CN105510904B - 基于多频可闻声波幅度求和的测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多频可闻声波幅度求和的测距方法，主要解决现有单一频率可闻声波测距同步要求高和偶然误差大的问题。其实现步骤为：(1)放置可闻声波发生器，并发射多频可闻声波；(2)在不同距离处多次采集声波信号，并做FFT变换，获得不同距离处的多频声波幅度和，再利用matlab得到声波信道模型；(3)声波采集设备采集声波信号，并做FFT变换，得到多频幅度之和；(4)根据多频幅度之和与声波信道模型得到测距值；(6)重复步骤(3)和(4)，得到多个测距值，去掉异常测距值，对其余值取平均得到最终测距值。本发明减小了测距偶然误差，提高了测距稳定性，可用于设备之间短距离测距。

Description

基于多频可闻声波幅度求和的测距方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更进一步涉及一种声波测距领域，可用于设备之间的短距离测距。

背景技术

当前，非接触测距系统已被应用在现实生活的各个领域，它与传统的接触测距相比精确度更高、操作更方便、安全系数更高。

现有的应用比较多的测距方法有微波雷达测距，激光测距，超声波测距等。对于某些设备，如手机，电脑等，以上三种测距方法需要添加额外的硬件，从而增加了硬件复杂度和成本。而利用这些设备自带的扬声器和麦克风来发射和接收可闻声波可以完成短距离测距。现有的利用可闻声波测距的方法主要有基于时差的测距和基于声波能量的测距。基于时差的测距方法通过准确地测量出发射端发射声波和接收端接收到声波之间的时间差来测距，为了达到这个目的，必须对发射端和接收端进行时间同步，由于受到多方面因素的影响和制约，在发射端和接收端之间做到精确的时间同步是非常困难的，声音传播的速度为340m/s，而发射端和接收端的距离一般在10m以内，即声音从一个节点传到其相邻的节点只需要约0.03s，考虑到噪音干扰和测量误差及处理时延，要区分如此微小的时间差是很困难的。由于声波传播过程比较有规律，采集到的信号比较稳定和可靠，比起其他物理测量属性，声能可以以一个较低的速率来采样，而且不需要发射端和接收端之间的时间同步，但是利用单一频率的声波进行测距将会出现较大的偶然误差，影响测距精度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于多频可闻声波幅度求和的测距方法，以减小测距的统计误差，提高测距精度。

实现本发明目的的技术思路是：通过采用多个频率的可闻声波的幅度求和测距方法，声波发射端发射多个频率叠加的可闻声波，接收端采集声波信息，并计算各个频率的幅度之和，根据事先测得的幅度衰减模型计算出收发端之间的距离，以此减小测距的统计误差，提高测距精度。其实现方案如下：

1.基于多频可闻声波幅度求和的测距方法，包括两个阶段：

1)声波信道建模阶段：

1a)将可闻声波发生器放置在某一固定的位置，并打开声波发生器的开关，使其发出有m个频率成分叠加的可闻声波，其中各个频率成分表示为f₁,f₂,...,f_i,...,f_m，f_i为第i个频率成分，i为1到m之间的正整数；

1b)选取距声波发生器的n个不同距离d₁,d₂,...,d_j,...,d_n，j为1到n之间的正整数；求出第j个距离d_j处接收到的多频幅度和的平均值：

1b1)用声波采集设备在距声波发生器d_j处对声波信号进行采样，采样L次，每次采样点数为N，采样率为F_s；

1b2)对每次采样得到的数据做N点快速傅里叶变换FFT，计算各个频率成分的幅度a₁,a₂,...,a_i,...,a_m，求各个频率成分的幅度之和：其中a_i为第i个频率f_i对应的幅度；

1b3)对L次采样得到的L个幅度之和做平均，得到声波采集设备在距声波发生器d_j处时的幅度和的平均值A_j；

1c)重复步骤1b1)到1b3)，获得声波采集设备在距声波发生器所有不同距离d₁,d₂,...,d_j,...,d_n处的幅度和的平均值A₁,A₂,...,A_j,...,A_n，其中j为1到n之间的正整数；

1d)以声波采集设备距声波发生器的距离d₁,d₂,...,d_j,...,d_n作为自变量，幅度和的平均值A₁,A₂,...,A_j,...,A_n作为因变量，利用matlab曲线拟合工具箱得到自变量和因变量的拟合关系式，即声波信道模型：

A＝p·d_j ^q+b

其中A为拟合关系式中的因变量，代表接收信号不同频率的幅度和，d_j为拟合关系式中的自变量，代表声波采集设备距声波发生器的距离，p为拟合得到的系数，q为拟合得到的声波衰减指数，b为拟合得到的偏移量；

2)测距阶段：

2a)声波采集设备以采样率F_s'采集M次接收声波数据，每次采样点数为N；

2b)对第k次采集的数据做N点FFT变换，k为1到M之间的正整数，计算各个频率成分f₁,f₂,...,f_i,...,f_m所对应的幅度的和a'；

2c)由步骤1d)得到的拟合曲线计算出可闻声波发生器和采集设备之间的距离，即测距值：

2d)重复步骤2c)，获得所有M次采集得到的测距值d₁',d'₂,...,d'_k,...,d'_M；

2e)去掉异常测距值：

2e1)求出M个测距值的均值其中d_k为第k个测距值；

2e2)计算每个测距值与均值之差的绝对值，最大绝对值对应的测距值为异常测距值，将这个异常测距值从这M个测距值中去除；

2f)对剩下的测距值取平均得到最终测距结果d'。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明由于采用了基于声波幅度的测距方法，不需要发射端和接收端的时间同步，解决了传统的基于传播时差方法中因时间测量误差和处理时延带来的误差问题。

第二，本发明由于采用了多个频率共同测距的方法，利用多个频率幅度和进行测距，当某个频率的声波出现较大波动或干扰时，不会对测距结果造成很大的影响，相比于传统的单一频率声波能量测距方法减小了统计误差，提高了测距系统稳定性。

第三，本发明由于采用了不同频率共同测距的方法，通过给不同设备分配不同的声波频率组合，避免不同设备之间的干扰，因此可以支持多个设备同时进行测距。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中距离-幅度和的拟合曲线；

图3是本发明测距结果与现有的单频测距结果误差对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实例和效果进行详细的描述。

如图1所示，本发明的实施步骤分为声波信道建模阶段和测距阶段，在声波信道建模阶段建立声波在空气中传播时多频声波的幅度和随传播距离的衰减数学模型，在测距阶段进行可闻声波发生器和声波采集设备之间的距离测试。

可闻声波发生器，是指能产生多个频率叠加的声波的设备，包括手机和电脑。

声波采集设备，是指具有音频信号数字化能力的设备，包括手机和电脑。

具体实现步骤如下：

步骤1，声波信道建模。

1a)将一部用作可闻声波发生器的手机放置在一个固定位置，并用手机自带的扬声器发出f₁＝15KHz和f₂＝19KHz两个频率相互叠加的可闻声波；

1b)选取距声波发生器的19个不同距离d₁,d₂,...,d_j,...,d₁₉，j为1到19之间的正整数；求出第j个距离d_j处接收到的多频幅度和的平均值：

1b1)将另一部手机作为声波采集设备，在距声波发生器d_j处对声波信号进行采样，采样L＝10次，每次采样点数为N＝16384，采样率为手机麦克风常用的采样率F_s＝44.1KHz；

1b2)对每次采样得到的数据做N点快速傅里叶变换FFT，计算频率为f₁＝15KHz和f₂＝19KHz的幅度a₁,a₂，求这两个频率成分的幅度之和：A＝a₁+a₂；

1b3)对L次采样得到的L个幅度之和做平均，得到声波采集设备在距声波发生器d_j处时的幅度和的平均值A_j；

1c)重复步骤1b1)到1b3)，获得声波采集设备在距声波发生器所有不同距离d₁,d₂,...,d_j,...,d₁₉处的幅度和的平均值A₁,A₂,...,A_j,...,A₁₉，其中j为1到19之间的正整数；

1d)以声波采集设备距声波发生器的距离d₁,d₂,...,d_j,...,d₁₉作为自变量，幅度和的平均值A₁,A₂,...,A_j,...,A₁₉作为因变量，利用matlab曲线拟合工具箱得到自变量和因变量的拟合关系式，即声波信道模型：

A＝p·d_j ^q+b

其中A为拟合关系式中的因变量，代表接收信号不同频率的幅度和，d_j为拟合关系式中的自变量，代表声波采集设备距声波发生器的距离，p为拟合得到的系数，值为626.2，q为拟合得到的声波衰减指数，值为-0.9381，b为拟合得到的偏移量，值为58.43，多频可闻声波的幅度之和与声波采集设备距声波发生器距离的拟合关系曲线如图2所示。

步骤2，测距。

2a)作为声波采集设备的手机以采样率F_s'＝44.1KHz采集M＝5次接收声波数据，每次采样点数为N＝16384；

2b)对第k次采集的数据做N点FFT变换，k为1到M之间的正整数，计算频率为f₁＝15KHz和f₂＝19KHz所对应的幅度的和a'；

2c)根据步骤1d)得到的拟合曲线，计算出可闻声波发生器和采集设备之间的距离，即测距值：

2d)重复步骤2c)，获得所有M次采集得到的测距值d₁',d'₂,...,d'_k,...,d'_M；

2e)去掉异常测距值

由于噪声的干扰和周围环境变化，测距时会产生误差较大的异常测距值，导致最终测距结果误差大，因此需要去掉异常测距值，其步骤如下：

2e1)求出M个测距值的均值其中d'_k为第k个测距值；

2e2)计算每个测距值与均值之差的绝对值，将这些绝对值按照从小到大的顺序排列，其最大绝对值对应的测距值则为异常测距值，将这个异常测距值从这M个测距值中去除；

2f)对剩下的测距值取平均得到最终测距结果d'。

本发明的效果可通过以下实验进一步详细说明。

1.仿真条件：

从0.1米到5.6米之间选择20个不同的收发端距离，每个距离测距10次，一共测距200次，对这200次测距结果利用matlab进行统计分析，

2.仿真内容：

用本发明和现有的单一频率可闻声波测距方法分别在上述仿真条件下进行测距，结果如图3所示。图3中带星号曲线表示本发明的测距结果，带圆圈曲线表示现有的单一频率可闻声波测距结果。

从图3中可以看出，本发明测距误差在1米以内的概率为0.94，而现有技术测距误差在1米以内的概率为0.79。

综上，本发明的测距精度高于现有的单一频率可闻声波测距技术的测距精度。

Claims (4)

1.基于多频可闻声波幅度求和的测距方法，其特征在于：包括两个阶段：

1)声波信道建模阶段：

1a)将可闻声波发生器放置在某一固定的位置，并打开声波发生器的开关，使其发出有m个频率成分叠加的可闻声波，其中各个频率成分表示为f₁,f₂,...,f_i,...,f_m，f_i为第i个频率成分，i为1到m之间的正整数；

1b)选取距声波发生器的n个不同距离d₁,d₂,...,d_j,...,d_n，j为1到n之间的正整数；求出第j个距离d_j处接收到的多频幅度和的平均值：

1b1)用声波采集设备在距声波发生器d_j处对声波信号进行采样，采样L次，每次采样点数为N，采样率为F_s；

1b2)对每次采样得到的数据做N点快速傅里叶变换FFT，计算各个频率成分的幅度a₁,a₂,...,a_i,...,a_m，求各个频率成分的幅度之和：其中a_i为第i个频率f_i对应的幅度；

1b3)对L次采样得到的L个幅度之和做平均，得到声波采集设备在距声波发生器d_j处时的幅度和的平均值A_j；

1c)重复步骤1b1)到1b3)，获得声波采集设备在距声波发生器所有不同距离d₁,d₂,...,d_j,...,d_n处的幅度和的平均值A₁,A₂,...,A_j,...,A_n，其中j为1到n之间的正整数；

1d)以声波采集设备距声波发生器的距离d₁,d₂,...,d_j,...,d_n作为自变量，幅度和的平均值A₁,A₂,...,A_j,...,A_n作为因变量，利用matlab曲线拟合工具箱得到自变量和因变量的拟合关系式，即声波信道模型：

A＝p·d_j ^q+b

其中A为拟合关系式中的因变量，代表接收信号不同频率的幅度和，d_j为拟合关系式中的自变量，代表声波采集设备距声波发生器的距离，p为拟合得到的系数，q为拟合得到的声波衰减指数，b为拟合得到的偏移量；

2)测距阶段：

2a)声波采集设备以采样率F_s'采集M次接收声波数据，每次采样点数为N；

2b)对第k次采集的数据做N点FFT变换，k为1到M之间的正整数，计算各个频率成分f₁,f₂,...,f_i,...,f_m所对应的幅度的和a'；

2c)由步骤1d)得到的拟合曲线计算出可闻声波发生器和采集设备之间的距离，即测距值：

2d)重复步骤2c)，获得所有M次采集得到的测距值d₁',d'₂,...,d'_k,...,d'_M；

2e)去掉异常测距值：

2e1)求出M个测距值的均值其中d'_k为第k个测距值；

2e2)计算每个测距值与均值之差的绝对值，最大绝对值对应的测距值为异常测距值，将这个异常测距值从这M个测距值中去除；

2f)对剩下的测距值取平均得到最终测距结果d'。

2.根据权利要求1所述的基于多频可闻声波幅度求和的测距方法，其特征在于，步骤1a)中的可闻声波发生器，是指能产生多个频率叠加的声波的设备，包括手机和电脑。

3.根据权利要求1所述的基于多频可闻声波幅度求和的测距方法，其特征在于，步骤1a)中的可闻声波的频率在20Hz至20000Hz之间。

4.根据权利要求1所述的基于多频可闻声波幅度求和的测距方法，其特征在于，步骤1b1)中的声波采集设备，是指具有音频信号数字化能力的设备，包括手机和电脑。