基于Delphi的室內(nèi)多目標(biāo)超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)利用超聲波對多個(gè)目標(biāo)測距，采用TOA修正算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，上位機(jī)以Delphi為開發(fā)平臺，完成了對室內(nèi)小范圍的超聲波定位，可實(shí)現(xiàn)對多個(gè)目標(biāo)位置的實(shí)時(shí)顯示。測量精度高，抗干擾強(qiáng)，同時(shí)有不受被定位物體形狀、材料限制等優(yōu)點(diǎn)。可應(yīng)用于小范圍移動(dòng)目標(biāo)的位置測定或?qū)Ш?，如室?nèi)小動(dòng)物的跟蹤，研究掌握其生活習(xí)性等。

　　系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)由上位機(jī)，下位機(jī)，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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　下位機(jī)(單片機(jī))與上位機(jī)(微機(jī))通過USB轉(zhuǎn)串口模塊(PL2303)相連，上位機(jī)通過串口向下位機(jī)發(fā)送被定位物體的地址編號。數(shù)據(jù)經(jīng)下位機(jī)傳入紅外發(fā)射模塊觸發(fā)相應(yīng)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電路組成，控制總線則為單片機(jī)的幾個(gè)I/O口，控制通道開關(guān)。最后，下位機(jī)將超聲波傳播的時(shí)間通過串口發(fā)回上位機(jī)處理。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　定位算法

　　首先，需要將立體問題轉(zhuǎn)化到二維平面上以方便計(jì)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(jié)合單片機(jī)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，通過勾股定理分別算出投影R1，R2，R3。平面圖如圖3所示。至此，問題轉(zhuǎn)化為已知?A'B'O'，R1、R2和R3，定位T(X,Y)的坐標(biāo)。

　　(1)TOA基本算法

　　主流的定位算法主要有四種：基于到達(dá)時(shí)間(TOA)的方法、基于到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的方法、基于到達(dá)角度(AOA) 的方法和基于接收信號強(qiáng)度(RSSI)的方法。結(jié)合本系統(tǒng)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(biāo)。但實(shí)際中由于超聲波接收頭精度問題，出現(xiàn)誤差則三圓無法交于一點(diǎn)，造成定位失敗。此外，此基礎(chǔ)上的Caffery 算法編程難度較大，運(yùn)算量大，難以符合本系統(tǒng)實(shí)時(shí)多目標(biāo)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。該方法避免了冗長的方程推導(dǎo)，簡潔的利用各個(gè)三角和測距的關(guān)系，完成了定位。在?A'OT中，周長已知，其面積S1由以下海倫公式得出。