CN103267961B - 一种移动终端的测向方法、系统及该移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动终端的测向方法及、系统及该移动终端，其中，该方法包括：第一移动终端以晃动的方式接收第二移动终端中扬声器发送的指定频率的声波信号，并计算所述第二移动终端中扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；所述第一移动终端根据所述多普勒频率偏移量，计算与第二移动终端的相对速度；并根据所述相对速度与该第一移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，获得所述第一移动终端相对于所述第二移动终端的方位角通过采用本发明公开的方法及系统，实现了相邻手机用户之间的相互定位时不需要额外的装置来进行计算，且测向精度高。

Description

一种移动终端的测向方法、系统及该移动终端

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种移动终端的测向方法及、系统及该移动终端。

背景技术

现如今，智能手机用户之间一般采用全球定位系统来交互各自的地理位置信息，然而在室内场景中，全球定位系统失效，以致用户之间无法进行相互定位。目前，手机用户可以使用声波的传输时间差来得到他们之间的精确距离，但仍无任何方法来获取他们之间的精确方向。所以，智能手机之间的精确测向方法是手机用户之间相互定位的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动终端的测向方法及、系统及该移动终端，从而实现相邻手机用户之间的相互定位。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种移动终端的测向方法，该方法包括：

第一移动终端以晃动的方式接收第二移动终端中扬声器发送的指定频率的声波信号，并计算所述第二移动终端中扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；

所述第一移动终端根据所述多普勒频率偏移量，计算与第二移动终端的相对速度；

并根据所述相对速度与该第一移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，获得所述第一移动终端相对于所述第二移动终端的方位角。

一种测向的移动终端，包括：

多普勒频率偏移计算单元，用于以晃动的方式接收第二移动终端中扬声器发送的指定频率的声波信号，并计算所述第二移动终端中扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；

相对速度计算单元，用于根据所述多普勒频率偏移量，计算与第二移动终端的相对速度；

方位角获取单元，用于根据所述相对速度，与其自身在世界坐标系下的速度矢量计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，获得相对于所述第二移动终端的方位角。

一种移动终端的测向系统，该系统包括：前述的第一移动终端，以及第二移动终端；

其中，所述第二移动终端，用于通过扬声器发送的指定频率的声波信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过利用多普勒效应并结合移动终端上的传感器来测定对方移动终端的方向，不需要额外的装置来进行计算，测向精度高，本发明的方案具有零成本、使用方便、和精确的优点。

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移动终端的测向方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种测向的移动终端的示意图；

图3为本发明实施例三提供的一种移动终端的测向系统的示意图。

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移动终端的测向方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、第一移动终端以晃动的方式接收第二移动终端中扬声器发送的指定频率的声波信号，并计算所述第二移动终端中扬声器声波信号的多普勒频率偏移量。

本发明实施例中的移动终端可以是智能手机、平板电脑、掌上电脑等。

在进行定位之前可以约定扬声器声波信号的频率，以便准确的识别到所需侧向的移动终端。

本发明实施例基于声波信号的多普勒效应来进行侧向，因此，用于测向的移动终端需要以晃动的方法接收声波信号。

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：多普勒频率偏移量可以使用如下方法进行计算：

首先，计算声波信号的相位偏移量，其公式为：

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。

再根据相位偏移量计算频率偏移量：

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

其中，θ(t)＝θ(kT_s)＝θ[k]。

步骤12、所述第一移动终端根据所述多普勒频率偏移量，计算与第二移动终端的相对速度。

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。

步骤13、并根据所述相对速度与该第一移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，获得所述第一移动终端相对于所述第二移动终端的方位角。

通常，我们直接利用移动终端中自带的加速度传感器与陀螺仪计算其在世界坐标系下的速度矢量；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；

其公式为： $v_t\left[k\right]=v_t\left[0\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}T\left[i\right]a_t\left[i\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}T\left[i\right]{\mathrm{\σ}}_t\left[i\right]$

其中，v_t[k]为第i+1个采样对应的速度矢量中的v_x、v_y或v_z；v_t[0]为对应的初始速度；T[i]表示第i个采样到第i+1个采样的时间间隔；a_t[i]表示第i+1个采样时所求的世界坐标系中对应的a_x、a_y或a_z；σ_t[i]表示a_t[i]的测量误差，并假定σ_t在摇晃手机的这段短时间内为恒定值e_x，

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，v_x[0]为X轴的初始速度；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。

再将步骤12中计算获得的相对速度与及第一移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算第二移动终端中扬声器声波信号的方向矢量λ_x、λ_y与λ_z，其公式为：

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

其中，为任意值符号,v_x[k]、v_y[k]与v_z[k]为第k次采样计算到的X轴、Y轴与Z轴的速度矢量；。#

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，则其公式为：

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

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，e_y为测量a_y所产生的误差。

根据λ_x与λ_y，求声源相对于手机的方位角α：

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

本发明实施例通过利用多普勒效应并结合移动终端上的传感器来测定对方移动终端的方向，不需要额外的装置来进行计算，测向精度高，本发明的方案具有零成本、使用方便、和精确的优点。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种测向的移动终端的示意图。如图2所示，该移动终端主要包括：

多普勒频率偏移计算单元21，用于以晃动的方式接收第二移动终端中扬声器发送的指定频率的声波信号，并计算所述第二移动终端中扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；

相对速度计算单元22，用于根据所述多普勒频率偏移量，计算与第二移动终端的相对速度；

方位角获取单元23，用于根据所述相对速度，与其自身在世界坐标系下的速度矢量计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，获得相对于所述第二移动终端的方位角。

所述方位角获取单元23包括：速度矢量计算单元231，用于计算世界坐标系下的速度矢量；且该单元包括：

加速度矢量获取单元2311，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；

速度矢量估算单元2312，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；

其计算公式为： $v_t\left[k\right]=v_t\left[0\right]+\underset{i=0}{\overset{k-}{\mathrm{\&Sigma;}}}T\left[i\right]a_t\left[i\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T\left[i\right]{\mathrm{\&sigma;}}_t\left[i\right];$

其中，v_t为速度矢量中的v_x、v_y或v_z；T[i]表示第i个采样到第i+1个采样的时间间隔；a_t[i]表示第i+1个采样时所求的世界坐标系中对应的a_x、a_y或a_z；σ_t[i]表示a_t[i]的测量误差。

所述方位角获取单元23包括：声波信号的方向矢量计算单元232，用于计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，其公式包括：

${\mathrm{\&lambda;}}_x{v}_x\left[k\right]+{\mathrm{\&lambda;}}_y{v}_y\left[k\right]=v,\&ForAll;k;$

其中，λ_x与λ_y第二终端中扬声器的声波信号在X轴与Y轴的方向矢量；v_x[k]与v_y[k]为第k次采样计算到的X轴与Y轴的速度矢量；为任意值符号；

方位角计算单元233，用于根据计算到的第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，计算所述第二移动终端相对于所述第一移动终端的方向，其公式包括：

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

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种移动终端的测向系统的示意图。如图3所示，该系统主要包括：

实施例二所述的移动终端为第一移动终端31，以及第二移动终端32；其中，所述第二移动终端32，用于通过扬声器发送的指定频率的声波信号。

需要说明的是，上述设备、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，即将设备、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 (8)

1.一种移动终端的测向方法，其特征在于，该方法包括：

第一移动终端以晃动的方式接收第二移动终端中扬声器发送的指定频率的声波信号，并计算所述第二移动终端中扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；

所述第一移动终端根据所述多普勒频率偏移量，计算与第二移动终端的相对速度；

并根据所述相对速度与该第一移动终端在世界坐标系下的速度矢量计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，获得所述第一移动终端相对于所述第二移动终端的方位角；

其中，计算所述第一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；

其计算公式为： $v_t\left[k\right]=v_t\left[0\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T\left[i\right]a_t\left[i\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T\left[i\right]{\mathrm{\&sigma;}}_t\left[i\right];$

其中，v_t[k]为第i+1个采样对应的速度矢量中的v_x、v_y或v_z；v_t[0]为对应的初始速度；T[i]表示第i个采样到第i+1个采样的时间间隔；a_t[i]表示第i+1个采样时所求的世界坐标系中对应的a_x、a_y或a_z；σ_t[i]表示a_t[i]的测量误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述第二移动终端中扬声器声波信号的多普勒频率偏移量的步骤包括：

利用带通滤波器过滤噪声，提取出扬声器发送的正弦声波信号；

通过自动增益控制，使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扬声器声波信号的多普勒频率偏移量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算第一移动终端与第二移动终端的相对速度的公式包括：

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

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。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量的公式包括：

${\mathrm{\&lambda;}}_x{v}_x\left[k\right]+{\mathrm{\&lambda;}}_y{v}_y\left[k\right]=v,\&ForAll;k;$

其中，λ_x与λ_y第二终端中扬声器的声波信号在X轴与Y轴的方向矢量；v_x[k]与v_y[k]为第k次采样计算到的X轴与Y轴的速度矢量；为任意值符号。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算所述第一移动终端相对于所述第二移动终端的方位角的公式包括：

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

6.一种测向的移动终端，其特征在于，包括：

多普勒频率偏移计算单元，用于以晃动的方式接收第二移动终端中扬声器发送的指定频率的声波信号，并计算所述第二移动终端中扬声器声波信号的多普勒频率偏移量；

相对速度计算单元，用于根据所述多普勒频率偏移量，计算与第二移动终端的相对速度；

方位角获取单元，用于根据所述相对速度，与其自身在世界坐标系下的速度矢量计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，获得相对于所述第二移动终端的方位角；

其中，所述方位角获取单元包括：速度矢量计算单元，用于计算世界坐标系下的速度矢量；且该单元包括：

加速度矢量获取单元，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；

速度矢量估算单元，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；

其计算公式为： $v_t\left[k\right]=v_t\left[0\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T\left[i\right]a_t\left[i\right]+\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}T\left[i\right]{\mathrm{\&sigma;}}_t\left[i\right];$

其中，v_t[k]为第i+1个采样对应的速度矢量中的v_x、v_y或v_z；T[i]表示第i个采样到第i+1个采样的时间间隔；a_t[i]表示第i+1个采样时所求的世界坐标系中对应的a_x、a_y或a_z；σ_t[i]表示a_t[i]的测量误差。

7.根据权利要求6所述的移动终端，其特征在于，所述方位角获取单元包括：声波信号的方向矢量计算单元，用于计算所述第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，其公式包括：

${\mathrm{\&lambda;}}_x{v}_x\left[k\right]+{\mathrm{\&lambda;}}_y{v}_y\left[k\right]=v,\&ForAll;k;$

其中，λ_x与λ_y第二终端中扬声器的声波信号在X轴与Y轴的方向矢量；v_x[k]与v_y[k]为第k次采样计算到的X轴与Y轴的速度矢量；为任意值符号；

方位角计算单元，用于根据计算到的第二终端中扬声器声波信号的方向矢量，计算所述第二移动终端相对于所述移动终端的方向，其公式包括：

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

8.一种移动终端的测向系统，其特征在于，该系统包括：权利要求6-7任一项所述的移动终端，以及第二移动终端；

其中，所述第二移动终端，用于通过扬声器发送的指定频率的声波信号。