基于TDOA的超声波室内定位系统的设计与现帛

TDOA 超声波 定位系统

第２３卷第３期２０１０年３月

传感技术学报

ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤ

ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ

Ｖ０１．２３Ｎｏ．３

Ｍａｒ．２０１０

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ

ａ

ＴＤＯＡ－ＢａｓｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ

ＩｎｄｏｏｒＬｏｃａｌｉｚｉｎｇＳｙｓｔｅｍ＋

ＨＡＮＳｈｕａｎ９１”，ＬＵＯＨａｉｙｏｎ９２，ＣＨＥＮＹｉｎｇｈ，ＤＩＮＧＹｕｚｈｅｎｌ

，１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥ嚼脚ｅ而皤，ＢｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７６．Ｃｈｉｎａ；、

、２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｐｕｔｉｎｇ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ

ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ．ＰｅｒｖａｓｉｖｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

Ｃｅｎｔｅｒ，＆０／ｎｇ１０００８０，Ｃｈｉｎａ，

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ａｎ

ｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｌｉｚｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｈａｔｐｒｏｖｉｄｅｓ

ａｃｃｕｒａｔｅ

ｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｏｄｅｓｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｕｌ－

ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｂｅａｃｏｎｎｏｄｅｓｔｒａｎｓｍｉｔｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）ｓｉｇｎａｌｓ

ｓｅｓ

ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙａｎｄｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ；ｍｏｂｉｌｅｎｏｄｅｓｒｅｃｅｉｖｅｔｈｅｓｅＲＦａｎｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｉｇｎａｌｓ，ｃｏｒｒｅｌａｔｅｔｈｅｍｔｏｅａｃｈ

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ｏｔｈｅｒ，ｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆａｒｒｉｖａｌ，ｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅ

ｅａｃｈｂｅａｃｏｎａｎｄｐｅｒｆｏｒｍｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏ

ｃｏｎ

ｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ

ｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓｌｏｃａｌｉｚｉｎｇａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔｓｕｓｉｎｇｍａｘｉｍｕｍｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ａｃ－ｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｏ

ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｉｓｌｏｃａｌｉｚｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ａ

ｈｉｓｈｄｅｇｒｅｅａｃｃｕｒａｃｙｗｉｔｈｉｎ１０ｃｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓＥＥＡＣＣ：６１５０Ｐ

ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆａｒｒｉｖａｌ；ｍａｘｉｍｕｍｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ

基于ＴＤＯＡ的超声波室内定位系统的设计与实现帛

韩

霜１’２，罗海勇２，陈

颖ｈ，丁玉珍１

（１．北京邮电大学信息与通信丁程学院，北京１００８７６；２．中国科学院计算技术研究所普适计算研究中心，北京１０００８０）

摘要：设计并实现了一种基于射频与超声波信号到达时间差的高精度室内定位系统，用于无线传感器网络中节点的定位

和跟踪。系统中位置固定的信标节点周期性同步发射射频信号与超声波脉冲，待定位的移动节点测量接收到的射频和超声波信号的到达时间差，并将此数据采用分时的方式发送至中心控制主机。中心控制主机应用实验中得出的时间补偿参数，计算移动节点与信标节点之间的距离，最后采用极大似然估计算法实现目标的定位。实验结果表明。该系统的平均定位误差在

１０

Ｃｌｌｌ以内，具有较高的定位精度。

关键词：无线传感器网络；室内定位；到达时间差；极大似然估计中图分类号：ＴＰ３９３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００４—１６９９（２０１０）０３－０３４７一０７

点（ｍｏｂｉｌｅｎｏｄｅ）组成。此外，也可根据应用需要，在网络中设置部分参考或辅助节点。

目前，无线传感器网络定位技术多采用基于测距的节点定位方法，主要包括基于接收信号强度（Ｒｅ－

ｃｅｉｖｅｄ

无线传感器网络的各种应用中，节点的位置信息至关重要。因为不含位置信息的传感器感知数据往往是没有意义的…。然而，为了减小节点部署和校准的成本，无线传感器网络应用多采用随机部署的机制，致使节点无法事先确定自身的位置，要求其部署后进行自定位。此外，在移动目标跟踪的应用中，更是需要及时地获取节点的位置信息。１

ｓｉｇｎａｌ

Ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ

Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ，ＲＳＳＩ）的定位¨ｏ、基于到

达时间（Ｔｉｍｅ度（Ａｎｇｌｅ差（Ｔｉｍｅ

ｏｆ

Ａｒｒｉｖａｌ，ＴＯＡ）的定位ｐｏ、基于到达角

Ａｒｒｉｖａｌ，ＴＤＯＡ）［５－¨的定位等。

Ａｒｒｉｖａｌ，ＡＯＡ）的定位卜’以及基于到达时间

相关研究

无线传感器网络中，节点定位系统主要南位置

Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆ

基于ＲＳＳＩ的定位系统在已知发射端发射信号强度的前提下，接收机根据接收到的信号强度，使用理论或经验无线信号传播模型将信号传输损耗转化

固定的信标节点（ｂｅａｃｏｎｎｏｄｅ）和待定位的移动节

项目来源：国家高技术研究发展计划资助（２００７ＡＡｌ２２３２１，２００９ＡＡ０１１９０２）；国家自然科学基金资助项目（６０８７３２４４，

６０９７３１

１０）；北京自然基金资助（４１０２０５９）

修改日期：２００９—１１—２６

收稿日期：２００９—１０—２２

万方数据

TDOA 超声波 定位系统

３４８

传感技术学报

第２３卷

为距离，实现目标的定位。由于室内环境复杂多变，信号具有较强的时变特性，信号损耗规律性不强，建立经验模型复杂性较高，导致基于ＲＳＳＩ的定位技术精度相对较低。

基于ＡＯＡ的定位方法需要接收节点安装天线阵列或使用多个接收机来确定信号的传输方向；基于ＴＯＡ的定位精度高，但要求节点之间保持精确的时间同步。这两种定位技术对节点的硬件要求较高，功耗也较大。

在基于ＴＤＯＡ的定位系统中，发射节点同时发射两种传播速度不同的无线信号，通常采用射频信号（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＲＦ）和超声波信号（Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ，ｕｓ），接收节点根据此两种信号的到达时间差并已知二者的传播速度，计算出接收节点与发射节点之间的距离。此类定位系统的精度相对较高，比较适合于室内环境的高精度目标定位，其中比较典型的系统有ＡｃｔｉｖｅＢａｔ系统”１和Ｃｒｉｃｋｅｔ系统旧。１。

在ＡｃｔｉｖｅＢａｔ系统中，移动节点发射ＲＦ信号和Ｕｓ信号，位置同定的信标节点接收ＲＦ信号和ｕｓ信号；Ｃｒｉｃｋｅｔ系统则相反，信标节点作为信号发射节点，待定位的移动节点用于信号的接收，然后根据ＲＦ信号和ＵＳ信号的到达时间差进行分布式目标定位。

在综合考虑节点定位精度、硬件及算法实现复杂度、适用范围以及可扩展性等指标的基础上，本设计采用基于ＲＦ和ＵＳ信号的ＴＤＯＡ定位方法进行移动目标的定位。此外，为了减少多个信标节点发射的无线信号之间的冲突，提高定位实时性，信标节点采用固定时序发射的方式，周期性发射信标信号。２

系统结构

Ａｃｔｉｖｅ

Ｂａｔ系统中，中心控制主机集中控制多个

接收节点，而待定位的移动节点作为发射节点是不可控的，尤其是当移动节点数量较多的情况下，必然会引起各组ＲＦ和ＵＳ信号之间的串扰，从而导致错误的定位，影响系统的稳定性。Ｃｒｉｃｋｅｔ系统具有很好的可扩展性，但其信标节点采用随机发射信号的方式，仍然不能有效解决信号间串扰的问题。因此，本设计综合考虑以上两种系统的优缺点，提出了适合自身实际需求的一种定位方法。２．１整体架构

本设计中的定位系统由同步节点、信标节点、移动节点、汇聚节点和中心控制主机五部分组成。目标定位过程中需要整个系统各节点间协同工作，最终由中心控制主机实现对各移动节点的集中式定位。定位系统的结构如图１所示。

万方数据

越

节点中心控制

图１

定位系统结构

同步节点以Ｔ。为时间间隔，通过ＲＦ同步信道广播同步信号，用于各信标节点间的时间同步；各信标节点接收到此同步信号后，分别延迟一段不同的时间Ｔ出后，利用同步信道同步发射出带有自身特殊标记的ＲＦ信号和不携带任何信息的ｕｓ脉冲；待定位的移动节点接收到同步节点的同步信号后开始计时，继而采集来自各信标节点的ＲＦ和ｕｓ信号间的ＴＤＯＡ信息，封装成特定格式的数据包，在计时满Ｔ。前的△Ｔ，时间范围内的任一随机时刻将此数据包通过移动数据信道发送到汇聚节点；汇聚节点通过移动数据信道接收数据，并将接收到的数据通过串口发送到中心控制主机，以进一步实现数据的分析及目标的定位。图２中描述了一个Ｔ。时间周期内系统中各节点的工作过程。

图２定位原理图示

如上所述，定位系统中各信标节点以接收到的同步消息作为时间基准，以确定的不同的时刻发射自身的ＲＦ和ＵＳ信号，此设计能够有效地解决Ｃｒｉｃｋｅｔ系统中随机发射信号的方式所造成的不同组信号间的串扰问题，提高了定位系统的稳定性；系统中信标节点间发射信号的时间间隔为固定值，间隔时间的选取需要综合考虑系统定位数据的实时性和移动节点速度等多种因素的影响；移动节点采用在△Ｔ，时间范围内随机发送定位数据的方式，也是为了减小汇聚节点接收数据时发生冲突的概率。本设计中系统硬件采用Ｍｉｃａ２节点，并主要对其进行了超声波收发功能的扩展，其结构框图如

图３所示。

２．２硬件设计

TDOA 超声波 定位系统

＼ Ｉ

第３期韩霜，罗海勇等：基于ＴＤＯＡ的超声波室内定位系统的设计与实现

，３４９

图３

节点硬件结构框图

传感器节点主要由能量供应模块、处理器模块、无线通信模块和超声波收发模块四部分组成。此外，还应用到标准联合测试ＪＴＡＧ接口进行程序的调试和下载，并外扩多个通用输入输出ＧＰＩＯ接口以供调试及后续工作的扩展操作。

能量供应模块的设计考虑到传感器节点的能量受限，然而有时为了增大设计中定位系统的覆盖范围，需要采用较高电压发射超声波信号。因此，节点上除超声波发射模块以外的部分采用４．２Ｖ锂电池供电，而超声波发射模块可选择为省电模式或扩展模式，其中省电模式即采用上述４．２Ｖ电源，扩展模式应用ＴＩ公司生产的ＴＰＳ６１０８５升压芯片将电压升

至１２Ｖ甚至更高，以满足扩展信号覆盖范围的需

求。本文中实验内容无特殊说明均采用省电模式，升压模块的电路图如图４所示。

图４升压模块电路图

处理器模块采用Ａｔｍｅｌ公司生产的基于ＲＩＳＣ结构的增强型低功耗８位微控制器Ａｔｍｅｇａｌ２８Ｌ，配有

１２８

ｋｂｙｔｅ的可编程Ｆｌａｓｈ存储器和４

ｋ

ｂｙｔｅ的

ＳＲＡＭ，ＣＰＵ－ｉ２作时钟７．３７２８ＭＨｚ，可支持６种不同的睡眠模式进行电源管理和能量控制；无线通信模块采用Ｃｈｉｐｃｏｎ公司生产的ＣＣｌ０００芯片，工作时钟

１４．７４５６

ＭＨｚ，发射／接收频带９１５ＭＨｚ，可编程输出

功率一２０～１０ｄＢｍ，接收灵敏度可达一１００

ｄＢｍ。

超声波发射／接收传感器采用Ｔ／Ｒ４０．１６。中心频率４０．０－＇ｒ１．０ｋＨｚ，最大输入电平４０Ｖ，最大声压

１１５

ｄＢｍ，接收灵敏度一６６ｄＢｍ，信号强度一６ｄＢ增

万方数据

益处的中心方向角为６０。。Ｔ／Ｒ４０—１６超声波传感器信号衰减与收发角度间的关系如图５所示。

Ｏｏ

３００／一歹厂

７缀，／７二澎二詈淼弋

６¨．．．一Ｖ＼、

—≮ｏ．．．－－．．３０。

图５超声波传感器灵敏度曲线图

由图可见，当超声波收发角度增大时，传感器的信号接收灵敏度呈明显下降趋势，这样势必会对系统的定位范围及定位精度产生影响。鉴于此，本系统中超声波接收模块的设计支持多个接收传感器的扩展，但由于目前硬件所限，本文中实验均采用单个超声波收发模块的设计，多传感器的扩展设计将在后续工作中完成。图６和图７为超声波收发模块的电路原理图。

ＴｘＰｏｗｅｒ

Ｔ

．＝Ｆ

图６超声波发射模块电路图

图７超声波接收模块电路图

超声波发射模块将处理器输出的４０ｋＨｚ超声波信号ＩＮＴｌ经三极管２Ｎ１４７０放大后，驱动超声波发射传感器Ｙ，发射超声波；超声波接收模块应用运算放大器ＬＭ３５８将来自超声波接收传感器Ｙ２的微弱信号进行放大，经ＬＭＣ５６７频率匹配后输出低电

TDOA 超声波 定位系统

３５０

传感技术学报第２３卷

平脉冲信号，触发处理器中断以进行进一步的处理。本超声波收发模块的设计考虑了信号发射功率和接收灵敏度等多种因素的影响¨Ｊ，在不同的应用环境中需要进行相应的调整。２．３软件设计

ＴｉｎｙＯＳ是一种专用于传感器网络的典型操作系统。本设计即应用此操作系统，采用基于组件化编程的ｎｅｓＣ语言归１进行软件设计。

本定位系统的设计中，为了在寻址、身份识别、特征验证等操作时区分不同的节点，每个节点都被分配以独立的地址ＩＤ。此ＩＤ号由两个字节组成，可以通过修改ＴｉｎｙＯＳ系统文件中的ＴＯＳ—ＬＯＣＡＬ—ＡＤＤＲＥＳＳ参数进行配置。为了便于调试和扩展，设计时仅用到此参数的低字节，高字节内容设置为０ｘ００备用。表１记录了定位系统中各类节点ＩＤ地址的分配情况。

表１节点ＩＤ地址分配

节点ＩＤ地址范同

同步节点０ｘｏｏＯｌ一０ｘ０００８

信标节点Ｏ如１０１０～０】（００８Ｆ

移动节点０ｘ００９０～０捌００ＦＦ

汇聚节点

Ｏ）【（）Ｏｏｏ

由表１所示ＩＤ地址的分配情况可以看出：此参考设计中，系统最多可支持８个同步节点同时工作；对于不同的同步节点，与之进行同步的信标节点最多可支持０ｘ００７

０—０ｘ００７

Ｆ共１６个；移动节点最

多可支持０ｘ００９０—０ｘＯＯＦＦ共１１２个；汇聚节点设置为一个，ＩＤ地址为０ｘ００００。

因此，应用多个同步节点及与之对应的信标节点可以使得ＲＦ和ＵＳ信号范围覆盖整个定位区域，并且在必要时可利用ＩＤ地址的高字节进行扩展。下面介绍各节点的软件设计过程。

同步节点中ＩＤ地址为０ｘ０００１的节点在整个系统中起着主导的作用，其它的同步节点都以接收到此同步节点的同步消息作为时间的基准，在时间上做出相应的调整后，发出对应的同步信号。节点间同步偏差为微秒级且时间同定，能够通过一定的系统校正方法进行补偿，不会影响到系统定位的精度。在此不作考虑。

各信标节点的ＩＤ地址参数随程序烧写到程序存储器中，因此对于某个确定的信标节点而言，只能接收某个与之对应的同步节点的同步消息，做出相应的时间延迟后，同步地发出ＲＦ信号和ＵＳ信号，整个过程的流程图简要描述如图８所示。

移动节点接收到同步节点的同步消息后开始启动，同时获取此ＲＦ信号的信号强度值并与当前值进行比较，如果超过一定的阈值，则以发送此次同步消

万方数据

息的同步节点及其附属信标节点作为信号源，重启定时器，进行定位信息的测量，否则抛弃此同步消息，仍通过原同步节点及其附属信标节点获取定位信息。

图８信标节点工作流程图

根据ＴｉｎｙＯＳ系统中ＴＯＳ—Ｍｓｇ结构体定义，ＲＦ消息的数据域部分最大长度为２９个字节，所以当收到同步消息后，最多可采集６个信标节点的数据信息，等待定时器计数满后，在△Ｔ，时间范围内的随机时刻，将包含所采集到的与各个信标节点之间距离信息的数据包发送给汇聚节点。移动节点的工作流程如图９所示。

图９移动节点工作流程图

图中主定时器用于定时发送包含定位信息的数据包，从定时器用于计算接收自信标节点的ＲＦ信号和ＵＳ信号之间的到达时间差。

汇聚节点ＩＤ地址为Ｏｘ００００，所有的移动节点

TDOA 超声波 定位系统

第３期韩霜，罗海勇等：基于ＴＤＯＡ的超声波室内定位系统的设计与实现

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都将采集到的数据信息发送至此地址。

３实验过程及分析

为了衡量本定位系统设计的可行性及定位精度，设计了以下实验进行分析验证：首先，测量多个确定距离上移动节点和信标节点间的ＴＤＯＡ值，根据时间和距离之间的关系应用最小二乘法拟合出定位系统的时间补偿参数；然后，应用此补偿参数验证系统在更远距离范围内的测距精度和稳定性等指标；在此基础上，设计定位实验，衡量系统的定位精度等指标。３．１系统校正

选取１个同步节点、１个信标节点、１个移动节点和１个汇聚节点，对应于２０

ｃｍ一２００

ｃｍ之间的６

个特定距离上分别采集４２组数据，此时的数据为测量得到的对应距离上ＲＦ和ＵＳ信号的ＴＤＯＡ计数值，每个计数对应于２５

ｕｓ。

图ｌＯ描述了对应实际距离和ＴＤＯＡ均值之间的关系。由图中可以看出，信号到达时间差ＴＤＯＡ与节点距离之间呈现比较良好的线性关系，本文运用最／ｂ－－－乘法对其进行直线的拟合。

萋

毒

蓉

吾

图ｌＯ

实际距离与ＴＤＯＡ之间的关系（环境温度２０℃）

即需要根据Ⅳ组（Ｎ＝６）对应于节点间距和ＴＤＯＡ均值的数据（机，Ｙ‘），ｋ＝ｌ，２，３……Ⅳ，拟合成一条直线：

Ｆ（ｚ）：，，＝口ｏ＋ａｌ戈

（１）

假定信标节点与移动节点间距离‰是准确的，所有的误差由ＴＤＯＡ均值儿引起。应用最小二乘法估计参数口。和ａ。时，要求扎偏差的平方和最小，即：

Ⅳ

∑［Ｆ（钆）一，，＾］２＝ＭＩＮ

（２）

由多元极值的必要条件，进而可得：

矗荟ＥＦ（¨一几］２－；２

—２∑（儿一施一毛钆）＝０

ＪＩ，

．，拈１

（３）

毒荟［ｍ卜儿］２ｋ二２

—２∑（Ｙｋ一毛一毛‰）钆＝０

万方数据

其中三。和五，是式（１）中口。和口，参数的估计，由式（３）计算得出，进而可得到拟合的直线表达式Ｙ

＝乱＋五。茗。此直线不经过坐标原点，这是因为Ｔｉｎ—

ｙＯＳ属于非可剥夺型内核，无论在信标节点还是移动节点，ＲＦ和ＵＳ信号的发射或接收都是顺序执行的，所以在计算节点间距时需要对ＴＤＯＡ进行相应的时间补偿。

超声波在空气中传播的速度ｙ主要受到环境温度丁的影响，如公式（４）所示，其中常数Ｖｏ＝３３１．４５，ｒｏ＝２７３．１５，Ｔ为环境的摄氏温度。

㈨木属

（４）

ＲＦ信号的传播速度接近光速，其传播时间在本定位系统中可忽略不计。由公式（４）和超声波信号的传播时间，可得到移动节点与信标之间的测距估计，如公式（５）所示。其中ｙ为当温度为ｒ时超声波在空气中的传播速率，Ⅳ为移动节点测得的对应某个信标节点的ＴＤＯＡ值，Ⅳｃ为根据公式（３）计算得出的时间补偿参数的估计值三。，ｔ。为ＴＤＯＡ时间的最小单位２５斗ｓ。

Ｓ＝Ｖ，Ｉｃ（Ｊ７、ｒ一札）母ｔｏ

（５）

３．２测距精度

在以上实验的基础上，进一步增大移动节点和信标节点之间的距离，在２０一９００ｃｍ范围内对应表２中１１个典型距离上各采集１６０个数据，利用上述得出的时间补偿参数，计算出移动节点和信标节点之间的距离并统计ＵＳ信号的丢失率。表２记录了此实验的统计信息。由此可见，根据２ｍ范围内实验得出的时间补偿参数同样适用于更远距离，并且测得距离的均值和实际距离之间的偏差随距离的增大没有明显的变化，最大误差为２．１ｃｍ。但是随着距离的增大，超声波信号的丢失率成大幅度上升趋势，这势必会影响到系统定位的精度。

表２测距精度及信号丢失率（单位：ｃｍ）

TDOA 超声波 定位系统

／ｎ－－Ｉ－＇ｘ—Ｙ—Ｉｙ（２

３５２

传感技术学报第２３卷

堡

妻

删

垩嘴

图１１定位误差的ＣＤＦ图

图１１显示了移动节点定位误差的累计概率分布（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＣＤＦ）。可见，

当移动节点与信标节点间距离为４ｍ时，所采集的１６０个数据中，测量误差在４ｃｍ以内的比例达到８０％，而对应６ｍ和９ｍ时的比例仅有６０％左右；同样可以看出，节点间距为４ｍ和６ｍ的最大测量误差为１７ｃｍ，而对应９ｍ时的误差则更大一些。

因此，用本系统进行节点间距离的测量时，测量偏差比较大的情况有一定的可能出现，这种可能性随距离的增大而增大，但测量结果绝大多数机会落在误差比较小的范围之内，所以当系统用作对移动节点的跟踪定位时，可以通过增加信标节点的数量、在中心控制端运用一定的抗差算法等途径，提高系统的定位精度。产生较好的定位效果。

３．３

系统定位

选择计算所室内办公大厅作为实验场所，环境

温度２０。Ｃ。应用１个同步节点、６个信标节点、１个移动节点和１个汇聚节点，布置于厅内１０米范围内，且保证移动节点和信标节点间没有障碍物阻隔。实验中系统各节点分布如图１２所示。

图１２定位实验节点分布

图中，主机接收汇聚节点收集到的定位数据，应用极大似然估计算法（Ｍａｘｉｍｕｍ

ＬｉｋｅｌｉｈｏｏｄＥｓｔｉｍａ－

ｔｉｏｎ）完成对移动节点的定位计算¨０ｌ。

设已知，１个信标节点的坐标分别为（ｘ，，Ｙ。），（石：，Ｙ２），…，（菇。，Ｙ。），它们到移动节点Ｍ的距离分

万方数据

别为ｄ。，ｄ２，…，ｄ。，假设肘的坐标为（石，Ｙ）。算法的

示意图如图１３（ｂ）所示。

３

图１３三边测量法与极大似然估计法图示

按照上述坐标设置，计算移动节点与信标节点之间的距离，可以得到下列公式：

ｒ（菇Ｉ一菇）２＋（Ｙｌ一），）２＝ｄ：

２；

（６）

【（戈。一算）２＋（），。一），）２＝ｄ：

由第１，２，…，ｎ一１个方程分别减去最后一个方程，可以得到以下方程组：

ｆ茗；一茗：一２（ｘ。一％）髫＋衍一以２—２（ｙ。一Ｙｎ）），＝研一《１算２。一ｌ一髫：一２（戈。一１一ｚ。）戈＋Ｚ—Ｉ一％２—２（ｙ。一ｌ—Ｙｎ）Ｙ＝Ｊ

ｉ

【磁一。一兹

（７）

上述方程组（７）可表示为ＡＸ＝ｂ的形式，其中：

厂２（ｘ．一芏、

。）］

Ａ。【－２。茗。一：一菇。，２。ｙ。一：一，，。，ｊ’ｘ＝［；】（８）

ｒ

茗；一戈：＋），：一ｙ２。＋ｄ：一ｄ；

］

ｂ＝ｌ

；（９）

【－茹：一，一菇：＋ｙ２。一ｌ一，，２。＋ｄ：一ｄ：一。Ｊ

使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点Ｍ的坐标估计为宕＝（Ａ■）一Ａ７ｂ。当只有三个信标节点时，就成为最经典的三边测量法¨１｜，由图１３（ａ）所示。

实验中，６个信标节点布置于天花板上且位置固定，其位置坐标分别为Ｂ０（１５０，５０，０）、Ｂ。（１５０，－５０，０）、Ｂ２（２５０，５０，０）、Ｂ３（一１００，一１００，０）、Ｂ４（一１５０，０，０）、Ｂ５（一１００，１００，０），单位为厘米；移动节点Ｍ。处于ｚ＝ｚ。的平面内，设其坐标为（０，０，ｚｏ）。节点坐标分布如图１４所示。

主机通过汇聚节点接收移动节点与６个信标节点之间的距离信息，然后应用极大似然估计算法计算出移动节点Ｍ０的空间位置坐标。采集１０组数据，分别计算当信标节点个数为３、４、５、６时移动节点的坐标值。表３记录了应用不同个数的信标节点时计算得到的移动节点Ｍ。的定位误差情况。

TDOA 超声波 定位系统

第３期

韩

霜，罗海勇等：基于ＴＤＯＡ的超声波室内定位系统的设计与实现

３５３

’

图１４定位实验节点坐标分布

表３应用不同个数信标时定位误差（单位：ｃｍ）

堡堡全塑量丛！送差量盔送羞±塑堡差

堑垄薹

３７．６３７．８１８．３７．６９４６．２３１．５１５．１６．９８５

４．０

１５．７

８．８

４．１６

垒兰：兰

！主：兰璺：兰ｊ：！兰

实验结果表明，应用极大似然估计算法进行目标节点的定位，当信标节点比较少时，系统的定位精度随信标节点个数的增加而得到显著的提高，而继续增加信标个数则不再有明显的变化。为了进一步提高系统的定位精度，可采用更高级的抗差算法［１２］进行定位的计算。４

总结

本文设计及实现了基于射频和超声波信号到达

时间差的室内定位系统。该系统采崩固定信标节点周期性同步发射射频信号和超声波脉冲的方式，可有效避免各信标节点间无线信号的冲突问题，提高定位系统的稳定性。移动节点采用分时发送的方式，将采集到的与多个信标节点之间的ＴＤＯＡ数据发送给汇聚节点，通过使用不同的无线信道，进一步拓展了系统的容量。实验中应用极大似然估计算法，当采用６个信标节点时达到最好的定位效果，此

韩霜（１９８５一），男，河北省衡水市，北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生，研究方向为无线传感器网络、数字视频信号处理、嵌入式系统。

ｈａｎｄｙｂｕｐｔ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ；

陈颖（１９８１一），女，福建省三明市，北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生．研究方向为无线传感器网络、多媒体通信、嵌入式系统；

万方数据

时移动节点的平均定位误差为８．２

ｃｍ。

系统可通过改进硬件设施及运用增强型的定位算法等方式拓展系统的定位覆盖范围并提高定位精度，本研究将在这些方面进行进一步的探索。参考文献：

ｆ１］陈娟，李长庚，宁新鲜．基于移动信标的无线传感器网络节点

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２２ｎｄ

Ａｎｎｕａｌ

ＪｏｉｎｔＣｏｎｆｏｆｔｈｅＩＥＥＥ

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

ａｎｄ

Ｃｏｌｎ－

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ａ

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罗海勇（１９６７一），男，湖北麻城，博士，高级工程师，主要研究领域为数字媒体处理技术、无线定位、普适计算等，

ｙｈｌｕｏ＠ｉｃｔ．ａｃ．ｃａ；

丁玉珍（１９５ｌ一），女，陕西潼关，北京邮电大学信息与通信工程学院高级工程师，硕士生导师，主要研究方向为数

字视频处理与应用、嵌入式系统等。

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