基于超聲波的定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

1、基于超聲波的定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)    傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線電通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境定位、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等諸多領(lǐng)域。 超聲波定位的原理與無線電定位系統(tǒng)相仿，只是由于超聲波在空氣中的衰減較大，只適用于較小的范圍。超聲波在空氣中的傳播距離一般只有幾十米。短距離的超聲波測距系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際中應(yīng)用，測距精度為厘米級(jí)。超聲波定位系統(tǒng)可用于無人車間等場所中的移動(dòng)物體定位。1 超聲檢測原理1.1 回波信號(hào)超聲檢測信號(hào)分析系統(tǒng)的

2、原理是通過超聲檢測儀和信號(hào)采樣裝置及計(jì)算機(jī)的相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)超聲檢測電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并完成檢測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)根據(jù)己量化的回波信號(hào)數(shù)據(jù)，利用有關(guān)理論及技術(shù)作相應(yīng)處理。超聲檢測是一種物理手段，利用超聲波的性質(zhì)來判斷目標(biāo)的距離。是根據(jù)超聲波在檢測區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到界面反射所呈現(xiàn)的特征來判斷物體位置狀況的無損檢測方法。超聲波檢測中常用技術(shù)是把超聲波短脈沖發(fā)送至被測物體，當(dāng)聲波自物體的非連續(xù)性結(jié)構(gòu)或邊界返回時(shí)，獲取其回波波形。當(dāng)波觸及物體前壁面時(shí)，有幾個(gè)振蕩周期的窄帶隨機(jī)波產(chǎn)生，稱為始波，與此同時(shí)，還有一部分超聲波滲入被測物體，觸及物體的后壁面，又可得到振蕩的回波，稱為底波。利用始底波之間的時(shí)間間隔與

3、己知的聲波在物體中的速度，便可算出物體的距離。同樣，當(dāng)聲波觸及被測物體內(nèi)的氣孔、雜質(zhì)等非連續(xù)性目標(biāo)位置時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生回波，據(jù)此得出目標(biāo)位置的信息，如目標(biāo)位置在檢測區(qū)域內(nèi)的大致位置性質(zhì)等。1.2 模型的建立超聲波檢測中所處理的是振蕩波，具有窄帶隨機(jī)信號(hào)的特性。傳統(tǒng)的超聲波檢測設(shè)備采取硬件檢波的方法提取回波包絡(luò)，檢測精度和主峰位置的精確定位都無法保證。由于目標(biāo)回波位置直接決定了測量精度，尤其對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，如何精確測定出回波位置是技術(shù)的關(guān)鍵所在。本文介紹的信號(hào)采集系統(tǒng)包括傳感器信號(hào)采集設(shè)計(jì)及傳感器與MOTE之間信息傳遞的硬件設(shè)計(jì)與構(gòu)造。超聲波傳感器的特點(diǎn)是其方向性好且可以達(dá)到厘米級(jí)定位精度，在一些要求較

4、高的定位系統(tǒng)如DPEG及Crickets都是采用基于超聲波傳感器的測距方式。超聲波傳感器的工作原理是：信號(hào)時(shí)間在零時(shí)刻發(fā)出一束聲波，假設(shè)傳感器在經(jīng)過時(shí)間t后接收到返回的超聲波，根據(jù)公式s=vt，取值v為34000cms，實(shí)際中的超聲波發(fā)射時(shí)間單位是毫秒(mm)，換算后為10-6s，則根據(jù)此公式可求得距離值s，其中值與傳感器的定時(shí)器有關(guān)，是一個(gè)與硬件設(shè)備關(guān)系密切的采樣值。在系統(tǒng)中，假設(shè)超聲波傳感器的定時(shí)器為16位，則216=65536，6553658=1129，即能夠定位的范圍在11H左右。我們?cè)趯?shí)際中發(fā)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)際的距離還存在一個(gè)線性關(guān)系，利用16位的定時(shí)器能夠探測的距離僅在1.46m

5、之內(nèi)，這對(duì)于目標(biāo)定位系統(tǒng)是災(zāi)難性的限制。對(duì)此采用降低時(shí)間精度來提高超聲波的工作范圍，把時(shí)間精度降低為原來的13，則實(shí)際的探測范圍相應(yīng)提高到原來的3倍，達(dá)到4.8m。經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，證明該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)且有良好準(zhǔn)確的測距效果。2 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由超聲波傳感器、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)絡(luò)、筆記本和線遙控玩具小汽車組成。如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳人計(jì)算機(jī)，服務(wù)程序解析數(shù)據(jù)內(nèi)容并進(jìn)行處理，一部分內(nèi)容于事件歸類后存入數(shù)據(jù)陣，用作分析查詢。另一部分內(nèi)容僅用于不同傳感器之間的數(shù)據(jù)融和，即不同傳感器的自身位置信皂在進(jìn)行通信控制之后，由傳感器節(jié)點(diǎn)將其丟棄，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間和能量有限，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不

6、僅會(huì)浪費(fèi)空間，而且會(huì)耗費(fèi)電池。數(shù)據(jù)庫根據(jù)需要可以選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行位置估算，然后再對(duì)風(fēng)向、障礙物、地面高低起伏等影響因素進(jìn)行參數(shù)修正，確定目標(biāo)在檢測區(qū)域內(nèi)的位置信息。后臺(tái)系統(tǒng)通過無線網(wǎng)關(guān)與無線傳感器實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)。另外這些消息需通知負(fù)責(zé)用戶界面部分的程序模塊，以可視化的力式顯示定位到的內(nèi)容。超聲波定位系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)上與無線電定位有所不同。不同發(fā)射點(diǎn)的無線電信號(hào)可以用不同的頻率來區(qū)分，而超聲波系統(tǒng)難以做到，因此必須有一種能夠把各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的超聲波信號(hào)區(qū)分開來的方法。我們采用帶地址編碼的無線電觸發(fā)電路分別觸發(fā)各個(gè)發(fā)射點(diǎn)。以發(fā)射點(diǎn)固定、主體接收的超聲波定位系統(tǒng)為例。主體部分由微處理機(jī)電路、超聲波接收電路和無線電編

7、碼觸發(fā)電路組成；發(fā)射點(diǎn)部分由超聲波發(fā)射電路和無線電編碼接收電路組成。系統(tǒng)的工作過程首先由微處理機(jī)選定要觸發(fā)的發(fā)射點(diǎn)地址，啟動(dòng)發(fā)射電路并開始計(jì)時(shí)，在給定時(shí)間內(nèi)如果接收到信號(hào)則由延遲時(shí)間計(jì)算出主體到發(fā)射點(diǎn)的距離。與超聲波相比，無線電波的傳輸時(shí)間可忽略不計(jì)；如果在給定時(shí)間內(nèi)沒有接收到信號(hào)，則認(rèn)為主體到發(fā)射點(diǎn)的距離已超過可接收距離。當(dāng)接收到足夠的發(fā)射點(diǎn)信號(hào)后，可由主體到各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的距離計(jì)算出主體的位置坐標(biāo)。由于超聲波在空氣中的傳播速度隨著環(huán)境條件的不同而變化，為了提高測量精度，還需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行校正。3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)將設(shè)計(jì)的目標(biāo)定位系統(tǒng)布置在實(shí)際的物理硬件上并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。應(yīng)用系統(tǒng)的軟

8、件流程見圖2所示。在初始階段，所有節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，通過節(jié)點(diǎn)分組組件選擇值班節(jié)點(diǎn)監(jiān)控覆蓋區(qū)域；當(dāng)值班節(jié)點(diǎn)定位到事件后，喚醒相鄰節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)將收集的數(shù)據(jù)匯聚至頭節(jié)點(diǎn)，頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步處理以減少錯(cuò)誤數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)傳送所引起的路由擁塞；網(wǎng)關(guān)將從底層接收到的數(shù)據(jù)傳送到具有較強(qiáng)處理能力的基站從而估算出發(fā)生事件的大致位置。4 通訊控制結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通訊過程中，節(jié)點(diǎn)在無工作任務(wù)時(shí)的空閑偵聽耗費(fèi)了相當(dāng)寶貴的能量資源；同時(shí)無線信號(hào)在轉(zhuǎn)發(fā)過程中存在丟包、串音、局部消息匯集而引起的擁塞等，在網(wǎng)絡(luò)通訊控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮這些問題。為提高系統(tǒng)的擴(kuò)充性和適應(yīng)性，采用構(gòu)建包括節(jié)點(diǎn)分組、能量管理、路由選擇、時(shí)間同步以及定

9、位估計(jì)等多個(gè)系統(tǒng)組件，方便對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步修改和提高。與目前Internet網(wǎng)絡(luò)的層結(jié)構(gòu)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實(shí)際中一般分為物理層、無線鏈路層、路由層和應(yīng)用層，層與層之間通過接口傳遞消息。目前傳輸層并沒有被傳感器網(wǎng)絡(luò)所采用，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的消息確認(rèn)會(huì)造成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量巨大損耗，而傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量巨大，對(duì)少量丟失的數(shù)據(jù)并不敏感，所以傳輸層在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要性并不大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量有限、數(shù)據(jù)傳輸率低、可靠性和安全性較差。而且在系統(tǒng)運(yùn)行期間節(jié)點(diǎn)可能隨時(shí)會(huì)遷入、移出或因?yàn)槟芰亢谋M而失效、位置移動(dòng)等，由此引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通訊鏈路控制結(jié)構(gòu)變化。為了盡量延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期

10、，網(wǎng)絡(luò)通訊控制結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量滿足以下條件：當(dāng)系統(tǒng)處于空閑監(jiān)聽狀態(tài)時(shí)，留下少數(shù)節(jié)點(diǎn)維持基本鏈路而使其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠；因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的可靠性相對(duì)較差，需要保證骨干鏈路的冗余度；大量節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說是一項(xiàng)繁重的任務(wù)，有效運(yùn)用數(shù)據(jù)融合、分布式處理等技術(shù)可減少冗余數(shù)據(jù)并降低無線通訊的次數(shù)；提高擴(kuò)展性和魯棒性，適應(yīng)節(jié)點(diǎn)遷入、移出或失效等各種變化。在應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗與其在通訊過程中采用的方式有密切關(guān)系。在實(shí)際環(huán)境中，通過對(duì)設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的連續(xù)定位，發(fā)現(xiàn)其事件準(zhǔn)確預(yù)測率在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的發(fā)現(xiàn)率很高，事件誤報(bào)率很低，這意味著在實(shí)際中雖然節(jié)點(diǎn)的正確數(shù)據(jù)被發(fā)送，但同時(shí)可能在下一個(gè)時(shí)刻發(fā)送的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，這也從側(cè)面說明了采取一定措施限制誤報(bào)率的必要性。對(duì)于目標(biāo)定位系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)性是其關(guān)注的另外個(gè)要點(diǎn)，如果系統(tǒng)不能及時(shí)將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的處理結(jié)果反饋，再完美的計(jì)算結(jié)果也無意義。從理論上說，系統(tǒng)的延時(shí)是決定性的因素。5 結(jié)束語超聲波定位系統(tǒng)可用于一定范圍的無接觸定位，定位精度可達(dá)1cm。由于超聲波的傳播受環(huán)境影響較大，故不推薦在室外使用。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)環(huán)境和具體要求其應(yīng)用電路可作適當(dāng)改進(jìn)。例如