CN114268899B - 一种音频室内定位系统基站自标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种音频室内定位系统基站自标定方法，其实现方式为：将接收标签置放于每个基站下方h米处，接收基站发送的音频信号；利用音频检测算法检测基站发射音频到达接收标签的时间，计算基站之间的到达距离差；根据音频基站和接收标签放置位置的几何关系以及基站之间的到达距离差信息列出方程，解算各基站相对坐标；根据已知任一基站的真实坐标，结合解算出的基站相对坐标，通过坐标变换得到各基站的真实坐标，实现基站的自标定。本发明仅需借助简单的辅助测量手段测量音频基站和接收标签的高度差h，结合基站之间的到达距离差信息，即可得到基站的三维坐标。本发明操作简便，可节省测量基站坐标的人力物力、降低定位系统布设难度，拓展了音频室内定位的应用场景。

Description

一种音频室内定位系统基站自标定方法

技术领域

本发明涉及一种音频室内定位系统基站自标定方法，属于室内定位和导航领域。

背景技术

随着经济发展和信息化的普及，基于室内定位的服务在安防、医疗、家庭监护及商业推广上具有巨大的应用前景。目前常见的室内定位技术有基于蓝牙、WiFi、UWB、RFID等无线传输协议的技术和基于音频、PDR、视觉和光源等的技术，每种技术都有着各自的特点。其中，音频室内定位技术因其覆盖范围广、定位精度高、鲁棒性以及低成本等优点，近年来成为了室内定位领域的研究热点。

音频室内定位系统(曹帅.面向智能移动终端的音频室内定位关键技术研究[D].中国科学技术大学,2020.)一般由音频发射基站和接收标签组成，实现方案为：提前布设音频发射基站，基站发射调制后的音频信号，接收标签接收到发射的音频信号后执行音频检测算法，计算出音频到达时间差等信息，结合基站坐标并通过定位算法计算出接收标签的坐标。尽管音频室内定位系统能够得到分米级的高精度定位结果，其在基站布设时需通过全站仪等设备逐一标定基站的坐标，操作繁琐，不利于音频室内定位系统的推广应用。因此，实现基站坐标的自标定是音频室内定位系统落地过程中亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，实现音频室内定位系统基站自标定。首先，在基站布设时，仅需简单的辅助测量，即可得到基站的相对坐标；随后，若已知任一基站的真实坐标，可结合基站相对坐标和坐标变换，得到各基站的真实坐标，即实现基站的自标定。此音频基站坐标自标定方法可节省测量基站坐标的人力物力，降低定位系统布设的难度，有利于音频定位系统的推广使用。

本发明技术解决方案：一种音频室内定位系统基站自标定方法。所述方法在音频基站布设时，通过音频在基站和接收标签之间的传输获得基站到标签的RDOA(RangeDifference of Arrival，到达距离差)信息，并利用标签与基站的空间几何关系，解算出各基站的相对坐标。若已知任一基站的真实坐标，结合解算出的基站的相对坐标，可通过坐标变换得到各基站的真实坐标。

具体包括如下步骤：

步骤1：将音频定位系统的N个基站S1、S2、S3、......、SN布设在室内，以基站S1为坐标原点、过基站S1竖直向下为Z轴、基站S1布设的墙面为XOZ平面，建立三维坐标系V，并设基站S1、S2、S3、......、SN的相对坐标分别为(0，0，0)、(x₂，y₂，h₂)、(x₃，y₃，h₃)、......、(x_N，y_N，h_N)；

步骤2：将接收标签P放置于基站S1正下方距离基站h米的P1处。采用辅助手段测得h值，利用P采集一定时长的音频数据，利用基于源信号互相关函数波形特征的音频检测算法检测基站S1、S2、S3发射音频到达标签的时间，利用下式计算基站到标签的距离差：

P1_RDOA_S1S2＝|P₁S₂|-|P₁S₁|＝c·(t_P1S2-t_P1S1)

其中，P1_RDOA_S1S2为基站S1、S2到接收标签的距离差，|P₁S₁|为P1、S1的距离，|P₁S₂|为P1、S2的距离，c为声音在空气中的速度，t_P1S1为基站S1发射音频到达放置在P1的接收标签的时间，t_P1S2为基站S2发射音频到达放置在P1的接收标签的时间；同理计算出基站S1、S3到接收标签的距离差P1_RDOA_S1S3；

进一步地，将接收标签P放置于基站S2下方距离基站h米的P2处，采集一定时长的音频数据，利用检测算法检测S1、S2、S3基站发射音频到达接收标签的时间，并计算出基站S2、S1到接收标签的距离差P2_RDOA_S2S1、基站S2、S3到接收标签的距离差P2_RDOA_S2S3；

进一步地，将接收标签P放置于基站S3下方距离基站h米的P3处，采集一定时长的音频数据，利用检测算法检测S1、S2、S3基站发射音频到达接收标签的时间，并计算出基站S3、S1到接收标签的距离差P3_RDOA_S3S1、基站S3、S2到接收标签的距离差P3_RDOA_S3S2；

进一步地，将接收标签P放置于基站Si(4≤i≤N)下方距离基站h米的Pi处，采集一定时长的音频数据，利用检测算法检测基站S1、S2、S3、Si发射音频到达接收标签的时间，计算出基站Si、S1到接收标签的距离差Pi_RDOA_SiS1、基站Si、S2到接收标签的距离差Pi_RDOA_SiS2、基站Si、S3到接收标签的距离差Pi_RDOA_SiS3。

步骤3：根据基站S1、S2、S3与放置位置P1、P2、P3的位置关系，结合P1_RDOA_S1S2、P1_RDOA_S1S3、P2_RDOA_S2S1、P2_RDOA_S2S3、P3_RDOA_S3S1、P3_RDOA_S3S2，列出下列方程：

(h+P2_RDOA_S2S3)²＝(x₂-x₃)²+(y₂-y₃)²+(h+h₂-h₃)²

(h+P3_RDOA_S3S2)²＝(x₃-x₂)²+(y₃-y₂)²+(h+h₃-h₂)²

联立上面六个方程，解算出基站S2的相对坐标(x₂，y₂，h₂)和基站S3的相对坐标(x₃，y₃，h₃)。

进一步地，对于基站Si，根据基站S1、S2、S3、Si和点Pi的位置关系，结合RDOA_SiS1、RDOA_SiS2、RDOA_SiS3，列出下列方程：

(h+Pi_RDOA_SiS2)²＝(x_i-x₂)²+(y_i-y₂)²+(h+h_i-h₂)²

(h+Pi_RDOA_SiS3)²＝(x_i-x₃)²+(y_i-y₃)²+(h+h_i-h₃)²

联立上面三个方程，解算出基站Si(4≤i≤N)的相对坐标(x_i，y_i，h_i)。

步骤4：若己知任一基站Sj(1≤j≤N)的真实坐标为(X，Y，H)，坐标系V可通过旋转平移转化为真实坐标系，则基站Si(1≤i≤N)的真实坐标可由下列变换得到。

其中，(x_j，y_j，h_j)为基站Sj的相对坐标，(x_i，y_i，h_i)为基站Si的相对坐标，(x′_i，y′_i，h′_i)为基站Si的真实坐标，MR为坐标系V到真实坐标系旋转矩阵

其中，α为V变换成真实坐标系时沿X轴旋转的角度，β为V沿Y轴旋转的角度，γ为V沿Z轴旋转的角度，

为平移矩阵。

最终，通过以上步骤可得到基站S1、S2、S3、......、SN的真实坐标，实现基站的自标定。

本发明与现有技术相比的优点在于：在基站布设时，现有技术需通过全站仪等手段测量标定基站的坐标，操作繁琐复杂、成本高。本发明仅需借助简单的辅助测量手段测量出h，即可根据音频基站和接收标签放置位置的几何关系，结合基站之间的到达距离差信息，解算出基站的相对坐标，再根据已知的基站真实坐标，通过坐标变换，得到各基站的真实坐标，实现基站的自标定。所提技术操作简便，节省测量基站坐标的人力物力，降低定位系统布设的难度，拓展了音频室内定位的应用场景。

附图说明

图1是本发明中音频室内定位系统的基站自标定方法流程图；

图2是本发明实施例中接收标签放置在基站S1下方h米的P1处采集信号示意图；

图3是本发明实施例中基站S1、S2与放置位置P1的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明的步骤：根据具体环境将音频定位系统的N个基站布设在室内；将接收标签置放于每个基站下方h米处，接收基站发送的音频信号；利用音频检测算法检测基站发射音频到达接收标签的时间，计算基站之间的到达距离差(RDOA)；根据音频基站和接收标签放置位置的几何关系，结合基站之间的达到距离差信息列出方程，解算出各基站相对坐标；根据已知任一基站的真实坐标，结合解算出的基站相对坐标，通过坐标变换得到各基站的真实坐标，实现基站的自标定。本发明仅需借助简单的辅助测量手段测量出音频基站和接收标签的高度差h，即可根据音频基站和接收标签放置位置的几何关系，并结合基站之间的到达距离差信息，得到基站的三维坐标。本发明操作简便，可节省测量基站坐标的人力物力、降低定位系统布设的难度，拓展了音频室内定位的应用场景。

如图1所示，以四基站音频室内定位系统为例，对本发明实施例中的基站自标定方法作进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明为一种音频室内定位系统基站自标定方法。首先，根据具体室内环境布设4个基站S1、S2、S3、S4。以基站S1为坐标原点、过基站S1竖直向下为Z轴、基站S1布设的墙面为XOZ平面，建立三维坐标系V；然后，在各基站下方距离基站h米处，采用接收标签接收基站发送的音频信号，并利用音频检测算法检测基站的发射音频到达接收标签的时间，计算基站之间的到达距离差(RDOA)；接着，根据音频基站和接收标签放置位置的几何关系，结合基站之间的达到距离差信息列出方程，解算各基站的相对坐标；最后，在已知基站S1的真实坐标情况下，通过坐标变换得到各基站的真实坐标，实现自标定。该方法的具体实现步骤如下：

步骤1：将4个基站S1、S2、S3、S4布设在室内环境中，以基站S1为坐标原点、过基站S1竖直向下为Z轴、基站S1布设的墙面为XOZ平面，建立三维坐标系V，设基站S1、S2、S3、S4的相对坐标为(0，0，0)、(x₂，y₂，h₂)、(x₃，y₃，h₃)、(x₄，y₄，h₄)；

步骤2：如图2所示，将接收标签P放置于基站S1正下方距离基站h米的P1处为例。用辅助手段测得h值，利用P采集一定时长的音频数据，利用基于源信号互相关函数波形特征的音频检测算法，检测基站S1、S2、S3发射音频到达标签的时间，利用下式计算基站到标签的距离差：

P1_RDOA_S1S2＝|P₁S₂|-|P₁S₁|＝c·(t_P1S2-t_P1S1)

其中，P1_RDOA_S1S2为基站S1、S2到接收标签的距离差，|P₁S₁|为P1、S1的距离，|P₁S₂|为P1、S2的距离，c为声音在空气中的速度，t_P1S1为基站S1发射音频到达放置在P1的接收标签的时间，t_P1S2为基站S2发射音频到达放置在P1的接收标签的时间；同理计算出基站S1、S3到接收标签的距离差P1_RDOA_S1S3；

进一步地，将接收标签P放置于基站S2下方距离基站h米的P2处，采集一定时长的音频数据，利用检测算法检测S1、S2、S3基站发射音频到达接收标签的时间，并计算出基站S2、S1到接收标签的距离差P2_RDOA_S2S1、基站S2、S3到接收标签的距离差P2_RDOA_S2S3；

进一步地，将接收标签P放置于基站S3下方距离基站h米的P3处，采集一定时长的音频数据，利用检测算法检测S1、S2、S3基站发射音频到达接收标签的时间，并计算出基站S3、S1到接收标签的距离差P3_RDOA_S3S1、基站S3、S2到接收标签的距离差P3_RDOA_S3S2；

进一步地，将接收标签P放置于基站S4下方距离基站h米的P4处，采集一定时长的音频数据，利用检测算法检测基站S1、S2、S3、S4发射音频到达接收标签的时间，计算出基站S4、S1到接收标签的距离差P4_RDOA_S4S1、基站S4、S2到接收标签的距离差P4_RDOA_S4S2、基站S4、S3到接收标签的距离差P4_RDOA_S4S3。

步骤3：如图3所示，以基站S1、S2与放置位置P1的位置关系为例。其中|P1S2|-|P1S1|＝P1_RDOA_S1S2，|P1S1|＝h，代入坐标可得：

同理，根据基站S1、S2、S3与放置位置P1、P2、P3的位置关系，结合P1_RDOA_S1S3、P2_RDOA_S2S1、P2_RDOA_S2S3、P3_RDOA_S3S1、P3_RDOA_S3S2，列出下列方程：

(h+P2_RDOA_S2S3)²＝(x₂-x₃)²+(y₂-y₃)²+(h+h₂-h₃)²

(h+P3_RDOA_S3S2)²＝(x₃-x₂)²+(y₃-y₂)²+(h+h₃-h₂)²

联立上面六个方程，解算出基站S2、S3的相对坐标(x₂，y₂，h₂)、(x₃，y₃，h₃)。

进一步地，根据基站S1、S2、S3、S4与放置位置P4的位置关系，结合P4_RDOA_S4S1、P4_RDOA_S4S2、P4_RDOA_S4S3，列出下列方程：

(h+P4_RDOA_S4S2)²＝(x₄-x₂)²+(y₄-y₂)²+(h+h₄-h₂)²

(h+P4_RDOA_S4S3)²＝(x₄-x₃)²+(y₄-y₃)²+(h+h₄-h₃)²

联立上面三个方程，解算出基站S4的相对坐标(x₄，y₄，h₄)。

步骤4：若已知基站S1的真实坐标为(a，b，c)，这里为了方便展示，设真实坐标系以竖直向上为Z轴，东为X轴，北为Y轴，设定的坐标系V以竖直向下为Z轴，北为X轴，东为Y轴。V可通过沿X轴旋转180°，再沿Z轴旋转90°，最后再平移转换到真实坐标系。则旋转矩阵MR为

平移矩阵为

可通过坐标变换可得到S2、S3、S4的真实坐标分别为：(a+y₂，b+x₂，c-h₂)，(a+y₃，b+x₃，c-h₃)，(a+y₄，b+x₄，c-h₄)，实现基站坐标的自标定。

Claims (1)

1.一种音频室内定位系统基站自标定方法，其特征在于：所述方法在音频基站布设时，通过音频在基站和接收标签之间的传输获得基站到标签的RDOA(Range Difference ofArrival，到达距离差)信息，并利用标签与基站的空间几何关系，解算出各基站的相对坐标；若已知任一基站的真实坐标，可结合解算出的基站相对坐标，通过坐标变换得到各基站的真实坐标；所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：将音频定位系统的N个基站S1、S2、S3、……、SN布设在室内，以基站S1为坐标原点、过基站S1竖直向下为Z轴、基站S1布设的墙面为XOZ平面，建立三维坐标系V，并设基站S1、S2、S3、……、SN的相对坐标分别为(0,0,0)、(x₂,y₂,h₂)、(x₃,y₃,h₃)、……、(x_N,y_N,h_N)；

步骤2：将接收标签P放置于基站S1正下方距离基站h米的P1处，采用辅助手段测得h值，利用P采集一定时长的音频数据，采用基于源信号互相关函数波形特征的音频检测算法计算基站S1、S2、S3发射音频到达标签的时间，并利用下式计算基站到标签的距离差：

P1_RDOA_S1S2＝|P₁S₂|-|P₁S₁|＝c·(t_P1S2-t_P1S1)

其中，P1_RDOA_S1S2为基站S1、S2到接收标签的距离差，|P₁S₁|为P1、S1的距离，|P₁S₂|为P1、S2的距离，c为声音在空气中的速度，t_P1S1为基站S1发射音频到达放置在P1的接收标签的时间，t_P1S2为基站S2发射音频到达放置在P1的接收标签的时间；同理计算出基站S1、S3到接收标签的距离差P1_RDOA_S1S3；

进一步地，将接收标签P放置于基站S2下方距离基站h米的P2处，采集一定时长的音频数据，采用检测算法检测S1、S2、S3基站发射音频到达放置在P2的接收标签的时间，并计算出基站S2、S1到接收标签的距离差P2_RDOA_S2S1以及基站S2、S3到接收标签的距离差P2_RDOA_S2S3；

进一步地，将接收标签P放置于基站S3下方距离基站h米的P3处，采集一定时长的音频数据，采用检测算法检测S1、S2、S3基站发射音频到达放置在P3的接收标签的时间，并计算出基站S3、S1到接收标签的距离差P3_RDOA_S3S1以及基站S3、S2到接收标签的距离差P3_RDOA_S3S2；

进一步地，将接收标签P放置于基站Si下方距离基站h米的Pi处，采集一定时长的音频数据，利用检测算法检测基站S1、S2、S3、Si发射音频到达接收标签的时间，计算出基站Si、S1到接收标签的距离差Pi_RDOA_SiS1、基站Si、S2到接收标签的距离差Pi_RDOA_SiS2、基站Si、S3到接收标签的距离差Pi_RDOA_SiS3，4≤i≤N；

步骤3：根据基站S1、S2、S3与放置位置P1、P2、P3的位置关系，结合P1_PDOA_S1S2、P1_PDOA_S1S3、P2_RDOA_S2S1、P2_RDOA_S2S3、P3_RDOA_S3S1、P3_RDOA_S3S2，列出下列方程：

(h+P2_RDOA_S2S3)²＝(x₂-x₃)²+(y₂-y₃)²+(h+h₂-h₃)²

(h+P3_RDOA_S3S2)²＝(x₃-x₂)²+(y₃-y₂)²+(h+h₃-h₂)²

联立以上六个方程，解算出基站S2的相对坐标(x₂,y₂,h₂)和基站S3的相对坐标(x₃,y₃,h₃)；进一步地，对于基站Si，根据基站S1、S2、S3、Si和点Pi的位置关系，结合Pi_RDOA_SiS1、Pi_RDOA_SiS2、Pi_RDOA_SiS3，列出下列方程：

(h+Pi_RDOA_SiS2)²＝(x_i-x₂)²+(y_i-y₂)²+(h+h_i-h₂)²

(h+Pi_RDOA_SiS3)²＝(x_i-x₃)²+(y_i-y₃)²+(h+h_i-h₃)²

联立上面三个方程，可解算出基站Si(4≤i≤N)的相对坐标(x_i,y_i,h_i)；

步骤4：若已知任一基站Sj的真实坐标为(X,Y,H)，坐标系V可通过旋转平移转化为真实坐标系，则基站Si的真实坐标由下列变换得到，1≤i≤N，1≤j≤N；

其中，(x_j,y_j,h_j)为基站Sj的相对坐标，(x_i,y_i,h_i)为基站Si的相对坐标，(x′_i,y′_i,h′_i)为基站Si的真实坐标，MR为坐标系V到真实坐标系的旋转矩阵为

其中，α为V变换成真实坐标系时沿X轴旋转的角度，β为V沿Y轴旋转的角度，γ为V沿Z轴旋转的角度，

为平移矩阵；

最终，通过以上步骤可得到基站S1、S2、……、SN的真实坐标，实现基站的自标定。

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