CN112346016B - 一种水中人员的定位方法和可穿戴设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种水中人员的定位方法和可穿戴智能设备。该方法包括：基于布置在水中人员所穿戴的可穿戴设备上的第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在游泳空间内布设的N个声音源中的每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定所述可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度，其中N大于等于2；基于N个相对角度的各自延长线，定位所述水中人员；发送所述水中人员的定位结果。本发明可以基于相对角度计算实现水中定位方案，提高水中人员的安全性。

Description

一种水中人员的定位方法和可穿戴设备
技术领域
本发明实施方式涉及定位技术领域，更具体地，涉及一种水中人员的定位方法和可穿戴智能设备。
背景技术
世界卫生组织曾认定游泳是“世界上最好的运动之一”，能够强身健体、放松身心，因此越来越多的人喜欢从事水下运动，学习游泳、参加游泳活动。但是，由于水中运动的体力消耗十分巨大，因此会产生一系列的安全问题，如发生抽搐或憋气窒息，或身体不适但坚持水下运动等很可能造成难以挽回的悲剧。
目前，对水中人员的溺水监测大都是依靠救护人员，通过肉眼观察来确定，还没有完善的科学设备和手段，提供给救护人员及时而有效的溺水信息，比如是否有人溺水以及溺水者正确位置等，导致溺水者溺水时间过久而延误抢救时间。
发明内容
本发明实施方式提出一种水中人员的定位方法和可穿戴智能设备。
本发明实施方式的技术方案如下：
一种水中人员的定位方法，该方法包括：基于布置在水中人员所穿戴的可穿戴设备上的第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在游泳空间内布设的N个声音源中的每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定所述可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度，其中N大于等于2；基于N个相对角度的各自延长线，定位所述水中人员；发送所述水中人员的定位结果。
在一个实施方式中，所述N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源，且所述可穿戴设备与第一声音源的相对角度与所述可穿戴设备与第二声音源的相对角度之和不等于180度。
在一个实施方式中，所述N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源；所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述水中人员包括：当所述可穿戴设备与第一声音源的相对角度的延长线和所述可穿戴设备与第二声音源的相对角度的延长线重合时，基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在所述游泳空间内布设的第三声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定所述可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度，其中该第三声音源、第一声音源和第二声音源不在同一条直线上；基于第一声音源的布置位置点和第二声音源的布置位置点确定第一直线；基于所述可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度的延长线与该第一直线的交点，定位所述水中人员。
在一个实施方式中，所述N大于等于3，所述N个声音源和可穿戴设备不在同一条直线上；所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述可穿戴设备包括：基于直达声音信号的信噪比从大到小顺序，确定出三个相对角度；基于所述三个相对角度的各自延长线的交点，定位所述可穿戴设备。
在一个实施方式中，所述确定可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度包括：对于每个声音源：基于确定θ；其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为第一声音检测模块和第二声音检测模块针对该每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定可穿戴设备与该每个声音源之间的相对角度/>其中/>
在一个实施方式中，还包括：当确定所述水中人员的位置在预定时间内没有发生变化或所述水中人员的位置处于预定的危险区域时，发出报警信息。
一种可穿戴设备，包括：第一声音检测模块；第二声音检测模块；处理器，被配置用于：基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在游泳空间内布设的N个声音源中的每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度，其中N大于等于2；基于N个相对角度的各自延长线，定位穿戴所述可穿戴设备的水中人员；发送所述水中人员的定位结果。
在一个实施方式中，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源，且可穿戴设备与第一声音源的相对角度与可穿戴设备与第二声音源的相对角度之和不等于180度。
在一个实施方式中，所述N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源；处理器，被配置用于：当可穿戴设备与第一声音源的相对角度的延长线和可穿戴设备与第二声音源的相对角度的延长线重合时，基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在所述游泳空间内布设的第三声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度，其中该第三声音源、第一声音源和第二声音源不在同一条直线上；基于第一声音源的布置位置点和第二声音源的布置位置点确定第一直线；基于可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度的延长线与该第一直线的交点，定位所述水中人员。
在一个实施方式中，所述N大于等于3，所述N个声音源和可穿戴设备不在同一条直线上；处理器，被配置用于：基于直达声音信号的信噪比从大到小顺序，确定出三个相对角度；基于所述三个相对角度的各自延长线的交点，定位所述水中人员。
在一个实施方式中，处理器，被配置用于：当确定所述水中人员的位置在预定时间内没有发生变化或所述水中人员的位置处于预定的危险区域时，发出报警信息。
在一个实施方式中，所述可穿戴设备包括智能手表、智能泳镜、智能手环、智能脚环或智能背心。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的水中人员的定位方法。
从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，利用作为弹性波的声波在水中传播具有损耗小、传播距离较远的优点，对于游泳池、海边等水下场景，准确获取水中人员的高精度位置信息，实现一种成本低廉、使用方便的水中人员精准定位。
附图说明
图1为本发明智能设备间的相对角度确定方法的示范性流程图。
图2为本发明智能设备间相对角度确定的原理示意图。
图3为本发明智能设备间相对角度的计算原理图。
图4为本发明确定一对直达信号的第一示范性示意图。
图5为本发明确定一对直达信号的第二示范性示意图。
图6为本发明的第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的第一示范性布置示意图。
图7为本发明的第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的第二示范性布置示意图。
图8为本发明第一智能设备和第二智能设备的相对定位示意图。
图9为本发明在智能设备界面中展示相对角度的示意图。
图10为本发明室内定位方法的示范性处理流程图。
图11为本发明智能设备的定位方法的流程图。
图12为本发明定位智能设备的示意图。
图13为本发明定位智能设备的示范性示意图。
图14为本发明水中人员的定位方法的流程图。
图15为本发明水中人员的定位示意图。
图16为本发明实施方式的可穿戴设备的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
为不额外添加硬件地、利用软件实现智能设备间相对方向定位，使得该相对定位具备普适性，不同厂家的设备都能实现互操作和互兼容，并基于此探索智能设备的创新应用，本发明实施方式提出一种基于声音(优选为超声)的智能设备间相对方向识别方案，无需额外添加硬件，可以利用软件实现两台智能设备间的相对方向识别，定位结果准确且可靠。首先，智能设备(intelligent device)是指任何一种具有计算处理能力的设备、器械或者机器。
图1为本发明智能设备间的相对角度确定方法的示范性流程图。该方法适用于第一智能设备，第一智能设备包括第一声音检测模块和第二声音检测模块。第一声音检测模块和第二声音检测模块在第一智能设备中被固定安装。比如，第一声音检测模块可以实施为布置在第一智能设备中的一个麦克风或一组麦克风阵列。同样地，第二声音检测模块可以实施为布置在第一智能设备中的、不同于第一声音检测模块的一个麦克风或一组麦克风阵列。
如图1所示，该方法包括：
步骤101：使能第一声音检测模块检测第二智能设备发出并直达第一声音检测模块的第一声音信号，使能第二声音检测模块检测第二智能设备发出并直达第二声音检测模块的第二声音信号，其中第一声音信号和第二声音信号为第二智能设备同时发出的。
在这里，第二智能设备可以发出一个声音信号或同时发出多个声音信号。
比如：当第二智能设备发出一个声音信号时，第二智能设备中的第一声音检测模块和第二声音检测模块分别检测该声音信号。其中：第一声音检测模块检测到的、该声音信号直达第一声音检测模块的检测信号被确定为第一声音信号；第二声音检测模块检测到的、该声音信号直达第一声音检测模块的检测信号，被确定为第二声音信号。
再比如，当第二智能设备同时发出多个声音信号时，比如发出一个超声波信号，一个可听声音信号。第二智能设备中的第一声音检测模块适配于检测超声波信号，第二声音检测模块适配于检测可听声音信号。第一声音检测模块检测该超声波信号，第二声音检测模块该可听声音信号。其中：第一声音检测模块检测到的、该超声波信号直达第一声音检测模块的检测信号被确定为第一声音信号；第二声音检测模块检测到的、该可听声音信号直达第二声音检测模块的检测信号，被确定为第二声音信号。
换句话说，第一声音信号和第二声音信号，可以为第一声音检测模块和第二声音检测模块针对第二智能设备发出的同一声音信号的分别检测信号。或，第一声音信号和第二声音信号，可以为第一声音检测模块和第二声音检测模块针对第二智能设备同时发出的不同声音信号的分别检测信号。
步骤102：确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差。
在这里，第一智能设备(比如，第一智能设备中的CPU)可以记录第一声音信号的接收时刻以及第二声音信号的接收时刻，并计算这两者之间的时间差。
步骤103：基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及时间差，确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度。
比如，可以由第一智能设备的CPU执行步骤103。
在一个实施方式中，步骤103中确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度包括：基于确定θ；其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度/>其中/>其中，步骤102中确定出的时间差的值可以为正数，也可以为负数。当所述时间差的值为正数时，第二声音信号的接收时刻早于第一声音信号的接收时刻，因此第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度φ通常为锐角；当时间差的值为负数时，第一声音信号的接收时刻早于第二声音信号的接收时刻，因此第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度φ通常为钝角。
在本发明实施方式中，第一声音信号为自第二智能设备直达第一声音检测模块的信号，第二声音信号为自第二智能设备直达第二声音检测模块的信号。实际上，无论是第一声音检测模块还是第二声音检测模块，都可能收到自第二智能设备发出且非直达的信号(比如，经过障碍物的一次反射或多次发射)。因此，如何从接收到的多个信号中确定出直达信号具有显著意义。
申请人发现：通常情况下，每个声音检测模块的接收信号流(steam)都包含直达信道与反射信道。可以依据如下原则简单且便利地确定直达信道：在声音检测模块检测到的所有信号中，直达信道的信号强度一般是最强的。因此，在一个实施方式中，该方法还包括：将第一声音检测模块接收第二智能设备的声音信号流中的、在预定时间窗口内强度大于预定门限值的声音信号，确定为所述第一声音信号；将第二声音检测模块接收第二智能设备的声音信号流中的、在所述预定时间窗口内强度大于所述预定门限值的声音信号，确定为所述第二声音信号。
图4为本发明确定一对直达信号的第一示范性示意图。在图4中，第一声音检测模块检测到的声音信号流为steam1，steam1包含沿着时间(t)变化的多个脉冲信号，预定信号强度的门限值为T。可见，在时间窗口90的范围内，steam1中的脉冲信号50的信号强度大于门限值T。第二声音检测模块检测到的声音信号流为steam2，steam2包含沿着时间(t)变化的多个脉冲信号，预定信号强度的门限值同样为T。可见，在时间窗口90的范围内，steam2中的脉冲信号60的信号强度大于门限值T。因此，确定脉冲信号50为第一声音信号；脉冲信号60为第二声音信号。
另外，申请人还发现：可以综合考虑以下两个原则准确地确定直达信道：原则(1)、在声音检测模块检测到的所有信号中，直达信道的信号强度一般是最强的；原则(2)、联合判别法：两条直达信道信号(第一声音信号和第二声音信号)的到达时间差所换算出的距离差d不应大于第一声音检测模块和第二声音检测模块之间的距离。
因此，在一个实施方式中，该方法还包括：在第一声音检测模块检测第二智能设备的声音信号流中确定出强度大于预定门限值的声音信号，以形成第一候选信号集；在第二声音检测模块检测第二智能设备的声音信号流中确定出强度大于所述预定门限值的声音信号，以形成第二候选信号集；确定第一候选信号集中的每个声音信号的接收时刻与第二候选信号集中的每个声音信号的接收时刻之间的各自的时间差；将所述时间差小于M的一对声音信号，确定为所述第一声音信号和所述第二声音信号，其中M＝(D/c),D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离，c为声音的传播速度。
图5为本发明确定一对直达信号的第二示范性示意图。在图5中，第一声音检测模块检测到的声音信号流为steam1，steam1包含沿着时间(t)变化的多个脉冲信号，预定信号强度的门限值为T。可见，在steam1中，脉冲信号50的信号强度大于门限值T，因此第一候选信号集包含脉冲信号50。第二声音检测模块检测到的声音信号流为steam2，steam1包含沿着时间(t)变化的多个脉冲信号，预定信号强度的门限值同样为T。可见，在steam2中，脉冲信号60和脉冲信号70的信号强度都大于门限值T，因此第二候选信号集包含脉冲信号60和脉冲信号70。而且，确定第一候选信号集中的脉冲信号50与第二候选信号集中的脉冲信号60的接收时刻之间的时间差d1，以及确定第一候选信号集中的脉冲信号50与第二候选信号集中的脉冲信号70的接收时刻之间的时间差d2。假定d1小于M，d2大于M，其中M＝(D/c)，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离，c为声音的传播速度。因此，将与d1相关的一对声音信号中的脉冲信号50确定为第一声音信号，且该对声音信号中的脉冲信号60确定为第二声音信号。
优选地，第一声音信号和第二声音信号为具有码分多址格式的超声波且包含第二智能设备的媒体访问控制地址(MAC)。因此，第一智能设备可以基于包含在声音信号中的第二智能设备的MAC地址，准确识别声音信号的来源。当环境中存在多个发出声音信号的声源时，第一智能设备基于提取声音信号中的MAC地址，可以准确利用来自于同一声源的两个直达信号确定与该声源的相对角度，而不会受到其它声源的干扰。
本发明实施方式还提出了一种智能设备间的相对角度确定方法。该方法适用于第一智能设备，所述第一智能设备包括第一声音检测模块和第二声音检测模块，该方法包括：确定第二智能设备发出的超声波信号直达第一声音检测模块的第一时刻；确定超声波信号直达第二声音检测模块的第二时刻；确定第一时刻与第二时刻之间的时间差；基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及时间差，确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度。
在一个实施方式中，所述确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度包括：基于确定θ；其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度/>其中/>
在一个实施方式中，该方法还包括下列处理中的至少一个：
(1)、将第一声音检测模块接收第二智能设备的超声波信号流中的、在预定时间窗口内强度大于预定门限值的超声波信号，确定为直达第一声音检测模块的超声波信号，将接收到该直达第一声音检测模块的超声波信号的时刻确定为所述第一时刻；将第二声音检测模块接收第二智能设备的超声波信号流中的、在所述预定时间窗口内强度大于所述预定门限值的超声波信号，确定为直达第二声音检测模块的超声波信号，将接收到该直达第二声音检测模块的超声波信号的时刻确定为所述第二时刻。
(2)、在第一声音检测模块检测第二智能设备的超声波信号流中确定出强度大于预定门限值的超声波信号，以形成第一候选信号集；在第二声音检测模块检测第二智能设备的超声波信号流中确定出强度大于所述预定门限值的超声波信号，以形成第二候选信号集；确定第一候选信号集中的每个超声波信号的接收时刻与第二候选信号集中的每个超声波信号的接收时刻之间的各自的时间差；将所述时间差小于M的一对超声波信号的接收时刻，确定为所述第一时刻和第二时刻，其中M＝(D/c),D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离，c为声音的传播速度。
下面对本发明的相对定位的原理和计算过程进行示范性说明。图2为本发明智能设备间相对角度确定的原理示意图。图3为本发明智能设备间相对角度的计算原理图。
如图2所示，布置在智能设备A底部的麦克风a1发射超声信号，该超声信号包含智能设备A的MAC地址，智能设备B(图2中没有示出)具有相隔布置的两个麦克风，分别为麦克风b1和麦克风b2。其中：麦克风b1接收该超声信号的直达信号L1，麦克风b2接收该超声信号的直达信号L2。该超声信号经过障碍物发射后到达麦克风b1和麦克风b2的非直达信号，不参与后续的相对角度计算。
由于智能设备较小，特别是两台智能设备相距较远时，因此直达信号L1、L2可以视为平行线。如图3所示，L1、L2分别表示智能设备B的麦克风b1、麦克风b2接收到的直达信号(不是经障碍物反射的信号)；D为麦克风b1和麦克风b2之间的距离。比如，如果麦克风b1和麦克风b2分别布置在智能设备B的上下两端，那么D可以为智能设备B的长度；d为L1和L2的距离差，运用信号的相关算法可以确定直达信号L1相对于直达信号L2的延迟时间差t，可以基于延迟时间差t计算出d，其中d＝t*c,c为声音在介质(比如空气)中的传播速度；θ为辅助角度，其中因此，可以计算出智能设备A与智能设备B的相对角度/>其中/>
优选地，智能设备A与智能设备B可以实施为下列中的至少一个：智能手机；平板电脑；智能手表；智能手环；智能音箱；智能电视；智能耳机；智能机器人，等等。可以在智能设备的多个位置处布置第一声音检测模块和第二声音检测模块。
图6为本发明的第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的第一示范性布置示意图。在图6中，第一声音检测模块18和第二声音检测模块19分别布置在智能设备在长度方向上的两端，因此可以直接将智能设备的长度D确定为第一声音检测模块18和第二声音检测模块19之间的距离。图7为本发明的第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的第二示范性布置示意图。在图7中，第一声音检测模块18和第二声音检测模块19分别布置在智能设备在宽度方向上的两端，因此可以直接将智能设备的宽度D确定为第一声音检测模块18和第二声音检测模块19之间的距离。
以上示范性描述了第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的布置示意图，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于限定本发明实施方式的保护范围。
实际上，目前智能设备通常都具有两组麦克风，可以将这两组麦克风作为第一声音检测模块和第二声音检测模块应用在本发明实施方式中，而无需在硬件上改动智能设备。下面描述基于本发明实施方式利用超声计算智能设备间的相对角度的典型实例。
图8为本发明第一智能设备和第二智能设备的相对定位示意图。图10为本发明智能设备间相对定位的示范性处理流程图。在图7中，示意出检测声音信号的两组合麦克风的各自的处理路径，其中，模/数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)是将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件；带通滤波器(band-pass filter，BPF)是允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。基于超声的两台智能设备间相对方向识别步骤包括：
第一步：第一智能设备发射超声格式的定位信号，该定位信号包含智能设备1的Mac地址。第二步：第二智能设备的两组麦克风分别检测定位信号，从各自检测到的定位信号中解析出Mac地址，并基于Mac地址确认各自检测到的定位信号源自同一声源。第三步：第二智能设备基于自身所包含的两组麦克风分别检测出的、针对定位信号的两个直达信号之间的时间差计算出这两个直达信号的距离差d。第四步：第二智能设备计算则信号入射角度/> 即为第一智能设备与第二智能设备的相对角度，其中D为第二智能设备中这两组麦克风的距离。第五步：第二智能设备在自身的显示界面上显示相对角度/>从而提示用户第一智能设备的相对方向。比如，图9为本发明在智能设备界面中展示相对角度的示意图。
举例说明，假定在图8所示的环境中，第一智能设备具体实施为智能音箱，第一智能设备具体实施为智能手机。步骤一：该智能音箱发射超声信号，该超声信号包含智能音箱的Mac地址，且为基于CDMA码分多址技术架构的信号。步骤二：智能手机的两组麦克风阵列接收超声信号并解算出智能音箱的Mac地址，同时，智能手机解算出两组麦克风阵列的两个直达信号之间的距离差d。其中：假定两组克风阵列的各自接收信号流stream1和stream2中，分别存在信号强度峰值大于门限值T的直达信号，因此满足原则1；再假定这两个直达信号的到达时间差计算对应于该Δt的d，其中/>两组麦克风距离D为已知(即手机长度)，假定为0.145m，可见d＜D，因此满足原则2。因此，可以选定这两个直达信号计算相对角度，其中d＝0.014(m)。步骤三：智能手机计算那么信号入射角度/>智能手机在自己的显示屏幕上显示角度84.4°，即智能音箱在智能手机的84.4°方向。
利用两个智能设备间相对方向的识别方法，可进一步获得两个智能设备间的相对距离。设想如下场景：有至少两个智能设备，其中，至少一个智能设备a，用于发射超声定位信号，该超声定位信号包含智能设备a的MAC地址；至少一个智能设备b，用于接收超声定位信号并解算信号入射角度，并在进一步发生移动后计算与智能设备a的相对距离。
为了满足在小空间应用场景里，需要控制成本、快速布设、使用移动终端即实现室内人员精准定位的需求，本发明还提出了一种小空间简易布设的室内定位方法和系统。室内定位系统包括布置在室内且作为声音源的多个智能设备以及用于接收声音的被定位移动终端。每个声音源具有各自的布置位置，用于发送声音格式的(优选为超声)定位信号，该信号包含智能设备的MAC地址。
被定位移动终端接收并解算各个直达的定位信号的入射角度，从而获得请求定位用户的相对位置，并将该相对位置对应到云端室内地图中，实现一个室内环境中各个请求定位用户位置共享。
具体地，基于上述关于相对角度的详细计算过程描述，本发明实施方式还提出了基于相对角度的智能设备的定位方法。
图11为本发明智能设备的方法的流程图。该方法包括：
步骤1101：基于布置在智能设备上的第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在预定空间内布设的N个声音源中的每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定智能设备与每个声音源之间的相对角度，其中N大于等于2。
在这里，声音源优选布置在空间中的墙壁边。在这里，对于每个声音源：基于确定θ；其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为第一声音检测模块和第二声音检测模块针对该每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定智能设备与该每个声音源之间的相对角度/>其中/>因此，可以基于上述计算过程，确定出智能设备与每个声音源之间的相对角度，即可以确定出N个相对角度。
步骤1102：基于N个相对角度的各自延长线，定位所述智能设备。
图12为本发明定位智能设备的示意图。由图12可见，智能设备与声音源a1的相对角度为智能设备与声音源a2的相对角度为/>可以从声音源a1开始，沿着相对角度的方向作出延长线(在空间上，相当于作出延伸面)，而且从声音源a2开始，沿着相对角度/>的方向作出延长线(在空间上，相当于作出延伸面)，这两条延长线的交点即为智能设备的位置，从而可以精确定位出智能设备。在一个实施方式中，N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源，且智能设备与第一声音源的相对角度与智能设备与第二声音源的相对角度之和不等于180度。在一个实施方式中，N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源；所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述智能设备包括：当智能设备与第一声音源的相对角度的延长线和智能设备与第二声音源的相对角度的延长线重合时，基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在所述室内空间内布设的第三声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定智能设备与第三个声音源之间的相对角度，其中该第三声音源、第一声音源和第二声音源不在同一条直线上；基于第一声音源的布置位置点和第二声音源的布置位置点确定第一直线；基于智能设备与第三个声音源之间的相对角度的延长线与该第一直线的交点，定位所述智能设备。
可见，本发明实施方式可以基于三个不位于同一直线的声音源，实现无盲点的定位。另外，由于超声波穿透力较弱，当室内形状出现不规则转角时，需添加额外的智能设备(即，室内总共至少为4个声音源)，此时，需要被定位的智能设备可能处于多个超声定位信号重叠区域内，那么，需要被定位的智能设备在解析各个声音源的MAC地址时，可以计算出接收到的各自超声定位信号的信噪比，并选择信噪比较大的三个超声定位信号计算自身的相对位置。
在一个实施方式中，N大于等于3，所述N个声音源和智能设备不在同一条直线上；所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述智能设备包括：基于直达声音信号的信噪比从大到小顺序，确定出三个相对角度；基于所述三个相对角度的各自延长线的交点，定位所述智能设备。其中：可以从这三个相对角度中选择任意两个相对角度，并基于选中的两个相对角度的各自延长线的交点，定位所述智能设备。
图13为本发明定位智能设备的示范性示意图。假定N等于4，因此将四台智能设备a1、a2、a3和a4非线性的布设于墙边，智能设备a1、a2、a3和a4分别发射超声定位信号，该超声定位信号包含各自智能设备的MAC地址，为基于CDMA码分多址技术架构的信号。假定需要被定位的智能设备b为手机，手机的布设和人员的位置如图13所示。
在云端导入室内地图，其中分别设置智能设备a1、a2、a3和a4的相对坐标。如图13所示建立坐标系，用户手持包含两个声音检测模块的智能设备b，接收智能设备a1、a2、a3和a4发送的直达超声定位信号，智能设备b基于CDMA技术解析各个超声定位信号的MAC地址并计算各自信噪比SNR，选择SNR最大的三个超声定位信号，假定为智能设备a1、a2和a3。智能设备b利用这两个声音检测模块接收智能设备a1发送的直达超声定位信号的时间差，解算出智能设备b与智能设备a1之间的相对角度类似地，智能设备b计算出与智能设备a2之间的相对角度/>以及与智能设备a3之间的相对角度/>而且，智能设备b根据智能设备a1、a2、a3的位置计算得到智能设备b的相对坐标。
比如，从智能设备a1开始，沿着相对角度作出延长线，而且从智能设备a2开始，沿着相对角度/>作出延长线，这两条延长线的交点即为智能设备b的位置，从而可以定位出智能设备b。由于可以基于各自的安装位置确定智能设备a1和智能设备a2在室内的相对坐标，因此可以确定出智能设备b的相对坐标。
再比如，可以从智能设备a2开始，沿着相对角度作出延长线，而且从智能设备a3开始，沿着相对角度/>作出延长线，这两条延长线的交点即为智能设备b的位置，从而可以定位出智能设备b。由于可以基于各自的安装位置确定智能设备a2和智能设备a3在室内的相对坐标，因此可以确定出智能设备b的相对坐标。
然后，智能设备b将自身的相对坐标发送到云端，云端将该相对坐标对应到室内地图中，并将该相对地图共享给室内环境中智能设备b。云端根据智能设备b当前位置信息，可选择开启室内的摄像头，云端则可以根据智能设备b的当前位置信息调用摄像头软件的开放接口，摄像头随着智能设备b的移动而转动，实现实时视频追踪。
基于上述描述，本发明实施方式还提出了一种水中人员的定位方案。图14为本发明水中人员的定位方法的流程图。图14所示方式可以由水中人员所穿戴的可穿戴设备具体执行。如图14所示，该方法包括：
步骤1401：基于布置在水中人员所穿戴的可穿戴设备上的第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在游泳空间内布设的N个声音源中的每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定所述可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度，其中N大于等于2。
步骤1402：基于可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度(即一共N个相对角度)的各自延长线，定位所述水中人员。
步骤1403：发送所述水中人员的定位结果。
比如，可穿戴设备可以基于蓝牙、红外、超声波、紫峰、4G、5G等通讯方式，向预定的信息接收设备(比如，监控室内的显示终端、泳池边的救护人员的手持终端)或云端发送水中人员的定位结果。
在一个实施方式中，N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源，且所述可穿戴设备与第一声音源的相对角度与所述可穿戴设备与第二声音源的相对角度之和不等于180度。在一个实施方式中，所述N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源；所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述水中人员包括：当所述可穿戴设备与第一声音源的相对角度的延长线和所述可穿戴设备与第二声音源的相对角度的延长线重合时，基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在所述游泳空间内布设的第三声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定所述可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度，其中该第三声音源、第一声音源和第二声音源不在同一条直线上；基于第一声音源的布置位置点和第二声音源的布置位置点确定第一直线；基于所述可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度的延长线与该第一直线的交点，定位所述水中人员。
在一个实施方式中，所述N大于等于3，所述N个声音源和可穿戴设备不在同一条直线上；所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述可穿戴设备包括：基于直达声音信号的信噪比从大到小顺序，确定出三个相对角度；基于所述三个相对角度的各自延长线的交点，定位所述可穿戴设备。
在一个实施方式中，所述确定可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度包括：对于每个声音源：基于确定θ；其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为第一声音检测模块和第二声音检测模块针对该每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定可穿戴设备与该每个声音源之间的相对角度/>其中/>
在一个实施方式中，该方法还包括：当确定所述水中人员的位置在预定时间内没有发生变化或所述水中人员的位置处于预定的危险区域时，发出报警信息。因此，可以提高水中人员的安全性。
可见，本发明实施方式提出一种基于水中人员精准定位的安全监测系统，该系统硬件包括作为声源的声音信号发射器和可穿戴式智能设备。声音信号发射器可以包括喇叭、主控芯片、数模转换模块、功率放大模块、通信模块及电源模块，用于发送声音定位信号，该声音定位信号包含定位信息和声音信号发射器的唯一标识符比如编号等。可穿戴式智能设备可以包括麦克风、独立AP及处理模块，比如实施为智能手环、智能脚环、智能耳机、智能眼镜等，用于接收并解算各个声音定位信号的唯一标识符和入射角度，从而获得可穿戴设备即水中人员的相对位置，并可以将该相对位置对应到云端地图中，实现一个水域中各个游泳人员的位置共享。具体的实施方案包括：至少三个声音信号发射器按非线性要求布设于泳池壁上、或海边浮球上等，用于发射声音定位信号，每个声音信号发射器所发射的声音定位信号包含有自身的唯一标识符。优选地，使用频率高、衰减少的超声波，可以大幅提高声音定位信号在水中的传播距离，进而，相邻声音信号发射器距离可为几十米远。关于非线性布设，就是三个声音信号接收模块的位置不在一条直线上，其中如果共线的话，则存在定位盲点。云端管理各个声音信号发射器的唯一标识符和相对坐标，导入地图，共享水域中各个声音信号发射器的相对坐标。可穿戴式设备接收各个声音定位信号，比如可以基于CDMA技术和到达角度(Angle ofArrival，AOA)定位算法解算各个声音信号发射器的唯一标识符和信号入射角度，并通过角度延长线相交计算可穿戴式设备即水中人员的相对位置。将该相对位置对应到云端地图中，管理水中各个水中人员的位置信息。
图15为本发明水中人员的定位示意图。假设游泳人员需要在如图15所示的游泳池实现水下定位需求，假定用可穿戴设备中的上麦克风接收到直达定位信号的时间减去可穿戴设备中的下麦克风接收到直达定位信号的时间。具体实现方案包括：步骤一：将至少三个声音信号发射器按非线性布设于泳池壁上，用于发射声音定位信号，该声音定位信号包含声音信号发射器的唯一标识符，为基于CDMA码分多址技术架构的信号。步骤二：在云端导入水域地图，对应各个声音信号发射器的唯一标识符，设置各个声音信号发射器在游泳池里的相对坐标。步骤三：游泳人员佩戴的可穿戴设备接收声音定位信号，可穿戴设备基于CDMA技术解析各个声音定位信号的唯一标识符并计算各自信噪比SNR，选择SNR最大的三个声音定位信号，假定为声音信号发射器1、声音信号发射器2和声音信号发射器3。并应用如图1所示的智能设备的相对角度定位方法解算出信号入射角度并根据声音信号发射器1、声音信号发射器2和声音信号发射器3的相对坐标，通过最小二乘法获得可穿戴设备的相对坐标，即游泳人员最优解的相对坐标。步骤四：可穿戴设备将该相对坐标发送到云端，云端将该相对坐标对应到环境地图中，特别是游泳池的地图，并共享给游泳人员佩戴的可穿戴设备。步骤五：云端根据可穿戴设备的实时位置信息，可获知游泳人员任意段速度、游泳轨迹等运动状态。进一步地，若游泳人员的水中位置信息长时间未变化，很可能发生了溺水事件，可穿戴式智能设备自动报警，及时呼叫救护人员、并提供溺水者的精准位置信息。
下面描述完整的定位计算实例的实现过程。该实现过程包括：
步骤一：将至少三个声音信号发射器按非线性布设于泳池壁上，用于发射声音定位信号，该声音定位信号包含声音信号发射器的唯一标识符，具体为基于CDMA码分多址技术架构的信号。假定可穿戴式智能设备为智能手表，声音信号发射器的布设和游泳儿童的位置如图15所示。
步骤二：在云端导入水域地图，对应各个声音信号发射器的唯一标识符，设置各个声音信号发射器在游泳池里的相对坐标。如图15所示建立坐标系，假定智能手表的坐标为(x，y)、声音信号发射器1的坐标为(706，0)、声音信号发射器2的坐标为(274，0)、声音信号发射器3的坐标为(423，517)。
步骤三：智能手表接收声音定位信号，基于CDMA技术解析各个声音定位信号的唯一标识符并计算各自信噪比SNR，选择SNR最大的三个声音定位信号，假定为声音信号发射器1、声音信号发射器2和声音信号发射器3。并应用智能设备的相对角度定位方法，解算出信号入射角度并根据声音信号发射器1、2、3的相对坐标，通过最小二乘法获得智能设备即游泳人员最优解的相对坐标。假定规定信号到达时间差始终是智能手表中的上麦克风的时间减去智能手表中的下麦克风的时间。智能手表的上下麦克风距离D为0.042m。
ddir＝d1≈-0.042(m)，
ddir＝d2≈0.042(m)，
ddir＝d3≈0.006(m)，
(x,y)＝(498.4,0)。
步骤四：智能手表将该相对坐标发送到云端，云端将该相对坐标对应到环境地图中，特别是游泳池的地图，并共享给游泳人员佩戴的智能手表。
步骤五：云端根据智能手表的实时位置信息，可获知游泳人员任意段速度、游泳轨迹等运动状态。进一步地，若游泳人员的水中位置信息长时间未变化，很可能发生了溺水事件，智能手表自动向云端报警，及时呼叫救护人员、并提供溺水者的精准位置信息。
可见，对于游泳池、海边等小型水下场景，本发明只需在泳池壁、海边浮球等简易、快速地布设极少数量的硬件设备，游泳人员使用现有的智能设备即可获得高精度的位置信息，实现一种成本低廉、使用方便的水下人员精准定位系统。而且，基于游泳人员高精度的实时位置，可获知其任意段速度、游泳轨迹等运动状态。对于游泳运动员，很有可能利用上述数据挖掘出可提高竞技成绩的点。另外，基于游泳人员高精度的实时位置，若游泳人员的水中位置信息长时间未变化，很可能发生了溺水事件，可穿戴式智能设备自动报警，及时呼叫救护人员、并提供溺水者的精准位置信息，争取抢救时间，监测游泳人员的安全，降低场地管理的风险。近些年溺水死亡事件频出，特别是儿童游泳安全问题，溺水窒息已经成为头号杀手。本发明可在儿童手表的生命体征监测数据之外，无需硬件改造，使用软件即可加上实时位置数据，进一步保障儿童安全。
本发明实施方式还提出了一种可穿戴设备。图16为本发明实施方式的可穿戴设备的结构图。如图16所示，可穿戴设备，包括：第一声音检测模块；第二声音检测模块；处理器，被配置用于：基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在游泳空间内布设的N个声音源中的每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度，其中N大于等于2；基于N个相对角度的各自延长线，定位穿戴所述可穿戴设备的水中人员；发送所述水中人员的定位结果。
在一个实施方式中，所述N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源，且可穿戴设备与第一声音源的相对角度与可穿戴设备与第二声音源的相对角度之和不等于180度。在一个实施方式中，所述N等于2，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源；处理器，被配置用于：当可穿戴设备与第一声音源的相对角度的延长线和可穿戴设备与第二声音源的相对角度的延长线重合时，基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在所述游泳空间内布设的第三声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度，其中该第三声音源、第一声音源和第二声音源不在同一条直线上；基于第一声音源的布置位置点和第二声音源的布置位置点确定第一直线；基于可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度的延长线与该第一直线的交点，定位所述水中人员。
在一个实施方式中，所述N大于等于3，所述N个声音源和可穿戴设备不在同一条直线上；处理器，被配置用于：基于直达声音信号的信噪比从大到小顺序，确定出三个相对角度；基于所述三个相对角度的各自延长线的交点，定位所述水中人员。
在一个实施方式中，处理器，被配置用于：当确定所述水中人员的位置在预定时间内没有发生变化或所述水中人员的位置处于预定的危险区域时，发出报警信息。
在一个实施方式中，所述可穿戴设备包括智能手表、智能泳镜、智能手环、智能脚环或智能背心，等等。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明上述各实施例中实现的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，所述的计算机可读存储介质，如只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (11)

1.一种水中人员的定位方法，其特征在于，该方法包括：
基于布置在水中人员所穿戴的可穿戴设备上的第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在游泳空间内布设的N个声音源中的每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定所述可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度，其中N大于等于2；
基于N个相对角度的各自延长线，定位所述水中人员；
发送所述水中人员的定位结果；
当所述N等于2时，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源；所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述水中人员包括：当所述可穿戴设备与第一声音源的相对角度的延长线和所述可穿戴设备与第二声音源的相对角度的延长线重合时，基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在所述游泳空间内布设的第三声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定所述可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度，其中该第三声音源、第一声音源和第二声音源不在同一条直线上；基于第一声音源的布置位置点和第二声音源的布置位置点确定第一直线；基于所述可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度的延长线与该第一直线的交点，定位所述水中人员。
2.根据权利要求1所述的水中人员的定位方法，其特征在于，所述可穿戴设备与第一声音源的相对角度与所述可穿戴设备与第二声音源的相对角度之和不等于180度。
3.根据权利要求1所述的水中人员的定位方法，其特征在于，当所述N大于等于3时，所述N个声音源和可穿戴设备不在同一条直线上；
所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述可穿戴设备包括：
基于直达声音信号的信噪比从大到小顺序，确定出三个相对角度；
基于所述三个相对角度的各自延长线的交点，定位所述水中人员。
4.根据权利要求1所述的水中人员的定位方法，其特征在于，
所述确定可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度包括：
对于每个声音源：
基于确定θ；其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为第一声音检测模块和第二声音检测模块针对该每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定可穿戴设备与该每个声音源之间的相对角度/>其中/>
5.根据权利要求1-4中任一项所述的水中人员的定位方法，其特征在于，还包括：
当确定所述水中人员的位置在预定时间内没有发生变化或所述水中人员的位置处于预定的危险区域时，发出报警信息。
6.一种可穿戴设备，其特征在于，包括：
第一声音检测模块；
第二声音检测模块；
处理器，被配置用于：
基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在游泳空间内布设的N个声音源中的每个声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定可穿戴设备与每个声音源之间的相对角度，其中N大于等于2；基于N个相对角度的各自延长线，定位穿戴所述可穿戴设备的水中人员；发送所述水中人员的定位结果；
当所述N等于2时，所述N个声音源为第一声音源和第二声音源；所述基于N个相对角度的各自延长线，定位所述水中人员包括：当所述可穿戴设备与第一声音源的相对角度的延长线和所述可穿戴设备与第二声音源的相对角度的延长线重合时，基于第一声音检测模块和第二声音检测模块针对在所述游泳空间内布设的第三声音源所发送的直达声音信号的接收时间差，确定所述可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度，其中该第三声音源、第一声音源和第二声音源不在同一条直线上；基于第一声音源的布置位置点和第二声音源的布置位置点确定第一直线；基于所述可穿戴设备与第三个声音源之间的相对角度的延长线与该第一直线的交点，定位所述水中人员。
7.根据权利要求6所述的可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备与第一声音源的相对角度与可穿戴设备与第二声音源的相对角度之和不等于180度。
8.根据权利要求6所述的可穿戴设备，其特征在于，当所述N大于等于3时，所述N个声音源和可穿戴设备不在同一条直线上；
处理器，被配置用于：基于直达声音信号的信噪比从大到小顺序，确定出三个相对角度；基于所述三个相对角度的各自延长线的交点，定位所述水中人员。
9.根据权利要求6所述的可穿戴设备，其特征在于，
处理器，被配置用于：
当确定所述水中人员的位置在预定时间内没有发生变化或所述水中人员的位置处于预定的危险区域时，发出报警信息。
10.根据权利要求6所述的可穿戴设备，其特征在于，
所述可穿戴设备包括智能手表、智能泳镜、智能手环、智能脚环或智能背心。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的水中人员的定位方法。
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