基于TDOF的分布式激光定位系統設計與實現

李文江,符 建

(浙江大學光電學院,杭州 310027)

基于TDOF的分布式激光定位系統設計與實現

李文江,符 建*

(浙江大學光電學院,杭州 310027)

依據無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Networks)定位系統的理念,設計并實現了一套基于一組905 nm的窄帶寬紅外脈沖激光的高精度,高頻率的室內定位系統。該系統利用到達分布式激光脈沖接收器的飛行時間差TDOF(Time Difference Of Flight)進行定位,激光接收模塊作為信標節點采集來自同步節點和定位節點先后發出的激光脈沖,并通過串口方式發送TDOF信號到中心控制主機,中心控制主機通過TDOF信號與各信標節點的空間坐標進行定位計算,定位解算方法基于高斯牛頓迭代法(Gauss-Newton iterative algorithm)和最小二乘法(Least square method)。實驗結果表明,該系統的平均定位誤差可優化到±6.5 mm內,并且可以通過更多有效數據,進一步提高定位精度。

無線傳感器網絡;飛行時間差;室內定位系統;高斯牛頓迭代法;最小二乘法

目前基于TDOF原理的分布式激光定位技術比較少見。因為在分布式傳感器網絡中,定位時差的測量對于時間同步的要求極高,根據之前相關非測距定位技術的相關研究可發現,通過常規的電信號觸發接收節點的時間精度遠遠無法滿足定位測量時差的精度[1]。因此,之前基于TDOF原理的室內定位設計中,通常基于超聲波US(Ultrasound)信號和超聲與射頻RF(Radio Frequency)信號結合測量的方式來實現,因為低速的聲波信號對于時間的同步要求比光波信號對于時間同步的要求低了一百萬倍。根據查閱相關論文,基于聲光時差測量技術的定位系統有Active Bat系統[2]和Cricket系統[3]。

在Active Bat系統中,待測定位節點主動向外發生RF信號和US信號。信號接收傳感器(位置已知)作為信標節點接收RF信號和US信號,通過分布式的信號接收傳感器,得到這兩束信號到達的時間差。在一個測量周期中,多個時間差信號可以將定位節點的坐標進行求解;Cricket系統的不同之處在于信號的接收方和發射方與Active Bat系統相反。其定位節點用于信號的接收,而作為信標節點的是信號發生器,定位節點通過接收來自不同信標節點的RF信號和US信號并計算其時間差,實現分布式目標定位。

通過上述兩種定位方法分析,發現當信標節點作為信號發射器時,每個定位點分別獨立接收信號,因此該套系統的優勢在于較容易實現多個待測節點的同時定位,但存在發射信號互相串擾,信號在空間中傳播的多徑效應[4]使問題更加復雜;當信標節點作為信號接收器時,每個定位點分別發送定位信號,因此該套系統的優勢在于對單點進行定位時,空間內可對定位精度造成影響的干擾少,相互獨立的接收器分布更容易實現定位空間的拓展。

目前基于激光原理應用最廣泛的定位方法是HTC的VIVE產品的Lighthouse定位方法[5],該原理利用兩個燈塔作為信標節點向外發射周期性橫縱兩向的激光面陣,而在兩個燈塔覆蓋范圍內接收器可以通過接收到橫縱激光的對應時間進行定位計算。該套系統的定位精度很高,但精度與定位半徑成線性關系,距離越遠,定位精度越差,所以定位空間可拓展性較差,僅限于兩個燈塔可覆蓋的范圍,這對于燈塔安裝要求較高。

因此結合激光定位高精度的優勢,本文設計了一套類以信標節點作為信號接收器,定位節點向信標節點發射激光脈沖信號的定位系統,同時借鑒了Active Bat的架構模式,創新性的提出了使用同步光源作為整套系統的同步節點。該套方法相對于基于RF信號和US信號的定位方法,定位精度獲得了極大的提高,并且規避了Lighthouse定位方法中定位空間不可拓展的問題。

圖1 定位系統結構

1 系統模型

根據傳統的分布式傳感器定位原理[6],該定位系統也由同步節點,定位節點,信標節點,數據處理節點4個部分組成。定位過程中,需要整個系統中的前3個部分協同工作,最終由信號處理節點對數據進行計算,最終得到定為目標的空間位置坐標。定位結構如圖1所示。

分布式的信標節點是脈沖激光接收器,在空間內分別接收來自于同步節點和定位節點先后發出的激光脈沖,通過測量兩組光脈沖到達接收器的時間差從而可以計算出待測光源的位置。

同步節點發出光脈沖后通過NRF通信模塊,向定位節點發出觸發信號,當定位節點收到信號后立刻發射激光脈沖,同步節點與定位節點光脈沖的時間間隔記為τs。同步節點與定位節點的這兩個光脈沖視為一個測量脈沖組,脈沖組經過空間飛行后,到達相應信標節點的時間差將會直接通過激光接收器測量得出。當所有激光接收器完成了這組脈沖測量后,將通過TDC-GP21芯片將時差信號封裝成32位的TDOF信息,并同時通過串口傳輸到數據處理節點處,此時該組光脈沖信號測量完畢;數據將通過后端PC作為數據處理中心,進行定位節點的坐標解算,并最終得到該組脈沖發生時,定位節點在空間中相對同步節點的空間坐標。在圖2中,描述了一組光脈沖從發射到最終被信標節點1、節點2接收,不同節點上光脈沖的時序狀態。其中l1為同步節點到信標節點1的空間直線距離,l2為同步節點到信標節點2的空間直線距離。s1為定位節點到信標節點1的空間直線距離,s2為定位節點到信標節點2的空間直線距離。T是兩組激光脈沖發射的周期。

圖2 定位時序圖

如上所述,定位系統中各個信標節點通過接收到來自同步節點的激光脈沖作為計時起始觸發信號,再接收來自定位節點的激光脈沖作為計時結束觸發信號。該系統設計突出了3點優勢:

①巧妙地利用了同步節點的激光脈沖;基于同步節點與信標節點之間的空間坐標關系已知,通過光速計算激光脈沖在節點間的飛行時間,可以間接實現高精度的激光時間同步。

②基于激光脈沖組進行定位不存在光信號串擾問題;每一組光脈沖的定位周期為T,且每個周期的測量互不干擾,只要信標節點的激光接收器能夠接收到對應的光脈沖信號,就不存在接收數據發生錯亂沖突的情況。并且可以通過信標節點接收到的光脈沖時間差進行判斷接收數據的合理性,因為空間飛行的兩組脈沖時間差數值是毫秒級,而在空間傳播產生的時間差在納秒級別,因此可以通過驗證激光接收器獲得的時差數據是否接近τs來判斷合理性。

③該系統原理規避了多徑效應的干擾;在激光二極管驅動器中基于STM32主頻72 MHz,定義每一個光脈沖信號的脈沖寬度為10個空指令的執行時間即138 ns,而在空間中因為折反射造成的信號到達接收器的延遲至多為30 ns(激光脈沖準直接收距離參數為10 m,因此大于30 ns的折反射延遲將無法被激光器檢測到)。當多徑信號到達激光脈接收器時會淹沒在直線到達接收器的138 ns的脈沖寬度中,不影響激光接收器的時差測量。

2 硬件設計

本設計中硬件系統分為2個重要部分:①激光脈沖發射部分;②激光脈沖接收部分。其中發射模塊設計框圖如圖3所示。

激光發射模塊主要由能量供應模塊、處理器模塊、激光二極管驅動電路、激光二極管這4個部分構成。外設畫入了標準聯合測試JTAG接口進行程序的調試和下載。通用輸入輸出口GPIO用來產生高低電平為SPL LL903的驅動電路提供激光脈沖驅動需要相對應的PWM波。

圖3 激光發射模塊結構圖

能量供應模塊采用5 V充放電鋰電池。選用鋰電池可以使激光發射模塊整體結構盡量小,并且提供足夠的續航時間。處理器模塊選用了意法半導體公司生產的基于CortexM3內核架構的32位ARM微控制器STM32F103,根據激光發射模塊的需求,選用片內Flash中容量(128 K)的系列,CPU的工作頻率最高可到72 MHz,因此較高的時鐘頻率也提高了發射高頻激光脈沖的頻率,另外高頻時鐘使得產生的激光脈沖波形隨機誤差更小。

激光發射模塊的激光驅動電路如圖4所示。

圖4 激光驅動電路

通過兩個I/O共同輸出PWM控制信號,經過NC7WZ16緩存器使PWM信號在激光器驅動板中保持更好的波形,經過200 R的匹配電阻通過AD8651高精度、低噪聲、低失真的CMOS運算放大器將信號放大整形處理,使用MIC4452這款MOS驅動芯片對放大整形后的PWM信號進行驅動輸出,最終通過SPLL LL903這款峰值功率高達70 W的激光二極管進行輸出。

第2部分的激光脈沖接收部分的設計框圖如圖5所示。

圖5 激光接收器模塊構圖

激光接收模塊與發射模塊對應,也有4個部分構成:能量供應模塊、處理器模塊、激光脈沖光電轉換電路和激光脈沖時差計量模塊構成。能量供應模塊和處理器模塊包括JTAG接口的設計與激光發射模塊中對應相同。增加了UART串口將處理器模塊接收到的32位的時差信息輸出到計算端進行位置坐標解算。

激光脈沖光電轉換電路和激光脈沖時差計量模塊在本設計中被集成在一塊PCB板上。

圖6為APD光電傳感電路的設計圖。

圖7 TDC-GP21外圍電路圖

電路中APD的高壓250 V由DC-DC升壓模塊提供,由于APD的輸出電流弱,因此極易受到外界噪聲的干擾,本系統通過高速運放MAX3665進行信號放大并輸出差分信號。對輸出后的放大信號采用AD8330進行進一步放大整形,通過差分信號的處理可以有效地抑制共模噪聲。

圖6 APD光電傳感電路

圖7為激光脈沖接收計算時差的核心電路圖。

該系統的定位精度主要依靠時差計算電路保證。通過查閱資料[7],目前TDC時間數字測量原理主要是利用信號通過邏輯門電路的延遲來量化時間間隔。因此TDC的最高分辨率取決于芯片的最小門傳播延遲時間。

本系統選用的TDC-GP21是一款數字芯片[8],可以將被測量的時間間隔轉化為數字量。TDC中信號通過邏輯門的時間可以精確保證,TDC-GP21時間測量分辨率最高可以達到22 ps。

時間測量單元如圖通過START信號觸發計時,由STOP信號進行截止。通過測算環形震蕩器的位置和粗值計數器的計數值可以算出START信號和STOP信號之間的時間間隔。

GP21芯片在測量模式1下,單一分辨率為90 ps,相當于13.5 mm的距離。該組數據精度可以通過GP21的高精度模式和平均算法提高到10 ps也就是1.5 mm。雖然精度已經達到了系統要求,但測量范圍僅限于3.5 ns到2.4 μs,較小的測量范圍會給光源信號的延遲控制帶來較大的挑戰,因此本系統選用了測量模式2,其測量范圍為500 ns(校準晶振4 MHz)到4 ms,較大的測量范圍使同步節點光源和定位節點光源的無線通信成為可能,實驗中使用NRF傳輸技術將單次單向通信時間控制在800 μs以內。在測量范圍2中測量結果是精確測量值和粗略測量值的總和。因此在測量范圍2中必須進行校準。圖中(X1)4 MHz的高速晶振用于校準并在測量范圍2模式中作為粗值計時器。(X2)32 768 Hz的晶振作為內部定時器。

圖8 接收模塊測量流程

START和STOP引腳電路與前端經過放大、整形、差分處理后的光電信號STOP信號相連,用來觸發TDC的計時開始與停止。四線SPI接口與單片機I/O口相連,實現采集時差數據的通信。激光接收器模塊整個測量過程如圖8所示。

3 定位軟件

本定位系統的設計中,每個接收器對應一個串口號,目前實驗階段采用的最小系統,只需要4個接收器即可,Windows系統所支持的串口數量足夠支撐整個實驗測量的需求。接收端程序通過分線程同時打開接收器的串口并監聽輸出。通過前文可知一組光脈沖的時差測量在周期T內完成,試驗中將T設為4 ms,當TDC-GP21接收時間大于4 ms時,將會給出Timeout信號,這種情況表明存在沒有接收到同步節點和定位節點對應的一組光脈沖信號。此時對應向外輸出NULL信號,軟件端接收到時差數據非NULL且大于τs/2時認為是有效數據,并在有效數據計數變量上進行計數。只有當有效數據變量大于等于四時,認為該測量周期為有效測量周期,接著將對本周期測量數據進行定位計算。

圖9為對測量數據進行計算的軟件設計流程圖。

圖9 計算軟件工作流程圖

對解算值合理性判斷的方法比較靈活,如在實驗室測量中,實際測量范圍為(0,0,0)到(6,6,6)的空間坐標范圍內,因此當計算結果任意一個維度超過該范圍的值都被認為解算錯誤。

在連續軌跡測量實驗中,定位節點位置的合理性判斷可以依據卡爾曼濾波原理[9]核心思想:根據前一時刻定位節點狀態可預測此時刻定位節點狀態作為先驗估計之,若該先驗估計值若與此時刻測量得到的節點狀態差距過大,就認為該時刻測量計算值不可信。

4 實驗過程及分析

為了衡量本定位系統設計的可行性和定位的精度,設計了以下的實驗進行分析與驗證。首先,對每個激光脈沖測量模塊的測量準度進行校正,通過多個接收器測量漸變頻率的光脈沖時間周期,通常使用最小二乘法擬合[10]出定位接收模塊相對應參考接收模塊的補償參數;然后應用次補償參數,驗證系統在可定位范圍內的測量精度和穩定性等性能指標;在此基礎上,設計定位實驗,衡量系統的定位精度和定位頻率等定位性能指標。

4.1 系統校正

選取一個參考激光接收模塊、一個待校激光接收模塊、兩個激光發射模塊。兩個激光發射模塊輪流發射光脈沖,兩組光脈沖間隔為4 ms。每組光脈沖時間間隔從1 ms按照1 μs步長逐漸增加到2 ms。兩個接收模塊分別采集1 000組數據,通過對應作差得到待校激光接收模塊在不同光脈沖頻率下的測量時差。再通過最小二乘擬合出適合的曲線,從而分析得到待校接收模塊的接收校正系數。

圖10描述了對應的頻率和兩個接收模塊測量時差的最小二乘擬合關系,由圖中可以看出,測量時差呈現良好的線性關系。

圖10 激光脈沖間隔與接收模塊誤差關系

根據N組(N=1 000)對應于激光脈沖間隔和兩個接收模塊之間的誤差的數據(xk,yk),k=1,2,3,…,N,擬合成一條直線:

F(x):y=p1x+p2

(1)

待校接收模塊與校正后的數據產生的誤差yk在應用最小二乘法估計參數P1、P2時,要求yk偏差的平方和最小,即:

(2)

待校接收器的測量校正基于擬合數據p1=-0.003 9,p2=-0.048 6。通過分析發現:p1誤差來自于測量計時模塊晶振的自身細微偏差,因此該誤差為線性偏差。p2誤差來自于電路本身的細微差別產生的系統偏移誤差。在實際定位測量中,由于空間產生的脈沖時差通常在30 ns以內(超過10 m后,激光脈沖功率不足以觸發激光接收計時),因此根據系數p1可知,因為測時晶振的不同產生的偏差小于等于7.8×10-5ns,該時間誤差在定位距離上產生的影響小于2.3×10-3mm。因此由計時晶振產生的線性偏差系數p1對于測量精度的影響非常微弱。而p2產生的固定偏差為1.2 cm,對于測量精度有著較強的影響,因此對于每個測量模塊都需要進行校正,并且可以總結p1產生的線性偏差系數對最終的定位測量影響微弱,而p2產生的固定系統偏差對定位測量的影響較強。

校正通過接收模塊中的處理器模塊執行,通過SPI接收時差數據后在STM32F103微處理器中自動與補償方程做加法運算;如果定位頻率較高,可能出現運算速率低于數據產生速率,可以將補償方程F(x)簡化為系數p2,減少處理器的運算復雜度,保障系統的穩定性。

4.2 接收模塊測量精度

基于上述的系統校正實驗后得到的時間補償系數,對每個接收模塊做好校正后,進行單個模塊的計時精度實驗。該實驗選用3個激光接收模塊,兩個激光發射模塊。具體實驗結構如圖11所示。

圖11 測量精度實驗

由于目前硬件條件限制,激光光源在實驗過程中未加發散以及勻光鏡組,已知激光光束的空間發散角度在平行于PN結方向為15°,垂直于PN結方向為30°[11];實驗測量在空間發散角在0°時。激光光束方向測量最遠距離可達20 m;在激光二極管發射邊緣處,脈沖接收靈敏度下降呈突變下降。因此選擇3 m作為測試距離使得光束發散角邊緣的脈沖到達接收器也有足夠的光能驅動APD光電轉換。

同步光源與定位光源的間隔時間以1 ms(該間隔是非精確值,主要作同步節點到定位節點的NRF通信時間),脈沖組以周期4 ms(使用單片機定時器延時)向外發出。一共向外發出3 000組光脈沖。3個接收器接收的所有時間數據如圖12所示。

圖12 3組接收模塊測量數據

由圖12可見,每個接收器的測量波動較為相似,呈現出接近的測量精度。圖12中的測量數據波動包括了激光脈沖組本身的誤差;在定位解算原理中,測量時差數據將會兩兩作差,方程從二次降低到一次方程進行求解。

通過做差求解可知定位的精度與激光光源控制發射的時間間隔精度無關,而和方程作差數據精度相關,根據方程可解性可知,作差數據保留了定位光源與同步光源的相對位置信息。

將2號接收器與3號接收器接收數據相減得到3 000個時差信號,對這些時差進行概率密度譜擬合分析,誤差規律如圖13所示。

圖13 接收模塊誤差擬合分布

通過MATLAB高斯分布擬合概率密度函數公式:

(3)

采用非線性最小二乘法擬合得到X～N(-6.448 6,0.026 9)。平均值為-6.448 6 ns。標準差為0.163 8 ns。這表明兩個激光接收的單次測量平均誤差在0.163 8 ns,因此目前在該定位系統中,單次測量誤差在±5 cm。

顯然通過單次定位測量的時差誤差較大,因此需要通過多組數據平均的方式進行誤差優化,提高數據的穩定性,使測量數據的精密度提高。由于定位系統為實時系統,平均法通過犧牲定位幀率來提高定位精度。

圖14表示了基于當前定位系統的單次測量精度,定位平均數與定位精度的關系。

圖14 測量精度與平均次數關系

通過實驗的結果進行曲線擬合,得到擬合公式為:

fit(x)=4.918·x-05202

(4)

測量誤差與平均次數呈現冪函數方程擬合關系。通過擬合方程發現測量基于目前的測量系統,當測量平均次數大于200后,得到的測量誤差呈現以0.2 cm為中心上下無規律的波動。因此認為該測量系統存在測量極限0.2 cm。

目前該定位系統不做數據平均的測量頻率為250 Hz,通過平均法提高測量精度將會降低相應的測量頻率,表1通過擬合公式(4)可以找到適合的平均次數,目的是通過較少的平均次數而達到較好的提高精度的效果。

表1 定位頻率與定位精度關系

通過誤差導數發現當定位頻率低于10 Hz時,定位誤差導數將大于-0.019 2,意味著定位誤差的變化速度會非常慢。

本系統的定位頻率受到脈沖組周期4 ms限制為250 Hz。實際該定位頻率還有極大的上升空間。本文的接收模塊通信使用了串口[12]基于波特率115 200 byte/s的傳輸速率進行通信,并且串口不是連續通訊,通訊過程留有交互時間間隔,具有通訊封包格式。因此實際有效的通信速率一般按照50%計算,傳輸速度是7 200 byte/s。而當測量頻率以1 MHz的向外發送32 bit的時差信號時,將會有4 Mbyte/s的速度需求,因此可以通過改變信息傳輸的方式如使用USB協議[13]進行數據傳輸可以解決數據擁塞的問題,從而提高測量頻率。

4.3 系統定位

選擇實驗室作為實驗場所,環境溫度為20 ℃。應用1個同步節點,7個信標節點,1個定位節點,布置于實驗室內4 m～6 m范圍內構成定位最小系統,并且保證信標節點可以正常接收來自于同步節點與定位節點的光脈沖信號。實驗計算原理圖如圖15所示。

圖15 定位實驗原理圖

圖15中信標節點接收到來自同步節點與定位節點的時間差信號,應用高斯牛頓迭代法結合最小二乘法完成對定位節點的坐標解算。

規定同步節點的坐標為(0,0,0),并且已知n個信標節點的坐標依次為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),…,(xn,yn,zn)。假設定位節點的坐標為(x,y,z)。

按照上述坐標設置,計算定位節點與第n個信標節點之間的坐標關系:

(5)

式中:c代表光速,τn是通過測量得到一組光脈沖的時間差,τs的大小是同步節點與定位節點發生光脈沖NRF通信的時間延遲決定的(在本實驗中設定為1 ms,該值的大小可根實際情況進行調整)。當τs為已知量時,定位方法可簡化為三邊測量法[14]。但在實際實驗過程中,通信時延τs并不穩定,因此在方程中認為未知量,可通過四組及更多的方程進行解算。通過n個信標節點接收信號,可以獲取n組方程進行解算。

高斯牛頓迭代法[15]可使用泰勒級數展開將二次方程組降次為線性回歸模型,再通過多次迭代,不斷修正回歸系數并逼近非線性回歸模型的最佳回歸系數,最后使原模型的殘差平方和最小,解出最優解。該方法解算效率較高,但當τn測量誤差較大,且迭代判斷閾值過小時,存在迭代不收斂的情況;但判斷殘差平方和過大,計算坐標的解誤差又較大。因此本文實驗選用了最小二乘法。

按照上述坐標設置,定位節點(x,y,z)到第n個信標節點的距離為:

同步節點(0,0,0)到第n個信標節點的距離為:

根據式5可以得到:

Sn=Sdn-Sd

(6)

(7)

上述方程組(7)可以表示為AX=b的形式,其中:

(8)

(9)

使用標準的最小二乘法矩陣公式可以得到定位節點的坐標為:X=(ATA)-1ATb。由矩陣(8)可知該矩陣至少需要5個信標節點構成最小系統,實驗結合了前文牛頓迭代法的泰勒級數展開線性化技巧,4個信標節點即可構成最小定位系統。

圖16 定位實驗節點分布

實驗中,使用7個信標節點布置于測量支架上,其坐標分別為R0=(0,0,1)、R1=(0,0.5,3)、R2=(0,-0.5,3)、R3=(1,1,4)、R4=(-1,1,4)、R5=(2,-2,6)、R6=(-2,-2,6),單位為米。同步節點坐標為(0,0,0),定位節點可測量空間內移動。節點坐標分布如圖16所示。

定位實驗分別計算當工作信標節點個數為5,6,7時,定位節點的坐標值。每個坐標采樣1 000組數據。表2記錄了應用不同個數信標節點時得到定位節點的誤差情況。

表2 不同個數信標時定位誤差 單位:mm

實驗結果表明,應用最小二乘算法進行目標定位,定位精準度與定位穩定性隨著信標個數的增加而有提升。并且在實驗過程中發現,信標節點的安放位置對測量精度也有較大的影響。該數據應用100次測量進行平均處理,為了進一步提高定位精度,可以再通過提高平均次數進行優化計算。

5 總結

本文設計并實現了基于激光脈沖飛行時間到達時間差的室內定位系統。該系統采用固定信標節點監聽定位空間內同步節點和定位節點周期性的光脈沖信號的方式,可以有效避免光信號多徑效應的影響,提高系統的穩定性以及可拓展能力。信標節點采用串口發送的方式將采集得到的TDOF數據發送給主機端,多線程串口接收解決了信息同步問題。實驗中應用了牛頓迭代法中泰勒近似降次的思想,結合最小二乘估計的算法,采用7個信標節點定位平均定位誤差最小可達6.5 mm。

系統可通過改進硬件增強定位精度以及信號傳輸的速度;在激光發射模塊中,透鏡微陣列可以作為激光的勻光處理[16]的光學器件,勻光處理可以提高光束邊緣的激光脈沖質量;激光接收模塊中的窄帶濾波片[17]與廣角接收可以降低雜波干擾,提高測量范圍。通過時分復用TDM(Time Division Multiplexing)的方法將單點坐標定位拓展為多點同時定位;本研究將在以上方面進行進一步的探索。

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李文江(1992-),男,浙江省杭州市,浙江省杭州市浙江大學光電信息工程學院研究生,研究方向為基于TOF的三維成像成像系統,嵌入式系統開發等,圖像處理等,289084741@qq.com;

符建(1970-),浙江大學光電系副教授,曾作為項目負責人和參與人完成國家自然科學基金3項,國家基礎研究計劃973項目1項,正在主持參與863項目1項,國防軍工前沿探索項目1項。共發表SCI論文23篇,申請獲得國家專利35項。jianfu.zju@qq.com。

TheDesignandImplementationofDistributedLaserLocationSystemBasedonTDOFTechnology

LIWenjiang,FUJian*

(College of Optical Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

According to the concept of Wireless Sensor Networks(WSN)positioning system,this paper presents an indoor location system based on TDOF(Time Difference of Flight)from a set of 905 nm narrowband infrared laser pulses,which are high-precision,high-frequency. The system collects the TDOF information from the synchronous node and the positioning node through the laser receiving module as the beacon node. The signal is transmitted to the central control host through serial port. The central control host computes the position with the TDOF signal and the spatial coordinates of the beacon nodes. The solving method of the localization equation is based on the Gauss-Newton iterative algorithm and the least square method. Theoretical analysis and experimental results show that average localization error can be controlled within ±6.5 mm. The positioning accuracy can be further improved by more valid data.

WSN;TDOF;indoor location system;Gauss-Newton iterative algorithm;least square method

2017-02-16修改日期:2017-04-24

TN211

:A

:1004-1699(2017)09-1438-09

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.09.024