基于室内三维超声波移动物体定位系统的构建

基于室内三维超声波移动物体定位系统的构建

戴新建，王珩通讯作者，李岩松，陈顺乾，邹祥，樊厶语

（沈阳航空航天大学 理学院 110136）

摘要：在信息技术时代，随着云计算的不断突破以及物联网技术的更新迭代，“室内定位”作为工业生产和生活的需求逐渐发展，在人们的日常生活、新兴科技产品发展、工业生产中发挥了重要的作用。本文旨在构建一个针对移动物体进行定位的三维室内超声波定位系统。首先对超声波定位系统的定位原理理以及常见的算法进行了分析并选择了一套适合本系统的算法，然后对室内三维超声波定位系统进行超声波收发电路，超声波定位核心板和小车性能的分析以及系统的过程的分析。最后建立了三维超声波定位系统仪器的模型图。

关键词：室内定位；移动物体；超声波定位；模型图

中图分类号： 文献标志码： 文章编号：

在现在高速发展的科技时代，定位系统对于国家的国防、军事行动、边防安全以及灾害救援等方面都具有重要意义。室内超声波定位系统就属于定位系统的一种，此超声波定位系统可以智能移动机器为载体应用在人流密度低的大型仓库、植物温室、地下停场、智能流水线工厂等场景中，但目前的超声波室内定位系统普遍存在精度不高，成本花费较高，检测范围单一等问题。早在 2006年，布里斯托尔大学 Cliff Randell 团队提出要以廉价的、易于使用的超声波定位系统简化了基于位置信息的定位系统的部署，为此提出了设计空间这一专有名词[1]。2010年英国拉夫堡大学的 Shuang-Hua H Yang 团队研究了各类定位技术的优缺点，对各类超声波定位技术进行分类，并验证了所有系统中Dolphin系统定位精度最高[2]。2018年吉林大学燕学智团队使用红外信号作为超声波收发信号同步的方法，并计算出超声波收发信号同步的时间误差，基于此提出了数字增益，最后实验确定最大数字增益误差为 3μs，进一步缩小了定位误差[3]。2023年重庆理工大学团队提出了一种非视距环境下基于对射式测距的超声波定位系统，并对相关系统进行了模拟仿真，最后减少非视距等环境误差与时钟同步等硬件误差[4]。但是以上研究都缺少对移动物体的三维定位的研究。基于此，本文对运动物体的三维系统进行位置研究，并对此系统进行建模。

1. 原理和算法分析
   1. 超声波定位系统的原理

在超声波定位系统中，发射端会根据预定程序或按照有规律的时间将超声波信号发射到周围，然后在接收端接收到信号，运用接收到的时间，超声波的速率和定位的算法得到最后的被测物的位置。本文运用的是将接收器安装在被测物体上的方案。

1.2算法的设计

 基于超声波定位系统的算法主要运用三边定位法，常用的算法有TOA算法、TDOA算法、AOA 算法和RSSI 算法。如图1图所示。

TOA 定位算法的原理是通过测量传感器到被定位物体的距离，然后以这三个距离为半径，看成一个三圆交于一点的模型，通过几何关系算出被定位物体的坐标。

TDOA定位算法，其原理是根据超声波信号到达时间差测距，以各超声波发射信号到超声波接收端的时间上的差值为自变量，以各超声波发射端到定位物体的距离差为因变量，将多个差值方程结合后求解就可以计算出定位物体的位置信息。

AOA 定位算法的原理是测量超声波信号到达被定位物体的角度，从而确定被测物体的大致方向，这两个方向的交点就是被定位物体的位置。

RSSI 定位算法的原理是理想情况下信号在传播过程中呈现的有规律的衰减，即超声波信号的强度随着传播距离的增加有规律的减弱，经过多次测量即可得到距离与信号强度的线性模型。将测量的超声波信号强度代入到线性模型中即可得到需要的距离数据。

考虑到经济和可实现性本文选择的是TDOA定位算法。设发射端待测点坐标为 , 接收端的坐标为 ( 为正整数),如图2所示。已知发射端到各接收端到达的传播时间差, 经距离公式得到各距离差, 即 TDOA 值, 并建立双曲面三元二次方程组公式 (1) 所示:

          (1)

(a)                                             (b)

               (c)                                           (d)

图1 定位算法：(a)TOA定位算法、(b)TDOA定位算法、

(c)AOA定位算法和(d)RSSI定位算法

图2 TODA算法建立坐标图

2.超声波定位系统的设计

2.1超声波框架的构建

该定位系统所需要实现的功能，即超声波信号的发射、超声波信号的接收、用于时间同步的电路系统、数据采集与处理模块、温度补偿模块以及作为核心的控制电路。如图3所示。

震荡电路产生机械震动，该机械震动较微弱，所以要经过放大电路进行放大处理；与此同时，计数电路和控制电路开始工作，计数电路记录超声波发射的时间，控制电路驱动脉冲电路将放大后的超声波信号通过超声波发射端发射；超声波信号经过一定时间的传播后由超声波接收端接收，并由接收电路处理，计数电路记录接收时间；再由控制电路将相关数据处理并在计算机上进行计算与可视化呈现。

其中超声波发射器是采用HC-SR04超声波探头，如图4所示，其性能参数如下：

工作电压:DC3.3-5V

工作电流:15mA

工作频率:40Hz

射程范围:2CM-4M(峰值)

测量角度:≤15度

输入触发信号:10uS 的TTL脉冲

图3 控制电路图

图4超声波传感器图

2.2超声波定位核心板和小车系统

超声波定位核心板采用的是树莓派开发板，树莓派的开发板较STM32系列的控制板使用更加方便。将树莓派2B开发板用USB接口与电脑相连，在电脑上进行打开树莓派2B的界面，进行超声波控制程序的编写。程序如图5所示。             

图5超声波定位程序图

小车采用的是STM32作为控制版，配有电机，电源和蓝牙系统。通过电脑连接小车蓝牙，来控制小车的启动和停止和小车上超声波传感器的启动和关闭。小车运行图如图6所示。

图6 小车运行图

2.3 超声波定位系统模型的建立

超声波定位系统的硬件；超声波传感器10个，树莓派2B控制板，STM32控制板，计算机，内径为1.2m高为0.02m的底座，6根长1m内径0.02m的支柱。模型图如图7所示。          

图7  超声波三维定位模型图

3.结论

本文分析了四种超声波定位的原理和算法，并通过分析选择了一种适合本仪器的算法。对超声波三维定位系统的电路，运行过程，超声波定位的核心控制系统，定位算法和被测运动物体小车的设计。最后建立了超声波三维定位系统的模型图。

感谢辽宁省教育厅系列项目（JYT2020121，JYT2020153）、航空科学基金项目（2020Z006054002）、国防重点学科实验室项目（SHSYS202208）、校博启动项目（20YB17）和沈阳航空航天大学2024年大学生创新训练计划项目（D202311142118599116）的支持

参考文献

[1] An Z, Lin Q, Yang L, et al. Revitalizing ultrasonic positioning systems for ultrasound incapable smart devices[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2020, 20(5): 2007- 2024.

[2]  Koyuncu H, Yang S H. A survey of indoor positioning and object locating systems[J]. IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, 2010, 10(5): 121- 128.

[3] 学智,王海云,王昕.超声波飞行时间测量的数字增益补偿[J].仪器仪表学报,2018,39(09):82-90.DOI:10.19650/j.cnki.cjsi.J1802959.

[4]孙冰曼.一种非视距三维超声波室内定位系统研究[D].重庆理工大 学,2023.DOI:10.27753/d.cnki.gcqgx.2021.000394.