CN108151747B - 一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位系统及定位方法，该系统包括智能移动终端、信标节点、局域网及服务器，定位方法分为声信号定位和惯性导航定位，其中声信号定位为通过到达时间差算法获得声信号定位信息，惯性导航定位为通过智能移动终端自带的加速度计、陀螺仪和电子罗盘，获得惯性导航定位信息，并通过异步信息融合算法将声信号定位信息和惯性导航定位信息进行数据融合，进而输出准确的导航定位结果。本发明将声信号定位和惯性导航定位相融合，实现优势互补，一方面利用声信号定位消除了惯性导航定位的累积误差，另一方面弥补了声信号定位由于遮挡情况导致定位信息造成严重误差的缺陷，定位精度高，更好地满足用户定位需求。

Description

一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位系统及定位方法

技术领域

本发明属于基于位置的服务(Location Based Service,LBS)领域，尤其涉及一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位系统及定位方法。

背景技术

随着移动通信技术的快速发展，LBS越来越受到人们的青睐。LBS广泛支持与地理空间信息相关的应用，比如信息查询、急救服务、道路导航、资产管理、人员跟踪、定位广告等，为人们的生产和生活带来了很大的便捷。由于技术方案及应用场景不同，基于位置服务技术可分为室外定位技术和室内定位技术：在室外环境，全球导航卫星系统(GlobalPositioning System,GPS)在军事、民用领域应用非常广泛，且可按要求达到精确的实时定位导航；然而在室内环境，由于受到建筑物的遮挡而发生多路径效应影响，导致卫星信号急剧衰减甚至不存在，使得室内环境无法通过卫星系统实现位置信息的实时获取和导航功能，高精度室内定位的需求使得不依赖于GPS的室内定位技术与服务成为研究热点。

惯性导航定位方法和声信号定位方法，是当下较为普遍的两种室内定位方法。其中惯性导航定位，能实现位置信息的实时更新，受外界环境影响小，然而其初始位置需要人为设定，定位存在累积误差，随着用户行进距离的增加，定位精度随之降低，需要阶段性，通过融合其他方式，对其位置进行修正。而声信号定位，有较高的定位精度，精度可达分米级，不存在累积误差，然而其存在复杂环境下易受遮挡影响导致定位出现很大误差或定位信息缺失等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位系统及定位方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位系统，其特征在于，所述系统包括智能移动终端、信标节点、服务器以及局域网，其中：

所述的智能移动终端上安装有用户端定位软件，该软件包括惯性导航模块、声信号定位模块及定位信息融合模块；所述的惯性导航模块通过对用户进行步伐检测、步长估计、运动方向估计及运动速度估计来获得惯性导航定位信息；所述的声信号定位模块通过智能移动终端自带的扬声器，发射调制声信号，并接收来自局域网的声信号定位信息；所述的定位信息融合模块用于对所述的惯性导航定位信息和声信号定位信息进行异步信息融合，获得更加准确的定位信息；

所述的信标节点数量至少为3个，所述的信标节点包括麦克风、微处理器、A/D芯片、SD卡、无线通信模块及电源模块，用于监测和采集所述的智能移动终端发出的调制声信号，对该调制声信号进行到达时刻估计，并将估计结果通过局域网传输至服务器；

所述的局域网用于传输系统运行指令、各信标节点到达时刻估计结果及声信号定位信息；

所述的服务器安装上位机软件，通过发出系统运行指令控制系统运行，并接收来自各信标节点的到达时刻估计结果，进而计算到达时间差，并利用基于最小二乘的到达时间差定位算法，获得声信号定位信息，并通过局域网将所述的声信号定位信息传送至用户智能移动终端。

进一步地，所述的智能移动终端为具有惯性测量元件、扬声器模块、无线通信模块和微处理器的通用智能设备。

进一步地，所述局域网为无线局域网WLAN或蓝牙短距离局域网络。

进一步地，所述的智能移动终端为智能手机或平板电脑。

一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，该方法基于上述的室内定位系统来实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；搭建局域网，将各信标节点、用户智能移动终端和服务器加入局域网；服务器通过局域网向各信标节点广播系统运行指令；

步骤2：用户在静止状态下，打开智能移动终端的用户端定位软件，运行声信号定位模块，进行1次声信号定位，并将该次声信号定位的位置信息，作为用户起始位置；

步骤3：用户端定位软件的惯性导航模块以固定频率采集智能移动终端内置传感器的数据，通过加速度数据检测用户是否开始运动；当检测到用户开始运动时，对用户进行惯性导航定位，同时声信号定位模块开始以固定频率进行声信号定位；

步骤4：用户端定位软件的定位信息融合模块根据声信号定位结果与惯性导航定位结果进行异步信息融合，得到待定位点的最终位置，并将其作为下一次惯性导航定位的初始位置。

进一步地，所述步骤1中服务器通过局域网向信标节点广播系统运行指令的具体过程如下：

各信标节点在接收到系统运行指令后，进行时钟同步，将本地计时器中的数值置零；打开麦克风开始采集声信号，并开启信号处理流程，对智能移动终端发射的调制声信号进行识别、到达时刻估计；各信标节点将本机ID、到达时刻及本地时间戳封装成数据帧，并把采集到的原始数据存储至本地SD卡。

进一步地，所述的信标节点的本地时间戳信息由其内部的定时器提供。

进一步地，所述步骤2、步骤3中声信号定位方法如下：

所述的智能移动终端发射调制声信号，并记录调制发射声信号的时刻t₁；各信标节点对智能移动终端发射的调制声信号进行识别、到达时刻估计,将由本机ID、声信号到达时刻及本地时间戳封装成的数据帧通过局域网发送至服务器；

服务器的上位机软件通过接收的各信标节点所得到的目标到达时刻估计及时间戳信息，进而计算到达时间差，并利用基于最小二乘的到达时间差定位算法对智能移动终端进行定位，获得声信号定位信息；服务器通过局域网，将所述的声信号定位信息发送至用户智能移动终端；

智能移动终端通过局域网接收到来自服务器的声信号定位信息。

进一步地，所述的步骤3中惯性导航定位方法具体如下：

智能移动终端通过采集加速度信息，进行用户步长估计和步伐检测，通过陀螺仪和电子罗盘信息进行运动方向估计，结合步伐周期时间，计算出用户运动速度，并根据航位推算法，获得惯性导航定位信息。

进一步地，所述步骤4中异步信息融合方法如下：

声信号定位模块接收到声信号定位信息时，设下一次接收到惯性导航定位信息的时刻为t₂，并将所述的t₁时刻至t₂时刻内用户运动近似为匀速直线运动，其中运动速度、运动方向由惯性导航定位方法估算得到，从而对声信号定位信息进行延时补偿，获得t₂时刻声信号定位信息；将该时刻声信号定位信息与该时刻惯性导航定位信息进行比较，判断声信号定位信息是否由于遮挡等而存在严重误差，若存在严重误差则舍弃声信号定位信息，反之则进一步使用粒子滤波算法融合声信号定位信息与惯性导航定位信息，从而获得t₂时刻用户位置信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明无需依靠在室内失效的GPS信号和其他额外的高成本硬件设备，仅依靠智能移动终端、信标节点和服务器，通过粒子滤波融合声信号定位信息和惯性导航定位信息，将两者实现优势互补，一方面利用声信号定位消除了惯性导航定位的累积误差，另一方面弥补了声信号定位由于遮挡情况导致定位信息造成严重误差，从而可以更好地满足用户定位需求。

附图说明

图1为本发明的系统架构及节点布局示意图；

图2为本发明的定位方法工作流程示意图；

图3为本发明的定位信息融合模块流程示意图；

图4为本发明的实际定位误差分析结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合附图对本发明作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。这里的局域网以无线局域网WLAN为例，进行说明。

一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位系统，如图1所示，包括信标节点、服务器、WLAN及用户智能移动终端，其中：

智能移动终端，安装有用户端定位软件，该软件包括惯性导航模块、声信号定位模块及定位信息融合模块。惯性导航模块通过对用户进行步伐检测、步长估计、运动方向估计及运动速度估计来获得惯性导航定位信息；声信号定位模块通过智能移动终端自带的扬声器，发射调制声信号，并接收来自局域网的声信号定位信息；定位信息融合模块用于对所述的惯性导航定位信息和声信号定位信息进行异步信息融合，获得更加准确的定位信息；这里的智能移动终端为具有惯性测量元件、扬声器模块、无线通信模块和微处理器的通用智能设备，如智能手机或平板电脑。

本实施例中信标节点数量为4个，由麦克风、微处理器、A/D芯片、SD卡、无线通信模块及电源模块组成，用于监测和采集智能移动终端发出的调制声信号，并对该调制声信号进行到达时刻估计，并将估计结果通过局域网传输至服务器；

WLAN用于传输系统运行指令、各信标节点到达时刻估计结果及声信号定位信息；

服务器安装上位机软件，通过发射系统运行指令控制系统运行，并接收来自各信标节点的到达时刻估计结果，进而计算到达时间差TDOA，并利用基于最小二乘的到达时间差定位算法，获得声信号定位信息，通过WLAN，将声信号定位信息传送至用户智能移动终端。

本发明的利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，具体工作流程如图2所示，具体步骤如下：

(1)如图1所示布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；搭建WLAN，将信标节点、用户智能移动终端和服务器加入WLAN，服务器通过WLAN向信标节点广播系统运行指令。

各信标节点在接收到系统运行指令后，进行时钟同步，将本地计时器中的数值置零；打开麦克风开始采集声信号，并开启信号处理流程，对智能移动终端发射的调制声信号进行识别、到达时刻估计；各信标节点将本机ID、到达时刻及本地时间戳封装成数据帧，并把采集到的原始数据存储至本地SD卡；信标节点的本地时间戳信息由其内部的定时器提供。

(2)用户在静止状态下，打开智能移动终端的用户端定位软件，运行声信号定位模块，进行1次声信号定位，并将该次声信号定位的位置信息作为用户起始位置。

智能移动终端发射调制声信号，并记录发射声信号的时刻t₁；各信标节点对智能移动终端发射的调制声信号进行识别、到达时刻估计；并将由本机ID、声信号到达时刻及本地时间戳封装成的数据帧通过WLAN发送至服务器；

服务器的上位机软件通过接收的各信标节点所得到的目标到达时刻估计及时间戳信息，进而计算到达时间差TDOA，并利用基于最小二乘的到达时间差定位算法对智能移动终端进行定位，获得声信号定位信息。

所述基于到达时间差TDOA的定位算法，已知信标节点的坐标为

j＝1,2,3,4，

为用户声信号定位位置坐标，利用基于最小二乘定位原理

估计出用户的声信号定位位置坐标

服务器通过WLAN将声信号定位信息发送至用户智能移动终端；智能移动终端通过WLAN接收到来自服务器的声信号定位信息。

(3)用户端定位软件的惯性导航模块采集底层传感器数据，通过加速度数据检测用户是否开始运动。当检测到用户开始运动时，对用户进行惯性导航定位，同时声信号定位模块开始以2Hz的频率发射调制声信号进行声信号定位，分别记录惯性导航定位和声信号定位的定位结果和定位时间。

智能移动终端以50Hz的频率采集三轴加速度计的值，记第i次采集到的三轴加速度值为(ax_i,ay_i,az_i)，由磁力计获得的航向角为θ_i(手机顶部指向与地磁北极的夹角)；则合加速度的大小为

为减小环境噪声的影响，需要对a_i进行低通滤波处理，在本发明中，采用简单移动平均法，对a_i曲线进行滤波。接下来对平滑后的数据进行0-1二值化处理，分别设置阈值上限、阈值下限。对于第i个样本点数据，当a_i大于阈值上限时status_i＝1；当a_i小于阈值下限时，status_i＝0；当a_i处于上下限之间时，则status_i＝status_i-1。此外，由于人的步频在0.5-5Hz之间，故可通过时域设置时间窗口为200ms-2000ms，剔除一些异常值，提高步伐检测准确性。当发现status的值由0变为1时，记用户行走一步。此外第t步的用户步长stepLength_t，估算公式为

其中

为第t步时加速度的峰值，

为第t步时加速度的谷值，β和γ为与个体相关的参数，可通过离线训练获得。则运动速度为

其中为T步伐周期。

由于在步骤2中，已通过声信号定位获得用户起始位置

可以通过使用粒子滤波算法，获得惯性导航位置信息。在本发明中粒子数n＝200，首先对粒子位置信息及权值进行初始化，第k个粒子的初始位置为

为

周围服从高斯分布的随机点，k＝{1,2,3,...,200}，第k个粒子的初始权值为w₀ ^k＝1/n。设第t步时第k个粒子的位置为

则第t+1步时对于第k个粒子而言其位置

为

其中stepLength_t+1为第t+1步的步长，θ_t+1为第t+1步时的运动方向(由电子罗盘、陀螺仪测得)，R为服从高斯分布的过程噪声。

第t+1步时粒子群的几何中心位置为

(4)用户端定位软件的定位信息融合模块根据声信号定位结果与惯性导航定位结果进行异步信息融合，并通过粒子滤波算法得到待定位点的最终位置，并作为下一次惯性导航定位的初始位置，定位信息融合模块的流程图如图3所示。

由于声信号定位信息与惯性导航定位信息，存在更新频率不一致的问题，需要进行异步信息融合。设下一次接收到惯性导航定位信息的时刻为t₂(在该时刻用户走了第t+1步),根据发射声信号的时刻t₁，将t₁和t₂该段时间内用户运动近似为匀速直线运动，其中运动速度由惯性导航定位方法估算得到，从而对声信定位信息进行延时补偿，获得t₂时刻声信号定位信息，则有

其中

为t₁时刻声信号定位信息，

为t₂时刻声信号定位信息，

为t₁时刻由惯性导航模块估计的运动方向，

为t₁时刻由惯性导航模块估计的运动速度。

由于声信号定位信息可能受到遮挡影响导致出现个别误差很大的定位信息，为防止个别误差很大的定位信息影响融合定位的整体效果，引入评价指标dist，dist>threshold为

与第t+1步时粒子群的几何中心位置

之间的距离差。当dist>threshold时，则判定该声信号定位信息误差过大，故不进行信息融合；反之，则判定该声信号定位信息为有效值，进一步可以将t₂时刻的声信号定位信息作为观测量，对各粒子进行权值估计和重采样，进而获得t₂时刻的用户位置信息。其中threshold为经验值，此处取5m。

如图4所示，对本发明的定位性能进行分析，多次定位实验结果显示，即使在声信号定位信息出现异常或缺失的情况下，仍有良好的定位效果，90％的概率在1m误差以下。

Claims (6)

1.一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，该方法基于室内定位系统来实现，其特征在于，所述系统包括智能移动终端、信标节点、服务器以及局域网，其中：

所述的智能移动终端上安装有用户端定位软件，该软件包括惯性导航模块、声信号定位模块及定位信息融合模块；所述的惯性导航模块通过对用户进行步伐检测、步长估计、运动方向估计及运动速度估计来获得惯性导航定位信息；所述的声信号定位模块通过智能移动终端自带的扬声器，发射调制声信号，并接收来自局域网的声信号定位信息；所述的定位信息融合模块用于对所述的惯性导航定位信息和声信号定位信息进行异步信息融合，获得更加准确的定位信息；

所述的信标节点数量至少为3个，所述的信标节点包括麦克风、微处理器、A/D芯片、SD卡、无线通信模块及电源模块，用于监测和采集所述的智能移动终端发出的调制声信号，对该调制声信号进行到达时刻估计，并将估计结果通过局域网传输至服务器；

所述的局域网用于传输系统运行指令、各信标节点到达时刻估计结果及声信号定位信息；

所述的服务器安装上位机软件，通过发出系统运行指令控制系统运行，并接收来自各信标节点的到达时刻估计结果，进而计算到达时间差，并利用基于最小二乘的到达时间差定位算法，获得声信号定位信息，并通过局域网将所述的声信号定位信息传送至用户智能移动终端；

该方法包括以下步骤：

步骤1：布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；搭建局域网，将各信标节点、用户智能移动终端和服务器加入局域网；服务器通过局域网向各信标节点广播系统运行指令；

步骤2：用户在静止状态下，打开智能移动终端的用户端定位软件，运行声信号定位模块，进行1次声信号定位，并将该次声信号定位的位置信息，作为用户起始位置；

步骤3：用户端定位软件的惯性导航模块以固定频率采集智能移动终端内置传感器的数据，通过加速度数据检测用户是否开始运动；当检测到用户开始运动时，对用户进行惯性导航定位，同时声信号定位模块开始以固定频率进行声信号定位；

步骤4：用户端定位软件的定位信息融合模块根据声信号定位结果与惯性导航定位结果进行异步信息融合，得到待定位点的最终位置，并将其作为下一次惯性导航定位的初始位置；

所述步骤1中服务器通过局域网向信标节点广播系统运行指令的具体过程如下：

各信标节点在接收到系统运行指令后，进行时钟同步，将本地计时器中的数值置零；打开麦克风开始采集声信号，并开启信号处理流程，对智能移动终端发射的调制声信号进行识别、到达时刻估计；各信标节点将本机ID、到达时刻及本地时间戳封装成数据帧，并把采集到的原始数据存储至本地SD卡；

所述步骤2、步骤3中声信号定位方法如下：

所述的智能移动终端发射调制声信号，并记录调制发射声信号的时刻t₁；各信标节点对智能移动终端发射的调制声信号进行识别、到达时刻估计,将由本机ID、声信号到达时刻及本地时间戳封装成的数据帧通过局域网发送至服务器；

服务器的上位机软件通过接收的各信标节点所得到的目标到达时刻估计及时间戳信息，进而计算到达时间差，并利用基于最小二乘的到达时间差定位算法对智能移动终端进行定位，获得声信号定位信息；服务器通过局域网，将所述的声信号定位信息发送至用户智能移动终端；

智能移动终端通过局域网接收到来自服务器的声信号定位信息；

所述步骤4中异步信息融合方法如下：

声信号定位模块接收到声信号定位信息时，设下一次接收到惯性导航定位信息的时刻为t₂，并将所述的t₁时刻至t₂时刻内用户运动近似为匀速直线运动，其中运动速度、运动方向由惯性导航定位方法估算得到，从而对声信号定位信息进行延时补偿，获得t₂时刻声信号定位信息；将该时刻声信号定位信息与该时刻惯性导航定位信息进行比较，判断声信号定位信息是否由于遮挡而存在严重误差，若存在严重误差则舍弃声信号定位信息，反之则进一步使用粒子滤波算法融合声信号定位信息与惯性导航定位信息，从而获得t₂时刻用户位置信息。

2.如权利要求1所述的利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，其特征在于，所述的智能移动终端为具有惯性测量元件、扬声器模块、无线通信模块和微处理器的通用智能设备。

3.如权利要求1所述的利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，其特征在于，所述局域网为无线局域网WLAN或蓝牙短距离局域网络。

4.如权利要求2所述的利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，其特征在于，所述的智能移动终端为智能手机或平板电脑。

5.如权利要求1所述的利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，其特征在于，所述的信标节点的本地时间戳信息由其内部的定时器提供。

6.如权利要求1所述的利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，其特征在于，所述的步骤3中惯性导航定位方法具体如下：

智能移动终端通过采集加速度信息，进行用户步长估计和步伐检测，通过陀螺仪和电子罗盘信息进行运动方向估计，结合步伐周期时间，计算出用户运动速度，并根据航位推算法，获得惯性导航定位信息。

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