在室內環(huán)境中，傳統(tǒng) GPS 定位因信號遮擋難以實現(xiàn)高精度定位，而超聲波定位技術憑借其成本低、穿透性強、精度高等優(yōu)勢，成為室內定位的理想選擇。本文從系統(tǒng)架構、硬件設計、算法優(yōu)化等方面，提出一套高精度超聲波室內定位系統(tǒng)設計方案。?

一、系統(tǒng)架構設計?

本系統(tǒng)采用主從式架構，由定位基站、移動標簽和數據處理中心三部分組成。定位基站部署在室內環(huán)境的天花板或墻壁四角，作為信號發(fā)射與接收端;移動標簽由被定位目標攜帶，負責發(fā)射超聲波信號;數據處理中心接收基站傳輸的數據，通過定位算法計算目標位置。?

定位基站內置超聲波發(fā)射器、接收器、微控制器和無線通信模塊。超聲波發(fā)射器按預設頻率周期性發(fā)射信號，接收器用于捕捉移動標簽返回的信號;微控制器控制信號收發(fā)時序，并處理接收數據;無線通信模塊(如 Wi-Fi 或藍牙)將數據實時傳輸至數據處理中心。移動標簽則集成低功耗超聲波發(fā)射電路、電源管理模塊和喚醒電路，確保長時間穩(wěn)定工作。?

二、硬件選型與設計?

超聲波傳感器：選用 HC-SR04 超聲波傳感器，其測距精度可達毫米級，測量范圍為 2cm – 400cm，能滿足大多數室內場景需求。同時，為提升定位精度，可采用多傳感器陣列，減少測量盲區(qū)與誤差。?

微控制器：選擇高性能、低功耗的 STM32 系列單片機，其豐富的外設接口便于連接超聲波傳感器、通信模塊等組件，且具備強大的數據處理能力，可實現(xiàn)信號收發(fā)時序的精確控制。?

無線通信模塊：對于短距離、低功耗需求，采用藍牙 5.0 模塊實現(xiàn)標簽與基站的通信;對于長距離數據傳輸，基站與數據處理中心間采用 Wi-Fi 模塊，確保數據快速穩(wěn)定傳輸。?

電源模塊：移動標簽采用可充電鋰電池供電，并集成電源管理芯片，實現(xiàn)低功耗休眠與喚醒功能，延長設備續(xù)航時間;定位基站可采用直流電源供電，保障持續(xù)穩(wěn)定運行。?

高精度超聲波室內定位系統(tǒng)設計方案

三、定位算法優(yōu)化?

系統(tǒng)采用基于到達時間差(TDOA)的定位算法。多個基站同時接收移動標簽發(fā)射的超聲波信號，通過計算信號到達不同基站的時間差，結合基站位置坐標，利用雙曲線定位原理解算目標位置。為進一步提升精度，引入卡爾曼濾波算法，對原始測量數據進行濾波處理，有效抑制噪聲干擾，平滑定位軌跡。?

此外，針對超聲波傳播受溫度影響的問題，在系統(tǒng)中部署溫度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境溫度，并根據溫度 – 聲速公式對測量結果進行補償修正，降低因環(huán)境因素導致的定位誤差。?

四、系統(tǒng)測試與驗證?

搭建模擬室內環(huán)境，在不同場景(如空曠房間、復雜障礙物環(huán)境)下對系統(tǒng)進行測試。通過改變移動標簽的位置，記錄其實際坐標與系統(tǒng)定位坐標，計算定位誤差。測試結果表明，在理想環(huán)境下，系統(tǒng)定位精度可達 ±2cm;在存在障礙物的復雜環(huán)境中，通過算法優(yōu)化與多傳感器融合，定位精度仍能保持在 ±5cm 以內，滿足高精度室內定位需求。?

本設計方案通過合理的系統(tǒng)架構、高性能硬件選型與優(yōu)化的定位算法，實現(xiàn)了高精度超聲波室內定位，可廣泛應用于倉儲物流、智慧醫(yī)療、展館導覽等室內定位場景。