多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐瑞超

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 西安 710300

1 設(shè)計(jì)背景

目前,室外定位導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)較為成熟,全球定位系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)等都可以提供最高厘米級的定位精度[1-2]。但在室內(nèi)環(huán)境中,遮擋的存在導(dǎo)致衛(wèi)星信號無法使用,對此,大量研究機(jī)構(gòu)致力于尋求新的定位解決方案。在商場、醫(yī)院、辦公樓、停車場等復(fù)雜室內(nèi)場景中,人員定位與貨物位置管理服務(wù)顯得非常重要。當(dāng)前,室內(nèi)定位技術(shù)幾乎都使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò),并且定位解決方案多樣,主要有無線射頻識別技術(shù)[3]、無線保真網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]、藍(lán)牙技術(shù)[5]、蜂舞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[6]、線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)[7]等。筆者基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)、蜂舞協(xié)議和氣壓傳感器,進(jìn)行多信息融合,設(shè)計(jì)了室內(nèi)定位系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中,線性調(diào)頻擴(kuò)頻模塊為主測距模塊,蜂舞協(xié)議模塊為輔助測距模塊?；谒O(shè)計(jì)的多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行物體定位試驗(yàn),確認(rèn)了系統(tǒng)的有效性。

2 達(dá)到時(shí)間差算法

基于測距原理的定位算法需要確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的距離信息,常用的定位算法有基于到達(dá)角度算法[8]、達(dá)到時(shí)間差算法[9]、接收信號強(qiáng)度指示算法[10]。獲得距離信息之后,通過質(zhì)心算法、最小二乘法等數(shù)據(jù)處理方式求得節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。基于時(shí)間的定位算法要求具有時(shí)間同步性,而實(shí)際操作中很難保證時(shí)間精確同步。為了克服時(shí)間同步偏差,筆者采用到達(dá)時(shí)間差算法。到達(dá)時(shí)間差算法示意圖如圖1所示。

采用達(dá)到時(shí)間差算法,需要測量兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的往返時(shí)間差。

信號從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出后,記錄本地時(shí)間T1。信號到達(dá)參考節(jié)點(diǎn)后立即返回,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到返回信號,再次記錄本地時(shí)間T2。根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號時(shí)間T1和接收返回信號時(shí)間T2的時(shí)間差來計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離。

圖1 到達(dá)時(shí)間差算法示意圖

3 雙邊雙向定位算法

到達(dá)時(shí)間差算法雖然能夠解決時(shí)間同步性問題,并且降低了硬件成本,但是仍然存在一些誤差。不同的硬件模塊之間存在硬件處理數(shù)據(jù)延時(shí)和晶體振蕩器頻偏,這兩個(gè)因素引起了時(shí)間誤差。由于每個(gè)硬件的物理電氣特性存在差異,信息處理時(shí)間也會產(chǎn)生差異,因此各硬件之間存在時(shí)間誤差在所難免,采用雙邊雙向定位算法,可以很好地解決這一問題。

采用雙邊雙向定位算法,需要進(jìn)行兩次對稱測量,示意圖如圖2所示。從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號,并開始計(jì)時(shí)。信號到達(dá)參考節(jié)點(diǎn)并返回,數(shù)據(jù)處理延遲時(shí)間計(jì)作T1。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到返回信號后停止計(jì)時(shí),從開始計(jì)時(shí)到停止計(jì)時(shí)的時(shí)間差計(jì)作T2。第二個(gè)信號從參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出,同時(shí)開始計(jì)時(shí)。信號到達(dá)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)并返回,數(shù)據(jù)處理延遲時(shí)間計(jì)作T3。返回信號到達(dá)參考節(jié)點(diǎn)后停止計(jì)時(shí),從發(fā)起定位到停止計(jì)時(shí)的時(shí)間差計(jì)作T4。信號的實(shí)際傳播時(shí)間為T,T1、T2、T3、T4、T之間有如下關(guān)系:

(1)

在上述定位過程中,參考節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信號返回給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)并停止計(jì)時(shí),時(shí)間差T2包含了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理延遲時(shí)間T3。同理可得,時(shí)間差T4中包含了參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理延遲時(shí)間T1。由此,信號的實(shí)際傳播時(shí)間T為:

T=[(T2+T4)-(T1+T3)]/4

(2)

通過T即可得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間十分準(zhǔn)確的距離。

4 室內(nèi)定位系統(tǒng)原理

筆者設(shè)計(jì)的多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)由蜂舞協(xié)議模塊、線性調(diào)頻擴(kuò)頻模塊、氣壓測高模塊三部分組成。線性調(diào)頻擴(kuò)頻模塊作為主測距模塊,具有定位精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、能耗低等特點(diǎn),在中長距離測距中能夠發(fā)揮優(yōu)勢。蜂舞協(xié)議模塊作為輔助測距模塊,可以實(shí)現(xiàn)主測距信號和輔助測距信號的融合。多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖2 雙邊雙向定位算法示意圖

圖3 多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)原理

氣壓測高模塊的作用是將計(jì)算的高度信息和溫度信息通過通用異步接收發(fā)送設(shè)備發(fā)送給蜂舞協(xié)議模塊或線性調(diào)頻擴(kuò)頻模塊。

融合了主測距信號和輔助測距信號的多個(gè)測距值可以有效提高定位精度,多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)工作流程如下:通過串行外設(shè)接口總線與多點(diǎn)控制單元控制處理模塊實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻擴(kuò)頻模塊的數(shù)據(jù)交互,通過天線與外部待定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的接收與傳送;采用雙邊雙向定位算法進(jìn)行測距,將主測距值傳輸至多點(diǎn)控制單元控制處理模塊;蜂舞協(xié)議模塊獲得的輔助測距值通過多點(diǎn)控制單元控制處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;氣壓測高模塊通過多點(diǎn)控制單元控制處理模塊獲取高度信息;最終根據(jù)線性調(diào)頻擴(kuò)頻模塊、蜂舞協(xié)議模塊、氣壓測高模塊獲得的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高精度定位。

5 物體定位試驗(yàn)

常用的定位用于解決人或物在何處、去何地等問題,涉及空間和時(shí)間。在現(xiàn)實(shí)生活中,除了要獲得人或物的空間位置外,還需要明確空間內(nèi)物體的相對位置信息。與導(dǎo)航定位相同,室內(nèi)定位需要獲取物體所處位置隨時(shí)間變化的規(guī)律,不同點(diǎn)則是不僅需要獲取物體的絕對位置,而且需要獲取物體之間的相對位置。

物體最初位置如圖4所示。通過線性調(diào)頻擴(kuò)頻模塊主測距和蜂舞協(xié)議模塊輔助測距,實(shí)現(xiàn)各個(gè)物體之間距離的高精度測量。氣壓測高模塊測量獲得不同位置物體的氣壓值,轉(zhuǎn)換為高度值,得到不同貨箱的高度信息。

圖4 物體最初位置

物體定位主要思路分為三步。

(1) 使用高度值進(jìn)行高度定位,在頂層放置最大高度值對應(yīng)的三個(gè)物體,在中間層放置中間高度值對應(yīng)的三個(gè)物體,在底層放置最小高度值對應(yīng)的三個(gè)物體。

(2) 以4號物體作為參考,基于其它各物體與4號物體的距離進(jìn)行各層的定位。假設(shè)1號、2號、3號物體在頂層,并且與4號物體的距離逐漸增大,那么與4號物體距離最近的物體應(yīng)位于第一個(gè)位置,與4號物體距離稍遠(yuǎn)的位于第二個(gè)位置,與4號物體距離最遠(yuǎn)的位于第三個(gè)位置。

(3) 通過距離和高度的測量與比較,得到各個(gè)物體之間的相對位置。

氣壓測高模塊由于數(shù)據(jù)波動(dòng)性會產(chǎn)生誤差,需要將氣壓值減去自身校準(zhǔn)值,然后再轉(zhuǎn)換為高度值。穩(wěn)定狀態(tài)下1 min測量均值可以作為自身校準(zhǔn)值。

進(jìn)行多組試驗(yàn),多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)均能成功實(shí)現(xiàn)物體的相對定位,其中兩組試驗(yàn)的物體真實(shí)位置與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 物體定位試驗(yàn)真實(shí)位置與試驗(yàn)結(jié)果對比

6 結(jié)束語

筆者基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)、蜂舞協(xié)議、氣壓傳感器多信息融合,采用雙邊雙向定位算法,設(shè)計(jì)了多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)。通過物體定位試驗(yàn)確認(rèn)多信息融合室內(nèi)定位系統(tǒng)具有較高的定位準(zhǔn)確性,以及良好的穩(wěn)定性和魯棒性。這一系統(tǒng)組網(wǎng)能力強(qiáng),易于實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布點(diǎn),成本低,適于推廣應(yīng)用。