CN110967670B - 基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法，该方法利用现有的硬件设备，主要是利用扬声器或者带有扬声器的智能终端(如手提电脑等)作为室内信号发射节点，对经过调制使超声波信号携带上信息并进行广播，同时利用携带麦克风的智能终端(如智能手机终端、智能手表终端等)作为接收端，控制麦克风搜索并接收超声波信号，接收信号经过解调可获取信息；若收到3个或以上的超声波信号，利用数字解调的信息计算出各超声波传输时延，采用空间定位运算方法可以获得智能终端的准确位置，实现室内定位。具有成本低、实施方便、应用简单的优点。

Description

基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法

技术领域

本发明涉及超声波通信以及室内定位技术领域，具体涉及一种基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法。

背景技术

在很多大型商业中心，人们在里面休闲娱乐的时候经常无法清晰得知目的地的具体位置，并且大型商场人来人往，容易出现和朋友或孩子走散的情况；其次类似在一些大型的室内展览会等情况下，通常因为不了解它的结构布局无法快速获取目的展位具体位置，室内定位技术的出现可以较好地解决此类问题。

全球定位系统(GPS)是迄今为止最常见的定位系统，它使用来自同步轨道卫星的信号来计算相对于地球坐标系的三维位置。由于GPS信号微弱，穿透性不强，导致在室内无法起作用，而多数用户生活和工作的时间大部分都是处于室内环境中，现有研究技术通过增加信号接收机和在室内添加大量信号节点把GPS信号作用范围扩展至室内，这样的做法不但成本过高，工作量大，而且精确度会下降。

此外，WiFi技术是现在应用最广的室内定位技术，一般采用指纹匹配方法实现，其原理是在定位区域设置多个WIFI发射节点，手机在某个位置接收到WIFI节点的信号强度是一个固定值，把接收到的多个信号强度值形成一个序列作为位置指纹，不同位置的位置指纹不一样，形成指纹库。在定位时，将接收到的信号强度值去匹配指纹库中的指纹，从而确定其位置。若要增加定位精度，必须通过设置更多的WIFI节点增加指纹库的容量。但是，随着WIFI节点数目的增加，WiFi传输干扰增大，导致定位精度下降，只能达到2米左右，这样的矛盾制约着WIFI室内定位技术的发展。蓝牙信标技术是一种低功耗的室内定位技术，精确度相对于WiFi技术更好，但是蓝牙技术在复杂的环境中很不稳定，受到噪声信号干扰大，传播范围很小。

现有超声波室内定位技术大部分都是利用了超声波信号的测距特性，并不携带信息，在室内安装特定的发射节点，通过超声波的发射和接收得到多个发射节点到达目标节点的时间差，结合发射结点的坐标可以确定接收端的位置。因此，需要多个发射节点同时发射超声波信号，这要求有一个额外的终端控制多个发射节点同时发射超声波信号或者多个发射节点通过同步协议实现时间同步，实现起来比较复杂。

研究表明，人类最大可以听到高达19～20kHZ的音频，现有的智能手机、手提电脑等等电子设备上的麦克风和扬声器可以发射和检测高达24kHz的音频。因此，利用室内已有扬声器作为室内信号发射节点，利用配备麦克风的智能终端作为接收端，就可以利用高出人类听觉4kHz带宽的信号进行超声波通信实现室内定位技术，而不需要特别增加其他复杂的硬件设备。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法，利用室内扬声器发射20KHz以上的超声波，利用配备扬声器的移动设备接收超声波并进行解调，获得用户位置和相关信息；如果智能终端收到3个或3个以上的超声波信号，利用超声波携带的时间戳信息计算超声波信号的传输时延，然后采用空间定位算法获得智能终端的位置，可以实现准确定位。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法，采用扬声器作为室内信号发射节点发射携带位置信息的超声波信号，并且利用智能终端的麦克风作为接收端，所述的异步室内定位方法包括：

室内信号发射节点进行超声波信号的调制与发射步骤，过程如下：

定位信息初始化，将预先保存的包含位置信息的定位信息文件初始化成可执行二进制文件，所述的位置信息包含发射信号时间戳信息、室内信号发射节点的具体位置信息以及一个室内结构图的网址链接，其中，室内信号发射节点的具体位置信息为扬声器坐标和所在商铺编号，每一个扬声器作为一个位置信息已知的信号发射节点；

超声波信号调制，将初始化后的二进制数据信息对超声波信号进行数字调制，使超声波信号携带数据信息；

超声波信号广播，通过扬声器将调制后的超声波信号进行室内广播；

接收端搜索和解调超声波信号并获取定位信息步骤，过程如下：

超声波信号搜索，唤醒智能终端使其处于工作状态，通过智能终端的麦克风搜索所处位置的超声波信号；

超声波信号解调，智能终端对接收到的超声波信号进行数字解调并获取数据信息，包括发射信号时间戳信息、室内信号发射节点的具体位置信息以及发射节点所处室内的结构图的网址链接；

超声波信号定位，若智能终端搜索到3个或3个以上发射节点的超声波信号，利用解调后的时间戳信息获得每个超声波信号的发射时间，根据接收时间和发射时间的差值计算超声波信号的传输时延，然后采用空间定位运算的方法获得智能终端的准确位置。

进一步地，在所述的超声波信号定位之后，还包括：

路线规划，在获得位置信息后，智能终端根据需要打开室内结构图网址链接规划得出所处位置到目的地之间路线。

进一步地，所述的超声波信号采用线性调频信号，该信号的瞬时频率随时间在一定的带宽内成线性变化，经过数字调制使信号携带信息，线性调频信号通过下面公式产生：

s₁(t)＝cos(2πf₁t+μt²/2+φ₀),

s₂(t)＝cos(2πf₂t-μt²/2+φ₀),0≤t≤T

对于正斜率信号s₁(t)和负斜率信号s₂(t)，其中T是一个符号的持续时间，φ₀指的是任意的初始相位，μ指的是信号的变化速率，即μ＝2πB/T，B＝f₂-f₁，f₁与f₂分别是信号的下限频率和上限频率；用正斜率信号表示符号“1”，负斜率信号表示“0”，经过数字调制器将初始化后的二进制信息映射到线性调频信号，使线性调频信号携带信息。

进一步地，所述的超声波信号解调中智能终端对接收到的超声波信号进行数字解调并获取数据信息，具体过程如下：

将接收的信号r(t)与已知的正斜率信号s₁(t)和负斜率信号s₂(t)作匹配运算，公式如下：

c_1,2＝∫r(τ)s_1,2(T-τ)dτ

匹配运算后做出判决，若c₁＞c₂，则判断接收到的信号为信号s₁(t)，即符号“1”，若c₁＜c₂，则为信号s₂(t)，即符号“0”。

进一步地，所述的超声波信号定位的实现过程如下：

假设其中一个发射节点发射时间为T_s1，接收端接收信号时间T_rx1，则传输时延为：t₁＝T_s1-T_rx1

发射节点到接收端的距离为：

R₁＝c*t₁

其中C为声波传输速率，同样，获得其他发射节点到接收端的距离：

R₂＝c*t₂

R₃＝c*t₃

发射节点的坐标分别为(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)，接收端的坐标为(x,y,z)

通过上面过程输出智能终端与不同发射节点的坐标位置信息。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明采用已有的硬件设备，不需要或者仅仅需要配备简单低廉的硬件设备就可以实现室内定位，成本和工程量会降低很多。

2)本发明的超声波信号采用广泛应用于雷达的线性调频信号，由于线性调频信号具有脉冲压缩的优势，解调时主瓣分辨能力高，可以获得更高的信噪比，采用数字键控方法使其具有更远的传输距离。

3)本发明采用超声通信的方法携带时间戳，延时估计中发射节点不需要进行时间同步，实现方法更简单。

附图说明

图1是基于智能终端和超声波通信的室内定位方法的实例图；

图2是监护人定位和路线规划实施流程图；

图3是数字调制方案系统框图；

图4是超声波信号的调制与发射流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，在日常生活中，人们会经常去一些大型商场休闲娱乐，跟孩子在大型商场购物的时候，经常发生一些孩子在不经意间走散的情况。假设孩子已经配备了智能手表，监护人希望通过智能手机终端获取孩子智能手表终端的具体位置并进行寻找。利用大型商场很多商家都会配有扬声器的背景，每个扬声器都可以作为一个信号发射节点，通过智能手机终端生成携带信息的超声波信号后传递给扬声器，并通过扬声器进行广播；智能手表终端通过控制麦克风进行超声波信号搜索，通过对超声波信号的接收、解调获得位置信息(如发射时间戳，扬声器坐标，该商业中心的室内结构图的链接)。

若监护人发现孩子走散之后进行定位和路线规划的流程如图2所示，监护人通过智能手机终端搜索超声波信号获取自己现在的具体位置，同时发送信息到智能手表终端控制唤醒孩子智能手表终端搜索来自扬声器的超声波信号获取孩子的位置信息，然后发送到监护人智能手机终端，此时监护人在智能手机终端可以规划自身所处位置到孩子的位置的路线。

在此实施例中超声波信号采用了广泛应用于雷达的线性调频信号(Chirp信号)，该信号的瞬时频率随时间在一定的带宽内成线性变化，利用线性调频信号频率的变化趋势可以携带数字信息的特点，本实施例中将初始化后的信息用二进制数据流表示，通过映射器将数据流映射到Chirp信号中，使Chirp信号携带数据信息，其中正斜率Chirp信号的频率由慢变快表示符号“1”，负斜率Chirp信号的频率由快变慢表示符号“0”，对Chirp信号(如图3所示)进行数字调制；从Chirp信号的自相关运算后的主瓣峰值与旁瓣相差很大，而且Chirp信号的带宽越大，自相关函数的主瓣宽度越窄越尖，旁瓣越小。因此，在智能终端采用匹配运算的方法进行数字解调，即将接收到的信号分别与负斜率Chirp和正斜率Chirp相乘，最后作判决输出符号。

基于智能终端和超声波通信的室内定位方法包括室内信号发射节点进行超声波信号的调制与发射以及接收端获取定位信息和路径规划，如图4所示，具体步骤如下：

室内信号发射节点进行超声波信号的调制与发射，过程如下：

定位信息初始化，将一个包含位置信息的文件初始化一个可执行二进制文件，其中位置信息包含发射信号时间戳信息，扬声器的具体位置信息(如扬声器坐标，所在商铺编号)以及相关的网页链接(如该商业中心室内结构图的链接)。

超声波信号调制，将初始化后的二进制信息通过调制映射到超声波信号，使超声波信号携带数据信息。

超声波信号广播。将调制好的超声波信号传给扬声器，通过扬声器进行广播。

接收端获取定位信息和路径规划，过程如下：

监护人通过智能手机终端唤醒智能手表终端的定位系统。智能手表的定位系统在平时处于休眠状态，接到特定智能手机终端信息时就会触发唤醒命令，使智能手表终端的定位系统处于工作状态。

超声波信号搜索。智能终端(如智能手机终端，智能手表终端)搜索所处位置的超声波信号。

超声波信号解调。在搜索到超声波信号后，智能终端对超声波信号进行解调并获取位置信息，这个位置信息包含发射信号时间戳信息，扬声器的具体位置信息(如扬声器坐标，所在商铺编号)以及相关的网页链接(如该商业中心室内结构图的链接)，而智能手表终端获取位置信息直接发送到监护人智能手机终端。

超声波信号定位。将解调后的位置信息输出，取得商铺编号等位置信息，智能手机终端打开链接获得室内的地图，清晰地获取自身所处位置；若智能终端搜索到3个或以上不同发射节点的超声波信号，进一步计算出超声波从扬声器到达智能终端的传输时延，获得智能终端的准确位置。

路线规划。在智能终端获取到具体的位置后，监护人可以在智能手机终端输入所需要的目的地或者根据接收到其他智能终端的位置信息，规划两个地点之间路线图。

实施例二

一种基于智能终端和超声波信号通信的室内定位方法，利用现有的硬件设备产生20KHz～24KHz的已携带位置信息的超声波信号，采用扬声器作为室内信号发射节点发射携带位置信息的超声波信号，并且利用智能终端如智能手机终端的麦克风作为接收端，对接收的超声波信号进行解调并获取超声波携带的位置信息。具体步骤实现如下：

室内信号发射节点进行超声波信号的调制与发射，过程如下：

定位信息初始化，将预先保存的包含位置信息的定位信息文件初始化成可执行二进制文件，其中位置信息包含发射信号时间戳信息、室内信号发射节点的具体位置信息(如扬声器坐标，所在商铺编号)以及一个室内结构图的网址链接，每一个扬声器作为一个位置信息已知的信号发射节点；

超声波信号调制，将初始化后的二进制数据信息对超声波信号进行数字调制，使超声波信号携带数据信息；

超声波信号广播，通过扬声器将调制后的超声波信号进行室内广播；

接收端搜索和解调超声波信号获取定位信息，过程如下：

超声波信号搜索，唤醒智能终端使其处于工作状态，通过智能终端的麦克风搜索所处位置的超声波信号；

本实施例中所述的智能终端包括手机、笔记本电脑、平板电脑和掌上上网设备、多媒体设备、流媒体设备、移动互联网设备(MID，mobile internet device)、可穿戴设备或其他类型的终端设备。

超声波信号解调，智能终端对接收到的超声波信号进行数字解调并获取数据信息，包括发射信号时间戳、室内信号发射节点的具体位置信息以及发射节点所处室内的结构图的网址链接。

超声波信号定位，将解调后的具体位置信息输出到智能终端，获取所处位置的具体信息；若智能终端搜索到3个或3个以上的超声波信号，进一步利用解调后的时间戳信息获得每个超声波的发射时间，根据接收时间和发射时间的差值计算超声波信号的传输时延，然后采用空间定位运算的方法获得智能终端的准确位置；

路线规划，在获得位置信息后，智能终端根据需要打开室内结构图网址链接规划得出所处位置到目的地之间路线。

本实施例中，超声波信号采用广泛应用于雷达通信的线性调频信号，该信号的瞬时频率随时间在一定的带宽内成线性变化，经过数字调制使信号携带信息，线性调频信号通过下面公式产生：

s₁(t)＝cos(2πf₁t+μt²/2+φ₀),

s₂(t)＝cos(2πf₂t-μt²/2+φ₀),0≤t≤T

对于正斜率信号s₁(t)和负斜率信号s₂(t)，其中T是一个符号的持续时间；φ₀指的是任意的初始相位，一般为0；μ指的是信号的变化速率，即μ＝2πB/T，B＝f₂-f₁，f₁与f₂分别是信号的下限频率和上限频率。

用正斜率信号表示符号“1”，负斜率信号表示“0”，经过数字调制器将初始化后的二进制信息映射到线性调频信号，使线性调频信号携带信息。

本实施例中，超声波信号解调中智能终端对接收到的超声波信号进行数字解调并获取数据信息，具体过程如下：

将接收的信号r(t)与已知的正斜率信号s₁(t)和负斜率信号s₂(t)作匹配运算，公式如下：

c_1,2＝∫r(τ)s_1,2(T-τ)dτ

匹配运算后做出判决，若c₁＞c₂，则判断接收到的信号为信号s₁(t)，即符号“1”，若c₁＜c₂，则为信号s₂(t)，即符号“0”。

本实施例中，超声波信号定位中若接收到3个或3个以上不同发射节点的超声波信号，通过解调获取的时间戳信息计算出各个发射节点到智能终端的传输时延，然后经过空间定位算法计算出智能终端的精确位置。假设其中一个发射节点发射时间为T_s1，接收端接收信号时间T_rx1，则传输时延为：t₁＝T_s1-T_rx1

发射节点到接收端的距离为：

R₁＝c*t₁

其中C为声波传输速率。同样，获得其他发射节点到接收端的距离：

R₂＝c*t₂

R₃＝c*t₃

发射节点的坐标分别为(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)，接收端的坐标为(x,y,z)

通过上面空间定位算法可以进一步输出智能终端与不同发射节点的坐标位置信息。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法，采用扬声器作为室内信号发射节点发射携带位置信息的超声波信号，并且利用智能终端的麦克风作为接收端，其特征在于，所述的异步室内定位方法包括：

室内信号发射节点进行超声波信号的调制与发射步骤，过程如下：

定位信息初始化，将预先保存的包含位置信息的定位信息文件初始化成可执行二进制文件，所述的位置信息包含发射信号时间戳信息、室内信号发射节点的具体位置信息以及一个室内结构图的网址链接，其中，室内信号发射节点的具体位置信息为扬声器坐标和所在商铺编号，每一个扬声器作为一个位置信息已知的信号发射节点；

超声波信号调制，将初始化后的二进制数据信息对超声波信号进行数字调制，使超声波信号携带数据信息；

超声波信号广播，通过扬声器将调制后的超声波信号进行室内广播；

接收端搜索和解调超声波信号并获取定位信息步骤，过程如下：

超声波信号搜索，唤醒智能终端使其处于工作状态，通过智能终端的麦克风搜索所处位置的超声波信号；

超声波信号解调，智能终端对接收到的超声波信号进行数字解调并获取数据信息，包括发射信号时间戳信息、室内信号发射节点的具体位置信息以及发射节点所处室内的结构图的网址链接；

所述的超声波信号解调中智能终端对接收到的超声波信号进行数字解调并获取数据信息，具体过程如下：

将接收的信号r(t)与已知的正斜率信号s₁(t)和负斜率信号s₂(t)作匹配运算，公式如下：

c_1,2＝∫r(τ)s_1,2(T-τ)dτ

匹配运算后做出判决，若c₁＞c₂，则判断接收到的信号为信号s₁(t)，即符号“1”，若c₁＜c₂，则为信号s₂(t)，即符号“0”；

超声波信号定位，若智能终端搜索到3个或3个以上发射节点的超声波信号，利用解调后的时间戳信息获得每个超声波信号的发射时间，根据接收时间和发射时间的差值计算超声波信号的传输时延，然后采用空间定位运算的方法获得智能终端的准确位置；

所述的超声波信号定位的实现过程如下：

假设其中一个发射节点发射时间为T_s1，接收端接收信号时间T_rx1，则传输时延为：t₁＝T_s1-T_rx1

发射节点到接收端的距离为：

R₁＝c*t₁

其中C为声波传输速率，同样，获得其他发射节点到接收端的距离：

R₂＝c*t₂

R₃＝c*t₃

发射节点的坐标分别为(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)，接收端的坐标为(x,y,z)

通过上面过程输出智能终端与不同发射节点的坐标位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法，其特征在于，在所述的超声波信号定位之后，还包括：

路线规划，在获得位置信息后，智能终端根据需要打开室内结构图网址链接规划得出所处位置到目的地之间路线。

3.根据权利要求1所述的基于智能终端和超声波通信的异步室内定位方法，其特征在于，所述的超声波信号采用线性调频信号，该信号的瞬时频率随时间在一定的带宽内成线性变化，经过数字调制使信号携带信息，线性调频信号通过下面公式产生：

s₁(t)＝cos(2πf₁t+μt²/2+φ₀),

s₂(t)＝cos(2πf₂t-μt²/2+φ₀),0≤t≤T

对于正斜率信号s₁(t)和负斜率信号s₂(t)，其中T是一个符号的持续时间，φ₀指的是任意的初始相位，μ指的是信号的变化速率，即μ＝2πB/T，B＝f₂-f₁，f₁与f₂分别是信号的下限频率和上限频率；用正斜率信号表示符号“1”，负斜率信号表示“0”，经过数字调制器将初始化后的二进制信息映射到线性调频信号，使线性调频信号携带信息。

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