室内定位研究与实现
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摘要：超声波可以用来测量距离，同时也可以通过测距来定位，超声波定位具有定位精度高，定位速度快的特点；虽然超声波在室内会产生反射来干扰定位，但是通过优化的算法还是可以规避这些干扰，使超声波定位技术更为可靠和实用。
关键词：室内定位 GPS模拟 运动定位
中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0082-02
室外定位用GPS、GLONASS和北斗卫星定位，可以说这些卫星定位已经非常成熟，而且在民用和军用方面已经应用广泛。但是在室内定位方面的发展并不显著，并没有一个很权威的定位系统实现室内各种物体的定位，就目前室内的定位系统来说，比较常见的是红外定位和图像定位，但是两者各有优缺点，不能满足所有室内定位的需求，因此本文注重介绍一种室内定位技术和算法。
1 室内定位原理
通过模拟GPS定位技术，来实现室内定位。GPS定位的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。
本文室内定位所采用的为超声波定位，超声波定位可以通过四个点确定一个点的空间位置，测量方法是基于距离交会法测量。室内定位原理图如图1所示，定位物体发射超声波信号，室内顶部的4个超声波信号接收器接收信号，通过无线信号进行时钟同步，计算超声波收发时间，然后计算出定位物体到各个接收点的距离；通过动态定位算法计算出定位物体的具置。
2 动态定位算法
在定位物体上安装超声波发射器，在某一时刻室内顶部的接收器A，B，C，D分别接收定位物体发来的超声波信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收器至发射器的距离Pa、Pb、Pc、Pd；根据室内顶部A、B、C、D点的固定位置A（X1，Y1，Z1），B（X2，Y2，Z2），C（X3，Y3，Z3），D（X4，Y4，Z4），从而由下式解算出定位物体的三维坐标（x，y，z）。
Pa2=（x―X1）2+（y―Y1）2+（z―Z1）2
Pb2=（x―X2）2+（y―Y2）2+（z―Z2）2
Pc2=（x―X3）2+（y―Y3）2+（z―Z3）2
Pd2=（x―X4）2+（y―Y4）2+（z―Z4）2
由于超声波在室内有反射干扰，而且在越小的空间这个现象越明显。因此在连续跟踪定位上，会出现干扰点，使定位出现跳变。为了排除这些跳变点，必须要通过动态定位算法来去除跳变点。
通过上述计算式，可以计算出ti时刻的定位物体的位置Si（x，y，z），经过几次定位分别能得到ti，ti+1，ti+2，ti+3…ti+n所对应的定位物体的位置Si，Si+1，Si+2，Si+3…Si+n；在这些定位位置中要找出跳变点，通过跳变阀值来检测和去除跳变点。
首先，将上述相邻时刻的位置点连成直线p=f（t），这样可以得到pi，pi+1，pi+2…pi+n-1的n-1条直线，然后对这些直线求一阶导p’=f’（t），得到p’i，p’i+1，p’i+2…p’i+n-1的直线斜率，最后设立一个跳变阀值，一般情况下，跳变阀值设置为前一个直线斜率绝对值的2倍，其意义就是，斜率变化率不能超过前一个斜率变化率的2倍，如果出现超过2倍的斜率，则强制降低至前斜率的1.5倍处理，然后通过函数反算坐标，替换原来坐标。从而有效排除跳变点，使动态定位数据更可靠，更平滑，接近实际情况。
实际定位获得的点如图2所示，图2中横坐标为时间t；纵坐标为在X坐标轴上的定位坐标的数值。其中红色十字标志在ti时刻X坐标轴上的定位坐标数值Si；绿色曲线是时间和位置曲线p=f（t），蓝色曲线是时间和位值曲线求一阶导后所的斜率连成的曲线p’=f’（t）。通过蓝色曲线的变化，可以量化得出在t=47的时刻，p’=f’（t）的变化率最大，因此判断此点为跳变点。将该点斜率强制降为前一点斜率的1.5倍后，将处理后的斜率代入新直线方程P=F（t），求出新X坐标轴上的定位坐标数值Si代替原来的Si，这样就完成了一个点的跳变处理。其数学表达如下。
动态定位算法处理过后的图形表示如图3所示，图3中横坐标为时间t；纵坐标为在X坐标轴上的定位坐标的数值。其中红色十字标志在ti时刻X坐标轴上的定位坐标数值Si；绿色曲线是时间和位置曲线p=f（t），蓝色曲线是时间和位值曲线求一阶导后所的斜率连成的曲线p’=f’（t）。
实际处理效果可以看图4，红色曲线是没有使用动态定位算法的X坐标和时间t的关系图，绿色曲线是使用动态定位算法的X坐标和时间t的关系图。跳变点被明显移除，有效排除定位过程中超声波反射干扰，从而使连续定位的准确率大大提高，无论针对静止物体还是运动物体，都能准确定位。
3 室内定位的测试结论
通过超声波室内定位完全可以实现定位目标，而且可以定位和跟踪静止或运动的物体，精度也很高，定位速度也非常快，具体数据可以参考表1。
室内定位缺点：测量范围小，易受干扰（测量物体上方不能有物体阻挡超声波），定位物体不能翻转（定位物体上面安装的超声波发射源必需正对接收器）。因此只能用于空旷的小范围的水平移动物体的精确定位。