[发明专利]一种基于多普勒效应的室内距离定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及到室内定位相关技术领域，具体的说是一种基于多普勒效应的室内距离定位系统。

技术背景

室外定位技术对于室内来说定位精度较差，在室内环境下使用GPS等室外定位技术往往定位误差大，无法正常工作，难以满足室内位置感知服务的需要。国内外常用的室内定位技术的研究算法主要基于到达时差、到达时间、信号强度、到达角度法、起源蜂窝小区定位技术等几种算法。但是这几种算法的精度不够理想。本发明设计了一种运用超声信号的多普勒效应进行室内距离定位系统，降低了对同步，室内环境的要求，同时提高了定位的精度。以Digilent Basys2 Board FPGA板为处理器的距离定位系统，可用于5*6m²小空间机器人或小车循迹运动等场景。

发明内容

本发明的目的是提供一种实用性强、计算精度高、基于多普勒效应的室内距离定位系统。本发明在电路设计和算法上考虑信号噪声和干扰对距离定位的影响，选择低噪器件，设计低噪电路，具有较强的抗干扰能力，以及较高的计算精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于多普勒效应的室内距离定位系统，包括：

移动信号的发生器，选择高精度稳定的有缘晶振AOCJY系列作为精准时钟源，并通过74HC4017和CD4049数字器件进行分频和驱动；

信号接收器，用以将接收的信号转换为FPGA器件可计算的脉冲信号；通过反馈机制实现可变增益放大电路，将不同幅度的超声信号转换为固定幅度的信号，并设计两级滤波降噪，前置滤波降噪和带通滤波降噪；

信号处理系统，利用FPGA器件接收经过处理后的脉冲信号，通过多普勒频移相关算法计算发射器与接收器之间的距离，实现定位，定位距离计算如下：根据多普勒效应，f_r是接收信号频率，f_t是发射信号频率，v是信号传输速度，v_s是发射系统移动速度，有：令：T_r＝1/f_r，T_t＝1/f_t；有：T_r＝T_t+v_s·T_t/v；令：Δ_t＝T_r-T_t，Δ_d＝v_s·T_t；有：Δ_d＝Δ_t·v，其中：Δ_d为发射端与接收端的距离，Δ_t为相位时间差，设初始收发系统距离为0，那么最后距离就是对每个周期距离Δ_d的累计，可以得到移动发射系统与接收系统实时的距离S_t＝∑Δ_d。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

本发明采用应用较为广泛的多普勒频移相关算法进行室内距离定位。针对移动的发射器，选择高精度稳定的有源晶振器件。在信号接收器的设计上，通过反馈机制实现可变增益放大电路，将不同幅度的超声信号转换为固定幅度的信号。同时设计两级滤波降噪，前置滤波降噪和带通滤波降噪，保证了接收信号的可靠性。采用嵌入式编程实现基于多普勒效应的室内距离定位，提高了定位距离计算的精度。实验结果表明，该定位系统在5*6m²范围的室内房间稳定工作，累计误差在0.2m以下。

附图说明

图1是信号接收系统电路设计图，通过反馈机制实现的可变增益放大电路。

图2是信号处理系统程序设计中信号T_r和T_t的两个周期的计算流程图。

图3是信号处理系统程序设计中计算定位距离的总体流程图。

图4是实验结果误差图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本实例仅限于说明本发明的一种实施方法，不代表对本发明覆盖范围的限制。

本发明一种基于多普勒效应的室内距离定位系统设计，具体的实现过程描述如下：

第一步，发射系统的电路设计。选择高精度稳定的有源晶振AOCJY系列作为精准时钟源，时钟源产生的信号经过74HC4017器件和CD4049数字器件进行分频和驱动，最后将信号传输给天线实现发射系统电路。