基于cdma室内超声波三维定位系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于cdma室内超声波三维定位系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

应答式定位方法在水声定位系统中广泛采用，例如：如海洋油气开发、深海矿藏资源调查、海底光缆管线调查与维护等，需要声学定位系统 (Acoustic Positioning system)对水下拖体进行导航定位，如水下遥控机器人 ROV (Remotely Operated vehicle)、水下无人机器人UUV(Unmanned Underwater Vehicles)等。 类 GPS 超声波定位系统 [25]：在类 GPS 超声波定位系统中，用超声波取代电磁波，用在固定位置处配置的超声波发射传感器 (基站 )取代 GPS 中的空间卫星星座。 定位物体只接收信号，不发送信号，信号只由基站进行广播，定位物体根据接收信号估计与各个基站之间的距离。 本系统设计采用类 GPS 超声波定位方式，信号只由基站发射，定位物体接收并处理信号从而得到当前的状态参数，通过计算得到定位物体坐标。 超声波测距及定位算法 TOA（到达时间） 测距 TOA(Time of Arrival)测距是 根据已知的信号传播速度和测量的信号传播时间，实现定位。 TOA 定位，就是测量出两个或多个参考点与目标点之间的信号传播时间，从而分别得出目标点与各参考点之间的估计距离，以各参考点位置为圆心，相应的与目标点间的距离为半径画圆，可以得到两个或多个圆，这些圆的交点从理论上讲就应该是目标点在二维平面上的位置。 几何原理如图 21 所示，图中 B1， B2， B3 分别代表参考节点 1， 2， 3。 r1， r2， r3 分别表示参考点到目标点间的估计距离，交点 X 就代表目标节点的估计位置。 长春理工大学本科毕业设计 6 A B D C 接收端 T0 T1 VTTd  )(01 r 1r 2r 3发 射 端 图 22 TOA 原理图 AOA（到达角度） 测距 AOA[26] (Angles of Arrival)测距是通过参考点接收器天线阵列测出目标点发射的 AOA，形成一根从参考点到目标点的径向连线，即方向线。 由 2 个参考点得到的 2 根方向线的交点就是目标点的位置，如图 23 所示。 因此， AOA 算法只需要个参考点就可以确定位置，而 2 条直线只有一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象。 图 23 AOA 原理图 TDOA(到达时间差 )测距 基于 TDOA 测距原理是发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接 A C B 1 2 长春理工大学本科毕业设计 7 收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。 具体算法如图 24所示。 设无线信号的传播速度为 c1，超声波传播速度为 c2，则它们的速度差为 S，可由（ 1）式计算得到。 则接收端到发射端的距离 d 可由（ 2）式得到。 超 声 波 脉 冲 信 号距 离 dT 1 T 2T 2 T 1 ＝ 传 输 时 间无 线 信 号 图 24 TDOA 的原理图 1212ccs cc  （ 1） 12()d T T S   （ 2） 基于测距的定位算法有很多种，如 RSSI（接收信号强度）、 TOA（到达时间）、AOA（到达角度）、 TDOA(到达时间差 )等，从多方面考虑， TDOA 定位技术更适合本系统。 TDOA 定位原理发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到 达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。 由于本系统中无线信号采用射频信号，其传播速度（大约为 3*108m/s）接近光速，远大于超声波的传播速度（常温下，大约为 340m/s）。 工作过程中，已知参考节点同时发射超声波和射频信号，经过一段时间，待定位节点首先接收到射频信号并开始计时，再经过一段时 间，再接收到超声波信号时计时结束。 超声波传播的时间则是两个时间的 和。 射频信号的传输时间可以忽略不计，而只取后一段时间，因此测量距离就等于测出超声波传播速度 和两种信号到达接收端的间间隔的乘积，即到达时间差法（ TDOA－ Time Difference of Arrival）。 最后接收端到发射端之间的距离 d 就简化成（ 3）式 22d T c （ 3） 三边定位算法 在测得距离的前提下，设计了以下定位方法。 首先在室内空间建立坐标系，长春理工大学本科毕业设计 8 选定三个参考点 3，设待定位的目标点为 M，它们的空间坐标如图 24 所示，其中参考点坐标己知，目标点 坐标未知。 三个参考点选在同一参考平面上，可选室内地板作为此参考平面。 其中点 1 定为整个室内空间坐标系的原点，分别与点 点 3 构成 X 轴、 Y 轴。 确定需要定位的目标点后，使用系统硬件手段和软件程序测出目标点和三个参考点的距离 l、 m、 n，算出目标点的坐标值。 式中变量如图 25 所示。 点 2 （ x , 0 , 0 ）点 1 （ 0 , 0 , 0 ）M （ x , y , z ）点 3 （ 0 , y , 0 ） 图 25 定位原理图 空间中任意一点 M(X， Y， Z)到三个确定点 1（ 0， 0， 0）、 2（ x， 0， 0）、 3 (0，y， 0)的距离分别 l、 m、 n，侧有： 2 2 2 22 2 2 22 2 2 2()()X Y Z lX x Y Z mX Y y Z n            (4) 由（ 4）式推导后可以得到点的坐标为 22222222222YXlZynlyYxmlxX (5) 因此，可知测出 l、 m、 n 即可得到点 M(X， Y， Z)。 通过三边定位可以得到空间任一点的坐标，从而完成三维定位。 长春理工大学本科毕业设计 9 超声波定位系统组成及工作原理 本系统由中心站、信标和目标节点组成。 整个系统的工作过程是： ① 中心站通过射频模块周期性的发送同步控制指令（包含各个信标的位置信息）； ② 各 个信标收到该指令后，立刻向目标节点发送扩频超声波信号； ③ 目标节点收到该同步指令后，立刻启动定时器，同时采集超声波信号，并把指令中的有用信息（各个信标的位置信息）存储起来，方便后续定位使用； ④ 超声波信号到达目标节点时，取出定时器的计数值，得到时间 T，由 d=C*T（ C 为常温下超声波的传播速度）得到信标到目标节点的距离，当收到多于三个信标的信号时，便可做定位算法运算。 对采集到的超声波信号进行相关处理，确定是几号基站发过来的超声波信号，从而确定目标节点的三维坐标。 本系统的示意图如图 26 所示。 本系统工作流程图如图 27 所示。 图 26 本系统的示意图 长春理工大学本科毕业设计 10 图 27 本系统工作流程图 本系统为实现空间三维定位采用了多个信标，如果用传 统的单脉冲超声测距方法定位物体就无法区分各个基站发送过来的信号。 如果采用码分多址技术 ， 给每个基站分配一个单独的伪随机码，将伪随机码与超声载波进行二进制幅移键控长春理工大学本科毕业设计 11 调制 (伪随机二进制序列为高电 1 时，发送超声脉冲；为低电平 0 时，不发送超声脉冲 )，用已调信号驱动超声发送器，由于具有不同结构的伪随机码几乎不相关，据此定位物体可以区分各个基站发送过来的信号，进而估计出与定位基站的距离。 然后通过解算非线性定位方程组得到定位物体的当前位置。 本文将在下一章介绍CDMA 技术。 长春理工大学本科毕业设计 12 第 3 章 软件仿真 CDMA(码分多址 )技术 CDMA 是以码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。 码分多址是以扩频技术为基础的，所谓扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术，将扩频技术应用于通信系统中，可以加强系统的抗干扰、抗多径、隐蔽、保密和多址能力。 适用于码分多址蜂窝通信系统的扩频技术是直接序列扩频（ DS）简称直扩。 它的产生包括调制和扩频两个步骤。 比如，先用要传送的信息对载波进行调制，再用伪随机序列（ PN 序列）扩展信号的频谱；也可以先用伪随机序列与信息相乘（把信息的频谱扩展），再对载波进行调制，二者是等效的。 在 CDMA 系统中，不同用 户传输的信息是靠各自不同的编码序列来区分的。 虽然信号在时间域和频率域是重叠的，但用户信号可以依靠各自不同的编码序列来区分的。 本系统中的 CDMA 技术是通过 m 序列（伪随机码）和超声波载波以 BASK调制形成扩频信号。 在本系统中基站发射的信号是伪随机码和超声载波以 BASK调制后的扩频脉冲信号。 伪随机序列的产生 本系统采用 CDMA 技术，给每个基站分配一个单独的伪随机码，将伪随机码与超声载波进行二进制幅移键控调制 (伪随机二进制序列为高电 1 时，发送超声脉冲；为低电平 0 时，不发送超声脉冲 )，从而区分不同基站发来的 超声波信号。 伪随机序列又称伪随机码，它是具有类似于随机序列基本特性的确定序列。 M 序列是最常用的一种伪随机序列，它是由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列。 在本文中基站所使用的测距码是伪随机码，的区别在于：随机码是不可预测的，它在将来时刻的取值只能从统计意义上去描述；伪随机序列实质上不是随机的，而是收发双方都知道的确定性信号。 之所以称其为伪随机 (伪噪声 )序列 ， 是因为它表现出白噪声采样序列的统计特性 ， 在 不知其生成方法的侦听者来说像 真的伪随机序列。 m序列可以由线性移位寄存器 (LSR)产生，图 31 是一个 4 级 反馈移位寄存器的示意图，其中包括 4 级移位寄存器，模 2 相加反馈电路及脉冲发生器。 长春理工大学本科毕业设计 13 1 32 4C 4钟 脉 冲C 0P R NC 1 图 31 4 级反馈移位寄存器示意图 本系统采用 CDMA 技术，给每个基站分配一个单独的伪随机码，将伪随机码与超声载波进行二进制幅移键控调制 (伪随机二进制序列为高电 1 时，发送超声脉冲；为低电平 0 时，不发送超声脉冲 )，从而区分不同基站发来的超声波信号。 CDMA 编码采用 Mtalab 进行仿真。 5 级线性反馈移位寄存器产生 m 序列的仿真系统（初始状态 00001)。 5 级 m 序列的特征多项 式 为 F(x)=1+x3+x5，其仿真电路如图 32 所示， m序列波形图 如图 33 所示。 图 31 级线性反馈移位寄存器产生 m 序列的仿真系统 图 33 F(x)=1+ x3+x5 在 matlab 软件的 simuli。