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基于超声波定位系统的设计
作者：孙建新 段海龙 李培玄 范磊 来源：《中国科技博览》2015年第25期
[摘 要]介绍一种以Atmegal128单片机为微处理器的超声波定位系统，多个定位节点组成定位网络，主节点处于定位网络中就可以得到在定位系统中的坐标位置。采用无线电波和超声波发射接收技术，超声波定位技术的研究，对于小空间、小范围的定位技术有很广阔的前景，可以大幅节省成本，非常适用于智能家居等类似行业。 [关键词]超声波 定位系统 无线电波 智能家居
中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）25-0012-02 引言
现在无线电定位技术已经得到了很广泛的应用，但是无线电定位技术对于某些小距离、小范围的定位显得有些大材小用，换句话说就是有些浪费成本。超声波传输距离远，传输速度相对于无线电小的多，对于处理器的速度要求及处理精度并不是很高，需要运算的数据量远小于无线电波，运算的速度要求也小于处理器去处理光电信号的速度要求，所以在小空间、小范围的定位中，超声波定位具有很大的优势，可以大幅节省硬件成本，减少CPU的运算工作量，对于智能家居等类似的行业具有很好的开发前景。 1.定位原理
无线电定位是通过各个定位点的无线电波频率来识别各个定位点的，从而获取定位点的坐标信息，参考无线电的定位原理，超声波的定位原理与无线电定位类似，主节点发出位置获取信号，定位节点一旦收到就将自己的信息信号发出。如图1，节点P（x，y，z） 表示需要定位的人或物，节点A、B、C构成定位系统的参考网络，由A、B、C发出的超声波到达节点B的时间可以得到PA、PB、PC三条线段的距离即主节点到三个定位结点间的距离。 由图中几何关系可以得到 ，（T为环境摄氏温度）
然而在实际的系统中，由于超声波在空气中的传播速度会衰减，传输距离有限，而且容易受到障碍物的影响，三个定位节点可能远远不够的，可能会出现盲区，即定位节点发出的超声波可能达不到或者可以达到的节点不够3个，这时算出的坐标位置可能就会出错，为了避免类似情况的发生，为保证定位精度更加准确，活动范围更广，可以使用较多的定位点，呈矩阵状合理分布，同时每个定位点有自己的位置坐标，主节点只要测得三个不同节点的距离，就可以
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计算出主节点在系统中的坐标。为了减小误差，定位的高度及定位点间的距离应该经过反复测试，以得到最佳的高度及间距。 2 系统组成方案及硬件实现
系统组成如图2所示，整个系统主要由主节点、PC上位机及若干个定位节点组成。其中，主节点及定位节点主要由微处理机系统、无线电收发电路、超声波接收电路或超声波发射电路组成。
2.1 微处理机系统
微处理机选用Atmegal16单片机，它有16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32个通用I/O 口线，是高性能低功耗的8位单片机。 2.2 超声波发射电路
超声波发射电路是定位节点的主要功能模块，主要用来向主节点发送超声波，主节点依据超声波传来的时间来计算出主节点与点位节点间的距离。 2.3 超声波接收电路
超声波接收电路是主节点的主要功能模块，主要用来接收定位节点发来的超声波。 2.4 无线电发射接收电路
无线电发射模块采用的芯片是NRF24L01，主节点上的无线发射模块主要由两个功能：第一个功能是依次向各个节点发射带地址编码无线信号，一旦有定位节点接收到主节点发射来的对应自己编码的无线电信号，该定位节点会将自己的地址编码立即反馈给主节点，同时定位节点向主节点发射超声波信号，主节点一旦收到定位节点发来的反馈信号就立即开启定时器定时，在设定时间范围内如果收到该节点发来的超声波信号，通过声速与时间的乘积就可以得到主节点与此结点间的距离，一旦主节点得到三个不同定位节点间的距离，然后依据定位节点的地址编码来获取这三个定位节点的位置坐标，依据前面推导的类似的公式就可以得到主节点的坐标位置；第二个功能是向连有PC机的节点发送坐标位置数据以供PC机实时显示坐标位置。定位节点的无线发射模块主要用来接收主节点的无线信号，一旦接收到主节点的无线信号就将自己的编码迅速的反馈给主节点，以通知主节点进行计时。 3 系统控制软件组成 3.1 主节点软件设计
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主节点程序设计流程如图3，初始化的过程主要包括数据初始化，寄存器配置初始化，及系统硬件的自检过程。主结点的软件设计主要功能有：1.能够识别定位节点的坐标位置；2.实现捕获超声波传输时间的精准计时；3.通过相对距离及坐标位置的几何关系计算出主节点的坐标位置；4.对位置坐标结果进行数字化滤波处理，减小误差。 3.2 定位节点软件设计
定位节点程序设计流程如图4，定位节点功能相对简单，主要是提供节点坐标位置，提醒主节点进行开始计时等。 3.3 数字滤波处理技术
由于超声波本身的传输衰减性，外界物体的干扰，以及硬件本身设计上的种种不足，所得到的坐标位置结果会不可避免的存在误差，不仅能够很好的处理数据结果，大幅度减小误差，还可以减小硬件上的投入，节省成本。数字滤波处理技术，有很多种，而且各有特点。单一的方法很难实现精准的滤波，多种滤波方式结合起来使用会有很好的滤波效果。这里选用的滤波方式主要有：限幅滤波法，中位置滤波法、算术滤波法平均滤波法。如图4，当主节点以一个三角形移动时经过滤波处理后PC机显示的主节点位置坐标信息，误差基本上能够满足要求。 4 结束语
经过硬件参数的反复调整实验，以及各种滤波处理，可以将主节点的定位误差控制在5～10cm以内，单点对单点的定位误差控制在1cm，控件可以在5立方米以内。系统的不足还有很多，定位系统坐标还需合理优化，位置精度还不够精确，硬件设计还需反复测试优化。 参考文献
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