基于時(shí)間調(diào)制的超聲波自主實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

熊　劍，林舟杰，陸澤櫞，郭　杭，衷衛(wèi)聲

(1. 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院測(cè)控教研室，江西 南昌　330031；2. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)物理中心，安徽 合肥　230031；3. 南昌大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，江西 南昌　330031)

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基于時(shí)間調(diào)制的超聲波自主實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

熊劍1，林舟杰1，陸澤櫞2，郭杭3，衷衛(wèi)聲1

(1. 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院測(cè)控教研室，江西 南昌330031；2. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)物理中心，安徽 合肥230031；3. 南昌大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，江西 南昌330031)

摘要:針對(duì)超聲波-射頻室內(nèi)定位系統(tǒng)信道分配問題復(fù)雜、實(shí)時(shí)性低下的問題，提出基于時(shí)間調(diào)制的超聲波自主實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，用時(shí)間和終端ID組成的二進(jìn)制序列調(diào)制超聲波實(shí)現(xiàn)信息攜帶，接收端在無射頻模塊的情況下通過恢復(fù)信息來估計(jì)超聲波渡越時(shí)間，識(shí)別發(fā)射源并計(jì)算位置坐標(biāo)。通過simulink對(duì)超聲波信息攜帶方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)通過擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)能夠準(zhǔn)確恢復(fù)時(shí)間信息，有效識(shí)別終端ID，區(qū)分不同終端信號(hào)源位置，并且對(duì)多址效應(yīng)和多路徑效應(yīng)有較好的抗干擾效果，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高響應(yīng)時(shí)間并實(shí)現(xiàn)自主定位。

關(guān)鍵詞:超聲波；時(shí)間調(diào)制；擴(kuò)頻；自主定位

0引言

在現(xiàn)代大型商場(chǎng)、高度自動(dòng)化工廠或不適合人員直接操作的室內(nèi)工作環(huán)境，常常需要借助室內(nèi)定位技術(shù)獲得目標(biāo)的精確位置?；诔暡ǖ奶綔y(cè)技術(shù)安裝使用方便，成本低，抗電磁干擾能力強(qiáng)，在測(cè)距中應(yīng)用廣泛，能獲得較高的精度[1-2]。在室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域中，由于超聲波以上優(yōu)點(diǎn)，也具有較大的研究意義。

目前的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)大多數(shù)都是以超聲-射頻組合的形式進(jìn)行定位[3-4]。需要借助射頻模塊控制超聲波的發(fā)射，命令接收模塊計(jì)時(shí)來估計(jì)超聲信號(hào)的渡越時(shí)間。為了避免信號(hào)的互相串?dāng)_，射頻模塊還要控制信道的分配，不僅給系統(tǒng)帶來了較高的復(fù)雜性，其定位實(shí)時(shí)性也大打折扣[5]。針對(duì)此問題，本文提出了基于時(shí)間調(diào)制的超聲波自主實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，在不借助無線射頻模塊的情況下實(shí)現(xiàn)定位，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高定位響應(yīng)時(shí)間。

1常規(guī)超聲波定位原理

1.1Cricket定位系統(tǒng)

Cricket是經(jīng)典的基于超聲波和無線射頻的室內(nèi)定位系統(tǒng)[6]。目前室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多與此相同。其模塊節(jié)點(diǎn)分為L(zhǎng)istener和Beacon。Beacon被安裝在固定位置，同時(shí)發(fā)送射頻信號(hào)和超聲波脈沖；Listener安裝在移動(dòng)目標(biāo)上，接收到Beacon的射頻信號(hào)開始計(jì)時(shí)，等待超聲波信號(hào)到達(dá)則停止計(jì)時(shí)。設(shè)這兩種信號(hào)的時(shí)間差為Δt，則

s=v·Δt

(1)

獲得三個(gè)以上Beacon信標(biāo)時(shí)計(jì)算出Listener和信標(biāo)的距離s1，s2，s3，隨后根據(jù)三邊定位等定位算法即可計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)位置[7]。

1.2信道分配和實(shí)時(shí)性問題

由于所有Beacon均發(fā)射同頻超聲信號(hào)，Listener無法區(qū)分不同Beacon信號(hào)來源，從而可能計(jì)算出錯(cuò)誤的位置。因此，Circket采取了隨機(jī)延遲技術(shù)，即在信號(hào)發(fā)射之前先監(jiān)聽一段隨機(jī)時(shí)間T，如果沒有收到其他Beacon射頻信號(hào)則開始發(fā)射超聲波信號(hào)。這種監(jiān)聽機(jī)制降低了超聲信號(hào)發(fā)射的頻率，雖然減小了因超聲信號(hào)串?dāng)_導(dǎo)致目標(biāo)位置計(jì)算出錯(cuò)的可能性，但是難以保證響應(yīng)時(shí)間，此外，由于超聲回波信號(hào)的反射等引起的多路徑效應(yīng)，仍然會(huì)造成距離測(cè)量錯(cuò)誤，得出錯(cuò)誤坐標(biāo)。

1.3基于超聲射頻定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性改進(jìn)方法

為了改進(jìn)超聲-射頻定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文利用調(diào)制與解調(diào)和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)[8]，令發(fā)射的超聲波具備信息攜帶能力，將時(shí)間信息調(diào)制到超聲信號(hào)中，接收裝置通過解調(diào)恢復(fù)發(fā)射時(shí)間，與到達(dá)時(shí)間作差，無須借助射頻模塊即可完成渡越時(shí)間估計(jì)，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量和目標(biāo)位置的計(jì)算。此外，信號(hào)還攜帶自身ID號(hào)碼，通過ID識(shí)別可區(qū)分信號(hào)來源，與Cricket原理類似的定位系統(tǒng)則可以免去信道分配問題，有利于改善系統(tǒng)定位的響應(yīng)時(shí)間，提高定位動(dòng)態(tài)效率。

1.4m序列擴(kuò)頻原理

研究表明，偽隨機(jī)二進(jìn)制序列最適于超聲發(fā)射的脈沖壓縮信號(hào)，其中使用最多的就是m序列[9-10]。本系統(tǒng)采用m序列實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的擴(kuò)頻過程。

m序列全稱是最長(zhǎng)線性反饋移位寄存器序列，是偽隨機(jī)序列中最重要的一種，具有偽噪聲碼的一般特性。用x表示每一級(jí)移位寄存器，系數(shù)Ci表示寄存器的反饋狀態(tài)，則其相應(yīng)的反饋線連接狀態(tài)可用多項(xiàng)式表示為:

f(x)=C0x0+C1x1+…+Cnxn

(2)

式中C0=1，Cn=1。當(dāng)上式滿足條件[11]

1)f(x)為不可約的；

2)f(x)可整除(1+xp)，p = 2n-1；

3)f(x)除不盡(1+xn)，q < p。

f(x)稱為m序列的本原多項(xiàng)式。本原多項(xiàng)式具體求法不作贅述，參考相關(guān)文獻(xiàn)可查詢常用多項(xiàng)式系數(shù)[12]。

查詢的系數(shù)多為八進(jìn)制，求出對(duì)應(yīng)二進(jìn)制系數(shù)即可確定本原多項(xiàng)式。

根據(jù)m序列的平移等價(jià)特性和平衡特性，其歸一化自相關(guān)函數(shù)為:

(3)

式(3)中p 為m序列的長(zhǎng)度，j為相關(guān)函數(shù)R(j)的時(shí)延，j取0，±1，±2，…等離散值[13]。

由式(3)可知，接收端相關(guān)器使用本地m序列與接收到的超聲波信號(hào)作自相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)本地m序列相位相同并且同步時(shí)，在發(fā)射端的鍵控作用便被相互抵消，輸出一個(gè)解擴(kuò)后的窄帶信號(hào)。

2超聲波自主識(shí)別定位系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲波自主識(shí)別定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)僅由超聲波發(fā)射終端、接收終端組成，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，兩者都使用高精度時(shí)鐘模塊進(jìn)行計(jì)時(shí)。在系統(tǒng)啟動(dòng)前，首先對(duì)發(fā)射和接收終端進(jìn)行時(shí)鐘同步校準(zhǔn)。

發(fā)射終端：固定在天花板上，構(gòu)成一個(gè)坐標(biāo)系，并對(duì)信號(hào)發(fā)射時(shí)間和終端ID號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并持續(xù)發(fā)射超聲波信號(hào)。

接收終端：固定在定位物體之上，接收來自發(fā)射終端的超聲波信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和定位解算。

圖1　超聲波自主識(shí)別定位系統(tǒng)Fig.1　Autonomously recognizable ultrasonic position system

2.2信號(hào)傳輸原理

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2　基于時(shí)間調(diào)制的超聲室內(nèi)定位方法流程Fig.2　The process of ultrasonic indoor position based on time modulation

發(fā)射終端準(zhǔn)備發(fā)射超聲波，同時(shí)記錄此時(shí)發(fā)射時(shí)刻t1，使用偽隨機(jī)碼拓展信號(hào)頻譜，把時(shí)間信息t1和終端ID號(hào)n(用d(t)表示)調(diào)制在偽隨機(jī)序列當(dāng)中，原始數(shù)據(jù)d(t)與m序列c(t)相乘得到擴(kuò)頻后的復(fù)合信號(hào)

g(t)=d(t)c(t)

(4)

使用復(fù)合信號(hào)g(t)調(diào)制超聲載波信號(hào)，即當(dāng)原始數(shù)據(jù)二進(jìn)制序列為0時(shí)發(fā)送與m序列反相的序列，為1時(shí)發(fā)射與m序列同相的序列，得到調(diào)制信號(hào)s(t)，其時(shí)域表達(dá)式可表示為：

(5)

式(5)中,(n-1)TB

(6)

完成信號(hào)擴(kuò)頻調(diào)制后，通過發(fā)射終端的超聲波驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射經(jīng)擴(kuò)頻調(diào)制后的超聲波信號(hào)s(t)。

圖3　發(fā)射端擴(kuò)頻調(diào)制框圖Fig.3　Spread spectrum modulation simulation of sender

超聲波接收終端接收到任意一個(gè)發(fā)射終端的超聲波信號(hào)，立刻記錄本地接收時(shí)刻t2；與此同時(shí)，依照?qǐng)D4，該接收終端使用本地m序列與收到的調(diào)制信號(hào)s(t)作相關(guān)解擴(kuò)，當(dāng)本地與發(fā)射端m序列結(jié)構(gòu)完全相同，即c(t)與c'(t)具有相同的周期，碼元同步，并且相位重合時(shí)，由于m序列良好的自相關(guān)特性，根據(jù)式(5)可得

c(t)·c′(t)=1

(7)

圖4　超聲波接收端解擴(kuò)解調(diào)框圖Fig.4　Dispreading modulation simulation of receiver

接收終端根據(jù)超聲波信號(hào)發(fā)射時(shí)刻t1以及接收s(t)的時(shí)刻t2，以及公式

(8)

計(jì)算出該接收終端到n號(hào)發(fā)射終端的距離s。

發(fā)射終端理論上可連續(xù)不斷地發(fā)射超聲擴(kuò)頻信號(hào)，目標(biāo)接收終端可以隨時(shí)接收不同發(fā)射終端發(fā)出的信號(hào)，只要同時(shí)收到3個(gè)有效信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)解擴(kuò)和解調(diào)，即可根據(jù)三維定位算法[4]，解算出目標(biāo)接收終端的位置。同時(shí)識(shí)別不同發(fā)射終端源，解決了多個(gè)發(fā)射終端帶來的多址干擾和超聲波信號(hào)反射帶來的多徑干擾問題。

3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1超聲時(shí)間信息及ID數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的仿真

以3路超聲波定位系統(tǒng)為例，采用Simulink對(duì)超聲時(shí)間信息及ID數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真和分析。該系統(tǒng)仿真如圖5所示。

首先對(duì)每一路的超聲波發(fā)射時(shí)刻跟發(fā)射終端ID進(jìn)行編碼，編碼數(shù)據(jù)仿真以隨機(jī)二進(jìn)制序列生成器表示。

系統(tǒng)仿真主要由擴(kuò)頻調(diào)制、信息調(diào)制、相關(guān)解擴(kuò)、信息解調(diào)4部分組成，其中信息調(diào)制與解調(diào)采用BPSK二進(jìn)制相移鍵控方式。仿真中針對(duì)工作頻率為40 kHz的超聲波換能器，使用頻率為40 kHz，振幅5 V的正弦波信號(hào)。

圖5　超聲時(shí)間及ID傳輸-識(shí)別系統(tǒng)仿真Fig.5　Time & ID transfer-recognition system simulation

3路超聲波信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后通過同一個(gè)高斯噪聲信道AWNG Channel，模擬多個(gè)超聲波發(fā)射終端帶來的多址干擾，同時(shí)對(duì)第一路信號(hào)進(jìn)行二次疊加模擬超聲波信號(hào)經(jīng)反射引起的多路徑效應(yīng)。

圖5中擴(kuò)頻模塊和解擴(kuò)模塊對(duì)應(yīng)的仿真見圖6。

圖6　擴(kuò)頻與解擴(kuò)子模塊Fig.6　Sub-module of spread and dispreading

由于采用3路信號(hào)，偽隨機(jī)碼選擇5級(jí)m序列即可滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)表1所列，求出三個(gè)本原多項(xiàng)式二進(jìn)制系數(shù)分別為[1 0 1 0 0 1]，[1 1 1 0 1 1]，[1 0 1 1 1 1]，設(shè)置每一路擴(kuò)頻子模塊中PN Sequence Generator模塊的參數(shù)Generator polynomial，解擴(kuò)時(shí)本地PN Sequence Generator使用參數(shù)設(shè)置一致的Generator polynomial。

3.2仿真結(jié)果

為了比較效果，實(shí)驗(yàn)對(duì)未引入DSSS技術(shù)的單路傳輸系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，見圖7，其波形如圖8所示。由圖8中波形2對(duì)比波形1原始數(shù)據(jù)可見，單路超聲傳輸系統(tǒng)尚能準(zhǔn)確地恢復(fù)超聲波發(fā)射端的時(shí)間信息和ID數(shù)據(jù)，結(jié)果較為準(zhǔn)確。加入多路徑效應(yīng)后，波形3與波形1對(duì)比可見，無DSSS的傳輸系統(tǒng)受到較大影響，接收端已無法準(zhǔn)確恢復(fù)發(fā)射端的數(shù)據(jù)。

在三路超聲波系統(tǒng)共同工作時(shí)，超聲波信號(hào)互相干擾，其中第一路收發(fā)波形如圖8波形4所示，接收端數(shù)據(jù)已經(jīng)無法完全恢復(fù)，系統(tǒng)受到嚴(yán)重的多址干擾和多路徑干擾，在多路超聲信號(hào)串?dāng)_下無法準(zhǔn)確恢復(fù)數(shù)據(jù)，從而會(huì)得出錯(cuò)誤目標(biāo)位置。

圖9為引入DSSS技術(shù)的三路超聲時(shí)間信息及終端ID數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖。三路發(fā)射終端發(fā)射不同的二進(jìn)制序列，分別對(duì)比各路發(fā)射終端可發(fā)現(xiàn)，三路發(fā)射端時(shí)間信息和ID號(hào)構(gòu)成的二進(jìn)制序列經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制以后，在接收端均成功地得到恢復(fù)，解決了同頻信號(hào)串?dāng)_，信號(hào)反射帶來的多路徑干擾，順利實(shí)現(xiàn)了超聲波信息攜帶功能，從而為超聲波定位系統(tǒng)無間斷連續(xù)定位提供了理論基礎(chǔ)，有利于提高系統(tǒng)的定位響應(yīng)時(shí)間。

圖7　無DSSS的超聲時(shí)間及ID傳輸-識(shí)別系統(tǒng)仿真Fig.7　Time & ID transfer-recognition system simulation without DSSS

圖8　無DSSS收發(fā)波形圖Fig.8　Waveform between sender and receiver without DSSS

圖9　引入DSSS的收發(fā)波形圖Fig.9　Waveform between sender and receiver with DSSS

4結(jié)論

本文提出了基于時(shí)間調(diào)制的超聲波自主實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用m序列對(duì)超聲波發(fā)射端數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，通過傳輸超聲波發(fā)射時(shí)間信息和終端ID號(hào)以實(shí)現(xiàn)自主定位。仿真結(jié)果證實(shí)了超聲波攜帶信息的可行性，能準(zhǔn)確恢復(fù)時(shí)間信息并識(shí)別終端ID，區(qū)分不同終端信號(hào)源位置，而且具有良好的抗多址干擾和抗多路徑干擾效果。系統(tǒng)能夠不借助無線模塊實(shí)現(xiàn)超聲波自主定位，減小定位系統(tǒng)的復(fù)雜性，有利于改善超聲波定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)于提高超聲波定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)性具備一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。

隨著時(shí)間的累積，超聲波發(fā)射和接收終端的時(shí)鐘誤差會(huì)逐漸增大，這部分誤差可以借鑒GPS鐘差，通過超聲波傳輸導(dǎo)航電文來消除，這也將是后續(xù)研究工作的重要內(nèi)容，有待進(jìn)一步研究。

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Autonomous Real-time Ultrasonic Position System Based on Time-modulation

XIONG Jian1， LIN Zhoujie1， LU Zeyuan2，GUO Hang3， ZHONG Weisheng1

(1. Department of Measuring & Control Engineering, Academy of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031, China; 2. Center of Medical Physics and Technology,Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;3. Institute of Space Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Abstract:For the problem of complexity of channel allocation and low real-time based on ultrasonic-RF indoor localization system, an independent real-time ultrasonic positioning system based on time modulation was put forward. The system applied direct sequence spread spectrum technology, binary sequence consisted of time and terminal ID modulate ultrasonic to implement information-carrying. The receiver estimated ultrasonic transit time, identified and calculated the position of the transmission source coordinates by restoring the information without RF module. Simulation experiment results showed that the system could accurately restored time information by spreading modulation and demodulation, valid identification terminal ID, to distinguish between different terminals source position and it had good effect on multi-access and multipath interference, thereby reducing system complexity, improving response time and achieve self-positioning.

Key words:ultrasound; time modulation; spread spectrum; autonomous positioning.

中圖分類號(hào):TP96

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-1194(2016)02-0043-05

作者簡(jiǎn)介:熊劍(1977—)，男，江西省撫州人，博士，講師，研究方向：多源信息融合、非線性濾波。E-mail：xiongjian@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目:江西省教育廳科技項(xiàng)目資助(GJJ14125；GJJ13056)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41164001；41374039)

*收稿日期:2015-10-26