CN106291463A - 一种基于WiFi和声波结合的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WiFi和声波结合的室内定位方法，在室内架设三个以上信标，每个信标周期性地同时向移动终端发送WiFi信号和声波信号，根据两个信号到达移动终端的时间差来确定信标和移动终端之间的距离，然后根据多个信标一起测得的距离值和已知每个信标的空间坐标来计算移动终端的空间位置。本发明使用WiFi信号和声波信号结合，两个信号各有其作用，相比于使用单个测距信号来说，测距更加精准，达到0.5分米级，并且能够节省测距时间。

Description

一种基于WiFi和声波结合的室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于WiFi和声波结合的精确室内定位方法，属于室内定位技术。

背景技术

室内精确定位能够帮助人们了解室内情况，比如移动物体(人员、移动机器人等)在室内的位置等，有助于商超消费的统计、公共安全事件的解决、人工智能的进一步发展等。目前行业流行的室内定位方法主要有蜂窝定位、WiFi定位、蓝牙定位、红外线定位、超宽带(UWB)定位、RFID定位、ZigBee定位、超声波定位等，但是多是单一室内定位方法的独立使用；在这些室内定位方法中，WiFi定位、UWB定位和蓝牙定位是较为常用的，下面就这几种方法进行简单的介绍。

WiFi定位：由于WiFi信号是电磁波，传播速度非常快，不能用往返时间法进行测距，只能够使用场强方法进行定位，精度比较差且需要架设很多的WiFi路由器。

UWB定位：不需要像传统通信技术那样使用载波，而是通信终端直接通过发送和接受只有纳秒及以下宽度的脉冲来传输数据；该方法的定位精度很高，但是在10m以外范围时信息的传输速率会大大降低，吞吐量太小，因此在距离稍远时就无法传输定位信息。

蓝牙定位：这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息；但是其传输信号经过反射、散射、绕射等，多重路径衰减与遮挡影响非常严重，实际上存在较大误差。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于WiFi和声波结合的精确室内定位方法，同时使用WiFi信号和声波信号两种不同性质的信号进行联合测距，着重解决现有技术测距灵敏度不高或者成本昂贵的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

虽然如今的室内定位方法有很多种，但是用户往往不需要也不想麻烦去单独使用商场、医院等公共场合提供的终端接收机；我们考虑到手机终端自带的传感器，想到了使用WiFi信号和声波信号结合的定位方法，通过手机的WiFi模块接收WiFi信号，通过手机的送话器接收声波信号。我们知道声波不能够传送大量的信息，只能进行简单的编码，但其传播速度非常适合测距；而WiFi则能够传输大量的信息，却由于速度过快不能够用来测距。我们使用信标进行周期性的广播，同时发送WiFi信号和声波信号，WiFi信号用于传递大量信息和参考信号，声波信号用于测距。

一种基于WiFi和声波结合的室内定位方法，在室内架设三个以上信标，每个信标周期性地同时向移动终端发送WiFi信号和声波信号，根据两个信号到达移动终端的时间差来确定信标和移动终端之间的距离：将声波信号的传输速度记为v_s，将WiFi信号的传播速度记为v_r，考虑到v_r＞＞v_s，因此忽略WiFi信号的传输时间，将移动终端接收到WiFi信号的时刻t₁作为声波信号的发出时刻，将移动终端接收到声波信号的时刻t₂的到达时刻，则信标与移动终端的距离为s＝(t₂-t₁)×v_s；该方法相对于常规的往返时间折半法用时少且算法简单。

优选的，所述信标发送出的WiFi信号和声波信号均携带信标标识，同一个信标发送出的WiFi信号携带的信标标识和声波信号携带的信标标识一一对应；移动终端通过识别信标标识确定同一信标发送出的WiFi信号和声波信号，移动终端通过识别信标标识确定WiFi信号的到达时刻和声波信号的到达时刻；所述WiFi信号同时携带信标的位置信息，结合此位置信息来计算移动终端的空间位置。

优选的，所述声波信号的信标标识为编码声波，现在的大部分公共场所都会有喇叭，我们进行只需要在正常的广播中夹杂入我们的编码声波即可实现声波信号的调制，不需要额外架设声波发声器，大大节省了器材成本；该编码声波采用折叠二进制编码，采用折叠二进制编码的优点是误码对于小电压的影响较小，有利于减少语音信号的平均量化噪声。由于同一个信标发送出的WiFi信号携带的信标标识和声波信号携带的信标标识一一对应，因此信标发出的音频信号不需要实时编码，提前对所有信标的音频信号编码好，得到一段二进制码，上传到数据库中，测距的时候由声波发射器(喇叭)播放这些单频率声音。手机接收端接收到声波信号后，然后根据频率解码出一段二进制码，再与数据库里面的二进制码进行对比，即可判断出此声波信号是由哪一个信标所发送。

具体的，该方法包括如下步骤：

(1)室内架设的N个信标周期性地同时向移动终端发送WiFi信号和声波信号，WiFi信号和声波信号均携带信标标识，WiFi信号同时携带信标的位置信息；

(2)移动终端根据接收到的N个WiFi信号得到N个信标的空间位置，根据同一个信标发出的WiFi信号和声波信号得到自身与该信标的直线距离；将第n个信标的空间位置记为(x_n,y_n,z_n)，将移动终端与第n个信标的直线距离记为s_n；

(3)移动终端根据N个信标的空间位置及对应的直线距离计算出移动终端的空间位置(x,y,z)，并在移动终端的地图上显示；或者移动终端将N个信标的空间位置及对应的直线距离发送给后台，通过后台计算出移动终端的空间位置(x,y,z)并反馈给移动终端，并在移动终端的地图上显示。

具体的，所述步骤(3)中，持续静止的移动终端的空间位置(x,y,z)实时定位方法为：首先基于方程(x-x_n)²+(y-y_n)²+(z-z_n)²＝s_n列出方程组，然后采用最小二乘法求解方程组得到(x,y,z)。

具体的，所述步骤(3)中，持续移动的移动终端的空间位置(x,y,z)实时定位方法为：根据k-1时刻的最优位置(x_k-1,y_k-1,z_k-1)计算k时刻的预测位置并通过卡尔曼滤波法对预测位置进行矫正，得到算k时刻的最优位置(x_k,y_k,z_k)；当移动终端所处的楼层高度保持不变时，认为移动终端在z方向的数值维持不变；对于x方向和y方向采用卡尔曼滤波法进行计算，具体过程为：

(31)：根据k-1时刻x方向和y方向的最优值x_k-1和y_k-1计算k时刻x方向和y方向的预测值和

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_k={\mathrm{Ax}}_{k-1}+{\mathrm{Bu}}_{k-1}\\ {\stackrel{\‾}{y}}_k={\mathrm{Ay}}_{k-1}+{\mathrm{Bu}}_{k-1}\end{array}\right.$

其中：A和B为系统环境参数，根据系统所处环境测得；u_k-1为k-1时刻的系统控制量；

(32)根据k-1时刻x方向和y方向的误差协方差矩阵P_x(k-1)和P_y(k-1)计算k时刻x方向和y方向的误差协方差矩阵P_xk和P_yk为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{xk}=A{P}_{x(k-1)}{A}^T+C\\ P_{yk}=A{P}_{y(k-1)}{A}^T+C\end{array}\right.$

其中：C为系统噪声协方差矩阵；

(33)根据k时刻x方向和y方向的误差协方差矩阵P_xk和P_yk计算k时刻x方向和y方向的卡尔曼增益J_xk和J_yk为：

$\left\{\begin{array}{c}{J}_{xk}=P_{xk}{H}^T{\[{\mathrm{HP}}_{xk}{H}^T+D\]}^{-1}\\ J_{yk}=P_{yk}{H}^T{\[{\mathrm{HP}}_{yk}{H}^T+D\]}^{-1}\end{array}\right.$

其中：H为系统硬件参数，根据系统硬件结构设定；D为测量噪声协方差矩阵；

(34)根据计算k时刻x方向和y方向的卡尔曼增益J_xk和J_yk对k时刻x方向和y方向的预测值和进行优化，k时刻x方向和y方向的最优值x_k和y_k：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_k={\stackrel{\‾}{x}}_k+J_{xk}(e_{xk}-H{\stackrel{\‾}{x}}_k)\\ y_k={\stackrel{\‾}{y}}_k+J_{yk}(e_{yk}-H{\stackrel{\‾}{y}}_k)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{xk}={\mathrm{Hx}}_k+r_k\\ e_{yk}={\mathrm{Hy}}_k+r_k\end{array}\right.$

其中：(e_xk，e_yk)为k时刻x方向和y方向的测量值，r_k为测量噪声，其协方差矩阵为D。

有益效果：本发明提供的基于WiFi和声波结合的室内定位方法，具有如下优势：1、使用WiFi信号和声波信号结合，两个信号各有其作用，相比于使用单个测距信号来说，测距更加精准，达到0.5分米级；2、由于现在的智能手机都具有WiFi接收模块和送话器，所以对用户终端的要求非常低，仅仅需要用户下载一个专用的APP即可使用；3、类似大商场、火车站等一些已经架设好广播喇叭的地点，我们仅仅所需要喇叭中间夹杂我们所需要的测距声波，既不会影响客户，也不需要重新架设新的器材，成本非常低；4、在商场、火车站等热闹或者有背景音乐的地方，可以减弱声波对用户终端的影响，用户想定位信息的时候，可以用主动扫描功能；原理就像支付宝和自动贩卖机之间的付款模式一样；5、对声波进行调制，由于每个声波实现经过编码，携带有由哪一个Beacon发送的这一信息，对几个声波进行自相关，拉长其帧结构，则可以降低声音以期达到人耳听不到的程度；6、相比较超声波测速，本发明采用声波测速，不需要在移动终端专门设置超声波模块，仅采用目前移动终端自带的送话器即可，大大节省了成本、提升了普及力度；7、相比较超声波测速，本发明采用声波测速，不需要在信标端专门架设超声波设备，仅采对目前的喇叭等小型扩音设备进行充分利用即可，大大节省了成本、提升了普及力度。

附图说明

图1为本发明的实施示意图；

图2为声波信号的编码流程图；

图3为移动终端的空间位置确定流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于WiFi和声波结合的室内定位方法，在室内架设一个以上信标，每个信标周期性地同时向移动终端发送WiFi信号和声波信号，根据两个信号到达移动终端的时间差来确定信标和移动终端之间的距离：将声波信号的传输速度记为v_s，将WiFi信号的传播速度记为v_r，考虑到v_r＞＞v_s，因此忽略WiFi信号的传输时间，将移动终端接收到WiFi信号的时刻t₁作为声波信号的发出时刻，将移动终端接收到声波信号的时刻t₂的到达时刻，则信标与移动终端的距离为s＝(t₂-t₁)×v_s。

所述信标发送出的WiFi信号和声波信号均携带信标标识，同一个信标发送出的WiFi信号携带的信标标识和声波信号携带的信标标识一一对应；移动终端通过识别信标标识确定同一信标发送出的WiFi信号和声波信号，移动终端通过识别信标标识确定WiFi信号的到达时刻和声波信号的到达时刻；所述WiFi信号同时携带信标的位置信息；所述声波信号的信标标识为编码声波，该编码声波采用二进制编码。

本案中，对声波的处理主要涉及以下几方面：

①首先就是要对声波进行简单的调制，把该声波是由哪个路由器产生的这一信息编码进去，这一信息并不复杂，声波信号是可以携带的。

②声波发射器把调制好的声波发送出去，手机通过MIC送话器接收。送话器又称麦克风，其功能就是完成声电转换，把不易处理和识别的声波信号转化为手机能够处理的电信号。

③当声波传到手机的MIC时，MIC将这一声波信号转换为同一规律的摸拟电信号，该信号经MIC尾部的RC滤波电路，将20HZ-20KHZ话音信号中的300HZ-3400HZ滤出。

④通过A\D转化，把电信号转化成数字信号以后，我们就可以根据事先编码好的声波进行配对，就可以判断出这一声波与哪一个WiFi信号是一对。

⑤最后利用声波与WiFi信号传送的相对时间，就可以测距出手机终端距离AP的距离值。

本案声波信号的编码流程如图2所示，编码声波采用折叠二进制编码，采用折叠二进制编码的优点是误码对于小电压的影响较小，有利于减少语音信号的平均量化噪声。由于同一个信标发送出的WiFi信号携带的信标标识和声波信号携带的信标标识一一对应，因此信标发出的音频信号不需要实时编码，提前对所有信标的音频信号编码好，得到一段二进制码，上传到数据库中，测距的时候由声波发射器(喇叭)播放这些单频率声音。手机接收端接收到声波信号后，然后根据频率解码出一段二进制码，再与数据库里面的二进制码进行对比，即可判断出此声波信号是由哪一个信标所发送。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于WiFi和声波结合的室内定位方法，其特征在于：在室内架设三个以上信标，每个信标周期性地同时向移动终端发送WiFi信号和声波信号，根据两个信号到达移动终端的时间差来确定信标和移动终端之间的距离：将声波信号的传输速度记为v_s，将WiFi信号的传播速度记为v_r，考虑到v_r>>v_s，因此忽略WiFi信号的传输时间，将移动终端接收到WiFi信号的时刻t₁作为声波信号的发出时刻，将移动终端接收到声波信号的时刻t₂的到达时刻，则信标与移动终端的距离为s＝(t₂-t₁)×v_s。

2.根据权利要求1所述的基于WiFi和声波结合的室内定位方法，其特征在于：所述信标发送出的WiFi信号和声波信号均携带信标标识，同一个信标发送出的WiFi信号携带的信标标识和声波信号携带的信标标识一一对应；移动终端通过识别信标标识确定同一信标发送出的WiFi信号和声波信号，移动终端通过识别信标标识确定WiFi信号的到达时刻和声波信号的到达时刻；所述WiFi信号同时携带信标的位置信息。

3.根据权利要求2所述的基于WiFi和声波结合的室内定位方法，其特征在于：所述声波信号的信标标识为编码声波，该编码声波采用折叠二进制编码。

4.根据权利要求2所述的基于WiFi和声波结合的室内定位方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)室内架设的N个信标周期性地同时向移动终端发送WiFi信号和声波信号，WiFi信号和声波信号均携带信标标识，WiFi信号同时携带信标的位置信息；

(2)移动终端根据接收到的N个WiFi信号得到N个信标的空间位置，根据同一个信标发出的WiFi信号和声波信号得到自身与该信标的直线距离；将第n个信标的空间位置记为(x_n,y_n,z_n)，将移动终端与第n个信标的直线距离记为s_n；

(3)移动终端根据N个信标的空间位置及对应的直线距离计算出移动终端的空间位置(x,y,z)，并在移动终端的地图上显示；或者移动终端将N个信标的空间位置及对应的直线距离发送给后台，通过后台计算出移动终端的空间位置(x,y,z)并反馈给移动终端，并在移动终端的地图上显示。

5.根据权利要求4所述的基于WiFi和声波结合的室内定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中，持续静止的移动终端的空间位置(x,y,z)实时定位方法为：首先基于方程(x-x_n)²+(y-y_n)²+(z-z_n)²＝s_n列出方程组，然后采用最小二乘法求解方程组得到(x,y,z)。

6.根据权利要求5所述的基于WiFi和声波结合的室内定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中，持续移动的移动终端的空间位置(x,y,z)实时定位方法为：根据k-1时刻的最优位置(x_k-1,y_k-1,z_k-1)计算k时刻的预测位置并通过卡尔曼滤波法对预测位置进行矫正，得到算k时刻的最优位置(x_k,y_k,z_k)；当移动终端所处的楼层高度保持不变时，认为移动终端在z方向的数值维持不变；对于x方向和y方向采用卡尔曼滤波法进行计算，具体过程为：

(31)：根据k-1时刻x方向和y方向的最优值x_k-1和y_k-1计算k时刻x方向和y方向的预测值和

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_k={\mathrm{Ax}}_{k-1}+{\mathrm{Bu}}_{k-1}\\ {\stackrel{\‾}{y}}_k={\mathrm{Ay}}_{k-1}+{\mathrm{Bu}}_{k-1}\end{array}\right.$

其中：A和B为系统环境参数，根据系统所处环境测得；u_k-1为k-1时刻的系统控制量；

(32)根据k-1时刻x方向和y方向的误差协方差矩阵P_x(k-1)和P_y(k-1)计算k时刻x方向和y方向的误差协方差矩阵P_xk和P_yk为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{xk}=A{P}_{x(k-1)}{A}^T+C\\ P_{yk}=A{P}_{y(k-1)}{A}^T+C\end{array}\right.$

其中：C为系统噪声协方差矩阵；

(33)根据k时刻x方向和y方向的误差协方差矩阵P_xk和P_yk计算k时刻x方向和y方向的卡尔曼增益J_xk和J_yk为：

$\left\{\begin{array}{c}{J}_{xk}=P_{xk}{H}^T{\[{\mathrm{HP}}_{xk}{H}^T+D\]}^1\\ J_{yk}=P_{yk}{H}^T{\[{\mathrm{HP}}_{yk}{H}^T+D\]}^1\end{array}\right.$

其中：H为系统硬件参数，根据系统硬件结构设定；D为测量噪声协方差矩阵；

(34)根据计算k时刻x方向和y方向的卡尔曼增益J_xk和J_yk对k时刻x方向和y方向的预测值和进行优化，k时刻x方向和y方向的最优值x_k和y_k：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_k={\stackrel{\‾}{x}}_k+J_{xk}(e_{xk}-H{\stackrel{\‾}{x}}_k)\\ y_k={\stackrel{\‾}{y}}_k+J_{yk}(e_{yk}-H{\stackrel{\‾}{y}}_k)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{xk}={\mathrm{Hx}}_k+r_k\\ e_{yk}={\mathrm{Hy}}_k+r_k\end{array}\right.$

其中：(e_xk,e_yk)为k时刻x方向和y方向的测量值，r_k为测量噪声，其协方差矩阵为D。