全文总字数：3593字

1. 研究目的与意义及国内外研究现状

本设计旨在通过对一种基于超声波到达时间的室内定位系统的设计与实现，并提高其精度，来达到精确定位室内物体的目的。随着大数据和人工智能时代的来临，超声波室内定位技术必将越来越多的应用于各种各样的场合，例如机器人室内清洁、机器人室内营救等等。

当前世界上的户外定位技术已经非常成熟，主要有美国的gps和中国的北斗导航定位系统，但是室内定位系统虽然种类繁多，并且各自拥有不同的优势，也存在一些问题难以解决。比如wi-fi技术易受其他信号干扰，覆盖半径小；蓝牙技术在复杂的空间环境中稳定性稍差，受噪声信号干扰大；红外线技术精度相对较高，但是易受光线干扰，需要天线多以致造价高；超宽带技术具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、定位精确的优点，主要用于移动物体的定位；rfid技术存在一些不便整合以及标准的问题，适用范围受到局限。在对障碍物的定位方面，超声波具有一些突出优点：1.可以识别能够干扰光线定位的物体，2.可用于有烟尘、电磁干扰等恶劣条件的环境中，3.超声波传感器信息处理简单可靠，体积小易于小型化、集成化。本设计通过对超声波室内定位原理的研究以及其精度的测定和提高，有望使超声波室内定位成为人工智能时代室内定位的主流技术。

2. 研究的基本内容

设计并实现一个基于超声波信号到达时间（toa）的超声波室内定位系统，系统由两部分组成，分别是硬件部分和软件部分。硬件部分包括超声波发射和接收电路、温度采集模块和单片机。软件部分完成距离测量和位置计算。

搭建一个三维直角坐标系，设置三个固定节点（由反射性能良好的材料对超声波进行反射）分别位于三个坐标轴上。把单片机作为移动节点，放置在该坐标系中，进行多次测量定位。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

硬件方面，用单片机msp430作为主控板，由移动节点携带，同时主控单片机带有温度采集模块、超声波发射模块、超声波接收模块。超声波发射模块采用一个差分放大电路，对激励信号进行放大来驱动超声波传感器工作。超声波接收模块由信号放大电路、滤波电路和电压比较电路组成。确定一个三维直角坐标系，在坐标轴上设置三个固定节点（由反射性能良好的材料对超声波进行反射）。

软件方面，测量距离采用基于超声波到达时间（toa）距离算法，根据方案选择，采用反射式测距。定位处理利用测得的距离进行三边定位计算，从而得出三维空间中的具体坐标。

主控板发射方波信号激励后，超声波传感器开始发送超声波信号，同时定时器开始计时。主控板接收到反射的超声波后，定时器停止计时，单片机通过测得的超声波的传播时间计算得到自己和固定节点之间的直线距离，对得到的距离进行三边定位计算得到坐标。将移动节点的实际坐标与算得坐标进行对比分析，得出定位误差。

4. 参考文献

[1]韩霜,罗海勇.基于tdoa的超声波室内定位系统的设计与实现.传感技术学报.2010年，第23卷，第3期.

[2]张帆,李文锋.雷斌.mute：一种低成本、高精度的室内超声波定位传感器节点.计算机科学.2007年，第34卷，第9期.

[3]漆军，刘国平.基于无线传感网络和超声波的室内定位系统的设计与实现.控制与决策.2017年5月.