CN114915915B - 一种室内多个设备的定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种室内多个设备的定位系统，该定位系统通过一对红外收发装置，结合同步的姿态传感器数据，确定装有红外发射器的设备与装有红外接收器的设备之间的相对位置关系，实现了室内多个设备的高精度定位。

Description

一种室内多个设备的定位系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种室内多个设备的定位系统。
背景技术
随着科学技术的不断进步，计算机技术以及物联网的应用得到了飞速的发展，为人们的生活带来了极大的便利，例如家居场景正在逐渐的智能化。
基于近年来智能家居设备(例如智能电视、智能音箱等智能家居设备)的发展而言，为人们带来了全新的交互体验，极大程度的丰富了人们的生活状态。
但是，从传统家电设备到智能家居设备的转变，新的交互需求被不断提出，这些交互需求背后的支撑是智能家居设备的传感能力和认知能力的发展。也就是说，在具有智能家居设备的智能家居场景中，不同智能家居设备的互联与互感，是支持智能家居设备之间进行智能交互的一个重要前提。
为了最有效的实现多个智能家居设备之间的智能交互，那么多个智能家居设备之间的相对位置关系至为重要。
那么，如何提供一种精确的定位技术，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种室内多个设备的定位系统，技术方案如下：
一种室内多个设备的定位系统，所述定位系统包括：
第一设备，所述第一设备中安装有红外发射器；
第二设备，所述第二设备中安装有红外接收器；
安装在所述第一设备或所述第二设备上的姿态传感器；
其中，当所述姿态传感器安装在所述第一设备上时，所述第一设备用于通过所述红外发射器向所述第二设备发送模拟红外信号；
所述第二设备用于通过所述红外接收器接收所述模拟红外信号，对所述模拟红外信号进行处理得到红外信号强度数据，并将所述红外信号强度数据发送至所述第一设备；
所述第一设备还用于通过所述姿态传感器获取姿态数据，并依据所述姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备。
优选的，在上述定位系统中，所述第一设备和所述第二设备通过无线网络或蓝牙进行数据通信。
优选的，在上述定位系统中，所述第一设备为可移动设备；
所述第二设备的位置固定。
优选的，在上述定位系统中，所述姿态传感器为九轴姿态传感器。
优选的，在上述定位系统中，所述第一设备还用于向所述第二设备发送计时请求报文；
所述第二设备还用于在接收到所述计时请求报文时，生成应答报文，并将所述应答报文发送给所述第一设备；
所述第一设备还用于依据所述应答报文和所述计时请求报文，计算报文延时；
所述第一设备还用于依据所述报文延时，结合所述姿态传感器获取修正后的姿态数据，并依据所述修正后的姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备。
优选的，在上述定位系统中，所述第一设备还用于通过多个所述报文延时计算延时估计参数；
所述第一设备还用于依据所述延时估计参数，结合所述姿态传感器获取修正后的姿态数据，并依据所述修正后的姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备；
其中，所述延时估计参数为多个所述报文延时的平均值的0.5倍。
优选的，在上述定位系统中，所述第一设备还用于依据所述相对位置的结果，执行第一操作；
所述第二设备还用依据所述相对位置的结果，执行第二操作。
优选的，在上述定位系统中，所述姿态传感器各向同性，与所述姿态传感器匹配的红外发射器或红外接收器轴向同性、径向异性，在室内场景中固定的红外发射器或红外接收器各向同性。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种室内多个设备的定位系统包括：第一设备，所述第一设备中安装有红外发射器和姿态传感器；第二设备，所述第二设备中安装有红外接收器；其中，所述第一设备用于通过所述红外发射器向所述第二设备发送模拟红外信号；所述第二设备用于通过所述红外接收器接收所述模拟红外信号，对所述模拟红外信号进行处理得到红外信号强度数据，并将所述红外信号强度数据发送至所述第一设备；所述第一设备还用于通过所述姿态传感器获取姿态数据，并依据所述姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备。
也就是说，该定位系统通过一对红外收发装置，结合同步的姿态传感器数据，确定装有红外发射器的设备与装有红外接收器的设备之间的相对位置关系，实现了室内多个设备的高精度定位。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种室内多个设备的定位系统的框架示意图；
图2为本发明实施例提供的一种场景示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的发明创造过程中，发明人发现，现有的智能家居设备的定位技术主要有三种：
第一种：基于UWB(Ultra Wide Band，超宽带无线通信)技术，具体原理如下：
UWB超宽带无线通信技术通过发射纳秒级脉冲信号序列，实现信息传输，并通过TOA(Time Of Arrival，到达时间)和TDOA(Time Difference Of Arrival，到达时间差)的方法实现高精度的室内定位。
但是，这一技术需要通信双方都安装有UWB收发模块，导致硬件成本昂贵，且无法与已有的智能家居设备匹配。
第二种：室内麦克风阵列定位技术，具体原理如下：
采用波束形成算法或TDOA算法实现高精度的室内定位。
但是，这一技术需要特殊的麦克风阵列结构与定制的音频处理芯片，导致成本较高，且受环境干扰较为敏感。
第三种：红外遥控技术，具体原理如下：
红外遥控技术是一种部署成本低、应用广泛的远程信息传输技术。
但是，现有的红外遥控技术只利用了红外光携带的数字编码信息，而红外光本身的模拟信号未被有效利用。
基于目前的现有技术，本发明提供了一种室内多个设备的定位系统，通过一对红外收发装置，结合同步的姿态传感器数据，确定装有红外发射器的设备与装有红外接收器的设备之间的相对位置关系，实现了室内多个设备的高精度定位。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种室内多个设备的定位系统的框架示意图。
所述定位系统包括：
第一设备，所述第一设备中安装有红外发射器。
第二设备，所述第二设备中安装有红外接收器。
安装在所述第一设备或所述第二设备上的姿态传感器。也就是说，红外发射器和红外接收器的功能是对称的，其可以实现的传感器组合有：第一设备中安装有红外发射器和姿态传感器、第二设备中安装有红外接收器；第一设备中安装有红外发射器、第二设备中安装有红外接收器和姿态传感器。
其中，当所述姿态传感器安装在所述第一设备上时，所述第一设备用于通过所述红外发射器向所述第二设备发送模拟红外信号。
具体的，所述第一设备通过所述红外发射器持续的向所述第一设备和所述第二设备所处的环境，发射经过所述第一设备自身硬件签名(例如MAC地址的哈希值)映射编码后的模拟红外信号。
所述第二设备用于通过所述红外接收器接收所述模拟红外信号，对所述模拟红外信号进行处理得到红外信号强度数据，并将所述红外信号强度数据发送至所述第一设备。
具体的，所述第二设备通过所述红外接收器持续的接收所述模拟红外信号，并对该模拟红外信号按照硬件签名进行解码，并计算每一硬件签名成分对应的信号强度，构成所述红外信号强度数据，并实时将对应的红外信号强度数据定向发送给所述第一设备。
所述第一设备还用于通过所述姿态传感器获取姿态数据，并依据所述姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备。
具体的，所述第一设备实时接收所述第二设备发送的红外信号强度数据，并结合自身的姿态数据，实时进行所述第一设备和所述第二设备相对位置的求解，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备。
其中，所述姿态数据通过所述姿态传感器的测量数据解算获得，以欧拉角、四元数或旋转矩阵的形式表示，表示当前第一设备的姿态对应的正交坐标系相对于零坐标系的变换，其中零坐标系指欧拉角为(0，0，0)，或旋转矩阵为单位阵I时的坐标系。
可选的，所述姿态传感器包括但不限定于九轴姿态传感器。
在该实施例中，通过一对红外收发装置，结合同步的姿态传感器数据，确定装有红外发射器的设备与装有红外接收器的设备之间的相对位置关系，实现了室内多个设备的高精度定位。
可选的，在本发明另一实施例中，所述姿态传感器各向同性，与所述姿态传感器匹配的红外发射器或红外接收器轴向同性、径向异性，在室内场景中固定的红外发射器或红外接收器各向同性。
在该实施例中，在所述第二设备没有装配姿态传感器的情况下，所述姿态传感器各向同性，与所述姿态传感器匹配的红外发射器或红外接收器轴向同性、径向异性，在室内场景中固定的红外发射器或红外接收器各向同性。
但是，在实际部署中，即使是非各项同性的红外接收器，如果红外发射器在一定范围之后(例如大于1米)，相对朝向在一定角度内(例如30度)，则可近似为各向同性。
下面以举例的形式，对本发明实施例提供的定位系统进行说明：
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种场景示意图。
可选的，所述第一设备为可移动设备。
所述第二设备的位置固定。
例如，所述第一设备包括但不限定于市场上常见的智能手机，通常情况下，智能手机均安装有姿态传感器，部分高端智能手机的前端还安装有红外发射器。
所述第二设备包括但不限定于智能家居场景中的智能家居设备，例如智能电视等智能家居设备，通常情况下，智能家居设备中均内置安装有红外接收器。
安装有红外发射器和姿态传感器的智能手机，通过红外发射器实时发送模拟红外信号。
安装有红外接收器的智能家居设备，通过红外接收器实时接收模拟红外信号，并且对该模拟红外信号进行处理得到红外信号强度数据，并将所述红外信号强度数据发送至所述第一设备。
安装有红外发射器和姿态传感器的智能手机，通过姿态传感器获取自身的姿态数据，并依据所述姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备。
由此可知，本发明提供的定位系统，可以在不增加额外硬件的前提下，实现设备与设备之间的相互定位。
可选的，在本发明另一实施例中，所述第一设备和所述第二设备通过无线网络或蓝牙进行数据通信。
在该实施例中，在第一设备进入所述第二设备所处的场景后，通过无线网络或蓝牙搜索并匹配可以建立连接的第二设备。
第一设备在广播时在报文中附带自身的硬件信息，例如MAC地址、ID以及传感器配置等其它硬件信息。
第二设备在应答报文中也会附带对应的硬件信息。
在第一设备和第二设备建立匹配之后，第一设备和第二设备均了解到对方的硬件配置，进而选取与配置相适应的通信协议，实现数据通信。
可选的，在本发明另一实施例中，所述第一设备还用于向所述第二设备发送计时请求报文。
所述第二设备还用于在接收到所述计时请求报文时，生成应答报文，并将所述应答报文发送给所述第一设备。
所述第一设备还用于依据所述应答报文和所述计时请求报文，计算报文延时。
所述第一设备还用于依据所述报文延时，结合所述姿态传感器获取修正后的姿态数据，并依据所述修正后的姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备。
在该实施例中，为了修正接收延时带来的误差，所述第一设备会定时向所述第二设备发送多个计时请求报文。
所述第二设备在接收到所述计时请求报文时，立刻做出应答，生成应答报文，并将应答报文发送给所述第一设备。
所述第一设备在接收到所述应答报文之后，比较其与发出的报文的时延，计算出报文延时。
所述第一设备基于该报文延时，在计算自身的姿态数据时，使用该报文延时进行系统性的修正，得到修正后的姿态数据，并依据所述修正后的姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，进而提高定位精度。
可选的，在本发明另一实施例中，所述第一设备还用于通过多个所述报文延时计算延时估计参数。
所述第一设备还用于依据所述延时估计参数，结合所述姿态传感器获取修正后的姿态数据，并依据所述修正后的姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备。
其中，所述延时估计参数为多个所述报文延时的平均值的0.5倍。
在该实施例中，为了进一步的降低延时对定位精度的影响，采用多个所述报文延时的平均值的0.5倍作为延时估计参数，可进一步提高所述第一设备和所述第二设备的相对位置的定位精度。
可选的，在本发明另一实施例中，所述第一设备还用于依据所述相对位置的结果，执行第一操作。
所述第二设备还用依据所述相对位置的结果，执行第二操作。
在该实施例中，所述第二设备实时接收所述第一设备发动的位置信息，此时所述第一设备和所述第二设备均清楚对方的位置信息。
例如，所述第一设备是安装有红外发射器和姿态传感器的智能手机，所述第二设备是安装有红外接收器的智能电视。
假设应用场景为：用户通过智能手机与智能电视进行交互。
此时，用户只需要拿着智能手机自然的指向智能电视，在指向的过程中，电视与手机即可实现相互的定位与朝向确定。
对于智能电视而言，在清楚智能手机的位置与朝向时，可以自适应的渲染显示内容，例如调整自身界面布局，当智能手机距离智能电视较近时，把界面元素变小。
对于智能手机而言，在清楚智能电视的位置时，可以快速地唤醒交互界面，例如在指向的过程中，显示遥控界面。
可选的，基于本发明上述全部实施例，下面对本发明实施例中第一设备和第二设备之间相对位置的求解方法进行详细阐述：
总的来说，是利用连续时间帧内同步的模拟红外信号与姿态传感器信号，构建相对位置关系约束，再结合数值优化方法进行求解，具体的：
通过采集同步的模拟红外信号与姿态传感器信号(这里指的是经过延时修正后的信号，设延时为dt)，在每一帧可列出一个由模拟红外信号与姿态传感器信号限制的，以第一设备和第二设备之间未知的相对位置关系为变量的方程，这些方程在时序上构成一个方程组。
进一步的，通过采集连续一端时间的信号，通过数值优化的方法，例如最小二乘法、梯度下降法等，求解出最优的相对位置数据。
具体的：
定义：以下所有的坐标与旋转表示的参考系均为零坐标系，即IMU欧拉角为(0，0，0)对应的坐标系，也可以理解成相对于地面。
设V0为第一设备到第二设备的相对位置向量，采集连续的N帧{(v_i,s_i)}；
其中，v_i表示第一设备在第i帧的姿态的前向单位方向向量，可由第i帧对应的姿态旋转矩阵左乘零姿态的前向单位向量得到。
s_i表示第二设备在第i帧的模拟红外信号强度。
进而存在：
vi＝Mi·(1,0,0)T (1)
其中，vi表示第一设备在第i帧的姿态的前向单位方向向量。
Mi表示第一设备在第i帧的姿态旋转矩阵。
(1,0,0)T表示标准前向向量，其中，T表示向量的转置。
θi表示第i帧的姿态的前向单位方向向量与待求解的第一设备到第二设备的相对位置向量v0的夹角。
|v0|表示向量v0的模长。
f(θi,|v0|)表示第一设备的增益函数，其中，θi指入射角度，|v0|指红外发射器到红外接收器的距离。
si表示第i帧第二设备的信号强度。
||f(θi,|v0|)-si||2表示通过增益函数估算的强度与实际测量强度的误差。
表示对N个采样点的误差进行求和。
∑表示需要使用优化算法调整v0。
min最小化上述所得的误差和。
其中，方程(1)表示从旋转矩阵Mi到前向单位向量vi的映射。
方程(2)表示通过待求解变量v0与某一时刻第一设备自身的前向方向向量vi，来表示红外发射器的入射角度。
方程(3)表示待优化的目标是通过入射角度与距离估算的光强与实际测量的光强之间的误差最小化。
进一步的，采用数值方法优化损失函数的值，可求解出最优的相对位置。
以Levenberg-Marquardt算法为例，求解过程如下：
L＝rTr (4)
r＝(f(θ1,|v0|)-s1,...,f(θN,|v0|)-sN)T (5)
其中，L表示待优化的损失函数，与公式(3)中的L含义相同。
rTr表示r的转置乘r。
公式(6)为一优化算法，通过不断地迭代，缩小误差，求出更准确的v0。
v0 (k)表示的第k次迭代。
Jr表示r对v0雅克比矩阵。
I表示单位矩阵。
μ表示控制优化速度的参数。
表示矩阵的转置。
表示矩阵的逆。
由以上推导可知，因为待求未知数有三个，所以至少需要三帧，即可使用Levenberg-Marquardt算法求解出v0。
使用更多的连续帧，可有效避免随机噪声带来的求解误差，使结果更准确、平滑，一般采用连续的20帧-30帧进行求解最优。
需要说明的是，在本发明实施例的基础上，所述第二设备中也可以装配姿态传感器，实现第一设备和第二设备的高精度定位。
但是，在第一设备和第二设备的高精度定位过程中，若需要考虑第二设备中的姿态传感器，则需要对求解算法进行调整以及优化。
以上对本发明所提供的一种室内多个设备的定位系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种室内多个设备的定位系统，其特征在于，所述定位系统包括：
第一设备，所述第一设备中安装有红外发射器；
第二设备，所述第二设备中安装有红外接收器；
安装在所述第一设备上的姿态传感器；
其中，所述第一设备用于通过所述红外发射器向所述第二设备发送模拟红外信号；
所述第二设备用于通过所述红外接收器接收所述模拟红外信号，对所述模拟红外信号进行处理得到红外信号强度数据，并将所述红外信号强度数据发送至所述第一设备；
所述第一设备还用于通过所述姿态传感器获取姿态数据；
所述第一设备还用于向所述第二设备发送计时请求报文；
所述第二设备还用于在接收到所述计时请求报文时，生成应答报文，并将所述应答报文发送给所述第一设备；
所述第一设备还用于依据所述应答报文和所述计时请求报文，计算报文延时；
所述第一设备还用于通过多个所述报文延时计算延时估计参数；
所述第一设备还用于依据所述延时估计参数，结合所述姿态传感器获取的姿态数据，进一步获取修正后的姿态数据，并依据所述修正后的姿态数据和所述红外信号强度数据，计算所述第一设备和所述第二设备的相对位置，并将所述相对位置的结果发送给所述第二设备；
其中，所述延时估计参数为多个所述报文延时的平均值的0.5倍；
相对位置的计算方法如下：
定义：以下所有的坐标与旋转表示的参考系均为零坐标系，即IMU欧拉角为(0，0，0)对应的坐标系；
vi＝Mi·(1,0,0)T (1)
其中，vi表示第一设备在第i帧的姿态的前向单位方向向量；
Mi表示第一设备在第i帧的姿态旋转矩阵；
(1,0,0)T表示标准前向向量，其中，T表示向量的转置；
θi表示第i帧的姿态的前向单位方向向量与待求解的第一设备到第二设备的相对位置向量v0的夹角，即红外发射器的入射角度；
|v0|表示向量v0的模长，即红外发射器到红外接收器的距离；
f(θi,|v0|)表示第一设备的增益函数，L表示待优化的损失函数；
si表示第i帧第二设备的红外信号强度；
||f(θi,|v0|)-si||2表示通过增益函数估算的强度与实际测量强度的误差；
∑表示对N个采样点的误差进行求和；
min表示需要使用优化算法调整v0，最小化上述所得的误差和；
其中，方程(1)表示从姿态旋转矩阵Mi到前向单位方向向量vi的映射；
方程(2)表示通过待求解变量v0与某一时刻第一设备自身的前向单位方向向量vi，来表示红外发射器的入射角度；
方程(3)表示待优化的目标是通过红外发射器的入射角度与红外发射器到红外接收器的距离估算的光强与实际测量的光强之间的误差最小化；
采用数值方法优化损失函数的值，求解出最优的相对位置。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述第一设备和所述第二设备通过无线网络或蓝牙进行数据通信。
3.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述第一设备为可移动设备；
所述第二设备的位置固定。
4.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述姿态传感器为九轴姿态传感器。
5.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述第一设备还用于依据所述相对位置的结果，执行第一操作；
所述第二设备还用依据所述相对位置的结果，执行第二操作。
6.根据权利要求3所述的定位系统，其特征在于，所述姿态传感器各向同性，与所述姿态传感器匹配的红外发射器轴向同性、径向异性，在室内场景中固定的红外接收器各向同性。
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