CN106226738B - 基于声学的移动设备近场测距定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声学的移动设备近场测距定位方法，主要解决现有技术测距精度低，测距设备复杂的问题。其技术方案是：1)利用线性调频原理制作发射信号；2)由主节点移动设备开启wifi建立局域网，从节点移动设备连入局域网；3)测量两两移动设备相互之间的距离；4)利用四部移动设备确定相对空间坐标系；5)当新移动设备加入到局域网时，利用新移动设备与局域网中所有已定位移动设备之间的距离信息确定该移动设备的坐标；6)当某部已定位的移动设备移动时，采用5)中的方法不断更新该移动设备的坐标信息，实现移动轨迹跟踪。本发明定位精度高，对噪音的鲁棒性好，同时移动方便，可用于近场环境中需要定位或者跟踪的应用中。

Description

基于声学的移动设备近场测距定位方法

技术领域

本发明属于声音测距定位领域，特别涉及近场环境下基于声学的移动设备测距方法，可用于近距离环境中的需要确定移动终端间的相互距离及相对位置的应用中。

技术背景

定位技术在移动设备普及的现代社会有非常广泛的应用场合。GPS系统因其成本低廉、定位精度高，在室外广域定位中得到了普及。但是由于大型建筑对卫星信号的阻隔，GPS定位技术在室内近场定位的应用中受到了极大限制。基于电磁波的定位技术由于成本、精度或体积的原因亦难以适用于近场定位。具体而言，基于电磁波测距体制的定位技术依赖于高精度的计时器，成本较高；基于强度测量的方案则无法保证良好的测距精度；基于测角体制的方案由于天线的原因小型化存在一定的困难。

使用声学进行定位的系统从原理上可以分为测距与测角两种体制。在测角体制的定位方案中存在与电磁波测角体制相同的问题，测角所需要的麦克风阵列体积较大，不便于小型化安装于移动设备类的移动设备。基于测距体制的声学定位系统因其精度高、设备成本低廉，在近场定位中有十分广泛的应用。

现有声学测距方法主要有以下几种：

专利公开号为CN102253367A的“一种基于超声波的室内三维定位系统及方法”，该方法提供了一种基于超声波的室内三维定位系统及方法，该系统需要N个信标组成的信标组，一个中心站和一个目标节点，中心站通过射频芯片周期性地发射射频信号来和周围的信标及目标节点通信来测量距离，之后采用三边定位算法计算目标节点的空间坐标。其不足之处是需要在室内提供信标组与中心站，增加了系统成本。其次，系统的移动性亦因此受到限制，每次更换地点都需要将信标组和中心站重新安置。

专利公开号为CN104301868A的“基于帧往返和到达时间测距技术的高精度室内定位方法”，该方法通过采用TOA差分测量方法，提供了一种满足移动终端设备室内定位精度要求的系统方案，其通过在数据帧中嵌入传输的时间信息，实现对时间信息的差分测量，以此来减少帧处理时延导致的误差。同时，时间差分测量亦消除了节点时钟与标准时钟的相位误差和频率误差，提高了测距精度。但不足之处是室内定位精度不高，仅能达到米级，而且使用电磁波体制进行测距，需要高精度的时钟，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于声学的移动设备近场测距定位方法，以提高近场环境中的测距精度低，减小成本。

本发明的技术方案是：通过移动设备wifi自建局域网，利用移动设备发射接收高频信号来测量移动设备之间的相互距离，最后根据距离信息定位得到移动设备坐标，其实现步骤包括如下：

(1)生成移动设备发射信号：

(1a)根据线性调频原理，为移动设备构建持续时间均为T，频率范围分别为和的第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b；

(1b)在第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b之前均增加一段固定频率的正弦信号，得到移动设备最终的两个发射信号S_a和S_b；

(2)建立移动设备局域网：

(2a)选定一个移动设备为主节点，其它移动设备设为从节点；由主节点移动设备开启wifi建立局域网，从节点移动设备连接主节点加入到局域网中；

(2b)主节点移动设备将所有从节点移动设备的ip地址，通过广播方式发送给所有从节点移动设备，使得局域网中任何两个移动设备都能相互通信；

(3)对于任意两个移动设备A和B，各自打开自己的录音模块，使其处于监听状态，测量这两个移动设备之间的距离d：

(3a)第一个移动设备A发出第一发射信号S_a，并记录第一发射信号S_a的发射时间t_A0，同时与第二个移动设备B一起开始录制声音；再通过频域信号匹配算法检测录制声音中第一发射信号S_a的位置，第一个移动设备A记录第一发射信号S_a的接收时间t_AA1，第二个移动设备B记录到第一发射信号S_a的接收时间t_AB1；

(3b)移动设备B接收到第一发射信号S_a后立即发出第二发射信号S_b，并记录第二发射信号S_b的发射时间t_B0，同时与第一个移动设备A一起开始录制声音；再通过频率信号匹配算法检测录制声音中的信号S_b的位置，第二个移动设备B记录第二发射信号S_b的接收时间t_BB1，第一个移动设备A记录接收到第二发射信号S_b的时间t_BA1；

(3c)根据记录时间计算第一移动设备A和第二移动设备B之间的距离d：

其中，v为声音在空气中的传播速度；

(4)建立多部移动设备的相对空间坐标系：

(4a)对于四部移动设备A、B、C、D，先将第一部移动设备A作为坐标系的原点O；

(4b)利用第二部移动设备B确定X轴，设AB方向为X轴正方向；

(4c)设定第三部移动设备C在X轴的边侧，用移动设备C确定Y轴经过原点O并垂直于X轴，且C移动设备所在的方向为Y轴的正方向；

(4d)设定第四部移动设备D在XOY平面外侧，用移动设备D确定Z轴经过原点O并垂直于平面XOY，且移动设备D所在的方向为Z轴的正方向；

(5)对移动设备进行定位：

(5a)空间坐标系建立好之后，当后续的新移动设备E要连入到局域网时，设新移动设备E的坐标为X_E＝(x,y,z)^T，设局域网中已定位的移动设备为参考节点，坐标为X_i＝(x_i,y_i,z_i)^T,i＝1,...,m，m为已定位移动设备的个数；

(5b)利用步骤(3)中的方法测得新移动设备E与局域网中移动设备i之间的距离d_i，i＝1,...,m，并得到新移动设备坐标X_E相关的函数J(X_E)：

其中，(·)^T为转置，为二范数，X₁为局域网中第一部移动设备的坐标，d₁为新移动设备E到局域网中第一部移动设备之间的距离；

(5c)对(5b)中的公式采用梯度下降算法进行最小化，得到新移动设备E的坐标X_E ^*，即：

(6)对移动设备进行跟踪：

在局域网中已定位的任意移动设备P发生位置移动时，将该移动设备P作为新接入到局域网中的移动设备，按照步骤(5)的方法重新求得该移动设备P移动后的新位置坐标，实现对移动设备的移动轨迹跟踪。

本发明具有如下优点：

1)本发明由于只需要多部移动设备及特定的线性调频信号，不需要其他的辅助设备及仪器，设备成本低。

2)本发明由于只用主节点移动设备开启wifi模块，建立局域网来进行通信，不需要依赖运营商的各种通信网络，不仅保证了通信的实时性，而且速度快，对外界的依赖小。

3)本发明由于是利用移动设备来进行声音定位，对测距定位的环境及地点没有限定，同时由于移动设备可随意移动，故灵活方便，适应性强。

4)本发明由于在进行信号匹配时采用频率匹配法，同时在频域中对录制声音进行带通滤波，减弱了环境噪音及移动设备发音时的噪音的干扰，保证了移动设备测距定位的精确性。

5)本发明由于在测距定位的同时，对移动的移动设备进行定位跟踪，使得本发明具有更好更广的应用性。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中构建移动设备相对空间坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1，生成移动设备发射信号。

本实例中要求利用移动设备发射信号进行测距，其中的移动设备为手机或平板或者其他具有声音收发功能、wifi模块以及具有计算能力的设备，本实例中的移动设备采用的是手机，其中的发射信号应该具有良好的自相关性，以便在噪声环境中能够更容易被检测到，线性调频信号是一种具备该特性的典型信号，其频谱特性能够符合目前主流移动设备的扬声器和麦克风的发射和接收条件，据此，本步骤的实现如下：

(1a)按照如下方式生成第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b：

其中，为第一调频信号S′_a的频率范围，φ_a为第一调频信号S′_a的初始相位，为第二调频信号S′_b的频率范围，φ_b为第二调频信号S′_b的初始相位，T为调频信号持续的时间。

(1b)设定初始相位φ_pre和角频率ω，生成固定频率的正弦信号S_pre：

S_pre＝sin(φ_pre+ωt)

其中t是正弦信号S_pre的时间变量，t的范围为[0,T_pre]，T_pre为正弦信号S_pre的持续时间；

(1c)为保证调频信号能够被移动设备正确发出，将固定频率的正弦信号S_pre放到第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b之前，得到最终的第一发射信号S_a和第二发射信号S_b：

S_a＝[S_pre,S′_a]

S_b＝[S_pre,S′_b]。

步骤2，建立移动设备局域网。

(2a)设定第一个移动设备为主节点，其它移动设备设为从节点,其中主节点移动设备为手机或平板，从节点移动设备全部由手机构成，或者由手机、平板或其他具有声音收发功能、wifi模块以及具有计算能力的设备混合构成，本实例中主节点和从节点全部为手机；

(2b)由主节点移动设备开启wifi建立局域网，从节点移动设备搜索到主节点移动设备开启的wifi，通过wifi连入到局域网；

(2c)当所有从节点移动设备都连入到局域网后，主节点移动设备就得到了所有从节点移动设备的ip地址，并生成一个ip地址列表；

(2d)主节点移动设备通过广播方式将ip地址列表发送给所有从节点移动设备，使局域网中任何两个节点移动设备都相互知道对方的ip地址，并可以通过ip地址相互进行通信。

步骤3，移动设备两两之间相互测距

(3a)频域信号匹配：

测距过程中需要将移动设备录制的声音与发射信号进行匹配，来确定移动设备录制声音中发射信号所在的具体位置，本实例采用频域信号匹配算法，实现如下：

(3a1)设定录制声音为x(n)，其中n＝0,1,...,N_x，N_x为录制声音的长度；设定发射信号经过采样后为s(n)，其中n＝0,1,...,N_s，N_s为发射信号的长度；

(3a2)将录制声音x(n)和发射信号s(n)进行傅里叶变换，得到频域序列X(k)和S(k)：

(3a3)根据发射信号s(n)的频域特征设置矩形窗滤波器H(k)：

其中f_start与f_end分别为发射信号s(n)的起始频率与终止频率，N_s为发射信号s(n)的信号长度，F_s为发射信号s(n)的采样频率；

(3a4)将录制声音的频域序列X(k)通过矩形窗滤波器H(k)滤波之后，与发射信号的频域序列S(k)相乘得到Z(k)：

Z(k)＝X(k)·H(k)·S(k)

将Z(k)经过傅里叶反变换得到时域信号z(n)：

其中，N为频率序列Z(k)的长度；

(3a5)从时域信号z(n)中找出最大值点q，计算点q处的信噪比，并将点q处的信噪比与实例中设定的信噪比阈值进行比较：

若点q处的信噪比大于实例中设定的信噪比阈值，则判定最大值q所在的位置为录制声音x(n)中的发射信号所在的位置；

否则，判定录制声音x(n)中不包含发射信号。

(3b)对于任意两个移动设备A和B，各自打开自己的录音模块，使其处于监听状态；

(3c)第一个移动设备A发出第一发射信号S_a，并记录第一发射信号S_a的发射时间t_A0，同时与第二个移动设备B一起开始录制声音；再通过(3a)中的频域信号匹配算法检测录制声音中第一发射信号S_a的位置，第一个移动设备A记录第一发射信号S_a的接收时间t_AA1，第二个移动设备B记录到第一发射信号S_a的接收时间t_AB1；

(3d)移动设备B接收到第一发射信号S_a后立即发出第二发射信号S_b，并记录第二发射信号S_b的发射时间t_B0，同时与第一个移动设备A一起开始录制声音；再通过(3a)中的频率信号匹配算法检测录制声音中的信号S_b的位置，第二个移动设备B记录第二发射信号S_b的接收时间t_BB1，第一个移动设备A记录接收到第二发射信号S_b的时间t_BA1；

(3e)根据记录的时间计算第一移动设备A和第二移动设备B之间的距离d：

其中，v为声音在空气中的传播速度，d_AA＝v×(t_AA1-t_A0)，表示第一个移动设备A的麦克风和扬声器之间的距离，d_BB＝v×(t_B0-t_AB1)，表示第二个移动设备B的麦克风和扬声器之间的距离。

步骤4，建立多部移动设备的相对空间坐标系。

如图2所示，对于4部移动设备A、B、C、D，建立相对空间坐标系的实现如下：

(4a)将第一部移动设备A作为坐标系的原点O；

(4b)利用第二部移动设备B确定X轴，设AB方向为X轴正方向；

(4c)设定第三部移动设备C在X轴的边侧，用移动设备C确定Y轴经过原点O并垂直于X轴，且C移动设备所在的方向为Y轴的正方向；

(4d)设定第四部移动设备D在XOY平面外侧，用移动设备D确定Z轴经过原点O并垂直于平面XOY，且移动设备D所在的方向为Z轴的正方向。

步骤5，对移动设备进行定位。

(5a)空间坐标系建立好之后，由于步骤3中已得到所有移动设备之间的相互距离，且移动设备A、B、C、D是用来确定相对坐标系的四部移动设备，故确定移动设备A、B、C、D的坐标分别为：

移动设备A为坐标原点，坐标为(0,0,0)；

移动设备B在X轴上，且移动设备B到移动设备A的距离为d_AB，坐标为(0,d_AB,0)；

移动设备C在XOY平面内，且根据向量相加法则可以求出移动设备C的坐标；

移动设备D在XOY平面上侧，且在Z轴正方向，根据向量相加法则可以求出移动设备D的坐标；

(5b)当后续的新移动设备E连入到局域网时，按照如下步骤确定坐标：

(5b1)设新移动设备E的坐标为X_E＝(x,y,z)^T，设局域网中已定位的移动设备为参考节点，坐标为X_i＝(x_i,y_i,z_i)^T,i＝1,...,m，m为已定位移动设备的个数；

(5b2)利用步骤(3)中的方法测得新移动设备E与局域网中移动设备i之间的距离d_i，i＝1,...,m，并得到新移动设备坐标X_E相关的函数J(X_E)：

其中，(·)^T为转置，为二范数，X₁为局域网中第一部移动设备的坐标，d₁为新移动设备E到局域网中第一部移动设备之间的距离；

(5b3)对(5b2)中的公式采用梯度下降算法进行最小化，得到新移动设备E的坐标X_E ^*，即：

上式是一个凸优化问题，具有全局唯一的极值点，使用梯度下降算法进行求解，求解步骤如下：

(5b3a)将X_E初始化为X_E ⁽¹⁾＝(x,y,z)^T；

(5b3b)，将X_E ⁽¹⁾代入到下面公式进行迭代更新：

其中，l为迭代步数，α为迭代步长，为目标函数J(X_E)在X_E＝X_E ^(l)处的梯度值；

(5b3c)，将连续两次迭代的差值与预先设定的阈值ξ进行比较：

若或l≥l_max，则停止迭代，得到X_E ^*＝X_E ^(l+1)，其中l_max为预先设定的最大迭代步数；

否则，继续执行(5b3b)中的迭代计算，直到满足迭代停止条件。

步骤6，对移动设备进行跟踪。

当局域网中已定位的任意移动设备P发生位置移动时，按照如下方式对移动设备P进行移动轨迹跟踪：

(6a)清除移动设备P与局域网中其它移动设备的距离信息，同时清除移动设备P的坐标信息；

(6b)将移动设备P设定为新接入到局域网中的移动设备，然后按照步骤(5b)的方法重新求得该移动设备P移动后的新位置坐标；

(6c)每当移动设备P移动到新的位置，重复步骤(6a)及步骤(6b)得到移动设备P移动轨迹。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于声学的移动设备近场测距定位方法，包括：

(1)生成移动设备发射信号：

(1a)根据线性调频原理，为移动设备构建持续时间均为T，频率范围分别为和的第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b；

(1b)在第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b之前均增加一段固定频率的正弦信号，得到移动设备最终的两个发射信号S_a和S_b；

(2)建立移动设备局域网：

(2a)选定一个移动设备为主节点，其它移动设备设为从节点；由主节点移动设备开启wifi建立局域网，从节点移动设备连接主节点加入到局域网中；

(2b)主节点移动设备将所有从节点移动设备的ip地址，通过广播方式发送给所有从节点移动设备，使得局域网中任何两个移动设备都能相互通信；

(3)对于任意两个移动设备A和B，各自打开自己的录音模块，使其处于监听状态，测量这两个移动设备之间的距离d：

(3a)第一个移动设备A发出第一发射信号S_a，并记录第一发射信号S_a的发射时间t_A0，同时与第二个移动设备B一起开始录制声音；再通过频域信号匹配算法检测录制声音中第一发射信号S_a的位置，即先将录制声音和第一发射信号S_a从时域信号转换到频域信号，并在频域中对录制声音进行带通滤波，再在录制声音中匹配第一发射信号S_a；第一个移动设备A记录第一发射信号S_a的接收时间t_AA1，第二个移动设备B记录到第一发射信号S_a的接收时间t_AB1；

(3b)移动设备B接收到第一发射信号S_a后立即发出第二发射信号S_b，并记录第二发射信号S_b的发射时间t_B0，同时与第一个移动设备A一起开始录制声音；再通过频域信号匹配算法检测录制声音中的信号S_b的位置，先将录制声音和第二发射信号S_b从时域信号转换到频域信号，并在频域中对录制声音进行带通滤波，再在录制声音中匹配第二发射信号S_b；第二个移动设备B记录第二发射信号S_b的接收时间t_BB1，第一个移动设备A记录接收到第二发射信号S_b的时间t_BA1；

(3c)根据记录时间计算第一移动设备A和第二移动设备B之间的距离d：

其中，v为声音在空气中的传播速度；

(4)建立多部移动设备的相对空间坐标系：

(4a)对于四部移动设备A、B、C、D，先将第一部移动设备A作为坐标系的原点O；

(4b)利用第二部移动设备B确定X轴，设AB方向为X轴正方向；

(4c)设定第三部移动设备C在X轴的边侧，用移动设备C确定Y轴经过原点O并垂直于X轴，且C移动设备所在的方向为Y轴的正方向；

(4d)设定第四部移动设备D在XOY平面外侧，用移动设备D确定Z轴经过原点O并垂直于平面XOY，且移动设备D所在的方向为Z轴的正方向；

(5)对移动设备进行定位：

(5a)空间坐标系建立好之后，当后续的新移动设备E要连入到局域网时，设新移动设备E的坐标为X_E＝(x,y,z)^T，设局域网中已定位的移动设备为参考节点，坐标为X_i＝(x_i,y_i,z_i)^T,i＝1,...,m，m为已定位移动设备的个数；

(5b)利用步骤(3)中的方法测得新移动设备E与局域网中移动设备i之间的距离d_i，i＝1,...,m，并得到新移动设备坐标X_E相关的函数J(X_E)：

其中，(·)^T为转置，为二范数，X₁为局域网中第一部移动设备的坐标，d₁为新移动设备E到局域网中第一部移动设备之间的距离；

(5c)对(5b)中的公式采用梯度下降算法进行最小化，得到新移动设备E的坐标X_E ^*，即：

(6)对移动设备进行跟踪：

在局域网中已定位的任意移动设备P发生位置移动时，将该移动设备P作为新接入到局域网中的移动设备，按照步骤(5)的方法重新求得该移动设备P移动后的新位置坐标，实现对移动设备的移动轨迹跟踪。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1a)中的移动设备，采用手机或平板或其他具有声音收发功能、wifi模块以及具有计算能力的设备。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1b)中在第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b之前均增加一段固定频率的正弦信号，是将频率为F的正弦信号直接连接到第一调频信号S′_a与第二调频信号S′_b之前，以保证这两个调频信号S′_a与S′_b能够被移动设备正确发出。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2a)中选定一个移动设备为主节点，其它移动设备设为从节点，其中的主节点移动设备采用手机或平板，从节点移动设备全部由手机构成，或者由手机、平板或其他具有声音收发功能、wifi模块以及具有计算能力的设备混合构成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2a)中由主节点移动设备开启wifi建立局域网，是指主节点移动设备开启自己的wifi模块，从节点移动设备连入到wifi，从而使主节点移动设备得到各个从节点移动设备的ip地址，之后由主节点移动设备将所有移动设备的ip地址通过广播方式发给所有的从节点移动设备，保证各个移动设备之间可以相互通信。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(4)中的建立多部移动设备的相对空间坐标系，是指在建立坐标系的过程中，只需要局域网中的四部移动设备来确定相对坐标系的X，Y，Z轴，不需要依赖大地坐标系或者极坐标系。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(5a)中设局域网中已定位的移动设备为参考节点，是指用坐标信息已确定的所有移动设备来计算新移动设备E的坐标，保证求得的新移动设备E的坐标更为精确。

8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5c)中采用梯度下降算法对X_E ^*进行求解：

(5c1)将X_E初始化为X_E ⁽¹⁾＝(x,y,z)^T；

(5c2)将X_E ⁽¹⁾代入到下面公式进行迭代更新：

X_E ^(l+1)＝X_E ^(l)-α▽_θ·J(X_E),l＝1,2,...

其中，l为迭代步数，α为迭代步长，▽_θ·J(X_E)为目标函数J(X_E)在X_E＝X_E ^(l)处的梯度值；

(5c3)将连续两次迭代的差值与预先设定的阈值ξ进行比较：

若或l≥l_max，则停止迭代，得到X_E ^*＝X_E ^(l+1)，其中l_max为预先设定的最大迭代步数；

否则，继续执行(5c2)中的迭代计算，直到满足迭代停止条件。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(6)中的对移动设备的移动轨迹跟踪，是指当局域网中已经定位的移动设备移动时，设定该移动设备为新加入到局域网中的移动设备，并按照新移动设备加入局域网时求解坐标的方法来得到该移动设备移动后的新坐标，实现该移动设备的移动轨迹跟踪。