CN106405492A - 基于声波和无线定位的移动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于声波和无线定位的移动目标检测方法，主要包括：基站的超声波发射器和射频发射模块向移动目标节点周期性的发射超声波和射频信号；移动目标的射频接收模块接收射频信号后，开始计时等待接收超声波信号，并对接收的无线数据进行判断，以区分是哪一个参考节点发送的数据；基于三边测量法的原理，采用最小二乘法对移动目标的坐标值进行计算，得出移动目标的坐标；使用卡尔曼滤波方法进行位置动态估计；从而可以克服现有技术中对移动目标定位不准确，定位系统设计成本高的缺陷，具有定位精确，成本低，定位方法简单易实现的优点。

Description

基于声波和无线定位的移动目标检测方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体地，涉及基于声波和无线定位的移动目标的检测方法。

背景技术

随着无线终端设备和无线传感器网络的不断发展与结合应用，人们对定位服务的需求日益增多，特别是室内定位服务。在目前室内定位技术的研究中，二维平面的室内定位技术居多，而三维空间的室内定位技术研究则相对较少，但在实际定位需求中，二维平面的室内定位技术往往不能满足用户对位置信息的需求，如在灾后救援中，被困人员所处的位置不可能只在二维平面上，必须使用三维空间的室内定位技术才能在第一时间获得被困人员的具体位置信息；在矿井安全监测中，由于井下环境较为复杂，人员工作地点比较分散，导致二维平面的室内定位方法并不适用，只有使用三维空间的室内定位技术才能够准确了解井下情况；在室内环境检测中，由于不同的监测传感器所放置的位置不相同，也需要使用三维空间的室内定位技术才能获取监测传感器有效的位置信息。因此，三维空间的室内定位技术与二维平面的室内定位技术相比，更具有实际意义和应用前景。

常见的室内定位技术有：红外线定位、无线局域网络定位、蓝牙定位、Zigbee定位、射频识别定位、超宽带定位以及超声波射频定位等。红外线定位技术的定位精度具有局限性，只能判断移动目标的有无性，在精度上很难提高，且红外线的穿透性差，很难穿透墙壁等实体障碍物。无线局域网络定位技术需要的基站少，可实现建筑物内的无线局域网络对位置的感知功能，但跟踪定位环境必须支持无线局域网络，在条件上具有限制性， 而且每个基站和移动目标都必须是计算机设备，设计成本比较高。蓝牙定位技术适用于小范围定位，设备体积小，但价格相对昂贵，在复杂的室内空间中，该系统受噪声信号的干扰大，稳定性会有所降低。Zigbee定位技术主要适合用在自动操作和远程控制等领域，可嵌入于各种设备中，具有自组织性、低复杂度、低功耗、近距离性、低数据速率、低成本等特点，但同样也受定位精度的限制。RFID定位技术具有体积小、携带灵活、成本低的特点，但它受定位时间、定位精度以及室内环境的复杂度等条件的限制，适用于对精度要求不高的场合。超宽带定位技术采用极窄脉冲的时间宽度，它没有视距要求，系统复杂度低、具有穿透力强、安全性高、抗多径干扰效果好、定位精度精确等优点。然而目前，国内的超宽带定位技术仅仅在雷达方面有所研究成效，在其他领域方面基本没有形成研究规模；而且相对其他室内定位方法，超宽带技术用于室内定位系统的造价成本较高、功耗也较高。超声波射频定位技术的定位精度能够达到厘米量级范围，同时使用者具有自我保密性以及对多个分散物体的可测量性，但是由于超声脉冲和射频数据的定时和处理都在移动接收器上，会导致缺少系统中心监控和管理，增加移动接收器的计算负担，同时要求电力承载能力要大。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在定位设计成本高，定位不准确等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于声波和无线定位的移动目标的检测方法，以实现提高对移动目标定位的准确性，降低定位系统的设计成本优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于声波和无线定位的移动目标的检测方法，主要包括：

a.系统初始化；

b.基站的超声波发射器和射频发射模块向移动目标节点周期性 的发射超声波和射频信号；

c.移动目标的射频接收模块接收射频信号后，开始计时等待接收超声波信号，并对接收的无线数据进行判断，以区分是哪一个参考节点发送的数据；

d.基于三边测量法的原理，采用最小二乘法对移动目标的坐标值进行计算，得出移动目标的坐标；

e.使用卡尔曼滤波方法进行位置动态估计；

f.将所得数据发送至基站，由基站发送到上位机。

进一步地，所述基站设置为3个，移动目标设置为1个。

进一步地，每个基站发射的射频信号包括该参考节点的唯一空间ID、坐标和测量的温度。

进一步地，所述步骤b-d具体为，系统上电启动时，移动目标周期性发射超声波信号和射频信号，基站接收并计算距离信息，然后汇集信息到主控制模块上进行目标位置计算；定位启动后，基站周期性地将位置信息及超声波脉冲信号发送出去，移动目标接收到来自每一个基站的信息，在移动目标自身上计算出其目标位置，当定位状态不佳时，移动目标开始周期性的发射超声波和射频信号，基站接收并计算距离信息，然后汇集信息到主控制模块上进行目标位置计算。

进一步地，所述步骤e包括，

预测过程:

其中，和分别是观测前k时刻的状态预测平均值和均方差，P_k-1是k-1时刻的均方差，Q_k-1是k-1时刻的过程噪声，

更新过程:

其中，v_k是k时刻的残余误差，S_k是k时刻的测量预测协方差，R_k是k时刻的测量噪声，K_k是滤波增益，m_k和P_k分别是观测后k时刻的状态估计平均值和均方差；

假设在室内环境中，移动目标处于匀速直线运动方式，它的状态可以用离散匀速模型来表述，运动状态会受到一定程度的随机噪声干扰。对于移动目标来说，定位的状态模型函数应为X_k＝[x_k,y_k,z_k]^T，测量模型函数是：

假设该移动目标的运动轨迹是x轴在0-6m，y轴在0-2.5m，Z轴在0-1.5m范围内的非线性运动曲线，选取x轴作为参照轴，x轴每间隔1cm则有一测量点(x,y,z)，共600个测量点，可以建立x、y、z轴之间的函数关系，得到原始信号的实际值和测量值的数据曲线；同时在系统中添加独立存在的高斯过程噪声和测量噪声，得到原始信号的滤波数据曲线。

进一步地，所述射频模块发射射频信号和接收射频信号的工作过程具体为：

A1、对射频模块的控制芯片和收发芯片初始化，并设置相应寄存器为SPI通信；

A2、单片机产生发送信号给射频模块；

A3、射频模块通过寄存器设置发送位，再经过调制解调器、压控振荡器和功率放大管放大信号将数据发送出去；

A4、移动目标的接收端产生接收信号，经过低噪声放大器和自动增益控制放大器反馈后通过调制解调器解码，通过SPI通信反馈一个数字信 号，在信号放大阶段，该信号与信号强度指示的信号进行比较传递给调制解调器；

A5、接收的数据存储在缓存器中，并与发送的数据进行比较，是否完整通过LED灯来判断。

本发明各实施例的，由于主要包括：基站的超声波发射器和射频发射模块向移动目标节点周期性的发射超声波和射频信号；移动目标的射频接收模块接收射频信号后，开始计时等待接收超声波信号，并对接收的无线数据进行判断，以区分是哪一个参考节点发送的数据；基于三边测量法的原理，采用最小二乘法对移动目标的坐标值进行计算，得出移动目标的坐标；使用卡尔曼滤波方法进行位置动态估计；从而可以克服现有技术中对移动目标定位不准确，定位系统设计成本高的缺陷，具有定位精确，成本低，定位方法简单易实现的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

具体地，方案的主要研究目的是给室内环境的移动人员或物体提供精度在厘米量级范围的实时动态定位，并给使用者提供可靠性、可测量性、保密性等功能，同时要求具有合理的性价比，确保较低的设计成本。

室内定位的定位参数是待定位物的三维坐标。该定位系统的主要原理是，根据三边测量法，首先通过超声测距的方法分别测量出某个或多个待定位节点到已知参考节点之间的实际距离，另外，已知节点的三维坐标，将这些数据进行集中处理后，计算得到移动目标的定位坐标结果。

参考节点分别被固定在天花板上的不同位置，但我们实际测试的时 候，是将参考节点以等边三角形的布局方式固定在房间地面。待定位节点则是被安装在移动目标上，并且是可以四周随机移动的。已知参考节点的布局必须遵循一定的几何要求，不能同时分布在一条直线上，也不能分布在一个同心圆上，否则，形成的方程组未知量个数就会大于已知量数目，导致无法利用三边测量的最小二乘法进行计算。

超声波测距的原理是由于超声波在空气中的传播速度是已知的，在超声发射器发送超声波后，经过一段传播时间，接收器接收到信号，这段传播时间即为发送和接收的时间差，然后根据距离与时间和速度之间的关系，可以计算出发送和接收点之间的实际距离。

测距的基本公式如下:

d＝v_us t

其中，d表示发送和接收点之间的实际距离，v_us表示超声波在空气中的传播速度，一般当室内温度在20℃时传播速度为344m/s，t表示发射和接收v_us的测距时间。

由此可见，造成测距误差的基本影响因素主要包括超声波的传播速度及发送和接收的测距时间。一方面，超声波的传播速度受空气密度的影响，空气的密度越高，超声波的传播速度就越快，然而空气的密度又与温度、湿度有着密切的关系，因此，温度、湿度等对超声波的传播速度有影响，即对超声测距产生影响。所以，可以通过对温度和湿度进行补偿的方式来修正传播速度，进而提高测距的精度。另一方面，在软件实现的过程中，通过计数器来完成对发送和接收测距时间的计时。超声发射和接收器的分离布局会造成测距时间的计时延迟，要提高计数时间的精度，则需要对超声波发射器和接收器之间进行同步处理，即要求保证发射器信号发出的瞬间，接收器能够立刻计数。本文采用射频信号作为内部同步信号，主要是因为射频信号的速度接近光速，其传播时间足够短可以忽略不计，并且可以在硬件上得以实现。

使用的无线测距芯片是恩智浦(NXP)的JN5168。该IC测距有两种模 式：无线信号强度测距和TOF无线信号飞行时间测距。

经过实验测试发现，无线信号强度测距的误差很大，很难满足课题需求，而TOF无线信号飞行时间测距则精度要高许多，所以本作品采用的是TOF(Time of Flight)飞行时差测距的方法。在设备工作过程中，始终保持发送设备和接收设备必须始终同步，为了实现时钟同步，TOF飞行时差测距方法采用了时钟偏移量来解决时钟同步上的问题。但由于TOF测距方法的时间依赖于本地和远程节点，测距精度容易受两端节点中时钟偏移量的影响。为了减少这类错误的影响，很多时候采用反向测量方法，即远程节点发送数据包，本地节点接收数据包，并自动响应，通过平均在正向和反向所得的平均值，减少对任何时钟偏移量的影响，从而减少测距。

根据该系统中移动目标上的待定位节点获得各个测距值以及各个已知参考节点的三维坐标值所构成的数学关系，可以计算出待定位节点的坐标，然而这些测距值和已知参考节点的三维坐标值是分散在各个节点上的，需要集中到同一节点上才能通过数学方法进行计算。考虑到室内的布局复杂，如果采用有线布局，势必会更加复杂，增加系统定位的困难程度，而且不利于待定位节点的移动、线路布置等。随着无线电射频技术的发展，无线数据传输的优势比较明显，因此，文中采用无线传输方式替代有线传输方式，使得定位系统利于控制和简便化。

无线数据传输，一般也就是无线通信，是指从一个地方向另一个地方进行传递和交换信息。实现信息传递的一切技术设备和传输介质，统称为通信系统。该系统的基本组成部分，包括发送端、接收端，以及收发两端之间的信道。

基带信号一般是指没有经过调制等处理方式的初始信号，该信号的频率较低，为了使基带信号能够在信道中传输，使之与信道的传输特性要求相匹配，可以通过发送装置对基带信号进行各种变换和处理，其中，发送装置可以是由特定的放大、滤波、调制等电路组成的系统。信道是信号传 输的物理通道，信道中会存在许多不可忽略的随机噪声干扰，同时，整个通信系统中同样也存在大量噪声。在接收端，接收装置的功能与发送装置的相反，它能够从接收到的信号中恢复出对应的初始信号。信宿是指将还原的初始信号转换成相应的具有实际意义的数据信息。

由于射频信号频率足够高可以在空间快速传播，本文选用射频信号作为无线数据传输的载体，在系统的设计中射频信号可以携带坐标信息、测距值、电路板及环境周围的温度值等。

根据移动目标和已知参考节点的布局情况，系统的定位方案可以设计为：移动目标主动发送信号和移动目标被动接收信号两种方式。

主动方式是指移动目标上的待定位节点主动地周期性发射超声波和射频信息，参考节点接收并计算距离信息，然后再汇集信息到主控制模块上进行目标位置的计算；主动方式可以避免错误信息的干扰，对移动目标的定位较容易，而且精度较高，但是计算量较大，需要多次进行信息的无线传输，增加了设备的使用量和设计成本。

被动方式是指固定在特定位置的参考节点周期性地将它们的位置信息以及超声波脉冲信号发送出去，然后待定位节点接收到来自每一个参考节点的信息，在移动目标自身上计算出其目标位置。被动方式中移动目标一次只能接收来自一个已知参考节点的信号，不能同时计算与各个参考节点之间的距离，而且各个参考节点发送信号的间隔很小，势必会导致不同参考节点间信息的相互干扰，增大了计算误差，导致精度降低。但该定位方式只需要参考节点向移动目标发送信息，移动目标就能够计算得到自身的目标位置，节约了定位时间和设备的使用频率，移动目标的位置私密性较好。

本系统结合两者的优缺点，采用一种组合方式，使两者起到互补作用；

该组合方式的原理是：当系统开始上电工作时，使用主动方式，通知参考节点开始发送信号，定位启动后，将一直采用被动方式进行连续的动 态定位，定位过程中可能会遇到定位误差增大或者滤波误差效果不好的问题，一旦检测到系统状态不佳，将再次切换到主动方式对定位进行位置纠正。该方式可以得到和主动方式相当的测量精度，并且能够实现移动目标位置的保密性要求。不足的是，在被动定位时不同参考节点间的信息会相互干扰。针对这个问题系统将采取一定的抗干扰措施，减小系统的定位误差。

由系统的设计原理以及定位方式可知，该室内定位系统的结构主要包括若干已知参考节点、移动目标装置上的待定位节点等。该室内定位系统对单目标进行定位时待定位节点只有一个，如果对多目标定位时可以有若干个待定位节点。系统中各个已知节点和待定位节点分别包含硬件电路和软件通信协议等内容，已知信号在天花板上的节点硬件和移动目标硬件之间的信号传送，共同实现整体的定位功能。

硬件部分的作用是给定位系统提供控制、发送与接收的驱动电路，主要依据功能要求对硬件部分进行设计；其中，已知参考节点和移动目标的待定位节点中每个节点的硬件电路部分，分别包括射频收发模块、超声波发射和接收器、单片机系统、电源模块、上位机通讯部分等。单片机控制器通过接口程序控制各个模块部分，实现正常的超声波和射频信号的收发、显示、控制以及所需的各种参数的测试与监视

定位算法主要是结合三边测量法的最小二乘法进行计算，同时使用滤波算法进行数据误差的滤波处理，减少室内环境的随机噪声给系统带来的影响；另外，多个节点同时通信必然存在信号之间的干扰，必须具备抗干扰措施，防止系统无法正常工作。

对于射频模块，选用JN5168无线控制器。JN5168是一款超低功耗、高性能的无线SOC模块。它使用户能在最短的时间内，以最经济的设计实现基于IEEE802.15.4或ZigBeePRO的无线网络系统，减少了用户进行RF射频设计和封装的时间，具有简单易用的特点。同时，该无线控制器还具有高性能 的CPU、超低功耗、大容量存储、优异RF性能等特点。而且其包含了丰富的外围器件接口，可以满足不同方面的需求，降低开发成本。

JN5168兼容多种网络协议栈，支持点对点、星形网络、树形网络、网状网络等组网方式，能够满足各种标准以及非标准的网络拓扑需求，具有一个平台，多种方案的优势与特点。

该无线控制器配置了高性能的32位RISC处理器，内嵌Flash和E2PROM，通过可变宽度指令、多级指令流水线、低功耗与可编程时钟速度来提高代码效率。同时片上还具有一个符合IEEE802.15.4 2.4GHz标准的无线收发器以及一系列丰富的模拟、数字外设。配合超低的工作电流和低功耗睡眠特性，可以使设备利用纽扣电池供电并延长电池的寿命。

与芯片同时推出的还有一系列满足各种物联网应用的无线组网协议栈，例如JenNet-IP、ZigBee Pro Home Automation、ZigBee Pro Light Link、ZigBee Pro SmartEnergy和ZigBee RF4CE等协议栈；极大地简化了使用JN516x系列无线微控制器开发家庭自动化、智能能源、智能照明、智能医疗和远程控制等应用的难度，加快了开发进度。

A7139芯片是台湾笙科电子(AMICCOM)公司最近研制出的一款低成本、高效率工作在1GHz以内的收发模块，且在1GHz以内所有常规ISM频段均可应用。此模块目前已经超大量应用于国标智能无线抄表及物联网自组网等双向数据传输系统方案，该模块具有低功耗、高接收灵敏度、高发射功率等诸多优点，是应用于长短距离无线数据传输方案中的首选模块。A7139可以通过射频电路和天线实现发送和接收射频信号的功能。

A7139主要利用RF0和RF1端口来发送和接收信号，经过芯片内部一些寄存器位来检测是否发送和接收，当然也包括通过设置相关SPI接口的寄存器来连接信号。单片机输出或者输入的数字信号都需要对A7139中SPI寄存器相应的功能位进行设置从而产生相应促发接收或者发射的信号，然后进行调制解调器的分析，经过压控振荡器(VCO)和功放管(PA)来放大信号进行发射。接收方式时，接收的射频输入信号经低噪声放大器(LNA)和自动增益控制放大器(AGC)反馈调节放大后翻转进入混频器，通过混频器混频产生中频信号(IF)。在中频处理阶段，该信号同时发送信号给ADC寄存器，设置相应寄存器位和接收的信号强度(RSSI)指示的控制寄存器。这种特殊的结构确定了室内定位系统可以使用控制器单片机芯片对A7139进行收发状态的选择和控制，它们之间可通过SPI口进行数据传输。

射频模块主要是无线通信，STM8与A7139通过SPI口通信。硬件上将A7139的CKO、GPIO1和GPIO2与STM8的PB0、SPI_MISO和PD0引脚相连，还有SDIO、SCK和SCS引脚与STM8的SPI_MOSI、SPI_SCK和SPI_NSS引脚连接，单片机通过将SCS引脚置低电平来访问A7139相关寄存器，在SCK的上升沿时SPI的数据将会被锁存在寄存器中，因此想要发送数据应处在SCK的下降沿时。还存在一下A7139的外围电路，主要的设计依据是根据它的频率进行设置，本文采用的是433MHz，基本的外围电路该硬件电路主要包括滤波电容、旁路电路和RF匹配、滤波、电源藕合、SPI接口设计等。

室内定位系统主要是对室内携带有移动射频标签的移动目标进行位置定位，需要完成信息的采集、传输、处理和显示。为了实现系统功能，需要包含RFID信息采集系统、无线传输系统、定位数据中心和定位显示系统，其中，RFID信息采集系统主要通过RFID读写器对多个移动目标上携带的RFID标签进行信息的采集和数据的传输；无线传输系统是将RFID读写器传输过来的数据通过无线传输的形式传递给定位数据中心；定位数据中心根据实时数据和存储数据进行移动目标的位置估计定位和历史数据的查询；定位系统通过定位显示界面进行实时定位和监控室内移动物体。

定位过程中，当各个节点和模块正常上电后，就可以开始定位，参考节点将在定位过程中周期性地发射超声波和射频信号，移动目标所在的待定位节点等待接收信号。移动目标接收到射频信号后，即实现了射频同步， 待定位节点开始计时等待超声波信号的到达，同时分别对无线传输的数据进行判断，以便区分数据来自哪个节点，最后按照定位原理进行坐标计算。在室内定位系统中，每个参考节点的射频模块周期性地发射射频信号，包括的信息内容主要由唯一的空间ID、坐标和测量的环境温度等组成。

结合射频信号的内容、发送和接收方式的要求，设计步骤主要如下：

1.对控制芯片和射频芯片进行初始化，设置相应寄存器为SPI通信。

2.主芯片产生发送信号给射频模块。

3.射频模块通过寄存器设置发送位，再经过调制解调器、压控振荡器和功放管放大信号把缓存区中的数据发送出去。

4.接收端产生接收信号，经过低噪声放大器和自动增益控制放大器反馈后通过调制解调器解码，通过SPI通信反馈一个数字信号。在信号放大阶段，该信号与信号强度指示(RSSI)的信号进行比较传递给调制解调器。

5.接收的数据存储在缓存器中，并与发送的数据进行比较，是否完整通过LED灯来判断。

射频信号的发送主要是由单片机输出的数字信号进行数据编码，然后通过信道编码的方式转变成数字基带信号，再通过数字调制的方式将数字基带信号变成数字频带信号，该数字频带信号可以通过天线发送到信道中。

射频信号的接收过程，则与发送过程相反，先进行数字解调将数字频带信号变成数字基带信号，再进行信道解码，最后数据解码，得到所需的数字信号。

在系统的定位过程中，由于信道中不可避免的存在加性噪声，导致信道对无线通信具有十分重要的影响因素。加性噪声与有用信号之间是独立的相加关系，并且是始终存在的。信道中加性噪声的来源比较广泛，主要存在过程噪声和测量噪声两种随机的独立噪声，它们均是由热噪声、散弹 噪声等高斯白噪声组成。

由于信号和噪声均可能具有连续的功率谱，即使滤波器具有非常理想的频率响应，也不可能完全滤除掉噪声，并且不能保证信号波形的不失真。因此，针对该室内定位系统需要选择一种能够使误差最小的滤波方法。目前，最好的滤波方法就是通过设计出最优的滤波理论来实现信号的干扰噪声处理。本文采用了卡尔曼滤波算法进行去噪处理。

卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则的一套递推估计的算法,其基本思想是采用信号与噪声的状态空间模型,利用前一时刻的估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计,求出现时刻的估计值。

滤波算法中采用的是离散滤波模型:

x_k＝A_k-1x_k-1+q_k-1

y_k＝H_kx_k+r_k (2)

其中，x_k是k时刻的状态值，y_k是k时刻的测量值，A_k-1是k-1时刻的状态模型转移矩阵，q_k-1是k-1时刻的过程噪声，H_k是k时刻的测量模型测量矩阵，r_k是k时刻的测量噪声。

卡尔曼滤波过程主要分为两个步骤:

预测过程:

其中，和分别是观测前k时刻的状态预测平均值和均方差，P_k-1是k-1时刻的均方差，Q_k-1是k-1时刻的过程噪声，

更新过程:

其中，v_k是k时刻的残余误差，S_k是k时刻的测量预测协方差，R_k是k时刻的测量噪声，K_k是滤波增益，m_k和P_k分别是观测后k时刻的状态估计平均值和均方差。

假设在室内环境中，移动目标处于匀速直线运动方式，它的状态可以 用离散匀速模型来表述，运动状态会受到一定程度的随机噪声干扰。对于移动目标来说，定位的状态模型函数应为X_k＝[x_k,y_k,z_k]^T，测量模型函数是：

在MATLAB中，模拟实验室环境，实验室尺寸是10mx5mx3m，假设该移动目标的运动轨迹是x轴在0-6m，y轴在0-2.5m，Z轴在0-1.5m范围内的非线性运动曲线。选取x轴作为参照轴，x轴每间隔1cm则有一测量点(x,y,z)，共600个测量点，可以建立x、y、z轴之间的函数关系，得到原始信号的实际值和测量值的数据曲线；同时在系统中添加独立存在的高斯过程噪声和测量噪声，得到原始信号的滤波数据曲线。

结合上述的定位方法，首先，基于三边测量法的原理，采用最小二乘法对移动目标的坐标值进行计算，已经可以避免较大的误差和无解情况；然后，再使用卡尔曼滤波算法进行位置动态估计，减少误差，最终可以实现精确的室内移动目标定位。

在室内定位系统中，射频技术是一种关键技术，是实现无线定位的必然手段，而且，射频技术与其他技术相结合的方式不同，定位效果不同，精度也不尽相同。本文采用的基于射频技术与超声波技术的室内定位系统方案，以及所采用的定位方式和滤波算法，是在所有定位方法中，定位精度相对最佳的。

分析定位三边测量法的基本原理，采用节点冗余法以及最小二乘法来提高定位坐标的精度；通过分析超声波测距的原理，采用在发送端与接收端之间的射频信号同步设置来提高测距的精度；射频模块同时充当无线数据的传输媒介；定位方式采用的主动定位与被动定位方式相结合的方法，该方式灵活可靠，有利于动态定位。

在射频模块的设计中，主要采用低成本、低功耗、可编程A7139芯片，它的数据传输速率大，提供数据包处理、数据缓冲等功能。利用STM8L051F3单片机对射频模块进行发送和接收控制，实验验证了系统稳定性和工作可 靠性。

由于在室内环境中存在大量随机噪声的干扰，为进一步提高定位的精度，滤除定位中包含的过程随机噪声和测量随机噪声对信号的干扰，本文采用卡尔曼滤波算法对信号进行滤波处理，该方法相对于之前的测量结果来说，精度得到了提高。

至少可以达到以下有益效果：降低定位系统的设计成本，提高系统的稳定性和可靠性，同时提高了定位精度

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于声波和无线定位的移动目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.系统初始化；

b.基站的超声波发射器和射频发射模块向移动目标节点周期性的发射超声波和射频信号；

c.移动目标的射频接收模块接收射频信号后，开始计时等待接收超声波信号，并对接收的无线数据进行判断，以区分是哪一个参考节点发送的数据；

d.基于三边测量法的原理，采用最小二乘法对移动目标的坐标值进行计算，得出移动目标的坐标；

e.使用卡尔曼滤波方法进行位置动态估计；

f.将所得数据发送至基站，由基站发送到上位机。

2.根据权利要求1所述的基于声波和无线定位的移动目标检测方法，其特征在于，所述基站设置为3个，移动目标设置为1个。

3.根据权利要求2所述的基于声波和无线定位的移动目标检测方法，其特征在于，每个基站发射的射频信号包括该参考节点的唯一空间ID、坐标和测量的温度。

4.根据权利要求3所述的基于声波和无线定位的移动目标的检测方法，其特征在于，所述步骤b-d具体为，系统上电启动时，移动目标周期性发射超声波信号和射频信号，基站接收并计算距离信息，然后汇集信息到主控制模块上进行目标位置计算；定位启动后，基站周期性地将位置信息及超声波脉冲信号发送出去，移动目标接收到来自每一个基站的信息，在移动目标自身上计算出其目标位置，当定位状态不佳时，移动目标开始周期性的发射超声波和射频信号，基站接收并计算距离信息，然后汇集信息到主控制模块上进行目标位置计算。

5.根据权利要求4所述的基于声波和无线定位的移动目标检测方法，其特征在于，所述步骤e包括，

预测过程:

$m_{\stackrel{\‾}{k}}=A_{k-1}{m}_{k-1}$

$P_{\stackrel{\‾}{k}}=A_{k-1}{P}_{k-1}{A}_{k-1}^T+Q_{k-1}$

其中，和分别是观测前k时刻的状态预测平均值和均方差，P_{k 1}是k-1时刻的均方差，Q_k-1是k-1时刻的过程噪声，

更新过程:

$v_k=y_k-H_k{m}_{\stackrel{\‾}{k}}$

$S_k=H_k{P}_{\stackrel{\‾}{k}}{H}_k^T+R_k$

$K_k=P_{\stackrel{\‾}{k}}{H}_k^T{S}_k^{-1}$

$m_k=m_{\stackrel{\‾}{k}}+K_k{v}_k$

$P_k=P_{\stackrel{\‾}{k}}-K_k{S}_k{K}_k^T$

其中，v_k是k时刻的残余误差，S_k是k时刻的测量预测协方差，R_k是k时刻的测量噪声，K_k是滤波增益，m_k和P_k分别是观测后k时刻的状态估计平均值和均方差；

假设在室内环境中，移动目标处于匀速直线运动方式，它的状态可以用离散匀速模型来表述，运动状态会受到一定程度的随机噪声干扰。对于移动目标来说，定位的状态模型函数应为X_k＝[x_k,y_k,z_k]^T，测量模型函数是：

$h\left(X_k\right)={\[\sqrt{{(x_1-x_k)}^2+{(y_1-y_k)}^2+{(z_1-z_k)}^2+{h_0}^2}...\sqrt{{(x_n-x_k)}^2+{(y_n-y_k)}^2+{(z_n-z_k)}^2+{h_0}^2}\]}^T$

假设该移动目标的运动轨迹是x轴在0-6m，y轴在0-2.5m，Z轴在0-1.5m范围内的非线性运动曲线，选取x轴作为参照轴，x轴每间隔1cm则有一测量点(x,y,z)，共600个测量点，可以建立x、y、z轴之间的函数关系，得到原始信号的实际值和测量值的数据曲线；同时在系统中添加独立存在的高斯过程噪声和测量噪声，得到原始信号的滤波数据曲线。

6.根据权利要求1所述的基于声波和无线定位的移动目标检测方法，其特征在于，所述射频模块发射射频信号和接收射频信号的工作过程具体为：

A1、对射频模块的控制芯片和收发芯片初始化，并设置相应寄存器为SPI通信；

A2、单片机产生发送信号给射频模块；

A3、射频模块通过寄存器设置发送位，再经过调制解调器、压控振荡器和功率放大管放大信号将数据发送出去；

A4、移动目标的接收端产生接收信号，经过低噪声放大器和自动增益控制放大器反馈后通过调制解调器解码，通过SPI通信反馈一个数字信号，在信号放大阶段，该信号与信号强度指示的信号进行比较传递给调制解调器；

A5、接收的数据存储在缓存器中，并与发送的数据进行比较，是否完整通过LED灯来判断。