论文总字数：18450字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1.绪论 3

1.1论文研究背景和研究意义 3

1.2室内定位技术的研究现状 3

1.3本文的研究内容和主要工作 4

1.4本文结构 5

2.系统的总体设计 5

2.1引言 5

2.2应用需求分析 5

2.3超声波及传感器 6

2.3.1超声波及其特性 6

2.3.2超声波传感器及其特点 6

2.4超声波测距及定位原理分析 7

2.4.1超声波测距原理 7

2.4.2超声波定位原理 10

2.5系统的总体设计 11

3.系统硬件设计 12

3.1工作流程及总体电路 12

3.2超声波发射电路 12

3.3超声波接收电路 13

3.3.1放大电路 13

3.3.2滤波电路 13

3.3.3电压比较电路 14

3.1.3测温模块DS18B20 14

4.系统软件设计 15

5.实验测试 16

5.1软件测试 16

5.1.1发射仿真测试 16

5.1.2接收仿真测试 17

5.2硬件测试 18

5.2.1发射电路调试 18

5.2.2接收电路调试 19

5.3系统测试 22

5.4误差分析 24

6.总结与展望 24

参考文献 25

致 谢 27

基于超声波到达时间（TOA）的室内定位系统

顾金峰

，China

Abstract

In this paper, the characteristics of ultrasonic wave, the working principle and performance of ultrasonic sensor are introduced in detail by elaborating the research background, research status, significance and application fields of the ultrasonic positioning system. This paper also introduces the principle of ultrasonic ranging and positioning, and analyzes the overall design idea of the system. The hardware part contains the ultrasonic transmitting circuit and receiving circuit, and the temperature measuring module DS18B20. In the software part, this paper analyzes the work flow and software flow of the whole system, and carries out specific programming according to the flow chart.In this paper, the test results and experimental data are analyzed in detail, the system errors in the ultrasonic positioning system are analyzed, and the causes of the measurement error are discussed. Through the experimental results and data analysis, it is determined that this design achieves the expected design goal, and confirms that the ultrasonic indoor positioning system is fully competent for the assumed application scene.

Key words: ultrasonic range location precision

1.绪论

1.1论文研究背景和研究意义

定位技术的发展起自上世纪六十年代美国军方的项目，后来逐步发展为如今的GPS，即全球定位系统。除此以外，还有一些刚刚兴起蓬勃发展的室外定位系统，如中国的北斗、俄罗斯的GLONASS以及欧洲的伽利略系统，这些都是基于卫星的定位技术。其中应用最为广泛的当属最早研发并投入使用的GPS，其室外定位能够达到10m精度，而这相较于全球的范围，已经算是极为精确了，但是受限于复杂的室内环境，基于GPS的GNSS地图导航并不能很好的应用于室内定位。

室外定位技术在如今早已相对较为成熟，于是人们将目光转向室内定位技术领域。促进这一改变的还有需求。需求是促进科技发展的重要推手之一，当今室内定位的巨大需求也是推进着室内定位技术的发展。室内定位技术的可应用场景十分广泛，例如，商场、停车场、地下矿井、机器人室内清洁、机器人室内营救、无人车间、快递机器人智能取件等等。在这些应用场景，室内定位都有极高的应用价值，能够为人们提供快捷方便的生活工作体验；为零售、能源、机器人、工业、快递等行业提供精确有用的位置信息，促进产业企业的发展和社会生产效率的提高。

但是不同于室外定位只考虑精度的特点，室内定位所需要考量的因素有很多，如精度、环境复杂度、设备成本、抗干扰性以及布局实现的难易程度等等。这就造成了当前室内定位技术各显身手、各有千秋的局面。本文的研究也正是在这一现状基础上展开。

1.2室内定位技术的研究现状

随着移动智能设备的普及和大数据、人工智能时代的来临，人们对于智能设备能够实现自主定位的需求越来越大， 特别是在一些地形不够开阔、因物体较多而导致环境复杂的室内，如大型仓库、地下停车场、超市、生产车间等场所中，我们经常需要准确的定位某件物品在室内具体的位置。但是受制于室内的定位精度、响应时间、固定以及移动障碍物等复杂环境条件，目前仍然没有比较完善和普遍适用的定位技术被投入生产生活中。因此，在理论领域方面，国内外的研究者们提出了很多具有可行性的实施方案并积极付诸实践，如AGPS（辅助全球定位系统）技术、红外线技术、蓝牙定位技术、UWB超宽带技术、射频识别技术、超声波技术等。当前研究者们所要做的并不是开发出一套新的室内定位系统体系，而是在已有的基础上完成改进和场景适用，使一种或几种定位技术适用于大多数室内场景，而其他的室内定位技术也能够在主流技术无法实现功能的场景起到补充完善的作用。

AGPS技术：GPS是目前使用最普遍的室外定位技术，AGPS技术作为对其室内定位空白领域的补充，一定程度上起到了相应的作用。与传统GPS定位技术不同，AGPS技术增加了一个辅助服务器，其作用是缩短定位所需的响应时间，使得定位不再完全依赖于卫星定位。但是也存在一些问题，首先必须由手机与基站通信来实现定位，其次室内定位精度的问题无法解决且非常时期（如战争、灾难）受制于美国政府。

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