专利名称：无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统的制作方法
技术领域：
无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统技术领域：
[0001]本实用新型属于无线立体定位技术领域，特别涉及一种无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统。背景技术：
[0002]超声波测距定位是一种非接触式测量技术，并以其测距精度高、指向性强、能量消耗低和对电磁场不敏感等特点在测距定位上得到普遍使用。有线超声波定位系统可由一个目标节点和若干个参考节点组成，在微机指令信号的作用下参考节点通过有线介质向目标节点发射电信号，目标节点在收到电信号后同时向参考节点发射超声波信号，从而根据指令信号与超声波到达的时间差计算出待测距离。最后利用三个或三个以上不在同一直线上的参考节点，通过相关计算法则确定出目标节点的位置。但此种定位方式也存在一定的局限性，有线介质的引入限制了系统的可扩展性，无法应用于不适合布线或布线成本较高的环境。[0003]无线超声波定位技术具有免于布线、不受空间限制和可大规模扩展等优势。无线超声波定位系统中，超声波收发节点之间的时间同步是进行精确定位的关键所在。在有线方式下，一个微控制器利用定时器完全可以实现从发射控制到接收中断时间上的严格控制，但无线方式下，目标节点与多个参考节点各有其自身系统时钟，这些本地时钟并不精确同步，总是存在一定的时间误差，因而不能直接根据时间间隔来计算，必须对测量数据进行综合补偿，对时钟差异适当修正。时间同步问题成为基于无线传感器网络的超声波立体定位系统中一道必须突破的难关。[0004]本实用新型将超声波精确定位的优势与无线传感器网络相结合，为立体定位技术提供一个协同定位的新思路，并提出一种简单可靠的时间同步机制，实现目标节点在测量空间内的高精度立体定位。
发明内容[0005]本实用新型的目的是提供一个无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统，并设计出相应时间冋步机制，能够解决无线定位系统中普遍存在的节点时钟不冋步的问题，实现目标节点在测量空间内的高精度立体定位。[0006]本实用新型系统硬件包括[0007]目标节点I:由射频模块、超声波模块、控制器模块、电机驱动模块和电源模块五部分组成，接受遥控器节点6的指令做出相应动作，可在被测空间内中自由移动；[0008]参考节点2、3、4、5 :由射频模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成，负责对超声波信号进行接收和解调，获得目标节点I与参考节点2、3、4、5的四组距离信息；[0009]遥控器节点6 :由射频模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成，负责发出遥控指令，指挥目标节点I做出左转、右转、前进、停止等动作；[0010]基站节点7 :由射频I旲块、液晶显不I旲块、控制器I旲块、串口I旲块和电源I旲块五部分组成，实现数据处理和空间坐标计算等功能。设计出一种适用于无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统的时间同步机制，其特征在于目标节点I分别和参考节点2、3、4、5进行共四次握手通信，通过计算消除固有时间误差，统一全局时间基准，精确测距。并利用改进的质心法算法实现目标定位，定位精度可达1cm。在整个网络中，目标节点I和各参考节点2、3、4、5各自维护一个本地时钟，但是各个节点的本地时钟并不是严格同步。假设目标节点I与参考节点2、3、4、5分别存在固有的系统时钟差1\_2、1\_3、1\_4、1\_5。不失一般性，以目标节点I和参考节点2为例，设无线电波在空气中的传播时间为目标节点I无线激发后的时刻记为ta2，信号经过空气传播到达参考节点2接收后的时刻记为te2。目标节点I首先向参考节点2发送一个请求信号，根据上述参数设定，有ta 2+At1^2 = t Ji2-T1^2参考节点2收到目标节点I的信号后立即向目标节点I回发一个用于确认的无线信号，从而完成目标节点I与参考节点2之间的一次握手通信。将参考节点2信号激发后时刻记为tY2，经空气传播在目标节点I接收后时刻记为tS2，则有= tS2-IV2联立以上两个等式，经过计算可以得到无线电信号在空气中的传播时间Atl_2和目标节点I与参考节点2的时钟差IV2 Δ t!_2 = (tg2+tδ2-tY2-ta2)/2T1^2 = (t02+tY2-ta2-t52)/2同理利用上述方法，再经过三次握手通信，可以测量出参考节点3、4、5与目标节点I之间的时钟差1\_3、1\_4、IV5 IV3 = (tgg+ty 3-t a3-t53)/2T1^4= (tfi4+tY4-ta4-t54)/2 \_5 = (t05+tY 5-t a 5_t s 5) /2然后就可利用时钟差进行网络同步调整，全局统一时间基准，从而实现精确实时的立体定位。本实用新型的优点和积极效果与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和积极效果第一，本实用新型利用无线传感器网络和超声波协同作用实现立体定位，避免了传统有线方式导致的布线复杂、空间受限等问题，扩展了定位系统的应用范围，易于推广。第二，由于目标节点与多个参考节点具有各自的系统时钟，利用有线定位方式中时间间隔方法来测距是不可实现的。本实用新型创新地提出一种适合无线定位系统的时间同步机制，通过四次握手通信消除固有时间误差、统一全局时间，可有效解决节点间的时间不同步问题，为系统的准确性和实时性提供有力保证。第三，将无线传感器网络技术应用于无线立体定位，定位系统中的目标节点和参考节点以自组织无线方式形成网络，只要增加参考节点的数目就可以扩大定位的范围，而该时间同步机制在扩大后的定位范围内仍然适用。[0029]
[0030]图I是无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统参考节点分布图；[0031]图2是无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位原理示意图；[0032]图3a是目标节点硬件结构图；[0033]图3b是参考节点及遥控器节点硬件结构图；[0034]图3c是基站节点硬件结构图；[0035]图4是时间同步机制不意图；[0036]具体实施方式[0037]实施例I :[0038]本实用新型提出的无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统的实际被测目标空间范围是一个4. OmX4. OmX2. Om的立体空间，空间顶端使用三脚架固定九个参考节点，如图I所示。九个节点将被测空间分成4个2. OmX2. OmX2. Om的定位单元。[0039]以其中一个单元为例，图2显示了该单元内超声波立体定位系统结构图。其中目标节点I选用电动小车作为其载体，可在被测空间内中自由移动；空间顶端固定放置四个参考节点2、3、4、5 ;空间外侧利用遥控器节点6控制目标节点I的前进、后退、左右转弯、停止等功能；基站节点7负责接收参考节点2、3、4、5所传输的距离数据，实现数据处理和空间坐标计算。[0040]目标节点I由无线收发模块、超声波模块、控制器模块、电机驱动模块和电源模块五部分组成，如图3a所示；参考节点2、3、4、5和遥控器节点6由无线收发模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成，如图3b所示；基站节点由无线收发模块、液晶显示模块、控制器模块、串口模块和电源模块五部分组成，如图3c所示。[0041]图4是本实用新型设计的时间同步机制示意图，该机制通过目标节点与参考节点之间进行握手通信来消除固有时间误差，统一网络节点时间。节点间的无线信号传输可以分解成无线激发、无线传播、无线接收三个过程，并假设目标节点I与参考节点2、3、4、5分别存在固有的系统时钟差1\_2、1\_3、1\_4、1\_5。[0042]以目标节点I和参考节点2为例，设无线电波在空气中的传播时间为Atl_2，目标节点I无线激发后的时刻记为ta2，信号经过传播在参考节点2接收后的时刻记为te2。目标节点I首先向参考节点2发送一个请求信号，根据上述参数设定，有[0043]ta2+At 卜2 = td[0044]参考节点2收到目标节点I的信号后立即向目标节点I回发一个用于确认的无线信号，从而完成目标节点I与参考节点2之间的一次握手通信。将参考节点2信号激发后时刻记为tY2，经空气传播在目标节点I接收后时刻记为tS2，则有[0045]tY2+A V2 = t S2-IV2[0046]联立以上两个等式，经过计算可以得到无线电信号在空气中的传播时间Atl_2和目标节点I与参考节点2的时钟差IV2 [0047]Δ t!_2 = (t02+tδ2-tY2-ta2)/2[0048]T1^2 = (t02+tY2-ta2-t52)/2[0049]同理利用上述方法，再经过三次握手通信，可以测量出参考节点3、4、5与目标节点I之间的时钟差1\_3、i\_4、IV5 [0050]IV3 = (tgg+ty 3_t α 3_t S 3) /2T1^4= (tfi4+tY4-ta4-t54)/2IV5= (t05+tY 5-t a 5_t s 5) /2在此基础上就可统一全网节点的时间基准，实现对目标的有效立体定位。定位时首先分别获取目标节点I和参考节点2、3、4、5之间的距离信息，然后通过融合、打包发送到基站节点7，基站节点7将对数据包进行解析、提取和处理。本系统采用基于质心法的改进算法，先判断四个距离的大小，根据大小顺序去除掉距离最远点，仅使用最近三点的测距信息计算，得到最终的立体定位结果。
权利要求1.一种无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统，该系统硬件包括目标节点I:由射频模块、超声波模块、控制器模块、电机驱动模块和电源模块五部分组成，接受遥控器节点6的指令做出相应动作，可在被测空间内中自由移动；参考节点2、3、4、5 :由射频模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成，负责对超声波信号进行接收和解调，可获得目标节点I与参考节点2、3、4、5的四组距离信遥控器节点6 :由射频模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成，负责发出遥控指令，指挥目标节点I做出左转、右转、前进、停止等动作；基站节点7 :由射频模块、液晶显示模块、控制器模块、串口模块和电源模块五部分组成，实现数据处理和空间坐标计算等功能。
2.根据权利要求I所描述的无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统，其特征在于目标节点I分别和参考节点2、3、4、5进行共四次握手通信，通过计算消除固有时间误差，统一全局时间基准，精确测距，定位精度可达1cm，解决在整个网络中，目标节点I和各参考节点2、3、4、5各自维护一个本地时钟，但是各个节点的本地时钟并不是严格同步问题。
专利摘要一种无线传感器网络和超声波协同作用下的立体定位系统，属于无线立体定位技术领域。该系统涉及一种高效可靠的时间同步机制，通过目标节点和参考节点之间的四次握手通信，确保全局网络节点保持相同时间基准，以获取准确的距离信息，并利用基于质心法的改进算法确定目标节点位置，从硬件和软件上实现了目标节点在测量空间内的高精度立体定位。本实用新型克服了有线方式超声波立体定位系统的布线复杂以及无线方式中因为网络节点时钟不同步而导致的定位精度差等问题，适用范围广，可扩展性强。
文档编号G01S5/18GK202750234SQ20122036707
公开日2013年2月20日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者孙桂玲, 左杰, 李洲周, 杨长锐, 张颖, 李晓晨 申请人:南开大学