多信息融合室內定位系統的設計

徐瑞超

陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院 西安 710300

1 設計背景

目前,室外定位導航技術已經較為成熟,全球定位系統、北斗定位系統等都可以提供最高厘米級的定位精度[1-2]。但在室內環境中,遮擋的存在導致衛星信號無法使用,對此,大量研究機構致力于尋求新的定位解決方案。在商場、醫院、辦公樓、停車場等復雜室內場景中,人員定位與貨物位置管理服務顯得非常重要。當前,室內定位技術幾乎都使用無線傳感器網絡,并且定位解決方案多樣,主要有無線射頻識別技術[3]、無線保真網絡技術[4]、藍牙技術[5]、蜂舞無線傳感器網絡技術[6]、線性調頻擴頻技術[7]等。筆者基于線性調頻擴頻技術、蜂舞協議和氣壓傳感器,進行多信息融合,設計了室內定位系統。在這一系統中,線性調頻擴頻模塊為主測距模塊,蜂舞協議模塊為輔助測距模塊。基于所設計的多信息融合室內定位系統進行物體定位試驗,確認了系統的有效性。

2 達到時間差算法

基于測距原理的定位算法需要確定移動節點和參考節點的距離信息,常用的定位算法有基于到達角度算法[8]、達到時間差算法[9]、接收信號強度指示算法[10]。獲得距離信息之后,通過質心算法、最小二乘法等數據處理方式求得節點的位置坐標。基于時間的定位算法要求具有時間同步性,而實際操作中很難保證時間精確同步。為了克服時間同步偏差,筆者采用到達時間差算法。到達時間差算法示意圖如圖1所示。

采用達到時間差算法,需要測量兩個節點的往返時間差。

信號從移動節點發出后,記錄本地時間T1。信號到達參考節點后立即返回,移動節點收到返回信號,再次記錄本地時間T2。根據移動節點發送信號時間T1和接收返回信號時間T2的時間差來計算兩個節點的距離。

圖1 到達時間差算法示意圖

3 雙邊雙向定位算法

到達時間差算法雖然能夠解決時間同步性問題,并且降低了硬件成本,但是仍然存在一些誤差。不同的硬件模塊之間存在硬件處理數據延時和晶體振蕩器頻偏,這兩個因素引起了時間誤差。由于每個硬件的物理電氣特性存在差異,信息處理時間也會產生差異,因此各硬件之間存在時間誤差在所難免,采用雙邊雙向定位算法,可以很好地解決這一問題。

采用雙邊雙向定位算法,需要進行兩次對稱測量,示意圖如圖2所示。從移動節點發出信號,并開始計時。信號到達參考節點并返回,數據處理延遲時間計作T1。移動節點收到返回信號后停止計時,從開始計時到停止計時的時間差計作T2。第二個信號從參考節點發出,同時開始計時。信號到達移動節點并返回,數據處理延遲時間計作T3。返回信號到達參考節點后停止計時,從發起定位到停止計時的時間差計作T4。信號的實際傳播時間為T,T1、T2、T3、T4、T之間有如下關系:

(1)

在上述定位過程中,參考節點的應答信號返回給移動節點并停止計時,時間差T2包含了移動節點的數據處理延遲時間T3。同理可得,時間差T4中包含了參考節點的數據處理延遲時間T1。由此,信號的實際傳播時間T為:

T=[(T2+T4)-(T1+T3)]/4

(2)

通過T即可得到兩個節點間十分準確的距離。

4 室內定位系統原理

筆者設計的多信息融合室內定位系統由蜂舞協議模塊、線性調頻擴頻模塊、氣壓測高模塊三部分組成。線性調頻擴頻模塊作為主測距模塊,具有定位精度高、穩定性好、抗干擾能力強、能耗低等特點,在中長距離測距中能夠發揮優勢。蜂舞協議模塊作為輔助測距模塊,可以實現主測距信號和輔助測距信號的融合。多信息融合室內定位系統的原理如圖3所示。

圖2 雙邊雙向定位算法示意圖

圖3 多信息融合室內定位系統原理

氣壓測高模塊的作用是將計算的高度信息和溫度信息通過通用異步接收發送設備發送給蜂舞協議模塊或線性調頻擴頻模塊。

融合了主測距信號和輔助測距信號的多個測距值可以有效提高定位精度,多信息融合室內定位系統工作流程如下:通過串行外設接口總線與多點控制單元控制處理模塊實現線性調頻擴頻模塊的數據交互,通過天線與外部待定位節點進行定位數據的接收與傳送;采用雙邊雙向定位算法進行測距,將主測距值傳輸至多點控制單元控制處理模塊;蜂舞協議模塊獲得的輔助測距值通過多點控制單元控制處理模塊進行數據交互;氣壓測高模塊通過多點控制單元控制處理模塊獲取高度信息;最終根據線性調頻擴頻模塊、蜂舞協議模塊、氣壓測高模塊獲得的數據實現高精度定位。

5 物體定位試驗

常用的定位用于解決人或物在何處、去何地等問題,涉及空間和時間。在現實生活中,除了要獲得人或物的空間位置外,還需要明確空間內物體的相對位置信息。與導航定位相同,室內定位需要獲取物體所處位置隨時間變化的規律,不同點則是不僅需要獲取物體的絕對位置,而且需要獲取物體之間的相對位置。

物體最初位置如圖4所示。通過線性調頻擴頻模塊主測距和蜂舞協議模塊輔助測距,實現各個物體之間距離的高精度測量。氣壓測高模塊測量獲得不同位置物體的氣壓值,轉換為高度值,得到不同貨箱的高度信息。

圖4 物體最初位置

物體定位主要思路分為三步。

(1) 使用高度值進行高度定位,在頂層放置最大高度值對應的三個物體,在中間層放置中間高度值對應的三個物體,在底層放置最小高度值對應的三個物體。

(2) 以4號物體作為參考,基于其它各物體與4號物體的距離進行各層的定位。假設1號、2號、3號物體在頂層,并且與4號物體的距離逐漸增大,那么與4號物體距離最近的物體應位于第一個位置,與4號物體距離稍遠的位于第二個位置,與4號物體距離最遠的位于第三個位置。

(3) 通過距離和高度的測量與比較,得到各個物體之間的相對位置。

氣壓測高模塊由于數據波動性會產生誤差,需要將氣壓值減去自身校準值,然后再轉換為高度值。穩定狀態下1 min測量均值可以作為自身校準值。

進行多組試驗,多信息融合室內定位系統均能成功實現物體的相對定位,其中兩組試驗的物體真實位置與試驗結果對比如圖5所示。

圖5 物體定位試驗真實位置與試驗結果對比

6 結束語

筆者基于線性調頻擴頻技術、蜂舞協議、氣壓傳感器多信息融合,采用雙邊雙向定位算法,設計了多信息融合室內定位系統。通過物體定位試驗確認多信息融合室內定位系統具有較高的定位準確性,以及良好的穩定性和魯棒性。這一系統組網能力強,易于實現無線傳感器網絡的布點,成本低,適于推廣應用。