一種高精度超聲波定位系統設計與實現

孫嘯辰，王韋剛，許晨東，張晨，冒雨龍

（南京郵電大學，江蘇南京 210023）

目前在室內定位領域，有多種定位技術和方案。UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)定位精度高，但是成本高昂，難以普及[1]。WIFI 定位需要在定位前建立起RSS(Received Signal Strength，接收信號強度)和室內位置的對應關系，前期測試工程量巨大[2]；藍牙定位易受到周圍環境中同頻段的干擾，定位不穩定[3]；紅外線定位易受到室內光線影響，定位精度低[4]；超聲波測距作為一種非接觸式檢測技術，得到了越來越廣泛的應用[5]，其結構簡單、測距精度高、成本低、穩定性好，廣泛應用于液位測量、車輛防碰、室內定位、移動機器人自主避障等方面[6]。然而，在超聲波定位過程中，存在只能在特定方向上測距的問題[7-8]，并且反射式超聲波系統只能用于測距。針對上述問題，文中設計了一種基于對射式測距和反射錐的定位系統，可以實現高精度、實時的目標定位。

1 系統整體設計

STM32 單片機具有高性能、低成本和低功耗的優點[9]，文中在超聲波發射端與超聲波接收端都選用該單片機作為微控制器單元，負責控制HC-SR04 模塊發射和接收超聲波、測距計時、WIFI 模塊與上位機通信。由于HC-SR04 模塊的發射探頭發出的超聲波角度不能滿足對射式測距的需求，因此設計的超聲波定位系統在發射探頭上安裝一個金屬錐，用于擴大超聲波輻射角度。另外，超聲波發射接收裝置要實現嚴格的時間同步[10]，因為WIFI 通信協議復雜，存在延時，不能實現實時同步，因此文中巧妙地應用了紅外同步電路，以實現時間同步。超聲波的傳播速度會受到溫度的影響，文中基于DS18B20 溫度傳感器設計了溫度補償電路。另外，文中還采用了ESP-01SWIFI 模塊，用于將測距數據實時地上傳到上位機。超聲波定位系統組成如圖1 所示。

圖1 超聲波定位系統整體設計

該超聲波定位系統實現了定位目標可視化顯示，具有定位精度高、實時性強的優點。

2 硬件設計

2.1 基于反射錐的超聲波模塊設計

HC-SR04 超聲波模塊發射探頭的發射角度在30°以內，因此，對射測距范圍受到限制。但是超聲波具有方向性好的特點，能夠在金屬表面上產生反射、折射[11]，于是考慮用一個金屬錐作為反射面來改變超聲波的傳播路徑。文中將反射錐固定在超聲波發射探頭上，超聲波經過反射錐反射后被擴散成一個近似水平的環形波束，實現了水平方向360°全部覆蓋。該環形波束的垂直方向角度與反射錐頂角角度有關，經過實驗驗證，文中采用頂角為60°的反射錐。該設計的反射錐有效地擴大了超聲波的收發角度。

2.2 超聲波發射與接收電路

超聲波發射電路使用HC-SR04 模塊。超聲波接收電路的發射探頭被拆下來，確保該模塊的接收端探頭不被自己發射的超聲波干擾。

2.3 紅外同步電路

考慮到超聲波發射端發射超聲波和接收端接收超聲波必須控制在同一時刻[12]，因此必須應用同步電路。為了確保紅外接收管在任意角度都能接收到紅外線，文中巧妙地設計了一種紅外同步電路，實現了紅外線360°全覆蓋。

2.4 溫度補償電路

超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速c與溫度有關[13]。如果環境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補償問題。空氣中聲速與溫度的關系可以表示為：

式中，T為環境溫度，單位℃；c為超聲波傳播速度，單位m/s。

為了校準超聲波在空氣中的傳播速度，提高測距精度，文中在超聲波發射端配置了DS18B20 溫度傳感器，其優點是電路連接簡單、精度高、體積小、功耗低[14-15]。根據該傳感器測量的溫度值，結合式（1）完成超聲波傳播速度的校準。

3 軟件設計

3.1 定位流程

超聲波定位系統軟件定位流程如圖2 所示。

圖2 超聲波定位系統軟件定位流程

3.2 改進的加權多維標度定位算法

基于式（6）和（7）可以構建估計輻射源位置向量u的優化準則，如下所示：

4 實驗及結果分析

4.1 測距實驗

超聲波定位系統的性能主要取決于距離測量的準確性，由于受超聲波傳播距離的限制，根據文獻[15]的實驗場景設置，文中在5 m×5 m 的定位區域內進行測距實驗。分別在加入溫度補償電路前和加入溫度補償電路后，選取20 個觀測點，每個觀測點記錄100 個測距數據，并取全部數據的平均值。

4.2 定位實驗

將超聲波發射器安裝在待定位目標上，將超聲波接收器固定在三腳架上，確保超聲波收發器處在同一水平面上。通過WIFI 無線模塊將測距信息上傳給上位機[17]，經過改進的加權多維標度定位算法解算此時標簽節點的坐標，在上位機顯示標簽節點的實時位置。

4.3 實驗結果分析

為了驗證設計的溫度補償電路的有效性，將文中測距結果與文獻[7](JH-Chan 定位算法)、文獻[8](SR-Chan 定位算法)進行對比，結果如圖3 所示。

圖3 測距誤差對比

從圖3 可以看出，在目標節點與原點之間的距離為4 m 時，文中設計的溫度補償電路的測距誤差為1.2 cm，比JH-Chan小0.2 cm，比SR-Chan小0.4 cm，由此說明文中設計的溫度補償電路測距誤差小，精度更高。

為了評估文中提出的改進加權多維標度定位算法的效果，與加權多維標度定位算法進行定位誤差比較，結果如圖4 所示。

圖4 不同定位算法誤差對比

從圖4 中看出，隨著定位距離的增大，三種算法的定位誤差曲線都呈上升趨勢，其中加入溫補后的改進加權多維標度定位算法的誤差曲線上升最緩慢，并且在不同觀測點的定位誤差在三種算法中都最小。在目標節點與原點之間的距離為5 m 時，未溫補的改進加權多維標度定位算法將定位精度提高了26%，加入溫補的改進加權多維標度定位算法將定位精度提高了38%。可以得出，文中提出的加入溫補的改進加權多維標度定位算法的定位效果更好，精度更高。

為了更加直觀地分析文中設計的溫度補償電路的有效性，仿真得到溫補前和溫補后定位的誤差CDF(Cumulative Distribution Function，累積分布函數)曲線，如圖5 所示。

圖5 定位累積誤差分布曲線

從圖5 中看出，累積分布函數值隨誤差容許度增加而變大，溫度補償前定位誤差在5 cm 以內的點約占40%，定位誤差在4 cm 以內的點約占20%。經過溫度補償后，定位誤差在5 cm 以內的點約占90%，定位誤差在4 cm 以內的點約占50%。通過對比加入溫度補償電路前后的定位結果可以得出，文中設計的溫度補償電路有助于提高定位精度。

為了更好地測試文中提出定位算法的效果，將其與JH-Chan 定位算法和SR-Chan 定位算法進行對比，對比結果如圖6 所示。

圖6 定位誤差對比

從圖6 可以看出，SR-Chan 定位算法的定位誤差明顯低于JH-Chan 定位算法，但是，文中提出的RCMS 算法的定位誤差小于SR-Chan 算法，定位誤差在5 cm 以內。在目標節點與原點之間的距離為5 m時，SR-Chan 定位算法的定位誤差比JH-Chan 定位算法低35%，RCMS 定位算法的定位誤差比JH-Chan定位算法低43%。可以得出文中提出的RCMS 定位算法比同類算法定位準確。

5 結束語

文中設計了反射錐結構，將超聲波收發角度從30°擴大到180°；提出了基于DS18B20 溫度傳感器的溫度補償方案，將定位精度提高了38%；提出了改進的加權多維標度定位算法，在超聲波有效范圍內，將定位誤差減小了4 cm。實驗結果表明，文中設計的超聲波定位系統定位精度為5 cm，具有較好的推廣意義。