CN108613678A - 基于北斗导航节点的室内导航声音定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗导航节点的室内导航声音定位系统及方法，系统包括由北斗星、北斗导航节点、监控站、主控站及注入站组成的室外部分和由控制计算机、超声波接收器及超声波发生器组成的室内部分，结合北斗导航技术和室内导航声音定位的方法，实现在室内等建筑物内更可靠的定位服务。该方法包括步骤：数据集中，对室内控制计算机输入数据；室内声音定位，利用TDOA方法实现超声波定位；室内导航。采用本发明的技术方案在定位区域较大的情况下仍能精确室内导航及定位。

Description

基于北斗导航节点的室内导航声音定位系统及方法

技术领域

本发明涉及室内导航领域，具体涉及一种基于北斗导航节点的室内导航声音定位系统及方法。

背景技术

随着社会的发展，越来越多高楼大厦林立，人们在室内的活动变得越来越多。甚至在某些商场里面，可以买衣服、吃饭、看电影、住宿，不出门就可以完成一天的生活。但是随着商场的面积以越来越大、结构越来越复杂，想要在这些建筑里面找到自己的位置变得越来越重要。不仅如此，人们在室内想要找到自己想要去地点，因此，室内导航也变得越来越迫切。

目前出现的有无线射频识别、GPS定位、红外线定位、超声波定位、WLAN定位，常规的超声波的主要优势在于超声波信号的传输速度为1243千米/小时，和光速相比速度极低，从而使得基于时间差测量的方法能够获得较好效果。还可以结合多边测量法，可以省去因高精度时间同步机制导致的高成本和复杂度。超声波信号难以透射障碍物，但是一般情况下仍可以应用于非视距传播环境，然而传播范围非常有限，所以在定位区域较大的情况下不太适用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所解决的问题是提供一种在定位区域较大的情况下仍能精确室内导航及定位的系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于北斗导航节点的室内导航声音定位系统，包括由北斗星、北斗导航节点、监控站、主控站及注入站组成的室外部分和由控制计算机、超声波接收器及超声波发生器组成的室内部分，所述北斗星、北斗导航节点、监控站、主控站及注入站依次通过信号连接，所述北斗星、北斗导航节点用于户外的定位，所述监控站负责接收由北斗导航节点发送的实时信息，所述主控站负责选择性的接收监控站的信息，所述注入站负责连接室内部分所述控制计算机与所述主控站之间的信息沟通；所述超声波发生器由智能手机和超声波喇叭组成，用于控制、产生超声波信号，所述超声波接收器，用于接收超声波信号，所述控制计算机，用于控制超声波接收器中信息的处理计算定位位置信息，并通过WIFI信号连接把定位结果发送给到用户的智能手机上。

采用本发明的技术方案在定位区域较大的情况下仍能精确室内导航及定位。

本发明还提供了一种基于北斗导航节点的室内导航声音定位方法，包括如下步骤：

(1)数据集中，对室内控制计算机输入数据；利用机器学习中的监督学习原理，规划各楼层内各个房间接收器之间的路径，将路径信息输入控制计算机，利用算法预测出最正确的路径，具体过程如下：

在给定了数据集的情况下，根据所给数据拟和出最接近的函数关系式：

h_θ(x)＝θ₀+θ₁x (1)

让机器算出最小的未知系数θ₀与θ₁，得出最接近数据的图上关系；

代价函数：

运用梯度下降得到最小化的代价函数：

由此得到：

得出最小的未知系数θ₀与θ₁，α是常系数，测出最准确的路线；

(2)室内声音定位，利用TDOA方法实现超声波定位；由控制计算机给超声波发射的定位物体一个无线电指令，超声波发射器就开始发射超声波信号，同时各个接收器开始计时，得到超声波到达各个接收器的时间，至少有3个接收器可以提供到达时间，运用时间差来计算超声波发射器的位置，具体过程如下：

根据室内声音定位方法，运用TDOA定位的方法，在这里运用的是三维，其原理如下：定位位置的坐标设为(x,y,z),四个接收器的坐标依次为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，其中c为光速、t为各个基站到各点的时间并跟据TDOA原理，满足以下公式：

由此得出定位物体的三维位置；

(3)室内导航，利用室内声音定位来确定物体的具体地点之后，根据定位物体上携带的智能终端输入的目的地，智能终端将信息发送给北斗导航节点，北斗导航系统在接收到信息后，会给用户规划出室外的路线，然后将信息发送给目的地室内的控制计算机，控制计算机接收到信息后，根据机器学习的原理为用户规划出室内的最佳路径，然后把路线信息发送给用户的智能终端。

本发明的室外定位原理：

以颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面，求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。

在双星定位系统中，结合数字地面高程，首先由中心发出信号，分别经颗卫星反射传至接收部分，再由接收部分反射颗卫星分别传回中心站，中心站计算出2种途径所需时间，t₁，t₂,再经过计算即可完成定卫星位，计算过程为：

c×t₁＝2(r₁+R₁) (10)

c×t₂＝2(r₂+R₂) (11)

由于卫星1、卫星2是地球同步卫星，所以2颗卫星和中心站的地心坐标都是己知的。根据数字地面高程，接收部分的高程也是可知的，因此，(10)、(11)式中R₁、R₂是已知的，c是光速，而r₁、r₂为卫星到某点的距离，可以通过下面方程解出：

至此，就可确定接收机的二维位置，定位精度在15m左右。该系统是双向闭合环路，每个终端站收发机都有专用识别码。终端站收发机随机地响应某一时刻的测距信号，响应信号和测距信号的帧格式结构中都有通信信息段。终端站请求中心指示或联系某终端站时，用收发机的信息键盘键入对方地址码(专用识别码)和通信电文，随响应信号送入地面中心站。地面中心站收到这个终端站的响应信号后，译出要联系的终端站地址和通信电文，中心站把通信电文随询问信号发射出去，对应终端站或中心站便可得到通信信息，非对应地址码的终端站解不出通信段内容，只出现干扰噪声，伪码相关接收保证了通信只在特定终端站之间进行。通信信息段的容量决定了通信的速度和可参加通信的终端站数量。实际上，定位终端站的位置数据也是作为通信信息发给终端站的，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息。

附图说明

图1为本发明系统模型图；

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

图1示出了一种基于北斗导航节点的室内导航声音定位系统，包括由北斗星、北斗导航节点、监控站、主控站及注入站组成的室外部分和由控制计算机、超声波接收器及超声波发生器组成的室内部分，所述北斗星、北斗导航节点、监控站、主控站及注入站依次通过信号连接，所述北斗星、北斗导航节点用于户外的定位，所述监控站负责接收由北斗导航节点发送的实时信息，所述主控站负责选择性的接收监控站的信息，所述注入站负责连接室内部分所述控制计算机与所述主控站之间的信息沟通；所述超声波发生器由智能手机和超声波喇叭组成，用于控制、产生超声波信号，所述超声波接收器，用于接收超声波信号，所述控制计算机，用于控制超声波接收器中信息的处理计算定位位置信息，并通过WIFI信号连接把定位结果发送给到用户的智能手机上。

图2示出了一种基于北斗导航节点的室内导航声音定位方法，包括如下步骤：

(1)数据集中，对室内控制计算机输入数据；利用机器学习中的监督学习原理，规划各楼层内各个房间接收器之间的路径，将路径信息输入控制计算机，利用算法预测出最正确的路径,具体过程如下：

在给定了数据集的情况下，根据所给数据拟和出最接近的函数关系式：

h_θ(x)＝θ₀+θ₁x (1)

让机器算出最小的未知系数θ₀与θ₁，得出最接近数据的图上关系；

代价函数：

运用梯度下降得到最小化的代价函数：

由此得到：

得出最小的未知系数θ₀与θ₁，α是常系数，预测出最准确的路线；

(2)室内声音定位，利用TDOA方法实现超声波定位；由控制计算机给超声波发射的定位物体一个无线电指令，超声波发射器就开始发射超声波信号，同时各个接收器开始计时，得到超声波到达各个接收器的时间，至少有3个接收器可以提供到达时间，运用时间差来计算超声波发射器的位置，具体过程如下：

根据室内声音定位方法，运用TDOA定位的方法，在这里运用的是三维，其原理如下：定位位置的坐标设为(x,y,z),四个接收器的坐标依次为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，其中c为光速、t为各个基站到各点的时间并跟据TDOA原理，满足以下公式：

由此得出定位物体的三维位置；

(3)室内导航，利用室内声音定位来确定物体的具体地点之后，根据定位物体上携带的智能终端输入的目的地，智能终端将信息发送给北斗导航节点，北斗导航系统在接收到信息后，会给用户规划出室外的路线，然后将信息发送给目的地室内的控制计算机，控制计算机接收到信息后，根据机器学习的原理为用户规划出室内的最佳路径，然后把路线信息发送给用户的智能终端。

本发明的室外定位原理：

以颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面，求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。

在双星定位系统中，结合数字地面高程，首先由中心发出信号，分别经颗卫星反射传至接收部分，再由接收部分反射颗卫星分别传回中心站，中心站计算出2种途径所需时间，t₁，t₂,再经过计算即可完成定卫星位，计算过程为：

c×t₁＝2(r₁+R₁) (10)

c×t₂＝2(r₂+R₂) (11)

由于卫星1、卫星2是地球同步卫星，所以2颗卫星和中心站的地心坐标都是己知的。根据数字地面高程，接收部分的高程也是可知的，因此，(10)、(11)式中R₁、R₂是已知的，c是光速，而r₁、r₂分别为距离可以通过下面方程解出

至此，就可确定接收机的二维位置，定位精度在15m左右。该系统是双向闭合环路，每个终端站收发机都有专用识别码。终端站收发机随机地响应某一时刻的测距信号，响应信号和测距信号的帧格式结构中都有通信信息段。终端站请求中心指示或联系某终端站时，用收发机的信息键盘键入对方地址码(专用识别码)和通信电文，随响应信号送入地面中心站。地面中心站收到这个终端站的响应信号后，译出要联系的终端站地址和通信电文，中心站把通信电文随询问信号发射出去，对应终端站或中心站便可得到通信信息，非对应地址码的终端站解不出通信段内容，只出现干扰噪声，伪码相关接收保证了通信只在特定终端站之间进行。通信信息段的容量决定了通信的速度和可参加通信的终端站数量。实际上，定位终端站的位置数据也是作为通信信息发给终端站的，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息。

采用本发明的技术方案在定位区域较大的情况下仍能精确室内导航及定位。以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于北斗导航节点的室内导航声音定位系统，其特征在于：包括由北斗星、北斗导航节点、监控站、主控站及注入站组成的室外部分和由控制计算机、超声波接收器及超声波发生器组成的室内部分，所述北斗星、北斗导航节点、监控站、主控站及注入站依次通过信号连接，所述北斗星、北斗导航节点用于户外的定位，所述监控站负责接收由北斗导航节点发送的实时信息，所述主控站负责选择性的接收监控站的信息，所述注入站负责连接室内部分所述控制计算机与所述主控站之间的信息沟通；所述超声波发生器由智能手机和超声波喇叭组成，用于控制、产生超声波信号，所述超声波接收器，用于接收超声波信号，所述控制计算机，用于控制超声波接收器中信息的处理计算定位位置信息，并通过WIFI信号连接把定位结果发送给到用户的智能手机上。

2.一种基于北斗导航节点的室内导航声音定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)数据集中，对室内控制计算机输入数据；利用机器学习中的监督学习原理，规划各楼层内各个房间接收器之间的路径，将路径信息输入控制计算机，利用算法预测出最正确的路径；

(2)室内声音定位，利用TDOA方法实现超声波定位；由控制计算机给超声波发射的定位物体一个无线电指令，超声波发射器就开始发射超声波信号，同时各个接收器开始计时，得到超声波到达各个接收器的时间，至少有3个接收器可以提供到达时间，运用时间差来计算超声波发射器的位置；

(3)室内导航，利用室内声音定位来确定物体的具体地点之后，根据定位物体上携带的智能终端输入的目的地，智能终端将信息发送给北斗导航节点，北斗导航系统在接收到信息后，会给用户规划出室外的路线，然后将信息发送给目的地室内的控制计算机，控制计算机接收到信息后，根据机器学习的原理为用户规划出室内的最佳路径，然后把路线信息发送给用户的智能终端。

3.根据权利要求2所述的基于北斗导航节点的室内导航声音定位方法，其特征在于：步骤(1)中，具体过程如下：

在给定了数据集的情况下，根据所给数据拟和出最接近的函数关系式：

h_θ(x)＝θ₀+θ₁x (1)

让机器算出最小的未知系数θ₀与θ₁，得出最接近数据的图上关系；

代价函数：

运用梯度下降得到最小化的代价函数：

由此得到：

得出最小的未知系数θ₀与θ₁，预测出最准确的路线。

4.根据权利要求2或3所述的基于北斗导航节点的室内导航声音定位方法，其特征在于：步骤(2)中，具体过程如下：

根据室内声音定位方法，运用TDOA定位的方法，在这里运用的是三维，其原理如下：定位位置的坐标设为(x,y,z)，四个接收器的坐标依次为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，其中c为光速、t为各个基站到各点的时间，根据TDOA原理，可以得到如下：

由此得出定位物体的三维位置。