CN104049233A - 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，其中，该方法包括：终端实时接收室内声源发送的声波，并根据用户手持终端移动过程中位置O_i至位置O_i+1的相位偏移，来计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i；构建包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型，并基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离，从而估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'；将估算出的相对位移d_i'与计算出的相对位移d_i相减，获得计算识差e_i，并对所述位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离进行多次估计，将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离，再利用三角函数计算与所述声源位置A的角度。通过采用本发明公开的方法及系统，提高了室内定位的精确，且成本较低。

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，利用其特征来进行定位，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，提高了室内定位的精确，且成本较低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种室内定位的方法，该方法包括：

终端实时接收室内声源发送的声波，并根据用户手持终端移动过程中位置O_i至位置O_i+1的相位偏移，来计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i；

构建包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型，并基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离，从而估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'；

将估算出的相对位移d_i'与计算出的相对位移d_i相减，获得计算识差e_i，并对所述位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离进行多次估计，将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离，再利用三角函数计算与所述声源位置A的角度。

一种实现所述的室内定位方法的系统，该系统包括：

相对位移计算模块，终端实时接收室内声源发送的声波，并根据用户手持终端移动过程中位置O_i至位置O_i+1的相位偏移，来计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i；

相对位移估算模块，构建包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型，并基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离，从而估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'；

定位模块，将估算出的相对位移d_i'与计算出的相对位移d_i相减，获得计算识差e_i，并对所述位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离进行多次估计，将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离，再利用三角函数计算与所述声源位置A的角度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，将估算到的相对位于与根据相位便宜计算出的相对位移进行相减，获得计算识差e_i，并将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为实际距离，并以此计算出与声源的角度，从而提高了定位精度；另外，该方案也无需为终端加装任何特殊装置即可完成定位，从而降低了成本。

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为本发明实施例一提供的一种包含室内行走轨迹及声源位置的三维示意图；

图3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：

步骤11、终端实时接收室内声源发送的声波，并根据用户手持终端移动过程中位置O_i至位置O_i+1的相位偏移，来计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i。

本发明实施例中，用户手持移动终端在室内行走，在行走过程中，终端接收到的声波因用户位置的不同产生了相位的偏移，由于声源的位置是固定的，则可计算用户在两个位置(用位置O_i与位置O_i+1来表示)的相对位移(即位置O_i到声源距离，与位置O_i+1O_i到声源距离之差)。

由于终端会实时接收声波，则可利用带通滤波器、自动增益控制和锁相环求出在位置O_i与位置O_i+1时的相位，从而计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i：

$d_i=\frac{v_a}{2\mathrm{\πf}}({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1);$

其中，v_a表示声波的传播速度，f表示声波信号的中心频率，φ₁与φ₂分别表示位置O_i与位置O_i+1的相位。

步骤12、构建包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型，并基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离，从而估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'。

所述包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型如图2所示，在该三维模型中，声源位置A在所述位置O_i(i＝1,2,…,n)和位置O_i+1延长线上的投影点为点A₂，且线段AA₂与线段O_iO_i+1垂直。

其中，声源位置A到点A₂的距离为y，初始位置O₁到点A₂的距离为x，位置O_i到位置O_i+1的距离为s。

则根据公用股定理可以估计出任一位置到声源位置A的距离。本发明实施例中，位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离计算公式如下：

${l_i}^{\text{'}}=\sqrt{y^2+{(x+(i-1)s)}^2};$

${l_{i+1}}^{\text{'}}=\sqrt{y^2+{(x+\mathrm{is})}^2};$

其中，l_i'表示位置O_i到声源位置A的距离，l_i+1'表示位置O_i+1到声源位置A的距离。

相应的，也可估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'：

d_i'＝l_i'-l_i+1'。

步骤13、将估算出的相对位移d_i'与计算出的相对位移d_i相减，获得计算识差e_i，并对所述位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离进行多次估计，将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离，再利用三角函数计算与所述声源位置A的角度。

由于步骤12为基于三维模型进行的估算结果，其中的x与y为变量，其数值可在一定范围内任一变动。本发明实施例为提高步骤12估计结构的准确性，将步骤12的结果与步骤11的结果相减，获得一计算识差e_i：

e_i＝d_i'-d_i。

理论上，若步骤12的估计结果正确，则e_i为零；考虑到实际计算中通常存在一定的误差，因此，通过遍历所有可能的x，y值来最小化下述公式：

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{e}_i^2;$

将使得上式为最小值时，对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离。

进一步的，为了提高本方案的鲁棒性，通过上述方法计算出位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离后，可利用同步方法来计算位置O_i+2至位置O_n到声源位置A的实际距离；具体的：

首先，利用位置O_i或者位置O_i+1到声源位置A的实际距离来计算声波从声源位置A到位置O_i或者位置O_i+1的传输时间：

$t_{\mathrm{li}}=\frac{{l_i}^{\text{'}}}{v_a};$

$t_{\mathrm{li}+1}=\frac{{l_{i+1}}^{\text{'}}}{v_a};$

其中，t_li表示声波从声源位置A到位置O_i的传输时间，t_li+1表示声波从声源位置A到位置O_i+1的传输时间；

进而求得第i及第i+1个声波的发送时间：

τ_i＝τ_i'-t_li

τ_i+1＝τ_i+1'-t_li+1

其中，τ_i与τ_i+1分别表示第i及第i+1个声波的发送时间，τ_i'与τ_i+1'分别表示在位置O_i接收到第i个声波，及在位置O_i+1接收到第i+1个声波的时间；

再利用同步方法计算位置O_i+2至位置O_n到声源位置A的实际距离。即，根据声波的发送时间及该声波的调制方法来预测位置O_i+2至位置O_n中每一次声波的发送时间，从而反推出位置O_i+2至位置O_n中声波的传输时间(接收到的时间与发送时间相减)，进而获得位置O_i+2至位置O_n到声源位置A的实际距离(传输时间与传播速度相乘)。

本发明实施例中，声波脉冲具有周期性，因此，当知道某一声波脉冲的发送时间后，可预测之后每一声波脉冲的发送时间；

本发明实施例中，采用了一种被调制的高频声波s(t)，其调制公式如下：

$s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{s}_1\left(t\right)& {\mathrm{kT}}_2\&le;t<{\mathrm{kT}}_2+T_1\\ s_2\left(t\right)& {\mathrm{kT}}_2+T_1\&le;t<(k+1)T_2\end{array};\right.$

其中，k为自然数，T₁，T₂为正数，且s₁(t)，s₂(t)公式如下：

s₁(t)＝cos(2πft)；

$s_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;ft}+\mathrm{\&pi;}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}(t-{\mathrm{\&tau;}}_i)}{T_p})& {\mathrm{\&tau;}}_i\&le;t<{\mathrm{\&tau;}}_i+T_p\\ \cos \left(2\mathrm{\&pi;ft}\right)& \mathrm{otherwise}\end{array};\right.$

其中，T_p表示声波的持续时间。

进一步的，通过以上方法可计算每一位置到声源位置A的实际距离，而对于每一位置到声源位置A的角度，可以通过初始位置O₁与声源位置A的角度来进行^计算。

首先，利用同步方法计算初始位置O₁到声源位置A的距离l₁，再利用三角函数及勾股定理计算初始位置O₁与声源位置A的角度

具体的：利用下述公式来估算位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离：

通过遍历所有可能的角度值来最小化下述公式：

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{e}_i^2;$

将使得e_i为最小值时对应的角度作为初始位置O₁与声源位置A的角度实际角度值。

当计算出初始位置O₁与声源位置A的角度实际角度值后，则可结合图2并利用三角函数关系式来计算剩余每一位置到声源位置A的实际角度值。

本发明实施例通过将估算到的相对位于与根据相位便宜计算出的相对位移进行相减，获得计算识差e_i，并将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为实际距离，并以此计算出与声源的角度，从而提高了定位精度；另外，该方案也无需为终端加装任何特殊装置即可完成定位，从而降低了成本。

实施例二

图3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3所示，该系统主要包括：

相对位移计算模块31，终端实时接收室内声源发送的声波，并根据用户手持终端移动过程中位置O_i至位置O_i+1的相位偏移，来计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i；

相对位移估算模块32，构建包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型，并基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离，从而估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'；

定位模块33，将估算出的相对位移d_i'与计算出的相对位移d_i相减，获得计算识差e_i，并对所述位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离进行多次估计，将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离，再利用三角函数计算与所述声源位置A的角度。

需要说明的是，上述系统中包含的各个功能模块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，仅以上述各功能模块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模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

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)

1.一种室内定位的方法，其特征在于，该方法包括：

终端实时接收室内声源发送的声波，并根据用户手持终端移动过程中位置O_i至位置O_i+1的相位偏移，来计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i；

构建包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型，并基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离，从而估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'；

将估算出的相对位移d_i'与计算出的相对位移d_i相减，获得计算识差e_i，并对所述位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离进行多次估计，将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离，再利用三角函数计算与所述声源位置A的角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据用户移动过程中位置O_i至位置O_i+1的相位偏移，来计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i包括：

当在位置O_i至位置O_i+1接收到声源发送的声波后，利用带通滤波器、自动增益控制和锁相环求出相位，从而计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i：

$d_i=\frac{v_a}{2\mathrm{\&pi;f}}({\mathrm{\&phi;}}_2-{\mathrm{\&phi;}}_1);$

其中，v_a表示声波的传播速度，f表示声波信号的中心频率，φ₁与φ₂分别表示位置O_i与位置O_i+1的相位。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型，并基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离，从而估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'包括：

在该三维模型中，声源位置A在所述位置O_i和位置O_i+1延长线上的投影点为点A₂，且线段AA₂与线段O_iO_i+1垂直；

再基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离：

${l_i}^{\text{'}}=\sqrt{y^2+{(x+(i-1)s)}^2};$

${l_{i+1}}^{\text{'}}=\sqrt{y^2+{(x+\mathrm{is})}^2};$

其中，l_i'表示位置O_i到声源位置A的距离，l_i+1'表示位置O_i+1到声源位置A的距离，y表示声源位置A到点A₂的距离、x表示初始位置O₁到点A₂的距离，s表示位置O_i到位置O_i+1的距离。

估算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'的公式为：

d_i'＝l_i'-l_i+1'。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离包括：

通过遍历所有可能的x，y值来最小化下述公式：

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{e}_i^2;$

将使得上式为最小值时，对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

当计算出位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离后，利用位置O_i或者位置O_i+1到声源位置A的实际距离来计算声波从声源位置A到位置O_i或者位置O_i+1的传输时间：

$t_{\mathrm{li}}=\frac{{l_i}^{\text{'}}}{v_a};$

$t_{\mathrm{li}+1}=\frac{{l_{i+1}}^{\text{'}}}{v_a};$

其中，t_li表示声波从声源位置A到位置O_i的传输时间，t_li+1表示声波从声源位置A到位置O_i+1的传输时间；

进而求得第i及第i+1个声波的发送时间：

τ_i＝τ_i'-t_li

τ_i+1＝τ_i+1'-t_li+1

其中，τ_i与τ_i+1分别表示第i及第i+1个声波的发送时间，τ_i'与τ_i+1'分别表示在位置O_i接收到第i个声波，及在位置O_i+1接收到第i+1个声波的时间；

再利用同步方法计算位置O_i+2至位置O_n到声源位置A的实际距离，具体的：根据声波的发送时间及该声波的调制方法来预测位置O_i+2至位置O_n中每一次声波的发送时间，从而反推出位置O_i+2至位置O_n中声波的传输时间，进而获得位置O_i+2至位置O_n到声源位置A的实际距离。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声波的调制方法包括：利用下述公式进行调制：

$s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{s}_1\left(t\right)& {\mathrm{kT}}_2\&le;t<{\mathrm{kT}}_2+T_1\\ s_2\left(t\right)& {\mathrm{kT}}_2+T_1\&le;t<(k+1)T_2\end{array};\right.$

其中，k为自然数，T₁，T₂为正数，且s₁(t)，s₂(t)公式如下：

s₁(t)＝cos(2πft)；

$s_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;ft}+\mathrm{\&pi;}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}(t-{\mathrm{\&tau;}}_i)}{T_p})& {\mathrm{\&tau;}}_i\&le;t<{\mathrm{\&tau;}}_i+T_p\\ \cos \left(2\mathrm{\&pi;ft}\right)& \mathrm{otherwise}\end{array};\right.$

其中，T_p表示声波的持续时间。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

利用同步方法计算初始位置O₁到声源位置A的距离l₁，再利用三角函数及勾股定理计算初始位置O₁与声源位置A的角度；

具体的：利用下述公式来估算位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离：

通过遍历所有可能的角度值来最小化下述公式：

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{e}_i^2;$

将使得e_i为最小值时对应的角度作为初始位置O₁与声源位置A的角度实际角度值。

8.一种实现权利要求1-7任一项所述的室内定位方法的系统，其特征在于，该系统包括：

相对位移计算模块，终端实时接收室内声源发送的声波，并根据用户手持终端移动过程中位置O_i至位置O_i+1的相位偏移，来计算位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i；

相对位移估算模块，构建包含所述位置O_i、位置O_i+1及声源位置A的三维模型，并基于勾股定理估计位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离，从而估算出位置O_i至位置O_i+1的相对位移d_i'；

定位模块，将估算出的相对位移d_i'与计算出的相对位移d_i相减，获得计算识差e_i，并对所述位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的距离进行多次估计，将使得所述计算识差e_i为最小值时对应的估计结果作为位置O_i及位置O_i+1到声源位置A的实际距离，再利用三角函数计算与所述声源位置A的角度。