CN112558052A - 基于mems麦克风传感器的智能手机单向toa测距系统 - Google Patents

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陈锐志
刘佐伢
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Abstract

本发明提供了一种基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，包括：声光联合发射基站和智能手机接收终端；其中，声光联合发射基站以固定的时间间隔和周期发射光信号和声信号；智能手机接收终端，无需增加额外设备设施，仅依靠内置单一MEMS麦克风传感器同时接收来至声光联合发射基站发射的光信号和声信号，并利用内嵌声光信号联合解调算法进行解码并记录采样时间，计算以得对应的TOA距离；参考信号的参数与声光联合发射基站发射的光信号和声信号的调制参数一致。

Description

基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统
技术领域
本发明涉及电子信息技术和室内定位和导航技术领域，特别是涉及基于智能手机的室内高精度定位系统；其中，TOA(Time of arrival，到达时间)测距技术作为定位系统的关键技术之一，当用户终端捕获到三个或三个以上有效TOA观测值，联合获取的基站坐标，即可解算得到用户终端的室内位置坐标信息。
背景技术
定位是位置服务、无人驾驶、智慧城市、物联网和车联网应用的核心技术之一。然而，与开放的室外空间相比，室内环境表现更加复杂，比如室内建筑的拓扑结构、空间布局、无规律分布的物体等，致使室内定位较室外复杂很多。随着IoT(Internet of Things，物联网)的发展，基于智能手机的室内定位导航技术的作用越来与重要，其需求也在稳步增长。然而，对于室内密闭空间，在不增加用户投资成本和改变用户使用习惯的条件下，找到一种普适的定位技术仍然是一个挑战。
与全球导航卫星定位系统(Global Navigation Satellite System)不同的是，室内环境和拓扑结构错综复杂，很难有一种有效的定位技术能满足所有场景应用。目前，用于室内定位系统的技术主要依赖射频信号，包括Wi-Fi信号、蓝牙信号和超宽带信号(UltraWide Band)，其中最具代表性的是基于蓝牙的信号的苹果iBeacon定位系统。除定位功能外，这些射频信号同时兼顾通信的功能。
在物联网、大数据和人工智能的驱动下，无线通信越来越成熟，应用范围越来越广，并催生了新的无线通信技术，比如基于Wi-Fi802.11mc协议的Round Trip Time(RTT)测距技术、5G定位技术和基于蓝牙5.1通信协议的AOA(Angle of Arrival)和AOD(Arrival ofDirection)的测角技术。
与基于RF(Radio Frequency，射频)信号的定位技术相比，基于声音信号到达时间(TOA)测量的室内定位技术，具有成本低、精度高、无电磁干扰等优点，已成为当前测距定位技术的主流。与射频信号相比，音频信号最突出的特点是：1)传播速度慢(约340米/秒)，发射基站成本低，易于集成。2)音频信号的传播距离远，是蓝牙和Wi-Fi信号的数10倍，可以大大降低定位系统布设成本。3)音频信号接收简单，接收设备具备麦克风即可，且目前市场流通的各种移动终端设备均已配备麦克风传感器，易于该项技术的大众推广。
基于音频定位技术，可在高铁车站、机场等室内公共环境中轻松实现定位导航服务。同时，目前市场上的商用智能手机均配备了麦克风传感器，这对于声音定位技术的推广和普及提供了先天的优势。
对于声音定位系统而言，稳定、高精度的TOA测距技术是这类系统的基础和核心之一，基于该项技术，利用最小二乘最优化解算或扩展卡尔曼解算，很容易得到终端用户的二维和三位坐标信息。
与基于声音指纹的方法相比，基于TOA估计的测距技术，具有更好的测距精度、实时性和系统扩展性。与基于TDOA估计(Time Difference of Arrival，信号达到时间差)的测距技术相比，TOA技术无需要定位信号源间保持严格的时间同步即可实现精确的单边绝对测距，其系统成本更低，系统鲁棒性更优，同时测距精度更高。与基于RTT(Round TripTime，往返时间差)，TOA技术只需单向传输即可实现绝对高精度测距，其测距时间消耗少，测距稳定性高。
对于智能手机而言，目前存在的TOA评估技术主要有2类：1)基于CMOS传感器和麦克风双传感器实现。其中，利用CMOS相机探测光信号实现TOA的测距触发，利用麦克风探测声信号实现TOA的测距，此类系统复杂性高，传感器间的时间同步性差，系统测距精度受开启APP数量和CPU协调能力影响严重。2)基于RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信号强度)的评估方法，利用电磁波在空间的传播衰减模型评估距离，此类系统复杂度低，但测距精度差，通常为米级，且受环境电磁信号影响严重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种一种基于单一MEMS(Micro-electromechanical Systems)麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，能适应大众智能手机，真正做到单向绝对测距。
根据本发明，提供了一种基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，包括：
声光联合发射基站和智能手机接收终端；其中，声光联合发射基站以固定的时间间隔和周期发射光信号和声信号；智能手机接收终端，无需增加额外设备设施，仅依靠内置单一MEMS麦克风传感器同时接收来至声光联合发射基站发射的光信号和声信号，并利用内嵌声光信号联合解调算法进行解码并记录采样时间，计算以得对应的TOA距离；参考信号的参数与声光联合发射基站发射的光信号和声信号的调制参数一致。
优选地，声光信号联合调制装置包括控制单元和信号调制单元；其中，控制单元包括主控制器、并行双通道数模转换器、信号输出缓冲器和统一的参考时钟；信号调制单元包括声调制器和光调制器；其中，主控制器在参考时钟的控制下利用并行的双通道数模转换器对光信号和声信号进行数模转换，并将转换后的信号经信号输出缓冲器传递给信号调制单元。
优选地，声调制器的信号调制表达式为：
Figure BDA0002819487400000031
其中A(t)是信号幅度，f0是信号初始频率点，u0是信号调制频率，φ0是信号初始相位，T是信号持续时间；光调制器的调制表达式为：
Figure BDA0002819487400000032
其中IDC是直流偏置电流，Ipp是信号峰值幅度，f0是信号初始频率点，u0是信号调制频率，T是信号持续时间。
优选地，声光信号联合调制装置执行下述步骤进行解调：
计算G12(ω)＝E[X1(ω)X(ω)*]，其中G12(ω)代表信号的互功率谱，X1(ω)是参考信号的频率谱，X2(ω)是待检测信号的频率谱，二者通过短时傅里叶变化得到；E[*]代表求数学期望值，()*是共轭变换计算；
计算路径加权Ψ12(ω)＝1/|G12(ω)|；
利用路径加权保持全频带内的信号单位增益；
依据傅里叶反变换，计算互相关函数R12(τ)＝F-1(Ψ12(ω)G12(ω))；
评估延时时间，取互相关函数最大值，其表达式为：
Figure BDA0002819487400000041
优选地，声光信号联合调制装置根据光信号和声信号的相对延时计算可得TOA绝对距离信息，以实现TOA绝对测距。
优选地，光声信号联合发射基站包括光信号调制器、声信号调制器和主控制器，主控制器同步控制所述的光信号调制器和声信号调制器，以固定的时间间隔和时间周期，控制光声信号联合发射基站发射光信号和声信号；而且光信号调制器和声信号调制器保持固定的物理间距，光信号调制器和声信号调制器具有预定的编码。
本发明与现有的室内定位TOA技术相比，具有成本低、测距精度高、有效距离远和支持大众智能手机等优点。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统的系统组成示意图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统的测距原理示意图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统的声光信号联合调制装置的示意图。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统的智能手机接收终端算法实现步骤流程图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统的系统组成示意图。该系统具备单向的TOA绝对测距能力。
如图1所示，根据本发明优选实施例的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统包括：声光联合发射基站100和智能手机接收终端200。
其中，声光联合发射基站100以固定的时间间隔和周期发射光信号和声信号；智能手机接收终端200，无需增加额外设备设施，仅依靠内置单一MEMS麦克风传感器同时接收来至声光联合发射基站100发射的光信号和声信号，并利用内嵌声光信号联合解调算法进行解码并记录采样时间，计算以得对应的TOA距离；参考信号的参数与声光联合发射基站100发射的光信号和声信号的调制参数一致。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统的测距原理示意图。如图2所示，光信号和声信号以固定的时间间隔和周期发射，智能手机接收终端200利用例如匹配滤波算法，可对特定的声光编码信号解调，并依据采样率记录达到时间序列。光的传播速度为(30万公里/秒)，1微妙对应300米的传播距离，所以对于百米级别的测量距离，其飞行时间可以忽略。因此，根据记录的采样序列时间(采样序列号)，乘以麦克风信号采样率Fs(Frequency sampling，44100千赫兹/秒)，可得到声音信号的传播时间，再乘以声音信号的传播速度c(约340米/秒，空气中)，即可得到接收终端与发射基站的距离信息：Distance＝((N2-N1)/FS)*c；其中，N2和N1为采样序列号。
并且，如图2所示，参考信号的参数(例如，包括信号频段和持续时间等)与发射信号的调制参数保持一致，并内置与智能手机的内存中，以便于信号解调。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统的声光信号联合调制装置的示例的示意图。如图3所示的声光信号联合调制装置的示例示意图，其包括控制单元和信号调制单元。其中，控制单元包括一颗低成本、低功耗的主控制器(例如MCU STM32F103RGT6主控制器)、并行的双通道数模转换器DAC、信号输出缓冲器和统一的参考时钟CLK。其中，主控制器在参考时钟的控制下利用并行的双通道数模转换器对光信号和声信号进行数模转换，并将转换后的信号经信号输出缓冲器传递给信号调制单元。
信号调制单元包括声调制器和光调制器。声调制器采用高保真、高效率的声音D类功放，喇叭采用低成本、小体积的普通喇叭，其信号调制表达式为：
Figure BDA0002819487400000061
式中A(t)是信号幅度，f0是信号初始频率点，u0是信号调制频率，φ0是信号初始相位，T是信号持续时间。
光调制器以半导体光电二极管为核心器件，设置适当的偏置电流，采用线性恒流连续驱动，其调制表达式为：
Figure BDA0002819487400000062
式中IDC是直流偏置电流，Ipp是信号峰值幅度，f0是信号初始频率点，u0是信号调制频率，T是信号持续时间。
作为一种优选实施方式，声光信号联合发射基站以统一的时钟芯片作为时间参考系统，有利于消除声调制器和光调制器的时间偏差，做到严格的同步发射。
该系统具备特定的光信号编码和声信号编码，包括信号频率和信号持续时间，编码参数保存于主控制器STM32F103RGT6的内置闪存存储器中，调电不丢失，开机自启动。
相应地，例如，光声信号联合发射基站包括光信号调制器、声信号调制器和主控制器(STM32F103RGT6主控制器)，主控制器同步控制所述的光信号调制器和声信号调制器，以固定的时间间隔和时间周期，控制光声信号联合发射基站发射光信号和声信号。光信号调制器和声信号调制器保持固定的物理间距(例如物理距离约10厘米)；而且，光信号调制器和声信号调制器具有预定的编码。优选地，主控制器内嵌驱动和光声编码序列，协调控制光调制器和声调制器同步周期性的发送信号。
智能手机接受终端基于MEMS麦克风传感器的光声效应，实现了单一传感器的光声信号联合接收。利用智能手机麦克风固定采样频率，实现自计算时间系统，并标记光信号和声信号的到时时间，计算得到二者到达时间差。考虑到光在空气中的传播速度为3×108m/s，远远大于声信号的传播速度(约340m/s)，光的飞行时间可以完全忽略，达到时间差即可认为是声音信号的飞行时间，换算为距离即可得到声音信号的TOA绝对测距评估。由于本方法是利用单一传感器实现接收，其有效的消除了双传感器间的时间跳跃问题，系统稳定性明显提升，且测距精度优异，达到厘米级。
本智能手机接收终端的TOA解算的实施步骤包括麦克风数据的采集和缓存、光信号的解调和声信号的解调，具体实施步骤的示例如图4所示：
第一步骤S1：MEMS麦克风数据采集，智能手机处理器对麦克风传感器实施连续采样，采样得到的信号包括基站发射的光编码信号和声编码信号，同时也包含环境中的噪声，采样的数据实时送入多级数据缓存处理单元。
第二步骤S2：多级数据缓存，来自第一步骤S1的连续采样数据，数据量是巨大的，44100千赫兹/秒的采样率，1秒对应的数据量约为88KByte，为了不漏检目标光信号和声信号，接收终端需对采样的数据进行连续实时处理。利用多级数据缓存处理，可实现采样数据的完备性、连续性和一致性。
第三步骤S3：数据时域滤波，利用高阶带通巴特沃斯滤波器对采样信息进行时域滤波，主要滤除环境噪声，比如说话声、汽车鸣笛声、空间声、电话铃声和键盘敲击声等，经滤波后的数据仅包含目标信号和极少的环境噪声。
第四步骤S4：光信号解调，在智能手机接收终端首先实施对光信号的解调服务，利用互相关匹配滤波(MF)实现解调，并且记录光信号达到时间对应的采样序列号，对于已知编码的待检测信号，匹配滤波器具有高的评估精度和稳定性，其解调过程可分为5步：
计算G12(ω)＝E[X1(ω)X(ω)*]，其中G12(ω)代表信号的互功率谱，X1(ω)是参考信号的频率谱，X2(ω)是待检测信号的频率谱，二者通过短时傅里叶变化得到；E[*]代表求数学期望值，()*是共轭变换计算；
计算路径加权Ψ12(ω)＝1/|G12(ω)|；
利用路径加权提高信号探测的鲁棒性，路径加权可以保持全频带内的信号单位增益；
依据傅里叶反变换，计算互相关函数R12(τ)＝F-1(Ψ12(ω)G12(ω))；
评估延时时间，取互相关函数最大值，其表达式为：
Figure BDA0002819487400000081
第五步骤S5：声信号解调，依据第四步骤S4的5步解调过程，解调声信号，计算得到其延时估计。
第六步骤S6：TOA解算，基于第四步骤S4和第五步骤S5的解调过程，可以得到光信号和声信号的相对延时，一个单位延时对应时间1/44100秒，根据声信号在空气中的传播速度(约340米/秒)，计算可得TOA对应绝对距离信息。
在具体实施时，智能手机接收终端支持大众智能手机，而且支持安卓和苹果操作系统。
智能手机接收终端，以单一单一MEMS麦克风传感器为接收的媒介，无额外接收设备，实现单向TOA绝对测距。在智能手机接收终端，采用单一单一MEMS麦克风传感器接收，有效消除接收端多传感器时间同步解算误差。
在优选实施例中，光声信号联合发射基站以低成本、低功耗STM32F103RGT6为控制核心，以特定的编码和特定的时间序列发射光声信号。接收终端无需额外的辅助设备，以大众智能手机为接收终端，基于MEMS麦克风传感器的光声效应，同时探测光信号和声信号，实现发射基站与接收终端间的单向TOA绝对测距。在光声信号联合发射基站，光信号和声信号以固定的时间间隔和时间周期发射，无需外部控制器接入即可实现自启动。光声信号联合发射基站，光信号和声信号具备特定的编码序列，具有强的扛干扰能力。在光声信号联合发射基站，主控制器、光信号调制器和声信号调制器参考同一个时钟系统，有效消除多传感器时间同步误差。
根据本发明的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统的声光信号联合发射基站以低成本、低功耗STM32F103RGT6控制器为核心，同步驱动激光和声音调制器，并以固定时间间隔和时间周期发射光和声信号。依据MEMS传感器的光声效应，智能手机接收终端利用单一单一MEMS麦克风传感器同时接收激光信号和声音信号，并计算得到二者达到时间差T和对应的绝对距离。本系统实现的主要功能有：1、声光信号联合发射基站实现光信号的编码调制，编码特定序列的光信号；2、声光信号联合发射基站实现声信号的编码调制，编码特定序列的声信号；3、声光信号联合发射基站实现声光信号的联合同步发射；4、智能手机接收终端实现声光信号的联合解调，并实时解算单向TOA距离信息。针对智能手机接收系统，本发明利用大众智能手机作为接收终端，在不增加额外接收设备的条件下，真正的实现了发射基站和接收终端间的单向TOA绝对测距，并可提供高精度的测距精度，是一种高效高精度的TOA评估技术。
优选的，本系统具备大的测距范围，当激光功率为10mW、声信号声压为55dB条件下，实测测量距离可达60米，测量精度优于30厘米。
根据本发明的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统至少具有如下有益效果：
1.成本低：声音信号无处不在，并已广泛应用于物联网设备、智能家居设备、工业设备和便携式设备，其生产流程已标准化，其处理设备通用性强，其原材料成本低廉，本发明基于低成本的通用器件是实现。
2.稳定性高、精度高：相比于光信号和电磁波而言，声音传播速度更慢，且其传播衰减特性比光信号和电磁波更容易识别，本发明实现的音频调制识别测量技术鲁棒，稳定性高，测量精度高。
3.测量范围大：通过调节声调制器的功率大小，可以控制声音信号的发射距离。实际测试，声信号声压设定为55dB时，实际测量距离可达60米，并且统计测量精度优于30厘米。
4.适用性强：本发明中的接收设备采用大众智能手机，解算算法具有低延时和低耗时特性，对处理器性能要求适中，适应大众智能手机。
综上所述，本发明与目前的基于智能手机的TOA评估技术相比，具有成本低、测距精度高、测距稳定性高、测量范围大和适用性强，支持大众智能手机等优点。这些优点支撑这一技术在室内定位和导航技术领域的应用前景。
此外，需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，其特征在于包括：声光联合发射基站和智能手机接收终端；其中，声光联合发射基站以固定的时间间隔和周期发射光信号和声信号；智能手机接收终端，无需增加额外设备设施，仅依靠内置单一MEMS麦克风传感器同时接收来至声光联合发射基站发射的光信号和声信号，并利用内嵌声光信号联合解调算法进行解码并记录采样时间，计算以得对应的TOA距离；参考信号的参数与声光联合发射基站发射的光信号和声信号的调制参数一致。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，其特征在于，声光信号联合调制装置包括控制单元和信号调制单元；其中，控制单元包括主控制器、并行双通道数模转换器、信号输出缓冲器和统一的参考时钟；信号调制单元包括声调制器和光调制器；其中，主控制器在参考时钟的控制下利用并行的双通道数模转换器对光信号和声信号进行数模转换，并将转换后的信号经信号输出缓冲器传递给信号调制单元。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，其特征在于，声调制器的信号调制表达式为：
Figure FDA0002819487390000011
其中A(t)是信号幅度，f0是信号初始频率点，u0是信号调制频率，φ0是信号初始相位，T是信号持续时间；光调制器的调制表达式为：
Figure FDA0002819487390000012
其中IDC是直流偏置电流，Ipp是信号峰值幅度，f0是信号初始频率点，u0是信号调制频率，T是信号持续时间。
4.根据权利要求1或2所述的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，其特征在于，声光信号联合调制装置执行下述步骤进行解调：
计算G12(ω)＝E[X1(ω)X(ω)*]，其中G12(ω)代表信号的互功率谱，X1(ω)是参考信号的频率谱，X2(ω)是待检测信号的频率谱，二者通过短时傅里叶变化得到；E[*]代表求数学期望值，()*是共轭变换计算；
计算路径加权Ψ12(ω)＝1/|G12(ω)|；
利用路径加权保持全频带内的信号单位增益；
依据傅里叶反变换，计算互相关函数R12(τ)＝F-1(Ψ12(ω)G12(ω))；
评估延时时间，取互相关函数最大值，其表达式为：
Figure FDA0002819487390000021
5.根据权利要求1或2所述的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，其特征在于，声光信号联合调制装置根据光信号和声信号的相对延时计算可得TOA绝对距离信息，以实现TOA绝对测距。
6.根据权利要求1或2所述的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，其特征在于，光声信号联合发射基站包括光信号调制器、声信号调制器和主控制器，主控制器同步控制所述的光信号调制器和声信号调制器，以固定的时间间隔和时间周期，控制光声信号联合发射基站发射光信号和声信号。
7.根据权利要求6所述的基于MEMS麦克风传感器的智能手机单向TOA测距系统，其特征在于，光信号调制器和声信号调制器保持固定的物理间距，光信号调制器和声信号调制器具有预定的编码。
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