一种基于多源收发异体结构的室内移动目标超声定位系统

张沁言，韩 仪，王四海

（1.北京邮电大学 数字媒体与设计艺术学院，北京 100876；2.北京邮电大学 理学院，北京 100876）

大学生园地

一种基于多源收发异体结构的室内移动目标超声定位系统

张沁言1，韩 仪2，王四海2

（1.北京邮电大学 数字媒体与设计艺术学院，北京 100876；2.北京邮电大学 理学院，北京 100876）

提出一种高性能超声定位系统，采用红外和无线信号同时作为同步信号构成收发异体的定位结构，采用伪随机 M序列进行载波扩频，形成码分多址的多基站收发机制，通过设计广角探头来扩大作用范围，设计温度补偿电路提高测量精度.本系统能实现10 Hz的测量速率和厘米级的测量精度，能有效实现室内移动目标的高精度定位.

室内定位；超声波；码分多址；嵌入式系统

近年来，随着物联网、智能家居、机器人等行业的迅猛发展，定位技术越来越体现出其重要性.总体来说，定位技术可分为室外定位和室内定位.室外定位技术已十分成熟，其米级的定位精度已经适合于大部分导航定位需求.而室内定位所面临的环境更为复杂多变，其技术体系也纷繁庞杂，因此一直以来都没有得到很好的解决.目前广泛流行的室内定位技术主要包括红外定位、各个频段的无线电定位（RFID、WiFi等技术均归为此类）、视觉定位、超宽带（Ultra Wideband，UWB）定位、超声波定位、地磁、激光定位等［1，2］.各种技术的定位精度和实现的难易程度如图1所示.

图1 各种室内定位技术性能对比

与其他定位技术相比，超声定位具有实现简单、定位精度高、价格低廉的特点，具有广泛的室内定位应用前景.然而，超声波的小波束角、多源干扰、多径现象等因素对其在实际系统中的应用造成了严重的影响.文献［3］设计了一种用于移动机器人避障的超声测距系统，发射和接收传感器都置于移动机器人本体上，这种收发同体的设计代表了非常广泛的一类超声应用，其优点是接收和发射传感器采用同一

系统控制，信号同步方便，但收发同体的系统设计不够灵活，且必须依赖障碍物反射，严重限制了系统的应用.为了区分多路超声源，文献［4］分别介绍了一种时分和频分发射方式，但前者发射周期长，后者不易扩展，均不适合大范围的移动目标定位.

本文提出一种高精度的室内移动目标超声定位系统.接收和发射模块采用收发异体设计，同时采用红外和无线信号作为同步信号，采用伪随机M序列控制多路超声信号的发送，构成码分多址的信号传输体系，采用广角探头，加大了波束角；此外，通过设计温度补偿等电路，进一步提高了系统的测量精度.系统基于STM32 Cortex-M3微处理器的嵌入式架构，性能可靠，尺寸小巧，且便于快速部署.

1 超声波定位基本原理

如图2，在室内空间建立统一的三维直角坐标系O-xyz.超声发射节点S1-Sn均匀地构成发射阵列，布置于天花板上，基线长度（相邻两个发射节点的距离）为a.移动目标R1-Rm上装有超声接收节点.对于某一接收节点 R1，若测得其与各发射节点的距离l1-ln，则根据几何关系，有如下非线性方程组：

图2 超声定位系统原理示意图

其中，（xj，yj，zj）为发射节点 Sj的三维坐标，j=1，…，n，（x，y，z）为待测接收节点R1的三维坐标，解方程组（1）即可获得R1的空间坐标信息.方程组的求解可采用解析法或数值法.若采用解析法，则只需3个发射节点即可定位出移动目标，但由于距离的测量存在误差，解析法的定位精度随所选的发射节点不同而不同，需根据移动目标所在的不同区域进行最优切换.因此本文采用Gauss-Newton数值迭代法求解，其本质是采用多传感信息融合来提高测量精度，具体的算法见文献［5］.然而，由于超声波的作用距离有限，且存在远近效应，并非越多的距离测量值对位置的估算越有效，本文在任意时刻仅选择离移动目标最近的4个发射节点来进行定位.以上位置估算的前提是已知各发射节点与接收节点间的距离，接下来的问题则是如何测量收发间的距离.超声测距的基本原理是测量到达时间（Time of Arrival，TOA），即收发节点间设计一同步信号，同步信号发射时发射节点同时发送超声波，此时接收节点记下时刻t1；超声波到达接收节点后，接收节点记下时刻t2，则到达时间t=t2-t1.假设超声在空气中的传播速度为c，则发射节点与接收节点的测量距离为l=ct.本文中同步信号采用红外和无线信号两种，二者由同一IO口控制，相互补充能发挥比单一同步信号更好的性能：红外信号可克服室内无线信号受干扰造成同步信号丢失的情况，无线信号则可克服红外信号因障碍物遮挡造成同步信号丢失的情况.

2 性能增强设计

为了增强定位性能，本文对以上基本的超声定位系统进行了一系列性能增强设计，包括如下内容.

2.1 码分多址发射

为了扩大超声波的覆盖面积，系统包括多个发射节点，构成多源发射阵列.对于移动目标上的接收节点而言，则需要区别接收到的是哪个发射节点的信号.传统的时分系统采用不同发射节点分时轮发的方式，当节点数目增加后，发射周期势必会增大，从而降低了测量速率，不利于移动快动态的目标定位，而且这种方式还会受到多径回波的干扰.另一种频分系统为每个发射节点设计了一个特有的发射频率，接收节点对不同频率分别进行响应，从而区别出发射源；当发射节点数目增加后，发射节点的频率会分得更细，对市面上常用的发射探头提出了挑战.

本文采用码分多址的方式对发射源进行区分，每个发射节点都分配一串全局唯一的二进制识别码.发射时，由一个IO口输出识别码，另一个IO口输出正常的超声载波信号，二者相“与”后输出扩频信号，以作为发射驱动电路的信号输入源（图3）.识别码设计为伪随机M序列，实践证明，这是一种很好的超声发射脉冲压缩信号，能有效提高测量精度和抗干扰能力［6］.本文正是采用了这种方式来设计

识别码，接收节点根据识别码解调出接收到的是哪一路发射信号.此外，当接收节点在不同时段接收到多个同一伪随机序列编码的信号时，则只接收最先到达的信号，后续的信号可认为是该信号的多径发射回波，从而克服了多径现象的干扰.

图3 码分多址发射原理图

2.2 广角探头设计

在本文的收发异体超声定位结构中，我们希望超声波的波束角越大越好，这样有利于覆盖更大的定位范围.然而市面上的超声探头波束角都较小（一般小于60°）.为了扩大发射节点的覆盖面积，本文在每个节点上布置了4个换能器，以一定角度呈放射状排布，各个探头由同一扩频信号驱动，由此极大地增加了发射节点的覆盖面积.

2.3 干扰补偿设计

测量干扰包括温度波动、系统误差和环境噪声等.温度影响声音的传播速度，为此，接收节点设计了温度补偿电路，采用DS18B20单总线数字式温度传感器，通过一个IO口模拟总线逻辑实现温度的测量.DS18B20体积小、价格低廉、测量精度高，是可靠的温度测量方案.对于系统迟延、器件误差等系统误差，采用标准值标定的方法拟合出补偿曲线，实现系统误差的补偿.

3 系统实现

3.1 发射节点设计

发射节点采用STM32F103VET6控制器，超声传感器选择 40 kHz换能器，红外同步信号选择38 kHz信号，无线同步选择 nRF24L01+低功耗单片无线收发器芯片.如图4（见下页）所示为超声和红外发射驱动电路.S1ID接 STM32的一个IO口，用以输出伪随机 M序列扩频码；PWM-40K和PWM-38K接STM32的两个PWM输出口，分别输出40 kHz和38 kHz的方波信号，作为超声和红外载波信号.载波信号与伪随机扩频码经74HC08进行“与”操作后作为后级驱动电路的输入，最后经LS3和D17分别发出超声波和红外光信号.值得一提的是，为扩大发射节点的覆盖面积，每一个发射节点包括4套传感驱动电路和4个发射探头.发射节点以100 ms为周期重复发射超声、红外和无线信号，从而实现10 Hz的目标检测速率.无线收发器nRF24L01+工作在2.4 GHz频段，与STM32间采用SPI通信，片选使能信号 CE连接到一个 IO口，用以控制是工作在发射还是接收模式.无线信号与红外同步输出，用以提供另一种同步方式.

3.2 接收节点设计

接收节点同样采用STM32F103VET6芯片.超声和红外接收分别采用基于 CX20106A 和TSOP1838SS3V的集成芯片解决方案，接收核心电路如图5（见下页）所示.当接收换能器LS1接收到超声信号时，CX20106A的第7脚输出低电平，否则输出高电平.同样，当TSOP1838SS3V接收到红外信号时，在第1脚输出低电平，否则输出高电平.工作时，接收节点首先收到红外同步信号，与TIM4-CH3相连的控制器管脚被拉低，可设置下降沿触发的中断，检测第一个下降沿并进入中断程序，在其中通过一个全局计数器来记录同步时刻t1.随后，当接收到超声信号时，与TIM4-CH3相连的管脚被拉低，同样可检测第一个下降沿来触发中断，从而记录超声到达时刻t2.值得一提的时，除了记录时刻t1和t2外，接收程序还要读取伪随机码来判断接收到的是哪一路信号.当收到四路信号后，主程序进行一次位置坐标计算，从而更新目标位置.接收节点也配备了nRF24L01+无线收发器，用以提供无线同步方式.

4 实验

硬件系统实物图如图6（见下页）所示，一块发射板可通过杜邦线插接4个发射探头，分散布置于天花板上；接收板包含一个接收探头、一个红外接收管以及DS18B20和nRF24l01+的扩展口，布置于待测移动目标上.实验用伪随机序列采用31位的M序列，码元持续时间为200 us，接收端经包络检波器解调出M序列，一个M序列持续的时间不超过10 ms，加上M序列间的间隔以及系统的定位处理时间，一个定位周期最长为100 ms，从而可以保证10 Hz的定位频率.图7（a）所示为某次距离测量中的原始M序列，图7（b）所示为接收端解调后的M序列，可见接收端能很好地恢复出原始M序列.

最后进行的是室内定位实验.实验在一个6 m长、6 m宽、3 m高的室内封闭环境进行，存在反射多径干扰.天花板上布置四组发射节点，连线成3 m边长的正方形，地面上布置移动接收节点，正方形中心与接收节点的连线同竖直平面所形成的夹角记作θ.以室内某底角为原点构建基准直角坐标系，待测节点的位置记为（x，y，z），在不同的θ角下进行多组测量，每组进行10次测量，计算平均值和最大测量误差，实验结果如表1（见P.44.）.可见，在大偏角下系统仍能实现厘米级的定位精度，同时拥有良好的抑制多径干扰和环境干扰的能力.

图4 超声和红外发射电路

图5 超声和红外接收电路

图6 实验硬件实物图

图7 伪随机M序列

表1 定位实验结果

5 结束语

本文设计了一种基于多源异体超声传感器的高性能室内移动目标定位系统.系统设计为收发异体结构，同时设计了无线和红外两种同步信号，采用STM32 Cortex-M3的嵌入式架构，其特点是包括了一系列性能增强设计：采用码分多址的发射方式，通过伪随机M序列来区分发射源，同时降低了多径干扰和环境噪声干扰；设计广角探头，从而扩大了发射节点的覆盖范围；设计温度补偿等干扰补偿方法，进一步提高了系统的测量精度.本系统为室内移动目标定位提供了一种廉价、可靠、扩展性强的解决方案，具有重要的应用价值.

［1］ Deng Z，Yu Y，Yuan X，et al.Situation and development tendency of indoor positioning ［J］. China Communications，2013，10（3）：42-55.

［2］ Zampella F，Ruiz A，Granja F.Indoor positioning using efficient map matching，RSS measurements，and an improved motion model［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2015，64（4）：1304-1317.

［3］ 胡盛斌，罗均，龚振邦.用于移动机器人避障的超声测距系统［J］.机电一体化，2003（1）：37-40.

［4］ 宋淑婷.大范围多目标三维超声定位关键技术研究［D］.吉林长春：吉林大学，2013.

［5］ 程晓畅.类GPS超声定位系统关键技术研究［D］.湖南长沙：国防科学技术大学，2007.

［6］ Yao W.A pseudo random（PR）code based ultrasonic navigation system（UNS）［C］.Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics，Automation and Mechatronics，2004：752-757.

An ultrasonic location system for indoor moving target using multi-source and separated T／R structure

ZHANG Qin-yan1，HAN Yi2，WANG Si-hai2
（1.School of Digital Media＆Design Arts，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China；2.School of Science，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China）

A high performance ultrasonic location system is proposed.Both infrared and radio signals are applied as synchronizing signals，forming a locating structure with separated transmitter and receiver.Pseudo random M sequence is utilized as spread spectrum carrier to form a CDMA-based multi-station mechanism.Wide-angle probes are designed for expanding the detecting area.In addition，a temperature compensation circuit is designed to improve the measurement accuracy.This system can achieve 10 Hz sample rate and centimeter level measurement accuracy，and is verified to be effective for locating moving indoor targets.

indoor location；ultrasound；CDMA；embedded system

O 59；TB 559

A

1000-0712（2016）11-0040-05

2015-09-08；

2016-05-26

北京邮电大学大学生研究创新基金、北京市共建项目（S-201510013027）专项资助

张沁言（1996-）女，四川宜宾人，北京邮电大学数字媒体技术与艺术设计学院2014级本科生.

王四海，E-mail：wshjlpa＠sina.com