基于TDOA的超聲波二維定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘇鑫+臧俊斌

摘要：該文介紹了一種基于到達(dá)時(shí)間差算法的超聲波定位系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)超聲波信號(hào)到達(dá)探測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算得到精確可靠的定位坐標(biāo)并顯示于上位機(jī)軟件。針對(duì)定位過(guò)程中引起誤差的多種因素進(jìn)行了分析并加以修正，有效地提高了定位精度7cm到10cm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)達(dá)到了應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：超聲波；空間定位；TDOA

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）34-0267-03

Abstract： This paper introduces a kind of ultrasonic positioning system related to the time difference of arrival（TDOA）. By calculating the time different between the detection node and the ultrasonic signal， the system obtain precise and reliable location coordinates and make these being displayed in upper computers software. In the meantime， aiming at a variety of factors， which make positioning process give rise to error， the system analyze and correct them in order to effectively improve the positioning accuracy that promote from 7cm to 10cm. Finally， the experimental results verify that the design reach the applied requirements.

Key words： ultrasonic； spatial location； TDOA

近年來(lái)，三維空間的精準(zhǔn)定位技術(shù)在工業(yè)和生活中的需求越來(lái)越多。自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)、焊接機(jī)器人和3D打印機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)定位技術(shù)的要求不斷提高，新興的VR和AR等技術(shù)同樣需要豐富的空間定位技術(shù)的支持。

通過(guò)測(cè)量信號(hào)達(dá)到若干節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算信號(hào)源所在位置的方法叫做TDOA定位技術(shù)，它具有定位精度高、定位速度快和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

超聲波測(cè)距是一種抗干擾能力比較強(qiáng)的非接觸式測(cè)距方法，相比紅外、激光和無(wú)線(xiàn)電等測(cè)距方法，超聲波不受光線(xiàn)、物體顏色等因素影響，且具有構(gòu)造簡(jiǎn)單成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)定位原理

二維平面內(nèi)的定位需要至少三個(gè)不共線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)。信號(hào)源周期性發(fā)出信號(hào)，當(dāng)其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)首先收到信號(hào)時(shí)將該節(jié)點(diǎn)時(shí)間差記為0，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。分別記錄信號(hào)到達(dá)另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間距離到達(dá)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差。假設(shè)三個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差分別為[tA]、[tB]、[tC]，三個(gè)節(jié)點(diǎn)及其坐標(biāo)分別為A（[xa]，[ya]）、B（[xb]，[yb]）、C（[xc]，[yc]），信號(hào)源坐標(biāo)為（[x]，[y]）。通過(guò)以下方程組可解得信號(hào)源坐標(biāo)位置：

非線(xiàn)性方程組（1）直接求解很困難，一般采用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法和Chan法。泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)算法只有在迭代運(yùn)算的初始值比較準(zhǔn)確的條件下才能快速收斂。Chan法具有計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，但是在節(jié)點(diǎn)數(shù)目少于三個(gè)的情況下精度不高。

考慮到方便安裝節(jié)點(diǎn)和提高定位精度并簡(jiǎn)化計(jì)算，將三個(gè)節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置為A（0，[ya]）、B（0，0）、C（[xc]，0），方程組（1）將簡(jiǎn)化為：

解方程組（2）便可得到定位點(diǎn)坐標(biāo)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)概述

超聲波三維定位系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控軟件和系統(tǒng)API三部分。超聲波三維定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

超聲波定位系統(tǒng)中超聲波發(fā)射器作為被定位點(diǎn)發(fā)射超聲波，通過(guò)多個(gè)超聲波接收傳感器采集超聲波信號(hào)，MCU記錄時(shí)間差并通過(guò)上述算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)確定定位點(diǎn)的坐標(biāo)，最后使用串口向上位機(jī)或焊接機(jī)器人等設(shè)備發(fā)送定位結(jié)果。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊的功能是為整個(gè)硬件電路供電，使硬件系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行。當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定而產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，單片機(jī)可能會(huì)因此丟失數(shù)據(jù)或發(fā)生復(fù)位甚至是宕機(jī)。本系統(tǒng)采用ASM1117系列穩(wěn)壓器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的5V電壓。ASM1117的應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，只需要配合采樣電阻和濾波電容就能夠很好地工作。

2.3 主控芯片

本系統(tǒng)主控芯片選用STC15W4K16S4，該單片機(jī)抗干擾能力強(qiáng)，內(nèi)部有16K程序儲(chǔ)存空間，4096字節(jié)RAM，四個(gè)串口和四個(gè)外部中斷，完全滿(mǎn)足定位系統(tǒng)的需要。

2.4 超聲波傳感器模塊

超聲波傳感器選用TCT40-16收發(fā)分體式換能器，其發(fā)射聲壓在117dB以上，接收靈敏度≥-65dB，中心頻率為40kHz，滿(mǎn)足系統(tǒng)的工作需求。

單片機(jī)GPIO端口的輸出功率小，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波，所以采用74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿(mǎn)足測(cè)量距離要求。電路圖如圖2所示。輸出端上拉電阻R1，R2，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。

超聲波接收電路采用CX20106A集成電路對(duì)超聲波接收傳感器收到的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，抗干擾能力好，靈敏度高。電路如圖3所示，中心頻率約42kHz，當(dāng)收到超聲波信號(hào)時(shí)管腳7輸出一個(gè)下降沿來(lái)觸發(fā)單片機(jī)外部中斷。

3 定位誤差及修正

3.1 環(huán)境溫度影響及其修正

環(huán)境溫度主要對(duì)超聲波聲速產(chǎn)生影響，而聲速的精度直接影響著系統(tǒng)的定位精度。超聲波在空氣中傳播時(shí)，其速度[C]與溫度[T]的關(guān)系如下：

式中[T]為攝氏溫度。

系統(tǒng)使用體積小精度高的溫度傳感器DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度來(lái)修正誤差。

3.2 時(shí)間差誤差的影響及其修正

在到達(dá)時(shí)間差的定位算法中，由于信號(hào)到達(dá)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差是定位的依據(jù)，所以由時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確而產(chǎn)生的誤差對(duì)定位精度的影響是最大的。超聲波測(cè)距原理如下：

其中[t]是系統(tǒng)測(cè)得的時(shí)間差；[t0]是實(shí)際時(shí)間差；[dt]是時(shí)間差的誤差，為常數(shù)項(xiàng)，主要由驅(qū)動(dòng)電路和超聲波傳感器的響應(yīng)延遲和單片機(jī)的相應(yīng)延遲等組成。

為了修正時(shí)間差誤差的影響，進(jìn)行時(shí)間差誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在間隔不等的直線(xiàn)上將超聲波發(fā)射傳感器和超聲波接收傳感器正對(duì)放置，測(cè)量多組時(shí)間差并與真實(shí)時(shí)間差對(duì)比，測(cè)得時(shí)間差誤差為0.09ms。所以真正的時(shí)間差為：[t0=t-0.09]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)系統(tǒng)定位的效果，選擇某倉(cāng)庫(kù)空地進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。在倉(cāng)庫(kù)中劃定一個(gè)二十五平方米的方形區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，將三個(gè)超聲波接收器放置在任意不共線(xiàn)的三個(gè)點(diǎn)處，并將其所在點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)定到系統(tǒng)中。

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中任意設(shè)定定位點(diǎn)并在定位點(diǎn)放置超聲波發(fā)射器，開(kāi)啟定位系統(tǒng)記錄定位坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)應(yīng)用于超聲波二維定位中，誤差修正的引入使得定位準(zhǔn)確度較好，誤差小于5cm，平均誤差3.2cm。采用VB.NET編寫(xiě)了上位機(jī)桌面程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

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