CN107192984A - 高精度室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度室内定位系统，包括：M个固定设置的麦克风模块、N个音频处理模块、无线模块及服务器，每一音频处理模块均与相邻的两个麦克风模块相连；其中：麦克风模块，用于拾取智能终端APP操作扬声器经调制发射的音频信号；音频处理模块，用于同步采集与处理相邻的两个麦克风模块采集到的音频信号，通过音频到达时刻点检测算法来检测音频信号到达时刻点，从而计算到达时间差信息；无线模块，用于汇总一个定位周期内各个音频处理模块所计算到的达时间差信息，并传输给服务器；服务器，用于根据接收到的达时间差信息计算智能终端的位置并反馈至智能终端，由智能终端显示当前位置并描绘运动轨迹。该系统具有较高的定位精度，且成本较低。

Description

高精度室内定位系统

技术领域

本发明涉及室内定位和导航领域，尤其涉及一种高精度室内定位系统。

背景技术

室内精确定位在安防、医疗、商业推广等领域有着广阔的应用前景，已成为时下研究的热点领域。目前用于室内定位的技术有基于RF、光学、地磁、IMU、音频等，其中基于音频的室内定位技术因具有硬件成本低、无需高精密时钟、定位精度较高等优点，越来越受人们的关注。

按基站的类型划分，基于音频的高精度室内定位方法主要有两种：(1)智能终端发射音频，多个固定节点接收音频，该方法通过计算音频到达各个固定接收节点的时间或时间差计算终端位置。(2)多个固定节点发射音频，智能终端接收音频，该方法通过计算音频到达终端的时间或时间差计算终端位置。两种方法中，方法(2)受终端音频采样率、功耗和计算能力等因素的影响，而方法(1)不受这些因素的影响，理论上可以获得更高的定位精度。方法(1)精确得到终端位置的关键是准确地获取时间或时间差信息，这需要固定接收节点同步采集、处理终端发射的音频信息。

目前，方法(1)的时钟同步方案的主要采用无线的方式，多个音频接收节点中有一个作为主节点提供统一的时间标准，其余节点在检测到音频时通过无线的方式向主节点发送消息以确定当前时刻，主节点通过各个节点的音频到达时刻点可获得一个定位周期内相应两接收节点间的时间差信息。上述同步方案的主要缺点是精度较差且代价较高，影响精度的主要因素是无线协议固有误差以及不同接收节点的音频数据处理速度存在差异，且每个接收节点都需要一个无线模块导致硬件成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度室内定位系统，具有较高的定位精度，且成本较低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高精度室内定位系统，包括：M个固定设置的麦克风模块、N个音频处理模块、无线模块及服务器，每一音频处理模块均与相邻的两个麦克风模块相连；其中：

麦克风模块，用于拾取智能终端APP操作扬声器经调制发射的音频信号；

音频处理模块，用于同步采集与处理相邻的两个麦克风模块采集到的音频信号，通过音频到达时刻点检测算法来检测音频信号到达时刻点，从而计算到达时间差信息；

无线模块，用于汇总一个定位周期内各个音频处理模块所计算到的达时间差信息，并传输给服务器；

服务器，用于根据接收到的达时间差信息计算智能终端的位置并反馈至智能终端，由智能终端显示当前位置并描绘运动轨迹。

所述麦克风模块包括：麦克风传感器、模拟滤波放大电路及接口；所述麦克风传感器采集到的音频信号经过模拟滤波放大电路进行滤波与放大后，通过接口输出，且该接口还作为外部电源供电的输入端。

所述音频处理模块包括：

模数转换器、音频数据处理器、随机访问存储器和通信接口；其中，音频数据处理器负责控制模数转换器、随机访问存储器和通信接口，同时负责实现音频到达时刻点检测算法，检测音频信号到达时刻并计算到达时间差信息；

模数转换器，负责将输入的两个通道的音频信号同步转化为音频数字信号；随机访问存储器作为缓存用于临时存放待音频数据处理器处理的音频数据；通信接口负责将到达时间差信息传输至无线模块。

所述音频到达时刻点检测算法的执行过程如下：

A1、对输入的音频数字信号进行去均值与滤波处理以削弱偏移和背景噪声的干扰；

A2、计算当前数据点的TKEO瞬时能量值，并判断是否大于阈值，若否则计算下一点的TKEO瞬时能量值，若是，则认为满足条件a并进入下一步；

A3、计算满足条件a的数据点之后S个数据点的能量，统计其中能量大于阈值的数据点个数，若个数小于设定值则向后移动S个数据点并返回至步骤A2，若个数大于设定值则认为满足条件b并进入下一步；

A4、计算满足条件b的数据点之后一段信号的FFT以及这一段信号与参考信号的时域相关值，若一段信号的FFT中指定频段的成分所占比重大于预设值，且这一段信号与参考信号的时域相关值大于预定值，则判定相应数据点为音频到达时刻点；否则，以相应数据点向后移动S个数据点并返回至步骤A2。

假设音频处理模块通过音频到达时刻点检测算法，检测相邻的两个麦克风模块采集到音频信号的到达时刻点分别为N1与N2，音频处理模块中模数转换器的采样率为Fs，则达时间差信息TDoA的计算公式如下：

TDoA＝(N1-N2)/Fs。

无线模块汇总一个定位周期内各个音频处理模块所计算到的达时间差信息，并传输给服务器的过程如下：

B1、无线模块查询是否有音频处理模块发出的到达时间差信息发送请求，若无请求则无线模块继续查询，否则进入下一步；

B2、无线模块读取到达时间差信息并根据请求号将其暂存至对应的存储位置，每一音频处理模块的到达时间差信息有其特定的存储位置；

B3、判断所有的音频处理模块的到达时间差信息是否已读完，若是则进入步骤B5，若否则进入下一步；

B4、判断是否有到达时间差信息发送请求，若是则进入步骤B2，若否则判断请求是否超时，若未超时则继续等待请求，若超时则进入下一步；

B5、无线模块把读到的到达时间差信息形成数据帧向服务器发送。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于时钟同步方案降低了音频接收节点间时钟同步的要求，且TDoA的计算刻度由音频采样率决定，从而保证了系统的定位精度。另外，由于多个音频处理模块共享同一个无线模块，进一步降低了系统成本。

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为本发明实施例提供的一种高精度室内定位系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高精度室内定位系统的工作流程图；

图3为本发明实施例提供的麦克风模块构成图；

图4为本发明实施例提供的音频处理模块构成图；

图5为本发明实施例提供的音频到达时刻点检测算法流程图；

图6为本发明实施例提供的ADC同步采集的两通道音频数据示意图；

图7为本发明实施例提供的无线模块操作流程图；

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。

本发明实施例提供一种高精度室内定位系统，其主要包括：M个固定设置的麦克风模块、N个音频处理模块、无线模块及服务器，每一音频处理模块均与相邻的两个麦克风模块相连；其中：

麦克风模块，用于拾取智能终端APP操作扬声器发射经调制的音频信号；

音频处理模块，用于同步采集与处理相邻的两个麦克风模块采集到的音频信号，通过音频到达时刻点检测算法来检测音频信号到达时刻点，从而计算到达时间差信息；

无线模块，用于汇总一个定位周期内各个音频处理模块所计算到的达时间差信息，并传输给服务器；

服务器，用于根据接收到的达时间差信息计算智能终端的位置并反馈至智能终端，由智能终端显示当前位置并描绘运动轨迹。

本发明实施例中，基于时钟同步方案降低了音频接收节点间时钟同步的要求，且TDoA的计算刻度由音频采样率决定，从而保证了系统的定位精度。所述的时钟同步方案为：一个音频处理模块同步采集和处理相邻的两个麦克风模块的音频信号，并根据音频处理模块的采样率计算TDoA信息。

本发明实施例中，为了便于附图的绘制，假设M＝4，N＝3，则精度室内定位系统的示意图如图1所示。其中共有四个麦克风模块(101～104)，三个音频处理模块(201～203)，一个无线模块(301)，一个服务器(501)，还有利用上述系统实现室内定位功能的智能终端(401)。上述系统中各个模块的功能在前文已经进行了介绍，下面结合其功能对整个系统的工作过程做进一步的说明。

本发明实施例提供的高精度室内定位系统的工作流程图如图2所示，另外，各个步骤的标号也标记在图1中，以便于理解；各步骤具体如下：

步骤S1、智能终端APP操作扬声器发射经调制的音频信号。

示例性的，音频信号的频段可以设置在在人耳不敏感的17kHz至20kHz之间以降低听觉不适。

同时，为方便多用户的区分，音频信号经调制后发射。

步骤S2、每一固定设置的麦克风模块采集的音频信号。

本发明实施例中，所述麦克风模块的结构如图3所示，主要包括：麦克风传感器、模拟滤波放大电路及接口；所述麦克风传感器采集到的音频信号经过模拟滤波放大电路进行滤波与放大后，通过接口输出，且该接口还作为外部电源供电的输入端。

示例性的，麦克风传感器可采用具有宽频响应的麦克风，如MEMS麦克风SPU0410LR5H-QB。模拟滤波放大电路的带宽可设置为17kHz～20kHz，增益可设置为1000左右。

步骤S3、音频处理模块同步采集和处理步骤相邻的两个麦克风模块输出的音频信号，计算到达时间差信息(TDoA信息)并将其传输给无线模块。

本发明实施例中，所述音频处理模块的结构如图4所示，主要包括：模数转换器(ADC)、音频数据处理器(DSP)、随机访问存储器(RAM)和通信接口；其中，音频数据处理器负责控制模数转换器、随机访问存储器和通信接口，同时负责实现音频到达时刻点检测算法，检测音频信号到达时刻并计算到达时间差信息。

本发明实施例中，模数转换器，负责将输入的两个通道的音频信号同步转化为音频数字信号；随机访问存储器作为缓存用于临时存放待音频数据处理器处理的音频数据；通信接口负责将到达时间差信息传输至无线模块。

本发明实施例中，所述音频到达时刻点检测算法的执行过程如图5所示，主要包括如下步骤：

A1、对输入的音频数字信号进行去均值与滤波处理以削弱偏移和背景噪声的干扰；

A2、计算当前数据点的TKEO(Teager-Kaiser Energy Operator，能量算子)瞬时能量值，并判断是否大于阈值，若否则计算下一点的TKEO瞬时能量值，若是，则认为满足条件a并进入下一步。

本领域技术人员可以理解，TKEO瞬时能量值可以采用常规方式计算得到；例如，可采用如下公式计算：E(n)＝x[n]*x[n]-x(n-1)*x(n+1)。

A3、计算满足条件a的数据点之后S个数据点的能量，统计其中能量大于阈值的数据点个数，若个数小于设定值则向后移动S个数据点并返回至步骤A2，若个数大于设定值则认为满足条件b并进入下一步；

A4、计算满足条件b的数据点之后一段信号的FFT以及这一段信号与参考信号(参考信号为智能终端发射的特定音频信号)的时域相关值，若一段信号的FFT中指定频段(例如，17kHz～20kHz)的成分所占比重大于预设值，且这一段信号与参考信号的时域相关值大于预定值，则判定相应数据点为音频到达时刻点；否则，以相应数据点向后移动S个数据点并返回至步骤A2。

总体来说，假设步骤A2～步骤A4中判定均为“是”，则步骤A2中的“当前点”即为步骤A4中的“相应数据点”，也即音频到达时刻点。

本领域技术人员可以理解，上述步骤所涉及的阈值、S、设定值、预设值、预定值等都可以根据实际情况来设定。例如，可以将阈值设为25，S设为50。

如图6所示，为ADC同步采集的两通道音频数据示意图，假设音频处理模块通过音频到达时刻点检测算法，检测相邻的两个麦克风模块(即通道1、通道2)采集到音频信号的到达时刻点分别为N1与N2，音频处理模块中模数转换器的采样率为Fs，则达时间差信息的计算公式如下：

TDoA＝(N1-N2)/Fs。

示例性的，若设Fs为100kHz，那么TDoA的计算刻度可精确到10us，保证了定位精度。

步骤S4、无线模块汇总一个定位周期内各个音频处理模块所计算到的达时间差信息，并传输给服务器。

本步骤的具体过程如图7所示，具体如下：

B1、无线模块查询是否有音频处理模块发出的到达时间差信息发送请求，若无请求则无线模块继续查询，否则进入下一步；

B2、无线模块读取到达时间差信息并根据请求号将其暂存至对应的存储位置，每一音频处理模块的到达时间差信息有其特定的存储位置；

B3、判断所有的音频处理模块的到达时间差信息是否已读完，若是则进入步骤B5，若否则进入下一步；

B4、判断是否有到达时间差信息发送请求，若是则进入步骤B2，若否则判断请求是否超时，若未超时则继续等待请求，若超时则进入下一步；

B5、无线模块把读到的到达时间差信息形成数据帧向服务器发送。

步骤S5、服务器根据TDoA信息计算智能终端位置并将结果反馈至终端。

理论上，2个TDoA信息可确定终端的2维坐标，服务器会利用已有的TDoA信息计算终端的最优估计位置。

步骤S6、智能终端接收服务器传输的位置信息，显示当前位置并描绘运动轨迹。

本发明实施例上述方案，基于时钟同步方案降低了音频接收节点间时钟同步的要求，且TDoA的计算刻度由音频采样率决定，从而保证了系统的定位精度。另外，由于多个音频处理模块共享同一个无线模块，进一步降低了系统成本。

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 (6)

1.一种高精度室内定位系统，其特征在于，包括：M个固定设置的麦克风模块、N个音频处理模块、无线模块及服务器，每一音频处理模块均与相邻的两个麦克风模块相连；其中：

麦克风模块，用于拾取智能终端APP操作扬声器经调制发射的音频信号；

音频处理模块，用于同步采集与处理相邻的两个麦克风模块采集到的音频信号，通过音频到达时刻点检测算法来检测音频信号到达时刻点，从而计算到达时间差信息；

无线模块，用于汇总一个定位周期内各个音频处理模块所计算到的达时间差信息，并传输给服务器；

服务器，用于根据接收到的达时间差信息计算智能终端的位置并反馈至智能终端，由智能终端显示当前位置并描绘运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种高精度室内定位系统，其特征在于，所述麦克风模块包括：麦克风传感器、模拟滤波放大电路及接口；所述麦克风传感器采集到的音频信号经过模拟滤波放大电路进行滤波与放大后，通过接口输出，且该接口还作为外部电源供电的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种高精度室内定位系统，其特征在于，所述音频处理模块包括：

模数转换器、音频数据处理器、随机访问存储器和通信接口；其中，音频数据处理器负责控制模数转换器、随机访问存储器和通信接口，同时负责实现音频到达时刻点检测算法，检测音频信号到达时刻并计算到达时间差信息；

模数转换器，负责将输入的两个通道的音频信号同步转化为音频数字信号；随机访问存储器作为缓存用于临时存放待音频数据处理器处理的音频数据；通信接口负责将到达时间差信息传输至无线模块。

4.根据权利要求1或3所述的一种高精度室内定位系统，其特征在于，所述音频到达时刻点检测算法的执行过程如下：

A1、对输入的音频数字信号进行去均值与滤波处理以削弱偏移和背景噪声的干扰；

A2、计算当前数据点的TKEO瞬时能量值，并判断是否大于阈值，若否则计算下一点的TKEO瞬时能量值，若是，则认为满足条件a并进入下一步；

A3、计算满足条件a的数据点之后S个数据点的能量，统计其中能量大于阈值的数据点个数，若个数小于设定值则向后移动S个数据点并返回至步骤A2，若个数大于设定值则认为满足条件b并进入下一步；

A4、计算满足条件b的数据点之后一段信号的FFT以及这一段信号与参考信号的时域相关值，若一段信号的FFT中指定频段的成分所占比重大于预设值，且这一段信号与参考信号的时域相关值大于预定值，则判定相应数据点为音频到达时刻点；否则，以相应数据点向后移动S个数据点并返回至步骤A2。

5.根据权利要求1所述的一种高精度室内定位系统，其特征在于，

假设音频处理模块通过音频到达时刻点检测算法，检测相邻的两个麦克风模块采集到音频信号的到达时刻点分别为N1与N2，音频处理模块中模数转换器的采样率为Fs，则达时间差信息TDoA的计算公式如下：

TDoA＝(N1-N2)/Fs。

6.根据权利要求1所述的一种高精度室内定位系统，其特征在于，无线模块汇总一个定位周期内各个音频处理模块所计算到的达时间差信息，并传输给服务器的过程如下：

B1、无线模块查询是否有音频处理模块发出的到达时间差信息发送请求，若无请求则无线模块继续查询，否则进入下一步；

B2、无线模块读取到达时间差信息并根据请求号将其暂存至对应的存储位置，每一音频处理模块的到达时间差信息有其特定的存储位置；

B3、判断所有的音频处理模块的到达时间差信息是否已读完，若是则进入步骤B5，若否则进入下一步；

B4、判断是否有到达时间差信息发送请求，若是则进入步骤B2，若否则判断请求是否超时，若未超时则继续等待请求，若超时则进入下一步；

B5、无线模块把读到的到达时间差信息形成数据帧向服务器发送。