需要合理布置发射器的节点位置。经过计算，发射器距离接收器节点平面至少要保持大约180 cm的距离。如图3所示，超声波信号到达接收器的路径有2条，分别是直接到达的路径p1和通过反射

3、到达的路径p2。假设2条路径分别为l1和l2，信号沿这2条路径到达接收器的时间间隔为t，例如l1-l2=2 m，t=（l2-l1）/v，则t6 ms。设超声波发射器与接收器之间的距离为r，则传播时间为r/v。超声波发射的脉冲持续宽度是tus，则超声信号可以在时间dus=r/v+tus内消失。因此，发射器的超声信号在时间间隔dus内将消失，发射器发射的rf信号由于时间短也会消失，即如果2个发射器信号传播的间隔时间大于dus，那么，接收器在接收信号时不会产生干扰。在规定的距离内，本文采取将发射器的发射时间间隔调为最小dus的方法将发射器之间的干扰最小化。在静态过程中，接收器可以同时接收3个及以上的

4、发射器信号，并通过式（1）得到距离值。式（1）为：3 硬件结构3.1 微控模块该方案选用p89v51芯片，芯片核心处理单元为80c51。3.1.1 考虑到测量精度由于测距的误差要求小于1 mm，超声波速度c=344 m/s（在20 室温下），则测距误差t<（0.001/344）0.000 002 907 s=2.907 s。只要保证时间差达到微秒级，那么，测距误差就可以小于1 mm。因此，系统采用89c51定时器能保证时间误差在1 mm的测量范围内。3.1.2 电源模块直接使用市面上销售的手机充电器，从220 v民用电中得到5 v直流电。3.1.3 串行通信模块串行通讯电路存在于控制系统

5、的发射端和接收端，用于接收pc机发出的指令，并调试程序。3.2 rf模块rf模块主要用于实现信号的发射和接收。该模块的作用是通过信号发射和接收芯片cc1100来实现的。在该系统中，设置该芯片的频率为433 mhz，这样可以实现高效率、高可靠性的数据传送。控制过程可以分为参数初始化配置、接收数据和发射数据3部分。3.3 超声波发射模块多谐振荡电路输出信号是由时基电路及其外围元件构成的。由于超声波传感器的中心频率为40 khz，所以，要求驱动发射头的信号频率也必须为40 khz。在理想情况下，驱动信号应为正弦波形或占空比为1的方波。在发射探头允许的电压范围内，驱动信号的幅值要尽量大，这样才可以获得

6、较大的发射功率，进而扩大系统的测量范围。3.4 超声波接收模块该系统的超声检测电路采用集成芯片cx20106a。这是一款用于接收红外线检波的专用芯片，它是由前置放大器、陷波放大器电路、带通滤波电路、陷波放大器电路、波形整形电路和峰值滤波器等组成。常用的载波频率为38 khz，与测距所有的超声波频率40 khz比较接近，因此，可以把它作为超声检波电路。当超声波接收端接收到40 khz的方波信号时，超声信号会转换成电信号。这个信号经过cx20106a放大、滤波、整形后输出负脉冲电压，驱动放大器将信号送入单片机的外部中断口。单片机在得到外部中断请求后，会转入外部中断的中断服务程序作处理。3.5 温度补偿模块因为声速对温度变化的表现比较敏感，并且室内昼夜有一定温差，所以，为了减小测距误差，温度补偿是不可忽略的。声速修正采用式（2）修正：本文利用温度传感器ds18b20测量温度。4 结论在复杂的室内环境中，比如地下停车场、大