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传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)2019年第38卷第10期
DOI #10.13873/J. 1000-9787(2019)10-0098-04
基于超声波测距的高精度室内定位系统*
*收稿日期#2018-08-30
*基金项目:国家级大学生创新项目(201710359008);合肥工业大学企业委托项目(W2016JSKF0467,W2016JSKF0468)
钓鱼背心谢 地,鲁照权,丁浩峰,尤海龙,陈 龙,苏明明
(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009)
摘要:基于超声波测距原理,提出了一种高精度室内定位方法,给出了实验系统结构,设计了系统硬件
与软件,完成了系统定位实验,分析了产生误差的原因与解决方法。在2 m -2 m 定位区域内,布置4个坐
标已知的带有射频通信和超声波测距功能的测距节点构成定位基点。根据定位区域内移动节点与定位基
点的超声波测距结果,得到移动节点与各定位基点的距离,再将这些距离通过射频通信上传到上位机进行 处理、计算,得到移动节点的坐标。实验结果表明:测量定位误差不超过3 cm ,动态响应良好。关键词:射频通信;室内定位;超声波测距
中图分类号:TP 393;TP 212 文献标识码:A 文章编号#1000-9787(2019)10-0098-04
High precision indoor positioning system bad on
ultrasonic ranging *
XIN Di ,LU Zhaoquan ,DING Haofeny ,YOU Hailony ,CHEN Long ,SU Minyminy
(School of Electrical Engineering and Automation ,Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China )
Abstract : Bad on the pOncipf of ultrasonic ranging ,a high-precision indoor positioning method is propod.
The structure of the experimental system N given. The system hardware and software are designed. The system
positioning experiment is compftd. The caus and solutions of the erer are analyzed. In the 2 m X 2 m positioning area ,four coordinates known ranging nodes with radio frequence communication and ultrasonic ranging
nodes are arranged to form a positioning ba point. According to the ufrasonic ranging result of the mobile node and eheposceconcngbapocnecn eheposceconcngaeea , ehedcancebeeween ehemobceenodeand each posceconcng
ba point is obtained ,and the distances are then uploaded to the upper computer through radio frequence
communication to be procesd and calculated ,the coordinates of the mobile node are obtained. Experimental
esuits show that the measurement error does not exceed 3 cm and the dynamic respon is quite good.
奋斗正当时演讲稿
KeyworUs : radio frequence communication ; indoor posiUoning ; ultrasonic ranging
0引言随着经济的高速发展以及人力资源成本的大幅度提高
和智能制造技术的快速上升,基于位置的服务和位置感知
的计算在实际应用中越来越重要[1]o 室内导航在地下停车
场、商场、医院等场所的应用十分必要,而现有的全球定位系 统(globct positioning sy s te 叫GPS )导航在室内又无法应用。 所以,高精度室内定位系统很有必要。室内定位与导航使人
与物之间构建了空间关系,使人们的生活更加便捷。目前主流的定位技术有WiFi 、蓝牙、超宽带(ultra wide
band ,UWB )、超声波等。WNi 定位的抗干扰性一般,部署
难度中等,成本较低,定位精度达到米(m )级;蓝牙定位的 抗干扰性一般,部署难度较低,成本一般,定位精度达到分 米(dm )级;超宽带定位的抗干扰性强,部署难度高,成本较
高,定位精度达到厘米(cm)级;超声波定位的抗干扰性强, 部署难度低,成本较低,定位精度达到cm 级⑵&
从20世纪末开始,国内外的很多高校、研究机构及公 司就针对不同的应用背景开发了种类繁多、实现原理多样
的室内定位系统。2010年1月,美国俄亥俄州州立大学医 疗中心安装了一套当时美国最大的医疗实时定位系统[3],
即Ekahau 系统。Ekahau 是根据WiFi 信号强度,采用位置
指纹算法的定位系统。部署成本低,定位精度可达2~5 m &
Active Badge 系统是一种以红外线为传媒介质用近似算法
的室内定位系统,定位精度一般以房间为单位。Active Bat
系统是一种采用到达时间(time of arrival ,TOA )法进行定位
的超声波室内定位系统,能够在95 %的情况下将定位误差
控制在9 cm 以下⑷。但系统不易部署且定位成本过高。文
第10期谢地,等:基于超声波测距的高精度室内定位系统99
献[5]设计的采用ZIGBEE组网技术的超声波室内定位系统定位精度可达7cm&文献[6]设计的基于CC1101的超声波室内定位系统对Crmket系统进行了改进,使定位精度提高到5cm。
结合实际情况,综合考虑各因素,本文基于超声波定位技术建立了室内定位系统,通过对超声波测距模块的线性拟合,提出一种数据处理方法使定位精度提高到3cm,且动态响应良好。
1实验系统结构
将4m X6m的房间划分为6个2m X2m的定位区域,每个定位区域安装4个坐标已知的带有无线射频通信和超声波测距功能的定位基点。超声波测距节点将测得的超声波在空气中的传播时间,乘以声速,进行偏差校正后得到距离。基于以上基本原理设计了高精度动态室内定位系统。
定位基点通常处于休眠状态。定位时,移动节点向定位基点发送唤醒指令,待接收到应答指令后,移动节点再发送测距超声波,同时发送RF射频计时同步指令。
定位基点在接收到移动节点发来的同步信号后,开始计时。接收到超声波信号后,结束计时。定位基点根据计数器的计数值计算得到定位基点与移动节点的距离,并进行偏差校正后,得到距离。测得距离后,定位基点将数据发送给上位机。发送/接收指令格式如表1所示
表1发送接收指令格式表
指令移动节点ID定位基点ID测距数据CRC校验发送D0XX B0XXXX0000XX
接收D0XX B0XXXX XXXX XX
2定位原理
设图1中"(,=1,2,3)是定位基点在地面的投影点与移动节点之间的距离。则以"1,","&为半径作3个圆,可得出交点,即移动节点的位置坐标(5,y)
((5_5)2+(y1—y)2="2
'(/_5)2+(y2—y)2="2(1)
■(5_5)2+(y3—y)2="2
图1三边测距原理
设测量得到的空中定位基点与地面移动节点之间的距离为厶(,=1,2,3)。设已知空中定位基点的高度为I,那么由"2=g2—I2得
.(耳一厶2+y+5-5)(y3—y1)_(g2_2+y+5_5) (y2—y1)
2[(5—5)(y3—yJ_(5_5)(y2—yJ]
.(—g2+y —y+5—5)(5—5)_(G—g2+y—y+5_5)(5_5) 2[(y2-y1)(5_5)_(y3-y1)(5_5)](2)
3硬件设计
室内定位系统由移动节点、定位基点、上位机三部分组成&定位基点、移动节点的核心硬件由CC1101射频收发器、HC_SR04超声波模块、STC89C52单片机、数码管、温度传感器18B20等组成。稳压电路7805与LM1117将12V 直流电压转换成+5V和+3.3V,分别给CC1101射频收发器和STC89C52单片机供电。上位机由STC89C52单片机、CC1101射频收发器构成的接收模块及PC组成。硬件连接图如图2所示。
超声波测距模块使用+5V的电压供电,发送频率为40kHz的超声波,测量角度不大于15°,测距精度可达到3mm,可提供2-600cm的非接触式距离感测功能& STC89C52单片机的P3.6口对HC-SR04模块的TRIG 引脚发出一个10阴的脉冲触发信号后,HC-SR04模块立即发出超声波信号,同时ECHO引脚置为高电平,待HC-SR04模块检测到回波信号时,ECHO引脚置为低电平。通过检测ECHO引脚的高电平持续时间即可达到测量距离的目的。
4偏差校正算法与数据处理
随字开头的成语
移动节点流程图如图3(a)所示,定位基点流程图如图3(b)所示。在实验中实际测量数据在2.5-3.5m之间。测量3m距离时按照&="(声速)X,时间)得到的距离为4.53m,产生偏差达到1.53m。由于硬件与软件系统的延时造成较大的误差,故对距离进行一元线性拟合,得到距离与计数值的关系如表2所示。
表2计数值与距离关系表
距离/cm510203*********
计数值21653983526355775877615064716
763
100
传感器与微系统
第 38 卷
:开始;
[rf 发射同步信号给定位基点
Trig 引脚接收脉冲触发信号Echo 引脚置为高电平
:开始被同步信号唤醒Trig 引脚接收
脉冲触发信号
计时器开始计时
Echo 引脚置为高电平
4等待移动节点发送超声波
计时器停止计时
Echo 引脚
低电平!
向移动节点发岀
数据请求
计算时间
算岀距离
将数据发送到
上位机
得到发送
向移动节点 发岀数据
(b)定位基点流程
7~~1
等待数据请求
发送超声波
发送接收许可
接收数据
定位基点发来
据请求-(a)移动节点流程图3移动节点和定位基点流程
表2计数值是测量30次得到的平均值&单片机振荡
频率为12 MHz ,定时器的一个计数值为1 us &在小于20 cm
时超声波测距模块存在测量盲区&在大于20 cm 时,由以
上数据进行线性拟合得到室温15 a 时,测距方程为/ =
305+4663。其中,/为计数值卫为实际距离&将拟合的直
对方程线性拟合后,在室温15 a 时,测量3 m 实际距
离时定时器计数值为13 879,对应的测量距离为3. 075 m ,误差缩小到7.5 cm o
声速对温度变化敏感,当温度变化较大时,需要进行温 度补偿,*=331.4 +0.607 t &其中,*为当前声速(mA )」
为室温(兀)&当温度相差10 a 时,声速相差6 m/c ,3m 的 测量距离误差会达到5 cm o 因此,在实验中采用温度补偿
进行校正, 得
10 000 5
y
=331.4 +0. 607 t +4663
(3)
校正后,在室温25 a 下,实际3 m 的测量距离为3. 005 m ,
误差为0.5 cm o 图5为室温25 a 下测量对比情况&
线性拟合 …■…温度补偿
图5测量值与实际值对比
校正后超声波测距的静态误差在0.5 cm 以内,准确度
大幅度提咼。
上位机接收到数据后,首先对数据进行限幅滤波,可以
有效地去除粗大误差。
word中怎么把其中一页变成横向将限幅滤波处理后的数据直接用三边算法,得到的坐 标与实际移动节点的坐标比较,误差最大达到10 cm &为了
降低偏差,在得到第一组数据后,若第二组数据在以第一组 数据为圆心,半径为"的圆内,则保留,否则离圆心越远,
乘以越小的权重得到新的数据,这样有效地避免了数据大的 跳动带来的误差。经过试验,在设定半径"=5,权重"为
100减去数据到圆心的距离"的0.3倍再除以100时可以
将误差从10 cm 缩小到3 cm 以内,将精度提高了 70 %,即
"=槡(5 -5 )2
(4)
若 R >5,则 5 =#2 ,/z = (100 —0. 3" )/100 ; 若 R W 5,则 5 =5 &
上位机将数据经过限幅滤波和算法处理后, 得到距离 数据。缓冲单元在移入一个新数据前,将最陈旧的数据移
去,一直保持缓冲单元中有8个最新数据,并对8个数据求 一次均值。
由于三边算法只需要3个距离就可以算出坐标,上位
机选取最小的 3 个距离进行定位计算, 最后将定位指标显 示在界面上。
5实验结果
实验中,以40 cm/c 运动的小车作为移动节点,在2 m X
2 m 的定位区域内沿事先规划的直径为120 cm 的圆作匀速
运动。运动中的小车每隔50 ms 进行一次定位,定位基点
测得距离后实时发送给上位机。
上位机界面上圆对应的实际圆的直径为120 cm 。小车
通过红外寻迹的方法沿圆作圆周运动。空心的小圆圈是小
车的实时位置,R ~R 。是4个定位基点的坐标。由误差分 析可以看到最大误差为2.73 cm 。与文献[1]相比,误差减 小了 40 %,平均误差为1.11 cm 。
以下4种情况是产生误差的主要原因。一组定位数据
如表 3 所示。
表3定位误差
cm
实际坐标
测量坐标误差实际坐标
测量坐标
误差
(102.76,142.39)(103.98,141.16) 1.73(147.87,52.31)(147.26,52.31)0. 61
(116.17,137.46)(116.17,138.69)
1.23
(143.60,43.06)(142. 38,44. 29)1.73(128.97,132.52)(128.97,133.14)0.62(136.29,36.27)(134. 46,36. 27)1.83(137.50,125.73)
(136.9,126.35)0.86
(124.10,29.49)(124.10,30.10)0. 61(143.60,120.80)(143.60,120.18)0.62(113.73,25.78)(114.34,25.78)0. 61(150.3,111.54)(149.7,111.54)0.60
(98.50,22.08)(98. 49,22. 08)
0. 01
(154.57,101.05)(154.57,99.82) 1.23(87.52,23.32)( 88. 74,23. 32)
1.22(156,40,91.18)(158.23,90.57) 1.92(69.24,30.10)(69.85,29.49)0. 86(157.62,81.93)
(157.62,81.31)0.62
(60.10,37.51)
(60.70,37.51)
0. 60(155.79,73.29)(158.23,72.06) 2.73(50.34,47.38)(50.95,46.76)
0. 87
(152.13,62.80)
(153.35,63.42)
1.37
第10期谢地,等:基于超声波测距的高精度室内定位系统101
1)声速对温度变化敏感,当温度变化大时,需要进行温度补偿。当温度相差10a时,声速相差6m/s,3m的测量距离误差达到5cm,故在实验中采用温度补偿进行校正。
2)在测量各定位基点坐标时可能存在测量误差。
3)当测距误差为-时,由式(1)得到定位误差达到-2&
4)系统硬件与软件的延时造成单片机计时的误差,实
6结束语
本文基于超声波测距原理,提岀并实现了一种高精度室内定位方法,设计了实验系统结构、硬件与软件,完成了系统定位实验。通过对测距结果的线性拟合、温度补偿、偏差校正,使得定位精度由文献[1]中的5cm提高到了3cm。本系统结构简单,易于实现,抗干扰能力强。实验结果表明,本文的方法具有较高的应用价值。
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本命年不顺
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(上接第97页)神奇读心术>早餐有哪些种类
量浓度小于20mg/100mL时,LED灯熄灭、蜂鸣器不工作,继电器触点闭合,汽车正常启动;当酒精质
量浓度大于20mg/100mL,LED灯红光闪烁、蜂鸣器鸣叫,继电器触点断开,禁止汽车启动。仿真结果表明,系统工作稳定、可靠性高、符合设计要求。
表2防酒驾系统测试结果
血液中酒精质量浓度报警器状态继电器及汽车启动系统状态5/y/100/i LED灯灭、蜂鸣器停触点闭合,汽车启动
10mgJ100m1LED灯灭、蜂鸣器停触点闭合,汽车启动
15mgJ100m1LED灯灭、蜂鸣器停触点闭合,汽车启动
25mgJ100m1LED灯红闪、蜂鸣器鸣叫触点断开,汽车不启动30mgJ100m1LED灯红闪、蜂鸣器鸣叫触点断开,汽车不启动
5结束语
本文设计了一种基于单片机的汽车防酒驾控制系统,采用MQ-3型气体传感器检测驾驶员呼气中酒精浓度;当检测到酒精浓度超标时,系统声光报警并通过继电器切断汽车启动系统,禁止汽车启动。测试结果表明:系统性能良好,功[2]ROEHR S,GULDEN P,SHMAKOV D,et al.Wireles s local posi
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作者简介:
W地(1993—),男,硕士研究生,研究方向为室内定位与导航。
鲁照权(1962-),男,博士,教授,主要研究领域为复杂系统建模与控制。
能完善,操作简单,通用性强,具有广泛的推广应用价值。
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作者简介:
金韦利(1984-),女,硕士,讲师,研究方向为测控技术。
张赞宁(1979-),女,通讯作者,博士,副教授,研究领域为网络控制理论、电力系统广域稳定控制、微电网运行优化与网络化控制
。