CN103257338B - 一种室内定位的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位的方法及系统，通过基于手机接收声波信号时多普勒效应产生的频率偏移和相位偏移，计算移动终端与扬声器之间的距离，从而实现了对移动终端的实时定位；该方案不需要加装任何特殊装置即可完成定位，成本较低，且定位精度较高。

Description

一种室内定位的方法及系统

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种室内定位的方法及系统。

背景技术

现如今，室内定位技术一般利用遍布于室内环境中的无线网络信号，根据其特征来进行定位，或者使用一些特殊设备来进行定位。

然而基于无线网络信号的定位技术精度较低，在超市、图书馆等场景中不再适用。基于特殊设备的定位由于需要昂贵的特殊的设备或者需要在手机上加装特殊装置，该定位技术也存在成本和方便性问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种室内定位的方法及系统，提高了定位精度，降低了成本。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种室内定位的方法，该方法包括：

移动终端以晃动及移动的方式接收来自各个方向的扬声器发送的指定频率的声波，并计算移动终端晃动时每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量，以及移动终端移动时每一扬声器声波信号的相位偏移量；

根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获得每一扬声器声波信号的方向矢量，并根据扬声器声波信号的方向矢量及对应扬声器的位置计算移动终端在室内的初始位置信息；

根据移动终端在室内的初始位置信息，以及该移动终端与每一扬声器声波信号在当前时刻的相位偏移量，计算当前时刻移动终端到每一扬声器的距离，获得该移动终端在当前时刻的位置信息。

一种室内定位的系统，该系统包括：

多普勒效应计算单元，用于当移动终端以晃动及移动的方式接收来自各个方向的扬声器发送的指定频率的声波时，计算移动终端晃动时每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量，以及移动终端移动时每一扬声器声波信号的相位偏移量；

移动终端初始位置信息计算单元，用于根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获得每一扬声器声波信号的方向矢量，并根据扬声器声波信号的方向矢量及对应扬声器的位置计算移动终端在室内的初始位置信息；

移动终端实时位置信息获取单元，用于根据移动终端在室内的初始位置信息，以及该移动终端与每一扬声器声波信号在当前时刻的相位偏移量，计算当前时刻移动终端到每一扬声器的距离，获得该移动终端在当前时刻的位置信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于手机接收声波信号时多普勒效应产生的频率偏移和相位偏移，计算移动终端与扬声器之间的距离，从而实现了对移动终端的实时定位；该方案不需要加装任何特殊装置即可完成定位，成本较低，且定位精度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种室内定位的方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种室内定位的系统的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种室内定位的方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、移动终端以晃动的方式接收来自各个方向的扬声器发送的指定频率的声波，并计算移动终端晃动时每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量。

扬声器可预先安装在室内的各个位置，每一扬声器发送指定频率的正弦声波，且频率互不相同，这样，终端就可以根据频率来识别不同的扬声器。

用户手中的移动终端（例如，手机、平板电脑、掌上电脑等）可以通过晃动的方式接收声波信号，因此，来自各个方向的声波信号会受多普勒效应影响而产生了频率偏移和相位偏移。

通常，用户可以进行定位之前先晃动手机使得各个方向的声波信号会受多普勒效应影响而产生频率偏移，再进行移动来使得自各个方向的声波信号产生相位偏移。

当手机接受到声波信号后，首先利用带通滤波器过滤多余的噪声，提取出每一扬声器发送的声波信号；然后，通过自动增益控制，使每一扬声器声波信号的振幅归一化；最后，利用锁相环计算振幅归一化后的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量与相位偏移量。

具体的：多普勒频率偏移量与相位偏移量可以使用如下方法进行计算：

其中，相位计算方法如下：

θ[k+1]＝θ[k]-μLPF{r_c[k]sin(2πf_akT_s+θ[k])}；

其中，μ为预先设定的常量，LPF为低通滤波器，f_a为声波的频率，T_s为声波的采样周期，r_c[k]为经过带通滤波器和自动增益控制之后的声波，θ[k]为第k次声采样时相位的计算值。

频率偏移计算方法如下：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

其中，θ(t)＝θ(kT_s)＝θ[k]。

在实际工作中，声波信号的多普勒频率偏移量与相位偏移量是可以同时进行计算的，本步骤在计算多普勒频率偏移量时，同样也进行相位偏移量的计算。所述频率偏移用来计算移动终端的初始位置，相位偏移用来计算移动终端与扬声器之间的相对位移。

步骤12、根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获得每一扬声器声波信号的方向矢量，并根据扬声器的方向矢量及对应扬声器的位置计算移动终端在室内的初始位置信息。

移动终端在世界坐标系下的速度矢量可以根据其自带的加速度传感器及陀螺仪进行计算：具体的：可以通过加速度传感器及陀螺仪进行采样，求得世界坐标系下的加速度a_x、a_y与a_z从而可以估算出手机在世界系下的速度矢量v_x、v_y与v_z。

例如，计算X轴的速度矢量公式为： $v_x\left[k\right]=v_x\left[0\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}T\left[i\right]a_x\left[i\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}T\left[i\right]{\mathrm{\σ}}_x\left[i\right];$

其中，T[i]表示第i个采样到第i+1个采样的时间间隔,a_x[i]表示第i+1个采样时所求的世界坐标系X轴坐标的加速度，σ_x[i]表示a_x[i]的测量误差，并假定σ_x在摇晃手机的这段短时间内为恒定值e_x，v_x[k]则为第i+1个采样所对应的速度值，同理，v_y与v_z可使用类似的方法计算。

由于扬声器声波信号的多普勒频率偏移量与移动终端的相对速度v成正比，因此，可以用来计算相对速度，其公式为：

$v=\frac{v_a}{f_a}f;$

其中，V_a为声波信号的传播速度；f_a为对应扬声器发送声波信号的频率；f为多普勒偏移量；

再根据移动终端与每一扬声器间的相对速度及该移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算每一扬声器声波信号的方向矢量λ_x、λ_y与λ_z，其公式为：

${\mathrm{\λ}}_x{v}_x\left[k\right]+{\mathrm{\λ}}_y{v}_y\left[k\right]+{\mathrm{\λ}}_z{v}_z\left[k\right]=v=\frac{v_a}{f_a}\·f\left[k\right],\∀k;$

进一步，为简化计算，可以仅计算二维方向的角度（不求λ_z），并去除v_z误差带来的精度影响，当手机水平晃动时，则：

${\mathrm{\λ}}_x{v}_x\left[k\right]+{\mathrm{\λ}}_y{v}_y\left[k\right]=v=\frac{v_a}{f_a}\·f\left[k\right],\∀k;$

则解下列方程组,求出λ_x与λ_y：

$\left(\begin{array}{cccc}{w}_x\left[0\right]& w_y\left[0\right]& 1& t\left[0\right]\\ w_x\left[1\right]& w_y\left[1\right]& 1& t\left[1\right]\\ ...& ...& ...& ...\\ w_x\left[n\right]& w_y\left[n\right]& 1& t\left[n\right]\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_x\\ {\mathrm{\λ}}_y\\ {\mathrm{\λ}}_0\\ {\mathrm{\λ}}_1\end{array}\right)=\frac{v_a}{f_a}\·\left(\begin{array}{c}f\left[0\right]\\ f\left[1\right]\\ ...\\ f\left[n\right]\end{array}\right);$

其中， $w_x\left[k\right]=\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}T\left[i\right]a_x\left[i\right];$ $w_y\left[k\right]=\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}T\left[i\right]a_y\left[i\right];$ λ₀＝λ_xv_x[0]+λ_yv_y[0]；λ₁＝λ_xe_x+λ_ye_y。

获取其中的λ_x和λ_y之后，求扬声器相对于手机的方向α：

$\mathrm{\&alpha;}=\left\{\begin{array}{cc}\arcsin \frac{{\mathrm{\&lambda;}}_y}{\sqrt{{\mathrm{\&lambda;}}_x^2+{\mathrm{\&lambda;}}_y^2}}& {\mathrm{\&lambda;}}_x\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&pi;}+\arcsin \frac{{\mathrm{\&lambda;}}_y}{\sqrt{{\mathrm{\&lambda;}}_x^2+{\mathrm{\&lambda;}}_y^2}}& {\mathrm{\&lambda;}}_x<0\end{array}\right..$

通过上述方式计算得到每一扬声器声波信号的方向矢量，而每一扬声器的位置信息可以预先获知，因此，将两者相结合可以计算得到移动终端在室内的初始位置信息。

步骤13、获取当前时刻移动终端与每一扬声器声波信号的相位偏移量，根据移动终端在室内的所述初始位置信息，以及该移动终端与每一扬声器声波信号的相位偏移量，计算当前时刻移动终端到每一扬声器的距离，获得该移动终端在当前时刻的位置信息。

当获得移动终端初始位置信息后，可以与和扬声器A的坐标相结合，求得移动终端到扬声器A的初始距离，结合两者的相对位移s（声波信号的相位偏移量在步骤11中已经可以计算出来，此时，可以直接获取用来进行相对位移的计算），可求出任意时刻手机到声源A的距离。依此类推，求出任意时刻用户到各个扬声器的距离。最后，结合各个扬声器的坐标和移动终端到各个声源的距离，求出任意时刻手机的位置坐标。

具体的：首先，根据移动终端的初始位置信息与每一扬声器的位置信息，计算得到移动终端到每一扬声器的初始距离；

然后，根据当前时刻每一扬声器声波信号的相位偏移量计算，每一扬声器声与移动终端的相对位移s，其公式为：

$s=\frac{v_a}{{2\mathrm{\&pi;f}}_a}p;$

其中，V_a为声波信号的传播速度；f_a为对应扬声器发送声波信号的频率；p为相位偏移量；

再根据所述移动终端到每一扬声器的初始距离及对应的相对位移，计算当前时刻该移动终端到每一扬声器的距离；

最后，根据每一扬声器的位置信息，及当前时刻与移动终端的距离，计算移动终端的在当前时刻的位置信息。

需要说明的是，为了提高定位的精确度，用户可以多次晃动移动终端后在进行移动，这样，可以提高初始位置计算的准确性，从而提高定位的精确度。

本发明实施例基于手机接收声波信号时多普勒效应产生的频率偏移和相位偏移，计算移动终端与扬声器之间的距离，从而实现了对移动终端的实时定位；本发明实施例不需要加装任何特殊装置即可完成定位，成本较低，且定位精度较高。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种室内定位的系统的示意图。如图2所示，该系统主要包括：

多普勒效应计算单元21，用于当移动终端以晃动的方式接收来自各个方向的扬声器发送的指定频率的声波时，计算每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；

移动终端初始位置信息计算单元22，用于根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获得每一扬声器声波信号的方向矢量，并根据扬声器声波信号的方向矢量及对应扬声器的位置计算移动终端在室内的初始位置信息；

移动终端实时位置信息获取单元23，用于获取当前时刻移动终端与每一扬声器声波信号的相位偏移量，根据移动终端在室内的所述初始位置信息，以及该移动终端与每一扬声器声波信号的相位偏移量，计算当前时刻移动终端到每一扬声器的距离，获得该移动终端在当前时刻的位置信息。

所述多普勒效应计算单元21包括：声波信号提取单元211，用于利用带通滤波器过滤噪声，提取出每一扬声器发送的声波信号，其中，每一扬声器发送的声波信号为指定频率，且频率互不相同的正弦声波；振幅归一化单元212，用于通过自动增益控制，使每一扬声器声波信号的振幅归一化；多普勒频率偏移量与相位偏移量计算单元213，用于利用锁相环计算振幅归一化后的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量与相位偏移量。

所述移动终端初始位置信息计算单元22包括：速度矢量获取单元221，用于获取所述移动终端在世界坐标系下的速度矢量：且所述速度矢量获取单元221包括：移动终端加速度计算单元2211，用于利用移动终端中的加速度传感器与陀螺仪进行采样，计算得到世界坐标系下的加速度矢量a_x、a_y与a_z；移动终端速度矢量计算单元2212，用于根据世界坐标系下的加速度矢量a_x、a_y与a_z估算世界坐标系下的速度矢量v_x、v_y与v_z。

所述移动终端初始位置信息计算单元22还包括：方向矢量获取单元222，用于根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及速度矢量获取单元221获取的移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获取每一扬声器声波信号的方向矢量；且所述方向矢量获取单元包括：

相对速度计算单元2221，用于根据每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量计算该移动终端的与每一扬声器间的相对速度v，其公式为：

$v=\frac{v_a}{f_a}f;$

其中，V_a为声波信号的传播速度；f_a为对应扬声器发送声波信号的频率；f为多普勒偏移量；

声波信号方向矢量计算单元2222，用于根据相对速度计算单元计算的移动终端与每一扬声器间的相对速度v，及速度矢量获取单元获取的移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算每一扬声器声波信号的方向矢量λ_x、λ_y与λ_z，其公式为：

v_xλ_x+v_yλ_y+v_zλ_z＝v。

所述移动终端实时位置信息获取单元23包括：初始距离计算单元231，用于根据移动终端的初始位置信息与每一扬声器的位置信息，计算得到移动终端到每一扬声器的初始距离；

相对位移计算单元232，用于根据当前时刻每一扬声器声波信号的相位偏移量计算，每一扬声器声与移动终端的相对位移s，其公式为：

$s=\frac{v_a}{{2\mathrm{\&pi;f}}_a}p;$

其中，V_a为声波信号的传播速度；f_a为对应扬声器发送声波信号的频率；p为相位偏移量；

距离计算单元233，用于根据所述移动终端到每一扬声器的初始距离及对应的相对位移，计算当前时刻该移动终端到每一扬声器的距离；

当前时刻位置信息计算单元234，用于根据每一扬声器的位置信息，及当前时刻与移动终端的距离，计算移动终端当前时刻的位置信息。

需要说明的是，上述系统中包含的各个功能单元所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种室内定位的方法，其特征在于，该方法包括：

移动终端以晃动的方式接收来自各个方向的扬声器发送的指定频率的声波，并计算移动终端晃动时每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；

根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获得每一扬声器声波信号的方向矢量，并根据扬声器声波信号的方向矢量及对应扬声器的位置计算移动终端在室内的初始位置信息；其中，根据每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量计算该移动终端的与每一扬声器间的相对速度v，其公式为：其中，V_a为声波信号的传播速度；f_a为对应扬声器发送声波信号的频率；f为多普勒偏移量；计算所述移动终端在世界坐标系下的速度矢量的步骤包括：利用移动终端中的加速度传感器与陀螺仪进行采样，计算得到世界坐标系下的加速度矢量a_x、a_y与a_z；根据世界坐标系下的加速度矢量a_x、a_y与a_z估算世界坐标系下的速度矢量v_x、v_y与v_z；

获取当前时刻移动终端与每一扬声器声波信号的相位偏移量，根据移动终端在室内的所述初始位置信息，以及该移动终端与每一扬声器声波信号的相位偏移量，计算当前时刻移动终端到每一扬声器的距离，获得该移动终端在当前时刻的位置信息；其步骤包括：

根据移动终端的初始位置信息与每一扬声器的位置信息，计算得到移动终端到每一扬声器的初始距离；

根据当前时刻每一扬声器声波信号的相位偏移量计算，每一扬声器声与移动终端的相对位移s，其公式为：

$s=\frac{V_a}{2\mathrm{\&pi;}{f}_a}p;$

其中，V_a为声波信号的传播速度；f_a为对应扬声器发送声波信号的频率；p为相位偏移量；

根据所述移动终端到每一扬声器的初始距离及对应的相对位移，计算当前时刻该移动终端到每一扬声器的距离；

根据每一扬声器的位置信息，及当前时刻与移动终端的距离，计算移动终端的在当前时刻的位置信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量与相位偏移量的步骤包括：

利用带通滤波器过滤噪声，提取出每一扬声器发送的声波信号，其中，每一扬声器发送的声波信号为指定频率，且频率互不相同的正弦声波；

通过自动增益控制，使每一扬声器声波信号的振幅归一化；

利用锁相环计算振幅归一化后的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量与相位偏移量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获得每一扬声器声波信号的方向矢量的步骤包括：

根据移动终端与每一扬声器间的相对速度v，及该移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算每一扬声器声波信号的方向矢量λ_x、λ_y与λ_z，其公式为：

v_xλ_x+v_yλ_y+v_zλ_z＝v。

4.一种室内定位的系统，其特征在于，该系统包括：

多普勒效应计算单元，用于当移动终端以晃动的方式接收来自各个方向的扬声器发送的指定频率的声波时，计算每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；

移动终端初始位置信息计算单元，用于根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获得每一扬声器声波信号的方向矢量，并根据扬声器声波信号的方向矢量及对应扬声器的位置计算移动终端在室内的初始位置信息；

所述移动终端初始位置信息计算单元包括：速度矢量获取单元，用于获取所述移动终端在世界坐标系下的速度矢量：

且所述速度矢量获取单元包括：

移动终端加速度计算单元，用于利用移动终端中的加速度传感器与陀螺仪进行采样，计算得到世界坐标系下的加速度矢量a_x、a_y与a_z；

移动终端速度矢量计算单元，用于根据世界坐标系下的加速度矢量a_x、a_y与a_z估算世界坐标系下的速度矢量v_x、v_y与v_z；

所述移动终端初始位置信息计算单元还包括：方向矢量获取单元，用于根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获取每一扬声器声波信号的方向矢量；

且所述方向矢量获取单元包括：相对速度计算单元，用于根据每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量计算该移动终端的与每一扬声器间的相对速度v，其公式为：

$V=\frac{V_a}{f_a}f;$

其中，V_a为声波信号的传播速度；f_a为对应扬声器发送声波信号的频率；f为多普勒偏移量；

移动终端实时位置信息获取单元，用于获取当前时刻移动终端与每一扬声器声波信号的相位偏移量，根据移动终端在室内的所述初始位置信息，以及该移动终端与每一扬声器声波信号的相位偏移量，计算当前时刻移动终端到每一扬声器的距离，获得该移动终端在当前时刻的位置信息；

其中，所述移动终端实时位置信息获取单元包括：

初始距离计算单元，用于根据移动终端的初始位置信息与每一扬声器的位置信息，计算得到移动终端到每一扬声器的初始距离；

相对位移计算单元，用于根据当前时刻每一扬声器声波信号的相位偏移量计算，每一扬声器声与移动终端的相对位移s，其公式为：

$s=\frac{V_a}{2\mathrm{\&pi;}{f}_a}p;$

其中，V_a为声波信号的传播速度；f_a为对应扬声器发送声波信号的频率；p为相位偏移量；

距离计算单元，用于根据所述移动终端到每一扬声器的初始距离及对应的相对位移，计算当前时刻该移动终端到每一扬声器的距离；

当前时刻位置信息计算单元，用于根据每一扬声器的位置信息，及当前时刻与移动终端的距离，计算移动终端当前时刻的位置信息。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述多普勒效应计算单元包括：

声波信号提取单元，用于利用带通滤波器过滤噪声，提取出每一扬声器发送的声波信号，其中，每一扬声器发送的声波信号为指定频率，且频率互不相同的正弦声波；

振幅归一化单元，用于通过自动增益控制，使每一扬声器声波信号的振幅归一化；

多普勒频率偏移量与相位偏移量计算单元，用于利用锁相环计算振幅归一化后的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量与相位偏移量。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述移动终端初始位置信息计算单元还包括：方向矢量获取单元，用于根据计算到的每一扬声器声波信号的多普勒频率偏移量及移动终端在世界坐标系下的速度矢量，获取每一扬声器声波信号的方向矢量；

且所述方向矢量获取单元包括：

声波信号方向矢量计算单元，用于根据移动终端与每一扬声器间的相对速度v，及移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算每一扬声器声波信号的方向矢量λ_x、λ_y与λ_z，其公式为：

v_xλ_x+v_yλ_y+v_zλ_z＝v。