基于超聲波測(cè)距的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)*

謝 地, 魯照權(quán), 丁浩峰, 尤海龍, 陳 龍, 蘇明明

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人力資源成本的大幅度提高和智能制造技術(shù)的快速上升,基于位置的服務(wù)和位置感知的計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中越來越重要[1]。室內(nèi)導(dǎo)航在地下停車場(chǎng)、商場(chǎng)、醫(yī)院等場(chǎng)所的應(yīng)用十分必要,而現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)導(dǎo)航在室內(nèi)又無法應(yīng)用。所以,高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)很有必要。室內(nèi)定位與導(dǎo)航使人與物之間構(gòu)建了空間關(guān)系,使人們的生活更加便捷。

目前主流的定位技術(shù)有WiFi、藍(lán)牙、超寬帶(ultra wide band,UWB)、超聲波等。WiFi定位的抗干擾性一般,部署難度中等,成本較低,定位精度達(dá)到米(m)級(jí);藍(lán)牙定位的抗干擾性一般,部署難度較低,成本一般,定位精度達(dá)到分米(dm)級(jí);超寬帶定位的抗干擾性強(qiáng),部署難度高,成本較高,定位精度達(dá)到厘米(cm)級(jí);超聲波定位的抗干擾性強(qiáng),部署難度低,成本較低,定位精度達(dá)到cm級(jí)[2]。

從20世紀(jì)末開始,國(guó)內(nèi)外的很多高校、研究機(jī)構(gòu)及公司就針對(duì)不同的應(yīng)用背景開發(fā)了種類繁多、實(shí)現(xiàn)原理多樣的室內(nèi)定位系統(tǒng)。2010年1月,美國(guó)俄亥俄州州立大學(xué)醫(yī)療中心安裝了一套當(dāng)時(shí)美國(guó)最大的醫(yī)療實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)[3],即Ekahau系統(tǒng)。Ekahau是根據(jù)WiFi信號(hào)強(qiáng)度,采用位置指紋算法的定位系統(tǒng)。部署成本低,定位精度可達(dá)2～5 m。Active Badge系統(tǒng)是一種以紅外線為傳媒介質(zhì)用近似算法的室內(nèi)定位系統(tǒng),定位精度一般以房間為單位。Active Bat系統(tǒng)是一種采用到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)法進(jìn)行定位的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng),能夠在95 %的情況下將定位誤差控制在9 cm以下[4]。但系統(tǒng)不易部署且定位成本過高。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的采用ZIGBEE組網(wǎng)技術(shù)的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)定位精度可達(dá)7 cm。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的基于CC1101的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)對(duì)Cricket系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),使定位精度提高到5 cm。

結(jié)合實(shí)際情況,綜合考慮各因素,本文基于超聲波定位技術(shù)建立了室內(nèi)定位系統(tǒng),通過對(duì)超聲波測(cè)距模塊的線性擬合,提出一種數(shù)據(jù)處理方法使定位精度提高到3 cm,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將4 m×6 m的房間劃分為6個(gè)2 m×2 m的定位區(qū)域,每個(gè)定位區(qū)域安裝4個(gè)坐標(biāo)已知的帶有無線射頻通信和超聲波測(cè)距功能的定位基點(diǎn)。超聲波測(cè)距節(jié)點(diǎn)將測(cè)得的超聲波在空氣中的傳播時(shí)間,乘以聲速,進(jìn)行偏差校正后得到距離?；谝陨匣驹碓O(shè)計(jì)了高精度動(dòng)態(tài)室內(nèi)定位系統(tǒng)。

定位基點(diǎn)通常處于休眠狀態(tài)。定位時(shí),移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向定位基點(diǎn)發(fā)送喚醒指令,待接收到應(yīng)答指令后,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)再發(fā)送測(cè)距超聲波,同時(shí)發(fā)送RF射頻計(jì)時(shí)同步指令。

定位基點(diǎn)在接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的同步信號(hào)后,開始計(jì)時(shí)。接收到超聲波信號(hào)后,結(jié)束計(jì)時(shí)。定位基點(diǎn)根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值計(jì)算得到定位基點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離,并進(jìn)行偏差校正后,得到距離。測(cè)得距離后,定位基點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。發(fā)送/接收指令格式如表1所示。

表1 發(fā)送接收指令格式表

2 定位原理

設(shè)圖1中Ri(i=1,2,3)是定位基點(diǎn)在地面的投影點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離。則以R1,R2,R3為半徑作3個(gè)圓,可得出交點(diǎn),即移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)(xi,yi)

(1)

圖1 三邊測(cè)距原理

(2)

3 硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位系統(tǒng)由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、定位基點(diǎn)、上位機(jī)三部分組成 。定位基點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的核心硬件由CC1101射頻收發(fā)器、HC-SR04超聲波模塊、STC89C52單片機(jī)、數(shù)碼管、溫度傳感器18B20等組成。穩(wěn)壓電路7805與LM1117將12 V直流電壓轉(zhuǎn)換成+5 V和+3.3 V,分別給CC1101射頻收發(fā)器和STC89C52單片機(jī)供電。上位機(jī)由STC89C52單片機(jī)、CC1101射頻收發(fā)器構(gòu)成的接收模塊及PC組成。硬件連接圖如圖2所示。

圖2 測(cè)距模塊硬件連接

超聲波測(cè)距模塊使用+5 V的電壓供電,發(fā)送頻率為40 kHz的超聲波,測(cè)量角度不大于15°,測(cè)距精度可達(dá)到3 mm,可提供2～600 cm的非接觸式距離感測(cè)功能 。

STC89C52單片機(jī)的P3.6口對(duì)HC—SR04模塊的TRIG引腳發(fā)出一個(gè)10 μs的脈沖觸發(fā)信號(hào)后,HC—SR04模塊立即發(fā)出超聲波信號(hào),同時(shí)ECHO引腳置為高電平,待HC—SR04模塊檢測(cè)到回波信號(hào)時(shí),ECHO引腳置為低電平。通過檢測(cè)ECHO引腳的高電平持續(xù)時(shí)間即可達(dá)到測(cè)量距離的目的。

4 偏差校正算法與數(shù)據(jù)處理

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)流程圖如圖3(a)所示,定位基點(diǎn)流程圖如圖3(b)所示。在實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)在2.5～3.5 m之間。測(cè)量3 m距離時(shí)按照s=v(聲速)×t(時(shí)間)得到的距離為4.53 m,產(chǎn)生偏差達(dá)到1.53 m。由于硬件與軟件系統(tǒng)的延時(shí)造成較大的誤差,故對(duì)距離進(jìn)行一元線性擬合,得到距離與計(jì)數(shù)值的關(guān)系如表2所示。

圖3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和定位基點(diǎn)流程

表2 計(jì)數(shù)值與距離關(guān)系表

表2計(jì)數(shù)值是測(cè)量30次得到的平均值。單片機(jī)振蕩頻率為12 MHz,定時(shí)器的一個(gè)計(jì)數(shù)值為1 us。在小于20 cm時(shí)超聲波測(cè)距模塊存在測(cè)量盲區(qū)。在大于20 cm時(shí),由以上數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到室溫15 ℃時(shí)，測(cè)距方程為y=30x+4663。其中，y為計(jì)數(shù)值,x為實(shí)際距離。將擬合的直線與數(shù)據(jù)比較得到圖4。

圖4 線性擬合結(jié)果

對(duì)方程線性擬合后,在室溫15 ℃時(shí),測(cè)量3 m實(shí)際距離時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)值為13 879,對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離為3.075 m,誤差縮小到7.5 cm。

聲速對(duì)溫度變化敏感,當(dāng)溫度變化較大時(shí),需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償,V=331.4+0.607t。其中,V為當(dāng)前聲速(m/s),t為室溫(℃)。當(dāng)溫度相差10 ℃時(shí),聲速相差6 m/s,3m的測(cè)量距離誤差會(huì)達(dá)到5 cm。因此,在實(shí)驗(yàn)中采用溫度補(bǔ)償進(jìn)行校正,得

(3)

校正后,在室溫25 ℃下,實(shí)際3 m的測(cè)量距離為3.005 m,誤差為0.5 cm。圖5為室溫25 ℃下測(cè)量對(duì)比情況。

圖5 測(cè)量值與實(shí)際值對(duì)比

校正后超聲波測(cè)距的靜態(tài)誤差在0.5 cm以內(nèi),準(zhǔn)確度大幅度提高。

上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后,首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅濾波,可以有效地去除粗大誤差。

將限幅濾波處理后的數(shù)據(jù)直接用三邊算法,得到的坐標(biāo)與實(shí)際移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)比較,誤差最大達(dá)到10 cm。為了降低偏差,在得到第一組數(shù)據(jù)后,若第二組數(shù)據(jù)在以第一組數(shù)據(jù)為圓心,半徑為Ri的圓內(nèi),則保留,否則離圓心越遠(yuǎn),乘以越小的權(quán)重得到新的數(shù)據(jù),這樣有效地避免了數(shù)據(jù)大的跳動(dòng)帶來的誤差。經(jīng)過試驗(yàn),在設(shè)定半徑R=5,權(quán)重μ為100減去數(shù)據(jù)到圓心的距離Ri的0.3倍再除以100時(shí)可以將誤差從10 cm縮小到3 cm以內(nèi),將精度提高了70 %,即

(4)

若R>5,則x′2=μx2,μ=(100-0.3Ri)/100;

若R≤5,則x′2=x2。

上位機(jī)將數(shù)據(jù)經(jīng)過限幅濾波和算法處理后,得到距離數(shù)據(jù)。緩沖單元在移入一個(gè)新數(shù)據(jù)前,將最陳舊的數(shù)據(jù)移去,一直保持緩沖單元中有8個(gè)最新數(shù)據(jù),并對(duì)8個(gè)數(shù)據(jù)求一次均值。

由于三邊算法只需要3個(gè)距離就可以算出坐標(biāo),上位機(jī)選取最小的3個(gè)距離進(jìn)行定位計(jì)算,最后將定位指標(biāo)顯示在界面上。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中,以40 cm/s運(yùn)動(dòng)的小車作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn),在2 m×2 m的定位區(qū)域內(nèi)沿事先規(guī)劃的直徑為120 cm的圓作勻速運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)中的小車每隔50 ms進(jìn)行一次定位,定位基點(diǎn)測(cè)得距離后實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。

上位機(jī)界面上圓對(duì)應(yīng)的實(shí)際圓的直徑為120 cm。小車通過紅外尋跡的方法沿圓作圓周運(yùn)動(dòng)?？招牡男A圈是小車的實(shí)時(shí)位置,R1～R4是4個(gè)定位基點(diǎn)的坐標(biāo)。由誤差分析可以看到最大誤差為2.73 cm。與文獻(xiàn) [1]相比,誤差減小了40 %,平均誤差為1.11 cm。

以下4種情況是產(chǎn)生誤差的主要原因。一組定位數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 定位誤差 cm

1)聲速對(duì)溫度變化敏感,當(dāng)溫度變化大時(shí),需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)溫度相差10 ℃時(shí),聲速相差6 m/s,3 m的測(cè)量距離誤差達(dá)到5 cm,故在實(shí)驗(yàn)中采用溫度補(bǔ)償進(jìn)行校正。

2)在測(cè)量各定位基點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)可能存在測(cè)量誤差。

3)當(dāng)測(cè)距誤差為ε時(shí),由式(1)得到定位誤差達(dá)到ε2。

4)系統(tǒng)硬件與軟件的延時(shí)造成單片機(jī)計(jì)時(shí)的誤差,實(shí)驗(yàn)通過線性擬合方程進(jìn)行校正。

圖6 上位機(jī)界面

6 結(jié)束語

本文基于超聲波測(cè)距原理,提出并實(shí)現(xiàn)了一種高精度室內(nèi)定位方法,設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件與軟件,完成了系統(tǒng)定位實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)測(cè)距結(jié)果的線性擬合、溫度補(bǔ)償、偏差校正,使得定位精度由文獻(xiàn)[1]中的5 cm提高到了3 cm。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文的方法具有較高的應(yīng)用價(jià)值。