CN111405658A - 一种基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，步骤包括：在定位区域内分布设置三个信源设备；DUT设备进入定位区域后与三个信源设备进行通信发送定位请求信息；三个信源设备接收到定位请求信息后发送声波定位信息和蓝牙定位信息；DUT设备接收到声波定位信息和蓝牙定位信息后进行前向纠错；DUT设备计算三个信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度；结合三个信源设备的坐标位置以及三个对应的朝向角度计算出DUT设备的坐标位置。该室内定位方法只需要三个声波发射装置即可完成目标的精确定位，且无需组网和精确授时，能够大幅降低设备功耗。

Description

一种基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位方法，尤其是一种基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法。

背景技术

声波定位是利用声波在空间的传播特性，来确定目标的具体位置。声波信号发生器被置于待定位的目标上，向周围按照一定的时间间隔发送声波脉冲。在待测场景下3个固定位置上分别接收声波发射装置发出来的脉冲信号，由于声波在空间传播速度比较慢，所以通过比较三个接收装置收到信号的时间先后，可以反演出声波发生器的具体位置，也就是待测目标的位置。当目标在待测场景移动时，可以通过不间断的测量，描出目标的运动轨迹。声波定位技术主要应用在短距离定位，通过计量的到达时间差Δt可以算得音源和接收器之间的距离，再利用三点定位法计算出目标物的位置。声波受多径效应和非视距传播影响较大，且声波频率易受多普勒效应和温度的影响。声波定位需要发射端与接受端时间同步，确保两者处于同一系统时间。通常需要通过组网（广域网或者局域网）的方式实现，带来了一定的系统开销。蓝牙室内定位原理是：首先在区域内铺设蓝牙信标，当终端设备进入beacon信号覆盖的范围，测出其在不同基站下的RSSI值，然后再通过待测设备内置的定位算法测算出具体位置。目前的定位算法主要有两种，一种是三点定位算法，蓝牙设备定位接收并反馈信号，定位引擎通过三点定位算法、采用RSSI方式计算出用户位置。该方法定位精度较差，一般都在5米以上，且易受环境干扰影响。另一种是指纹法，指纹法将测试区域内的位置与特定的指纹联系起来，指纹中存储一种或多种特征。实际定位时，通过获得的多个特征测试值与指纹中的数据库匹配，从而获得匹配的坐标位置。指纹法较三点定位法精度有所提升，但需要定期采集指纹数据库，且精度要求越高需要采集的数据量越大，后期系统维护需要耗费很大的人员成本。蓝牙频段使用开放的2.4G波段，易受外界设备或通信系统的（如WIFI，ZigBee，LTE频段）影响，造成接收机获得的RSSI值波动较大，影响定位精准度。

发明内容

发明目的：提供一种基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，能够将声波定位和蓝牙测距相结合有效增强室内定位精度，且具有较好的定位可靠性。

技术方案：本发明所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，包括如下步骤：

步骤1，在定位区域内分布设置三个信源设备，信源设备由微处理器、声波发生器以及蓝牙收发模块构成；

步骤2，DUT设备进入定位区域后与三个信源设备进行通信，DUT设备由微处理器以及与微处理器电连接的蓝牙收发模块、主MIC、辅MIC以及综合姿态传感器构成，由微处理器控制蓝牙收发模块发送定位请求信息；

步骤3，三个信源设备接收到定位请求信息后，启动各自的声波发生器和蓝牙收发模块发送声波定位信息和蓝牙定位信息，且三个信源设备的启动时刻相互错开；

步骤4，DUT设备接收到一个信源设备发送的声波定位信息和蓝牙定位信息后，由微处理器判断声波定位信息和蓝牙定位信息中的编码信息是否一致来实现声波定位信息的前向纠错；

步骤5，DUT设备根据主MIC和辅MIC接收到的声波定位信息后，计算出声波定位信息到 达主MIC和辅MIC处的相位差

，再结合主MIC和辅MIC的距离d以及综合姿态传感器检测的 DUT设备倾角α计算出信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β1；

步骤6，重复步骤4和5直至计算出其余两个信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β2和β3；

步骤7，结合三个信源设备的坐标位置以及三个对应的朝向角度β1、β2和β3计算出DUT设备的坐标位置。

进一步地，步骤3中，三个信源设备接收到定位请求信息后，根据定位请求信息的RSSI值计算出DUT设备与信源设备的距离s，计算公式为：

s = 10^((abs(RSSI) - A) / (10 * n))

式中，A为DUT设备相隔1米处的信号强度，n为环境衰减因子；再根据距离s设定信源设备的声波发射功率，确保声波信号能够被DUT设备有效识别。

进一步地，步骤3中，在设定信源设备的声波发射功率后，再根据DUT设备的主MIC与辅MIC的距离d来设定声波的波长λ，使得λ＞2d。

进一步地，步骤3中，在三个信源设备接收到定位请求信息后，首先判断自身的声波发生器和蓝牙收发模块是否空闲，如若空闲，则立即启动声波发生器和蓝牙收发模块同时发送声波定位信息和蓝牙定位信息，如若非空闲，则等待至空闲状态再启动声波发生器和蓝牙收发模块同时发送声波定位信息和蓝牙定位信息。

进一步地，步骤4中，在进行前向纠错时，首先获取声波定位信息的编码信息以及蓝牙定位信息中的编码信息，编码信息由四位编码数据构成，若四位编码数据一致，则直接进入步骤5，若四位编码数据不一致，则由DUT设备的微处理器控制蓝牙收发模块向三个信源设备重新发送定位请求信息，三个信源设备接收到定位请求信息后再次进入步骤3。

进一步地，步骤2中，DUT设备的主MIC和辅MIC为正交设置。

进一步地，步骤5中，计算朝向角度β1的具体步骤为：

步骤5.1，根据主MIC和辅MIC接收到的声波定位信息的波形数据计算出声波定位信息 在主MIC和辅MIC处的相位差

；

步骤5.2，再根据相位差

计算出主MIC和辅MIC所在直线与信源设备朝向DUT设备处 的声波信号朝向夹角的余角，具体计算公式为：

式中，d为主MIC与辅MIC的距离，λ为声波的波长；

步骤5.3，再计算朝向角度β1为：

式中，α为综合姿态传感器检测的DUT设备的倾角。

进一步地，步骤5中，在计算信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β1时，信源设备朝向DUT设备处的声波信号发射方向以信源设备坐标位置作为射线起点，以DUT设备的主MIC的坐标位置作为射线方向上的点。

进一步地，步骤7中，计算DUT设备的坐标位置的具体步骤为：

步骤7.1，获取三个信源设备的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)；

步骤7.2，设定DUT设备的主MIC坐标为(x,y,z)，则根据几何原理建立定位方程为：

步骤7.3，将三个信源设备的坐标带入定位方程，计算获得主MIC的坐标(x,y,z)，并将主MIC坐标(x,y,z)作为DUT设备的坐标位置。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用主MIC和辅MIC的声波波形相位差来实现声波室内定位，与现有的声波定位相比定位精度更高；利用蓝牙广播信道定位编码信息实现声波定位的前向纠错功能，能够确保定位的可靠性；利用蓝牙收发模块发送定位请求信息作为声波发生器和主MIC和辅MIC的唤醒标志，并根据RSSI测距调节声波音强至合理区间，大幅降低设备功耗。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的波形相位差示意图；

图3为本发明的朝向角度计算模型示意图；

图4为本发明的坐标定位计算模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

如图1-4所示，本发明公开的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，包括如下步骤：

步骤1，在定位区域内分布设置三个信源设备，信源设备由微处理器、声波发生器以及蓝牙收发模块构成；

步骤2，DUT设备进入定位区域后与三个信源设备进行通信，DUT设备由微处理器以及与微处理器电连接的蓝牙收发模块、主MIC、辅MIC以及综合姿态传感器构成，由微处理器控制蓝牙收发模块发送定位请求信息；

利用蓝牙广播信息作为声波定位起始讯号，可以大幅度降低设备功耗的开销，在定位空闲阶段信源设备和DUT设备的声波发生器以及蓝牙收发模块均处于关闭状态，避免资源浪费和对其他设备用户的影响；

步骤3，三个信源设备接收到定位请求信息后，启动各自的声波发生器和蓝牙收发模块发送声波定位信息和蓝牙定位信息，且三个信源设备的启动时刻相互错开；

步骤4，DUT设备接收到一个信源设备发送的声波定位信息和蓝牙定位信息后，由微处理器判断声波定位信息和蓝牙定位信息中的编码信息是否一致来实现声波定位信息的前向纠错；

步骤5，DUT设备根据主MIC和辅MIC接收到的声波定位信息后，计算出声波定位信息在 主MIC和辅MIC处的相位差

，再结合主MIC和辅MIC的距离d以及姿态传感器检测的DUT 设备倾角α计算出信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β1；

步骤6，重复步骤4和5直至计算出其余两个信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β2和β3；

步骤7，结合三个信源设备的坐标位置以及三个对应的朝向角度β1、β2和β3计算出DUT设备的坐标位置。

本发明公开的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法只需要三个声波发射装置即可完成目标定位，无需组网和精确授时；采用蓝牙RSSI辅助定位，将定位请求信息作为收发端启动讯号，并预估收发两端的距离，合理设定声波音强；DUT设备和信源设备之间无需组网，且时钟无需同步，节省了整个系统开销；信源设备利用蓝牙广播信息同步传输声波定位信息，DUT设备判断收到的信息是否一致进行检错，信息一致则进行位置计算；不一致则要求发送台重发定位信息；将蓝牙广播信道中的定位信息作为信源设备的声波收发装置的唤醒标志，大幅降低了设备开销，提高资源利用率。

进一步地，步骤3中，三个信源设备接收到定位请求信息后，根据定位请求信息的RSSI值计算出DUT设备与信源设备的距离s，计算公式为：

s = 10^((abs(RSSI) - A) / (10 * n))

式中，A为DUT设备相隔1米处的信号强度，n为环境衰减因子；再根据距离s设定信源设备的声波发射功率，确保声波信号能够被DUT设备有效识别，或者音强过高影响周围其他用户或设备。由于电磁波的传播速度更快，可以将蓝牙编码信息作为声波定位的先导信息，通过分析蓝牙和声波信号中定位信息编码是否一致，实现声波定位信息的前向纠错。

进一步地，步骤3中，在设定信源设备的声波发射功率后，再根据DUT设备的主MIC与辅MIC的距离d来设定声波的波长λ，使得λ＞2d。这样可以确保声波到达主MIC与辅MIC的相位差在半波长以内，不会出现周期性相位差。

进一步地，步骤3中，在三个信源设备接收到定位请求信息后，首先判断自身的声波发生器和蓝牙收发模块是否空闲，如若空闲，则立即启动声波发生器和蓝牙收发模块同时发送声波定位信息和蓝牙定位信息，如若非空闲，则等待至空闲状态再启动声波发生器和蓝牙收发模块同时发送声波定位信息和蓝牙定位信息。

进一步地，步骤4中，在进行前向纠错时，首先获取声波定位信息的编码信息以及蓝牙定位信息中的编码信息，编码信息由四位编码数据构成，若四位编码数据一致，则直接进入步骤5，若四位编码数据不一致，则由DUT设备的微处理器控制蓝牙收发模块向三个信源设备重新发送定位请求信息，三个信源设备接收到定位请求信息后再次进入步骤3。

如表1所示，第一列和第二列分别是声波定位编码信息和蓝牙定位编码信息，采用4位编码格式1011，当接收台收到的声波定位编码信息于蓝牙定位编码信息一致时，说明数据传送正确，可以进行数据分析和位置计算，否则通知发送台重新发送。

表1

进一步地，步骤2中，DUT设备的主MIC和辅MIC为正交设置。主MIC设计为底部侧出，辅MIC设计上方后出，这样可以保证主MIC和辅MIC正交。主MIC和辅MIC正交的设计可以便于确定待测设备位置，减小MIC的布置个数。

进一步地，步骤5中，计算朝向角度β1的具体步骤为：

步骤5.1，根据主MIC和辅MIC接收到的声波定位信息的波形数据计算出声波定位信息 在主MIC和辅MIC处的相位差

；

步骤5.2，再根据相位差

计算出主MIC和辅MIC所在直线与信源设备朝向DUT设备处 的声波信号朝向夹角的余角，具体计算公式为：

式中，d为主MIC与辅MIC的距离，λ为声波的波长；

步骤5.3，再计算朝向角度β1为：

式中，α为综合姿态传感器检测的DUT设备的倾角。

进一步地，步骤5中，在计算信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β1时，信源设备朝向DUT设备处的声波信号发射方向以信源设备坐标位置作为射线起点，以DUT设备的主MIC的坐标位置作为射线方向上的点。

进一步地，步骤7中，计算DUT设备的坐标位置的具体步骤为：

步骤7.1，获取三个信源设备的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)；

步骤7.2，设定DUT设备的主MIC坐标为(x,y,z)，则根据几何原理建立定位方程为：

步骤7.3，将三个信源设备的坐标带入定位方程，计算获得主MIC的坐标(x,y,z)，并将主MIC坐标(x,y,z)作为DUT设备的坐标位置。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在定位区域内分布设置三个信源设备，信源设备由微处理器、声波发生器以及蓝牙收发模块构成；

步骤2，DUT设备进入定位区域后与三个信源设备进行通信，DUT设备由微处理器以及与微处理器电连接的蓝牙收发模块、主MIC、辅MIC以及综合姿态传感器构成，由微处理器控制蓝牙收发模块发送定位请求信息；

步骤3，三个信源设备接收到定位请求信息后，启动各自的声波发生器和蓝牙收发模块发送声波定位信息和蓝牙定位信息，且三个信源设备的启动时刻相互错开；

步骤4，DUT设备接收到一个信源设备发送的声波定位信息和蓝牙定位信息后，由微处理器判断声波定位信息和蓝牙定位信息中的编码信息是否一致来实现声波定位信息的前向纠错；

步骤5，DUT设备根据主MIC和辅MIC接收到的声波定位信息后，计算出声波定位信息到达主MIC和辅MIC处的相位差

，再结合主MIC和辅MIC的距离d以及姿态传感器检测的DUT设备倾角α计算出信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β1；

步骤6，重复步骤4和5直至计算出其余两个信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β2和β3；

步骤7，结合三个信源设备的坐标位置以及三个对应的朝向角度β1、β2和β3计算出DUT设备的坐标位置。

2.根据权利要求1所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，步骤3中，三个信源设备接收到定位请求信息后，根据定位请求信息的RSSI值计算出DUT设备与信源设备的距离s，计算公式为：

s = 10^((abs(RSSI) - A) / (10 * n))

式中，A为DUT设备相隔1米处的信号强度，n为环境衰减因子；再根据距离s设定信源设备的声波发射功率，确保声波信号能够被DUT设备有效识别。

3.根据权利要求2所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，步骤3中，在设定信源设备的声波发射功率后，再根据DUT设备的主MIC与辅MIC的距离d来设定声波的波长λ，使得λ＞2d。

4.根据权利要求1所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，步骤3中，在三个信源设备接收到定位请求信息后，首先判断自身的声波发生器和蓝牙收发模块是否空闲，如若空闲，则立即启动声波发生器和蓝牙收发模块同时发送声波定位信息和蓝牙定位信息，如若非空闲，则等待至空闲状态再启动声波发生器和蓝牙收发模块同时发送声波定位信息和蓝牙定位信息。

5.根据权利要求1所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，步骤4中，在进行前向纠错时，首先获取声波定位信息的编码信息以及蓝牙定位信息中的编码信息，编码信息由四位编码数据构成，若四位编码数据一致，则直接进入步骤5，若四位编码数据不一致，则由DUT设备的微处理器控制蓝牙收发模块向三个信源设备重新发送定位请求信息，三个信源设备接收到定位请求信息后再次进入步骤3。

6.根据权利要求1所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，步骤2中，DUT设备的主MIC和辅MIC为正交设置。

7.根据权利要求1所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，步骤5中，计算朝向角度β1的具体步骤为：

步骤5.1，根据主MIC和辅MIC接收到的声波定位信息的波形数据计算出声波定位信息在主MIC和辅MIC处的相位差

；

步骤5.2，再根据相位差

计算出主MIC和辅MIC所在直线与信源设备朝向DUT设备处的声波信号朝向夹角的余角，具体计算公式为：

式中，d为主MIC与辅MIC的距离，λ为声波的波长；

步骤5.3，再计算朝向角度β1为：

式中，α为综合姿态传感器检测的DUT设备的倾角。

8.根据权利要求1所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，步骤5中，在计算信源设备朝向DUT设备处的声波信号的朝向角度β1时，信源设备朝向DUT设备处的声波信号发射方向以信源设备坐标位置作为射线起点，以DUT设备的主MIC的坐标位置作为射线方向上的点。

9.根据权利要求1所述的基于声波定位和蓝牙测距相融合的室内定位方法，其特征在于，步骤7中，计算DUT设备的坐标位置的具体步骤为：

步骤7.1，获取三个信源设备的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)；

步骤7.2，设定DUT设备的主MIC坐标为(x,y,z)，则根据几何原理建立定位方程为：

步骤7.3，将三个信源设备的坐标带入定位方程，计算获得主MIC的坐标(x,y,z)，并将主MIC坐标(x,y,z)作为DUT设备的坐标位置。

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