基于TDOA的超声波室内定位系统的设计与现帛(2)

TDOA 超声波 定位系统

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传感技术学报

第２３卷

为距离，实现目标的定位。由于室内环境复杂多变，信号具有较强的时变特性，信号损耗规律性不强，建立经验模型复杂性较高，导致基于ＲＳＳＩ的定位技术精度相对较低。

基于ＡＯＡ的定位方法需要接收节点安装天线阵列或使用多个接收机来确定信号的传输方向；基于ＴＯＡ的定位精度高，但要求节点之间保持精确的时间同步。这两种定位技术对节点的硬件要求较高，功耗也较大。

在基于ＴＤＯＡ的定位系统中，发射节点同时发射两种传播速度不同的无线信号，通常采用射频信号（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＲＦ）和超声波信号（Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ，ｕｓ），接收节点根据此两种信号的到达时间差并已知二者的传播速度，计算出接收节点与发射节点之间的距离。此类定位系统的精度相对较高，比较适合于室内环境的高精度目标定位，其中比较典型的系统有ＡｃｔｉｖｅＢａｔ系统”１和Ｃｒｉｃｋｅｔ系统旧。１。

在ＡｃｔｉｖｅＢａｔ系统中，移动节点发射ＲＦ信号和Ｕｓ信号，位置同定的信标节点接收ＲＦ信号和ｕｓ信号；Ｃｒｉｃｋｅｔ系统则相反，信标节点作为信号发射节点，待定位的移动节点用于信号的接收，然后根据ＲＦ信号和ＵＳ信号的到达时间差进行分布式目标定位。

在综合考虑节点定位精度、硬件及算法实现复杂度、适用范围以及可扩展性等指标的基础上，本设计采用基于ＲＦ和ＵＳ信号的ＴＤＯＡ定位方法进行移动目标的定位。此外，为了减少多个信标节点发射的无线信号之间的冲突，提高定位实时性，信标节点采用固定时序发射的方式，周期性发射信标信号。２

系统结构

Ａｃｔｉｖｅ

Ｂａｔ系统中，中心控制主机集中控制多个

接收节点，而待定位的移动节点作为发射节点是不可控的，尤其是当移动节点数量较多的情况下，必然会引起各组ＲＦ和ＵＳ信号之间的串扰，从而导致错误的定位，影响系统的稳定性。Ｃｒｉｃｋｅｔ系统具有很好的可扩展性，但其信标节点采用随机发射信号的方式，仍然不能有效解决信号间串扰的问题。因此，本设计综合考虑以上两种系统的优缺点，提出了适合自身实际需求的一种定位方法。２．１整体架构

本设计中的定位系统由同步节点、信标节点、移动节点、汇聚节点和中心控制主机五部分组成。目标定位过程中需要整个系统各节点间协同工作，最终由中心控制主机实现对各移动节点的集中式定位。定位系统的结构如图１所示。

万方数据

越

节点中心控制

图１

定位系统结构

同步节点以Ｔ。为时间间隔，通过ＲＦ同步信道广播同步信号，用于各信标节点间的时间同步；各信标节点接收到此同步信号后，分别延迟一段不同的时间Ｔ出后，利用同步信道同步发射出带有自身特殊标记的ＲＦ信号和不携带任何信息的ｕｓ脉冲；待定位的移动节点接收到同步节点的同步信号后开始计时，继而采集来自各信标节点的ＲＦ和ｕｓ信号间的ＴＤＯＡ信息，封装成特定格式的数据包，在计时满Ｔ。前的△Ｔ，时间范围内的任一随机时刻将此数据包通过移动数据信道发送到汇聚节点；汇聚节点通过移动数据信道接收数据，并将接收到的数据通过串口发送到中心控制主机，以进一步实现数据的分析及目标的定位。图２中描述了一个Ｔ。时间周期内系统中各节点的工作过程。

图２定位原理图示

如上所述，定位系统中各信标节点以接收到的同步消息作为时间基准，以确定的不同的时刻发射自身的ＲＦ和ＵＳ信号，此设计能够有效地解决Ｃｒｉｃｋｅｔ系统中随机发射信号的方式所造成的不同组信号间的串扰问题，提高了定位系统的稳定性；系统中信标节点间发射信号的时间间隔为固定值，间隔时间的选取需要综合考虑系统定位数据的实时性和移动节点速度等多种因素的影响；移动节点采用在△Ｔ，时间范围内随机发送定位数据的方式，也是为了减小汇聚节点接收数据时发生冲突的概率。本设计中系统硬件采用Ｍｉｃａ２节点，并主要对其进行了超声波收发功能的扩展，其结构框图如

图３所示。

２．２硬件设计