基于超声波差分算法的空间定位系统的研究

基于超声波技术的室内定位系统研究随着智能家居、智能工厂等技术的发展，室内定位技术也成为了一个基础性技术。

以前在室内定位技术方面，常用的是基于Wi-Fi、蓝牙、红外等技术，但是由于其存在精度、覆盖范围、干扰等方面的局限性，而现在更多的是基于超声波技术的室内定位系统。

超声波室内定位系统的原理是，利用超声波模块向四周发出超声波信号，接收模块接收信号后带有时序信息，通过算法计算可以确定接收模块在空间中的位置，进而确定被定位目标。

相较于其他常用的技术，超声波室内定位系统具有精度高、覆盖范围广、干扰小等优点。

实现超声波室内定位系统主要依靠硬件和算法两方面。

硬件方面，主要涉及超声波传感模块、控制器、定位标签等部分，其中传感模块是核心部件。

在高精度定位要求的应用场景下，需要在定位区域安装足够数量的超声波模块保证定位标签与多个收发模块之间发生超声波交互。

算法方面，超声波室内定位系统需要用到距离测量算法、三角定位算法、蒙特卡洛算法等。

这些算法的目的是通过处理传感器获取的数据，最终确定被定位物体的位置。

其中实现精度较高的超声波室内定位系统，需要通过深度学习等技术优化算法。

超声波室内定位系统应用于通行管理、物资调配、室内导航等领域，它可以精确地为物品或个体标签建立位置信息，实现快速智能化管理和监控。

例如，在仓储场所中，超声波室内定位系统可以提高物品及库存的精准度，节省按人工统计库存所需的时间和精力。

此外，超声波室内定位系统还可以为用户提供室内导航，实现了人机交互的全新体验感。

当然，超声波室内定位系统在应用过程中也存在着不少问题需要解决。

例如，超声波模块工作过程中易受设备、人员、环境等外部干扰，进而造成误差。

还有定位标签电量耗费、外观设计等问题都需要针对性地解决。

随着技术发展，这些问题的解决方案也会逐步出现。

总的来说，基于超声波技术的室内定位系统，是一个依赖硬件设备和算法的全新技术应用。

其优点在于精度高、覆盖范围广，可以为用户提供更全面、智能化的定位服务。

基于超声波的跟踪定位系统研究在现代社会中，人们需要对移动物体进行实时追踪和定位，以便于进行相关监测和控制操作。

为了实现这个目标，基于超声波的跟踪定位系统成为了一个被广泛研究的领域。

这篇文章主要探讨了基于超声波的跟踪定位系统的研究，包括定位原理、系统设计、算法实现和应用领域等方面。

一、定位原理基于超声波的跟踪定位系统是一种利用声波在空气中的变化进行测距、定位和追踪的技术。

声波是一种机械波，它能够在空气中传播，并在遇到不同密度的物体时发生反射、折射和散射等现象。

这为声波跟踪定位提供了基础条件。

在这种系统中，如何采集声波信号并从中获取有用的信息是至关重要的。

定位原理的核心是测量声波传播的时间差。

在系统中，一组发射器和接收器被放置在目标区域内。

这些发射器将超声波信号发送到目标物体，接收器接收到物体反射回来的声波。

通过测量发射和接收的时间差，可以确定目标物体与接收器之间的距离。

当有多组发射器和接收器组成网络时，可以利用三角定位法计算目标物体的位置。

二、系统设计基于超声波的跟踪定位系统由以下几个部分组成：1. 发射器：负责发射超声波，通常使用压电材料来产生机械振动引起声波发射。

2. 接收器：负责接收目标物体反射回来的声波，并将其转化为电信号。

通常采用压电材料来产生电信号。

3. 时间测量器：负责测量发射器和接收器之间的时间差来确定目标物体与接收器之间的距离。

4. 数据处理器：负责实现测距数据的处理，包括三角定位法的计算。

5. 软件界面：提供用户接口和数据输出，通常使用图形化界面。

三、算法实现基于超声波的跟踪定位系统通常采用三角定位法来计算目标物体的位置。

三角定位法是利用目标物体与多个发射器/接收器之间的距离来计算目标物体在平面或空间中的位置的一种方法。

当目标物体与三个以上的发射器/接收器配对时，可以通过计算交点来确定目标物体的位置。

交点是所有发射器/接收器之间连线的交点，它是目标物体在平面/空间中的位置。

四、应用领域基于超声波的跟踪定位系统具有广泛的应用场景，包括物流、工业生产、医疗、安全等领域。

98传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)2019年第38卷第10期DOI #10.13873/J. 1000-9787(2019)10-0098-04基于超声波测距的高精度室内定位系统**收稿日期#2018-08-30*基金项目：国家级大学生创新项目(201710359008)；合肥工业大学企业委托项目(W2016JSKF0467，W2016JSKF0468)谢 地，鲁照权，丁浩峰，尤海龙，陈 龙，苏明明(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)摘要：基于超声波测距原理，提出了一种高精度室内定位方法，给出了实验系统结构，设计了系统硬件与软件，完成了系统定位实验，分析了产生误差的原因与解决方法。

在2 m -2 m 定位区域内，布置4个坐标已知的带有射频通信和超声波测距功能的测距节点构成定位基点。

根据定位区域内移动节点与定位基点的超声波测距结果，得到移动节点与各定位基点的距离，再将这些距离通过射频通信上传到上位机进行 处理、计算，得到移动节点的坐标。

实验结果表明:测量定位误差不超过3 cm ，动态响应良好。

关键词：射频通信；室内定位；超声波测距中图分类号：TP 393；TP 212 文献标识码：A 文章编号#1000-9787(2019)10-0098-04High precision indoor positioning system based onultrasonic ranging *XIN Di ，LU Zhaoquan ，DING Haofeny ，YOU Hailony ，CHEN Long ，SU Minyminy(School of Electrical Engineering and Automation ，Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China )Abstract : Based on the pOncipf of ultrasonic ranging ，a high-precision indoor positioning method is proposed.The structure of the experimental system N given. The system hardware and software are designed. The systempositioning experiment is compftd. The causes and solutions of the erer are analyzed. In the 2 m X 2 m positioning area ，four coordinates known ranging nodes with radio frequence communication and ultrasonic rangingnodes are arranged to form a positioning base point. According to the ufrasonic ranging result of the mobile node and eheposceconcngbasepocnecn eheposceconcngaeea ， ehedcseancebeeween ehemobceenodeand each posceconcngbase point is obtained ，and these distances are then uploaded to the upper computer through radio frequencecommunication to be processed and calculated ，the coordinates of the mobile node are obtained. Experimentalesuits show that the measurement error does not exceed 3 cm and the dynamic response is quite good.KeyworUs : radio frequence communication ； indoor posiUoning ； ultrasonic ranging0引言随着经济的高速发展以及人力资源成本的大幅度提高和智能制造技术的快速上升，基于位置的服务和位置感知的计算在实际应用中越来越重要［1］o 室内导航在地下停车场、商场、医院等场所的应用十分必要,而现有的全球定位系 统(globct positioning sy s te 叫GPS )导航在室内又无法应用。

基于超声波测距技术的室内定位研究随着科技的迅猛发展，室内定位技术已经变得异常重要。

它是指在封闭的空间中确定和跟踪移动对象的位置，例如在办公室、商场、医院、机场等难以定位的地方。

在众多的技术中，基于超声波测距技术的室内定位已经成为最被广泛使用的技术之一。

本文将重点探讨基于超声波测距技术的室内定位研究。

1. 超声波测距技术简介超声波是指频率超过20kHz的机械波，它们可以在空气、水和固体材料等介质中传播，而且在射程比较短的情况下仍能保持高精度。

这种特性使得超声波成为物体测距的一个非常有效的技术。

超声波测距技术工作原理是发出超声波，并接收反射波。

由于声波在介质中传播速度已知，当测量接收到的声波时刻，可以计算出物体到传感器之间的距离。

在室内定位系统中，可以通过在空间中放置多个超声波传感器，来进行位置跟踪计算。

2. 基于超声波测距技术的室内定位研究现状在室内定位研究中，超声波测距技术被广泛应用于实现高精度的距离、角度和姿态测量，反映了其具有成本低、精度高、抗干扰能力强等优点。

目前，基于超声波测距技术的室内定位研究方向大致分为三个方向。

第一个方向是依靠信号的时间差距来计算距离，这种方法被广泛应用于测量多个传感器之间的距离。

第二个方向是利用信号的角度差异来计算方向，这种方法可以用于跟踪单个物体的运动轨迹。

第三个方向是基于声学波束成形技术，可以实现对声源的快速、准确的定位。

3. 基于超声波测距技术的室内定位研究应用超声波定位技术用于室内定位系统可以应用于多种场景中，例如：无人车、人员定位、基层体征状态监测等领域。

在无人车方面，超声波定位技术可用于车辆避障，从而避免人员和其他障碍物。

人员定位方面，超声波技术可用于室内紧急求救或监测比如在医院内手术室监测。

基层体征状态监测方面，超声波技术通常用于监测舒张压、收缩压、脉率、呼吸等身体指标的变化。

4. 基于超声波测距技术的室内定位研究的未来基于超声波测距技术的室内定位具有高精度、成本低廉等优点，但是它仍存在一些限制。

基于超声波的定位系统研究与实现
寇海洲
【期刊名称】《数据通信》
【年(卷),期】2008(0)3
【摘要】无线传感器网络具有十分广阔的应用前景,可应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境定位、抢险救灾、危险区域远程控制等诸多领域.文章介绍了超声波传感器定位的原理,提出了基于传感器的目标定位方法,在此基础上建立基于超声波的目标定位系统;分析了超声波传感器定位中存在的问题:减少网络能耗、提高目标定位精度是系统设计的主要目的.
【总页数】4页(P49-52)
【作者】寇海洲
【作者单位】南京航空航天大学信息学院,南京220016;淮阴工学院计算机工程系,淮安223001
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
【相关文献】
1.超声波定位系统在数字实景游戏中的研究与实现 [J], 苏广睿;周龙;赵景峰
2.超声波定位系统在数字实景游戏中的研究与实现 [J], 苏广睿;周龙;赵景峰
3.基于LED可见光的室内定位系统研究与实现 [J], 陈诗航;陆翔;林德亿;丁肖倩;韦曾冠;金渊高;万玲玉;
4.基于优化神经网络算法的大数据专家系统的继电保护二次回路故障定位系统
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5.基于非合作定位系统的扰码产生算法研究与实现 [J], 周建红;王冬海;张海
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基于超声波的定位系统设计超声波定位系统是一种常用的室内定位系统，其原理是利用超声波传感器发送和接收超声波信号，通过测量超声波传播时间和强度来确定目标的位置。

在本文中，我将设计一个基于超声波的定位系统，包括硬件和软件方面的内容。

硬件设计部分包括传感器选择和电路设计。

我们可以选择超声波传感器模块，这种模块通常包括超声波发射器和接收器。

我们需要选择一个频率合适的超声波发射器，通常在40kHz附近。

接收器可以选择带有放大器和滤波器的模块，以增强接收到的信号，并去除噪音。

接收到的信号可以通过微控制器进行处理和分析。

在电路设计方面，我们需要考虑超声波传感器模块的电源供应和信号处理。

我们可以使用电池或者直流电源作为电源供应，但要确保电源电压稳定。

对于信号处理，我们可以使用放大器来增强接收到的信号，然后通过滤波器去除噪音。

接收到的信号可以通过模数转换器转换成数字信号，以便进行后续的处理和分析。

软件设计部分包括信号处理和定位算法。

在信号处理方面，我们需要对接收到的信号进行滤波和去噪处理。

可以使用数字滤波器来去除噪音，并使用算法来分析信号的幅值和延迟。

接收到的信号可以通过相关分析或者时间差法来确定目标的距离和方向。

在定位算法方面，我们可以使用多普勒效应或者三角定位法。

多普勒效应可以通过测量频率变化来确定目标的速度和方向。

三角定位法可以利用多个超声波传感器的位置信息来确定目标的位置。

使用最小二乘法或者粒子滤波等算法可以提高定位的准确度和稳定性。

此外，我们还可以考虑加入实时定位和地图显示功能。

通过添加无线通信模块，可以将目标位置实时传输到显示设备上，并在地图上显示目标位置。

这样用户可以通过显示设备来方便地追踪目标位置。

总结来说，基于超声波的定位系统设计需要考虑硬件和软件方面的内容。

硬件设计部分包括传感器选择和电路设计。

软件设计部分包括信号处理和定位算法的设计。

通过合理的硬件设计和优化的软件算法，我们可以设计出一套准确、稳定的基于超声波的定位系统。

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线电通信等技术的进步，推动了无线传感器网络的产生和发展。

无线传感器网络具有广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境定位、抢险救灾、危险区域远程控制等诸多领域。

超声波定位的原理与无线电定位系统相仿，只是由于超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小的范围。

超声波在空气中的传播距离一般只有几十米。

短距离的超声波测距系统已经在实际中应用，测距精度为厘米级。

超声波定位系统可用于无人车间等场所中的移动物体定位。

1 超声检测原理1.1 回波信号超声检测信号分析系统的原理是通过超声检测仪和信号采样装置及计算机的相互协调，实现超声检测电信号的模数转换，并完成检测数据的存储，计算机根据己量化的回波信号数据，利用有关理论及技术作相应处理。

超声检测是一种物理手段，利用超声波的性质来判断目标的距离。

是根据超声波在检测区域内运动时遇到界面反射所呈现的特征来判断物体位置状况的无损检测方法。

超声波检测中常用技术是把超声波短脉冲发送至被测物体，当声波自物体的非连续性结构或边界返回时，获取其回波波形。

当波触及物体前壁面时，有几个振荡周期的窄带随机波产生，称为始波，与此同时，还有一部分超声波渗入被测物体，触及物体的后壁面，又可得到振荡的回波，称为底波。

利用始底波之间的时间间隔与己知的声波在物体中的速度，便可算出物体的距离。

同样，当声波触及被测物体内的气孔、杂质等非连续性目标位置时，也会产生回波，据此得出目标位置的信息，如目标位置在检测区域内的大致位置性质等。

1.2 模型的建立超声波检测中所处理的是振荡波，具有窄带随机信号的特性。

传统的超声波检测设备采取硬件检波的方法提取回波包络，检测精度和主峰位置的精确定位都无法保证。

由于目标回波位置直接决定了测量精度，尤其对运动目标，如何精确测定出回波位置是技术的关键所在。

本文介绍的信号采集系统包括传感器信号采集设计及传感器与MOTE之间信息传递的硬件设计与构造。

专利名称：基于超声波的室内定位系统及其定位方法专利类型：发明专利
发明人：李浩,李铭
申请号：CN201710639428.4
申请日：20170731
公开号：CN107271962A
公开日：
20171020
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了基于超声波的室内定位系统及其定位方法，包括位于天花板上的信标节点和位于移动设备上的移动节点，所述信标节点的数量至少为一个，每个信标节点由超声波发射探头S1和超声波发射探头S2组成，每个移动节点包括至少三个超声波接收探头，所述超声波接收探头与接收控制系统连接。

本发明实现了一种结构简单，能准确定位移动物体在室内的位置，能避免电磁干扰的系统及方法的目的。

申请人：成都英萨传感技术研究有限公司
地址：610000 四川省成都市中国(四川)自由贸易试验区成都市天府新区天府大道南段2039号和美.海堂中心(天府创客)16楼1609号
国籍：CN
代理机构：成都行之专利代理事务所(普通合伙)
代理人：王记明
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