基于Delphi的室內多目標超聲波定位系統設計

　　本系統利用超聲波對多個(gè)目標測距，采用TOA修正算法對數據進(jìn)行處理，上位機以Delphi為開(kāi)發(fā)平臺，完成了對室內小范圍的超聲波定位，可實(shí)現對多個(gè)目標位置的實(shí)時(shí)顯示。測量精度高，抗干擾強，同時(shí)有不受被定位物體形狀、材料限制等優(yōu)點(diǎn)?？蓱糜谛》秶苿?dòng)目標的位置測定或導航，如室內小動(dòng)物的跟蹤，研究掌握其生活習性等。

　　系統工作原理

　　系統由上位機，下位機，紅外發(fā)射模塊，超聲波接收模塊以及超聲波發(fā)射模塊組成，其中被定位物體上有超聲波發(fā)射模塊與紅外接收模塊結構框圖如圖1所示。

　　下位機(單片機)與上位機(微機)通過(guò)USB轉串口模塊(PL2303)相連，上位機通過(guò)串口向下位機發(fā)送被定位物體的地址編號。數據經(jīng)下位機傳入紅外發(fā)射模塊觸發(fā)相應待定位物體。被選中物體接收到觸發(fā)信號立即發(fā)射超聲波，三個(gè)超聲波接收模塊經(jīng)通道選擇電路與處理芯片相連，每次只有一個(gè)超聲波模塊與處理芯片聯(lián)通。其中通道選擇電路由門(mén)電路組成，控制總線(xiàn)則為單片機的幾個(gè)I/O口，控制通道開(kāi)關(guān)。最后，下位機將超聲波傳播的時(shí)間通過(guò)串口發(fā)回上位機處理。

　　系統軟件設計

　　定位算法

　　首先，需要將立體問(wèn)題轉化到二維平面上以方便計算。ABO三個(gè)超聲波接收頭及待定位物體情況如圖2所示。三個(gè)接收頭放在距地面高為H，形狀為等邊直角三角形。結合單片機定時(shí)器發(fā)回的三個(gè)時(shí)間以及聲速，可分別確定距離r1 、r2和r3。r=v*t。 已知高度H，通過(guò)勾股定理分別算出投影R1，R2，R3。平面圖如圖3所示。至此，問(wèn)題轉化為已知?A'B'O'，R1、R2和R3，定位T(X,Y)的坐標。

　　(1)TOA基本算法

　　主流的定位算法主要有四種：基于到達時(shí)間(TOA)的方法、基于到達時(shí)間差(TDOA)的方法、基于到達角度(AOA) 的方法和基于接收信號強度(RSSI)的方法。結合本系統的定位原理，已知聲速和超聲波傳播的時(shí)間，可利用基于TOA的三邊測量法解得點(diǎn)T的坐標。但實(shí)際中由于超聲波接收頭精度問(wèn)題，出現誤差則三圓無(wú)法交于一點(diǎn)，造成定位失敗。此外，此基礎上的Caffery 算法編程難度較大，運算量大，難以符合本系統實(shí)時(shí)多目標定位的要求。

　　(2)TOA修正算法

　　多方面對比，考慮到三邊測量法的公式由于不是線(xiàn)性，所以求解并不容易，利用海倫公式解三角形法成為一種比較優(yōu)化的算法。該方法避免了冗長(cháng)的方程推導，簡(jiǎn)潔的利用各個(gè)三角和測距的關(guān)系，完成了定位。在?A'OT中，周長(cháng)已知，其面積S1由以下海倫公式得出。