基于cdma室内超声波三维定位系统设计学士学位论文.docx

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基于cdma室内超声波三维定位系统设计学士学位论文

编号

本科生毕业设计

基于CDMA室内超声波三维定位系统设计

CDMA-basedindoorultrasonicthree-dimensionalpositioningsystemdesign

摘要

本系统结合射频通信低成本、低功耗的特点和超声波定位精度高的特点，而避开它们的缺点，如单独的射频识别定位精度不高、超声波测距的覆盖范围有限。

提出了一种基于CDMA室内超声波三维定位系统，能达到较高的定位实时性和厘米级的定位精度。

本系统具有快速定位和定位精度高等优点，并且能实现多个移动目标节点的定位，使多目标同时定位或导航的应用成为可能，特别适用于多目标的室内协同工作，如井下人员的精确定位、医疗监护、远动捕获以及室内无人机和机器人的航迹规划等。

关键词：

CDMA三维动态定位射频同步超声波

ABSTRACT

Thesystemcombinestheadvantagesoftheradiofrequencycommunicationssuchaslow-cost,lowpowerconsumptionandhighprecisionoftheultrasonicpositioning.whileavoidingtheirdisadvantages,suchasseparateradiofrequencyidentificationaccuracyisnothigh,thelimitedcoverageofultrasonicranging.Weproposedathree-dimensionalindoorultrasonicpositioningsystemthatbaseonCDMAtechnology.Itcanachievehighlocalizationandreal-timecentimeter-levelpositioningaccuracy.ThesystemisfastpositioningandhighprecisionpositioningThesystemcanachievethepositioningofmultiplemobiletargetnodes,sothatmulti-objectivepositioningornavigationapplicationsalsobecomepossible,especiallyforthemulti-objectiveworkintheroom,suchasthepreciselocationoftheundergroundpersonnel,medicalcare,capturetheremoteobject,indoorUAV,andpainingthepathoftherobotandsoon.

Keywords:

CDMA；Three-dimensionaldynamic；RFsynchronization；Ultrasonic

第1章绪论

1.1课题研究目的和意义

现今的“位置服务”领域非常的火热，但其大部分都是服务于户外移动用户。

例如，在开阔的室外环境中，全球定位系统（GPS）目前已能提供非常精确的定位信息。

但是，在工农业生产、军事国防中，经常需要在室内环境下对目标定位物进行定位和监测。

例如，在工业控制现场、机器人和移动车、安全防护、矿井作业环境等都需要准确的室内定位信息来实现空间上的高效控制。

与室外环境相比，室内环境要复杂的多，建筑物的结构、内部布局情况，还有许多人为限制因素等都会对室内定位的准确性产生影响。

在很多实际场合，GPS信号也可能无法穿透房间的建筑材料而难以用于室内环境。

生活中，大型商场、医院、大型地下停车场等室内或地下环境当中。

GPS等室外定位技术往往会不能正常工作，甚至彻底失效，然而在这些场所当中确实存在着位置感知需求。

很多人都有过这样的感受，当到达一个陌生的地方不得不进入一个大型的地下商场或者停车场时会完全失去方位感，从而在其中迷路。

如果是大型商场还可以向其他人问路，如果是地下停车场这样的无人值守设施的，一旦迷路只能到处乱找，看着周围几乎一模一样的设施以及不知所云的路标，心情一定很焦急。

如果这个时候有一套室内定位导航系统能够告知你的位置，指引你到你想要去的地方你一定会感到舒服多了。

本课题针对室内超声波定位系统具有定位精度高，成本相低廉，终端运算量较小等的优点，提出了基于CDMA室内超声波三维定位系统技术。

1.2国内外研究现状和前景分析

1.2.1国内现状

华南理工大学（广州）的个人位置跟踪系统是射频识别系统（RFID）在个人定位上的应用，基本原理是通过定时发射基站发射同步时钟信号，手持台接收到该信号后，按照一定的次序同接收基站进行数据交换[7]。

解放军电子工程学院，复旦大学，上海交通大学南开大学等研究机构都曾对基于接收信号强度指示（RSSI）的室内定位技术进行过研究。

吉林大学，上海交通大学等研究机构曾经对红外-超声定位技术进行过研究。

南京邮电大，复旦大学等研究机构曾经对UWB[10]位技术进行过研究，UWB定位技术有定位精度高，不易受到干扰，实时性好等优点，但是应用范围受到无线电管理相关法律的限制，目前美国FCC允许在一定条件下使用UWB。

1.2.2国外现状

1、ActiveBadge[19]：

采用了扩散红外线技术。

每个用户需要携带一个小的红外线标记设备。

ActiveBadge定位系统是根据近似法来估计用户的位置。

由于采用的是红外线技术，当环境中有荧光灯或直射阳光时，会产生假的红外线散射，这使得ActiveBadge在定位时会有些困难。

此外红外线只有几米的有效范围，这就限制了定位环境是小型或中型的房间，在大房间内则需要安装多个红外线信标机。

2、ActiveBat[20]：

采用超声的传输时间延迟技术。

控制器发送射频请求包，同时利用有线网络向设置在屋顶的传感器发送一个同步复位信号。

定位目标携带有ActiveBat标签。

Bat标签收到控制器发送的射频请求包后，发射超声脉冲到屋顶放置的传感器。

屋顶的每个传感器测量出从复位到超声到达的时间间隔，并计算出Bat标签到它的距离。

本地控制器向中心控制器提交距离测量值，中心控制器再进行延迟计算。

从Bat标签到传感器，如果超声脉冲是经过反射，而不是沿直线路径传输，将产生错误的传感器测量值，而用统计修正可以减少这种误差。

ActiveBat提供了比ActiveBadge系统更高的定位精度。

3、RADAR[21]定位系统：

RADAR是基于IEEE802.11无线局域网技术的室内跟踪定位系统。

根据基站测量无线设备发射的信号场强和信噪比，系统计算出建筑物内定位目标的二维位置。

该系统优点是：

需要的基站不仅少，而且实现了建筑物内的无线上网、位置感知等多种功能。

两大缺点是:

第一，跟踪定位的物体必须支持无线局域网，这对于低功率的小型设备来讲是不切实际的;第二，它只是二维定位，并不适用于多层建筑内的定位，或者建筑内的三维定位。

4、Cricket[22]系统依靠遍布于墙壁和天花板上的信标通过无线电信道向外发布信息。

每当信标发送RF消息的同时还并行传出一个超声脉冲。

被定位物体或移动用户携带的监听器一旦收到RF消息的前几位，便继续监听随后的超声脉冲。

当脉冲到达时，根据无线信号和超声波信号传播速度的差异计算出信号从信标到该监听器之间的距离。

它实现了几何测量和近似法两种定位技术，当接收到多个信标的信号时利用几何测量计算位置；如果只有一个信标的信号，就采用近似法。

Cricket里的信标和监听器是非常相似的硬件设备，可以相互变换，完全通过软件来控制。

由于Cricket的位置计算过程是在用户端运行，所以能够较好地保护隐私信息。

不足之处在于缺乏集中的管理或监控，对于移动接收端还有计算负担和能耗的负担。

5、SpotON[23]是一个利用RFID的点对点定位系统。

它通过无线电信号强度的衰减来测量信号经过的距离。

设计者将点对点的网络通信与定位的思想结合在一起，每个用户或物体上附有一个RFID标签，通过估计各个RFID标签间的距离给出用户间的相对位置。

因此，SpotON既可以提供用户的绝对位置，也可以提供相对位置。

这使得系统还可以利用越来越多加入进来的参与者来提高定位的准确度。

虽然已经设计出一些硬件，但完整的系统到目前还没有建成。

1.2.3前景分析

尽管国内外对室内定位技术的研究已经进行了很多年，取得了长足的进展，但总的来说这项技术并不成熟，成功的商业应用并不多见。

并且以上几个系统都存在的不足，使得它们尚处在研究阶段，仍然有很多可以改进的地方。

同时，生活生产对室内定位系统的迫切需求，例如军事上的城市反恐，工业上的设备监测和故障诊断，以及商业导航和医疗监护等。

因此，研究针对室内特定环境的定位和系统迫切需要开辟新的途径和方法。

1.3本文主要研究内容

室内定位技术多种多样，各具优缺点。

由于不同的定位技术所采用的介质和技术各不相同。

比如采用距离或角度测定，干扰和冲突的避免，根据距离/角度得到坐标的算法等方面有很多相似之处，本文通过对各种室内定位技术的比较，提出一种定位精度高，保密性好，功耗小的定位系统——基于CDMA室内超声波三维定位系统。

本文主要章节及内容如下：

第一章介绍了室内定位系统的发展现状，讲述了课题的研究内容和研究意义。

第二章主要介绍了超声波定位的原理，以及超声波测距及其定位算法，并阐述了本系统的工作原理。

第三章首先介绍CDMA技术，其次重点介绍了本系统调制与解调的过程。

通过软件仿真进一步证明本方案的可行性。

第四章是硬件设计，主要介绍本系统的各部分硬件电路组成。

第五章通过对实验数据分析指出系统中可能产生误差的原因，通过对实验结果的总结，并提出改进方案。

第六章对本系统设计过程进行总结并且对后续工作展望。

第2章超声波定位原理

2.1超声波定位系统实现方式及比较

2.1.1超声波技术

所谓超声，是相对于人耳的听域范围而言的。

正常人所能听到的声音频率在20Hz－20kHZ范围内，频率低于20Hz或高于20kHz人耳都听不到。

人们将频率高于20kHZ的波称为超声波。

超声波属于机械波，超声波在空气中传播几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响。

现代超声应用中，超声波一般由超声换能器产生和接收。

超声波换能器实质上是一类机电能量转换装置。

按其工作原理可分为压电式、电磁式和磁致伸缩式

等三种。

目前，常见的超声波换能器一般都是压电式的。

它是利用压电材料的正逆压电效应来工作的。

超声波传感器分为发射换能器和接受换能器，既能发射超声波又能接受发射出去的超声波的回波。

超声换能器的种类很多，按照其结构可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头、双探头（一个发射，一个接受）、聚焦探头（将声波聚集成一束）、水浸探头（可浸在液体中）以及其它专用探头。

在本系统中采用双探头超声波传感器，如图示。

图2-1超声测距传感器实物

2.1.2超声波定位系统实现方式

根据信号传递方向不同，超声定位系统可以分为如下三类：

1、倒GPS超声定位系统[25]：

在GPS导航定位系统中，定位物体只接收信号，不发送信号，信号只由卫星进行广播。

与GPS定位系统的信号传递方向相反，在常规超声局部定位系统中，定位物体只发送信号，不接收信号，信号由定位物体发送,基站只进行接收信号。

所以，可将常规超声局部定位系统称为“倒GPS’定位系统。

2、应答超声波定位系统[25]：

包括上行应答和下行应答。

上行应答是指一个基站发出呼叫信号，定位物体应答，所有基站接收应答信号。

与上行应答相反，下行应答方式又称二次雷达方式，它首先由定位物体发出呼叫信号，所有基站应答，定位物体接收应答信号并估计与基站之间的距离。

应答式定位方法在水声定位系统中广泛采用，例如：

如海洋油气开发、深海矿藏资源调查、海底光缆管线调查与维护等，需要声学定位系统（AcousticPositioningsystem）对水下拖体进行导航定位，如水下遥控机器人ROV（RemotelyOperatedvehicle）、水下无人机器人UUV（UnmannedUnderwaterVehicles）等。

3、类GPS超声波定位系统[25]：

在类GPS超声波定位系统中，用超声波取代电磁波，用在固定位置处配置的超声波发射传感器（基站）取代GPS中的空间卫星星座。

定位物体只接收信号，不发送信号，信号只由基站进行广播，定位物体根据接收信号估计与各个基站之间的距离。

本系统设计采用类GPS超声波定位方式，信号只由基站发射，定位物体接收并处理信号从而得到当前的状态参数，通过计算得到定位物体坐标。

2.2超声波测距及定位算法

2.2.1TOA（到达时间）测距

TOA（TimeofArrival）测距是根据已知的信号传播速度和测量的信号传播时间，实现定位。

TOA定位，就是测量出两个或多个参考点与目标点之间的信号传播时间，从而分别得出目标点与各参考点之间的估计距离，以各参考点位置为圆心，相应的与目标点间的距离为半径画圆，可以得到两个或多个圆，这些圆的交点从理论上讲就应该是目标点在二维平面上的位置。

几何原理如图2-1所示，图中B1，B2，B3分别代表参考节点1，2，3。

r1，r2，r3分别表示参考点到目标点间的估计距离，交点X就代表目标节点的估计位置。

图2-2TOA原理图

2.2.2AOA（到达角度）测距

AOA[26]（AnglesofArrival）测距是通过参考点接收器天线阵列测出目标点发射的AOA，形成一根从参考点到目标点的径向连线，即方向线。

由2个参考点得到的2根方向线的交点就是目标点的位置，如图2-3所示。

因此，AOA算法只需要个参考点就可以确定位置，而2条直线只有一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象。

图2-3AOA原理图

2.2.3TDOA（到达时间差）测距

基于TDOA测距原理是发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。

具体算法如图2-4所示。

设无线信号的传播速度为c1，超声波传播速度为c2，则它们的速度差为S，可由

（1）式计算得到。

则接收端到发射端的距离d可由

（2）式得到。

图2-4TDOA的原理图

（1）

（2）

基于测距的定位算法有很多种，如RSSI（接收信号强度）、TOA（到达时间）、AOA（到达角度）、TDOA（到达时间差）等，从多方面考虑，TDOA定位技术更适合本系统。

TDOA定位原理发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。

由于本系统中无线信号采用射频信号，其传播速度（大约为3*108m/s）接近光速，远大于超声波的传播速度（常温下，大约为340m/s）。

工作过程中，已知参考节点同时发射超声波和射频信号，经过一段时间，待定位节点首先接收到射频信号并开始计时，再经过一段时间，再接收到超声波信号时计时结束。

超声波传播的时间则是两个时间的和。

射频信号的传输时间可以忽略不计，而只取后一段时间，因此测量距离就等于测出超声波传播速度和两种信号到达接收端的间间隔的乘积，即到达时间差法（TDOA－TimeDifferenceofArrival）。

最后接收端到发射端之间的距离d就简化成（3）式

（3）

2.2.4三边定位算法

在测得距离的前提下，设计了以下定位方法。

首先在室内空间建立坐标系，选定三个参考点1、2、3，设待定位的目标点为M，它们的空间坐标如图2-4所示，其中参考点坐标己知，目标点坐标未知。

三个参考点选在同一参考平面上，可选室内地板作为此参考平面。

其中点1定为整个室内空间坐标系的原点，分别与点2、点3构成X轴、Y轴。

确定需要定位的目标点后，使用系统硬件手段和软件程序测出目标点和三个参考点的距离l、m、n，算出目标点的坐标值。

式中变量如图2-5所示。

图2-5定位原理图

空间中任意一点M（X，Y，Z）到三个确定点1（0，0，0）、2（x，0，0）、3（0，y，0）的距离分别l、m、n，侧有：

（4）

由（4）式推导后可以得到点的坐标为

（5）

因此，可知测出l、m、n即可得到点M（X，Y，Z）。

通过三边定位可以得到空间任一点的坐标，从而完成三维定位。

2.3超声波定位系统组成及工作原理

本系统由中心站、信标和目标节点组成。

整个系统的工作过程是：

①中心站通过射频模块周期性的发送同步控制指令（包含各个信标的位置信息）；②各个信标收到该指令后，立刻向目标节点发送扩频超声波信号；③目标节点收到该同步指令后，立刻启动定时器，同时采集超声波信号，并把指令中的有用信息（各个信标的位置信息）存储起来，方便后续定位使用；④超声波信号到达目标节点时，取出定时器的计数值，得到时间T，由d=C*T（C为常温下超声波的传播速度）得到信标到目标节点的距离，当收到多于三个信标的信号时，便可做定位算法运算。

对采集到的超声波信号进行相关处理，确定是几号基站发过来的超声波信号，从而确定目标节点的三维坐标。

本系统的示意图如图2-6所示。

本系统工作流程图如图2-7所示。

图2-6本系统的示意图

图2-7本系统工作流程图

本系统为实现空间三维定位采用了多个信标，如果用传统的单脉冲超声测距方法定位物体就无法区分各个基站发送过来的信号。

如果采用码分多址技术，给每个基站分配一个单独的伪随机码，将伪随机码与超声载波进行二进制幅移键控调制（伪随机二进制序列为高电1时，发送超声脉冲；为低电平0时，不发送超声脉冲），用已调信号驱动超声发送器，由于具有不同结构的伪随机码几乎不相关，据此定位物体可以区分各个基站发送过来的信号，进而估计出与定位基站的距离。

然后通过解算非线性定位方程组得到定位物体的当前位置。

本文将在下一章介绍CDMA技术。

第3章软件仿真

3.1CDMA（码分多址）技术

CDMA是以码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。

码分多址是以扩频技术为基础的，所谓扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术，将扩频技术应用于通信系统中，可以加强系统的抗干扰、抗多径、隐蔽、保密和多址能力。

适用于码分多址蜂窝通信系统的扩频技术是直接序列扩频（DS）简称直扩。

它的产生包括调制和扩频两个步骤。

比如，先用要传送的信息对载波进行调制，再用伪随机序列（PN序列）扩展信号的频谱；也可以先用伪随机序列与信息相乘（把信息的频谱扩展），再对载波进行调制，二者是等效的。

在CDMA系统中，不同用户传输的信息是靠各自不同的编码序列来区分的。

虽然信号在时间域和频率域是重叠的，但用户信号可以依靠各自不同的编码序列来区分的。

本系统中的CDMA技术是通过m序列（伪随机码）和超声波载波以BASK调制形成扩频信号。

在本系统中基站发射的信号是伪随机码和超声载波以BASK调制后的扩频脉冲信号。

3.2伪随机序列的产生

本系统采用CDMA技术，给每个基站分配一个单独的伪随机码，将伪随机码与超声载波进行二进制幅移键控调制（伪随机二进制序列为高电1时，发送超声脉冲；为低电平0时，不发送超声脉冲），从而区分不同基站发来的超声波信号。

伪随机序列又称伪随机码，它是具有类似于随机序列基本特性的确定序列。

M序列是最常用的一种伪随机序列，它是由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列。

在本文中基站所使用的测距码是伪随机码，的区别在于：

随机码是不可预测的，它在将来时刻的取值只能从统计意义上去描述；伪随机序列实质上不是随机的，而是收发双方都知道的确定性信号。

之所以称其为伪随机（伪噪声）序列，是因为它表现出白噪声采样序列的统计特性，在不知其生成方法的侦听者来说像真的伪随机序列。

m序列可以由线性移位寄存器（LSR）产生，图3-1是一个4级反馈移位寄存器的示意图，其中包括4级移位寄存器，模2相加反馈电路及脉冲发生器。

图3-14级反馈移位寄存器示意图

本系统采用CDMA技术，给每个基站分配一个单独的伪随机码，将伪随机码与超声载波进行二进制幅移键控调制（伪随机二进制序列为高电1时，发送超声脉冲；为低电平0时，不发送超声脉冲），从而区分不同基站发来的超声波信号。

CDMA编码采用Mtalab进行仿真。

5级线性反馈移位寄存器产生m序列的仿真系统（初始状态00001）。

5级m序列的特征多项式为F（x）=1+x3+x5，其仿真电路如图3-2所示，m序列波形图如图3-3所示。

图3-1级线性反馈移位寄存器产生m序列的仿真系统

图3-3F（x）=1+x3+x5

在matlab软件的simulink完成系统框图设计，采用五个延迟器搭建电路，延迟器初值依次设为0，0，0，0，1。

通过仿真产生5级m序列波形如上图所示。

3.3m序列与超声载波的调制

3.3.1数字信号调制及其分类

调制（modulation）是指对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，就是使载波随信号而改变的技术。

一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基信号。

基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。

这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。

调制是通过改变高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。

而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。

通信系统中，用的数字调制方式有ASK（振幅移键控调制），控制载波的幅度。

控制载波的频率，称为FSK（频率移键控调制）。

控制载波的相位，PSK（二进制相移键控调制）。

3.3.2二进制振幅键控（2ASK）

本系统所采用的超声载波频率为40kHz。

m序列的参数选定之后，必须对m序列与超声载波的调制方式进行选择分析。

首先，超声换能器的窄带特性决定了系统不宜采用BFSK调制方式。

m序列与超声载波采用BPSK调制方式时，上述对单脉冲回波信号特点的分析可知，作为机械装置的超声换能器在发送和接收超声波时存在一定的振动惯量，声接收信号在“1”码与“0”码交接处没有明显的相位改变，所以系统无法利用BPSK调制方式。

实践证明，BASK是最适合超声定位系统使用的调制方式，即伪随机码二进制序列为高电平“1”发送超声脉冲。

为低电平“0”时，不发送超声脉冲。

2ASK称为二进制振幅键控又称为OOK，它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。

所谓“键控”是指一种如同“开关”控制的调制方式。

比如对于二进制数字信号，由于调制信号只有两个状态，调制后的载波参量也只能具有两个取值，其调制过程就像用调制信号去控制一个开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，从而形成已调信号。

“键控”就是这种数字调制方式的形象描述。

在2ASK中，载波幅度随着调制信号1和0的取值而在两个状态之间变化。

二进制幅度键控中最简单的形式称为通——断键控（OOK），即载波在数字信号1或0的控制下来实现通或断。

OOK信号的时域表达式为

（3-1）

这里，A为载波幅度，ωc为载波频率，an为二进制数字信息，an可表示为

（3-2）

在一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制脉冲序列，可表示为：

（3