CN102139160B - 基于网络环境下的超声波定位控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波定位，尤其涉及多个目标的超声波定位。为现将实景游戏和室内超声波定位技术有机结合的创新模式，本发明采用的技术方案是，基于网络环境下的超声波定位控制系统，包括：参考点，参考点中设有与模型坦克相对应的超声波接收电路，无线射频接收电路；模型坦克，包括接入无线局域网的WiPort，超声波发射电路，无线射频信号发射电路，还包括控制单元CPLD；服务器，用于处理所有相关的数据，服务器需要向模型坦克发送控制命令，并接收模型坦克回传的实时信息，在定位系统中，服务器又需要处理若干超声波测距值，快速计算并显示模型坦克的实时位置。本发明主要应用于超声波定位。

Description

基于网络环境下的超声波定位控制系统

技术领域

本发明涉及超声波定位，尤其涉及多个目标的超声波定位，具体讲，涉及基于网络环境下的超声波定位控制系统。

背景技术

超声波具有定向性好、能量消耗小、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点，它不受光线、被测物颜色等影响，在恶劣工作环境下具有一定的适应能力。可以利用超声波这些性质进行定位、测量、探伤和加工处理等。很多领域都通过与超声波定位技术的结合，获得了更好的领域拓展和新品开发。现在常见的实景游戏的缺点是：

玩家在游戏中不能直观的看到游戏模型的具体位置和状态，尤其是游戏场地过大或有障碍物的影响时，玩家不能对游戏模型进行正确的操作。

另一种常见的游戏方式是网络游戏，玩家虽然能看到游戏模型的位置和状态，但是其缺点是：

1、玩家缺乏实际的操作感觉，特别是无法亲手操作；

2、网络游戏由于操作场所随意，且电脑的使用很难控制，因此，易使青少年沉迷，而无法控制。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种基于网络环境下的超声波定位控制系统，实现将实景游戏和室内超声波定位技术有机结合的创新模式。突破了原本网络游戏的虚拟性和传统实景游戏的缺少实时游戏模型定位的信息，既优化了传统的实景游戏系统，也使游戏更直观更真实本发明采用的技术方案是，基于网络环境下的超声波定位控制系统，包括：

参考点，参考点中设有与模型坦克相对应的超声波接收电路，无线射频接收电路，参考点中的CPLD负责计量参考点与模型坦克间的超声波测距值，并由WiPort回传给服务器进行处理；

模型坦克，包括接入无线局域网的WiPort，超声波发射电路，无线射频信号发射电路，还包括控制单元CPLD，控制单元CPLD将WiPort所接收的信息进行解码，并根据接收到指令的不同，控制坦克运动、控制超声波发射以及射频信号的发射；

服务器，用于处理所有相关的数据，服务器需要向模型坦克发送控制命令，并接收模型坦克回传的实时信息，在定位系统中，服务器又需要处理若干超声波测距值，快速计算并显示模型坦克的实时位置。

所述服务器需要向模型坦克发送控制命令是，服务器通过无线局域网的WiPort给模型坦克发送超声波定位指令，模型坦克上的控制单元CPLD解码该命令产生控制信号，分别驱动控制单元CPLD芯片内部设置的超声波发射和接收电路，参考点通过接收射频信号和超声波信号去控制参考点内基于CPLD编程实现的计数器计数，并通过WiPort将该计数值回传给服务器；计数器用于记录参考点从接收射频信号后启动到首次接收到超声波信号的时间：启动计数器开始计数，参考点接收到超声波后计数器停止计数，计数器的数值乘以驱动计数器计数的时钟周期，即可得出计数器所计的时间，即参考点从启动到接收到超声波的时间，也就是从模型坦克发射超声波到参考点接收到超声波的时间。

所述的超声波接收电路的时钟频率采用9600的16倍，所述超声波发送电路的时钟频率采用9600HZ。

模型坦克收到服务器发送的超声波定位指令后，模型坦克上设置的解码芯片SC2272产生一个控制通用编码芯片SC2262的发射使能端/TE的信号，控制发射使能端/TE保持有效的时间内模型坦克上无线射频发射电路能够发送两帧无关信号，在发送第三帧有用信号之前，模型坦克上的控制单元CPLD内存储的address地址信号去控制编码芯片SC2262的一个地址引脚，即在发射使能信号

有效之前，编码芯片SC2262的地址已与解码芯片SC2272的地址相匹配，SC2262的第17脚输出经调制的串行数据信号，该信号对无线射频发射电路中的射频发射模块F05P进行幅度键控调制，从而发射315M射频信号。

参考点的WiPort通过无线网络把计数值回传给服务器，服务器由S＝v*t，算出模型坦克距参考点的距离，根据模型坦克距参考点的距离，即可算出坦克在模拟战场上的位置，由于坦克定位，只需要知道坦克距三个参考点的距离，所以要设置一个全局变量CNT，记录接收到超声波的参考点个数，每当参考点接收到超声波信号，CNT就加1，当全局变量CNT等于3时，就关闭所有的参考点，复位系统，等待下一次定位。

模型坦克的定位信息的回传，采用时分复用的方式，在时间轴上n辆坦克模型的一次轮询称为一帧，每辆坦克模型的一次定位称为一个时隙，一帧由若干个时隙构成，为防止时隙间和帧间串扰，时隙与时隙之间有时隙间隔，帧与帧之间有帧间隔，当一个时隙开始时，服务器向模型坦克发送控制指令，然后等待参考点的回传信号，一旦接收到回传信号，服务器就会根据超声波定位原理，计算出该模型坦克的坐标并显示结果，然后结束时隙，如果在规定时间内未接收到回传信号，服务器就会强行终止时隙，之后等待一个短暂的时隙间隔，然后开始下一个时隙，当若干辆模型坦克都轮询完一遍，一帧结束，经过一个短暂的帧间隔之后开始下一帧，时间轮询不断循环进行，直到游戏结束。

模型坦克的定位信息的获取，采用时分复用的方式，在T1时刻，服务器发出模型坦克1发射超声波的命令，该命令通过无线局域网传送到模型坦克1和参考点S相关模块，使得模型坦克1开始发射超声波，同时参考点S模块开始计时，当超声波的首波被三个超声波接收头收到时，计时停止，然后根据渡越时间检测法，对模型坦克1进行定位，同样道理，在T2、T3、T4…Tn时刻，由服务器发出分别使模型坦克2、模型坦克3、模型坦克4…模型坦克n发射超声波的指令，完成对n辆模型坦克的定位。

本发明具有如下技术效果：

1、采用无线射频和超声波测距，能可靠的对模型坦克进行准确定位；

2、定位信息的回传，采用时分复用的方式，能够对多点进行定位；

3、结构简单易于实现。

附图说明

图1单一坦克模型超声波定位控制系统模型。

图2服务器启动定位方式。

图3参考点安装示意图。

图4多坦克超声波定位控制系统框图。

图5用户界面设计。

图6MATLAB仿真结果。

图7软件测得的位置与实际位置对照。

图8TC4011BP引脚图。

图9逻辑图。

图10超声波发射电路。

图11超声波接收电路。

图12发射端仿真结果。

图13计数值回传仿真结果。

具体实施方式

本发明公开了一种基于无线局域网的超声波定位控制系统。该系统包括服务器控制中心、利用超声波定位的移动目标、超声波发射点及不少于三个的超声波接收点。超声波发射电路安装在前述的移动目标上，它不断地向室内设置的超声波定位接收点发射超声波群，并通过射频信号同步启动其计时系统。通过无线局域网，将各超声波接收点对超声波计时结果传回服务器控制中心，由于超声波发射点与各接收点的距离与超声波的传输时间密切相关，经在服务器控制中心进行计算与处理后，最后得到移动目标的三维位置坐标信息，并将移动目标的位置实时显示在屏幕上。本系统可通过时分复用技术实现多目标的实时定位。为提高超声波定位精度，本系统采用两个措施：其一是超声波接收参考点位置的选择运用了病态数学理论和病态方程组理论中计算各种参考点组合下的布点相关矩阵的条件数，通过控制条件数的大小，使测距误差达到厘米级。其二是为使作为同步启动超声波发射端的发射和超声波接收端计数器工作的射频信号的处理，采用了先向接收端发射一个预启动信号，使其先稳定工作，再发射正式启动信号的方法，使收发端精确同步，从而提高了定位精度。

经实验表明，在大于10m×10m×10m空间内，本方法的定位误差小于10cm，即可达分米级。本发明通过在实景数字游戏中的应用表明，它完全满足对移动目标定位精度的要求，因此，该定位系统也可以应用于其他领域中的测距、定位及目标监测等，具有广泛的应用价值。

一种网络环境下的数字化实景游戏的定位系统，模拟战场是一块20m×10m×10m的室内场地，其地面是由沙丘、障碍、河流等构成的一个真实场景。其中参考点是模拟战场的核心部件，主要用来配合超声波定位。在参考点中，设有与模型坦克相对应的超声波接收电路，无线射频接收电路；另外，其中的CPLD负责计量超声波测距值，并由WiPort回传给服务器进行处理。

模型坦克作为整个游戏的主体，其内部集成了多种部件，包括接入无线局域网的WiPort，红外炮弹发射接收电路，超声波发射电路，无线射频信号发射电路。其中最主要的控制单元就是CPLD，它需要将WiPort所接收的信息进行解码，并根据接收到指令的不同，控制坦克运动(前进、后退、左右转等动作)、发射炮弹、控制超声波发射以及315M射频信号的发射。

服务器端是整个游戏系统的控制中枢与信息交换中心，几乎所有与游戏进程相关的数据(如模型坦克战绩、超声波测距值)都要经过服务器进行处理。服务器需要向模型坦克发送控制命令，并接收模型坦克回传的实时信息，在定位系统中，服务器又需要处理若干超声波测距值，快速计算并显示坦克的实时位置。

所述CPLD芯片包括超声波发射和接收电路，其中：

超声波发射电路让服务器给模型坦克端发送超声波定位指令，模型坦克端解码该命令产生控制信号，分别驱动无线射频发射电路和超声波发射电路。接收端通过接收315M射频信号和超声波信号去控制基于CPLD编程实现的计数器计数，并通过WiPort将该计数值回传给服务器。

超声波接受电路中的计数器用于记录参考点从启动到首次接收到超声波信号的时间。启动参考点计数器开始计数，参考点接收到超声波后计数器停止计数。计数器的数值乘以驱动计数器计数的时钟周期，即可得出计数器所计的时间，即参考点从启动到接收到超声波的时间，也就是从模型坦克发射超声波到参考点接收到超声波的时间。同时模型坦克发射超声波。射频发射采用了先向接收端发射一个预启动信号，使其先稳定工作，再发射正式启动信号的方法，使收发端精确同步，保证了计数时间的准确性，从而提高了定位精度。

所述的接收电路的时钟频率采用9600的16倍。

所述的发送电路的时钟频率采用9600HZ。

所述实景数字游戏中的定位系统，超声波发射电路控制发射使能端/TE保持有效的时间内无线射频发射电路能够发送两帧无关信号，在发送第三帧有用信号之前，用编程实现的address信号去控制编码芯片SC2262的一个地址引脚，即在发射使能信号

有效之前，编码芯片SC2262的地址已与解码芯片SC2272的地址相匹配。SC2262的第17脚输出经调制的串行数据信号，该信号对射频发射模块F05P进行幅度键控调制，从而发射315M射频信号。由于SC2262/2272的编解码需要一定的时间，经实验延时30.07ms之后发送ultrasonic_cntrl信号，能较准确的对模型坦克进行定位。

接收端的WiPort通过无线网络把计数值回传给服务器。由S＝v*t，很容易算出模型坦克距参考点的距离。根据模型坦克距参考点的距离，即可算出坦克在模拟战场上的位置。由于坦克定位，只需要知道坦克距三个参考点的距离，所以要设置一个全局变量CNT，记录接收到超声波的参考点个数。每当参考点接收到超声波信号，CNT就加1，当全局变量CNT等于3时，就关闭所有的参考点，复位系统，等待下一次定位。

所述定位参考点的选取，用C语言编写了一个简单的矩阵处理程序，计算各种参考点组合下的布点相关矩阵的条件数，表中条件数的最大值为13.22，处于我们可以接受的范围之内。

10辆坦克的定位信息的回传，采用时分复用的方式，在时间轴上10坦克模型的一次轮询称为一帧，每辆坦克模型的一次定位称为一个时隙。一帧由10个时隙构成。为防止时隙间和帧间串扰，时隙与时隙之间有时隙间隔，帧与帧之间有帧间隔。当一个时隙开始时，服务器向模型坦克发送控制指令，然后等待参考点的回传信号。一旦接收到回传信号，服务器就会根据超声波定位原理，计算出该模型坦克的坐标并显示结果，然后结束时隙。如果在规定时间内未接收到回传信号，服务器就会强行终止时隙，之后等待一个短暂的时隙间隔，然后开始下一个时隙。当10辆模型坦克都轮询完一遍，一帧结束。经过一个短暂的帧间隔之后开始下一帧。时间轮询不断循环进行，直到游戏结束。这样，服务器就可以实时监控模拟战场中的所有模型坦克。

10辆模型坦克的定位信息的获取，采用时分复用的方式。在T1时刻，服务器发出模型坦克1发射超声波的命令，该命令通过无线局域网传送到模型坦克1和参考点S相关模块，使得模型坦克1开始发射超声波，同时参考点S模块开始计时。当超声波的首波被三个超声波接收头收到时，计时停止，然后根据渡越时间检测法，对模型坦克1进行定位。同样道理，在T2、T3、T4…T10时刻，由服务器发出分别使模型坦克2、模型坦克3、模型坦克4…模型坦克10发射超声波的指令，完成对10辆坦克的定位。

发明了一种定位系统的误差分析方法，并对定位系统进行了准确的分析。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

本发明是在无线局域网环境中建立超声波定位控制系统。超声波发射器安装在坦克模型中，超声波的发射受无线局域网模块信号控制。在服务器端，通过对坦克模型不断变化的坐标值进行处理与变换与用户界面融合，形成实时准确反映坦克运行状态的画面，实现了多模型坦克的实时跟踪定位。单一坦克模型超声波定位控制系统模型如图1所示。

在空间中特定位置上设立3个接收点S1(x1，y1，z1)、S2(x2，y2，z2)、S3(x3，y3，z3)，分别在目标点和接收点上安装超声波发射和接收装置，利用超声波测距原理分别测量出目标点到每个接收点的距离l1、l2、l3，假设模型坦克的坐标为(x，y，z)，那么下述方程组会成立

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2=l_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2=l_2^2\\ {(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2=l_3^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

称公式(1)为定位方程组。

实际的参考点选取时，由于选取的参考点的Z坐标都相同，即z1＝z2＝z3，所以方程(1)可简化为[7]：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2=l_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2=l_2^2\\ {(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2=l_3^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

对方程组进行变型可得：

$\left\{,\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{21}x+{\mathrm{\β}}_{21}\text{y=}{M}_1-M_2\\ {\mathrm{\α}}_{31}x+{\mathrm{\β}}_{31}y=M_1-M_3\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中α₂₁＝x₂-x₁，β₂₁＝y₂-y₁，α₃₁＝x₃-x₁，β₃₁＝y₃-y₁，

最终通过Gauss消去法求出方程组的解。我们利用微软公司的VS2005开发平台，使用C#语言进行编程，计算出目标在该直角坐标系中的坐标值(x，y，z)。目标位置在不断变化，引起l1、l2、l3值也在不断变化，导致坐标值(x，y，z)也在不断更新，从而实现了对目标的定位跟踪。

定位启动方式

为了达到准确定位，要求超声波接收参考点的计数器和坦克发射超声波同时启动。我们只要服务器向模型坦克发送启动命令，由模型坦克通过315MHz射频通信通知参考点开始计数，然后人为延迟一个经试验测得的系统反应时间，再发射超声波，以保证参考点收到开始计数的命令之后，超声波才发出，这样计数器计量的开始时间才可以保证与超声波发射同步，并保证了计数时间的准确性。

定位参考点位置的选取

参考点选取的一般原则：

(1)根据战场情况，建立三维直角坐标系。

(2)根据战场情况，试探性的布置参考点，并保证任意三个参考点的组合不会出现三点共线(保证定位方程组有解)。

(3)令各个参考点在地面投射圆形“斑”图，使参考点的分布可以保证：在模拟战场的任何一个位置，都可以有至少三个参考点的“斑”图可以覆盖。

(4)保证任意三个参考点组成的布点相关矩阵A的条件数保持较小(小于50)。

模拟战场是一块20m×10m×10m室内场景，地面场景布置类似于沙盘，顶部安装有若干参考点。在20m×10m×10m的模拟战场内，取地面上的一个角作为坐标系的原点O(0，0，0)，地面上的两条边作为X轴和Y轴，垂直于地面的一边作为Z轴，构成立体直角坐标系。因此，在该坐标系中，模型坦克坐标(x，y，z)的取值范围是：0≤x≤20m，0≤y≤10m，0≤z≤10m。

参考点安装在z≈10m的平面上即房屋的顶部。根据超声波定位原理，模型坦克在任意位置发出的超声波信号，至少要有三个不共线的参考点能够接收到。经过试验，选用如图3所示的①～⑥点作为参考点，它们的坐标分别为(7，5，10)、(2，2，10)、(2，8，10)、(13，5，10)、(18，2，10)、(18，8，10)(左上角为坐标原点，单位：m)。这样安放的参考点，模型坦克在任意位置发出的超声波信号，至少有三个参考点能够接收到。

超声波发射器以90°的夹角竖直向上发射超声波信号，在房顶(参考点所在平面)形成一个半径为10m的圆。因此，只要证明任意位置的模型坦克在房顶产生的圆都能包含三个以上的参考点即可。在Z＝10的平面内，分别以①～⑥6个参考点为圆心，10m为半径画圆，将Z＝10的房顶平面分割成13个区域，如图3所示。当模型坦克在A区活动，①、②、③号参考点可以感知；当模型坦克在B区活动，①、②、③、④号参考点可以感知；当模型坦克在C区活动，所有6个参考点都可以感知；当模型坦克在F区活动，①、②、③、④、⑤号参考点可以感知；当模型坦克在J区活动，①、②、④号参考点可以感知。根据模拟战场的对称性，很容易证明模型坦克在其它区域活动时，至少也有三个或三个以上的参考点能够感知。模型坦克在13个区活动时，与能感知的参考点对应关系如表-1所示。综上，当参考点按如图3布置时，模型坦克在任意位置发出的超声波信号，都至少有三个不共线的参考点能够接收到。

表1坦克活动区与感知参考点对应关系表

根据此处的布点情况，用C语言编写了一个简单的矩阵处理程序，计算各种参考点组合下的布点相关矩阵的条件数，并列表-2(表中分别计算了∞-条件数，1-条件数，并取较大值)，表中条件数的最大值为13.22，根据病态数学理论和病态方程组理论，在此条件下测距误差，处于我们可以接受的范围之内。

表2各种参考点组合下布点相关矩阵的条件数

多坦克定位跟踪系统

多坦克超声波定位控制系统框图如图4所示，它是一个在无线局域网环境中的定位系统。超声波发射器安装在模型坦克中，超声波的发射受无线局域网模块的控制。10辆模型坦克的定位信息的获取，采用时分复用的方式。在T1时刻，服务器发出模型坦克1发射超声波的命令，该命令通过无线局域网传送到模型坦克1和参考点S相关模块，使得模型坦克1开始发射超声波，同时参考点S模块开始计时。当超声波的首波被三个超声波接收头收到时，计时停止，然后根据渡越时间检测法，对模型坦克1进行定位。由于无线电波的传播速度很高，约为3×108m/s。而超声波的传播速度较低，约为340m/s，因此无线电波的传播延时可忽略，系统中的无线局域网信号作为开关信号。同样道理，在T2、T3、T4…T10时刻，由服务器发出分别使模型坦克2、模型坦克3、模型坦克4…模型坦克10发射超声波的指令，通过参考点S对超声波的接收和CPLD的计时与运算，即可得出接收到模型坦克2、模型坦克3、模型坦克4…模型坦克10发射的超声波信号的时间tx1、tx2、tx3(其中x＝2，3，4…10)。然后坦克的三个时间信息通过嵌入式无线设备服务器wiport反馈到服务器，服务器根据反馈回来的时间，超声波的传播速度，先算出模型坦克到三个参考点的距离A，B，C。再把模型坦克距三个参考点的距离A，B，C带入公式(1)、(2)和(3)中，算出模型坦克的坐标。整个过程不断的循环进行，即可做到对10辆坦克的实时定位与跟踪。

用户界面设计

用户界面软件如图5所示，整体可分为坦克状态区、坦克定位区、网络连接状态区、控制区和游戏结果比分区五个部分。坦克状态区用于显示各辆坦克的状态信息，每个状态区内有5辆坦克，每辆坦克旁边有显示坦克弹药、血量的标识条和该坦克的IP地址栏。坦克定位区用于实时显示坦克在模拟战场的位置，它是模拟战场的比例缩小图，开始的时候10辆坦克分蓝红两队分别站在模拟战场的两边。对战过程中坦克的位置根据超声波定位控制系统反馈回来的信息等比例的显示在坦克定位区内，这样玩家就可以很方便的掌握自己控制的坦克的位置以及队友坦克的位置。网络连接状态区用于显示10辆坦克的网络连接状态，如果因某种原因，坦克网络连接失败，网络连接状态区就会显示出来，玩家可以根据该区的信息了解坦克的网络连接情况。控制区有监听，停止，开始，复活四个按钮。监听按钮用于监听坦克网络连接状态，监听的结果将在网络连接状态区内显示。当某辆坦克战亡时，可以利用复活按键使其复活，停止和开始按键用于游戏的结束和开始的控制。最后是红蓝两队的比分区，该区用于实时的显示两队的坦克伤亡情况，开始时比分为0∶0，在一定的时间内，哪一队的坦克伤亡少，哪一队就是获胜队。

误差分析方法

从整个系统来看，主要误差在于基本单元的超声波测距部分，服务器端的定位算法是空间解析几何的计算，只要测距值和坐标值准确，软件计算就能达到要求的精度。

基本单元测距部分的误差主要来自两个方面：超声发射时刻与接收端启动计时时刻的同步问题；渡越时间的测量误差。假设系统中超声开始发射和计时器开始计时是同步的，但在实际中由于硬件每步操作都需要各自不同的时间，并不是同步的。用实验的方法测得超声波的发射比射频信号延时30.1ms即可解决超声波发射时刻与接收端启动计时时刻的同步问题。这个延时的时间在软件中给予了修正。

另一个引起系统误差的是渡越时间测量误差。影响渡越时间检测精度的原因主要有以下几点：

一、由于超声波在传播过程中受空气热对流扰动以及尘埃吸收的影响，接收波的幅值随传播距离的增加成指数规律衰减，使得远距离超声波的波形幅值较小。解决方案是采用随时间变化的AGC电路或加大超声波发射功率。另外超声波的多径传播是引起定位参数产生测量误差从而使模型坦克定位不准确的基本原因。

二、温度对超声波速度的影响较大，要取得满意的定位误差需对超声波的速度进行修正。针对温度对超声波速度造成的影响，可以在系统中加入温度传感器，实时检测温度变化以修正超声波速度。

三、量化误差。本设计中的计时脉冲频率为38.4KHz，周期为26.04μs，在25℃以下时，测距的量化误差为9.017mm，这样的误差对系统的影响较小，不是主要影响因素，要想减小量化误差可以提高计时脉冲的频率。

四、其他误差源有电阻、电容的热噪声，电路延迟引起的渡越时间检测误差。这些可以通过软件标定加以消除。

误差校准

针对以上所提到的渡越时间的测量误差，进行了以下实验。

(1)测距误差实验：

把定位发射端与接收端放置于已经测量好距离的位置分别作1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m的测试，在相同的测试条件下对每个固定的距离分别测得多组数据，通过公式(4)计算得到系统计数误差。

$e=n-\frac{l}{v}\×38400---\left(4\right)$

其中n为计数返回值；l为测试距离；v为超声波在空气中的速度，可由公式v(t)≈331.05+0.6067·t-0.0005·t²计算得到。

为减小系统计数误差，得到测距结果的最佳估计通过公式(5)得到系统误差的算数平均值e。

$\stackrel{\‾}{e}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i---\left(5\right)$

定位系统的发射端与接收端的硬件部分首要完成的工作是超声波测距。利用基于CPLD编程实现的计数器进行计数，通过计数器返回值可以计算得到模型坦克发射端与接收端的距离：

$d=\frac{(n-\stackrel{\‾}{e})v}{38400}---\left(6\right)$

通过分析计算，MATLAB仿真的20℃时定位系统的测量值与实际值之间的相对误差如图6所示。其中横坐标代表实际测量的距离，纵坐标代表相对误差，发现测距的误差随距离的增加而变小。

(2)定点测试：

在实验场地设定空间直角坐标系，固定定位系统基本单元中3个接收端，将发射端分别放置在A(2.65，0.98，0)、B(2.15，0.98，0)、C(2.15，1.48，0)三个位置，实验测得的发射端所在位置与实际所处位置对照图形如图7所示。

由于发射端所在的平面与接收端所在平面距离是固定的，坐标原点设在发射端所在平面，所以发射端的空间坐标转化成平面坐标，经实验测得X轴方向的误差在-5cm～+5cm之内，Y轴方向的误差在-10cm～+10cm之内，发射端以84cm×30cm×25.4cm规格的模型坦克为载体，因此该误差可以满足系统要求。

本发明利用GPS基本原理和时分复用技术实现了对多辆模型坦克的实时跟踪和定位。在设计中通过对超声测距原理及运动物体三维定位原理的分析，提出了接收端节点的放置策略，构建了定位系统基本单元模型。

超声波的发射电路

超声波发生器就是把其它形式的能量转换为超声波能量。本发明所用的是目前较为常用的压电式超声波发生器。超声波振子采用日本セラミツク株式会社生产的T40-16型。其中心频率为40KHZ，声压＞115dB，-6dB指向性为50deg。

40KHz超声波发射电路主要由四与非门电路TC4011BP完成振荡及驱动功能，通过超声换能器T40-16辐射出超声波去控制接收机。TC4011BP采用14引脚双列直插式封装，其外形和引脚图如图8所示，它是两输入正逻辑与非门集成芯片，其内部逻辑如图7所示。该结构能提高芯片的输入输出特性、将传播延时降到最低。

采用TC4011BP所构成的超声波发射电路如图10所示。其中控制信号ultrasonic_contrl来自CPLD芯片，当ultrasonic_contrl信号发出时TC4011BP内部的门电路组成的可控振荡器开始起振，调节R42改变振荡频率。T40-16为超声波换能器，其谐振频率为40KHz±2KHz，频率稳定性好，不需做任何调整。该电路的特点是输出驱动电流大(大于15mA)，效率高等。电路工作电压9.6V，工作电流大于35mA，发射超声波信号大于10m。

超声波接收电路

超声波接收电路中的超声波换能器采用日本セラミツク株式会社生产的R40-16型。与发射超声波换能器对应，其中心频率为40KHz，在声压＞115dB时，-6dB指向性为50deg。经超声波换能器R40-16选频后，将40KHz以外的干扰信号进行衰减，只有谐振于40KHz的有用信号被送往后级电路。

超声波接收电路使用CX20106A作为超声波接收处理的典型电路。CX20106A用来将超声波换能器R40-16接收到的40KHz超声波解码产生一个脉冲信号。其中8脚和4脚分别连接电源正极(取+5V)和地。1脚和7脚分别是超声波信号输入端和解码后脉冲信号输出端。7脚采用集电极开路输出方式，没有收到超声波信号时该端输出为高电平，收到时则出现下降沿。5脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。经试验，电阻取200K时接收端的中心频率是40KHz，能够将R40-16接收到的40KHz超声波解码产生下降沿脉冲。该脉冲信号送往CPLD作为计数器的控制信号。2脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动。3脚与地之间连接检波电容，电容量大时为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；电容量小时为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，一般取3.3μF。6脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

超声波的发射仿真

由于CPLD经过分频很难精确的从系统时钟11.05926M产生振动频率为40kHz的信号，所以超声波的发射采取的是由CPLD产生一个启动脉冲，启动线路板上用于发射超声波信号的电路，从而产生40KHz的超声波。

对于该定位系统在设计中增加了无线射频收发模块。让服务器只给模型坦克端发送超声波定位指令，模型坦克端解码该命令产生控制信号，分别驱动无线射频发射电路和超声波发射电路。接收端通过接收315M射频信号和超声波信号去控制基于CPLD编程实现的计数器计数，并通过WiPort将该计数值回传给服务器。其中315M射频信号在整个定位系统中起到时间基准的作用。

首先，模型坦克收到服务器发送的超声波定位指令后，产生一个控制通用编码芯片SC2262的发射使能端/TE的信号。发射端仿真结果如图12。根据无线射频接收端的超再生接收原理以及编解码芯片的功能，控制发射使能端/TE保持有效的时间内无线射频发射电路能够发送两帧无关信号，在发送第三帧有用信号之前，用编程实现的address信号去控制编码芯片SC2262的一个地址引脚，即在发射使能信号

有效之前，编码芯片SC2262的地址已与解码芯片SC2272的地址相匹配。SC2262的第17脚输出经调制的串行数据信号，该信号对射频发射模块F05P进行幅度键控调制，从而发射315M射频信号。由于SC2262/2272的编解码需要一定的时间，经实验延时30.07ms之后发送ultrasonic_cntrl信号，能较准确的对模型坦克进行定位。

超声波的接收仿真

天花板上的参考点通过射频接收模块J04V收到315M的射频信号后，将其送往解码芯片SC2272，SC2272解码产生的数据引脚的高脉冲作为计数器的启动信号，超声波接收换能器收到的40KHz超声波信号通过解码芯片CX20106A解码产生的低脉冲作为计数器的清零信号。

计数器用于记录参考点从启动到首次接收到超声波信号的时间。启动参考点计数器开始计数，参考点接收到超声波后计数器停止计数。计数器的数值乘以驱动计数器计数的时钟周期，即可得出计数器所计的时间，即参考点从启动到接收到超声波的时间，也就是从模型坦克发射超声波到参考点接收到超声波的时间。本设计的实验环境是一个3m*4m*3m的空间，所用的计数器最大可计到26.66ms，如果在26.66ms之内没有收到超声波，计数器就做溢出处理，即计数器的第11位为1，后十位为0。本设计中回传的计数值有三种情况：模型坦克在定位范围内的计数值、计数器溢出值、0值(这种情况下计数器没有开始却收到了超声波信号)。

接收端的WiPort通过无线网络把计数值回传给服务器。由S＝v*t，很容易算出模型坦克距参考点的距离。根据模型坦克距参考点的距离，即可算出坦克在模拟战场上的位置。由于坦克定位，只需要知道坦克距三个参考点的距离，所以要设置一个全局变量CNT，记录接收到超声波的参考点个数。每当参考点接收到超声波信号，CNT就加1，当全局变量CNT等于3时，就关闭所有的参考点，复位系统，等待下一次定位。超声波传输时间的计算程序仿真结果如图13所示。

软件与坦克之间的通信设计

用户软件与坦克之间的网络协议采用的是TCP/IP传输协议。在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户机/服务器模式(client/server)，即客户向服务器提出请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。客户机/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求的方式。首先服务器方要先启动，并根据请求提供相应的服务：

(1)打开一个通信通道并告知本地主机，它愿意在某一地址和端口上接收客户请求。

(2)等待客户请求到达该端口。

(3)接收到重复服务请求，处理该请求并发送应答信号。接收到并发服务请求，要激活一个新的进程(或线程)来处理这个客户请求。新进程(或线程)处理此客户请求，并不需要对其它请求做出应答。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。

(4)返回第二步，等待另一客户请求。

(5)关闭服务器。

客户方面首先要打开一个通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口。然后向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求。最后请求结束后关闭通信通道并终止。

客户端/服务器模式的TCP/IP协议的编程采用的是WinSocket技术。下面分别从服务器端和客户端两方面来具体的介绍TCP/IP协议的编程。

在服务器端，首先调用Socket()建立一个服务器端的套接字，调用Bind()方法绑定一个端口地址(如：10001)，然后调用Listen()方法开始监听指定端口。当监听到客户端的主动连接请求时，调用Accept()方法来接收客户端的套接字。接下来，可以用Receive()方法接收客户端发来的数据，也可以用Send()方法向客户端发送数据。最后调用Close()方法关闭这个服务器端的套接字，断开连接，通信结束。

在客户端，首先调用Socket()建立一个客户端的套接字，接着就可以调用Connect()方法向服务器端发送主动连接请求。连接建立以后，和服务器端一样，可以调用Send()和Receive()方法发送和接收数据。最后，调用Close()方法关闭客户端套接字，断开连接，通信结束。

Claims (7)

1.一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，包括：

参考点，参考点中设有与模型坦克相对应的超声波接收电路，无线射频接收电路，参考点中的控制单元复杂可编程逻辑器件负责计量参考点与模型坦克间的超声波测距值，并由无线局域网模块回传给服务器进行处理；

模型坦克，包括接入无线局域网的无线局域网模块，超声波发射电路，无线射频信号发射电路，还包括控制单元复杂可编程逻辑器件，控制单元复杂可编程逻辑器件将无线局域网模块所接收的信息进行解码，并根据接收到指令的不同，控制模型坦克运动、控制超声波发射以及射频信号的发射；

服务器，用于处理所有相关的数据，服务器需要向模型坦克发送控制命令，并接收模型坦克回传的实时信息，在定位系统中，服务器又需要处理若干超声波测距值，快速计算并显示模型坦克的实时位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，所述服务器需要向模型坦克发送控制命令具体是指：服务器通过无线局域网的无线局域网模块给模型坦克发送超声波定位指令，模型坦克上的控制单元复杂可编程逻辑器件解码该命令产生控制信号，分别驱动控制单元复杂可编程逻辑器件芯片内部设置的超声波发射和接收电路，参考点通过接收射频信号和超声波信号去控制参考点内基于控制单元复杂可编程逻辑器件编程实现的计数器计数，并通过无线局域网模块将该计数值回传给服务器；计数器用于记录参考点从接收射频信号后启动到首次接收到超声波信号的时间：启动计数器开始计数，参考点接收到超声波后计数器停止计数，计数器的数值乘以驱动计数器计数的时钟周期，即可得出计数器所计的时间，即参考点从启动到接收到超声波的时间，也就是从模型坦克发射超声波到参考点接收到超声波的时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，所述的超声波接收电路的时钟频率采用9600HZ的16倍，所述超声波发射电路的时钟频率采用9600HZ。

4.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，模型坦克收到服务器发送的超声波定位指令后，模型坦克上设置的解码芯片SC2272产生一个控制通用编码芯片SC2262的发射使能端/TE的信号，控制发射使能端/TE保持有效的时间内模型坦克上无线射频发射电路能够发送两帧无关信号，在发送第三帧有用信号之前，模型坦克上的控制单元复杂可编程逻辑器件内存储的address地址信号去控制编码芯片SC2262的一个地址引脚，即在发射使能端/TE信号有效之前，编码芯片SC2262的地址已与解码芯片SC2272的地址相匹配，编码芯片SC2262的第17脚输出经调制的串行数据信号，该信号对无线射频发射电路中的射频发射模块F05P进行幅度键控调制，从而发射315M射频信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，参考点的无线局域网模块通过无线网络把计数值回传给服务器，服务器由S＝v*t，算出模型坦克距参考点的距离，根据模型坦克距参考点的距离，即可算出模型坦克在模拟战场上的位置，由于模型坦克定位，只需要知道模型坦克距三个参考点的距离，所以要设置一个全局变量CNT，记录接收到超声波的参考点个数，每当参考点接收到超声波信号，全局变量CNT就加1，当全局变量CNT等于3时，就关闭所有的参考点，复位系统，等待下一次定位。

6.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，模型坦克的定位信息的回传，采用时分复用的方式，在时间轴上n辆模型坦克的一次轮询称为一帧，每辆模型坦克的一次定位称为一个时隙，一帧由若干个时隙构成，为防止时隙间和帧间串扰，时隙与时隙之间有时隙间隔，帧与帧之间有帧间隔，当一个时隙开始时，服务器向模型坦克发送控制指令，然后等待参考点的回传信号，一旦接收到回传信号，服务器就会根据超声波定位原理，计算出该模型坦克的坐标并显示结果，然后结束时隙，如果在规定时间内未接收到回传信号，服务器就会强行终止时隙，之后等待一个短暂的时隙间隔，然后开始下一个时隙，当若干辆模型坦克都轮询完一遍，一帧结束，经过一个短暂的帧间隔之后开始下一帧，时间轮询不断循环进行，直到游戏结束。

7.根据权利要求1所述的一种基于网络环境下的超声波定位系统，其特征是，模型坦克的定位信息的获取，采用时分复用的方式，在T1时刻，服务器发出模型坦克1发射超声波的命令，该命令通过无线局域网传送到模型坦克1和参考点S相关模块，使得模型坦克1开始发射超声波，同时参考点S相关模块开始计时，当超声波的首波被三个超声波接收头收到时，计时停止，然后根据渡越时间检测法，对模型坦克1进行定位，同样道理，在T2、T3、T4…Tn时刻，由服务器发出分别使模型坦克2、模型坦克3、模型坦克4…模型坦克n发射超声波的指令，完成对n辆模型坦克的定位。

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