CN114779168A - 一种设备阵列的自动定位方法、装置、存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设备阵列的自动定位方法、装置、存储介质，包括：获取每一个设备与其他设备的相对距离，形成设备相对距离集；选取所述设备中的一个设备为主设备，以所述主设备为原点，构建坐标系，并根据所述设备相对测量距离集，获取设备相对坐标测量集；根据所述设备相对测量坐标集和所述设备相对测量距离集，使用梯度下降算法，最小化代价函数，获得设备实际距离集。本发明通过充分利用冗余的位置信息，最小化一个整体的误差，克服了平面几何算法误差大的弊端，进而提高位置建模的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及位置测量领域，特别涉及一种设备阵列的自动定位方法、装置、存储介质。
背景技术
现有技术一般只用于两个产品之间的测距。多个产品之间利用距离还原，也可以利用简单的平面几何知识做到。但是因为测量误差的存在，假如只是利用平面几何知识还原，可能会造成积累误差，造成严重的失真。在传统的采用简单的平面几何的方式的情况下，误差在距离的5％左右，只使用平面几何计算所造成的重建情况，当点增多时，情况会变得更糟糕。
发明内容
为解决现有技术中，在设备数量较多的情况下，设备与设备之间的定位误差较大的技术问题，本发明提供一种设备阵列的自动定位方法，包括：
获取每一个设备与其他设备的相对距离，形成设备相对距离集；
选取所述设备中的一个设备为主设备，以所述主设备为原点，构建坐标系，并根据所述设备相对测量距离集，获取设备相对坐标测量集；
根据所述设备相对测量坐标集和所述设备相对测量距离集，使用梯度下降算法，最小化代价函数，获得设备实际距离集；
所述代价函数为
其中，i为设备编号，所述aij为设备i与设备j的距离，所述Aix为所述设备i的横坐标，所述Aiy为所述设备i的纵坐标。
优选地，在所述使用梯度下降算法中，所述代价函数J的梯度为
优选地，所述梯度下降算法的当前次迭代的步长为上次迭代的步长的四分之一；
所述梯度下降算法的当前次迭代的所述设备实际距离集
其中A为所述梯度下降算法的上一次迭代中的所述设备实际距离集，s为当前次迭代的步长。
优选地，所述梯度下降算法的初始步长为0.01米。
优选地，所述根据所述设备相对测量距离集，获取设备相对坐标测量集，根据三角函数求得。
优选地，所述设备为音响。
进一步优选地，所述设备之间通过蓝牙通讯。
进一步优选地，所述获取每一个设备与其他设备的相对距离，形成设备相对距离集，具体包括：
获取每一个设备与其他设备的相对距离；
所述主机获取除主机之外的其他设备的测量的所述相对距离，结合所述主机与其他设备的相对距离，形成所述设备相对距离集。
另一方面，提供一种设备阵列的自动定位装置，包括存储器和处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序；
所述计算机程序被配置为由处理器调用时，实现一种设备阵列的自动定位方法。
另一方面，提供一种设备阵列的自动定位介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为由处理器调用时，实现所述的一种设备阵列的自动定位方法的步骤。
本发明至少包括以下一项技术效果：
(1)通过充分利用冗余的位置信息，最小化一个整体的误差，克服了平面几何算法误差大的弊端，进而提高位置建模的准确性；
(2)通过梯度下降算法，简单有效的实现了对于误差的最小化，得到了当前测量可以给出的最佳估计，实现简单，成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的流程示意图；
图2为本发明梯度下降算法过程J值收敛示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开了一种设备阵列的自动定位方法，包括：
S1：获取每一个设备与其他设备的相对距离，形成设备相对距离集；
S2：选取所述设备中的一个设备为主设备，以所述主设备为原点，构建坐标系，并根据所述设备相对测量距离集，获取设备相对坐标测量集；
S3：根据所述设备相对测量坐标集和所述设备相对测量距离集，使用梯度下降算法，最小化代价函数，获得设备实际距离集；
所述代价函数为
其中，i为设备编号，所述aij为设备i与设备j的距离，所述Aix为所述设备i的横坐标，所述Aiy为所述设备i的纵坐标。
现有技术一般只用于两个产品之间的测距。多个产品之间利用距离还原，也可以利用简单的平面几何知识做到。但是因为测量误差的存在，假如只是利用平面几何知识还原，可能会造成积累误差，造成严重的失真。
在传统的采用简单的平面几何的方式的情况下，误差在距离的5％左右，只使用平面几何计算所造成的重建情况，当点增多时，情况会变得更糟糕。
故在本实施例中，首先先获取到每个设备与其他设备之间的相对位置关系，然后将其中一个设备作为主机，作为坐标系的原点，建立坐标系，然后由于主机获得了n个设备的情况下，他们之间两两配对，有
对距离关系，即n*(n-1)/2对。而根据平面几何，每三个设备之间的相互距离，可以确定三个设备组成的三角形，即可以确定三个设备的相对位置。在最初的三个设备确定后，每要确定一个新的设备，只需要确定这个设备和已定位的两个设备之间的距离，就可以定位新的设备。所以在没有误差的情况下，只需要3+(n-3)*2即2n-3对距离关系，就可以精确计算出n个设备的相对位置了。所以实际上有的信息，比单纯平面几何所需要的信息要多出一个数量级。故通过充分利用多出来的那部分冗余信息，去最小化一个整体的误差，进而提高位置建模的准确性。
本实施例通过充分利用冗余的位置信息，最小化一个整体的误差，克服了平面几何算法误差大的弊端，进而提高位置建模的准确性。
优选地，所述根据所述设备相对测量距离集，获取设备相对坐标测量集，根据三角函数求得。
具体而言，选择三个设备点A1，A2，A3。通过测距，三点两两之间的距离a12，a13，a23。由于所有音响的距离，有着对称，平移，旋转的不变性，所以可以假定A1位置，也就是主机为原点[0，0]，其具有平移不变性。A2位置为x轴正半轴，具有旋转不变性。A3位置为第一，二象限，具有对称不变性。这样A2的坐标可以由A1，A2距离给出[a12，0]。
根据余弦定理，可以求出角A213的大小：
A213＝arccos((a12*a12+a13*a13-a23*a23)/2/a12/a13)。
再利用a13和A213的正弦余弦，就可以求得设备A3的坐标：
[a13*cos(A213)，a13*sin(A213)]
同样，根据A4，A1，A2三者的关系，也可以得到A214的角度。但是由于对称性，A4的坐标会有x轴的上下方有两个对称的选择。[a14*cos(A214)，a14*sin(A214)]和[a14*cos(A214)，-a14*sin(A214)]。再利用A3，A4的距离，看A4的两个选择中，哪一个与A3的距离更接近a34即可确定A4坐标。按照如上方法，会得到所有点的一个初始估计值。
优选地，在所述使用梯度下降算法中，所述代价函数J的梯度为
所述梯度下降算法的当前次迭代的步长为上次迭代的步长的四分之一；
所述梯度下降算法的当前次迭代的所述设备实际距离集
其中A为所述梯度下降算法的上一次迭代中的所述设备实际距离集，s为当前次迭代的步长。
在有了代价函数的基础上，可以用梯度下降法去迭代求得最佳的坐标序列。
记每一个实际点与测量点之间的误差为：
总误差，也就是代价函数为：
那么J的梯度：
由于Jij只含有Ai，Aj相关的项，所以Jij对i，j以外项求偏导为0。因此，计算
和
时，只需要考虑i或j为m时的情况。
对于
可知：
对于
可知：
优选地，所述梯度下降算法的初始步长为0.01米。
用平面几何得到的初始状态坐标集为：
A＝[A1x,A2x,......,Anx,A1y,A2y,......,Any]
则下一次更新的坐标为：
反复以上迭代过程，一直到J不再减小后，将步长减小四倍。继续迭代。一直到步长达到0.00001也无法获得更好的解了，过程结束。
如图2所示，J最终稳定收敛到一个值。因为测量误差的随机性，J一般不可能收敛到0。收敛到一个稳定值后，即得到了系统基于当前测量可以给出的最佳估计。
在本实施例中，通过梯度下降算法，简单有效的实现了对于误差的最小化，得到了当前测量可以给出的最佳估计，实现简单，成本低廉。
实施例2
本实施例1基于实施例1的技术方案，提供一种设备阵列的自动定位方法，所述设备为音响。所述设备之间通过蓝牙通讯。所述获取每一个设备与其他设备的相对距离，形成设备相对距离集，具体包括：
获取每一个设备与其他设备的相对距离；
所述主机获取除主机之外的其他设备的测量的所述相对距离，结合所述主机与其他设备的相对距离，形成所述设备相对距离集。
本实施例应用于蓝牙音箱产品。当用户使用多个蓝牙音响产品时，可以自动识别出它们在用户空间中被摆放的位置，从而自动构建一个环绕立体声声场，以及配合空间位置进行联动的灯光秀。
为了做到这些音响可以自动还原出自己的位置，使用测距芯片测量音响间的距离。然后通过实施例1中的技术方案，去克服低成本测距芯片包含的误差，利用所有音响间的距离尽可能重建还原多个音响间的空间关系，可以自动建立合理的环绕立体声效果，以及给予响应的联动灯光秀效果。而不需要像传统音响阵列一样需要用户自己进行繁琐的设置和连线，去规划环绕声。
实施例3：
本实施例提供一种设备阵列的自动定位装置，包括存储器和处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序；
所述计算机程序被配置为由处理器调用时，实现所述的一种设备阵列的自动定位方法。
所述设备可以为桌上型计算机、笔记本、掌上电脑、平板型计算机、手机、人机交互屏等设备。所述设备可包括，但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，仅仅是设备的示例，并不构成对设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，示例性的：设备还可以包括输入/输出接口、显示设备、网络接入设备、通信总线、通信接口等。通信接口和通信总线，还可以包括输入/输出接口，其中，处理器、存储器、输入/输出接口和通信接口通过通信总线完成相互间的通信。该存储器存储有计算机程序，该处理器用于执行存储器上所存放的计算机程序，实现上述实施例中的方法。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可以是所述设备的内部存储单元，示例性的：设备的硬盘或内存。所述存储器也可以是所述设备的外部存储设备，示例性的：所述设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMediaCard，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(FlashCard)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机程序以及所述设备所需要的其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
通信总线是连接所描述的元素的电路并且在这些元素之间实现传输。示例性的，处理器通过通信总线从其它元素接收到命令，解密接收到的命令，根据解密的命令执行计算或数据处理。存储器可以包括程序模块，示例性的，内核(kernel)，中间件(middleware)，应用程序编程接口(ApplicationProgrammingInterface，API)和应用。该程序模块可以是有软件、固件或硬件、或其中的至少两种组成。输入/输出接口转发用户通过输入/输出接口(示例性的，感应器、键盘、触摸屏)输入的命令或数据。通信接口将该设备与其它网络设备、用户设备、网络进行连接。示例性的，通信接口可以通过有线或无线连接到网络以连接到外部其它的网络设备或用户设备。无线通信可以包括以下至少一种：无线保真(WiFi)，蓝牙(BT)，近距离无线通信技术(NFC)，全球卫星定位系统(GPS)和蜂窝通信等等。有线通信可以包括以下至少一种：通用串行总线(USB)，高清晰度多媒体接口(HDMI)，异步传输标准接口(RS-232)等等。网络可以是电信网络和通信网络。通信网络可以为计算机网络、因特网、物联网、电话网络。设备可以通过通信接口连接网络，设备和其它网络设备通信所用的协议可以被应用、应用程序编程接口(API)、中间件、内核和通信接口至少一个支持。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/设备和方法，可以通过其他的方式实现。示例性的，以上所描述的装置/设备实施例仅仅是示意性的，示例性的，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，示例性的，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性、机械或其他的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可能集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序发送指令给相关的硬件完成，所述的计算机程序可存储于一介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述介质可以包括：能够携带所述计算机程序的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，示例性的：在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读的介质不包括电载波信号和电信信号。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的程序模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的程序单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各程序模块可以集成在一个处理单元中，也可是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个处理单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序单元的形式实现。另外，各程序模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。
实施例4：
本实施例提供一种设备阵列的自动定位介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为由处理器调用时，实现所述的一种设备阵列的自动定位方法的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种设备阵列的自动定位方法，其特征在于，包括：
获取每一个设备与其他设备的相对距离，形成设备相对距离集；
选取所述设备中的一个设备为主设备，以所述主设备为原点，构建坐标系，并根据所述设备相对测量距离集，获取设备相对坐标测量集；
根据所述设备相对测量坐标集和所述设备相对测量距离集，使用梯度下降算法，最小化代价函数，获得设备实际距离集；
所述代价函数为
其中，i为设备编号，所述aij为设备i与设备j的距离，所述Aix为所述设备i的横坐标，所述Aiy为所述设备i的纵坐标。
2.根据权利要求1所述的一种设备阵列的自动定位方法，其特征在于，在所述使用梯度下降算法中，所述代价函数J的梯度为
3.根据权利要求1所述的一种设备阵列的自动定位方法，其特征在于，
所述梯度下降算法的当前次迭代的步长为上次迭代的步长的四分之一；
所述梯度下降算法的当前次迭代的所述设备实际距离集
其中A为所述梯度下降算法的上一次迭代中的所述设备实际距离集，s为当前次迭代的步长。
4.根据权利要求1所述的一种设备阵列的自动定位方法，其特征在于，所述梯度下降算法的初始步长为0.01米。
5.根据权利要求1所述的一种设备阵列的自动定位方法，其特征在于，所述根据所述设备相对测量距离集，获取设备相对坐标测量集，根据三角函数求得。
6.根据权利要求1所述的一种设备阵列的自动定位方法，其特征在于，所述设备为音响。
7.根据权利要求6所述的一种设备阵列的自动定位方法，其特征在于，所述设备之间通过蓝牙通讯。
8.根据权利要求6所述的一种设备阵列的自动定位方法，其特征在于，所述获取每一个设备与其他设备的相对距离，形成设备相对距离集，具体包括：
获取每一个设备与其他设备的相对距离；
所述主机获取除主机之外的其他设备的测量的所述相对距离，结合所述主机与其他设备的相对距离，形成所述设备相对距离集。
9.一种设备阵列的自动定位装置，其特征在于：包括存储器和处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序；
所述计算机程序被配置为由处理器调用时，实现权利要求1-8任一所述的一种设备阵列的自动定位方法。
10.一种设备阵列的自动定位介质，其特征在于：所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为由处理器调用时，实现权利要求1-8任一所述的一种设备阵列的自动定位方法的步骤。
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