CN111983564B - 一种基于tdoa的声音定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TDOA的声音定位方法，包括以下步骤：S1、若干个单扬声器基站进行同步；S2、不同的单扬声器基站分别发射不同频率的声音信号；S3、终端上的带通滤波器根据不同频率的接收信号调节滤波参数以滤除不同频率的信号；S4、终端接收单扬声器基站发射的声音信号，并记录不同单扬声器基站发射的声音信号到达的时间，通过TDOA定位方程计算出终端的定位点。

Description

一种基于TDOA的声音定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及定位技术领域，特别涉及一种基于TDOA的声音定位系统及定位方法。
背景技术
目前声音定位多采用麦克风阵列，利用基于波束，高分辨率谱估计和声达时延差等系统及定位方法进行定位，这对麦克风支架设计技术有较高要求，硬件设计复杂度也较高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于TDOA的声音定位系统及定位方法，采用频分复用技术，声音定位基站只需要单扬声器发射信号，避免了麦克风阵列的复杂设计。
本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于TDOA的声音定位方法，包括以下步骤：
S1、若干个单扬声器基站进行同步；
S2、不同的单扬声器基站同时发射不同频率的声音信号；
S3、终端上的带通滤波器根据不同频率的接收信号调节滤波参数以滤出不同频率的信号；
S4、终端接收单扬声器基站发射的声音信号，并计算出不同单扬声器基站发射的声音信号到达的时间，通过TDOA定位方程计算出终端的定位点。
作为优选，所述单扬声器基站同步的方式包括有线或超宽带。
作为优选，所述有线同步方式包括同轴电缆、双绞线或光纤。
作为优选，所述单扬声器基站的数量不少于3个。
作为优选，不同的单扬声器基站发射声音信号的频率范围为fN～fM(N<M)，带通滤波器的边频点对应为fN～fM，中心频率为(fN+fM)/2。
当单扬声器基站数量为3个时，所述TDOA定位方程如下：
Figure BDA0002630134210000021
Figure BDA0002630134210000022
Figure BDA0002630134210000023
其中，所述(x,y)为定位点坐标；(x1，y1)为基站1的坐标；(x2，y2)为基站2的坐标；(x3，y3)为基站3的坐标；t1、t2、t3分别为基站1、基站2和基站3的信号到达终端的时间；v1、v2、v3为基站发出的不同频率的声音信号的传播速度。
本发明的有益效果：一种基于TDOA的声音定位方法，包括以下步骤：S1、若干个单扬声器基站进行同步；S2、不同的单扬声器基站分别发射不同频率的声音信号；S3、终端上的带通滤波器根据不同频率的接收信号调节滤波参数以滤除不同频率的信号；S4、终端接收单扬声器基站发射的声音信号，并记录不同单扬声器基站发射的声音信号到达的时间，通过TDOA定位方程计算出终端的定位点。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为一种基于TDOA的声音定位方法的第一实施例示意图；
图2为一种基于TDOA的声音定位方法的第二实施例示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图2，一种基于TDOA的声音定位方法，包括以下步骤：
S1、若干个单扬声器基站进行同步；
S2、不同的单扬声器基站同时发射不同频率的声音信号；
S3、终端上的带通滤波器根据不同频率的接收信号调节滤波参数以滤出不同频率的信号；
S4、终端接收单扬声器基站发射的声音信号，并计算出不同单扬声器基站发射的声音信号到达的时间，通过TDOA定位方程计算出终端的定位点。
上述步骤S1中，单扬声器基站在进行同步的时候，其同步误差要求小于10微秒，在步骤S4中，记录的时间误差要求小于1毫秒，若要让定位的精度更高，则该时间误差要求要更小。
所述单扬声器基站同步的方式包括有线或超宽带。
所述有线同步方式包括同轴电缆、双绞线或光纤等。
所述单扬声器基站的数量不少于3个。
不同的单扬声器基站发射声音信号的频率范围为fN～fM(N<M)，带通滤波器的边频点对应为fN～fM，中心频率为(fN+fM)/2。
参照图1，为本发明的第一实施例，当单扬声器基站数量为3个时，3个单扬声器基站分别设置为A1、A2和A3，A1发射声音信号的频率范围设置为f1～f2，A2发射声音信号的频率范围设置为f3～f4，A3发射声音信号的频率范围设置为f5～f6，所述TDOA定位方程如下：
Figure BDA0002630134210000051
Figure BDA0002630134210000052
Figure BDA0002630134210000053
其中，所述(x,y)为定位点坐标；(x1，y1)为基站1的坐标；(x2，y2)为基站2的坐标；(x3，y3)为基站3的坐标；t1、t2、t3分别为基站1、基站2和基站3的信号到达终端的时间；v1、v2、v3为基站发出的不同频率的声音信号的传播速度。
则终端接收到A1的发射信号时，所述带通滤波器的边频点为f1～f2，中心频率为(f1+f2)/2；终端接收到A2的发射信号时，所述带通滤波器的边频点为f3～f4，中心频率为(f3+f4)/2；终端接收到A3的发射信号时，所述带通滤波器的边频点为f5～f6，中心频率为(f5+f6)/2。
参照图2，为本发明的地热实施例，当单扬声器基站数量为4个时，4个单扬声器基站分别设置为A1、A2、A3和A4，A1发射声音信号的频率范围设置为f1～f2，A2发射声音信号的频率范围设置为f3～f4，A3发射声音信号的频率范围设置为f5～f6，A4发射声音信号的频率范围设置为f7～f8，所述TDOA定位方程如下：
Figure BDA0002630134210000054
Figure BDA0002630134210000055
Figure BDA0002630134210000056
Figure BDA0002630134210000057
Figure BDA0002630134210000058
Figure BDA0002630134210000059
其中，所述(x,y)为定位点坐标；(x1，y1)为基站1的坐标；(x2，y2)为基站2的坐标；(x3，y3)为基站3的坐标；(x4，y4)为基站4的坐标；t1、t2、t3、t4分别为基站1、基站2、基站3和基站4的信号到达终端的时间；v1、v2、v3、v4、v5、v6为基站发出的不同频率的声音信号的传播速度。
则终端接收到A1的发射信号时，所述带通滤波器的边频点为f1～f2，中心频率为(f1+f2)/2；终端接收到A2的发射信号时，所述带通滤波器的边频点为f3～f4，中心频率为(f3+f4)/2；终端接收到A3的发射信号时，所述带通滤波器的边频点为f5～f6，中心频率为(f5+f6)/2；终端接收到A4的发射信号时，所述带通滤波器的边频点为f7～f8，中心频率为(f7+f8)/2。
在本发明中，按照上述步骤，进行定位之前，所有基站通过有线或者超宽带的方式进行同步，然后各自发出一定频率的声音信号给终端，优选的，所发出的声音信号频率各不相同，避免同频干扰；终端接收到信号后，纪录不同基站发出的声音信号到达基站的时间，并经过带通滤波器的处理后，终端通过TDOA定位方程实现进行定位，而优选的，单扬声器基站的数量不少于3个，本发明中分别给出了基站数量为3个和4个时相应的TDOA定位方程以及带通滤波器的频率，本发明采用频分复用技术，声音定位基站只需要单扬声器发射信号，避免了麦克风阵列的复杂设计。
当然，本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形和替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种基于TDOA的声音定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、若干个单扬声器基站进行同步；
S2、不同的单扬声器基站同时发射不同频率的声音信号；
S3、终端上的带通滤波器根据不同频率的接收信号调节滤波参数以滤出不同频率的信号；
S4、终端接收单扬声器基站发射的声音信号，并计算出不同单扬声器基站发射的声音信号到达的时间，通过TDOA定位方程计算出终端的定位点。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的声音定位方法，其特征在于：所述单扬声器基站同步的方式包括有线或超宽带。
3.根据权利要求2所述的一种基于TDOA的声音定位方法，其特征在于：所述有线同步方式包括同轴电缆、双绞线或光纤。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的声音定位方法，其特征在于：不同的单扬声器基站发射声音信号的频率范围为fN～fM(N<M)，带通滤波器的边频点对应为fN～fM，中心频率为(fN+fM)/2。
5.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的声音定位方法，其特征在于：所述单扬声器基站的数量不少于3个。
6.根据权利要求5所述的一种基于TDOA的声音定位方法，其特征在于，当单扬声器基站数量为3个时，所述TDOA定位方程如下：
Figure FDA0002630134200000011
Figure FDA0002630134200000021
Figure FDA0002630134200000022
其中，所述(x,y)为定位点坐标；(x1，y1)为基站1的坐标；(x2，y2)为基站2的坐标；(x3，y3)为基站3的坐标；t1、t2、t3分别为基站1、基站2和基站3的信号到达终端的时间；v1、v2、v3为基站发出的不同频率的声音信号的传播速度。
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