测控技术与仪器开题报告怎么写

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  题 目: 室内超声波定位系统设计

  学生姓名:

  学 号:

  学 院: 机械与装备工程学院

  专 业: 测控技术与仪器

  班 级:

  指导教师:

  河北工程大学

  2020年 4 月 15 日

  河北工程大学毕业设计(论文)开题报告

  题目室内超声波定位系统设计

  学生姓名 班级学号 专业

传感器技术


  一、选题的研究背景及意义

  随着移动互联网的蓬勃发展和智能硬件产品的不断普及,以GNSS为代表的室外定位技术为人们的生活、生产带来了极大的方便,如GNSS地图导航,基于位置的餐饮、娱乐等信息服务,城市交通管理,工业测量等。但是,由于GPS的民用定位精度只有10m左右,并且受限于复杂的室内环境,GNSS等定位技术并不能较好地用于室内定位。


  与此同时,在室内场合也存在很多广泛切实地定位需求。比如,商场、停车场、矿井、仓库、虚拟现实游戏等环境中,常常需要确定商品、车辆、人员、设备、头盔等在室内的位置信息。比如,商场的货品定位、停车场的车位导航、矿井人员的安全监控、贵重物品的定位追踪、虚拟现实头盔的定位等等。在包括上述场合的很多室内环境中,室内定位都具有很大的应用价值,它能为普通用户提供方便快捷的生活体验;为诸如零售、能源、机器人、虚拟现实等行业提供位置信息,促进企业的迭代升级和生产效率的提升。


  从定位精度上来说,室内定位分为米级(1~10米)、亚米级(0.5~1 米)、分米级(0.1~0.5米)和厘米级(0.01~0.1 米)。查阅资料得知,室内定位的商业价值跟定位的精度是成正相关的,定位的越精确,能提供的服务质量就越高,应用的方向也越多,产生的产业价值也越大。


  目前,国内外研究室内定位的技术主要有WiFi、蓝牙、超宽带、Zigbee、红外线、射频识别、超声波等技术。但是成熟稳定且能满足高精度的室内定位系统还比较少,并且还存在成本高,功耗大的问题,因此,研究一种在保证成本低,功耗小的前提下,具有高精度、高实时性的室内定位系统有着十分重要的意义。本课题的构想就是设计一个应用在室内的定位系统,实现对室内目标体的精准定位。

  自从物理学研究方面发现了反压电效应与压电效应这个基本原理以后,利用电子学的技术产生超声波这种方法被彻底解决了,此后超声波技术在各种生活实际和工厂应用中得到了极其普遍的运用。所以在超声波测距领域,以及超声波定位领域,结合其他各种高新技术的使用,超声波测量技术变得越来越普及。


  超声波有很多的优势,与声波进行比较,超声波具有聚集的能量、良好的定向方向、非常小的传输过程衰减、强大的反射能力等。而且超声波传感器具有低廉的价位、简单的结构、小巧的体积、可靠简单的信息处理方式,所以比较容易集成化和小型化。超声波是沿着直线方向进行传播的,它具有很好的方向性,可以在各种介质中传播较远的距离,同时它在传播过程中消耗的能量少而且缓慢,因此超声波广泛使用在各种对距离进行测量的物体和场合中,比如本文设计的以超声波测距技术为基础的超声波定位系统就是利用超声波来实现距离的测量和最终目标体的定位。一般情况下,使用超声波来实现测距和定位是一种快速、便捷、构造和计算都很简单并已得到成熟运用的方法。


  二、国内外研究现状

  欧美国家在室内定位系统的研究上起步较早,研究理论相对成熟,本文收集了一些国外早期重要研究成果以及近年来发表的文章作为理论依据进行研究学习。1999年,剑桥AT&T实验室开发的Active Bat系统,是采用超声波传输的时间延迟技术。制器发送射频请求包的同时,利用有线网络向传感器发送同步复位信号。定位目标携带的Active Bat标签收到射频请求包后,向传感器发射超声脉冲。传感器测量出从复位到超声到达的时间间隔,计算出标签到它的距离,并提交控制器。控制器根据多个距离测量值计算时间延迟来定位。该系统能够以95%的概率,将定位误差控制在9cm范围内。2000年剑桥AT&T实验室又开发了Cricket位置系统,Cricket比Active Bat的精度略差些,在房间内它能精确定位在4×4平方英尺(大约1.5m2 )的范围内。Cricket的优点是具有私密性和对分散物体的可测量性。


  2003年,东京大学设计的Dolphin。它的基本定位原理和Active Bat、Cricket这两个系统是相似的,不同之处在于大范围精确定位时,Active Bat系统和Cricket系统需要预先确定大量超声发射器和接收器的位置,而Dolphin系统只需少量,然后依据一种递归的算法来依次定位,这样就降低了构造和操作成本。其定位误差在15cm左右。


  Xingqi Chen提出了一种具有1个未知节点和4个信标节点的室内超声定位系统,主要应用于室内移动机器人的自动运动。实验结果表明,该定位系统的校正精度可达1cm,具有良好的稳定性。


  Catia Real Ehrlich等人提出了一种基于智能手机的室内定位的方法。这种方法的新颖性是基于多传感器智能手机进一步研究建筑物内部强大的实时行人室内定位。David Gualda等人提出了一种校准信标位置的算法。为了找到信标位置的最佳估计,基于使用遗传算法和和声搜索方法实现了数值最小化。


  Vervisch-Picois Alexandre等人提出了一种允许通过距离变化测量进行室内定位的算法。在该文中,讨论了适用于GNSS接收机使用的最小二乘算法的局限性,并提出了一种详细研究这些局限性的方法。近年来,国内也兴起了对室内定位的研究,很多学者和科研机构也进行了卓有成效的开发和应用。尽管室内定位的方法有很多种,由于本文已确定采用基于超声波的室内定位系统,因此在查找资料时,主要针对各类应用超声波定位技术及相关研究论文。


  徐盛良等人提出了一种结合超声波和射频技术的室内网格定位方法。首先,读取中心定位基点的信号强度确定出区块,然后进行超声波测距,最后经过上位机解算实时显示在上位机界面上。实验结果表明,显著降低了功耗,并实现了定位偏差不大于5cm的定位精度。


  潘丽杰等人提出使用Si4432无线透传模块实现定位装置的无线通信,通过三边定位的方法求得目标点坐标,并通过均值滤波得到更精度的定位结果。


  代森在其论文中提出了超声波与虚拟现实设备结合的定位系统,在室内搭建一套超声波定位系统的设备,然后虚拟现实设备在其搭建的系统中发射信号,系统进行信号捕捉和准确定位并显示在上位机上。

  漆军等人提出了一种基于无线传感器和超声波的室内定位系统。实验结果表明距离误差可以达到2mm,系统抗噪声能力提升,提高了系统的精度,实验效果明显。


  李冰在其论文中对软件和硬件都进行了优化。硬件方面采用十字点状激光发射器进行装置矫正,节省硬件成本,软件方面通过扩频、编码、调制将通信功能加载到超声波中。实验显示,误差值在3.8cm以内,精度较高。


  郭俊通过对发射端和接收端安装反射锥改变超声波传播方向,实现全向接收。另外,对定位算法进行了一定的改进,结合Chan算法和Taylor算法实现更高精度的定位,实验证明可以达到4cm的测量精度。谢地基于超声波测距原理,提出的一种高精度室内定位方法,分析研究了产生误差的原因与解决方法,通过线性拟合对测距方程进行校正,减小测量误差;通过对测距值进行限幅滤波与取均值处理,提高数据的准确度;对坐标进行偏差校正,提高定位精度。实验表明,测量定位误差不超过3cm,动态响应良好。


  目前国内外超声波定位技术大都采用反射式测距法,即发射超声波并接受由被测物产生的回波,根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。超声波定位系统由若干应答器和1个主测距器组成。通过阅读国内外超声波定位,系统的文献资料,超声波定位系统具有很强的应用价值,为本文的研究与设计提供了大量理论依据及研究方向。


  三、研究内容

  通过以上研究介绍可知,一套低成本、高精度、布置容易的室内定位系统是有必要的。通过对大量文献的研究方法的阅读,结合当前国内外的各种方法的究进程,综合考虑到系统的经济性、难易程度、定位精度等多方面因素,确定本文的主要研究方向为:无线射频与超声波结合的室内定位系统。


  第一章为绪论,主要阐述课题研究的发展现状、背景、研究意义以及本论文的研究内容第


  二章主要介绍室内超声波定位系统原理。通过介绍超声波以及超声波传感器的物理性质、性能指标等,确定选择压电式的超声波传感器。主要介绍超声波测距方法以及本文的核心内容超声波定位方法。


  第三章是超声波定位系统硬件设计。主要完成超声波发射模块、超声波接收模块和超声波控制模块的设计。在超声波控制模块上集成了RFM12B无线通讯模块以及DS18B20温度测量模块,用来实现对超声波定位系统的测量误差进行补偿和修正。


  第四章设计本文的超声定位方法以及和硬件的电路仿真。研究常用超声定位方法,设计算法流程;利用mutilsim等仿真工具对所设计的部分电路实现仿真。


  第五章对全文进行总结。


  四、进度安排

  1~2周 查阅超声波定位技术的相关资料,完成资料的整理工作;

  3~5周 阅读有关超声波定位的外文资料,进行外文翻译;

  6~7周 对目前超声波定位技术进行系统论证,并选择出本文要用到的芯片;

  8~10周 进行本文的定位系统设计并绘制硬件部分电路图;

  11~13周 论文撰写;

  14~15周 论文修改、查重;

  16周 论文答辩。


  五、参考文献

  [1]赵晴晴,黄亮,傅贤锋等.基于超声波六元阵列测距的WSN节点定位技术研究[J].传感技术学报,2014(3): 368-372.

  [2]李文仲,段朝玉. ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京航空航天大学出版社,2008.

  [3]寇海洲. 基于超声波的定位系统研究与实现[J].数据通信,2008(3) :49-52.

  [4]Jinok Shin,Sanki Ji,Woonghee Shon,Hogil Lee,Kuk Cho,Sangdeok Park. Indoor Hovering Control of Small Ducted-fan Type OAV Using Ultrasonic Positioning System[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems,2011,61(1-4).

  [5]华蕊,郝永平,杨芳.超声波定位系统的设计[J].国外电子测量技术,2009,06:65-67.

  [6]张婷. 超声波定位系统的设计[D].长安大学,2014.

  [7]胡帆. 变电运维现场多目标超声定位系统设计[D].杭州电子科技大学,2015.

  [8]杨彦凯. 基于移动域的超声波室内定位系统的设计[D].石家庄铁道大学,2019.

  [9]周先赞. 基于超声波的室内导航定位方法研究[D].南昌大学,2016.

  [10]祝思文.基于宽带超声传感器的室内定位系统的研究[D].安徽大学,2007.

  [11] Xingqi C, Zhi G. Indoor ultrasonic positioning system of mobile robot based on TDOAranging and improved trilateral algorithm[C]. IEEE, 2017.

  [12] Alexandre V,Nel S. Specific Study of Delta Range Positioning[J].IEEE 2018 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, 2018,6:1-7.

  [13]徐盛良.基于信号强度与超声波测距结合的室内定位系统[D].合肥工业大学,2018.

  [14]代森. 基于超声波室内定位系统的设计与实现[D].西南交通大学,2017.

  [15]李冰.超声波室内定位导航装置的设计与实现[D].哈尔滨理工大学,2017.

  [16]郭俊.基于反射锥超声波定位系统的研究与设计[D].南京邮电大学,2017.

  [17]谢地.基于超声波的高精度室内定位系统研究与实现[D].合肥工业大学,2019.

  [18]Alberto Sanchez,Angel de Castro,Santiago Elvira,Guillermo Glez-de-Rivera,Javier Garrido. Autonomous indoor ultrasonic positioning system based on a low-cost conditioning circuit[J]. Measurement,2012,45(3).

  [19]James B. Dai,Q. Fu,Neville K.S. Lee. Effect of beacon orientation on beacon placement strategies in the ultrasonic positioning system[J]. Robotics and Autonomous Systems,2013,61(6).

  指导教师批阅意见

  指导教师(签名): 年 月 日

标签: 测控技术与仪器开题报告

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