简易无线定位装置.ppt
2011年全国大学生电子设计竞赛第一阶段题目分析,-简易无线定位装置 刘涛,简易无线定位装置,任务：设计并制作一个简易无线定位装置，在一个6*6米的正方型空间内放置5个无线装置，包含4个从机和1个主机。,原理框图,基本要求,(1)将主机放置在图中中心位置，主机能够自动识别已经处在从机包围的区域内，并发出提示音；将主机放在区域外（至少超出边横框2米外），主机能自动识别超出测试范围并发出报警声（30S内完成）。(2)将主机放置在图中任意位置，主机将能够自动识别自己的位置，并显示与四个从机各点的距离，误差不大于2米（定位时间40S内完成）。(3)发射功率小于1W，主机采用电池供电，从机可采用电源供电。,发挥部分,(1)将主机放置在图中任意位置，主机将能够自动识别自己的位置，以3号从机为原点，并显示其所处坐标，误差不大于2米(定位时间20S内完成)。(2)将主机放置在图中任意位置，主机将能够自动识别自己的位置，并显示其所处坐标，误差不大于1米（定位时间10S内完成）。(3)将图中四个从机中的任意一个关闭，仍能完成发挥部分第（2）步。(4)主机和从机采用50鞭状天线，天线长度不大于。要求高频功率放大器的输岀功率100mW（在负载电阻50上）,且通过液晶显示所处位置。(5)从机采用电池供电。,说明,(1)频率选用15MHZ50MHZ内自选；(2)可选用接收机专用集成电路自行设计与装调，不允许用成品接收机；(3)为便于测量电路的性能指标，应留出相关的测量端口；(4)测试前应完成整机调整，测试中不允许对整机进行任何手动调节以及软件 更改。分析与识别结果应在显示屏上正确显示。,定位系统的划分,室外定位 GPS A-GPS室内定位 蓝牙 超声波 UWB ZIGBEE,定位系统简介（空间定位技术）,GPS定位系统基本原理：是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。特点：全球，全天候工作能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。定位精度高单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。功能多，应用广随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。,定位系统简介（手机定位技术）,手机定位技术:指利用GPS定位技术或者基站定位技术对手机进行定位的一种技术。基于GPS的定位方式是利用手机上的GPS定位模块将自己的位置信号发送到定位后台来实现手机定位的。基站定位则是利用基站对手机的距离的测算距离来确定手机位置的。后者不需要手机具有GPS定位能力，但是精度很大程度依赖于基站的密度，有时误差会超过一公里。前者定位精度较高。(A-GPS),定位系统简介（室内定位）,室内定位:在一些特定场合的实用性和必要性已经日趋显著，其应用前景广阔，研究意义非常大，目前也是一个非常热门的议题。如机场的大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场和矿井中使用。室内定位技术解决方案：A-GPS技术、超声波定位技术、蓝牙、红外线、射频识别、超宽带、无线局域网、光跟踪和图像分析等等,超声波技术,超声波定位：目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电子标签组成，主测距器可放置于移动机器人本体上，各个电子标签放置于室内空间的固定位置。定位过程如下：先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签，电子标签接收到后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。,红外技术,红外线：一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。典型的红外线室内定位系统是待测物体附上一个电子标识，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低。,射频识别技术,ZigBee技术的室内定位系统：是通过在传感器网络中布置参考节点，移动节点构成系统的，参考节点为静态节点，它们发送位置信息和RSSI值给移动待测节点，该节点将数据写入定位模块，分析计算得到自身位置。该系统常采用分布式节点设置，可以减少网络数据工作量和通信延迟的问题。精度：2m以内，平均1m。缺陷：网络稳定性还有待提高，易受环境干扰。,竞赛题目分析,1）该无线定位装置属于室内定位技术，采用的是射频识别技术的定位方式。2）室内定位的最基本的算法（1）起源蜂窝小区技术；（2）时间到达法（TOA）；（3）时间到达差法（TDOA）；（4）信号强度法（RSSI）；（5）到达角度差法（AOA）,计算电磁波的传输时延,题目中要求频率在15-50MHZ，电磁波在空气中的传输速度为：主机到各从机的距离为：传输时间为：通过上述的计算，主机和从机的时间差太短，仅有0.14ns,器件很难实现。,自由空间传播损耗：L(dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)由前面计算主机到从机的距离为:d=4.2m=0.0042km假设所采用的通信频率为：f=50MHZ计算出：L(dB)=32.44+34-47.5=19(dB)得出发送到接收衰减了19dB,计算电磁波的传输衰减,距离和损耗图表,方案确定,采用信号强度法（RSSI），利用主机接收到的信号强度得出各从机到主机之间的距离，运算得出定位信息。,接收到的功率和定位算法,1）通过接收到的功率可以计算出各从机到主机之间的距离。2）得到距离D1：主机到从机1的距离 D2：主机到从机2的距离 D3：主机到从机3的距离 D4：主机到从机4的距离,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,D3,D4,D1,D2,从机4位置,从机2位置,从机3位置,从机1位置,主机,当主机在中间的时候建立D1-D4距离数据表格,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,D3,D4,D1,D2,从机4位置,从机2位置,从机3位置,从机1位置,主机,当主机在左上角落的时候建立D1-D4距离数据表格,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,D3,D4,D1,D2,从机4位置,从机2位置,从机3位置,从机1位置,主机,当主机在左下角落的时候建立D1-D4距离数据表格,硬件设计方案,1）射频端：不需要构成半双工系统，单工系统。2）主机：能传输数据给从机；对接收到的从机信号进行功率测量。3）从机：能够接收主机发送来的数据；能够发送固定载波，保证功率一致。,硬件设计框图（主机）,单片机,调制(ASK/FSK),功率检测(检波),AD转换,切换开关,硬件设计框图（从机）,单片机,解调(ASK/FSK),放大器(自动增益控制),振荡器,切换开关,软件设计-程序流程图,开始,初始化主机处于发送状态，各从机处于接收状态主机发送查询指令：0X01,0X02,0X03,0X04,查询从机1,查询从机2,查询从机3,查询从机4,发送固定载波持续一段时间,供主机进行功率检测,从机1接收到数据,发送固定载波持续一段时间,供主机进行功率检测,从机2接收到数据,发送固定载波持续一段时间,供主机进行功率检测,从机3接收到数据,发送固定载波持续一段时间,供主机进行功率检测,从机4接收到数据,主机检测到功率，并计算出到各从机的距离D1,D2,D3,D4。换算出主机目前的坐标值,结束,查表法得到位置信息,建立一个11*11的二维数据表格,通过查表法得到位置信息。建议不要使用算法去计算定位信息，使用太多的数学函数（SIN，COS）后会增加时间定位时间和增加程序的复杂度。,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,D3,D4,D2,从机4位置,从机2位置,从机3位置,主机,关闭从机1，建立D2-D4距离数据表格,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,D3,D1,D2,从机2位置,从机3位置,从机1位置,主机,关闭从机4，建立D1-D3距离数据表格,定位中不稳定处理,测量接收功率中的不稳定性?多次测量功率，取平均值。发送端采用自动增益控制，保证发端功 率一致。采用全向天线，尽可能要减少接收到的反射信号。,数据收发参考原理图-1,ASK调制电路ASK解调电路,ASK1,ASK2,ASK3,ASK4,ASK11,ASK22,ASK33,数据收发参考原理图-2,FSK调制电路FSK解调电路,FSK1,FSK11,FSK22,FSK2,
