CN110869793B - 确定音频设备的位置/定向 - Google Patents

Abstract

本公开的各方面提供了一种第一装置，该第一装置被配置为向第二装置发送具有第一频率的第一信号，从第二装置接收响应于第一信号的具有第二频率的第二信号，确定与发送的第一信号和接收的第二信号相关联的延迟，并且至少部分地基于所确定的延迟来确定第一装置和第二装置之间的距离。根据一个示例，第一装置还确定第二装置相对于第一装置的方向。根据一个示例，第一信号或第二信号中的至少一者包括超声波信号或高频信号。

Description

确定音频设备的位置/定向

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月6日提交的美国专利申请第15/642,946号的优先权和利益，为了所有适用目的，其全文以引用方式并入本文，如同在下文完全阐述一样。

背景技术

本公开的方面通常涉及确定音频设备的位置和/或定向。

随着技术的进步，无线连接设备的数量正在增加。为了实现更强大的功能，某些可连接设备被配置为一起工作。例如，某些家庭影院或音响系统使用多个无线连接的扬声器。扬声器可以基于它们彼此的相对位置来配置。在环境中定位每个扬声器的用户友好型方法可以简化用户的设置流程。

发明内容

这里提及的所有示例和特征均可以任何技术上可能的方式组合。

本公开的某些方面提供了一种第一装置，包括发射机、第一接收器和处理器。发射器被配置为向第二装置发射具有第一频率的第一信号，第一接收器被配置为从第二装置接收响应于第一信号的具有第二频率的第二信号。处理器被配置为确定与发送的第一信号和接收的第二信号相关联的延迟，并且被配置为至少部分基于所确定的延迟来确定第一装置和第二装置之间的距离。

根据一个方面，确定距离包括至少部分基于在第一设备和第二设备的每一者处确定的延迟来确定第一信号和第二信号的总传播时间。

根据一个方面，第一装置还包括定时器。处理器进一步被配置成在发送第一信号之后启动定时器，在接收第二信号之后停止定时器，并且至少部分地基于定时器启动和停止之间经过的时间来确定总传播时间。

根据一个方面，处理器被配置为通过从总传播时间中减去确定的延迟并将差值除以2来确定飞行时间。根据一个方面，至少部分基于声速和确定的飞行时间来确定距离。

根据一个方面，与发送的第一信号相关联的延迟包括在第二装置处的预先配置的延时时间。

根据一个方面，接收第二信号包括接收频率随时间变化的声波。根据一个方面，至少部分基于第二信号的频率变化率来确定在第一装置处与接收的第二信号相关联的延迟。

根据一个方面，第一装置包括第二接收器和第三接收器。第二接收器被配置为接收第二信号，并且第三接收器被配置为接收第二信号。处理器被配置为至少部分地基于第二信号在第一接收器、第二接收器和第三接收器中每一者处的到达时间的差异来确定第二装置相对于第一装置的方向。根据一个方面，确定方向进一步基于第一接收器和第二接收器之间的距离以及第二接收器和第三接收器之间的距离。

根据一个方面，第一信号或第二信号中的至少一者包括超声波信号。根据一个方面，第一频率或第二频率中的至少一者包括大于或等于8kHz的频率。

本公开的某些方面提供了一种第二装置，包括处理器和包含指令的存储器，当指令由处理器执行时，指令使得第二装置从第一装置接收具有第一频率的第一信号，确定与接收所述第一信号相关联的延迟，基于所确定的延迟计算何时发送具有第二频率的第二信号，以及基于计算发送第二信号。

根据一个方面，第一信号包括频率随时间变化的信号。

根据一个方面，确定延迟包括至少部分基于第一信号的频率变化率来确定第一信号到达第二装置的时间延时。

根据一个方面，计算何时发送第二信号包括从预先配置的延时时间中减去所确定的延迟。

根据一个方面，第一频率或第二频率中的至少一者包括大于或等于8kHz的频率。

本公开的某些方面提供了一种用于由第一装置进行通信的方法，包括向第二装置发送第一信号；在第一装置处的第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风中的每一者上接收来自第二装置的响应于第一信号的第二信号；以及至少部分基于与第一发送的信号相关联的延迟和与第二接收的信号相关联的延迟来确定第一装置和第二装置之间的距离。

根据一个方面，方法进一步包括确定第二信号到达第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风中的每一者的飞行时间，以及至少部分基于第一麦克风和第二麦克风之间的距离、第二麦克风和第三麦克风之间的距离以及确定的飞行时间来确定第二装置相对于第一装置的方向。

根据一个方面，至少部分基于第二信号的频率变化率来确定在第一装置处与第二接收的信号相关联的延迟。

附图说明

图1是无线设备的框图。

图2是示出用于确定第一装置和第二装置之间的距离的示例操作的流程图。

图3示出了用于确定第一装置和第二装置之间的距离的示例呼叫流程图。

图4示出了确定第二装置相对于第一装置的方向的示例。

具体实施方式

本公开的方面涉及使用高频信令或超声信令来确定设备的位置。例如，信令可能涉及大于或等于大约8kHz的频率。有利的是，这里描述的方面用于通过使用待定位设备可接收的信令来定位与一个或多个其他设备无线连接的设备。在一些示例中，信令通常可能在人类听力的可听范围之外。在其他示例中，可以使用可听声调。出于说明目的，设备可以是一个或多个音频设备，例如便携式扬声器、家庭影院系统或耳机的扬声器。除非另有说明，本文件中使用的术语耳机包括各种类型的个人声学设备，例如包耳式和入耳式头戴耳机、听筒式耳机、耳塞式耳机、助听器、肩背或体挎式声学设备，或其他支持无线的声学设备。

根据一个方面，第一装置(例如扬声器)可以被配置为既确定第二装置(例如另一个扬声器)的位置(例如，基于第一装置和第二装置之间的距离)又确定第二装置的定向。第一装置使用第一装置处的一个或多个接收器/麦克风来确定相对于第二装置的定向。

图1示出了装置100的示例组件。该装置例如可以是耳机或扬声器。装置100包括存储器和处理器102、通信单元104和收发器106。存储器可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和/或闪存。存储器存储用于控制存储器和处理器102的程序代码。存储器和处理器102控制装置100的操作。图1中的任何或所有组件可以组合成多功能组件。

处理器102控制装置100的一般操作。例如，处理器102执行音频和数据通信的处理和控制。除了一般操作之外，如下文进一步描述的，处理器102启动确定第二装置相对于第一装置的位置和/或定向。根据一个示例，处理器102包括至少一个用于确定与接收的信号相关联的延迟的微控制器。

通信单元104便于与一个或多个其他无线设备的无线连接。根据一个示例，通信单元104包括蓝牙模块，以便于装置100和未示出的其他设备之间的蓝牙通信。虽然蓝牙被用作示例协议，但是也可以使用其他通信协议。一些例子包括低功耗蓝牙(BLE)、近场通信(NFC)、IEEE 802.11或其他局域网(LAN)或个人局域网(PAN)协议。

收发器106通过一个或多个天线发送和接收信息，以与一个或多个其他无线设备交换信息。根据各方面，收发器106包括一个或多个麦克风，用于例如接收由一个或多个其他无线设备发出的声音。为了确定第二装置相对于第一装置100的定向，收发器包括多个麦克风。根据一个示例，如将参考图4更详细描述的，第一装置具有三个麦克风。收发器106不必须是独立的组件。收发器可以完全由通信单元104执行的软件来实现。

图2示出了根据本公开的各方面为确定第二装置的位置而执行的示例操作200。第一装置和第二装置可以各自包括如图1所示并参考图1描述的一个或多个组件。在一个示例中，第一装置和第二装置可以各自是无线扬声器，通过无线网络彼此连接，并且各自形成家庭中的家庭影院系统的一部分。根据一个示例，对于本文所述方法，无线连接并非必需的。例如，第一装置和第二装置可以经由网络顺带连接，但是无线连接不是确定第二装置的位置和/或定向所必须的。根据一个方面，第一装置和第二装置通过自配置或自组织网络连接，该网络不依赖于预先存在的基础设施。

为了便于用户以自动和无缝的方式设置这种家庭影院系统，无线扬声器可以被配置成确定网络中其他扬声器的相对位置和定向，使得家庭影院系统可以自动配对和/或自动分配家庭影院系统中的角色(例如，左立体声、右立体声等)。例如，家庭影院系统中的一个或多个扬声器可用于检测房间中的左立体声组件、右立体声组件和后立体声组件的位置，并且扬声器内的微控制器或其他处理器可用于启动自动配对和/或配置过程以完成系统的自动设置。确定位置可以包括例如确定第一装置和第二装置之间的距离或者确定第一装置和第二装置之间的距离以及确定第二装置相对于第一装置的定向。

在202，第一装置向第二装置发送具有第一频率或频率范围的第一信号。如上所述，第一装置和第二装置可以经由网络顺带连接。然而，无线连接不是确定第二装置的位置和/或定向所必须的。因此，用于确定第二装置的位置和/或定向的信令可以在不使用无线协议的情况下无线发送。

在204，第二装置从第一装置接收具有第一频率或频率范围的第一信号(例如，在步骤202中由第一装置发送的第一信号)。在206，第二装置确定与接收第一信号相关联的延迟。在206，并且如下文进一步描述的，第二装置基于所确定的延迟计算何时向第一装置发送第二信号。

第二信号具有不同于第一频率的第二频率。如下文更详细描述的，第一信号或第二信号中的一者或两者包括频率随时间变化的信号。第二装置至少部分基于所接收的第一信号的已知频率变化率来确定与接收的第一信号相关联的延迟。根据各方面，第二装置从预先配置的时间延时中减去所确定的延迟，以便同步第一装置和第二装置。

在210，第二装置至少部分基于计算来发送第二信号。如上所述，在不使用无线协议的情况下，传输可以是无线的。在212，第一装置从第二装置接收具有第二频率或频率范围的第二信号。第一频率和第二频率(或频率范围)可以是人类通常听不见的频率，例如高于大约8kHz的较高频率。在一些示例中，第一频率可以在大约4kHz到8kHz之间，第二频率可以在大约10kHz到14kHz之间。然而，也可以使用其他频率，包括可听范围内的频率。让第一信号和第二信号使用不同的频率或频率范围可以防止由第一或第二装置接收的第一信号和第二信号的反射被误解为感兴趣信号。例如，如果第二装置用与第一信号相同频率或频率范围的第二信号来响应第一装置，则可能不清楚第一装置是在接收第二信号还是仅在接收第一信号的反射。因此，每个装置被配置成发射其他装置将监听的唯一频率或频率范围，从而可以知道接收到的任何信号直接来自感兴趣装置。

在214，第一装置确定与第一信号和第二信号的一者或两者相关联的延迟。根据一个示例，与第一信号相关联的延迟包括第二装置处的预配置延时时间，其中该预配置延时时间是第一装置已知的。在一个示例中，第一装置和第二装置预先配置有延时时间。如下文更详细描述的，第一装置可以使用该在第二装置处预配置的延时时间来确定与由第一装置发送的第一信号相关联的延迟。第一装置及第二装置每一者中的处理器每秒可以采集有限数量的样本。因此，处理器在检测接收的信号时可能会晚。为了精确地确定第一装置和第二装置之间的距离，应该知道或计算第二装置接收第一信号的延迟和第一装置接收第二信号的延迟。下面将进一步描述可用于确定延迟的示例方程式。

这些步骤的顺序可以不同于图1所示的顺序。例如，可以在发送第二信号之前确定与第一信号相关联的延迟。

在216，第一装置至少部分基于所确定的延迟来确定第一装置和第二装置之间的距离。如下文进一步描述的，该距离可以通过飞行时间的测量来计算，该飞行时间可以通过对声音信号从第一装置传播到第二装置进行计时而获得。下面将进一步描述可用于确定距离的示例方程式。

可选地，在216之后，第一装置确定第二装置相对于第一装置的方向或定向。如参考图4更详细描述的，为了确定第二装置相对于第一装置的定向，第一装置可以使用多个接收器/麦克风来接收第二信号。根据一个示例，第一装置具有至少三个接收器/麦克风。第一装置基于每个接收器之间的距离来确定第二装置的方向或定向。下面将进一步描述可用于确定方向或定向的示例方程式。

根据图2所示的示例，第一装置和第二装置执行处理以确定第一装置和第二装置之间的距离以及第二装置相对于第一装置的位置。然而，网络中的第一装置、第二装置、另一设备或设备组合中的任何一者都可以用于执行该处理。根据一个示例，由第一装置和第二装置收集的信息可以被发送到单独的移动设备或云进行处理。

图3示出了根据本公开各方面的用于确定第一装置和第二装置之间的距离的示例呼叫流程图300。第一装置302和第二装置304包括图1所示的一个或多个组件。

在306，第一装置302发送频率扫描或频率随时间变化的声波。根据一个示例，频率扫描是4kHz到8kHz的扫描，其作为阶跃函数发送。在一些示例中，频率每1毫秒增加150Hz。在308，第二装置304监听由第一装置302发送的信号。根据一个示例，第二装置正在运行快速哈特莱变换并轮询来自第一装置302的输入频率的幅度中的峰值。通过运行快速哈特莱变换，第二装置可以识别频率幅度的调制。然而，也可以使用用于将时间信号转换到频域的其他算法，包括快速傅立叶变换。

在310，第一装置302完成频率扫描的发送，并启动第一定时器(“t1定时器”)。另外，在310，第一装置开始监听来自第二装置304的响应信号。根据一个示例，第一装置正在运行快速哈特莱变换，并轮询来自第二装置304的输入频率的幅度中的峰值。

由第一装置在306和310之间发送的信号传播到第二装置。从312开始，信号由第二装置304检测。第二装置304计算与从第一装置302接收信号相关联的延迟。下面将进一步描述可用于确定延迟的示例方程式。第二装置304将定时器(“t2定时器”)设定为预配置的时间量减去与从第一装置接收第一信号相关联的所确定的延迟。

预配置时间是用于同步的时间延时。预配置的时间延时确保第一装置到时已经完成发送并且将进行监听以接收来自第二装置的传输。此外，基于t2定时器的预配置时间确保第二装置304将在预配置的时间量之后发送其频率扫描，而不管从第一装置302接收的信号中的延迟如何。

根据一个示例，预先配置的时间量是200毫秒(ms)。因此，第二装置将t2定时器设置为200ms减去与从第一装置接收信号相关联的所确定延迟。以这种方式，第二装置在从第一装置接收到频率扫描后200毫秒(减去确定的延迟)进行响应。

t2定时器到时后，在314，第二装置304用频率扫描响应第一装置，该频率扫描具有与第一装置发送的频率(在306)不同的频率范围。根据一个示例，第二装置以10kHz至14kHz的频率扫描进行响应，该频率扫描作为阶跃函数发送。在一些示例中，频率每1毫秒增加150Hz。

由第二装置304发送的信号传播到第一装置302并被第一装置302检测(如上所述，第一装置302正在监听信号)。如316所示当时间t＝t₁，一旦检测到信号，第一装置302停止t1定时器，并计算从第二装置接收信号的延迟。下面将进一步描述可用于确定延迟的示例方程式。

在318，第一装置计算与从第一装置发送到第二装置的第一信号(在306开始时发送)或从第二装置发送到第一装置的第二信号(在314开始时发送)相关联的飞行时间(ToF)。假设对于从第一装置到第二装置以及从第二装置到第一装置的信号，ToF是相同的。如上所述，第一装置、第二装置或网络中的任何其他设备可以执行本文所述的计算和处理，包括计算ToF。

假设t₀代表t1定时器的开始时间，t₁代表t1定时器的停止时间：

K表示接收由第二装置发送的信号的延迟，L表示第二装置处的预配置时间延时(例如，200毫秒)。第一装置和第二装置之间的距离通过将ToF乘以声速c来确定，如下所示：

距离＝ToF×c

如上所述，第一装置和第二装置中的每一者发送具有不同频率范围的频率扫描。使用不同的频率范围确保从墙壁或其他物体发出的发送的信号的回波不会改变发送的信号的接收。根据一个方面，由第一装置发送的第一信号或由第二装置发送的第二信号中的至少一者包括超声波信号。根据一个示例，一个或多个信号可以具有大于或等于20kHz的频率。根据另一个示例，信号可以具有大于或等于8kHz的频率。根据又一示例，如参考图3所述，信号可以具有大于或等于4kHz的频率。

发送频率扫描有助于确定信号的延迟。如果第二装置接收频率扫描，检测信号的确切频率将基于接收装置何时进行采样而变化。假设信号频率的变化率是恒定的且已知的，则基于接收的信号的测量出的频率来确定信号到达装置的延迟或时间延时。在一些示例中，如上所述，频率扫描的变化率可以是每毫秒150Hz。例如：

第一装置和第二装置都可以计算与在装置处接收相应信号相关联的相应延迟。如上所述，第二装置从预先配置的定时器中减去所确定的延迟。延迟用于计算ToF，ToF又来用于确定第一装置和第二装置之间的距离。

根据各方面，在确定第一装置和第二装置之间的距离之后，第一装置确定第二装置相对于第一装置的方向。

图4示出了用于确定第二装置相对于第一装置的方向的示例400。根据各方面，第一装置具有一个以上的接收器/麦克风。为了说明目的，第一装置具有三个麦克风阵列，包括麦克风1、麦克风2和麦克风3。麦克风1和2之间的距离是d’，并且麦克风2和3之间的距离是d。声源，例如第二装置，向第一装置发送信号。根据一个方面，信号包括具有第二频率的第二信号，如图2中的204所示。

信号以矢量k给出的速度和方向传播。矢量k的大小为其中ω代表角速度，c代表相速度。矢量k的方向与波前正交。

麦克风1和2之间的信号接收时间差表示为T12，麦克风2和3之间的信号接收时间差表示为T23。

由第一装置接收的信号的相速度c的水平分量是：

由第一装置接收的信号的相速度c的垂直分量是：

麦克风1和2之间与麦克风2和3之间接收相同信号的延时分别取决于矢量k的垂直分量和水平分量。如图4所示，k_x代表矢量k的水平分量，k_y代表矢量k的垂直分量。

k_x＝k cos(phi)

k_y＝k sin(phi)

代入k并求解phi可得出第二装置相对于第一装置的方向。根据图4，

因此，本文所述的方面用于确定第二设备相对于第一设备的距离和方向。用于确定第一装置和第二装置之间的距离和方向的技术对于配置音频设备是有益的，并且在扬声器的环境中尤其有益。通过确定第一扬声器和第二扬声器之间的距离和方向，可以对家庭影院系统进行配置。基于一个扬声器相对于另一个扬声器的方向，每个扬声器可以基于具有最小用户交互的相应位置来配置。例如，基于房间中的物理位置，第一扬声器被配置为左前扬声器，而另一扬声器被配置为右后扬声器。根据另一个示例，形成立体声的两个蓝牙扬声器可以自动确定哪个扬声器在左声道上，哪个扬声器在右声道上。

根据一个示例，第一装置和第二装置之间的至少一些信令是超声波。根据另一个示例，信令通常在人类听觉范围之外。因此，本文所述方面对于以用户友好、无中断的方式配置家庭影院系统中的扬声器或其他无线设备是有益的。

提供本公开的前面描述是为了使本领域的任何技术人员能够制作或使用本公开。对于本领域技术人员来说，对本公开的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本公开的实质或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本公开并不旨在限于本文所述的示例和设计，而是要与符合本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (17)

1.一种第一音频装置，所述第一音频装置包括：

发射器，所述发射器被配置为向第二音频装置发送具有第一频率的第一信号；

第一接收器，所述第一接收器被配置为从所述第二音频装置接收响应于所述第一信号的具有第二频率的第二信号；和

处理器，所述处理器被配置为：

确定与所发送的所述第一信号和所接收的所述第二信号相关联的延迟，其中在所述第一音频装置处与所接收的所述第二信号相关联的所述延迟至少部分地基于所述第二信号的频率改变率被确定；以及

至少部分地基于所确定的所述延迟来确定所述第一音频装置和所述第二音频装置之间的距离。

2.根据权利要求1所述的第一音频装置，其中确定所述距离包括：

至少部分地基于所确定的所述延迟来确定所述第一信号和所述第二信号的总传播时间。

3.根据权利要求2所述的第一音频装置，进一步包括：

定时器，

其中所述处理器还被配置成：

在发送所述第一信号之后启动所述定时器；

在接收所述第二信号之后停止所述定时器；以及

至少部分地基于所述定时器的启动和停止之间的经过的时间来确定所述总传播时间。

4.根据权利要求3所述的第一音频装置，其中所述处理器被配置成：

通过从所述总传播时间中减去所确定的所述延迟并将差值除以2来确定飞行时间。

5.根据权利要求4所述的第一音频装置，其中所述距离至少部分地基于声速和所确定的所述飞行时间被确定。

6.根据权利要求4所述的第一音频装置，其中与所发送的所述第一信号相关联的所述延迟包括在所述第二音频装置处的预先配置的延时时间。

7.根据权利要求1所述的第一音频装置，其中接收所述第二信号包括：

接收频率随时间变化的声波。

8.根据权利要求1所述的第一音频装置，进一步包括：

第二接收器，所述第二接收器被配置为接收所述第二信号；和

第三接收器，所述第三接收器被配置为接收所述第二信号，

其中所述处理器被配置为至少部分地基于所述第二信号在所述第一接收器、所述第二接收器和所述第三接收器中的每个接收器处的到达时间的差异来确定所述第二音频装置相对于所述第一音频装置的方向。

9.根据权利要求8所述的第一音频装置，其中确定所述方向进一步基于所述第一接收器和所述第二接收器之间的距离以及所述第二接收器和所述第三接收器之间的距离。

10.根据权利要求1所述的第一音频装置，其中所述第一信号或所述第二信号中的至少一个信号包括超声波信号。

11.根据权利要求1所述的第一音频装置，其中所述第一频率或所述第二频率中的至少一个频率包括大于或等于8kHz的频率。

12.一种第二音频装置，所述第二音频装置包括处理器和包含指令的存储器，当所述指令由所述处理器执行时，所述指令使得所述第二音频装置：

从第一音频装置接收具有第一频率的第一信号；

确定与接收所述第一信号相关联的延迟，其中确定所述延迟包括：至少部分地基于所述第一信号的频率改变率来确定所述第一信号到达所述第二音频装置处的时间延时；

基于所确定的所述延迟，计算何时发送具有第二频率的第二信号；以及

基于所述计算发送所述第二信号。

13.根据权利要求12所述的第二音频装置，其中：

所述第一信号包括频率随时间变化的信号。

14.根据权利要求12所述的第二音频装置，其中计算何时发送所述第二信号包括：

从预先配置的延时时间中减去所确定的所述延迟。

15.根据权利要求12所述的第二音频装置，其中所述第一频率或所述第二频率中的至少一个频率包括大于或等于8kHz的频率。

16.一种由第一音频装置进行通信的方法，所述方法包括：

向第二音频装置发送第一信号；

在所述第一音频装置处的第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风中的每个麦克风处，接收来自所述第二音频装置的响应于所述第一信号的第二信号；以及

至少部分地基于与所发送的所述第一信号相关联的延迟和与所接收的所述第二信号相关联的延迟来确定所述第一音频装置和第二音频装置之间的距离，其中在所述第一音频装置处与所接收的所述第二信号相关联的所述延迟至少部分地基于所述第二信号的频率改变率被确定。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

确定所述第二信号到达所述第一麦克风、所述第二麦克风和所述第三麦克风中的每个麦克风的飞行时间；以及

至少部分地基于所述第一麦克风和所述第二麦克风之间的距离、所述第二麦克风和所述第三麦克风之间的距离以及所确定的所述飞行时间，来确定所述第二音频装置相对于所述第一音频装置的方向。