CN115015837A - 一种音频定位肩章、音频定位系统及方法 - Google Patents

一种音频定位肩章、音频定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于室内定位技术领域，公开了一种音频定位肩章、音频定位系统及方法，包括音频定位模块、惯导模块、主控模块、通讯模块和电源模块；音频定位模块用于对采集的音频信号进行处理，计算音频定位肩章的位置；惯导模块用于利用多种惯性传感器提供设备的运行轨迹和姿态信息；主控模块用于进行数据处理、电量检测和电源控制；通讯模块用于与音频基站和服务器进行数据通信。本发明基于音频定位技术，具有精度高、成本低、功耗低的优点。通过使用定位肩章，配合在作业区域布设的音频基站，可以实现人员精准定位，从而进行员工考勤管理、调度管理、安全管理等的日常管理，保障人员安全，规避生产隐患，达到降本增效、高效管理的目的。

Description

一种音频定位肩章、音频定位系统及方法
技术领域
本发明属于室内定位技术领域，尤其涉及一种音频定位肩章、音频定位系统及方法。
背景技术
随着定位系统的应用越来越广泛，室内定位的需求也随之产生，比如，物流作业中工作人员的定位、大型工厂内工作人员的定位以及警察室内巡逻工作中的定位等。在这些场景中，人员往往是同时在室内一定区域内活动，管理者若无法精准掌握人员的实际位置、到岗时间等数据，将无法最优化调配资源，管理效率将会很难提高。
上述中大型企事业单位内人员管理痛点，可以通过室内定位技术得到解决，然而各种定位方案都有各自的缺点。如UWB定位技术精度高但是成本也高，低功耗蓝牙BLEBeacon定位技术精度低且覆盖范围小。而且，传统的定位标签一般使用工牌等型式，有时会干扰工作人员的作业行为。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
现有的定位方式不能同时满足低成本、高精度的要求，传统定位标签的形态不能满足市场多样的需求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种音频定位肩章、音频定位系统及方法。
本发明是这样实现的，一种音频定位肩章包括音频定位模块、惯导模块、主控模块、通讯模块和电源模块；
所述主控模块和电源模块分别通过连接线路与音频定位模块、惯导模块和通讯模块连接；
所述音频定位模块用于对采集的音频信号进行处理，计算音频定位肩章的位置；
所述惯导模块用于利用多种惯性传感器提供设备的运行轨迹和姿态信息；
所述主控模块用于进行数据处理、电量检测和电源控制；
所述通讯模块用于与音频基站和服务器进行数据通信；
所述电源模块用于对电路进行供电，并提供升压、降压、电源开关控制和电池充电管理。
进一步，所述音频定位模块包括麦克风和定位算法处理单元；
所述麦克风用于采集音频基站发射的音频信号，
所述定位算法处理单元用于提取音频信号中的定位信号，并计算各定位信号从各自音频基站到定位肩章的传播时间，进而计算出各音频基站到定位肩章的几何距离，并利用已知的各音频基站坐标和各个音频基站与定位肩章距离测量值计算定位肩章的位置。
进一步，所述通讯模块包括局域通信单元和广域通信单元，局域通信单元用于和音频基站同步时间信息；广域通信单元用于系统的数据传输，将定位数据通过网络上传到服务器。
进一步，所述音频定位肩章还包括有外壳、按键、状态指示灯、电量指示灯和红蓝指示灯；
所述外壳采用塑胶材料制成，所述按键、状态指示灯和电量指示灯均嵌装在外壳正面，所述音频定位模块的麦克风安装在外壳里侧上部；
所述外壳包括固定连接的上壳和下壳；所述上壳采用透明塑胶材质体，红蓝指示灯内置于上壳内。
进一步，所述外壳底部安装有背夹和限位筋，所述限位筋用于对背夹限位；
所述背夹采用金属材质制成，所述背夹包括上片和下片，所述上片与外壳通过螺栓连接固定，所述下片开设有与上片的螺栓孔对应的开孔。
本发明的另一目的在于提供一种音频定位系统，所述音频定位系统包括音频基站和音频定位肩章；
所述音频基站用于发射音频信号；
所述音频定位肩章用于接收和解码音频信号以及估计用户位置。
本发明的另一目的在于提供一种音频定位方法，所述音频定位方法包括：
步骤一，利用音频基站发射音频信号；
步骤二，音频定位肩章接收和解码音频信号，以最先到达的音频信号估计音频基站和音频定位肩章之间的距离，并根据在用户位置测量的多个距离估计用户位置。
进一步，所述步骤二中的音频定位肩章采用信号检测与精密测距技术，还结合了行人航迹推算(PDR)定位方法，利用行人航迹推算和音频信号的互补性，改善动态定位场景中，非视距遮挡对定位结果的影响。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提供的音频定位肩章，可直接佩戴在人员的工作制服上，位于肩部部位，不会影响人员工作。该定位肩章是基于音频定位技术，具有精度高、成本低、功耗低的优点。通过使用定位肩章，配合在作业区域布设的音频基站，可以实现人员精准定位，从而进行员工考勤管理、调度管理、安全管理等的日常管理，保障人员安全，规避生产隐患，达到降本增效、高效管理的目的。
跟射频信号比，音频信号最大的优点是：1)声音传播速度慢(340米/秒)，对信号发射基站的时间同步要求低，因而大大降低定位系统的成本。2)音频信号的有效距离测量值长，是蓝牙Beacon的10倍，可以大大减少基站的布设密度，从而降低定位系统的硬件成本和维护成本。3)音频信号的接收设备简单，如电子设备上的麦克风，这一技术的大众推广没有任何门槛。
而且，基于音频定位的高精度定位终端，能够在复杂的室内环境中与音频定位基站配合使用，实现人和物的精准定位。微标签具有极强的可拓展性，功耗低，稳定性好，性价比高，适配大多数行业的应用场景。根据用户的需求，定位终端还可以提供多种状态LED提示、判别运动状态、一键报警、生理参数检测等功能。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明可同时满足低成本、高精度、易佩戴等要求，能够有效满足多样化市场的需求。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
通过使用定位肩章，配合在作业区域布设的音频基站，可以实现人员精准定位，从而进行员工考勤管理、调度管理、安全管理等的日常管理，保障人员安全，规避生产隐患，达到降本增效、高效管理的目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的音频定位肩章的结构框图；
图2是本发明实施例提供的外壳的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的背夹的结构示意图；
图中：1、音频定位模块；11、麦克风；12、定位算法处理单元；2、惯导模块；3、主控模块；4、通讯模块；41、局域通信单元；42、广域通信单元；5、电源模块；6、外壳；7、按键；8、背夹；81、上片；82、下片；9、限位筋。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的音频定位肩章包括音频定位模块1、惯导模块2、主控模块3、通讯模块4和电源模块5；
所述主控模块3和电源模块5分别通过连接线路与音频定位模块1、惯导模块2和通讯模块4连接；
所述音频定位模块1用于对采集的音频信号进行处理，计算音频定位肩章的位置；
所述惯导模块2用于利用多种惯性传感器提供设备的运行轨迹和姿态信息；
所述主控模块3用于进行数据处理、电量检测和电源控制；
所述通讯模块4用于与音频基站和服务器进行数据通信；
所述电源模块5用于对电路进行供电，并提供升压、降压、电源开关控制和电池充电管理。
本发明实施例中的音频定位模块1包括麦克风11和定位算法处理单元12；
所述麦克风11用于采集音频基站发射的音频信号，
所述定位算法处理单元12用于提取音频信号中的定位信号，并计算各定位信号从各自音频基站到定位肩章的传播时间，进而计算出各音频基站到定位肩章的几何距离，并利用已知的各音频基站坐标和各个音频基站与定位肩章距离测量值计算定位肩章的位置。
本发明实施例中的通讯模块4包括局域通信单元41和广域通信单元42，局域通信单元用于和音频基站同步时间信息；广域通信单元用于系统的数据传输，将定位数据通过网络上传到服务器。
如图2和图3所示，本发明实施例中的音频定位肩章还包括有外壳6、按键7、状态指示灯、电量指示灯和红蓝指示灯；
所述外壳6采用塑胶材料制成，所述按键7、状态指示灯和电量指示灯均嵌装在外壳6正面，所述音频定位模块的麦克风安装在外壳里侧上部；
所述外壳6包括固定连接的上壳和下壳；所述上壳采用透明塑胶材质体，红蓝指示灯内置于上壳内。
外壳6底部安装有背夹8和限位筋9，所述限位筋9用于对背夹限位；
所述背夹8采用金属材质制成，所述背夹8包括上片81和下片82，所述上片81与外壳6通过螺栓连接固定，所述下片82开设有与上片的螺栓孔对应的开孔。
本发明的另一目的在于提供一种音频定位系统，所述音频定位系统包括音频基站和音频定位肩章；
所述音频基站用于发射音频信号；
所述音频定位肩章用于接收和解码音频信号以及估计用户位置。
本发明的另一目的在于提供一种音频定位方法，所述音频定位方法包括：
步骤一，利用音频基站发射音频信号；
步骤二，音频定位肩章接收和解码音频信号，以最先到达的音频信号估计音频基站和音频定位肩章之间的距离，并根据在用户位置测量的多个距离估计用户位置。
本发明实施例中的步骤二中的音频定位肩章采用信号检测与精密测距技术，还结合了行人航迹推算(PDR)定位方法，利用行人航迹推算和音频信号的互补性，改善动态定位场景中，非视距遮挡对定位结果的影响。
音频基站网络是一组信号发射器，通过空中广播特别设计的信号。网络中基站时钟与433MHz射频无线电同步。全网维护一个主时钟，其他所有时钟都与主时钟同步，精度不到10万秒，对于音频定位系统来说已经足够了，因为声速约为343m/s。这意味着同步误差小于3.4cm。
本发明实施例中的音频信号是一组线性调频(LFM)信号，频率为12kHz～21kHz。LFM信号，也称为Chirp信号，具有更好的抗多普勒效应的能力，由于声波的传播速度较低，是音频定位的一个重要问题。为了减少环境噪声的影响，在传输测距信号时不产生任何可听的声音，本发明选择了频率为12kHz～21kHz的Chirp信号。
特别设计的Chirp信号可表示为：
Figure BDA0003672952260000071
其中A(t)是声波的幅度，T是Chirp信号的周期，f0分别fe是初始频率和截止频率。考虑到室内衰落信道，接收信号可表示为：
Figure BDA0003672952260000072
其中，αi、τi和Ni(t)是第i个传播路径的信道衰落系数、传播延迟和随机噪声，h(t)是室内环境中的信道脉冲响应(CIR)，τi是第i个分量的时延，而τ0是第一视线(LOS)分量的时延。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
步骤一，利用音频基站发射音频信号；
步骤二，音频定位肩章接收和解码音频信号，以最先到达的音频信号估计音频基站和音频定位肩章之间的距离，并根据在用户位置测量的多个距离估计用户位置。
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
步骤一，利用音频基站发射音频信号；
步骤二，音频定位肩章接收和解码音频信号，以最先到达的音频信号估计音频基站和音频定位肩章之间的距离，并根据在用户位置测量的多个距离估计用户位置。
应用例：
在某大型交通枢纽，现场预先布设大量音频定位基站，现场警务人员佩戴定位肩章，开机后自动进入警闪状态，并开启实时定位，后台可实时查看其所在位置并进行应用。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种音频定位肩章，其特征在于，所述音频定位肩章包括音频定位模块、惯导模块、主控模块、通讯模块和电源模块；
所述主控模块和电源模块分别通过连接线路与音频定位模块、惯导模块和通讯模块连接；
所述音频定位模块用于对采集的音频信号进行处理，计算音频定位肩章的位置；
所述惯导模块用于利用多种惯性传感器提供设备的运行轨迹和姿态信息；
所述主控模块用于进行数据处理、电量检测和电源控制；
所述通讯模块用于与音频基站和服务器进行数据通信；
所述电源模块用于对电路进行供电，并提供升压、降压、电源开关控制和电池充电管理。
2.如权利要求1所述的音频定位肩章，其特征在于，所述音频定位模块包括麦克风和定位算法处理单元；
所述麦克风用于采集音频基站发射的音频信号，
所述定位算法处理单元用于提取音频信号中的定位信号，并计算各定位信号从各自音频基站到定位肩章的传播时间，进而计算出各音频基站到定位肩章的几何距离，并利用已知的各音频基站坐标和各个音频基站与定位肩章距离测量值计算定位肩章的位置。
3.如权利要求1所述的音频定位肩章，其特征在于，所述通讯模块包括局域通信单元和广域通信单元，局域通信单元用于和音频基站同步时间信息；广域通信单元用于系统的数据传输，将定位数据通过网络上传到服务器。
4.如权利要求1所述的音频定位肩章，其特征在于，所述音频定位肩章还包括有外壳、按键、状态指示灯、电量指示灯和红蓝指示灯；
所述外壳采用塑胶材料制成，所述按键、状态指示灯和电量指示灯均嵌装在外壳正面，所述音频定位模块的麦克风安装在外壳里侧上部；
所述外壳包括固定连接的上壳和下壳；所述上壳采用透明塑胶材质体，红蓝指示灯内置于上壳内。
5.如权利要求4所述的音频定位肩章，其特征在于，所述外壳底部安装有背夹和限位筋，所述限位筋用于对背夹限位；
所述背夹采用金属材质制成，所述背夹包括上片和下片，所述上片与外壳通过螺栓连接固定，所述下片开设有与上片的螺栓孔对应的开孔。
6.一种设置有权利要求1～5任意一项所述的音频定位肩章的音频定位系统，其特征在于，所述音频定位系统包括音频基站和音频定位肩章；
所述音频基站用于发射音频信号；
所述音频定位肩章用于接收和解码音频信号以及估计用户位置。
7.一种用于实施权利要求6所述的音频定位系统的音频定位方法，其特征在于，所述音频定位方法包括：
步骤一，利用音频基站发射音频信号；
步骤二，音频定位肩章接收和解码音频信号，以最先到达的音频信号估计音频基站和音频定位肩章之间的距离，并根据在用户位置测量的多个距离估计用户位置。
8.如权利要求6所述的音频定位方法，其特征在于，所述步骤二中的音频定位肩章采用信号检测与精密测距技术，还结合了行人航迹推算定位方法，利用行人航迹推算和音频信号的互补性，改善动态定位场景中，非视距遮挡对定位结果的影响。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
步骤一，利用音频基站发射音频信号；
步骤二，音频定位肩章接收和解码音频信号，以最先到达的音频信号估计音频基站和音频定位肩章之间的距离，并根据在用户位置测量的多个距离估计用户位置。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
步骤一，利用音频基站发射音频信号；
步骤二，音频定位肩章接收和解码音频信号，以最先到达的音频信号估计音频基站和音频定位肩章之间的距离，并根据在用户位置测量的多个距离估计用户位置。
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