1、長春理工大學本科畢業設計PAGE PAGE 36編號(bin ho) 本科生畢業設計(b y sh j)基于(jy)CDMA室內超聲波三維定位系統設計CDMA-based indoor ultrasonic three-dimensional positioning system design摘要(zhiyo)本系統結合射頻通信(tng xn)低成本、低功耗的特點和超聲波定位精度高的特點，而避開它們的缺點，如單獨的射頻識別定位精度不高、超聲波測距的覆蓋范圍有限。提出了一種基于CDMA室內超聲波三維定位系統，能達到(d do)較高的定位實時性和厘米級的定位精度。本系統具有快速定位和定位精度高等優

2、點，并且能實現多個移動目標節點的定位，使多目標同時定位或導航的應用成為可能，特別適用于多目標的室內協同工作，如井下人員的精確定位、醫療監護、遠動捕獲以及室內無人機和機器人的航跡規劃等。關鍵詞：CDMA 三維動態定位 射頻同步 超聲波ABSTRACTThe system combines the advantages of the radio frequency communications such as low-cost, low power consumption and high precision of the ultrasonic positioning. while avoidin

3、g their disadvantages, such as separate radio frequency identification accuracy is not high, the limited coverage of ultrasonic ranging. We proposed a three-dimensional indoor ultrasonic positioning system that base on CDMA technology. It can achieve high localization and real-time centimeter-level

4、positioning accuracy. The system is fast positioning and high precision positioning The system can achieve the positioning of multiple mobile target nodes, so that multi-objective positioning or navigation applications also become possible, especially for the multi-objective work in the room, such a

5、s the precise location of the underground personnel, medical care, capture the remote object, indoor UAV, and paining the path of the robot and so on.Key words: CDMA；Three-dimensional dynamic；RF synchronization；Ultrasonic目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295335482 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc29533548

6、2 h I HYPERLINK l _Toc295335483 ABSTRACT PAGEREF _Toc295335483 h II HYPERLINK l _Toc295335484 目錄(ml) PAGEREF _Toc295335484 h III HYPERLINK l _Toc295335485 第1章 緒論 PAGEREF _Toc295335485 h 1 HYPERLINK l _Toc295335486 1.1課題研究目的和意義 PAGEREF _Toc295335486 h 1 HYPERLINK l _Toc295335487 1.2國內外研究現狀和前景分析 PAGER

7、EF _Toc295335487 h 1 HYPERLINK l _Toc295335488 1.2.1國內現狀 PAGEREF _Toc295335488 h 1 HYPERLINK l _Toc295335489 1.2.2國外現狀 PAGEREF _Toc295335489 h 2 HYPERLINK l _Toc295335490 1.2.3前景分析 PAGEREF _Toc295335490 h 3 HYPERLINK l _Toc295335491 1.3本文主要研究內容 PAGEREF _Toc295335491 h 3 HYPERLINK l _Toc295335492 第2章

8、 超聲波定位原理 PAGEREF _Toc295335492 h 4 HYPERLINK l _Toc295335493 2.1超聲波定位系統實現方式及比較 PAGEREF _Toc295335493 h 4 HYPERLINK l _Toc295335494 2.1.1超聲波技術 PAGEREF _Toc295335494 h 4 HYPERLINK l _Toc295335495 2.1.2超聲波定位系統實現方式 PAGEREF _Toc295335495 h 5 HYPERLINK l _Toc295335496 2.2超聲波測距及定位算法 PAGEREF _Toc295335496 h

9、 5 HYPERLINK l _Toc295335497 2.2.1 TOA（到達時間）測距 PAGEREF _Toc295335497 h 5 HYPERLINK l _Toc295335498 2.2.2 AOA（到達角度）測距 PAGEREF _Toc295335498 h 6 HYPERLINK l _Toc295335499 2.2.3 TDOA(到達時間差)測距 PAGEREF _Toc295335499 h 6 HYPERLINK l _Toc295335500 2.2.4 三邊定位算法 PAGEREF _Toc295335500 h 7 HYPERLINK l _Toc2953

10、35501 2.3超聲波定位系統組成及工作原理 PAGEREF _Toc295335501 h 9 HYPERLINK l _Toc295335502 第3章 軟件仿真 PAGEREF _Toc295335502 h 12 HYPERLINK l _Toc295335503 3.1 CDMA(碼分多址)技術 PAGEREF _Toc295335503 h 12 HYPERLINK l _Toc295335504 3.2偽隨機序列的產生 PAGEREF _Toc295335504 h 12 HYPERLINK l _Toc295335505 3.3 m序列與超聲載波的調制 PAGEREF _To

11、c295335505 h 14 HYPERLINK l _Toc295335506 3.3.1 數字信號調制及其分類 PAGEREF _Toc295335506 h 14 HYPERLINK l _Toc295335507 3.3.2 二進制振幅鍵控（2ASK） PAGEREF _Toc295335507 h 14 HYPERLINK l _Toc295335508 3.3.3 2ASK仿真結果 PAGEREF _Toc295335508 h 15 HYPERLINK l _Toc295335509 3.4 接收端載波解調 PAGEREF _Toc295335509 h 16 HYPERLIN

12、K l _Toc295335510 3.4.1 2ASK解調器 PAGEREF _Toc295335510 h 17 HYPERLINK l _Toc295335511 3.4.2 仿真結果 PAGEREF _Toc295335511 h 17 HYPERLINK l _Toc295335512 第4章 硬件設計 PAGEREF _Toc295335512 h 20 HYPERLINK l _Toc295335513 4.1 中心站 PAGEREF _Toc295335513 h 20 HYPERLINK l _Toc295335514 4.2 信標 PAGEREF _Toc295335514

13、 h 21 HYPERLINK l _Toc295335515 4.3 目標節點 PAGEREF _Toc295335515 h 22 HYPERLINK l _Toc295335516 第5章 實驗結果分析 PAGEREF _Toc295335516 h 25 HYPERLINK l _Toc295335517 5.1 實驗數據分析 PAGEREF _Toc295335517 h 25 HYPERLINK l _Toc295335518 5.2誤差分析 PAGEREF _Toc295335518 h 26 HYPERLINK l _Toc295335519 第6章 總結與展望 PAGEREF

14、 _Toc295335519 h 28 HYPERLINK l _Toc295335520 6.1 全文總結 PAGEREF _Toc295335520 h 28 HYPERLINK l _Toc295335521 6.2展望 PAGEREF _Toc295335521 h 28 HYPERLINK l _Toc295335522 致謝 PAGEREF _Toc295335522 h 29 HYPERLINK l _Toc295335523 參考文獻 PAGEREF _Toc295335523 h 30第1章 緒論(xln)1.1課題(kt)研究目的和意義現今的“位置服務”領域非常的火熱，但其

15、大部分都是服務于戶外移動用戶。例如，在開闊的室外環境中，全球定位系統（GPS）目前已能提供非常精確的定位信息。但是，在工農業生產(shngchn)、軍事國防中，經常需要在室內環境下對目標定位物進行定位和監測。例如，在工業控制現場、機器人和移動車、安全防護、礦井作業環境等都需要準確的室內定位信息來實現空間上的高效控制。與室外環境相比，室內環境要復雜的多，建筑物的結構、內部布局情況，還有許多人為限制因素等都會對室內定位的準確性產生影響。在很多實際場合，GPS信號也可能無法穿透房間的建筑材料而難以用于室內環境。生活中，大型商場、醫院、大型地下停車場等室內或地下環境當中。GPS等室外定位技術往往會不能

16、正常工作，甚至徹底失效，然而在這些場所當中確實存在著位置感知需求。很多人都有過這樣的感受，當到達一個陌生的地方不得不進入一個大型的地下商場或者停車場時會完全失去方位感，從而在其中迷路。如果是大型商場還可以向其他人問路，如果是地下停車場這樣的無人值守設施的，一旦迷路只能到處亂找，看著周圍幾乎一模一樣的設施以及不知所云的路標，心情一定很焦急。如果這個時候有一套室內定位導航系統能夠告知你的位置，指引你到你想要去的地方你一定會感到舒服多了。本課題針對室內超聲波定位系統具有定位精度高，成本相低廉，終端運算量較小等的優點，提出了基于CDMA室內超聲波三維定位系統技術。1.2國內外研究現狀和前景分析1.2.

17、1國內現狀華南理工大學(廣州)的個人位置跟蹤系統是射頻識別系統(RFID)在個人定位上的應用，基本原理是通過定時發射基站發射同步時鐘信號，手持臺接收到該信號后，按照一定的次序同接收基站進行數據交換7。解放軍電子工程學院，復旦大學，上海交通大學南開大學等研究機構都曾對基于接收信號強度指示(RSSI)的室內定位技術進行過研究。吉林大學，上海交通大學等研究機構曾經對紅外-超聲定位技術進行過研究。南京郵電(yudin)大，復旦大學等研究機構曾經對UWB10位技術進行過研究，UWB定位技術有定位精度高，不易受到干擾，實時性好等優點，但是應用范圍受到無線電管理相關(xinggun)法律的限制，目前美國FC

18、C允許在一定條件下使用UWB。1.2.2國外現狀(xinzhung)1、Active Badge19：采用了擴散紅外線技術。每個用戶需要攜帶一個小的紅外線標記設備。Active Badge定位系統是根據近似法來估計用戶的位置。由于采用的是紅外線技術，當環境中有熒光燈或直射陽光時，會產生假的紅外線散射，這使得Active Badge在定位時會有些困難。此外紅外線只有幾米的有效范圍，這就限制了定位環境是小型或中型的房間，在大房間內則需要安裝多個紅外線信標機。2、Active Bat20：采用超聲的傳輸時間延遲技術。控制器發送射頻請求包，同時利用有線網絡向設置在屋頂的傳感器發送一個同步復位信號。定位

19、目標攜帶有Active Bat標簽。Bat標簽收到控制器發送的射頻請求包后，發射超聲脈沖到屋頂放置的傳感器。屋頂的每個傳感器測量出從復位到超聲到達的時間間隔，并計算出Bat標簽到它的距離。本地控制器向中心控制器提交距離測量值，中心控制器再進行延遲計算。從Bat標簽到傳感器，如果超聲脈沖是經過反射，而不是沿直線路徑傳輸，將產生錯誤的傳感器測量值，而用統計修正可以減少這種誤差。Active Bat提供了比Active Badge系統更高的定位精度。3、RADAR21定位系統：RADAR是基于IEEE802.11無線局域網技術的室內跟蹤定位系統。根據基站測量無線設備發射的信號場強和信噪比，系統計算出

20、建筑物內定位目標的二維位置。該系統優點是：需要的基站不僅少，而且實現了建筑物內的無線上網、位置感知等多種功能。兩大缺點是:第一，跟蹤定位的物體必須支持無線局域網，這對于低功率的小型設備來講是不切實際的;第二，它只是二維定位，并不適用于多層建筑內的定位，或者建筑內的三維定位。4、Cricket22系統依靠遍布于墻壁和天花板上的信標通過無線電信道向外發布信息。每當信標發送RF消息的同時還并行傳出一個超聲脈沖。被定位物體或移動用戶攜帶的監聽器一旦收到RF消息的前幾位，便繼續監聽隨后的超聲脈沖。當脈沖到達時，根據無線信號和超聲波信號傳播速度的差異計算出信號從信標到該監聽器之間的距離。它實現了幾何測量和

21、近似法兩種定位技術，當接收到多個信標的信號時利用幾何測量計算位置；如果只有一個信標的信號，就采用近似法。Cricket里的信標和監聽器是非常相似的硬件設備，可以相互變換，完全通過軟件來控制。由于Cricket的位置計算過程是在用戶端運行，所以能夠較好地保護隱私信息。不足之處在于缺乏集中的管理或監控，對于移動接收端還有計算負擔和能耗的負擔。5、SpotON23是一個(y )利用RFID的點對點定位系統。它通過無線電信號強度的衰減來測量信號經過的距離。設計者將點對點的網絡通信與定位的思想結合在一起，每個用戶或物體上附有一個RFID標簽，通過估計各個RFID標簽間的距離給出用戶間的相對位置。因此，S

22、potON既可以提供用戶的絕對位置，也可以提供相對位置。這使得系統還可以利用(lyng)越來越多加入進來的參與者來提高定位的準確度。雖然已經設計出一些硬件，但完整的系統到目前還沒有建成。1.2.3前景(qinjng)分析盡管國內外對室內定位技術的研究已經進行了很多年，取得了長足的進展，但總的來說這項技術并不成熟，成功的商業應用并不多見。并且以上幾個系統都存在的不足，使得它們尚處在研究階段，仍然有很多可以改進的地方。同時，生活生產對室內定位系統的迫切需求，例如軍事上的城市反恐，工業上的設備監測和故障診斷，以及商業導航和醫療監護等。因此，研究針對室內特定環境的定位和系統迫切需要開辟新的途徑和方法。

23、1.3本文主要研究內容室內定位技術多種多樣，各具優缺點。由于不同的定位技術所采用的介質和技術各不相同。比如采用距離或角度測定，干擾和沖突的避免，根據距離/角度得到坐標的算法等方面有很多相似之處，本文通過對各種室內定位技術的比較，提出一種定位精度高，保密性好，功耗小的定位系統基于CDMA室內超聲波三維定位系統。本文主要章節及內容如下：第一章介紹了室內定位系統的發展現狀，講述了課題的研究內容和研究意義。第二章主要介紹了超聲波定位的原理，以及超聲波測距及其定位算法，并闡述了本系統的工作原理。第三章首先介紹CDMA技術，其次重點介紹了本系統調制與解調的過程。通過軟件仿真進一步證明本方案的可行性。第四章

24、是硬件設計，主要介紹本系統的各部分硬件電路組成。第五章通過對實驗數據分析指出系統中可能產生誤差的原因，通過對實驗結果的總結，并提出改進方案。第六章對本系統設計過程進行總結并且對后續工作展望。第2章 超聲波定位原理2.1超聲波定位系統實現(shxin)方式及比較2.1.1超聲波技術(jsh)所謂超聲，是相對于人耳的聽域范圍而言的。正常人所能聽到的聲音頻率在20Hz20kHZ范圍內，頻率低于20Hz或高于20kHz人耳都聽不到。人們(rn men)將頻率高于20kHZ的波稱為超聲波。超聲波屬于機械波，超聲波在空氣中傳播幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響。現代超聲應用中，超聲波一般由

25、超聲換能器產生和接收。超聲波換能器實質上是一類機電能量轉換裝置。按其工作原理可分為壓電式、電磁式和磁致伸縮式等三種。目前，常見的超聲波換能器一般都是壓電式的。它是利用壓電材料的正逆壓電效應來工作的。超聲波傳感器分為發射換能器和接受換能器，既能發射超聲波又能接受發射出去的超聲波的回波。超聲換能器的種類很多，按照其結構可分為直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙探頭(一個發射，一個接受)、聚焦探頭(將聲波聚集成一束)、水浸探頭(可浸在液體中)以及其它專用探頭。在本系統中采用雙探頭超聲波傳感器，如圖示。圖2-1 超聲測距傳感器實物2.1.2超聲波定位系統實現(shxin)方式根據信號傳遞方向

26、不同，超聲定位系統可以分為(fn wi)如下三類：1、倒GPS超聲定位系統25：在GPS導航定位系統中，定位物體只接收信號(xnho)，不發送信號，信號只由衛星進行廣播。與GPS定位系統的信號傳遞方向相反，在常規超聲局部定位系統中，定位物體只發送信號，不接收信號，信號由定位物體發送,基站只進行接收信號。所以，可將常規超聲局部定位系統稱為“倒GPS定位系統。2、應答超聲波定位系統25：包括上行應答和下行應答。上行應答是指一個基站發出呼叫信號，定位物體應答，所有基站接收應答信號。與上行應答相反，下行應答方式又稱二次雷達方式，它首先由定位物體發出呼叫信號，所有基站應答，定位物體接收應答信號并估計與基

27、站之間的距離。應答式定位方法在水聲定位系統中廣泛采用，例如：如海洋油氣開發、深海礦藏資源調查、海底光纜管線調查與維護等，需要聲學定位系統 (Acoustic Positioning system)對水下拖體進行導航定位，如水下遙控機器人ROV (Remotely Operated vehicle)、水下無人機器人UUV(Unmanned Underwater Vehicles)等。3、類GPS超聲波定位系統25：在類GPS超聲波定位系統中，用超聲波取代電磁波，用在固定位置處配置的超聲波發射傳感器(基站)取代GPS中的空間衛星星座。定位物體只接收信號，不發送信號，信號只由基站進行廣播，定位物體根

28、據接收信號估計與各個基站之間的距離。本系統設計采用類GPS超聲波定位方式，信號只由基站發射，定位物體接收并處理信號從而得到當前的狀態參數，通過計算得到定位物體坐標。2.2超聲波測距及定位算法2.2.1 TOA（到達時間）測距TOA(Time of Arrival)測距是根據已知的信號傳播速度和測量的信號傳播時間，實現定位。TOA定位，就是測量出兩個或多個參考點與目標點之間的信號傳播時間，從而分別得出目標點與各參考點之間的估計距離，以各參考點位置為圓心，相應的與目標點間的距離為半徑畫圓，可以得到兩個或多個圓，這些圓的交點從理論上講就應該是目標點在二維平面上的位置。幾何原理如圖2-1所示，圖中B1

29、，B2，B3分別代表參考節點1，2，3。r1，r2，r3分別表示參考點到目標點間的估計距離，交點X就代表目標節點的估計位置。圖2-2 TOA原理圖2.2.2 AOA（到達(dod)角度）測距AOA26 (Angles of Arrival)測距是通過參考點接收器天線陣列測出目標點發射的AOA，形成一根(y n)從參考點到目標點的徑向連線，即方向線。由2個參考點得到的2根方向線的交點就是目標點的位置，如圖2-3所示。因此，AOA算法只需要個參考點就可以確定位置，而2條直線只有一個(y )交點，不會出現軌跡有多個交點的現象。 ACB圖2-3 AOA原理圖2.2.3 TDOA(到達(dod)時間差)

30、測距 基于TDOA測距原理是發射節點同時發射兩種不同傳播速度的無線信號(xnho)，接收節點根據兩種信號到達的時間差以及已知這兩種信號的傳播速度，計算兩個節點之間的距離，再通過已有基本的定位算法計算出節點的位置。具體算法如圖2-4所示。設無線信號(xnho)的傳播速度為c1，超聲波傳播速度為c2，則它們的速度差為S，可由（1）式計算得到。則接收端到發射端的距離d可由（2）式得到。圖2-4 TDOA的原理圖 （1） （2）基于測距的定位算法有很多種，如RSSI（接收信號強度）、TOA（到達時間）、AOA（到達角度）、TDOA(到達時間差)等，從多方面考慮，TDOA定位技術更適合本系統。TDOA定

31、位原理發射節點同時發射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節點根據兩種信號到達的時間差以及已知這兩種信號的傳播速度，計算兩個節點之間的距離，再通過已有基本的定位算法計算出節點的位置。由于本系統中無線信號采用射頻信號，其傳播速度（大約為3*108m/s）接近光速，遠大于超聲波的傳播速度（常溫下，大約為340m/s）。工作過程中，已知參考節點同時發射超聲波和射頻信號，經過一段時間，待定位節點首先接收到射頻信號并開始計時，再經過一段時間，再接收到超聲波信號時計時結束。超聲波傳播的時間則是兩個時間的和。射頻信號的傳輸時間可以忽略不計，而只取后一段時間，因此測量距離就等于測出超聲波傳播速度和兩種信號到達接收

32、端的間間隔的乘積，即到達時間差法（TDOATime Difference of Arrival）。最后接收端到發射端之間的距離d就簡化成（3）式 （3）2.2.4 三邊定位(dngwi)算法在測得距離的前提下，設計(shj)了以下定位方法。首先在室內空間建立坐標系，選定三個參考點1、2、3，設待定位的目標點為M，它們的空間坐標如圖2-4所示，其中參考點坐標己知，目標點坐標未知。三個參考點選在同一參考平面上，可選室內地板作為此參考平面。其中點1定為整個室內空間坐標系的原點，分別與點2、點3構成X軸、Y軸。確定需要定位的目標點后，使用系統硬件手段和軟件程序測出目標點和三個參考點的距離l、m、n，算

33、出目標點的坐標值。式中變量如圖2-5所示。圖2-5 定位(dngwi)原理圖空間中任意一點M(X，Y，Z)到三個確定點1（0，0，0）、2（x，0，0）、3 (0，y，0)的距離分別l、m、n，側有： (4)由（4）式推導后可以得到點的坐標為 (5)因此，可知(k zh)測出l、m、n即可得到點M(X，Y，Z)。通過三邊定位可以得到空間任一點的坐標(zubio)，從而完成三維定位。 2.3超聲波定位系統組成(z chn)及工作原理本系統由中心站、信標和目標節點組成。整個系統的工作過程是：中心站通過射頻模塊周期性的發送同步控制指令（包含各個信標的位置信息）；各個信標收到該指令后，立刻向目標節點發

34、送擴頻超聲波信號；目標節點收到該同步指令后，立刻啟動定時器，同時采集超聲波信號，并把指令中的有用信息（各個信標的位置信息）存儲起來，方便后續定位使用；超聲波信號到達目標節點時，取出定時器的計數值，得到時間T，由d=C*T（C為常溫下超聲波的傳播速度）得到信標到目標節點的距離，當收到多于三個信標的信號時，便可做定位算法運算。對采集到的超聲波信號進行相關處理，確定是幾號基站發過來的超聲波信號，從而確定目標節點的三維坐標。本系統的示意圖如圖2-6所示。本系統工作流程圖如圖2-7所示。圖2-6 本系統(xtng)的示意圖圖2-7 本系統(xtng)工作流程圖本系統為實現空間三維定位采用了多個信標(xn

35、 bio)，如果用傳統的單脈沖超聲測距方法定位(dngwi)物體就無法區分各個基站發送過來的信號。如果采用碼分多址技術，給每個基站分配一個單獨的偽隨機碼，將偽隨機碼與超聲載波進行二進制幅移鍵控調制(偽隨機二進制序列為高電1時，發送超聲脈沖；為低電平0時，不發送超聲脈沖)，用已調信號驅動超聲發送器，由于具有不同結構的偽隨機碼幾乎不相關，據此定位物體可以區分各個基站發送過來的信號，進而估計出與定位基站的距離。然后通過解算非線性定位方程組得到定位物體的當前位置。本文將在下一章介紹CDMA技術。第3章 軟件(run jin)仿真3.1 CDMA(碼分多址)技術(jsh) CDMA是以碼分多址接入技術為

36、基礎的數字蜂窩(fngw)移動通信系統。碼分多址是以擴頻技術為基礎的，所謂擴頻是把信息的頻譜擴展到寬帶中進行傳輸的技術，將擴頻技術應用于通信系統中，可以加強系統的抗干擾、抗多徑、隱蔽、保密和多址能力。適用于碼分多址蜂窩通信系統的擴頻技術是直接序列(xli)擴頻（DS）簡稱直擴。它的產生包括調制和擴頻兩個步驟。比如，先用要傳送的信息對載波進行調制，再用偽隨機序列（PN序列）擴展信號的頻譜；也可以先用偽隨機序列與信息相乘（把信息的頻譜擴展），再對載波進行調制，二者是等效的。在CDMA系統中，不同用戶傳輸的信息是靠各自不同的編碼序列來區分的。雖然信號在時間域和頻率域是重疊的，但用戶信號可以依靠各自不

37、同的編碼序列來區分的。本系統中的CDMA技術是通過m序列（偽隨機碼）和超聲波載波以BASK調制形成擴頻信號。在本系統中基站發射的信號是偽隨機碼和超聲載波以BASK調制后的擴頻脈沖信號。3.2偽隨機序列的產生本系統采用CDMA技術，給每個基站分配一個單獨的偽隨機碼，將偽隨機碼與超聲載波進行二進制幅移鍵控調制(偽隨機二進制序列為高電1時，發送超聲脈沖；為低電平0時，不發送超聲脈沖)，從而區分不同基站發來的超聲波信號。偽隨機序列又稱偽隨機碼，它是具有類似于隨機序列基本特性的確定序列。M序列是最常用的一種偽隨機序列，它是由線性反饋移位寄存器產生的周期最長的序列。在本文中基站所使用的測距碼是偽隨機碼，的

38、區別在于：隨機碼是不可預測的，它在將來時刻的取值只能從統計意義上去描述；偽隨機序列實質上不是隨機的，而是收發雙方都知道的確定性信號。之所以稱其為偽隨機(偽噪聲)序列，是因為它表現出白噪聲采樣序列的統計特性，在不知其生成方法的偵聽者來說像真的偽隨機序列。m序列可以由線性移位寄存器(LSR)產生，圖3-1是一個4級反饋移位寄存器的示意圖，其中包括4級移位寄存器，模2相加反饋電路及脈沖發生器。圖3-1 4級反饋(fnku)移位寄存器示意圖本系統采用CDMA技術，給每個基站分配(fnpi)一個單獨的偽隨機碼，將偽隨機碼與超聲載波進行二進制幅移鍵控調制(偽隨機二進制序列為高電1時，發送超聲脈沖；為低電平

39、0時，不發送超聲脈沖)，從而區分不同基站發來的超聲波信號。CDMA編碼采用(ciyng)Mtalab進行仿真。5級線性反饋移位寄存器產生m序列的仿真系統（初始狀態00001)。5級m序列的特征多項式為F(x)=1+x3+x5，其仿真電路如圖3-2所示，m序列波形圖如圖3-3所示。圖3-1 級線性反饋移位寄存器產生m序列的仿真系統圖3-3 F(x)=1+ x3+x5在matlab軟件的simulink完成系統框圖設計，采用五個延遲器搭建電路，延遲器初值依次設為0，0，0，0，1。通過仿真產生5級m序列波形如上圖所示。3.3 m序列與超聲載波(zib)的調制3.3.1 數字信號調制(tiozh)及

40、其分類調制（modulation) 是指對信號源的信息進行處理加到載波上，使其變為適合于信道傳輸(chun sh)的形式的過程，就是使載波隨信號而改變的技術。一般來說，信號源的信息（也稱為信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基信號。基帶信號往往不能作為傳輸信號，因此必須把基帶信號轉變為一個相對基帶頻率而言頻率非常高的信號以適合于信道傳輸。這個信號叫做已調信號，而基帶信號叫做調制信號。調制是通過改變高頻載波即消息的載體信號的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化來實現的。而解調則是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收者（也稱為信宿）處理和理解的過程。通信系統中，用的數字

41、調制方式有ASK（振幅移鍵控調制)，控制載波的幅度。控制載波的頻率，稱為FSK(頻率移鍵控調制)。控制載波的相位，PSK（二進制相移鍵控調制)。3.3.2 二進制振幅鍵控（2ASK）本系統所采用的超聲載波頻率為40kHz。m序列的參數選定之后，必須對m序列與超聲載波的調制方式進行選擇分析。首先，超聲換能器的窄帶特性決定了系統不宜采用BFSK調制方式。m序列與超聲載波采用BPSK調制方式時，上述對單脈沖回波信號特點的分析可知，作為機械裝置的超聲換能器在發送和接收超聲波時存在一定的振動慣量，聲接收信號在“1”碼與“0”碼交接處沒有明顯的相位改變，所以系統無法利用BPSK調制方式。實踐證明，BASK

42、是最適合超聲定位系統使用的調制方式，即偽隨機碼二進制序列為高電平“1”發送超聲脈沖。為低電平“0”時，不發送超聲脈沖。2ASK稱為二進制振幅鍵控又稱為OOK，它是以單極性不歸零碼序列來控制正弦載波的開啟與關閉。所謂“鍵控”是指一種如同“開關”控制的調制方式。比如對于二進制數字信號，由于調制信號只有兩個狀態，調制后的載波參量也只能具有兩個取值，其調制過程就像用調制信號去控制一個開關，從兩個具有不同參量的載波中選擇相應的載波輸出，從而形成已調信號。“鍵控”就是這種數字調制方式的形象描述。在2ASK中，載波幅度隨著調制信號1和0的取值而在兩個狀態之間變化。二進制幅度鍵控中最簡單的形式稱為通斷鍵控（O

43、OK），即載波在數字信號1或0的控制下來實現通或斷。OOK信號的時域表達式為 （3-1）這里，A為載波幅度(fd)，c為載波頻率，an為二進制數字信息，an可表示(biosh)為 (3-2)在一般情況下，調制信號是具有(jyu)一定波形形狀的二進制脈沖序列，可表示為： (3-3)這里Ts為調制信號間隔，g(t)為單極性脈沖信號的時間波形，an為式（3-2）表示的二進制數字信息。比如當序列an為1001時所對應的B(t)波形以及B(t)對載波信號進行調制所得的OOK的典型波形如圖3-3所示。圖 3-5 OOK信號波形3.3.3 2ASK仿真結果綜上所述，基站發射信號的體制設計如下：超聲載波頻率為

44、40kHz，偽隨機碼采用31位的m序列，偽隨機碼和超聲載波以2ASK作為調制方式。仿真結果如下：圖3-6 m序列與超聲波調制(tiozh)信號仿真電路圖圖3-7 示波器range time 為0.04時仿真(fn zhn)結果當把示波器參數(cnsh)Range Time改為0.004時，運行結果如下：圖3-8 當示波器參range time為0.004時仿真圖由仿真結果可以看到，當m序列為1時，發射超聲波脈沖，當m序列為0時，不發射超聲波脈沖。因此，當給基站派發不同的m序列時，就可以區分是哪一個基站發送來超聲波信號，從而完成定位。3.4 接收端載波(zib)解調系統在發射端發射的是偽隨機碼和

45、超聲載波以2ASK調制后的擴頻脈沖信號。為了在接受端區分不同基站發射來的，要對擴頻信號解調。通過解調從攜帶消息的已調信號中恢復消息。在各種信息(xnx)傳輸或處理系統中，發送端用所欲傳送的消息對載波進行調制，產生攜帶這一消息的信號。接收端必須通過解調恢復所傳送的消息才能加以利用。3.4.1 2ASK解調器和模擬常規調幅信號的解調一樣，2ASK信號也有包絡檢波和相干解調兩種方式，兩種解調器的方框圖如圖3-8所示。由于被傳輸的是數字信號1和0，因此，在每個碼元持續期間要用抽樣判決電路對低通濾波器的輸出作一次判決以確定信號取值。相干解調需要在接收端產生(chnshng)一個本地的相干載波。相干解調是

46、指：利用與接受信號的載波同頻同相的恢復載波來進行解調。圖3-9 相干解調示意圖相干解調原理是：首先從接收信號r(t)中提取離散的載波分量，使得所恢復的頻率及相位與接收信號的載波同頻同相，然后再將接收信號r(t)與恢復載波相乘，經低通濾波器后，濾除載頻的二倍頻分量，再從低通濾波輸出信號y(t)中設法提取時鐘分量，然后將已同步的時鐘對y(t)的眼圖最大睜開處進行周期性抽樣、判決，再生出數據信號。3.4.2 仿真結果本系統采用simulink仿真，通過搭建模塊完成解調，圖中out1（產生m序列的仿真電路3-6的封裝電路）是產生m序列的單元，out1與sine wave（超聲波40k）相乘得到擴頻信號

47、，擴頻信號經過AWGN（模擬信道）得到衰減信號，由于信號中存有高頻噪聲信號需經過放大器，再經Analog Filter Design（帶通濾波器）濾除噪聲。將信號與恢復載波（40k超聲波）相乘，再經Analog Filter Design 1（低通濾波器）提取時鐘分量，然后經過判決器得到原來的m序列。以下是搭建電路及仿真結果。圖3-10 信號解調(ji dio)仿真電路(dinl)主要(zhyo)單元參數設定為：圖3-11 帶通濾波器參數設定圖3-12 低通濾波器參數(cnsh)設定圖3-13 4路scope的range time為0.03時仿真(fn zhn)波形圖中第一路是sine wav

48、e波形（超聲波40k），第二路是載波信號信號（m序列與40k載波相乘(xin chn)），第三路是解調信號，第四路是經過判決器得到原來的m序列。第4章 硬件設計在前面提到的本定位(dngwi)系統主要由中心站、基站和定位物體或定位目標等三部分組成，這三個組成部分都裝配有無線收發模塊。整個系統的工作過程如下: 中心站通過射頻模塊(m kui)周期性的發送同步控制指令（包含各個信標的位置信息）；各個信標收到該指令后，立刻向目標節點發送擴頻超聲波信號；目標節點收到該同步指令后，立刻啟動定時器，同時采集超聲波信號，并把指令中的有用信息（各個信標的位置信息）存儲起來，方便后續定位使用；超聲波信號到達目標

49、節點時，取出定時器的計數值，得到時間T，由d=C*T（C為常溫下超聲波的傳播速度）得到信標到目標節點的距離，當收到多于三個信標的信號時，便可做定位算法運算。對采集到的超聲波信號進行相關處理，確定是幾號基站發過來的超聲波信號，從而確定目標節點的三維坐標。從上面系統工作過程(guchng)可以看出,系統功能單元設計主要包括:信標超聲波發射信號、目標節點超聲波信號接收機設計和中心站設計。4.1 中心站中心站采用無線龍公司提供的基于CC2430的ZiGBee開發套件，控制整個系統的時間同步，并給目標節點提供各個信標的位置信息，接收來自目標節點的位置信息，同時通過串口上傳給上位機，在上位機上顯示。中心站

50、的實物圖如圖4-1所示。圖4-1 中心站實物圖4.2 信標(xn bio)信標(xn bio)由無線模塊和超聲波發送模塊組成，負責接收中心站發來的同步指令，并啟動超聲波發送模塊發送擴頻超聲波信號。信標(xn bio)超聲波發射示意圖如圖4-2所示，信標的外觀圖如圖4-3所示，信標的電路板如圖4-4所示，超聲波發送電路圖如4-5所示。圖4-2 信標超聲波發射示意圖實物圖為：圖4-3 信標的外觀圖圖4-4 信標(xn bio)的電路板圖4-5 超聲波發射(fsh)電路原理圖4.3 目標(mbio)節點目標節點由無線模塊、超聲波接收模塊、ATMEGA128核心板組成。目標節采集中心站發來的同步指令，

51、提取同步指令中的有用信息，同時啟動超聲波接收模塊和定時器，開始采集信標發來的超聲波信號，當超聲波信號到達時，取出定時器的計數值，ATMEGA128單片機對超聲波信號進行相關處理，確定是幾號信標發過來的信號，并做定位算法運算。工作原理圖如4-6所示，超聲波接收電路部分原理圖如圖4-7所示，MEGA128超聲波信號采集與處理板如圖4-8所示。圖4-6 接收端電路(dinl)示意圖圖4-7 超聲波傳感器接收(jishu)電路原理圖圖4-8 MEGA128超聲波信號采集(cij)與處理板本系統為提高測量精度,采用溫度(wnd)補償的方法修正溫度對聲速的影響,溫度測量采用ds18b20溫度傳感器。圖4-

52、9 溫度控制電路(dinl)第5章 實驗結果分析本系統介紹了基于CDMA的室內(sh ni)超聲波定位技術，通過實驗對超聲波室內定位系統中產生誤差的原因進行了分析。通過對實驗結果的測試，提出了改進方案。5.1 實驗(shyn)數據分析在室溫(sh wn)(如:15)環境下，進行試驗。通過串口將數據傳到計算機，對數據進行分析。本實驗先在平面上實驗最后擴展到三維。1、測量距離為324cm時的實驗結果通過對同以平面上的一個點進行100次測量，把得到的實驗數據描繪成圖，圖形如下。圖5-1 測量距離為324cm數據折線圖通過圖形分析，發現數值基本在320cm325cm之間，只有少數幾個值誤差較大。通過分

53、析，對實驗程序進行改動，濾除最大值。得到如下圖示。圖5-2 程序改后的測量數據折線圖2、采用(ciyng)平均值測距平均值測距是基于前幾次試驗(shyn)的結論發現的，由于每次所測數值在實際值左右浮動，因此采用多次測距（每8次做一次平均）然后(rnhu)再做平均值得到數值如下。圖5-3 平均值法測量數據折線圖3、三維定位在實驗空間內對一個已知點測距，結果如表5-1示。表5-1實際位置（x,y,z）第一次測量第二次測量第三次測量第四次測量（35，25，5）（37，23，4）（34，25，6）（33，24，5）（36，24，4）（20，40，5）（21，42，7）（19，41，6）（22，40，7

54、）（20，41，4）（30，25，10）(28，27，9)（30，23，9）（29，24，11）（32，26，8）（27，27，27）（25，26，28）（26，25，29）（27，29，25）（28，26，27）通過對定位數據的分析，測量結果與實際結果相近卻不相同。但是測量結果比較穩定,具有一定的重復性。通過合理算法進一步提高測量精度。5.2誤差分析本系統存有誤差，導致測量結果與實際結果不相同，產生誤差原因有兩個關鍵因素：1、溫度溫度對超聲波的傳播速度有很大的影響。在空氣中聲速用式5-1來表示 (5-1)式中R氣體普適常數。氣體定壓熱容與定容熱容的比值。M氣體分子量。T氣體(qt)的絕對溫度

55、。在通常(tngchng)情況下，上式中R、M對超聲波在空氣(kngq)中的傳播速度影響不大，可視為常量看待。因此，我們只需要研究溫度對聲速的影響。表5-2列出了幾種不同溫度時的聲速。表5-2溫度20100102030100速度319325323338344349386如果只考慮溫度對聲速的影響，同過對公式5-1的分析可知，聲速對應溫度的變化率為0.17%/。即溫度每變化10聲速改變了約1.7%。如果按照相同聲速來計算，測量距離也會隨之改變1.7%。在本系統中，在硬件電路中采用18B20對溫度進行補償。射頻同步射頻同步是本系統關鍵點，本系統采用cc2430無線模塊實現射頻同步，經過實驗測量，發

56、現在射頻同步方面存在延時。經過實驗發現延時是固定的，為1ms，通過在軟件設計上加以補償可以減小誤差。第6章 總結與展望6.1 全文(qun wn)總結超聲測距技術在現代工業與國防中有著廣泛的應用，用多傳感器組合測距，可以實現目標的空間定位與運動跟蹤。本文主要在室內超聲波定位技術進行了簡要介紹。本文著重介紹了一種基于CDMA室內超聲波三維定位技術，并且通過實驗驗證該方案。通過誤差(wch)分析提出改進方案。本論文首先介紹了關于(guny)室內定位的國內外現狀，通過對這些技術的簡單介紹，最后確定用超聲波做室內定位。通過對超聲波定位原理的介紹，我選擇了采用類GPS的超聲波定位方式。綜合超聲波的定位算

57、法，我采用了TDOA測距方法。由于目標節點會接到多個信標發來的超聲波，為了區分不同信標發送來的超聲波，我們采用CDMA技術，通過擴頻通信最后區分不同信標發送來的超聲波，完成最終定位。本論文通過軟件仿真，把信號的發送（調制）、以及接受（解調）的過程做了仿真，說明本論文在理論上是可以實現三維定位的。接著通過硬件設計，完成中心站、信標、目標節點等硬件電路設計，最后組成定位系統。本系統可達到以下指標：（1）測試范圍：4*4*3m3/50個信標；（2）刷新率：20次/秒；（3）靜態定位精度：2cm；（4）動態定位精度：15cm(移動物體的速度3m/s)6.2展望經過對實驗的總結，本設計涉及到硬件、軟件等

58、多方面的知識，由于本人理論水平和實踐經驗有限以及時間上的限制。所完成的工作是很初步的，有些地方可以進一步完善與改進，如：（1）、超聲波發射與接收電路均可采用專用集成芯片完成。這樣的適當改進可以簡化電路、會消除由分立元件帶來的隨機誤差，進一步提高測量精度。（2）、對動態物體的定位的精度提高也是亟待解決的問題。（3）、軟件方面還可以進一步優化以便提高測量精度。例如進一步排除溫度、濕度、氣壓等對聲速的影響，硬件電路的反應速度以及射頻同步對超聲波傳播時間的影響。（4）、本設計中還未深入研究多徑問題、多普勒效應、人為噪聲等可能影響本系統的定位精度。致謝(zh xi)深深(shn shn)的感謝楊陽老師(

59、losh)以高尚的思想情操、嚴謹求學的治學態度、淵博的學識、循循善誘的教導方式和為人師表的風范，使我受益匪淺。并將永遠激勵我奮發向上。在課題研究過程中,得到了楊陽老師和肖金紅師兄悉心的指導與幫助。值此論文完成之際，謹再一次向尊敬的楊老師和肖金紅師兄表示衷心的感謝，并致以崇高的敬意。同時也向這四年來一直教導我的老師們致以最衷心的感謝。感謝實驗室所有師兄，在學習中給予我很多的幫助。最后，我還要衷心的感謝我的家人，是他們在我學習、工作和生活中不斷的給予理解、支持和幫助，正是他們的無私奉獻才使我順利地度過了十幾年的學習生涯。謝謝！ 參考文獻1 王福東超聲波定位系統的原理(yunl)與應用J自動化與儀表(ybio)1998，3（3）：15-172 李娟，唐小超，葛立峰基于CC1101射頻技術(jsh)的室內超聲定位系統J自動化與儀表2009，6：1-43 祝思文基于寬帶超聲傳感器的室內定位系統的研究J檢測技術與自動化裝置2007，9：7-94 苑寶玉超聲