基于时间调制的超声波自主实时定位系统

熊　剑，林舟杰，陆泽橼，郭　杭，衷卫声

(1. 南昌大学信息工程学院测控教研室，江西 南昌　330031；2. 中国科学院合肥物质科学研究院医学物理中心，安徽 合肥　230031；3. 南昌大学空间科学与技术研究院，江西 南昌　330031)



基于时间调制的超声波自主实时定位系统

熊剑1，林舟杰1，陆泽橼2，郭杭3，衷卫声1

(1. 南昌大学信息工程学院测控教研室，江西 南昌330031；2. 中国科学院合肥物质科学研究院医学物理中心，安徽 合肥230031；3. 南昌大学空间科学与技术研究院，江西 南昌330031)

摘要:针对超声波-射频室内定位系统信道分配问题复杂、实时性低下的问题，提出基于时间调制的超声波自主实时定位系统。该系统引入直接序列扩频技术，用时间和终端ID组成的二进制序列调制超声波实现信息携带，接收端在无射频模块的情况下通过恢复信息来估计超声波渡越时间，识别发射源并计算位置坐标。通过simulink对超声波信息携带方法进行了仿真验证，实验结果表明：系统通过扩频调制解调能够准确恢复时间信息，有效识别终端ID，区分不同终端信号源位置，并且对多址效应和多路径效应有较好的抗干扰效果，从而降低系统复杂性，提高响应时间并实现自主定位。

关键词:超声波；时间调制；扩频；自主定位

0引言

在现代大型商场、高度自动化工厂或不适合人员直接操作的室内工作环境，常常需要借助室内定位技术获得目标的精确位置。基于超声波的探测技术安装使用方便，成本低，抗电磁干扰能力强，在测距中应用广泛，能获得较高的精度[1-2]。在室内定位技术领域中，由于超声波以上优点，也具有较大的研究意义。

目前的超声波室内定位系统大多数都是以超声-射频组合的形式进行定位[3-4]。需要借助射频模块控制超声波的发射，命令接收模块计时来估计超声信号的渡越时间。为了避免信号的互相串扰，射频模块还要控制信道的分配，不仅给系统带来了较高的复杂性，其定位实时性也大打折扣[5]。针对此问题，本文提出了基于时间调制的超声波自主实时定位系统，在不借助无线射频模块的情况下实现定位，降低系统复杂性，提高定位响应时间。

1常规超声波定位原理

1.1Cricket定位系统

Cricket是经典的基于超声波和无线射频的室内定位系统[6]。目前室内超声波定位系统结构大多与此相同。其模块节点分为Listener和Beacon。Beacon被安装在固定位置，同时发送射频信号和超声波脉冲；Listener安装在移动目标上，接收到Beacon的射频信号开始计时，等待超声波信号到达则停止计时。设这两种信号的时间差为Δt，则

s=v·Δt

(1)

获得三个以上Beacon信标时计算出Listener和信标的距离s1，s2，s3，随后根据三边定位等定位算法即可计算出移动目标位置[7]。

1.2信道分配和实时性问题

由于所有Beacon均发射同频超声信号，Listener无法区分不同Beacon信号来源，从而可能计算出错误的位置。因此，Circket采取了随机延迟技术，即在信号发射之前先监听一段随机时间T，如果没有收到其他Beacon射频信号则开始发射超声波信号。这种监听机制降低了超声信号发射的频率，虽然减小了因超声信号串扰导致目标位置计算出错的可能性，但是难以保证响应时间，此外，由于超声回波信号的反射等引起的多路径效应，仍然会造成距离测量错误，得出错误坐标。

1.3基于超声射频定位系统的实时性改进方法

为了改进超声-射频定位系统的实时性，本文利用调制与解调和直接序列扩频技术[8]，令发射的超声波具备信息携带能力，将时间信息调制到超声信号中，接收装置通过解调恢复发射时间，与到达时间作差，无须借助射频模块即可完成渡越时间估计，实现距离测量和目标位置的计算。此外，信号还携带自身ID号码，通过ID识别可区分信号来源，与Cricket原理类似的定位系统则可以免去信道分配问题，有利于改善系统定位的响应时间，提高定位动态效率。

1.4m序列扩频原理

研究表明，伪随机二进制序列最适于超声发射的脉冲压缩信号，其中使用最多的就是m序列[9-10]。本系统采用m序列实现超声信号的扩频过程。

m序列全称是最长线性反馈移位寄存器序列，是伪随机序列中最重要的一种，具有伪噪声码的一般特性。用x表示每一级移位寄存器，系数Ci表示寄存器的反馈状态，则其相应的反馈线连接状态可用多项式表示为:

f(x)=C0x0+C1x1+…+Cnxn

(2)

式中C0=1，Cn=1。当上式满足条件[11]

1)f(x)为不可约的；

2)f(x)可整除(1+xp)，p = 2n-1；

3)f(x)除不尽(1+xn)，q < p。

f(x)称为m序列的本原多项式。本原多项式具体求法不作赘述，参考相关文献可查询常用多项式系数[12]。

查询的系数多为八进制，求出对应二进制系数即可确定本原多项式。

根据m序列的平移等价特性和平衡特性，其归一化自相关函数为:

(3)

式(3)中p 为m序列的长度，j为相关函数R(j)的时延，j取0，±1，±2，…等离散值[13]。

由式(3)可知，接收端相关器使用本地m序列与接收到的超声波信号作自相关运算，当本地m序列相位相同并且同步时，在发射端的键控作用便被相互抵消，输出一个解扩后的窄带信号。

2超声波自主识别定位系统

2.1系统结构

超声波自主识别定位系统结构如图1所示，系统仅由超声波发射终端、接收终端组成，在系统运行期间，两者都使用高精度时钟模块进行计时。在系统启动前，首先对发射和接收终端进行时钟同步校准。

发射终端：固定在天花板上，构成一个坐标系，并对信号发射时间和终端ID号进行调制，并持续发射超声波信号。

接收终端：固定在定位物体之上，接收来自发射终端的超声波信号并进行数据处理和定位解算。

图1　超声波自主识别定位系统Fig.1　Autonomously recognizable ultrasonic position system

2.2信号传输原理

系统工作流程如图2所示。

图2　基于时间调制的超声室内定位方法流程Fig.2　The process of ultrasonic indoor position based on time modulation

发射终端准备发射超声波，同时记录此时发射时刻t1，使用伪随机码拓展信号频谱，把时间信息t1和终端ID号n(用d(t)表示)调制在伪随机序列当中，原始数据d(t)与m序列c(t)相乘得到扩频后的复合信号

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

(4)

使用复合信号g(t)调制超声载波信号，即当原始数据二进制序列为0时发送与m序列反相的序列，为1时发射与m序列同相的序列，得到调制信号s(t)，其时域表达式可表示为：

(5)

式(5)中,(n-1)TB

(6)

完成信号扩频调制后，通过发射终端的超声波驱动电路发射经扩频调制后的超声波信号s(t)。

图3　发射端扩频调制框图Fig.3　Spread spectrum modulation simulation of sender

超声波接收终端接收到任意一个发射终端的超声波信号，立刻记录本地接收时刻t2；与此同时，依照图4，该接收终端使用本地m序列与收到的调制信号s(t)作相关解扩，当本地与发射端m序列结构完全相同，即c(t)与c'(t)具有相同的周期，码元同步，并且相位重合时，由于m序列良好的自相关特性，根据式(5)可得

c(t)·c′(t)=1

(7)

图4　超声波接收端解扩解调框图Fig.4　Dispreading modulation simulation of receiver

接收终端根据超声波信号发射时刻t1以及接收s(t)的时刻t2，以及公式

(8)

计算出该接收终端到n号发射终端的距离s。

发射终端理论上可连续不断地发射超声扩频信号，目标接收终端可以随时接收不同发射终端发出的信号，只要同时收到3个有效信号，经过信号解扩和解调，即可根据三维定位算法[4]，解算出目标接收终端的位置。同时识别不同发射终端源，解决了多个发射终端带来的多址干扰和超声波信号反射带来的多径干扰问题。

3系统实验与结果分析

3.1超声时间信息及ID数据传输系统的仿真

以3路超声波定位系统为例，采用Simulink对超声时间信息及ID数据传输系统进行了系统仿真和分析。该系统仿真如图5所示。

首先对每一路的超声波发射时刻跟发射终端ID进行编码，编码数据仿真以随机二进制序列生成器表示。

系统仿真主要由扩频调制、信息调制、相关解扩、信息解调4部分组成，其中信息调制与解调采用BPSK二进制相移键控方式。仿真中针对工作频率为40 kHz的超声波换能器，使用频率为40 kHz，振幅5 V的正弦波信号。

图5　超声时间及ID传输-识别系统仿真Fig.5　Time & ID transfer-recognition system simulation

3路超声波信号经过扩频调制后通过同一个高斯噪声信道AWNG Channel，模拟多个超声波发射终端带来的多址干扰，同时对第一路信号进行二次叠加模拟超声波信号经反射引起的多路径效应。

图5中扩频模块和解扩模块对应的仿真见图6。

图6　扩频与解扩子模块Fig.6　Sub-module of spread and dispreading

由于采用3路信号，伪随机码选择5级m序列即可满足系统要求。根据表1所列，求出三个本原多项式二进制系数分别为[1 0 1 0 0 1]，[1 1 1 0 1 1]，[1 0 1 1 1 1]，设置每一路扩频子模块中PN Sequence Generator模块的参数Generator polynomial，解扩时本地PN Sequence Generator使用参数设置一致的Generator polynomial。

3.2仿真结果

为了比较效果，实验对未引入DSSS技术的单路传输系统进行验证，见图7，其波形如图8所示。由图8中波形2对比波形1原始数据可见，单路超声传输系统尚能准确地恢复超声波发射端的时间信息和ID数据，结果较为准确。加入多路径效应后，波形3与波形1对比可见，无DSSS的传输系统受到较大影响，接收端已无法准确恢复发射端的数据。

在三路超声波系统共同工作时，超声波信号互相干扰，其中第一路收发波形如图8波形4所示，接收端数据已经无法完全恢复，系统受到严重的多址干扰和多路径干扰，在多路超声信号串扰下无法准确恢复数据，从而会得出错误目标位置。

图9为引入DSSS技术的三路超声时间信息及终端ID数据传输系统的仿真结果图。三路发射终端发射不同的二进制序列，分别对比各路发射终端可发现，三路发射端时间信息和ID号构成的二进制序列经过扩频调制以后，在接收端均成功地得到恢复，解决了同频信号串扰，信号反射带来的多路径干扰，顺利实现了超声波信息携带功能，从而为超声波定位系统无间断连续定位提供了理论基础，有利于提高系统的定位响应时间。

图7　无DSSS的超声时间及ID传输-识别系统仿真Fig.7　Time & ID transfer-recognition system simulation without DSSS

图8　无DSSS收发波形图Fig.8　Waveform between sender and receiver without DSSS

图9　引入DSSS的收发波形图Fig.9　Waveform between sender and receiver with DSSS

4结论

本文提出了基于时间调制的超声波自主实时定位系统。该系统使用m序列对超声波发射端数据进行扩频调制，通过传输超声波发射时间信息和终端ID号以实现自主定位。仿真结果证实了超声波携带信息的可行性，能准确恢复时间信息并识别终端ID，区分不同终端信号源位置，而且具有良好的抗多址干扰和抗多路径干扰效果。系统能够不借助无线模块实现超声波自主定位，减小定位系统的复杂性，有利于改善超声波定位系统的动态响应，对于提高超声波定位系统实时性具备一定的研究和应用价值。

随着时间的累积，超声波发射和接收终端的时钟误差会逐渐增大，这部分误差可以借鉴GPS钟差，通过超声波传输导航电文来消除，这也将是后续研究工作的重要内容，有待进一步研究。

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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.

中图分类号:TP96

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)02-0043-05

作者简介:熊剑(1977—)，男，江西省抚州人，博士，讲师，研究方向：多源信息融合、非线性滤波。E-mail：xiongjian@ncu.edu.cn。

基金项目:江西省教育厅科技项目资助(GJJ14125；GJJ13056)；国家自然科学基金项目资助(41164001；41374039)

*收稿日期:2015-10-26