室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

孫露露 崔 澤 周 靜 楊 舒 韓會(huì)杰 李潤鑫

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院

基于超聲波定位的原理，本文設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的定位方法。主要研究了超聲波三球定位算法，并提出了定位人員朝向的設(shè)計(jì)方案，完成實(shí)際系統(tǒng)的搭建，并針對(duì)多名快速移動(dòng)人員進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可高精度快速度的完成人員位置定位及朝向定位。

引言

目前，能對(duì)室內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行快速、精確定位，同時(shí)具有高性價(jià)比的系統(tǒng)的開發(fā)引起了人們的關(guān)注。對(duì)煤礦地下人員進(jìn)行定位可以有效防止人員進(jìn)入危險(xiǎn)地帶，還可以在事故中快速完成搜救；對(duì)地下停車場(chǎng)中車輛進(jìn)行定位，可以輔助完成車輛停車，也可以滿足租賃汽車行業(yè)對(duì)所租車輛在GPS 無法覆蓋的地下車庫中的定位需求；在舞臺(tái)上，燈光跟蹤演員時(shí)靠人眼不夠準(zhǔn)確快速，對(duì)演員精確的定位可很好的滿足燈光跟隨的要求；在室內(nèi)反恐訓(xùn)練及行動(dòng)中，對(duì)武警進(jìn)行精確快速定位有助于戰(zhàn)術(shù)的訓(xùn)練、制定及評(píng)估。由此可見，室內(nèi)定位具有廣闊的應(yīng)用前景。

室內(nèi)定位技術(shù)主要有紅外線技術(shù)、ZigBee 技術(shù)、無線藍(lán)牙技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、超聲波技術(shù)、超寬帶技術(shù)和光跟蹤技術(shù)。與其他技術(shù)相比，超聲波技術(shù)定位精度高，定位速度快，產(chǎn)品成本較低，設(shè)備易于安裝，定位目標(biāo)所攜帶標(biāo)簽體積小，受環(huán)境影響小、抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好的滿足室內(nèi)定位的需要。

研究方法

室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)原理

室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)為一種房屋、樓宇環(huán)境下室內(nèi)目標(biāo)的聲波定位技術(shù)，尤其涉及多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)聲波定位。為實(shí)現(xiàn)特警戰(zhàn)士反恐訓(xùn)練目標(biāo)，將無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和聲學(xué)定位技術(shù)相結(jié)合，提供一種高精度的復(fù)雜樓宇環(huán)境定位技術(shù)。其定位過程是：首先，由“無線查詢-同步”控制系統(tǒng)（WISC）發(fā)射定位查詢指令，移動(dòng)目標(biāo)（標(biāo)簽）在WISC 的指令下定時(shí)發(fā)射超聲脈沖。與此同時(shí)，空間分布的定位傳感單元也在該WISC 指令同步下接收超聲脈沖，通過以太網(wǎng)將定位數(shù)據(jù)傳輸給WISC 系統(tǒng)，WSIC根據(jù)傳播時(shí)延測(cè)距直接解算標(biāo)簽位置，最后及圖像處理終端。如圖1 所示。

定位系統(tǒng)由三個(gè)組成部分：WISC 無線控制系統(tǒng)、有源聲學(xué)標(biāo)簽和定位傳感單元。定位傳感單元一般是一個(gè)房間設(shè)置一個(gè)，有源聲學(xué)標(biāo)簽一般是十多個(gè)。將多個(gè)房間的數(shù)據(jù)最后在WISC 系統(tǒng)中進(jìn)行圖像模擬顯示，最終完成多移動(dòng)目標(biāo)、多房間的實(shí)時(shí)定位。

室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無線控制系統(tǒng)（WISC）設(shè)計(jì)

無線控制系統(tǒng)（WISC）主要完成2 項(xiàng)工作：

1）與聲學(xué)定位標(biāo)簽進(jìn)行無線通訊，WISC 需要對(duì)系統(tǒng)中的所有標(biāo)簽和定位傳感單元逐個(gè)進(jìn)行自檢（無線），其中，標(biāo)簽發(fā)射的回復(fù)指令由定位傳感單元接收后通過以太網(wǎng)傳回給WISC，定位傳感單元的回復(fù)指令直接通過以太網(wǎng)傳回給WISC。WISC 需要針對(duì)指定標(biāo)簽發(fā)出定位查詢指令，標(biāo)簽在收到WISC 的定位查詢指令后，發(fā)射自身狀態(tài)信息（主要是羅經(jīng)參數(shù)），由定位傳感單元接收后通過以太網(wǎng)傳回給WISC。

2）WISC 需要將收到的超聲波接收延時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得出定位標(biāo)簽的準(zhǔn)確位置，并將位置數(shù)據(jù)和標(biāo)簽傳送的羅經(jīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理，得到模擬的空間位置圖像。

圖1

其定位算法采用三球定位算法。將超聲波的時(shí)間差定義為一組聲波數(shù)據(jù)。聲波數(shù)據(jù)與聲速的乘積就為聲源到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際距離，利用三組超聲波數(shù)據(jù)，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三球定位。三球定位法中目標(biāo)的位置是由以各站為圓心，以各站同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離為半徑的三個(gè)球的交點(diǎn)來確定。實(shí)際環(huán)境中，我們根據(jù)定位空間的大小搭建了一定數(shù)量的測(cè)試點(diǎn)，將同一時(shí)刻接收到信號(hào)最強(qiáng)的三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)定義為有效數(shù)據(jù)。現(xiàn)有8 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，假設(shè)選中的測(cè)試點(diǎn)為1 號(hào)、3 號(hào)、7 號(hào)。坐標(biāo)分別一記為（X1，Y1，Z1），（X3，Y3，Z3），（X7，Y7，Z7），信源到達(dá)3個(gè)測(cè)量站的時(shí)間分別為t1，，t2，t3，超聲波在空氣的傳播速度為C，則利用三球進(jìn)行定位的公式為：

通過對(duì)超聲波的物理特性的分析，我們知道超聲波在空氣中傳播時(shí)，溫度對(duì)超聲波的傳播速度有很大的影響

R——?dú)怏w普適常數(shù)；

T——?dú)怏w絕對(duì)溫度；

M——?dú)怏w分子量。

在通常情況下，上式中R、M 對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度影響不大，可視為常量看待。在本系統(tǒng)中，在每個(gè)溫度上下5 OC，均以10 OC 取整，如表1。

表1

由式1、2、3、4 可得出聲學(xué)標(biāo)簽位置（X，Y，Z）。

由于本系統(tǒng)主要用于人員的定位，所以設(shè)計(jì)了人員朝向解算功能。

定位標(biāo)簽發(fā)送給WISC 的羅經(jīng)數(shù)據(jù)中含有3 組16 位的羅經(jīng)數(shù)據(jù)及加速度g 的數(shù)據(jù)。計(jì)算原理如下：

如圖2，坐標(biāo)系的X、Y軸在水平面內(nèi)，X軸為前進(jìn)方向，Y 軸垂直于X 軸向右，Z 軸沿重力方向向下，從磁北方向順時(shí)針到X 軸的夾角即為方位角α。俯仰角φ 為加速度羅經(jīng)系統(tǒng)縱軸與水平面之間的夾角，滾轉(zhuǎn)角θ 為加速度羅經(jīng)系統(tǒng)Z 軸與過X 軸的鉛垂面之間的夾角。當(dāng)加速度羅經(jīng)系統(tǒng)不水平時(shí)，測(cè)得重力加速度g 在加速度羅經(jīng)系統(tǒng)三軸方向的分量分別為Ax，Ay，Az，則根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系可求得俯仰角和滾轉(zhuǎn)角為：

此時(shí)，磁傳感器測(cè)出的地磁場(chǎng)在加速度羅經(jīng)系統(tǒng)三軸方向的分量為HX，HY，HZ，由坐標(biāo)關(guān)系得水平方向磁分量：

Hx=HXcos q -HZ sin q

Hy=HXsin f sin q+HZ sin f cos q

圖2

可求得方位角

角即為待定位人員朝向與正北方向的夾角。

當(dāng)多個(gè)定位標(biāo)簽同時(shí)移動(dòng)時(shí)，沒間隔30ms 對(duì)多個(gè)標(biāo)簽各定位一次，得到每個(gè)標(biāo)簽的不同時(shí)刻的位置數(shù)據(jù)和羅經(jīng)數(shù)據(jù)，然后對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行建模，將各個(gè)定位標(biāo)簽的軌跡直觀的顯示出來，即完成了位置解算、朝向解算以及圖像顯示。

聲學(xué)標(biāo)簽設(shè)計(jì)

在硬件上聲學(xué)標(biāo)簽使用了9 個(gè)模塊：電源模塊、穩(wěn)壓模塊、MCU 模塊、羅經(jīng)模塊、加速度模塊、無線模塊、JTAG 模塊、功放模塊、發(fā)聲系統(tǒng)。電源提供電給穩(wěn)壓模塊，穩(wěn)壓模塊將電壓穩(wěn)定于3.3V，用于給其他7 個(gè)模塊供電。硬件結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。MCU 模塊采用超低功耗的MSPF430F1611 單片機(jī)，并使用了其中的DMA 模塊。羅經(jīng)模塊采用了HMC5983 芯片，并對(duì)其進(jìn)行I2C 通訊，配置使用其中的羅經(jīng)定方向的功能。加速度模塊采用了KXTF9 芯片，并對(duì)其進(jìn)行I2C 通訊，配置使用其中的加速度定方向的功能。無線模塊采用了TI 公司的CC1101芯片，并對(duì)進(jìn)行了SPI 通訊，控制發(fā)送和接收無線信息。功放模塊采用了LM4880 芯片，對(duì)該芯片進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)，完成了信號(hào)的放大及驅(qū)動(dòng)功能。發(fā)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)了1：50 的小體積變壓器，發(fā)聲傳感器，完成了電信號(hào)到聲學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)化。

在軟件設(shè)計(jì)上，其流程圖如圖4。當(dāng)上位機(jī)通過無線模塊呼叫標(biāo)簽后，MCU 模塊開始把聲學(xué)數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的DMA 發(fā)送給功放模塊，功放再將電壓信息進(jìn)行放大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)后面的發(fā)聲系統(tǒng)，放大后的電壓信號(hào)傳給聲學(xué)系統(tǒng)，聲學(xué)系統(tǒng)中含變壓器，最后轉(zhuǎn)換成聲學(xué)信號(hào)即超聲波發(fā)出；同時(shí)，MCU 通過I2C 與羅經(jīng)模塊和加速度模塊進(jìn)行通訊，接收它們收集的羅經(jīng)與加速度數(shù)據(jù)，然后 MCU 將這些信息通過無線模塊傳遞給上位機(jī)。

傳感定位單元設(shè)計(jì)

傳感定位單元主要完成超聲波信號(hào)的接收，AD 轉(zhuǎn)換。其核心部件是超聲波接收探頭。接收探頭由超聲波傳感器和傳感器外圍電路構(gòu)成。

本系統(tǒng)采用壓電式超聲波傳感器。壓電式超聲波傳感器常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超聲波傳感器其主要由金屬網(wǎng)、外殼、揚(yáng)聲器、壓電晶片、底座、引腳等部分組成。其接收頻率主要在25KHz 左右。

表2

圖3

圖4

圖5

研究結(jié)果和分析

在長8 米，寬4 米，高4 米的空間中搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖5 所示。屋頂?shù)?、2、3、4、5、6、7、8 號(hào)為超聲波接收探頭，傳感定位單元的主要組成部分。A、B、C為帶定位人員，人員各攜帶一枚聲學(xué)定位標(biāo)簽。當(dāng)各人員在室內(nèi)開始移動(dòng)，由WISC 系統(tǒng)每30ms 發(fā)送一次定位查詢指令。

在標(biāo)簽接收到查詢指令后通過單片機(jī)內(nèi)部DA 發(fā)出26KHz 的超聲波，其波形如圖6，圖7 反映單片機(jī)輸出電壓的電平特性。

圖6

圖7

傳感定位單元在接收到超聲波信號(hào)后，將數(shù)據(jù)傳給WISC 系統(tǒng)。解算數(shù)據(jù)如表2 所示。

WISC 系統(tǒng)解算出的人員位置高度誤差在5cm 內(nèi)，平面位置誤差在10cm 內(nèi)，定位速度在30ms 內(nèi)，人員朝向誤差在5°以內(nèi)。該精度能夠滿足室內(nèi)人員定位要求。

小結(jié)

本文提出了一種室內(nèi)人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)能滿足多目標(biāo)在快速移動(dòng)中的跟蹤定位。同時(shí)對(duì)位置解算方法作了深入研究，并且針對(duì)人員定位的特殊性增加了確定人員朝向的設(shè)計(jì)。在實(shí)際環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明能在30ms 內(nèi)對(duì)多移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行精確到10cm以內(nèi)的定位，人員朝向確定誤差在5°以內(nèi)，可以滿足人員室內(nèi)定位的需求。

本系統(tǒng)可實(shí)際使用于室內(nèi)反恐訓(xùn)練作戰(zhàn)人員定位、煤礦井下人員管理及搜救定位、地下停車場(chǎng)車輛定位及舞臺(tái)燈光跟蹤演員時(shí)的人員定位等。