基于超声波多普勒效应的智能手机感知系统研究

摘要

智能手机在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，手机上播放与录制声音的功能也更加强大，市面上的手机普遍已能够接收与分析超声波频段的声音信号。手机上的音频设备已经不仅仅被用来进行音乐播放等传统应用，也已开始收发超声波来实现环境感知、设备定位等服务。超声波具有优秀的物理特性，相关应用易于开发，因此超声波相关的手机应用成为近来移动计算领域的一个热点。
　　本文的主要研究内容是利用智能手机收发超声波在测距、数据传输上的应用来构建一套感知系统，并设计了一套可行的解决方案AIS(Acoustic Interactive System)。AIS系统实现了在实验室环境下的三种用户行为感知与声音锚点的识别。经过实验测试，AIS系统能够实现3.33％的误报率与5％的漏报率。
　　本文首先介绍了国内外超声波智能手机应用的研究现状，然后介绍了建立AIS系统需要了解的超声波方面相关知识。根据提出具体应用场景需求，介绍了AIS系统的设计思路与组成模块的详细说明。之后就介绍了AIS系统的具体实现，并就两个具体问题对系统做出了改进。最后，本文以对AIS的实验分析验证本系统的有效性。
　　本文的主要创新与贡献为:
　　(1)设计并实现了一个基于超声波多普勒效应的智能手机感知系统AIS。AIS系统利用超声波的多普勒频移效应，对手机持有者的速度进行测量并通过积分计算其相对声源的距离变化，结合超声波的数据传输唯一确定声源对象来提供对用户行为的感知服务。实验证明，AIS系统能够有效的针对不同用户行为场景进行识别，同时AIS系统具有很高的可扩展性，其超声波发射与接收设备均采用商用现货，布设成本十分低廉。
　　(2)将分布式调频连续波技术与超声波数据传输技术结合，构建出场景识别与数据传输模块。分布式调频连续波技术通过发射连续的扫频信号来测算声源与设备间的相对移动距离，AIS采用这一方法构建了场景识别模块，同时对扫频信号进行编码，构建数据传输模块。
　　(3)提出了一种基于叠加的扫频信号进行有效频段判别的新方法。为了提高布设的超声波扬声器的密度，AIS系统将相邻的扬声器分入不同频段。在频段选择上，检测声场强度的方案受到设备、环境因素的限制效果不尽如人意。为此，AIS提出通过对叠加扫频信号的检测来判定频段的有效性的方法，该方法具有更好的鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1．手势识别

1．2．2．追踪定位

1．2．3．其他应用

1．3 基于其他媒介的感知定位技术

1．3．1．超声波技术与其他媒介技术的优劣对比

1．4 本文的研究内容与贡献

1．5 本文的组织结构

第2章 基础知识

2．1 超声波特性

2．2 多普勒效应

2．3 短时傅里叶变换

2．4 欠采样技术

2．5 线性调频信号

2．6 调频连续波技术

2．7 本章小结

第3章 超声波感知系统

3．1 应用场景

3．2 组成模块

3．3 场景识别模块

3．3．1．应用多普勒效应计算速度

3．3．2．场景识别

3．4 数据传输模块

3．4．1．传输模块设计

3．4．2．处理流程

3．5 频段选择模块

3．5．1．音量校准

3．6 存在问题与改进

3．6．1．分布式调频连续波

3．6．2．叠加线性调频信号

3．7 本章小结

第4章 系统实现

4．1 超声波信号产生

4．2 安卓客户端开发

4．2．1．总体流程

4．2．2．场景识别模块实现

4．2．3．数据传输模块实现

4．2．4．频段选择模块实现

4．3 本章小结

第5章 实验结果分析

5．1 组成模块测试实验

5．1．1．场景识别准确率

5．1．2．数据传输准确率

5．1．3．频段选择准确率

5．1．4．综合测试

5．2 系统性能分析

5．2．2．阈值参数影响

5．3 本章小结

第6章 结论与工作展望

6．1 结论

6．2 进一步的工作

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果