宽带超声波的室内定位系统

宽带超声定位系统----------------------------------------------------此文翻译而来仅供参考------------------------麦克·哈斯和安迪·霍普概述——超声波定位系统是一种普遍的能够提供高精度的室内点位置定位数据的解决方案。应用系统包括强大的无线路由网络，计算机辅助导航，和位置检测装置的反应。然而，当前的超声波定位系统由于使用窄带传感器而受到局限。本文研究使用宽带超声波的室内定位系统。宽带超声的发射器和接收器单元的开发和特征。使用这些单元去构造两个具有不同体系结构的定位系统是为了突出和证实这种体系，实际的说明带宽超声波在室内定位定位人或设备的优势。索引词——定位关键/灵敏度，普遍性和通用性计算，支持服务移动计算。1引言在过去的15年，已经有越来越多的研究致力于发展位置检测传感器系统。节点的定位数据可用于提高无线网络部署的动态性或是允许打印传感器位置数据。通过追踪用户，定位系统也能驱动使用检测周围环境的应用程序，通过这样允许设备更有效的为用户提供服务。全球定位系统原理是移动接收端通过测量卫星发射信号达到时间差来计算自身位置数据。通常精度可以达到几米，但是在室内GPS性能受到严重限制。为了解决这些缺陷，已经开发了一些专用的室内定位系统。所有的数据通过感应真实世界的物理量来获取，依靠这些数据计算或推导出位置。最早的一些定位系统依靠发射单元和接收单元两者进行周期性发射红外脉冲。红外信号唯一能够识别发送单元，它使用定位系统中已知固定位置的单元，通过比例大小估算出移动单元的位置。近期，也提出了基于无线电信号的定位系统。有的是利用视觉或是测量无线局域网中接入点的信号强度，还有的是基于特殊标志和固定基站测量无线电信号传播时间。这两种典型的定位系统定位精度都在3米或更大。相比之下，高精度定位系统有能力提供精确到厘米级的定位信息，可以用来增强现有的应用和可能实现的新应用。在我们工作场所、家里和公共场所已经存在大量的高精度位置传感器。例如包括移动地图，桌面控制，移动电话会议和移动多媒体，活动注释，无处不在的用户界面、增强真实性，室内环境控制，电话呼叫转移，监控和支持老人使用的系统，和博物馆导航。在高精度室内定位解决方案中，超声波定位系统已经被证明是相对简单的方案。然而由于现在已有的超声波定位系统总是采用随机处理的窄带宽超声波，迫使系统在许多方面的性能受到限制。本文介绍了以宽带超声为基础的高精度定位系统。首先，对先去的高精度定位系统进行讨论和鉴定局限他们功能的共同因素。宽带超声波发送和接收单元合适的使用在标准室内定位系统上后的描述和特性。概述一种适合传播频谱信号的方法和评估该方案测距的能力。本文也通过调查形式报告实验结果，集中定位系统和个人向导定位系统。通过分析两个系统的性能总结得出关于宽带宽超声波定位系统的一般性结论。2相关工作和目的各种各样的高精度室内定位系统传感器解决方案用于计算移动位置。在海博系统中，用户佩戴安装有横向光电感应二极管阵列传感器和安装在天花板上的红外发射装置。超带宽无线定位系统由Ubisense公司开发。利用安装在建筑中的信号接收装置来跟踪定位用户携带的超声发射装置发射的信号。TRIP系统采用计算机视觉技术来跟踪定位贴在用户或设备上的二维码标签。虽然效果好，高精度的红外和超带宽系统使用的是专用硬件所以目前用在移动场所定位相对比较昂贵。计算机视觉技术使用的是商用相机潜在的降低了成本，但是它们能被运用在大面积定位吗。因此，它们的真实成本没有被评估和在运用在有许多人的大范围跟踪方面以及设备在日常环境中的运用能力尚未验证。大量的其它方面的研究影响超声波定位系统的发展。超声波传感器相对成本低，出来超声信号的要求也比以上提到的解决方中的要求低，结果表明简单的、低成本的系统才是有效的室内定位系统解决方案。2.1超声波定位系统在Bat系统中，用户佩戴小小的装置当接收到来自中央控制器的触发信号时就发送超声波脉冲。系统测出脉冲在装置和安装在天花板上的接收之间的转播时间，采用多点定位算法计算装置在该网络中的三维坐标。系统得出位置信息通常精度能达到3cm，理论上更新一个集合位置的频率能达到150Hz。Cricke系统使用分布在建筑中的“路标”，每个“路标”装置向周围发送射频信号的同时发送超声波脉冲。这些装置广播似的随机发送信号目的是出现最小信号碰撞。由移动用户携带的设备称为监听器，接收射频和超声波信号以及计算其传播到信标的时间近似计算距离。系统第一次实现计算能够定位用户在一个平方米的面积内，但通过使用更大密度的“路标”装置，设计能够达到5到25cm的精度。收集来自距离25m的每一个装置出现最小射频和超声噪声信号时的样本数据，那么得到一次更新的位置数据平均需要5秒。监听器可以独立定位自己的位置，避免有潜在妥协用户个人信息的集中式系统。同样，兰德尔和穆勒描述了一个允许穿戴设备和手机都可以自动定位的系统。四个超声波传感器放置在场地角落的天花板上并连接到控制器。控制器发送一个无线触发信号触发四个超声波传感器连续的发出超声波信号。无线触发信号也同步触发移动接收单元，然后测量超声波传播时间以此来计算自身在3维空间里面的位置，可以精确到10~25cm。系统更新频率为几赫兹。2.2窄带宽超声波定位系统的局限性上述三个系统都是采用窄带超声传感器为它们测量距离。三个系统固有的局限性有如下这些原因：1.单用户访问。如果多个用户同时发送信号，一个信号会被另一个信号干扰，破坏接收。2.缺少识别码。窄带系统典型的解码数据缓慢，这使得在它上面编码一个独特的短小的标志信号是不可能的；因此，接收机很难区分信号来自哪个发送基站。3.噪声灵敏度。这些系统在超声噪音方面性能差。上述超声波定位系统通过试图确保发射机单一时间发送信号来避免第一个问题。这个解决方案以牺牲更新速度为代价；只允许一时刻只有一个发送信号是一段时间更新一次位置数据的条件。第二个问题是经常使用更广泛的带宽技术、无线电或红外线等来解决识别传送单元。然而，提供一个专用的通信通道会增加系统的复杂性，需要更多的固定基础设施，和提高了移动设备的功率。第三个问题是没有地址。超声波噪声产生于人们日常活动。例如包括铅笔掉到桌子上的叮当声，人敲击电脑键盘打字的声音，或者一袋薯片被打开的沙沙声。这些声音经常发生在典型的室内环境中。上述这些声音发生时，上述超声波定位系统准确性受到干扰，移动端更新的位置数据带有噪声源。为了克服这些问题带来的限制，宽带换能器和传播光谱信号技术被提出来。本文研究的目的是实现和描述带宽超声波室内定位系统的优势。2.3设备描述和特性宽带超声波发射器和接收器的原理，称作声呐效应，已经被开发。本文描述了如何设计和表征声呐效应的原理。本文还展示带宽通道发射机和接收机的灵敏度，证明声呐类型的带宽超声波定位系统的定位搜索能力。应该指出的是声呐单元被设计得十分灵活，为了充分评估这项新技术的适用性。因此，硬件没有优化尺寸和功耗，信号分析和处理由外部设备执行。然而，优化设计单位小，自主，无线电，和可靠的电池，在为了完成研究所需要完整设置分为5个部分，还有讨论声呐定位系统的可行性。3传感器设计3.1传感器的选择和安装通常用于超声波系统的窄带传感器使用压电陶瓷作为他们的位置传感元件。这些类型的传感器低价、小、耐用和灵敏度高。然而，他们是高度共振的，在大多数情况下有一个可用的带宽频率不足5Hz。另一方面，静电换能器拥有高灵敏度和极宽的带宽。但是，它们不耐用并且昂贵，以至于不能大规模使用它。某些合成聚合物薄膜具有压电属性和压电聚合物薄膜或是压电简单薄膜。这些压电薄膜中尤其是氟化物已经在超声波传感器上使用，运用在高频率（超过200KHz）医学成像和非破坏性测试。压电薄膜传感器很小、便宜、崎岖的多静电传感器，有一个宽的频率带宽。虽然有现成的压电薄膜设备可检测的带宽特性能用于超声波定位位置，这些往往过于笨重运用在移动计算应用程序场景。因此，它需要制作一个小的压电薄膜传感器，但是仍然在带宽和辐射模式上适合室内定位系统。压电薄膜超声换能器在空气中传播的设计来自费奥瑞洛和被王户田和丰岛区进一步改进。它由一个两个沿着边缘安装的小矩形块压电薄膜形成半圆柱形。如图一，图1、操作夹圆柱派佐薇聚传感器这是设计产品的压电薄膜加紧装置。半圆柱的半径r任意变化可以被视为改变电压薄膜的长度L，来自L=πr。由于电压薄膜的形变，改变的长度L大约与输入电压成正比。因此，增加传感器灵敏度可通过下面两种方式：1.发射机,当电压被应用；2.接收器,当空气中的声波的影响。这个传感器被设计来衡量短距离和最大范围的40厘米。费奥瑞洛修改版本的设计中使用声呐原型发射器和接收器。从测量专业的压电膜采购公司[2]。小从压电换能器元素被削减电影表。如图2所示，每个元素被接触导电垫之间两张打印出来电路板(PCB)。使用螺钉和螺栓毗邻垫,两块PCB紧紧攥在一起，严格夹紧的两端压电薄膜元素。的压电薄膜在发射机安装单位有一个元素圆柱长度约5毫米,而接收单位10毫米，允许更大的敏感性。图2、PCB压电薄膜，压电薄膜元素是被夹在两块导电垫之间的印刷电路板。3.2发射机更常见的超声换能器相比,这样的压电陶瓷、压电薄膜传感器较低效率。在实验中,灵活性希望发射器单元可以开车，从其压电薄膜传感器的信号水平几十几百伏峰间值。所示图3，这是通过使用一个功率运算放大器一些信号调节和升压变压器。声呐发射器单元图4所示，尺寸在60mm*94mm*15mm。五的发射机单位在使用测量的一个特征消声室。五个单位的测量频率响应图5所示。几乎没有反应的差异个人发射器。图5b显示了平均频率响应的五个单元。辐射模式是通过测量特征声压级在不同在两个不同的角度飞机，定义在图6。在50千赫平均响应五个发射器一系列这些角度所示图7。总的来说，声呐发射机的特点是有利的。在1米，不声输出随超过10dB从35到100千赫频率和的角度，在60度。图3、发射机框图。一个运算放大器和升压变压器用于驱动压电薄膜元素。图4、声呐发射机在这个原型,权力和模拟信号一代提供外部来源。图5。生发射机频率响应在1米。(b)显示了响应曲线予以修正，但就算是这样，一直使用已知的补偿频率特性的测量设备和超声波在空气中传播的衰减。(a)个人反应五个发射器。（b）平均响应。图6。传感器灵敏度的角度的定义。描述的角度飞机正常的传感器的圆柱形轴,而代表包含圆柱轴的角度在平面上。(一)角度描述通过。(b)角度描述。图7。在两个垂直平面(见发射机辐射模式图（6)。(a)排放。(b)排放。3.3接收方压电薄膜的压电效率相对较低再决定接收机原型的设计决策。静电计的电荷放大器配置用于放大压电产生的低信号电影的元素，如图8所示。由于敏感性静电计的前置放大器，它是必要的电磁屏蔽接收机电路(图9)。否则，辐射外部资源,如高可能在发射机的电压，可以创建不可接受的信噪比条件。图8。接收单元电子传感器接口。静电计电荷放大器作为前置放大器、带通滤波器将感兴趣的频率范围以外的(20-100千赫)。图9。声呐接收机。住房和金属网圆顶减少电磁干扰。接收方还包含两个标准9V电池提供电力。五个声呐接收器的灵敏度特性在消声室测量。在1米，接收单位拥有平均灵敏度1724mV/Pa50千赫。图10显示了他们的反应分贝,引用这个敏感性,图10b显示了平均频率响应。图10。接收机频率响应。(a)个人五接收器的敏感性。(b)平均灵敏度。图11显示了50千赫和灵敏度飞机(图6)中定义,平均五个接收器。绘制敏感性是用分贝表示,请参考在0度的敏感性。图11。接收机灵敏度模式在两个垂直平面无花果。6)。(a)敏感。(b)的敏感性。接收器的行为不是尽可能接近理想发射器。频率响应的变化25dB在检查频率范围。作者怀疑接收机频率特性由金属网屏蔽不利影响,或可能静电计前置放大器电路,但进一步表征接收器需要来确定事业。关于梁模式,接收机灵敏度在1060dB寻找j和重要的旁瓣可见¼45。注意,光束模式内10dB60之间的角度发射器,但只有45接收器。长圆柱长度往往聚焦光束