【摘要】：地理位置是人類行為活動的重要基礎之一,而室內(nèi)又是人類每天活動時間最長的場所。因此,將室內(nèi)位置與用戶數(shù)據(jù)或用戶感興趣的信息結(jié)合起來是值得深入研究的一個重要課題。室內(nèi)定位必將成為移動互聯(lián)時代的最為重要的應用之一。超聲波室內(nèi)定位具有定位精度高、布局簡單、抗干擾強、成本低等諸多優(yōu)勢,但同時也存在高精度同步計時困難等難點。另外,傳統(tǒng)的超聲波定位系統(tǒng)一般將若干固定節(jié)點作為發(fā)射超聲波節(jié)點,而被定位目標(未知節(jié)點)作為信號接收節(jié)點。為了避免定位目標節(jié)點接收到的多路信號之間出現(xiàn)串擾,還需要一定的協(xié)調(diào)算法。本文在國內(nèi)外有關超聲波室內(nèi)定位的研究基礎上,提出了一種超聲波定位新方案:首先,被定位的目標節(jié)點同時單向發(fā)送紅外信號及超聲波信號給多個固定節(jié)點(論文中稱為“雙”單向法),利用紅外信號作為超聲波信號的同步計時時標,這樣不會出現(xiàn)多路信號串擾;其次,多個固定節(jié)點接收端信號檢測部分集中在一片F(xiàn)PGA來實現(xiàn)對超聲波高精度同步計時,多路信號易于處理且結(jié)構簡潔明了。最后,在原有傳統(tǒng)定位算法的基礎上利用最小二乘與泰勒級數(shù)展開相結(jié)合的方式使定位精度得到進一步提高。通過上述多項措施,本論文研究設計的超聲波室內(nèi)定位算法,精度可以達到厘米級,在實際應用中具有較高的參考價值。論文的主要工作及創(chuàng)新點為:1)設計了“雙”單向法測距的發(fā)送端超聲波和紅外驅(qū)動電路以及接收端的信號處理電路,以及基于FPGA的高精度同步計時處理模塊以及FPGA與STM32之間的通信模塊。2)分析了在超波聲測距過程中超聲波/紅外在信號處理電路中的響應及延時問題,修正了由于器件本身的延時而引入的誤差,提高了定位的精度,為精確超聲波定位奠定了基礎。3)分析了幾種常用的定位算法:基于絕對時間方法(TOA)、基于時間差方法(TDOA)、基于到達角度方法(AOA)、基于接收信號強度(RSSI)等的優(yōu)缺點,在此基礎上提出了優(yōu)化算法,即采用最小二乘方法與泰勒級數(shù)展開定位算法相結(jié)合,使得目標的定位精度得到進一步提高。4)設計將定位目標點發(fā)送的紅外同步信號加入編碼信息,并對紅外信息發(fā)送間隔加入隨機延時,實現(xiàn)了多目標的無干擾定位。
【圖文】：

一、反射式測距法：反射式測距法就是發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的逡逑回波，根據(jù)回波與發(fā)射波的延時時差計算出到障礙物的距離。如圖１．１是超聲逡逑波反射式測距法原理圖。逡逑顯示邋＿邐—？發(fā)射驅(qū)動；＾邐Ｊ，逡逑｜邐超聲發(fā)射探頭邐／逡逑邐邋機邐邐邋／逡逑邏輯控制一？邐—接收檢測邐／逡逑超聲接收探頭邐／逡逑障礙物逡逑圖１．１超聲波反射式測距法逡逑２逡逑

在被測物體上，在主控單元Ａ的作用下向位置固定的應答器發(fā)射無線信號，應逡逑答器在收到無線信號后立即向主測距器發(fā)射超聲波信號，由此得到主測距器與逡逑應答器之間的距離。如圖１．２是超聲單向式測距法原理圖。逡逑單向式測距法可以實現(xiàn)兩點測距，當同時有三個或三個以上不在同一直線逡逑上的應答器作出回應時，就可以計算出被測物體所在的位置。逡逑從上述分析可見，采用反射式測距法，信號的接收與發(fā)射由一塊控制芯片逡逑進行控制，，硬件電路容易實現(xiàn)，但這種測距方法無法通過常用的幾個固定點與逡逑移動目標點測距實現(xiàn)定位計算。逡逑無反射式的單向測距法信號的發(fā)送與接收是由兩塊獨立的控制芯片協(xié)同完逡逑成的，應答器發(fā)送的超聲波信號僅僅是單程信號，無往返信號。現(xiàn)有的基于超逡逑聲波測距的定位算法，一般都是采用這種方法。這種方法的缺點在于當一個主逡逑測距器發(fā)送無線信號時，幾個固定的應答器同時收到該同步觸發(fā)信號，并立即逡逑回送超聲波信號時
【學位授予單位】：南京師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB559;TN791

【參考文獻】

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本文編號：2702732