CN104515972B - 基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易于实现并且精度很高的基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法，多媒体设备具有声波发射单元、声波接收单元以及唯一的ID编码，多媒体设备群包括至少两台相对位置唯一确定的多媒体设备并指定一台主设备，当新增设备进入识别范围时，主设备控制设备群中的每台设备依序先后与新增设备之间进行定位，定位时第一方首先通过声波发射单元发送定位信号并记录时刻T′，第二方通过信号接收单元接收到定位信号时处理时间∆T、并通过声波发射单元将接收到的定位信号发送至第一方，第一方接收到该定位信号时记录时刻T″，通过传播时间( T″‑ T′‑∆T)/2计算与设备群中每个设备之间的距离信息并在设备群内共享。

Description

基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法

技术领域

本发明涉及一种设备声波定位方法。

背景技术

声波定位的基本原理是通过几个固定位置的点的发射或者接受声波，被定为设备接收或者发送声波。利用飞越时间法（time of flight, TOF），即检测声波往返的时间，所用时间与声波通过距离成正比，计算出声波所经过的距离，从而得到被定为设备与几个固定位置点的距离。再通过三角形测量原理可以实现三维定位，得到三维空间中被定位设备的位置。声波技术由于成本低、结构简单易于实现而被人们广泛应用。目前市场上的声波收发器成熟且价格低廉，多媒体设备上的麦克风和扬声器可以作为声波的接收器和发送器，无需增加硬件成和修改电路。

采用该方法定位的一个关键点是：声波发生器和声波接收器需要同步时钟。时间同步主要是设置一个计算机的时钟为标准时间，在系统的工作过程中，其他计算单元通过网络或者其他通信方式获得标准计算机标准时钟，然后去掉通信延迟，将自己的时钟设置为标准时钟。声波发生器和声波接收器只有在同步时钟后，才能得出声波发出后在空气中行走的时间，声波发生器与接收器之间的距离与该行走时间成正比。

然而，在现实中不存在绝对精确的时钟，标称值同样是1MHz，发端和接收端的时钟总会存在差异，如果接收端不进行时钟同步，而是使用自己本地的时钟，则足够长的时间后接收到的数据总会出现不可预知的重复或丢失，导致接收错误。因此发端必须将与数据速率相关的时钟信号传输给接收端，时钟信号可以走单独的信号线，也可以用一定的方式隐含在数据信号中。接收端对此时钟信号进行同步，从而能够“不多也不少”地从接收的数据波形中恢复数据。另外传输过程中，数据信号多少会发生一定的畸变。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种无需时钟同步信号的声波精确定位方法，精度最高可以达到半个采样周期对应的声波传播距离，电路设计更加简单。

为了实现上述目的，本技术方案是：一种基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法，所述的多媒体设备具有声波发射单元、声波接收单元以及唯一的ID编码，所述的多媒体设备群包括至少两台相对位置唯一确定的多媒体设备，并且指定其中一台设备为主设备，当新增设备进入多媒体设备群的识别范围时，主设备控制设备群中的每台设备依序先后与新增设备之间进行定位，定位时第一方首先通过声波发射单元发送带有该设备的ID编码的定位信号并记录时刻T′，第二方通过信号接收单元接收到该带有ID编码的定位信号时处理时间∆T、并通过声波发射单元将接收到的定位信号发送至第一方，第一方接收到该定位信号时记录时刻T″，通过传播时间( T″- T′-∆T)/2计算新增设备与设备群中每个设备之间的距离信息，并在设备群内共享该距离信息。由于在整个定位过程中无需对各设备之间的时钟进行同步过程，因而无论时钟是否精确都由于差值而被滤去，因而相对于具有同步过程的定位方式而言定位精度反而更加精确。

作为本发明进一步的改进，所述的ID编码包括地址编码或者超声编码或者设备用户名称。

作为本发明进一步的改进，所述的声波发射单元包括扬声器部件，所述的声波接收单元包括麦克风部件。

作为本发明进一步的改进，当新增设备进入多媒体设备群的识别范围时，首先由主设备与新增设备之间进行身份验证。

作为本发明进一步的改进，所述的定位信号具有约定的频率，或者幅度，或者约定的发送周期个数，或者约定的发送时间间隔。

作为本发明进一步的改进，多媒体设备之间的数据传输是通过有线网络或者无线网络实现的。

本发明提出一种无需时钟同步信号的声波定位方法，具有如下优势：

1、定位精度高，精度最高可带到半个采样周期对应的声波传播距离（96000Hz时小于2mm）；

2、无时钟同步信号可以提高定位精度；

3、可行性高，实现难度小；

4、多媒体设备一般带有声波接收器（如麦克风）和声波发送器（如扬声器），无需另外添置元器件，对多媒体设备的成本影响非常小。

附图说明

附图1为一种根据本发明的无时钟同步定位方法；

附图2所示为第二种无时钟同步定位方法；

附图3所示为第二种方法中定位信号的发射与接收过程；

附图4所示为第三种无时钟同步定位方法；

附图5所示为第三种方法中定位信号的发射与接收过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

从较为广义的涵盖范围上讲，本发明涉及一套多媒体装置，该装置包含如下器件：三维空间中，至少两个位置固定的多媒体设备与一个被定位多媒体设备。每个多媒体设备上配有声波发生器和声波接收器，声波发生器用于发生声波，声波接收器用于接收声波，所述的声波发射单元包括扬声器部件，所述的声波接收单元包括麦克风部件。每个多媒体设备配有一个或多个处理器或控制器，可以进行数据分析和处理。

实施例一

如图1所示为基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法的一个简单模型。每个多媒体设备都具有声波发射单元、声波接收单元以及唯一的ID编码，固定设备K为主设备，主设备可以监听其他固定设备1与被定位设备（移动设备）之间的定位过程。主设备能收到其他所有固定设备和移动设备发送的声波，声波信号中包含了指令信号和定位信号，指令信号中又包含了设备的ID等信息。固定设备K与固定设备1之间的距离在定位被定为设备之前已经通过上述免同步时钟方法计算得出，由于三者位于同一个平面内，则移动设备的位置信息可以被确定下来。

具体的，当新增设备进入多媒体设备群的识别范围时，固定设备K与固定设备1先后与新增设备之间进行定位，定位时第一方首先通过声波发射单元发送带有该设备的ID编码的定位信号并记录时刻T′，第二方通过信号接收单元接收到该带有ID编码的定位信号时处理时间∆T、并通过声波发射单元将接收到的定位信号发送至第一方，第一方接收到该定位信号时记录时刻T″，通过传播时间( T″- T′-∆T)/2计算新增设备与设备群中每个设备之间的距离信息，并在设备群内共享该距离信息。由于在整个定位过程中无需对各设备之间的时钟进行同步过程，因而无论时钟是否精确都由于差值而被滤去，因而相对于具有同步过程的定位方式而言定位精度反而更加精确。

实施例二

如图2所示为基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法的另一个模型。三维空间中，室内有三个固定多媒体设备：固定设备1，固定设备2，固定设备3，这些固定多媒体设备间的距离在检测被定位设备之前已经通过上述免同步时钟算法得出，各距离记为已知L12，L13，L23。固定设备1发送给被定位设备特定的定位信号，被定位设备收到该信号经过处理再将该信号发回给固定设备1，该时间一定，通过检测可以得到，记为hold时间，固定设备1计算时间差（减去Hold的时间）可以得到固定设备1与被定位设备之间的距离L1。以此类推，可以得到被定位设备与固定设备2以及与固定设备3之间的距离L2，L3，固定设备1、固定设备2和固定设备3之间的距离关系已知，则可以精确定位被定位设备相对其他三台固定设备的位置。每个固定设备发送信号到移动设备，hold时间相同。该信号包含指令信号和定位信号，指令信号中包含hold时间。

具体的，当固定设备监听到有移动设备进入该室内，发送包含指令信号和定位信号的声波，并记录当前发送声波的时间T′，经过T1时间后，被定位多媒体设备的声波接收器收到该声波，控制器或处理器解析后知道这是定位信号，在被定位设备处理信号时间即hold时间∆T后，再将该信号通过声波发生器发送出去。固定多媒体设备1接收到该声波时，记录当前的时间T″。由于室内，固定设备与被定位设备之间的距离较小，T1很小，故在定位期间，被定位设备移动的距离非常小，可以忽略不计，认为被定位设备与固定设备1间的距离固定。固定设备1发送声波到被定位设备的时间与被定位设备发送声波到固定设备1的时间相同。

则：T″- T′= T1+∆T +T1

∆T为一个预先约定的时间，为已知时间，利用飞越时间法（TOF），固定设备1与被定位设备之间声波传输的时间为：

T1=( T″- T′-∆T)/2

固定设备1与被定位之间的距离与传输时间成正比。由此可以得出固定设备1与被定位设备之间的距离。同理可以计算被定位设备与固定设备2，固定设备3之间的距离。三台固定设备之间的距离已知，四台多媒体设备组成一个三角锥体，可以得出被定位设备在室内的精确位置。

如图3所示为第一种无时钟同步信号声波方法中声波信号传播的过程，固定设备发送的声波信号经过T1时间后，由被定位设备收到，再经过∆T时间，被定位设备发送声波信号，再经过T1时间由固定设备接收。被定位设备将整个声波信号接收完毕后处理再发送出去，所以接收和发送的声波中间没有重叠。

在本发明的另一个实施例中，当新增设备进入多媒体设备群的识别范围时，首先由主设备与新增设备之间进行身份验证，可以避免外部未经授权设备的接入。

实施例三

和实施例二相类似，不同的是被定位设备进入室内后发送指令信号和定位信号，固定设备1、固定设备2、固定设备3收到该声波信号后，固定设备在一个预先约定的hold时间∆T后再将信号发回给移动设备，固定设备发回的信号包含指令信号和定位信号，指令信号包含固定设备的ID和固定设备的hold时间。移动设备计算后得到与各固定设备之间的距离信息，根据该距离信息可以计算出移动设备在房间内的精确位置。

如图4所示为第三种无时钟同步的声波定位方法中声波信号传播的过程。定位信号具有约定的频率，或者幅度，或者约定的发送周期个数，或者约定的发送时间间隔，ID编码包括地址编码或者超声编码或者设备用户名称。另外，多媒体设备之间的数据传输是通过有线网络或者无线网络实现的。

依据本发明的声波精确定位方法可以在有效距离为0-10米内精确定位进入该室的多媒体设备，精度最高可达到半个采样周期对应的声波传播距离（96000Hz时小于2mm）。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法，其特征在于：所述的多媒体设备具有声波发射单元、声波接收单元以及唯一的ID编码，所述的多媒体设备群包括至少两台相对位置确定的多媒体设备，并且指定其中一台设备为主设备，当新增设备进入多媒体设备群的识别范围时，主设备控制设备群中的每台设备依序先后与新增设备之间进行定位，定位时第一方首先通过声波发射单元发送带有该设备的ID编码的定位信号并记录时刻T′，第二方通过信号接收单元接收到该带有ID编码的定位信号后经过一个预先约定的处理时间∆T、再通过声波发射单元发送带有该设备ID编码和第二方处理时间∆T的定位信号发送至第一方，第一方接收到该定位信号时记录时刻T″，通过传播时间( T″- T′-∆T)/2计算新增设备与设备群中每个设备之间的距离信息，并在设备群内共享该距离信息。

2.根据权利要求1所述的基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法，其特征在于：所述的ID编码包括地址编码或者超声编码或者设备用户名称。

3.根据权利要求1所述的基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法，其特征在于：所述的声波发射单元包括扬声器部件，所述的声波接收单元包括麦克风部件。

4.根据权利要求1所述的基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法，其特征在于：当新增设备进入多媒体设备群的识别范围时，首先由主设备与新增设备之间进行身份验证。

5.根据权利要求1所述的基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法，其特征在于：所述的定位信号具有约定的频率，或者幅度，或者约定的发送周期个数，或者约定的发送时间间隔。

6.根据权利要求1所述的基于声波的多媒体设备群对新增设备的免同步定位方法，其特征在于：多媒体设备之间的数据传输是通过有限网络或者无线网络实现的。