基于時間調制的超聲波自主實時定位系統

熊　劍，林舟杰，陸澤櫞，郭　杭，衷衛聲

(1. 南昌大學信息工程學院測控教研室，江西 南昌　330031；2. 中國科學院合肥物質科學研究院醫學物理中心，安徽 合肥　230031；3. 南昌大學空間科學與技術研究院，江西 南昌　330031)

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基于時間調制的超聲波自主實時定位系統

熊劍1，林舟杰1，陸澤櫞2，郭杭3，衷衛聲1

(1. 南昌大學信息工程學院測控教研室，江西 南昌330031；2. 中國科學院合肥物質科學研究院醫學物理中心，安徽 合肥230031；3. 南昌大學空間科學與技術研究院，江西 南昌330031)

摘要:針對超聲波-射頻室內定位系統信道分配問題復雜、實時性低下的問題，提出基于時間調制的超聲波自主實時定位系統。該系統引入直接序列擴頻技術，用時間和終端ID組成的二進制序列調制超聲波實現信息攜帶，接收端在無射頻模塊的情況下通過恢復信息來估計超聲波渡越時間，識別發射源并計算位置坐標。通過simulink對超聲波信息攜帶方法進行了仿真驗證，實驗結果表明：系統通過擴頻調制解調能夠準確恢復時間信息，有效識別終端ID，區分不同終端信號源位置，并且對多址效應和多路徑效應有較好的抗干擾效果，從而降低系統復雜性，提高響應時間并實現自主定位。

關鍵詞:超聲波；時間調制；擴頻；自主定位

0引言

在現代大型商場、高度自動化工廠或不適合人員直接操作的室內工作環境，常常需要借助室內定位技術獲得目標的精確位置。基于超聲波的探測技術安裝使用方便，成本低，抗電磁干擾能力強，在測距中應用廣泛，能獲得較高的精度[1-2]。在室內定位技術領域中，由于超聲波以上優點，也具有較大的研究意義。

目前的超聲波室內定位系統大多數都是以超聲-射頻組合的形式進行定位[3-4]。需要借助射頻模塊控制超聲波的發射，命令接收模塊計時來估計超聲信號的渡越時間。為了避免信號的互相串擾，射頻模塊還要控制信道的分配，不僅給系統帶來了較高的復雜性，其定位實時性也大打折扣[5]。針對此問題，本文提出了基于時間調制的超聲波自主實時定位系統，在不借助無線射頻模塊的情況下實現定位，降低系統復雜性，提高定位響應時間。

1常規超聲波定位原理

1.1Cricket定位系統

Cricket是經典的基于超聲波和無線射頻的室內定位系統[6]。目前室內超聲波定位系統結構大多與此相同。其模塊節點分為Listener和Beacon。Beacon被安裝在固定位置，同時發送射頻信號和超聲波脈沖；Listener安裝在移動目標上，接收到Beacon的射頻信號開始計時，等待超聲波信號到達則停止計時。設這兩種信號的時間差為Δt，則

s=v·Δt

(1)

獲得三個以上Beacon信標時計算出Listener和信標的距離s1，s2，s3，隨后根據三邊定位等定位算法即可計算出移動目標位置[7]。

1.2信道分配和實時性問題

由于所有Beacon均發射同頻超聲信號，Listener無法區分不同Beacon信號來源，從而可能計算出錯誤的位置。因此，Circket采取了隨機延遲技術，即在信號發射之前先監聽一段隨機時間T，如果沒有收到其他Beacon射頻信號則開始發射超聲波信號。這種監聽機制降低了超聲信號發射的頻率，雖然減小了因超聲信號串擾導致目標位置計算出錯的可能性，但是難以保證響應時間，此外，由于超聲回波信號的反射等引起的多路徑效應，仍然會造成距離測量錯誤，得出錯誤坐標。

1.3基于超聲射頻定位系統的實時性改進方法

為了改進超聲-射頻定位系統的實時性，本文利用調制與解調和直接序列擴頻技術[8]，令發射的超聲波具備信息攜帶能力，將時間信息調制到超聲信號中，接收裝置通過解調恢復發射時間，與到達時間作差，無須借助射頻模塊即可完成渡越時間估計，實現距離測量和目標位置的計算。此外，信號還攜帶自身ID號碼，通過ID識別可區分信號來源，與Cricket原理類似的定位系統則可以免去信道分配問題，有利于改善系統定位的響應時間，提高定位動態效率。

1.4m序列擴頻原理

研究表明，偽隨機二進制序列最適于超聲發射的脈沖壓縮信號，其中使用最多的就是m序列[9-10]。本系統采用m序列實現超聲信號的擴頻過程。

m序列全稱是最長線性反饋移位寄存器序列，是偽隨機序列中最重要的一種，具有偽噪聲碼的一般特性。用x表示每一級移位寄存器，系數Ci表示寄存器的反饋狀態，則其相應的反饋線連接狀態可用多項式表示為:

f(x)=C0x0+C1x1+…+Cnxn

(2)

式中C0=1，Cn=1。當上式滿足條件[11]

1)f(x)為不可約的；

2)f(x)可整除(1+xp)，p = 2n-1；

3)f(x)除不盡(1+xn)，q < p。

f(x)稱為m序列的本原多項式。本原多項式具體求法不作贅述，參考相關文獻可查詢常用多項式系數[12]。

查詢的系數多為八進制，求出對應二進制系數即可確定本原多項式。

根據m序列的平移等價特性和平衡特性，其歸一化自相關函數為:

(3)

式(3)中p 為m序列的長度，j為相關函數R(j)的時延，j取0，±1，±2，…等離散值[13]。

由式(3)可知，接收端相關器使用本地m序列與接收到的超聲波信號作自相關運算，當本地m序列相位相同并且同步時，在發射端的鍵控作用便被相互抵消，輸出一個解擴后的窄帶信號。

2超聲波自主識別定位系統

2.1系統結構

超聲波自主識別定位系統結構如圖1所示，系統僅由超聲波發射終端、接收終端組成，在系統運行期間，兩者都使用高精度時鐘模塊進行計時。在系統啟動前，首先對發射和接收終端進行時鐘同步校準。

發射終端：固定在天花板上，構成一個坐標系，并對信號發射時間和終端ID號進行調制，并持續發射超聲波信號。

接收終端：固定在定位物體之上，接收來自發射終端的超聲波信號并進行數據處理和定位解算。

圖1　超聲波自主識別定位系統Fig.1　Autonomously recognizable ultrasonic position system

2.2信號傳輸原理

系統工作流程如圖2所示。

圖2　基于時間調制的超聲室內定位方法流程Fig.2　The process of ultrasonic indoor position based on time modulation

發射終端準備發射超聲波，同時記錄此時發射時刻t1，使用偽隨機碼拓展信號頻譜，把時間信息t1和終端ID號n(用d(t)表示)調制在偽隨機序列當中，原始數據d(t)與m序列c(t)相乘得到擴頻后的復合信號

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

(4)

使用復合信號g(t)調制超聲載波信號，即當原始數據二進制序列為0時發送與m序列反相的序列，為1時發射與m序列同相的序列，得到調制信號s(t)，其時域表達式可表示為：

(5)

式(5)中,(n-1)TB

(6)

完成信號擴頻調制后，通過發射終端的超聲波驅動電路發射經擴頻調制后的超聲波信號s(t)。

圖3　發射端擴頻調制框圖Fig.3　Spread spectrum modulation simulation of sender

超聲波接收終端接收到任意一個發射終端的超聲波信號，立刻記錄本地接收時刻t2；與此同時，依照圖4，該接收終端使用本地m序列與收到的調制信號s(t)作相關解擴，當本地與發射端m序列結構完全相同，即c(t)與c'(t)具有相同的周期，碼元同步，并且相位重合時，由于m序列良好的自相關特性，根據式(5)可得

c(t)·c′(t)=1

(7)

圖4　超聲波接收端解擴解調框圖Fig.4　Dispreading modulation simulation of receiver

接收終端根據超聲波信號發射時刻t1以及接收s(t)的時刻t2，以及公式

(8)

計算出該接收終端到n號發射終端的距離s。

發射終端理論上可連續不斷地發射超聲擴頻信號，目標接收終端可以隨時接收不同發射終端發出的信號，只要同時收到3個有效信號，經過信號解擴和解調，即可根據三維定位算法[4]，解算出目標接收終端的位置。同時識別不同發射終端源，解決了多個發射終端帶來的多址干擾和超聲波信號反射帶來的多徑干擾問題。

3系統實驗與結果分析

3.1超聲時間信息及ID數據傳輸系統的仿真

以3路超聲波定位系統為例，采用Simulink對超聲時間信息及ID數據傳輸系統進行了系統仿真和分析。該系統仿真如圖5所示。

首先對每一路的超聲波發射時刻跟發射終端ID進行編碼，編碼數據仿真以隨機二進制序列生成器表示。

系統仿真主要由擴頻調制、信息調制、相關解擴、信息解調4部分組成，其中信息調制與解調采用BPSK二進制相移鍵控方式。仿真中針對工作頻率為40 kHz的超聲波換能器，使用頻率為40 kHz，振幅5 V的正弦波信號。

圖5　超聲時間及ID傳輸-識別系統仿真Fig.5　Time & ID transfer-recognition system simulation

3路超聲波信號經過擴頻調制后通過同一個高斯噪聲信道AWNG Channel，模擬多個超聲波發射終端帶來的多址干擾，同時對第一路信號進行二次疊加模擬超聲波信號經反射引起的多路徑效應。

圖5中擴頻模塊和解擴模塊對應的仿真見圖6。

圖6　擴頻與解擴子模塊Fig.6　Sub-module of spread and dispreading

由于采用3路信號，偽隨機碼選擇5級m序列即可滿足系統要求。根據表1所列，求出三個本原多項式二進制系數分別為[1 0 1 0 0 1]，[1 1 1 0 1 1]，[1 0 1 1 1 1]，設置每一路擴頻子模塊中PN Sequence Generator模塊的參數Generator polynomial，解擴時本地PN Sequence Generator使用參數設置一致的Generator polynomial。

3.2仿真結果

為了比較效果，實驗對未引入DSSS技術的單路傳輸系統進行驗證，見圖7，其波形如圖8所示。由圖8中波形2對比波形1原始數據可見，單路超聲傳輸系統尚能準確地恢復超聲波發射端的時間信息和ID數據，結果較為準確。加入多路徑效應后，波形3與波形1對比可見，無DSSS的傳輸系統受到較大影響，接收端已無法準確恢復發射端的數據。

在三路超聲波系統共同工作時，超聲波信號互相干擾，其中第一路收發波形如圖8波形4所示，接收端數據已經無法完全恢復，系統受到嚴重的多址干擾和多路徑干擾，在多路超聲信號串擾下無法準確恢復數據，從而會得出錯誤目標位置。

圖9為引入DSSS技術的三路超聲時間信息及終端ID數據傳輸系統的仿真結果圖。三路發射終端發射不同的二進制序列，分別對比各路發射終端可發現，三路發射端時間信息和ID號構成的二進制序列經過擴頻調制以后，在接收端均成功地得到恢復，解決了同頻信號串擾，信號反射帶來的多路徑干擾，順利實現了超聲波信息攜帶功能，從而為超聲波定位系統無間斷連續定位提供了理論基礎，有利于提高系統的定位響應時間。

圖7　無DSSS的超聲時間及ID傳輸-識別系統仿真Fig.7　Time & ID transfer-recognition system simulation without DSSS

圖8　無DSSS收發波形圖Fig.8　Waveform between sender and receiver without DSSS

圖9　引入DSSS的收發波形圖Fig.9　Waveform between sender and receiver with DSSS

4結論

本文提出了基于時間調制的超聲波自主實時定位系統。該系統使用m序列對超聲波發射端數據進行擴頻調制，通過傳輸超聲波發射時間信息和終端ID號以實現自主定位。仿真結果證實了超聲波攜帶信息的可行性，能準確恢復時間信息并識別終端ID，區分不同終端信號源位置，而且具有良好的抗多址干擾和抗多路徑干擾效果。系統能夠不借助無線模塊實現超聲波自主定位，減小定位系統的復雜性，有利于改善超聲波定位系統的動態響應，對于提高超聲波定位系統實時性具備一定的研究和應用價值。

隨著時間的累積，超聲波發射和接收終端的時鐘誤差會逐漸增大，這部分誤差可以借鑒GPS鐘差，通過超聲波傳輸導航電文來消除，這也將是后續研究工作的重要內容，有待進一步研究。

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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.

中圖分類號:TP96

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)02-0043-05

作者簡介:熊劍(1977—)，男，江西省撫州人，博士，講師，研究方向：多源信息融合、非線性濾波。E-mail：xiongjian@ncu.edu.cn。

基金項目:江西省教育廳科技項目資助(GJJ14125；GJJ13056)；國家自然科學基金項目資助(41164001；41374039)

*收稿日期:2015-10-26