室內移動目標超聲定位系統的設計與測試

孫露露 崔 澤 周 靜 楊 舒 韓會杰 李潤鑫

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院

基于超聲波定位的原理，本文設計了一種室內移動目標的定位方法。主要研究了超聲波三球定位算法，并提出了定位人員朝向的設計方案，完成實際系統的搭建，并針對多名快速移動人員進行了測試。測試結果表明，本系統可高精度快速度的完成人員位置定位及朝向定位。

引言

目前，能對室內目標進行快速、精確定位，同時具有高性價比的系統的開發引起了人們的關注。對煤礦地下人員進行定位可以有效防止人員進入危險地帶，還可以在事故中快速完成搜救；對地下停車場中車輛進行定位，可以輔助完成車輛停車，也可以滿足租賃汽車行業對所租車輛在GPS 無法覆蓋的地下車庫中的定位需求；在舞臺上，燈光跟蹤演員時靠人眼不夠準確快速，對演員精確的定位可很好的滿足燈光跟隨的要求；在室內反恐訓練及行動中，對武警進行精確快速定位有助于戰術的訓練、制定及評估。由此可見，室內定位具有廣闊的應用前景。

室內定位技術主要有紅外線技術、ZigBee 技術、無線藍牙技術、射頻識別技術、超聲波技術、超寬帶技術和光跟蹤技術。與其他技術相比，超聲波技術定位精度高，定位速度快，產品成本較低，設備易于安裝，定位目標所攜帶標簽體積小，受環境影響小、抗干擾能力強，能夠很好的滿足室內定位的需要。

研究方法

室內移動目標超聲定位系統原理

室內移動目標超聲定位系統為一種房屋、樓宇環境下室內目標的聲波定位技術，尤其涉及多個移動目標的實時聲波定位。為實現特警戰士反恐訓練目標，將無線互聯網技術和聲學定位技術相結合，提供一種高精度的復雜樓宇環境定位技術。其定位過程是：首先，由“無線查詢-同步”控制系統（WISC）發射定位查詢指令，移動目標（標簽）在WISC 的指令下定時發射超聲脈沖。與此同時，空間分布的定位傳感單元也在該WISC 指令同步下接收超聲脈沖，通過以太網將定位數據傳輸給WISC 系統，WSIC根據傳播時延測距直接解算標簽位置，最后及圖像處理終端。如圖1 所示。

定位系統由三個組成部分：WISC 無線控制系統、有源聲學標簽和定位傳感單元。定位傳感單元一般是一個房間設置一個，有源聲學標簽一般是十多個。將多個房間的數據最后在WISC 系統中進行圖像模擬顯示，最終完成多移動目標、多房間的實時定位。

室內移動目標超聲定位系統的設計

無線控制系統（WISC）設計

無線控制系統（WISC）主要完成2 項工作：

1）與聲學定位標簽進行無線通訊，WISC 需要對系統中的所有標簽和定位傳感單元逐個進行自檢（無線），其中，標簽發射的回復指令由定位傳感單元接收后通過以太網傳回給WISC，定位傳感單元的回復指令直接通過以太網傳回給WISC。WISC 需要針對指定標簽發出定位查詢指令，標簽在收到WISC 的定位查詢指令后，發射自身狀態信息（主要是羅經參數），由定位傳感單元接收后通過以太網傳回給WISC。

2）WISC 需要將收到的超聲波接收延時數據進行解算，得出定位標簽的準確位置，并將位置數據和標簽傳送的羅經數據進行圖像處理，得到模擬的空間位置圖像。

圖1

其定位算法采用三球定位算法。將超聲波的時間差定義為一組聲波數據。聲波數據與聲速的乘積就為聲源到達測量點的實際距離，利用三組超聲波數據，可以對目標進行三球定位。三球定位法中目標的位置是由以各站為圓心，以各站同時測量目標的距離為半徑的三個球的交點來確定。實際環境中，我們根據定位空間的大小搭建了一定數量的測試點，將同一時刻接收到信號最強的三個測試點的數據定義為有效數據。現有8 個測試點，假設選中的測試點為1 號、3 號、7 號。坐標分別一記為（X1，Y1，Z1），（X3，Y3，Z3），（X7，Y7，Z7），信源到達3個測量站的時間分別為t1，，t2，t3，超聲波在空氣的傳播速度為C，則利用三球進行定位的公式為：

通過對超聲波的物理特性的分析，我們知道超聲波在空氣中傳播時，溫度對超聲波的傳播速度有很大的影響

R——氣體普適常數；

T——氣體絕對溫度；

M——氣體分子量。

在通常情況下，上式中R、M 對超聲波在空氣中的傳播速度影響不大，可視為常量看待。在本系統中，在每個溫度上下5 OC，均以10 OC 取整，如表1。

表1

由式1、2、3、4 可得出聲學標簽位置（X，Y，Z）。

由于本系統主要用于人員的定位，所以設計了人員朝向解算功能。

定位標簽發送給WISC 的羅經數據中含有3 組16 位的羅經數據及加速度g 的數據。計算原理如下：

如圖2，坐標系的X、Y軸在水平面內，X軸為前進方向，Y 軸垂直于X 軸向右，Z 軸沿重力方向向下，從磁北方向順時針到X 軸的夾角即為方位角α。俯仰角φ 為加速度羅經系統縱軸與水平面之間的夾角，滾轉角θ 為加速度羅經系統Z 軸與過X 軸的鉛垂面之間的夾角。當加速度羅經系統不水平時，測得重力加速度g 在加速度羅經系統三軸方向的分量分別為Ax，Ay，Az，則根據坐標關系可求得俯仰角和滾轉角為：

此時，磁傳感器測出的地磁場在加速度羅經系統三軸方向的分量為HX，HY，HZ，由坐標關系得水平方向磁分量：

Hx=HXcos q -HZ sin q

Hy=HXsin f sin q+HZ sin f cos q

圖2

可求得方位角

角即為待定位人員朝向與正北方向的夾角。

當多個定位標簽同時移動時，沒間隔30ms 對多個標簽各定位一次，得到每個標簽的不同時刻的位置數據和羅經數據，然后對室內空間進行建模，將各個定位標簽的軌跡直觀的顯示出來，即完成了位置解算、朝向解算以及圖像顯示。

聲學標簽設計

在硬件上聲學標簽使用了9 個模塊：電源模塊、穩壓模塊、MCU 模塊、羅經模塊、加速度模塊、無線模塊、JTAG 模塊、功放模塊、發聲系統。電源提供電給穩壓模塊，穩壓模塊將電壓穩定于3.3V，用于給其他7 個模塊供電。硬件結構示意圖見圖3。MCU 模塊采用超低功耗的MSPF430F1611 單片機，并使用了其中的DMA 模塊。羅經模塊采用了HMC5983 芯片，并對其進行I2C 通訊，配置使用其中的羅經定方向的功能。加速度模塊采用了KXTF9 芯片，并對其進行I2C 通訊，配置使用其中的加速度定方向的功能。無線模塊采用了TI 公司的CC1101芯片，并對進行了SPI 通訊，控制發送和接收無線信息。功放模塊采用了LM4880 芯片，對該芯片進行外圍電路設計，完成了信號的放大及驅動功能。發聲系統設計了1：50 的小體積變壓器，發聲傳感器，完成了電信號到聲學信號的轉化。

在軟件設計上，其流程圖如圖4。當上位機通過無線模塊呼叫標簽后，MCU 模塊開始把聲學數據通過內部的DMA 發送給功放模塊，功放再將電壓信息進行放大，同時驅動后面的發聲系統，放大后的電壓信號傳給聲學系統，聲學系統中含變壓器，最后轉換成聲學信號即超聲波發出；同時，MCU 通過I2C 與羅經模塊和加速度模塊進行通訊，接收它們收集的羅經與加速度數據，然后 MCU 將這些信息通過無線模塊傳遞給上位機。

傳感定位單元設計

傳感定位單元主要完成超聲波信號的接收，AD 轉換。其核心部件是超聲波接收探頭。接收探頭由超聲波傳感器和傳感器外圍電路構成。

本系統采用壓電式超聲波傳感器。壓電式超聲波傳感器常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應來工作的。本系統設計的超聲波傳感器其主要由金屬網、外殼、揚聲器、壓電晶片、底座、引腳等部分組成。其接收頻率主要在25KHz 左右。

表2

圖3

圖4

圖5

研究結果和分析

在長8 米，寬4 米，高4 米的空間中搭建實驗環境，如圖5 所示。屋頂的1、2、3、4、5、6、7、8 號為超聲波接收探頭，傳感定位單元的主要組成部分。A、B、C為帶定位人員，人員各攜帶一枚聲學定位標簽。當各人員在室內開始移動，由WISC 系統每30ms 發送一次定位查詢指令。

在標簽接收到查詢指令后通過單片機內部DA 發出26KHz 的超聲波，其波形如圖6，圖7 反映單片機輸出電壓的電平特性。

圖6

圖7

傳感定位單元在接收到超聲波信號后，將數據傳給WISC 系統。解算數據如表2 所示。

WISC 系統解算出的人員位置高度誤差在5cm 內，平面位置誤差在10cm 內，定位速度在30ms 內，人員朝向誤差在5°以內。該精度能夠滿足室內人員定位要求。

小結

本文提出了一種室內人員定位系統的設計方案，該系統能滿足多目標在快速移動中的跟蹤定位。同時對位置解算方法作了深入研究，并且針對人員定位的特殊性增加了確定人員朝向的設計。在實際環境中對系統進行測試，測試結果表明能在30ms 內對多移動目標進行精確到10cm以內的定位，人員朝向確定誤差在5°以內，可以滿足人員室內定位的需求。

本系統可實際使用于室內反恐訓練作戰人員定位、煤礦井下人員管理及搜救定位、地下停車場車輛定位及舞臺燈光跟蹤演員時的人員定位等。