基于FPGA的超声波阵列测量定位系统设计
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S = ( 33.145 + 0.607T ) t
（1）
式中，T 为环境温度。本文采用 TDoA 的方式测量距离，
即信号源通过蓝牙向超声波阵列发送开始测量信息，由
于电磁波的传播速度为 3 × 108 m/s，而超声波的传播速
本文基于 FPGA 硬件平台设计一套超声波阵列测 量 系 统 ，能 够 通 过 蓝 牙 先 接 收 信 源 发 来 的 同 步 信 号 ，并 采用 TDoA（Time Difference of Arrival ）的方式分别测量
收稿日期：2017⁃08⁃28
修回日期：2017⁃10⁃27
基金项目：辽宁省教育厅项目（2017FWDF06）
1 超声波定位原理
超声波一般是指频率大于 20 kHz 的机械振动波。
超声波测距可采用传播时间检测法进行，即测量超声波
从发射换能器发出经空气传播到接收换能器的传播时
间 t，将 t 与其在空气中的传播速度 v 相乘，就得到超声
波此时的传播距离 S。由于超声波在空气中的传播速
度与温度相关[8⁃10]，则传播距离为：
陈志彬，宋金堂，张 娜，乔怡豪
（辽宁科技大学，辽宁 鞍山 114051）
摘 要：为了实现对移动物体进行定位，提高超声波定位的精度，基于可编程逻辑门列阵（FPGA），设计一个 SoC 硬件
测量平台，对超声波信源到超声波接收阵列的角度和距离测量实现高精度定位。为提高系统的测量精度，补偿温度对测量
结果产生的影响，增加了温度传感器测量环境温度。在程序设计上将 TDoA 与 AoA 融合，并结合 MUSIC 算法，以提高测量的
精度。实际实验测量表明，该测量系统运行稳定可靠，测量速度快、精度高，有一定的实用性和推广价值。
关键词：超声波阵列；FPGA；TDoA；AoA；MUSIC；测量系统
中图分类号：TN725.6⁃34；TB559
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2onic array measurement and positioning system based on FPGA
Project Supported by Department of Education of Liaoning
Province（2017FWDF06）
出信源到每个阵元的距离，然后结合阵列的温度补偿出 真正的距离，计算 AoA（Arrival of Angle），最后结合 MU⁃ SIC（Multiple Signal Classification）算法进一步提高波达 角的精度[4⁃7] 。
CHEN Zhibin，SONG Jintang，ZHANG Na，QIAO Yihao
（University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）
Abstract：In order to realize the positioning of the moving object and improve the accuracy of ultrasonic positioning，a sys⁃ tem on chip（SoC）hardware measurement platform is designed based on FPGA，on which high⁃precision positioning for the mea⁃ surement of angle and distance from ultrasonic source to ultrasonic receiving array can be realized. To improve the measurement accuracy of the system and compensate the impact of temperature on measurement results，a temperature sensor is added to mea⁃ sure environment temperature. In the program design，time difference of arrival（TDoA） and arrival of angle（AoA） are fused， and combining with the multiple signal classification（MUSIC）algorithm，the measurement accuracy is improved. The actual ex⁃ perimental measurement results show that the measurement system operates stably and reliably，and has high measurement speed and accuracy，which has a certain practicality and promotion value.
Keywords：ultrasonic array；FPGA；TDoA；AoA；MUSIC；measurement system
0引言
距离和角度是确定两个物体相对位置的量，传统的 定位方法包括卫星定位、基站定位、RSSI、WiFi 定位、UWB 定位等。这些民用定位信号可以达到几米到几十米的精 度。但是这些测量方式无法完成最后一段高精度测量。 卫 星 定 位 受 云 层 和 建 筑 遮 挡 ，基 站 定 位 多 径 干 扰 严 重 ， 无法完成最后一段高精度定位。传统超速波定位只测 量距离。没有测量角度，导致测量精度低 。 [1⁃3]
2018 年 6 月 15 日 第 41 卷第 12 期
现代电子技术 Modern Electronics Technique
28 DOI：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2018.12.007
Jun. 2018 Vol. 41 No. 12
基于 FPGA 的超声波阵列测量定位系统设计
