（微电子学与固体电子学专业论文）室内定位系统设计.pdf

摘要 摘要 定位技术在人类的应用中源远流长。早在古代，定位技术就已经应用于远航 航海，陆上导航等。二十世纪，电信技术和网络技术高速发展，随着这些技术引 入定位领域，定位技术在人类历史上揭开了新的篇章。许多著名的定位系统的建 立如全球定位系统( g p s ) 使人们对定位的需求得到满足。但是这些系统的工作范 围仅限于在室外环境。室内环境错综复杂，有大量物体阻挡和信号干扰，这些不 利因素使得室外定位系统无法工作在室内环境下。另一方面，随着数据业务和多 媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，室内定位系统的研究 开发在近年来得到广泛关注，许多室内定位系统应运而生。这篇文章提出了一种 新的定位方法，这种定位方法主要用于家用电器中精度成本低廉精度要求不高的 室内定位。为了降低成本和简化硬件，设计中只采用两个测量单元就可以提供被 测物体的三维定位，而与普通定位系统的测量单元不同，在此需要将测量单元改 进为旋转装置。为了验证这一定位方法， 出了一种新的测量到达角度的测量方法， 还进行了仿真分析。此外，这篇论文提 这种方法利用红外线信号的辐射角度特 性测量被测物体到达角度信息。为了验证这一方法的可行性，也进行了相关试验， 试验结果证明了这一新的测量方法。 关键词：室内定位定位方法到达角度 a b s t r a c t a bs t r a c t p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi si n v a l u a b l ef o rh u m a nb e i n g s s i n c ei m m e m o r i a lt i m e s ，p o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yi su s e df o ro u t d o o rn a v i g a t i o no v e rl a n d ，s e aa n da i r i nt h et w e n t i e t hc e n t u r y , a d v a n c e s i nt e l e c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k se n a b l eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) a n ds oo nf o ro u t d o o r u s e b u tt h e s ep o s i t i o n i n gs y s t e m sp e r f o r mw o r s ei ni n d o o re n v i r o n m e n tb e c a u s eo fm u c hm o r e o b s t a c l e sa n ds i g n a la t t e n u a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nb u s i n e s s ， t h er e q u i r e m e n t so fi n d o o rp o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gi sb e c o m i n gi n t e n s i v e a st h er e a s o n sa b o v e ，t h e r e s e a r c ho ni n d o o rp o s i t i o n i n gs y s t e mi sm o r ea n dm o r ep o p u l a r an o v e li n d o o rp o s i t i o n i n gm e t h o d i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s ；i tf o c u s e so np r o v i d i n gas i m p l ea n dl o w - c o s tp o s i t i o n i n gm e t h o do nh o m e a p p l i a n c e s i no r d e rt om a k et h eh a r d w a r ee a s yt od e p l o y , o n l yt w ob e a c o n sa r en e e d e d b u tt h e ya le n e e d e dt ob em o d i f i e da sr o t a t i o nd e v i c e st op r o v i d ea3 - dp o s i t i o n t ov e r i f yt h i sm e t h o d t h e s i m u l a t i o ni st e n d u c t e d b e s i d e s ，an e wm e a s u r e m e n tm e t h o di sa l s op r o p o s e di nt h et h e s i s t h e m e t h o di su s e df o rm e a s u r i n gt h ea n g l eo fa r r i v a l ( a o a ) i n f o r m a t i o n i n f r a r e dt e c h n o l o g yi su s e d i nt h i sm e t h o d a tl a s te x p e r i m e n t sa r ec o n d u c m dt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm e t h o d p o s i t i o n i n gm e t h o da n g l eo fa r r i v a l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 徭垒日期弛z ：笙 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论 近年来，无论在学术上还是在日常应用领域中，定位和追踪系统都受到了广 泛的研究和使用。根据人们对定位系统的要求，定位系统也各具特点，有的具有 高精度，有的偏重低成本，有的定位方法简单。这篇论文提出了一种低成本室内 定位方法结构设计，此外，也提出了一种新型测量到达角度的方法。 1 1 研究目的 定位系统是一种应用无线通信技术，各种无线网络以及一系列的感应技术来 确定或追踪被测物体的位置或运动路径的装置。在这篇论文中，定位系统根据定 位环境和应用范围的不同被划分为室外定位系统和室内定位系统两种基本类型。 全球定位系统( g p s ) 是室外定位的成功范例，基于此系统的车辆监控管理系统， 智能车辆导航仪等基于g p s 的室外定位系统位人们日常生活带来了很多便利之 处。然而，当室外定位系统被引入室内应用时，由于信号的衰退，多障碍物阻挡以 及其他信号干扰等因素的存在，这些系统都不能提供精确的室内位置。因此室内 定位技术拥有相对独立的市场和难度更大技术挑战，特别是无法避免的多反射现 象和多径传播效应都会使室内定位变得更为复杂。 从另一方面来说，近年来随着社会的发展和公共安全等方面需求的不断提高， 精确的室内定位技术对商业应用，公共安全，抢险救灾等来说都是一种重要的新 生技术。例如在居住环境下或者在医院中，室内定位系统可以用来追踪特殊人群 ( 比如有特殊监护必要而又没有得到视监控的病人，老人和小孩) 的位置以及监 控他们的行为和活动范围，更可以在室内环境中为盲人导盲。在公众安全和军事 应用方面，室内定位系统通常被用来追踪监狱中的囚犯和向导警察，帮助消防人 员和士兵在建筑物中救援完成任务。如此多的需求和重要的应用引发了人们对室 内定位技术越来越多的研究兴趣和关注。一系列室内定位系统应运而生。如m i t 大学开发的l v l i tc r i c k e t 系统，a e r o s c o u t 生产的a e r o s c o u t sw i f i 定位系统， r o s u m 公司生产的r o s u m t v 系统，以及n e c 生产的红外线室内智能定位系统。 如上所述，在这篇论文中对于室内定位技术的研究是基于此背景下进行的。 文章首先介绍了定位技术的具体内容，包括定位技术的原型和发展，解释了有关 此项技术的细节，给出了一些室内和室外定位系统的成功范例。接下来提出了一 种针对于室内定位系统的全新方法，给出了结果仿真验证。这种方法以到达时间 和到达角度方法为基础，提供室内被测物体的三维位置。在此之前，对于到达时 2 室内定位系统方法设计 间方法，前人已经提出了较为完善的超声波定位硬件设计及实现，然而，对于到 达角度方法，却没有更新更简单的测量方法，而这篇论文提出了一种新的测量到 达角度的测量方法方法，并基础上进行了实验验证其可行性。 1 2 本文概述 为了使读者能够清楚全面理解定位技术，对定位技术的基础知识和系统论述 是十分必要的。因此在第二章中，首先介绍定位技术。这一章包括定位技术以及 在此基础上的一些定位系统介绍，根据应用范围的不同，定位系统在此被分为室 内定位系统和室外定位系统这两个种类，关于他们的区别也会在这一章里说明。 在介绍和说明了现有的定位系统之后，一种新室内定位方法将在第三章提出。 这一章主要介绍提出的新型室内定位方法和相关方真。方针结果和性能分析也会 在这一章中详细说明。 除此之外，这篇论文中的第四章提出了一种测量到达角度的新方法，这种方 法使到达角度测量更为简化，为了验证这种新的到达角度测量方法的可行性，做 了相关实验。最后，是有关于这篇文章的结论。 第二章定位技术 ) 第二章定位技术 2 1 本章概述 在这一章中将详细介绍有关定位技术的历史发展，定位方法以及定位算法等 内容。此外，定位系统的分类，包括室内定位系统，室外定位系统，和目前为止 比较典型的定位系统范例也将在本章说明。 2 2 1 定位技术介绍 2 2 定位技术 定位技术在人类的应用中源远流长。最古老、最简单的导航方法是星历导航， 人类通过观察星座的位置变化来确定自己的方位；最早的导航仪是中国人发明的 指南针，几个世纪以来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一直为人类广泛 应用着；最早的航海表是英国人j o h nh a r r i s o n 经过4 7 年的艰苦工作于1 7 6 1 年发 明的，在其随后的两个世纪，人类通过综合地利用星历知识、指南针和航海表来 进行导航和定位。进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高人类逐渐发 明发现了许多新的定位方法。开始海员们通过测量船体的速度增量并进行外推来 确定自己的位置( d e a dr e c k o n i n g ) ；随后人们又发明了惯性导航技术( i n e r t i a l n a v i g a t i o n ) ，即通过对加速度计所记录的载体加速度进行积分来确定位置。至此， 人类的探索并没有停滞不前，二十世纪电磁场理论和电子技术的蓬勃发展为新型 导航技术的形成提供了坚实的理论基础和技术基础。更重要的是用新思想和新理 论武装起来的人类更富于想象力了，人类的思维从被动地利用宇宙中现存的参照 物( 如星体) 扩展到主动地建立和利用人为的参照物来开发更精密的导航定位系 统。由此地基电子导航系统( g r o u n d b a s e dr a d i o n a v i g a t i o ns y s t e m ) 诞生了，这一 系统的问世标志着人类从此进入了电子导航时代。地基电子导航系统主要由在世 界各地适当地点建立的无线电参考站组成，接收机通过接收这些参考站发射的无 线电电波并由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。这一技术在二战 中已经被使用，战后发展很快，目前大约有1 0 0 种不同类型的地基电子导航系统 正在运行，其中最著名的有l o r a nc d 、o m e g a 、v o r d m et a c a n 等，它们的导航 原理相似，只是所用的电波波段和适用地域不同而已。由于地基导航系统的无线 电发射参考站都建立在地球表面上，因此它们只能用来确定海平面上和地平面上 运动物体的水平位置，即只能进行二维定位，这是地基电子导航系统本身固有的 宣内定位系统方域训 缺陷。 1 9 5 7 年j 0 月，世界上第一颗人造地球卫星的成功发射宣告空间科学的发展跨 入了一个崭新的时代，也使电子导航技术的发展进入了一个新的阶段。由此空基 电子导航系统( s p a c e b a s e dr a d i o n a v i g a t i o ns y s t e m ) 应运而生。空基电子导航系 统统称为卫星电子导航系统，第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实 验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统( n a v yn a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m n n s s ) 。在该系统中卫星的轨道都通过地极故也称“子午仪 ( t r a n s i t ) 卫星系统”。1 9 6 4 年该系统建成后即被美国军方使用1 9 6 7 年将星历解 密而提供民用服务。尽管于午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的优越性， 但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统卫星数目较少( 5 6 颗) ，运行高 度较低( 平均约为1 0 0 0 k i n ) 。从地面观测到卫星的时间间隔较长( 平均15 小时) ， 因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充分满足军事用户和某些民事用户 的定位要求。 为了克服子午仪系统的缺陷，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定 位，1 9 7 3 年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系统一授时 与测距导航系统全球定位系统( n a v i g a t i o ns y s t e mt i r o i n ga n dr a n g i n g g l o b a l p o s i t i o ns y s i e 洲a v s t a 啪p s ) ，简称全球定位系统( g p s ) 。从1 9 7 3 年到1 9 9 3 年，g p s 系统的建立经历了近2 0 年，耗资3 0 0 亿美元。 当今，定位系统已不仅仅用于室外，许多室内定位系统发挥着更多更重要的 作用。下面是有关一些室内定位系统的例子i l 】如卫星导航，交通导航人工智能 定位，移动设备定位，人工看护等。 雷21 定位系统应用领域 人工看护和移动病人监控 在医院中的临床医师和管理人员经常会面临不可预料的病人看护方面的困 难。如果定位系统引入井应用到医院环境内看护人员和病人都可以随时被追踪 第二青定位拉术 到，特别是移动病人，管理人员对他们的行动可以实时监控，而这些监控信息将 被发送到中央控制室，护理人员将会针对病人的行为做出及时治疗和护理这样 不会延误最佳治疗时间，也会防止意外的发生。如图2 2 是e k a n a u 公司出产的针 对病人看护的移动看护监控定位系统，目前这种商品已经开始使用。 图22e k a n a u 公司出产的针对病人看护的移动看护监控定位系统”o 紧急事件 所谓天有不测风云。有些不可预知的灾祸会随时发生，比如说大楼中的火灾。 当火灾发生，消防员进行抢救的时候，对他们来说，知道相互的位置和待救伤员 的位置是非常重要的。知道相互位置他们可以相互协作和避免无谓的牺牲，知道 待救伤员的位置可以提高抢救成功率和救活效率，此时的定位系统是十分必要的， 如图23 所示。 图23 定位系统用于室内火灾救援 人身财产的管理和追踪 在公共场合，人们很难寻到找自己的伙伴或他们的物品。比如说，在机场， 旅客们经常会找不到接待他们的人或者他们托运的行李。如果此时有定位统安放 在他们的行李和接待人员身上，他们会很容易找到自己的行李物品和接待人员。 书内定位系统方法设训 直图2 4 所示。 2 22 定位技术 图24 定位系统用于公共场合【l l 定位系统是用于提供被测物体实时位置信息的系统。而根据定位系统应用领 域的不同，定位系统将会提供不同种类的位置信息。 位置信息主要由物理位置和特征位置等表示。物理位置常常提供被剥物体的 坐标。例如二维或三维地图上表示的精度和纬度坐标，或者一个室内空间内建立 的三维位置坐标。而特征位置主要用一种更为实用的表达方式来显示被测物体的 位置，例如位于办公室内位于大楼的第二层等。 图25 简单介绍了定位系统的原理。如图所示，定位系统的基本设施主要有一 系列的测量单元。被测目标，以及中央控制系统组成。测量单元会根据定位要求 的精度定位方法的不同，定位需求( 二维或三维) ，定位系统的不同而有所不同。 通常测量单元是若干个感应器信号发生嚣，或者数十个到数百个的网络接入点。 被测目标t a g 一般被被测物体所携带，一般所说的测量被测物体的位置，事实上就 是测量被测目标t a g 的位置。中央控制系统用于控制与测量单元或者被测目标t a g 之间的通信，以及被测目标未知的计算。 通常室内定位系统被分为图2 5 所示两种定位系统的拓扑结构第一种称为远 程定位系统，在这种系统中被测目标t a g 的作用是信号发生器，而测量单元是一系 列位置被固定的感应器。被测目标协g 发出测量信号而测量单元( 感应器) 接收测 量信号，当所有测量单元接收到测量信号之后再传输到中央控制单元。由中央控 制单元根据测量信号和钡i 量单元的位置计算出t a g 的位置。 而第二种定位系统称为自定位系统。在这种系统中，一系列的位置被固定测 量单元充当信号发生器，而被测目标t a g 的作用是感应器。被测目标t a g 接收所 有测量单元的测量信号，并具有根据这些测量信号和测量单元的位置计算出自己 第二章定位技术 7 位置的功能【2 】。而测量单元之间，测量单元和中央控制器之间都会有无线网络进行 相互通信。 j 。 器t - jr j 。 图2 5 ( 1 ) 远程定位系统 测量单元 ， 信号发生器 定位方法 测量单元 k 号发生器 被测目标 定位信? 、定位信号 信号发生器 测量单元 图2 5 ( 2 ) 自定位系统 定位方法就是一个定位系统如何应用感应器接收到的测量信号来计算被测目 标t a g 位置的方法。例如到达时间法( t o a ) ，在自定位系统中，测量单元是一系 列信号发生器，测量单元发出定位信号，而被测目标t a g 接收到这一信号。这一 8 室内定位系统方法设t f 测量信号在被测目标t a g 和测量单元之间的传输时间可测量到，而测量信号的传输 速度也已经已知，此时测量单元和t a g 之间的距离可经计算得出。被测目标t a g 的 位置则可由这一系列测量单元与t a g 之间的距离和测量单元的固定位置经计算得 出。而事实上，不同的定位系统有很多种不同的定位方法。在这篇文章中，将分 三个部分来介绍，第一部分是基于到达时间和由其衍生的三角方法，例如到达时 间( t o a ) ，到达角度( a o a ) 等；第二部分是另一种基于图像处理的现场分析 的方法，这一方法也成为指纹识别，就是采集被测目标t a g 的特征，并把此特征与 已知数据库中的特征进行对比，从而找到最相近的数据，用此数据的位置来作为 被测目标t a g 的位置；第三种方法称为近似方法，这种方法基于具有很多无线接 入点( 作用相当于测量单元) 的无线网络。当附近的无线接入点探测到被测目标 t a g 的出现时，就会报告中央控制单元自己的位置【3 】。关于这些定位方法的详细说 明如下。 ( 1 ) 三角方法 到达时间法( t o a ) 如前所述，这种方法测量无线信号在被测目标t a g 和测量单元之间的传输时 间f 。而测量信号的传输速度为1 ，它们之间的传输距离： d - - v x t 如图2 6 所示，被测目标t a g 的位置可由这些距离信息和已知的测量单位的位 置获得。 ( x 3 ，y 3 ) 、 d 3 、 ? ? d 1 ? 测量单元1 ( 0 0 ) 图2 6 到达时间( t o a ) 方法图 研= z 2 + y 2 测量单元2 ( x 2 ，y 2 ) ( 2 - 1 ) 第二章定位技术 9 d ；= ( x 2 - x ) 2 + ( y 2 一y ) 2 巧= ( x 3 - x ) 2 + ( 儿一y ) 2 这里我们可以假设d i 一一一oy兰c一c一一co勺。叱一叫一。叱 4 4 室内定位系统方法设计 旋转终止角度1 8 0 。 被测目标 十 i i 幢l 型i 测量单元 图4 8 实验原理 图中蓝色装置为测量单元，在这个实验中，它的转动范围为( 0 。，1 8 0 。) ， 而测量单元与被测目标t a g 之间的距离从2 5c m 增n n ( 2 5 c r 玛5 0 e r a , 7 5 c m , 1 0 0 e m ， 1 2 0 c m , a n d1 4 0 e r a ) 。当测量单元每转动过5 。，就会发送相应的角度信号，如图 4 8 ： 首先，测量单元与被测目标t a g 之间的距离被设定为2 5 c m 。而被测目标t a g 在实验中一直位于固定位置，也就是说被测目标t a g 的到达角度实际值为9 0 。 结果显示，当测量单元转到7 0 。时，被测目标t a g 开始接收到信号；一直到测量 单元转过1 1 5 。，被测目标t a g 完成接收。由此可得被测单元的接受角度范围为4 5 。 ( 接收角度范围：i 氏一b i ，在这里1 11 5 - 7 0 1 = 4 5 。) 。这一结果证明被测目标t a g 所接收的信号范围与红外线发光二极管的辐射角度范围之间有密切关系。当 i r 3 3 3 c h 0 的辐射角度不超过4 0 。时，被测目标t a g 的接收角度范围于此相当。 接下来，为了观察距离对测量的影响程度，将测量单元与被测目标t a g 之间的 距离调整为5 0 c m ，7 5 c m ，1 0 0 c m , 1 2 0 c m ，和1 4 0 c m ，而其他条件不变，得到如下结 果，见表4 1 表4 1 在不同距离下的接收角度范围 d i s t a n c e ( c m ) 2 55 07 51 0 01 2 01 4 0 a n g l e ( d e g ) 4 5 4 53 52 52 51 5 r a d i a t i o n ( d e g )( 7 0 ，1 1 5 )( 7 0 ，1 1 5 )( 7 5 ，1 1 0 )( 8 0 ，1 0 5 )( 8 0 ，1 0 5 )( 8 5 ，1 0 0 ) 实验结果表明，随着测量单元与被测目标t a g 距离的增大，被测目标接收到的 第四章测量到达角度方法的提出及实验 4 5 辐射角度范围越来越小，这符合i r 3 3 3 h 0 的物理特性，发射信号强度主要集中在 发射线上。而随着辐射角度的增大，集中在发射线上的信号强度会变弱，随着发 射距离的增大，发射强度也会随着变弱。 因此，随着距离的增大，被测目标接收到的信号辐射角度会变小。、随着测量 单元和被侧目标t a g 之间距离的增大，发光二极管的发射信号强度变小，辐射角度 也随之减小，此原因导致被测目标t a g 接收到的辐射角度变小。但是并不知道这会 对到达角度的测量产生怎样的影响，所以接下来进行了第二个实验。 第二步 实验目的：测量被测目标t a g 的到达角度 实验原理如下： 被测目标的到达角度在实验中为设为3 0 。，而被测目标t a g 与测量单元的距 离先设定为1 0 0 e m 。当测量单元每转动过5 。，他就发送一个相应的角度信号，如 图4 9 所示。为了得到到达角度值，定义测量单元接收到的一系列角度的算术平均 值为被测目标t a g 的到达角度。 被测目标 暑 u o o 旋转终止角度9 0 。 i初始旋转角度o 。 l i 测量单元 图4 9 实验原理 实验结果显示被测目标t a g 接收到的角度有2 0 。，2 5 。，3 0 。，3 5 。，4 0 。 和4 5 。六个值，它们的算术平均值为3 2 5 。 ( a o a = 生学) 、 n 。 ao a ：圣q 三! ! q ! ! ! q 兰! ：3 2 5d e g 1 3 ( 4 - 5 ) 室内定位系统方法设计 接下来，被测目标t a g 的到达角度设定为6 0 。，而其他条件都不变。 示被测目标t a g 接收到的角度为4 5 。，5 0 。，5 5 。，6 0 。，6 5 。，7 0 。， 8 0 。，所以被测目标的到达角度为6 2 5 。 ( a o a ) = 4 5 + 5 0 + 5 5 + 6 0 百+ 6 5 + 7 0 + 一7 5 + 8 0 = 6 2 5 d e g 结果显 7 5 。和 ( 4 6 ) 这一结果说明这种到达角度测量方法得到的误差为2 5 。，对于精度要求一般 的定位系统，这一精度是可以接受的。当到达角度设为3 0 。时，接收到了6 个角 度；当到达角度设为6 0 。时，接收到了8 个角度，这可能是因为系统误差。 为了观察定位精度与距离之间的关系，将测量单位与被测目标之间的距离设 为5 0 e m ，而其他条件都保持不变，在进行一次实验，来观察实验结果。 当被测目标t a g 的到达角度为3 0 。时，它接收到的角度从1 0 。开始，到5 5 。 结束，因此到达角度为： aoa：10+15+20+25+30+35+40+45+50+55：325deg(4-7) 1 0 一 。 当被测目标t a g 的到达角度为6 0 。时，它接收到的角度从4 0 。开始，到8 5 。 结束，因此到达角度为： aoa：40+45+50+55+60+65+70+75+80+85：625d625e g ( 4 8 )= = e g( 4 - 8 ) 8 _。 这一结果证明定位结果并没有因为被测目标t a g 和测量单元之间的距离变化 而剧烈变化。分析这一原因，是因为将到达时间定为取这一系列接收角度的算术 平均值。 分析实验会发现另一些问题。首先是如果红外发光二极管的辐射角度太大， 这一方法将没有可行性，因此，此方法的基本要求是所选红外线放光二极管的辐 射角度尽量小，而传输距离尽可能远。例如考虑一种极端情况，当被测目标的到 达角度比红外线发光二极管的辐射范围小时，例如图4 1 0 所示： 第四章测量到达角度方法的提出及实验 4 7 初始旋转角度0 。 被测目标 测量单元 图4 1 0 测量中的特殊问题 图中，到达角度为3 。，而发射器的辐射角度为( 1 0 。，1 0 。) ，所以当发射 器一开始工作，被测目标t a g 就可以接收到信号，而在这种情况下，算术平均值对 到达角度的计算没有意义。而解决这一问题的一个方案就是使用辐射角度小的发 光二极管发射信号，例如下图4 1 1 所示的h i r 3 3 3 。这种二极管的辐射半角仅为8 。，如果被测目标t a g 在一开始就收到红外信号，或者直到最后才接收到红外信号， 我们就不使用算术平均值算法，而是规定发光二极管的辐射半角的二分之一为到 达角度。这样，对于h i r 3 3 3 ，到达角度的最大误差为4 。，这样会使到达角度的 测量精度有所提高。 4 8 室内定位系统方法设计 4 4 实验结论 图4 1 1h i r 3 3 3 的辐射强度v s 辐射角度分布 根据上述实验过程，得出以下结论： ( 1 ) 被测目标t a g 所接收到的辐射角度范围与发射端红外发光二极管的辐射特性 相关，发光二极管的辐射角度越大，被测目标t a g 接收到的角度范围越宽。 ( 2 ) 而被测目标t a g 所接收到的角度范围与测量单元和被测目标t a g 的距离相关， 当距离增大时，由于信号强度变弱，使接收角度范围变小。 ( 3 ) 在没有干扰的情况下，如果测量单元每转动5 。发送一次到达角度时，测量结 果会有2 5 。误差。 ( 4 ) 考虑到当被测物体所处的位置很不便于这种方法的使用时，选用辐射角度小 的二极管会使误差变小。 4 5 小结 在这一章中，提出一种测量到达角度( a o a ) 的方法，并在此的基础上做了 相关实验。关于到达角度的测量，目前有很多方法，如4 2 中介绍的圆形天线阵列 法和红外线技术。根据分析这些方法的特点，提出了一种新的测量到达角度的方 法。这种方法使用红外线技术，利用红外线信号传输过程中的低辐射角度的性质， 测量被测物体的到达角度。 11j一。一一cd一心【)似渺|1。一眨 第五章结论 4 9 第五章结论 定位技术是一项非常古老而于人类生活息息相关的技术。随着人类社会的发 展，它变得越来越重要，应用也越来越广泛。定位技术在商业，公共安全，卫生 医疗，抢险救灾等方面都发挥着重要作用。而这篇文章对定位系统的研究正是基 于这一背景下进行的。 目前，为了适用于各个领域，市面上出现了多种类的定位系统。总的来说， 可以将它们分为室内定位和室外定位系统。g p s 是最为成功的室外定位系统，很 多产品都是基于g p s 的基础上开发的。但是，室内环境的阻挡物过多，信号衰减 严重，使得g p s 等产品用于室内时不能满足人们的定位需求。因此，室内定位需 要适合自身的技术。 随着人们对室内定位的需求不同，室内定位系统也各具特点，有的造价高但 是可以提供高精度的定位信息，有的精度一般但是成本却大大降低。而在这篇文 章中，研究倾向于提供一种低成本的定位方法。 这种定位方法是结合到达时间和到达角度的方法，这种混合定位方法只需要 两个测量单元就可以得到被测物体的三维位置，所以它具有部署简单的优点。而 测量单位必须改进成可以旋转的装置，而这一定位过程由两个旋转周期组成，这 样避免了超声波发生器之间的互相干扰，并可以得到所需的所有参数。而在精度 上，经过仿真和实验证明，这种方法的定位精度是可以接受的。 除此之外，为了用更为简单地方法测量到达角度，提出了一种测量到达角度 的方法，并且进行了试验，用这一方法测量被测物体的二维到达角度。而实验结 果证明此方法可行。 当然，这篇论文也有没有完成的地方和不足，由于时间所限，本文没有将设 计的测量单元硬件实现，这一设计的实现正由日本殛公司进行。 致谢 5 l 致谢 两年多的硕士研究生生活转瞬即逝，手捧自己的论文，回顾这段紧张而又充 实的学习，留学时光我感触颇深。 首先我要感谢我的父母，长久以来他们从物质和精神上对我关怀和支持给予 了我巨大的动力。 其次，我要衷心地感谢我的导师庄奕琪教授。庄老师学识渊博、治学严 谨、工作一丝不苟、待人和蔼可亲。他严于律己、宽以待人的优秀品质，为人师 表的工作态度，强烈的事业心，饱满的工作热情，诲人不倦的师长风范深深地影 响了我的研究生生涯，并将继续指引我的求知之路。 另外我非常的感谢在日本早稻田大学留学期间的指导老师马场孝明，他让我 加入了与x x 公司合作的室内定位系统方法设计的研究工作。同时还有在马场实 验室的所有前辈，有他们的指导，我在日本的学习到更多知识。再次向他们表示我 深深的谢意。 最后，感谢我的宿舍的三位好友苏佳、李嫒媛和张文娟，有了你们，我的求 学之路才变得丰富多彩，阳光明媚! 参考文献 5 3 参考文献 1 k r z y s z t o fw k o l o d z i e ja n dj o h a mh j e l m ，“l o c a t i o np o s i t i o n i n gs y s t e m s ”，2 0 0 6b y c r cp r e s s 【2 h u il i u ，h o u s h a n gd a r a b ia n dp a tb a n e r j e e ，“s u r v e yo fw i r e l e s si n d o o rp o s i t i o n i n g t e c h n i q u e sa n ds y s t e m ”，i e e et r a n s 、，0 1 3 7 ，n o 6 ，n o v 2 0 0 7 3 】j e f f r e yh i g h t o w e ra n dg a e t a n ob o r r i e l l o ，“as u r v e ya n dt a x o n o m yo fl o c a t i o n s y s t e m sf o ru b i q u i t o u sc o m p u t i n g ”，t e c h n i c a lr e p o r t , u w - c s e0 1 0 8 - 0 3 ，a u g 2 0 0 】 【4 】l a no p p e r m a n n ，m a t t i h a m a l a i n e na n dj a i l l i n a t t i ，“u w bt h e o r ya n d a p p l i c a t i o n s ”，2 0 0 4 【5 】s h i g e r uo z e k i ，y a s u t os u m i y aa n dm a s a y u k is h i r a k a w a , “a o am e a s u r e m e n te r r o r u n d e rt h ea n t e n n ac o u p l i n g s ”，i e e et e n c o n d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g a p p l i c a t i o n s ，19 9 6 6 】c h u n h u a nl e e , y u s h i nc h a n ga n dg u n h o n gp a r k , “i n d o o rp o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e d o ni n c i d e n ta n g l e so fl n f r a r e de m i t t e r s ”， 【7 】d o - e u nk i m ，k y u n g - h u nh a n g ，d o n g - h u nl e ea n dt a e - y o u n gk u c ，“as i m p l e u l t r a s o n i cg p ss y s t e mf o ri n d o o rm o b i l er o b o ts y s t e mu s i n gk a l m a nf i l t e r i n g ， s i c e - i c a s e ，i n t e r n a t i o n a lj o i n tc o n f e r e n c e ，2 0 0 6 【8 8 m u z a f f e rk a n a a na n dk a v e hp a h l a v a n ，“ac o m p a r i s o no fw i r e l e s sg e o l o c a t i o n a l g o r i t h m si nt h ei n d o o re n v i r o n m e n t ，”i np r o c i e e ew l r e l e s sc o m m u n 。n e t w c o n f ，2 0 0 4 ，v 0 1 1 9 】k p a h l a v a n ，x l i ，a n dj m a k e l a , “i n d o o rg e o l o c a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，” i e e ec o m m u n m a g ，v 0 1 4 0 , n o 2 ，f e b 2 0 0 2 【10 】w e n h u al ia n dp e i g u ol i u ，“3 da o a t d o ae m i t t e rl o c a t i o nb yi n t e r g r a d e d p a s s i v er a d a r g p s i n ss y s t e m s ”， 11 e s k oo d i j k ，c h ( k e e s ) v a nb e r k e la n dr o n a l dm a a r t s ，“a3 - di n d o o r p o s i t i o n i n gm e t h o du s i n gas i n g l ec o m p a c tb a s es t a t i o n ，p r o c e e d i n g so ft h e s e c o n di e e ea n n u a lc o n f e r e n c eo np e r v a s i v ec o m p u t i n ga n dc o m m u n i c a t i o n s ， i e e e ，2 0 0 4 【1 2 c h i n - d e rw a n n ，y i j i n gy e ha n dc h i h - s h e n gh s u e h ， h y b r i dt d o a a o ai n d o o r p o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gu s i n ge x t e n d e dk a l m a nf i l t e r s ”，i e e e ，2 0 0 6 【13 】t a y f u na y t a ca n db i l l u rb a r s h a n ，“d i f f e r e n t i a t i o na n dl o c a l i z a t i o no ft a r g e t su s i n g i n f r a r e ds e n s o r s ”，e l s e v i e rs c i e n c eb v2 0 0 2 【1 4 】c h a n g l i nm a ，r k l u k a s ，a n dgl a c h a p e l l e ，“a ne n h a n c e dt w o - s t e pl e a s t s q u a r e da p p r o a c hf o rt d o a a o a w i r e l e s sl o c a t i o n ”，i e e e ，2 0 0 3 【15 m i k eh a z a sa n da n d yh o p p e r , “b r o a d b a n du l t r a s o n i cl o c m i o ns y s t e m sf o r 5 4 参考文献 i m p r o v e d i n d o o r p o s i t i o n i n g ”，i e e e t r a n s a c t i o n so nm o b i l e c o m p u t i ng ，v o l 5 ，n o 5 ，m a y2 0 0 6 【16 】j i z h o uw a n g , “d a t af u s i o n m e t h o d so fw i r e l e s s l o c a t i o n ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，10 0 4 3 7 3 x ( 2 0 0 7 ) 0 1 0 4 6 一0 4 【17 k p a h l a v a n ，x l ia n dj m a k e l a , “i n d o o rg e o l o c a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ， i e e ec o m m u n m a g ，v 0 1 4 0 ，n o 2 ，f e b 2 0 0 2 【18 m k a n a a na n dk p a h l a v a n ，“ac o m p a r i s o no fw i r e l e s sg e o l o c a t i o na l g o r i t h m si n t h ei n d o o re n v i r o n m e n t ”，i np r o c i e e ew i r e l e s sc o m m u n n e t w c o n f ，2 0 0 4 19 】