CN107631732A - 基于蓝牙、Wi‑Fi和声波的混合室内定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于室内定位领域，公开了一种基于蓝牙、wi‑fi和声波的混合室内定位方法及系统，使用基站播发Wi‑Fi信号，蓝牙信号和经过时间对齐和信号调制的音频信号；用户端接收蓝牙和Wi‑Fi信号的RSSI，并解调音频信号的发射时间和蓝牙信号的广播电文，实现基于TOA和RSSI的混合测距位置计算；定位系统包括：混合室定位基站、和用户设备；本系统的基站之间及基站与用户端间都实现测距链路。本发明定位结果稳健，连续，受信号遮挡影响小。基于TOA音频信号测距能够避免RSSI不稳定和信号遮挡造成的跳点，同时使用测距和测速的方式保证定位结果连续，可靠。

Description

基于蓝牙、Wi-Fi和声波的混合室内定位方法及系统

技术领域

本发明属于室内定位领域，尤其涉及一种基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法及系统，该混合室内定位系统为基于蓝牙、Wi-Fi和声波传感器的混合室内定位系统。

背景技术

室内定位技术是近年来新兴定位技术之一。据估算，城市人口平均有85％的时间在室内活动，因此能够准确的确定其在室内的位置具有巨大的市场潜力和应用前景。目前定位技术主要包括近邻法，几何法，场景分析法和线路推算法等。其中几何法适用于高精度室内定位，他可以依赖各类声，光，电信号通过直接或间接测定目标与参考点之间的相对距离，基于不同信号频率和信号协议，可用于实现室内定位的技术手段已经达到十几种，常见的有激光，超声波，红外线，蜂窝网络，无线广播，经过编码的可见光，Wi-Fi,蓝牙，Zigbee，RFID等。

综上所述，现有技术存在的问题是：

不同的技术可实现的精度和覆盖范围各有不同，因而难以使用某一种定位技术满足室内定位和导航的需求。从室内定位系统的性能和成本的角度来讲，部分专用的室内定位系统，如激光，UWB等系统能够实现高精度的室内定位，这些高精度室内定位系统需要专用的用户设备配合，另外高精度时间同步对硬件设备要求较高，整套系统成本较昂贵，布设复杂；另外一部分室内定位系统基于Wi-Fi，蓝牙等已有的基础设施，使用智能手机作为用户终端，面向普通大众；现有的系统受到室内复杂环境影响和硬件性能限制，定位精度和可靠性都受到限制。较理想的室内定位设备应能够使用通用的用户终端而避免给用户增加额外的负担，硬件成本低并且部署快速，便捷。如何使用通用的用户端及低成本的硬件设备提供稳定，可靠的室内定位服务，目前仍具有一定的挑战性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位系统。

本发明是这样实现的，一种基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法，所述基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法包括：

基站播发Wi-Fi信号、蓝牙信号和经过时间对齐和信号调制的音频信号；用户端测量蓝牙和Wi-Fi信号的RSSI和音频信号的到达时间，解析蓝牙信号的广播电文，并实现基于测距的位置计算。

进一步，所述混合室定位基站通过计算测量的TOA与已知的真实距离间的偏差确定时间偏差量，利用迭代调整当前基站时钟实现整网时间同步，具体包括：

混合室定位基站同时接收和发射通过LFM调制的音频信号测量混合室定位基站间的距离，若混合室定位基站间的时钟没有对齐，测量到的距离表达为：

ρ_i＝r_i+vΔt_i；

式中ρ_i和r_i为当前混合室定位基站到第i个混合室定位基站的测量距离和真实距离；v为声波在空气中传播速度，Δt_i为当前混合室定位基站与第i个混合室定位基站之间的系统时间差；当前混合室定位基站的时间调整量通过下式计算：

N为接收到的基站信号的个数；整个基站网中选择一个基站作为参考基站，该基站不进行时间调整。通过若干次迭代，可将整网的时间同步到参考基站的时间基准上。

进一步，所述混合室定位基站使用的音频信号线性调频LFM方式扩频，采用16kHz-20kHz的声波信号，可削弱环境噪声的影响；音频信号采用CDMA的方式实现多址接入，可用于区分音频信号基站来源，避免信号串扰。

进一步，所述用户端定位设备可采用8维的扩展卡尔曼滤波器EKF实现，算法如下：

其中，x为滤波器状态向量，可表示为r,分别为三维的位置和速度向量；dt,分为一维的钟差和频偏；Φ_k,k+1表示状态转移矩阵，表示为

其中I₃是3阶单位阵；Q_k是历元k的过程噪声矩阵；滤波器的测量更新表示为：

K_k是历元k的滤波增益矩阵,其中y为通过音频TOA和蓝牙，Wi-Fi的RSSI获取的距离测量值；A为测量更新的设计矩阵；R_k是观测值方差协方差矩阵；位置和速度初始化高斯-牛顿法计算；滤波完成后得更新后的用户设备位置信息。

本发明另一目的在于提供一种混合室内定位系统包括：

混合定位基站，负责播发经过时间对齐的音频信号，Wi-Fi信号和蓝牙信号，并通过蓝牙广播电文信息；

用户设备，负责接收并解调音频信号的TOA信息，蓝牙信号的广播电文，获取蓝牙和Wi-Fi信号的RSSI，实现基于测距的位置计算；

基站间测距链路，用于实现基站间同步各基站通过接收来自其他混合室定位基站的音频信号，将将本地时间时间同步到主基站的时标上；

基站与用户设备间测距链路，用于将Wi-Fi、蓝牙通过RSSI测距及利用音频信号TOA进行测距。

进一步，所述混合室定位基站包括MCU、Wi-Fi单元、蓝牙发射单元、声波发射和接收传感器、PCB底板及附属电路元器件；所述MCU、Wi-Fi天线接口、蓝牙发射单元、声波发射和接收传感器均集成在PCB底板上。

本发明的优点及积极效果为：

本发明提出了一种低成本的混合室内定位系统。该系统联合使用蓝牙阵列，Wi-Fi热点和音频发射器组成的定位基站，通过多种测距方式组合的形式提高测量精度，扩展测距有效距离，节约部署成本。

本发明还具有以下有利点：

低成本室内定位方案，基站使用多种低成本传感器组合的方式平衡性能和价格，与专用高精度定位设备相比，成本上具有竞争力。

无需专用接收设备，大部分智能手机，智能手环，智能手表以及虚拟现实眼镜，头盔等都集成了蓝牙，Wi-Fi,音频传感器，无需单独购买用户接收设备。

部署方便，通过音频信号调制进行时间同步，无需通过外接网线，光缆等方式进行时间同步。

开机即得，用户端无需事先下载指纹库，三维模型，坐标数据库等先验信息。只要所在区域部署了混合基站，即可获得当前坐标。

定位结果稳健，连续，受信号遮挡影响小。基于TOA音频信号测距能够避免RSSI不稳定和信号遮挡造成的跳点，同时使用测距和测速的方式保证定位结果连续，可靠。

附图说明

图1本发明实施例提供的混合室内定位系统示意图。

图2是本发明实施例提供的混合室内定位系统的混合室定位基站示意图。

图中：1、蓝牙发射单元；2、MCU；3、Wi-Fi单元；4、声波发射和接收传感器；5、PCB底板；6、混合定位基站；7、基站间音频时间同步信号链路；8、基站与用户设备间测距链路；(包括Wi-Fi,蓝牙的RSSI，音频信号以及调制在蓝牙信号上的电文信息)；9、用户设备。

图3是本发明实施例提供的混合室内定位使用方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的混合定位基站受MCU控制，将16k-20k的音频信号通过线性调频(LFM)方式调制来提高音频信号的抗干扰能力，同时通过CDMA调制实现基站的多址接入。基站同时向外播发蓝牙信号和Wi-Fi信号，其中蓝牙信号的广播通道调制电文数据，电文数据包括基站的坐标，楼层，房间号等信息。

基站通过接收来自其他基站的音频信号实现自组网，并完成整网时间同步。

同步方式是这样实现的：每个基站测量来自其他基站的音频信号，并转化为距离。每个基站都保存有自身与其他所有基站的距离真值。通过比较距离真值与距离测量值确定自身时钟与其他时钟的时钟偏差，在对自身的音频信号调制做相应的调整。若混合室定位基站间的时钟没有对齐，测量到的距离表达为：

ρ_i＝r_i+vΔt_i；

式中ρ_i和r_i为当前混合室定位基站到第i个混合室定位基站的测量距离和真实距离；v为声波在空气中传播速度，Δt_i为当前混合室定位基站与第i个混合室定位基站之间的系统时间差；当前混合室定位基站的时间调整量通过下式计算：

N为接收到的基站信号的个数。整个基站网中选择一个基站作为参考基站，该基站不进行时间调整。通过若干次迭代，可将整网的时间同步到参考基站的时间基准上。

用户设备接收到蓝牙信号和Wi-Fi信号，无需配对连接，通过测量相应的RSSI值并换算成距离。同时用户设备的音频接收设备(如麦克风)收到调制的音频信号，用于测量TOA和多普勒效应，并转换为距离和距离变化率。用户设备综合处理RSSI和TOA的距离观测值，并通过蓝牙信号的广播电文获取的基站坐标进行定位。该混合定位系统能够有效地扩展测距作用范围，削弱RSSI测量非视距遮挡的影响。同时用户端可以通过测量音频信号的多普勒观测值得到距离变率信息用于测速。联合位置和速度进行滤波位置解算，能够保证用户定位轨迹平滑，连续，不产生跳点。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1、图2所示，本发明实施例提供的种混合室内定位系统包括：

混合室定位基站6，负责播发Wi-Fi信号、蓝牙信号和经过时间对齐和信号调制的音频信号；

用户设备9，负责接收并解调音频信号的TOA，蓝牙信号的广播电文，获取蓝牙和Wi-Fi信号的RSSI，实现基于测距的位置计算；

基站间测距链路7，用于实现基站间同步各基站通过接收来自其他混合室定位基站的音频信号，将将本地时间时间同步到主基站的时标上；

基站与用户设备间测距链路8，用户端设备接收来自基站的Wi-Fi、蓝牙和音频信号并通过RSSI和TOA进行测距。

所述混合室定位基站包括MCU 2、Wi-Fi单元3、蓝牙发射单元1、声波发射和接收传感器4、PCB底板5；所述MCU、Wi-Fi单元、蓝牙发射单元、声波发射和接收传感器均集成在PCB底板上。

本发明实施例提供的种混合室内定位系统，混合室定位基站可通过同时接收和发射线性调频(LFM)调制的声波信号，通过自组网的方式实现整网时间同步。混合基站同时发射蓝牙信号，Wi-Fi信号和时间同步的音频信号用于定位。

用户设备接收蓝牙信号，Wi-Fi信号的RSSI和音频信号的TOA实现测距，并解析蓝牙广播的电文获取各基站坐标和其他辅助信息，并在用户设备实现定位。

混合室定位基站可同时接收和发射通过LFM调制的音频信号测量混合室定位基站间的距离，并且和事先输入的基站间真实距离进行比较以确定当前基站与其他基站的系统时间差。整个混合室定位基站网络中选择一个基站作为参考基站，该基站无需调整自身的时间差。其他的基站通过迭代的方式将各自的系统时间与参考基站对齐。混合室定位基站网时间同步过程实现自组网。增加混合室定位基站节点时无需修改已有混合室定位基站的配置，混合室定位基站间无需铺设电缆和光纤用于时间同步。

单个混合室定位基站包含一个或多个蓝牙单元同时工作。蓝牙通过广播信道播发电文信息，用户无需配对即可接收并解析蓝牙电文信息用于定位。多个蓝牙单元同时工作能够有效地增加冗余观测数，降低蓝牙信号RSSI观测噪声。

混合室定位基站使用的音频信号线性调频(LFM)方式扩频，提高系统的抗干扰性能，采用16k-20kHz的声波信号，有效地避开环境噪音。音频信号采用CDMA的方式实现多址接入。可用于区分音频信号基站来源，避免信号串扰。基站使用的标识码在保证音频信号不会干扰的前提下，通过多色复用原理进行复用。对于较大的混合室定位基站网络使用有限的基站标识码即可实现多址复用。

其用户设备应具有多种传感器，能够同时接收并解析Wi-Fi信号，蓝牙信号的通道参数，能够以不低于40kHz的采样率对音频信号进行采样，保证能够对音频信号进行解调。用户终端不仅包括目前大众智能手机，还包括智能手环，虚拟现实眼镜，游戏头盔，智能机器人以及其他工业传感器。

其用户设备不但具备通过声波频率跟踪环路确定信号传播时间，还可以通过频率跟踪环路确定多普勒频移，用于测量用户移动速度。联合距离和距离变率用于用户位置计算。

可通过基于Wi-Fi，蓝牙的RSSI及TOA对距离重复测量，实现测量粗差探测。另外还可以通过调整不同观测类型的权比关系实现不同测距信号的最优融合，以实现最佳系统定位精度和稳健性能。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的混合室内定位基站，由蓝牙模块，Wi-Fi模块，音频信号收发设备，MCU和其他常规元器件组成。混合室内定位基站实现的功能包括信号调制，时间同步，信号收发，电源管理，与计算机通信等。混合室内定位基站可以通过串口与计算机通信，计算机可以读取混合室内定位基站各传感器工作状态，并且写入配置参数，配置参数包括蓝牙广播电文内容，声波调制参数，各个基站间距离等。混合室内定位基站可以接收其他混合室内定位基站的音频信号，进行解调，时间对比，时钟调整。混合室内定位基站间可通过自组网的形式实现时间同步，时间同步方式为：

混合室内定位基站可同时接收和发射通过LFM调制的音频信号测量混合室内定位基站间的距离，由于混合室内定位基站间的时钟没有对齐，此时测量到的距离可表达为：

ρ_i＝r_i+vΔt_i；

式中ρ_i和r_i为当前混合室内定位基站到第i个混合室内定位基站的测量距离和真实距离。v为声波在空气中传播速度，Δt_i为当前混合室内定位基站与第i个基站之间的系统时间差。由于真实距离可以在混合室内定位基站布设时精确测量，式中可以看做已知值。当前混合室内定位基站观测到N个混合室内定位基站的距离测量值，那么当前混合室内定位基站的时间调整量可以通过下式计算：

整个混合室内定位基站网络中可随机选择一个混合室内定位基站作为参考混合室内定位基站，该混合室内定位基站无需调整自身的时间差。其他的混合室内定位基站通过迭代的方式将各自的系统时间与参考基站对齐。混合室内定位基站网时间同步过程实现自组网，无需铺设电缆和光纤。

下面结合工作原理对本发明作进一步描述。

本发明设计的混合室内定位系统，包括两类设备和两类通信链路构成。设备包括混合室内定位基站和用户设备。混合室内定位基站负责播发经过时间对齐和信号调制的音频信号，Wi-Fi信号和蓝牙信号。用户设备负责接收并解调音频信号，蓝牙信号的广播电文，获取蓝牙和Wi-Fi信号的RSSI，并且实现基于测距的位置计算。

两类通信链路分别指基站之间的音频信号链路和基站用户设备间的测距信号链路。基站之间的音频信号与基站用户设备间的音频信号完全一样。构成基站间音频链路主要是因为各基站都有接收其他基站音频信号的功能，通过接收来自其他基站的音频信号，可以将各基站的时间同步到主基站的时标上。基站和用户设备之间的链路包括Wi-Fi,蓝牙和音频信号。这些信号通过RSSI和TOA两种方式实现测距，具有优势互补的作用。用户设备不但具备通过声波频率跟踪环路确定信号传播时间，还可以通过频率跟踪环路确定多普勒频移，用于测量用户移动速度。联合距离和距离变率用于用户位置计算。用户设备可通过基于Wi-Fi，蓝牙的RSSI及TOA对距离重复测量，实现测量粗差和非视距观测(NLOS)探测。另外还可以通过调整不同观测类型的权比关系实现不同测距信号的最优融合，以实现最佳系统定位精度和稳健性能。

如图3所示，本发明实施例提供的基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法，包括：

S101：基站安装点选址；在作业区域按照一定的密度，尽量均匀地选择基站安装点。为保证信号传播范围，安装点一般选择在天花板上。使用手持测距仪或其他测量设备测量安装点坐标，并做好标记。

S102：基站配置；确定了基站个数和基站坐标后，逐个给基站编号，并且将基站坐标，房间号，楼层等配置信息输入基站。同时上位机根据基站编号生成音频信号的多址接入码，和基站间距离，也输入蓝牙基站。

S103：基站安装：将配置好的基站安装在相应的位置，并检查是否安装有误。基站安装只需要将基站固定在指定的位置，无需布设电源线，网线，光纤等。

S104：系统初始化：初始化阶段是指各基站之间利用音频信号通过自组网的方式实现时间同步的过程。该过程是一个迭代过程，基站通过计算测量的TOA与已知的真实距离间的偏差决定时间偏差量，迭代调整当前时钟以实现整网时间同步。基站网络中选择一个基站作为主基站，该基站不进行时间同步计算，其他基站通过迭代会自动将其系统时间与该基站对齐。系统初始化时间由系统包含的基站数量决定。一旦初始化完成后，系统添加和移除基站都不会对系统造成影响。

S105：用户定位:系统完成初始化就进入运行状态，此时用户进入作业区域即可通过接收多个基站的蓝牙，Wi-Fi信号的RSSI，音频信号的TOA，以及蓝牙信号广播电文，音频信号测量的距离变化率通过最小二乘法或者扩展的卡尔曼滤波法实现稳定，连续的位置确定。

用户设备端需要运行室内定位服务软件，该软件可以实现TOA信号解调，多普勒频移提取，Wi-Fi,蓝牙信号RSSI观测值的提取，以及蓝牙电文解调。用户端定位算法可以利用8维的扩展卡尔曼滤波器(EKF)实现。算法如下：

其中，x为滤波器状态向量，可表示为r,分别为三维的位置和速度向量。dt,分为一维的钟差和频偏。Φ_k,k+1表示状态转移矩阵，可表示为

其中I₃是3阶单位阵。Q_k是历元k的过程噪声矩阵。滤波器的测量更新可表示为：

K_k是历元k的滤波增益矩阵,其中y为通过音频TOA和蓝牙，Wi-Fi的RSSI获取的距离测量值。R_k是观测值方差协方差矩阵，根据不同的观测值类型，对相应的观测值设置不同的方差信息，以获得最佳定位融合效果。A为测量更新的设计矩阵。位置和速度初始化计算可以通过高斯-牛顿法实现。滤波完成后即得更新后的用户设备位置信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法，其特征在于，所述基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法包括：

基站播发Wi-Fi信号和蓝牙信号和经过时间对齐和信号调制的音频信号；用户端接收并解调音频信号的发射时间，蓝牙信号的广播电文，并测量蓝牙和Wi-Fi信号的RSSI，通过TOA和RSSI混合测距的方式实现位置计算。

2.如权利要求1所述的基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法，其特征在于，所述基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法具体包括：

混合室定位基站安装点选址；在作业区域选择混合室定位基站安装点；使用手持测距仪或其他测量设备测量安装点坐标，并做好标记；

混合室定位基站；确定混合室定位基站个数和基站坐标后，逐个给混合室定位基站编号，并且将混合室定位基站坐标，基站间距离，房间号，楼层等配置信息输入基站；上位机根据基站编号生成音频信号的多址接入码，蓝牙单元可将配置信息广播给用户；

混合室定位基站安装：将配置好的混合室定位基站安装在相应的位置，并检查是否安装有误；

系统初始化：混合室定位基站通过计算测量的TOA与已知的真实距离间的偏差决定时间偏差量，利用迭代调整当前时钟实现整网时间同步；混合室定位基站网络中选择一个基站作为主基站，该主基站不进行时间同步计算，其他混合室定位基站通过迭代自动将其系统时间与该主基站对齐；

用户定位:系统完成初始化后进入运行状态，通过接收多个混合室定位基站的蓝牙，Wi-Fi信号的RSSI，音频信号的TOA以及蓝牙信号广播电文；音频信号测量的距离变化率通过最小二乘法或者扩展的卡尔曼滤波法进行用户设备位置确定。

3.如权利要求1所述的基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法，其特征在于，

所述混合室定位基站通过计算测量的TOA与已知的真实距离间的偏差决定时间偏差量，利用迭代调整当前时钟实现整网时间同步，具体包括：

混合室定位基站同时接收和发射通过LFM调制的音频信号测量混合室定位基站间的距离，若混合室定位基站间的时钟没有对齐，测量到的距离表达为：

ρ_i＝r_i+vΔt_i；

式中ρ_i和r_i为当前混合室定位基站到第i个混合室定位基站的测量距离和真实距离；v为声波在空气中传播速度，Δt_i为当前混合室定位基站与第i个混合室定位基站之间的系统时间差；当前混合室定位基站的时间调整量通过下式计算：

N为接收到的基站信号的个数。

4.如权利要求1所述的基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法，其特征在于，

所述混合室定位基站使用的音频信号线性调频LFM方式扩频，采用16kHz-20kHz的声波信号；音频信号采用CDMA的方式实现多址接入。可用于区分音频信号基站来源，避免信号串扰。

5.如权利要求1所述的基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位方法，其特征在于，

所述扩展的卡尔曼滤波法利用8维的扩展卡尔曼滤波器EKF实现，算法如下：

其中，x为滤波器状态向量，可表示为r,分别为三维的位置和速度向量；dt,分为一维的钟差和频偏；Φ_k,k+1表示状态转移矩阵，表示为

其中I₃是3阶单位阵；Q_k是历元k的过程噪声矩阵；滤波器的测量更新表示为：

K_k是历元k的滤波增益矩阵,其中y为通过音频TOA和蓝牙，Wi-Fi的RSSI获取的距离测量值；R_k是观测值方差协方差矩阵；A矩阵为TOA定位的设计矩阵；位置和速度初始化高斯-牛顿法计算；滤波完成后得更新后的用户设备位置信息。

6.一种如权利要求1所述基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位系统，其特征在于，所述基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位系统包括：

混合定位基站，负责播发经过时间对齐的音频信号，Wi-Fi信号和蓝牙信号，并通过蓝牙广播电文信息；

用户设备，负责接收并解调音频信号的TOA信息，蓝牙信号的广播电文，获取蓝牙和Wi-Fi信号的RSSI，实现基于测距的位置计算；

基站间测距链路，用于实现基站间同步各基站通过接收来自其他混合室定位基站的音频信号，将将本地时间时间同步到主基站的时标上；

基站与用户设备间测距链路，用于将Wi-Fi、蓝牙通过RSSI测距及利用音频信号TOA进行测距。

7.如权利要求1所述基于蓝牙、wi-fi和声波的混合室内定位系统，其特征在于，所述混合室定位基站包括MCU、Wi-Fi单元、蓝牙发射单元、声波发射和接收传感器、PCB底板及附属电路元器件；所述MCU、Wi-Fi天线接口、蓝牙发射单元、声波发射和接收传感器均集成在PCB底板上。