基于TDC-GP22的室内定位系统设计

摘要

室内定位技术具有很高的实用价值，是一项前景很广阔的研究课题。现有的室内定位技术与方案除了存在着基础成本，定位精度以及普适性之间的平衡问题之外，本身的定位精度和可靠性都很难让人满意。完善现有的定位技术的同时，探索新的定位方案也是我们研究的新道路。
　　针对室内定位的问题，本文提出了一种无时钟同步的TDOA(Time Difference ofArrival)室内定位系统的设计方案。该系统以仓储搬运机器人为背景，借助于无线电通信电路，通过高精度时间数字转换器TDC-GP22测量机器人身上的无线电发射器发出的信号到辅助节点的传播时延差(TDOA)，使用双曲线定位法估计目标相对坐标位置。
　　本文首先对室内定位技术研究背景及现状做了简单介绍，对比了现有的室内定位技术及定位算法的优缺点，同时从原理上阐述对时间测量方式及方法研究过程，表明现有的数字时间的测量方式以及测量精度足以应用在室内定位的领域。
　　其次提出了基于TDC-GP22室内定位系统的设计方案，主要从总体的硬件布局和软件系统设计两个方面进行介绍。硬件上从芯片的选型及电路设计原因等方面进行阐述;软件上主要对各个模块的底层驱动及上层应用设计进行说明。重点介绍了时间数字转换器TDC-GP22的工作模式及软件驱动设计。
　　接下来对TDOA时差法定位实现算法进行讨论研究，采用将Chan算法和泰勒展开法相结合的定位算法解算，即先通过Chan算法进行初始目标位置估测，再将求到的初始解作为通过泰勒展开法进行迭代计算，以获取更高精度的定位坐标。
　　最后进行系统调试，系统基本功能运行检测的同时，分别测量了一维测距实验测试，二维定位(LOS)实验测试。二维平面实验首先进行了闭路实验，然后分别在简单环境和复杂环境下进行开路实验，分别通过Chan算法，泰勒展开法以及两者结合定位的算法计算得到的定位结果进行比较，实验结果表明该室内定位系统在简单环境的LOS二维平面下，通过Chan算法和泰勒展开法结合的定位法下定位结果理想时，误差能达到1m以内。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 定位技术服务及应用场景

1．1．2 时间间隔测量技术的发展

1．2 国内外研究现状

1．2．1 室内定位的研究现状

1．2．2 室内定位的研究目的和意义

1．3 本文主要研究内容及章节安排

2 室内定位技术的方法概述与分析

2．1 室内定位原理分类

2．1．1 到达时间定位(ToA)

2．1．2 到达时间差定位(TDOA)

2．1．3 到达角度定位(AOA)

2．1．4 接收信号强度定位(RSSI)

2．2 常用室内定位技术简介

2．3 本章小结

3 高精度时间测量方法研究

3．1 传统时间测量方法

3．2 时间数字转换器(TDC)测量法

3．3 本章小结

4 系统硬件设计

4．1 硬件总体设计

4．1．1 硬件结构框图

4．1．2 主控芯片选型

4．2 主控芯片最小系统电路设计

4．3 信号调理和测量模块电路设计

4．3．1 信号调理电路设计

4．3．2 TDC-GP22测量芯片电路设计

4．4 串口通信模块电路设计

4．5 LED显示模块

4．6 无线通信设备介绍

4．6．1 信号发生器MHS-5200A

4．6．2 无线传输系统

4．7 本章小结

5 系统软件设计

5．1 系统软件总体设计

5．2 模块底层驱动程序设计

5．2．1 UART串口程序设计

5．2．2 定时器模块程序设计

5．2．3 LED模块程序设计

5．2．4 TDC-GP22测量芯片程序设计

5．3 无时钟同步TDOA的定位算法程序设计

5．3．1 无时钟同步的TDOA室内定位模型

5．3．2 基于信号相位差的TDOA的双曲线定位解算

5．3．3 CI-IAN算法和泰勒级数展开法相结合的TDOA定位算法

5．4 本章小结

6 系统调试

6．1 模块底层驱动软件调试

6．1．1 串口模块调试

6．1．2 TDC-GP22测量模块调试

6．2 定位系统实验测试及分析

6．2．1 点对点测距实验

6．2．2 室内平面定位实验

6．3 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况