基于超声波码分多址的室内定位系统的研究与实现

摘要

随着定位技术的提高，GPS（Global Position System）定位系统已经可以实现亚米级精度的定位。但高精度GPS成本很高，且无法用于室内定位。目前已有的定位方式大多以人为定位主体，强调在客户已有硬件的基础上进行定位，存在定位精度低、成本高等问题。而精度较高的超声波定位系统又存在定位目标容量有限和数据更新速率低的问题，无法用于较快速的移动控制或多目标编队控制场景。
　　为了让多个目标在室内环境下获得各自准确的位置信息，本文在超声波测距的基础上实现了室内精确定位。在室内固定位置安装3个或以上的超声波发射节点向外发送超声波信号。将定位节点放入能接收到超声波信号的区域内，其自动加入定位系统的无线网络，并完成时间同步以后，即能连续获取位置信息。
　　本系统充分结合超声波收发器的硬件特性，对相应算法以及硬件电路进行改进与优化，完成电路板设计与调试，并最终完成超声波实时定位系统实物。本文中，基于无线网络的精确时间同步以及避免多超声波发射节点相互干扰是研究的重点。
　　在精确时间同步部分，本文采用TI的CC1101无线数字通信芯片，工作在ISM（Industrial Scientific Medical Band）规定的433HMz频段进行无线通信。本文通过自定义通信数据结构与网络拓扑结构，在满足相互之间通信要求的情况下最大程度降低通信延迟。经实测，时间同步误差小于100 us。在防止超声波发射节点之间相互干扰方面，定位系统的所有超声波发射器按CDMA（Code Division Multiple Access）的要求把扩频后的超声波信号向地面广播。接收机在对信号进行解扩后，有效的区分开不同的超声波发射节点的同时还能获取准确超声波到达时间，避免环境因素造成的多径效应以及干扰带来的影响，从而有效提高测距系统的抗干扰性能。同时配合卡尔曼滤波器对获得的位置数据进行处理，从而获得更高的定位精度。经过测试，定位误差小于0.11 m。

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究工作

1.4 本文的章节安排

第2章 超声波室内定位技术理论综述

2.1 定位的基本原理

2.2 超声波测距原理

2.3 超声波测距硬件方案

2.4 多超声波协同测距

2.5 可选无线通信方案

2.6 卡尔曼滤波

2.7 处理器平台软硬件介绍

2.8 本章小结

第3章 超声波室内定位的研究与实现

3.1 超声波收发实现

3.2 码分多址在超声波测距上的实现

3.3 无线数据通信

3.4 精确时间同步实现

3.5 定位实现

3.6 本章小结

第4章 定位系统试验结果及分析

4.1 试验平台介绍

4.2 试验结果介绍与分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢