基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法

摘要

本发明提供一种基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法，在室内不同位置安装n个发声设备；n≥3；n个发声设备的位置坐标均为已知值；n个发声设备按照预设时间间隔T1依次发出特定音频信号段；手持移动设备按采样频率f采集原始音频信号段，并发送到主机；主机对原始音频信号段和特定音频信号段进行相关性匹配，然后利用声音差和两个扬声器的位置建立单支双曲线，通过计算两个单支双曲线的交点得到手持移动设备的坐标，间接定位人的位置；具有定位精度高、无需其他专业设备等优点。

说明书

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，具体涉及一种基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法。

背景技术

GPS作为一种成熟的定位技术，已被各行各业广泛使用。但是，由于GPS信号存在室内信号强度较弱、易受遮挡等等特点，因此，难以应用于室内定位。

目前，关于室内定位的研究成果主要包括以下几点：(1)谷歌应用GPS、WIFI信号、手机基站信号进行室内定位，发布了一款名为“Google Map Floor PlanMarker”的手机应用，但存在定位精度较低的不足。(2)诺基亚使用蓝牙模块进行室内定位，但是，需要在室内安装一个蓝牙装置作为发射台，通过手机和蓝牙发射台的通信完成定位，精度在30cm-100cm之间。由于需要在室内安装蓝牙装置，从而增加了室内定位成本。(3)博通公司使用WIFI、蓝牙、NFC技术以及手机内置的加速度传感器、陀螺仪完成室内定位，但是，需要手机内置博通的芯片，不方便广泛普及。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法，不需要使用特殊专业设备即能完成室内定位，并且，还具有定位精度高的优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法，包括以下步骤：

S1，在室内不同位置安装n个发声设备；即：发声设备1、发声设备2...发声设备n；其中，n≥3；

在该室内任选坐标原点建立直角坐标系，则n个发声设备的位置坐标均为已知值，分别为：(x₁，y₁)、(x₂，y₂)...(x_n，y_n)；

S2，n个发声设备按照预设时间间隔T1依次发出特定音频信号段，其中，所述特定音频信号段的持续时间长度为T2，并且，T1>T2；

手持移动设备为需要被进行室内定位的设备，所述手持移动设备按采样频率f采集时间长度为T3的原始音频信号段，并且，T3>T2；

S3，所述手持移动设备将所述原始音频信号段发送到主机；所述主机读取预存储的所述特定音频信号段，然后，所述主机对所述原始音频信号段和所述特定音频信号段进行相关性匹配，计算得到各个发声设备所发出的特定音频信号段从被所述发声设备发出到被所述手持移动设备接收所经过的时间间隔，分别为：t₁、t₂...t_n；其中，t₁与发声设备1对应、t₂与发声设备2对应...t_n与发声设备n对应；

S4，对于任意的i、j、k，设：t_i与发声设备i对应、t_j与发声设备j对应...t_k与发声设备k对应；其中，i、j、k∈(1、2...n)；

则：计算时间差：δt_ij=t_i-t_j；δt_jk=t_j-t_k；

计算距离差：δs_ij=V×δt_ij；δs_jk=V×δt_jk；其中，V为声音在空气中传播速度；

以发声设备i和发声设备j的位置坐标分别作为双曲线焦点，以δs_ij作为双曲线的半实轴长，根据δt_ij的正负值，建立双曲线分支ω₁；

同理，以发声设备j和发声设备k的位置坐标分别作为双曲线焦点，以δs_jk作为双曲线的半实轴长，根据δt_jk的正负值，建立双曲线分支ω₂；

S5，判断双曲线分支ω₁和双曲线分支ω₂是否合理，如果合理，则求解双曲线分支ω₁和双曲线分支ω₂在室内范围内的交点坐标，该交点坐标即为所述手持移动设备的位置坐标；

如果不合理，则改变i、j、k的值，重新计算获得两条双曲线分支，然后重复本步骤。

优选的，S2中，时间间隔T1为100ms；

所述特定音频信号段通过以下方式产生：首先产生时间长度为5ms的2kHz正弦音频信号；再紧接着产生时间长度为20ms的频率随时间线性增加的音频信号，其中，音频信号随时间变化的函数为：其中，t为事件，φ₀为初始相位，f₀为初始频率，k为频率变化率；此时，特定音频信号段的持续时间长度T2=25ms。

优选的，S2中，采样频率f=44.1kHz；T3=1s。

优选的，S3中，所述主机对所述原始音频信号段和所述特定音频信号段进行相关性匹配具体为：

所述主机对所述原始音频信号段进行滤波处理，然后将滤波处理后的音频信号段与所述特定音频信号段进行相关性匹配；其中，滤波处理具体为：

对所述原始音频信号段进行快速傅利叶变换，去除位于2kHz以下和4kHz以上的音频分量，之后进行快速傅利叶逆变换，通过傅利叶逆变换得到的波形即为滤波处理后的音频信号段。

优选的，S3中，所述主机对所述原始音频信号段和所述特定音频信号段进行相关性匹配，计算得到各个发声设备所发出的特定音频信号段从被所述发声设备发出到被所述手持移动设备接收所经过的时间间隔，分别为：t₁、t₂...t_n；具体为：

S31，将所述原始音频信号段按手持移动设备接收时间先后顺序存入数组，得到数组B；设数组B的长度为L_B；数组B中各元素接收时间分别为：T_B1、T_B2...T_BLB；

将特定音频信号段按发声时间先生顺序存入数组，得到数组A；其中，数组A的长度短于数组B的长度；设数组A的长度为L_A；

S32，创建相关度数组C，设A_i，B_i，C_i分别为数组A、B、C的第i个元素，则：数组C的长度L_c=L_B-L_A+1；

即：数组C的L_c个元素分别为：C₁、C₁...C_Lc；各元素分别对应时刻：T_B1、T_B2...T_BLc；

S33，将(T_B1、C₁)、(T_B2、C₂)...(T_BLc、C_Lc)共L_c个点表示到直角坐标系上，其中，横坐标为T_Bi，纵坐标为C_i；

S34，将L_c个点连成曲线，将该曲线峰值最大的n个点所对应的T_Bi按时间从小到大顺序分别记为P₁、P₂...P_n；

则：S3中，t₁=P_■P₀；t₂=P₂-P₀-T1；t_n=P_n-P₀-T1(n-1)；其中，T1为发声设备发声的时间间隔；P₀为手持移动设备开始采样的时间。

优选的，S5中，通过以下方法判断双曲线分支ω₁和双曲线分支ω₂是否合理：

对于双曲线分支ω₁，设发声设备i和发声设备j之间的直线连接距离为L_ij，如果δs_ij>L_ij，则证明双曲线分支ω₁不合理；

对于双曲线分支ω₂，设发声设备j和发声设备k之间的直线连接距离为L_jk，如果δs_jk>L_jk，则证明双曲线分支ω₂不合理。

优选的，S5之后，还包括：

S6，创建一个窗口，显示室内地图；将得到的手持移动设备的位置坐标用有颜色的点显示到室内地图的对应位置上。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法，利用声音差和两个扬声器的位置建立单支双曲线，通过计算两个单支双曲线的交点得到手持移动设备的坐标，间接定位人的位置；具有定位精度高、无需其他专业设备等优点。

附图说明

图1为本发明提供的基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法的流程示意图；

图2为本发明提供的基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法的演示示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明提供一种基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法，包括以下步骤：

S1，在室内不同位置安装n个发声设备；即：发声设备1、发声设备2...发声设备n；其中，n≥3；

在该室内任选坐标原点建立直角坐标系，则n个发声设备的位置坐标均为已知值，分别为：(x₁，y₁)、(x₂，y₂)...(x_n，y_n)；

本发明中，需要在室内至少布置3台发声设备，才能进行室内定位。其中，发声设备可以为能够发出特定频率声音的任何设备，例如，扬声器等，本发明对此并不进行限制。

S2，n个发声设备按照预设时间间隔T1依次发出特定音频信号段，其中，所述特定音频信号段的持续时间长度为T2，并且，T1>T2；

手持移动设备为需要被进行室内定位的设备，所述手持移动设备按采样频率f采集时间长度为T3的原始音频信号段，并且，T3>T2；

例如，实际应用中，特定音频信号段可以通过以下方式产生：首先产生时间长度为5ms的2kHz正弦音频信号；再紧接着产生时间长度为20ms的频率随时间线性增加的音频信号，其中，音频信号随时间变化的函数为：其中，t为事件，φ₀为初始相位，f₀为初始频率，k为频率变化率；此时，特定音频信号段的持续时间长度T2=25ms。采用特定音频信号段的声音，即：5ms的正弦信号和20ms的频率线性增加信号，解决了普遍手持移动设备中初始采集声音信号失真的问题。

此时，可以采用以下参数值：T1=100ms；T2=25ms，T3=1s；采样频率f=44.1kHz。使用100ms作为发声间隔，大于T2的25ms，可有效防止两个扬声器的声音混叠，使分析定位更简单。

以室内布置三台发声设备为例，即：发声设备1、发声设备2和发声设备3，则当T1=100ms、T2=25ms、T3=1s时，这三台发声设备按照以下方式发声：今初始时刻t=0，则，从t=0时刻开始，发声设备1持续发出长度为25ms的特定音频信号段，然后发声设备1停止发声；当t=100ms时，发声设备2持续发出长度为25ms的特定音频信号段，然后发声设备2停止发声；当t=200ms时，发声设备3持续发出长度为25ms的特定音频信号段，然后发声设备3停止发声；然后当t=300ms时，又轮到发声设备1发声。因此，发声设备1、发声设备2和发声设备3按上述顺序循环发声。从t=0时刻开始，手持移动设备按照44.1kHz的频率采集1s长度的原始音频信号段。需要说明的是，由于各发声设备所发出的声音经过反射或折射等才有可能到达手持移动设备，因此，手持移动设备所采集到的原始音频信号段即为环境声音。

另外，本发明中，手持移动设备指目前市场上常见的可以进行音频采集和网络通信的手持移动设备，如智能手机、平板电脑等。

S3，所述手持移动设备将所述原始音频信号段发送到主机；所述主机读取预存储的所述特定音频信号段，然后，所述主机对所述原始音频信号段和所述特定音频信号段进行相关性匹配，计算得到各个发声设备所发出的特定音频信号段从被所述发声设备发出到被所述手持移动设备接收所经过的时间间隔，分别为：t₁、t₂...t_n；其中，t₁与发声设备1对应、t₂与发声设备2对应...t_n与发声设备n对应；

本步骤中，主机对所述原始音频信号段和所述特定音频信号段进行相关性匹配具体为：

所述主机对所述原始音频信号段进行滤波处理，然后将滤波处理后的音频信号段与所述特定音频信号段进行相关性匹配；其中，滤波处理具体为：对所述原始音频信号段进行快速傅利叶变换，去除位于2kHz以下和4kHz以上的音频分量，之后进行快速傅利叶逆变换，通过傅利叶逆变换得到的波形即为滤波处理后的音频信号段。

另外，主机对所述原始音频信号段和所述特定音频信号段进行相关性匹配，还需要计算得到各个发声设备所发出的特定音频信号段从被发声设备发出到被手持移动设备接收所经过的时间间隔，今其分别为：t₁、t₂...t_n；则具体步骤为：

S31，将所述原始音频信号段按手持移动设备接收时间先后顺序存入数组，得到数组B；设数组B的长度为L_B；数组B中各元素接收时间分别为：T_B1、T_B2...T_BLB；

将特定音频信号段按发声时间先生顺序存入数组，得到数组A；其中，数组A的长度短于数组B的长度；设数组A的长度为L_A；

S32，创建相关度数组C，设A_i，B_i，C_i分别为数组A、B、C的第i个元素，则：数组C的长度L_c=L_B-L_A+1；

即：数组C的L_c个元素分别为：C₁、C₁...C_Lc；各元素分别对应时刻：T_B1、T_B2...T_BLc；

例如，当采样频率为44.1kHz，即在一秒内采集44100个数据，存入数组，得到数组B；数组B的长度L_B=44100，数组B中各元素接收时间分别为：T_B1、T_B2...T_B44100；

当采样频率为44.1kHz时，由于T2=25ms，则可以计算出，数组A的长度L_A=1102。

相关度数组C的长度L_c=44100-1102+1=42999；今A_i，B_i，C_i分别为数组A、B、C的第i个元素，则：

S33，将(T_B1、C₁)、(T_B2、C₂)...(T_BLc、C_Lc)共L_c个点表示到直角坐标系上，其中，横坐标为T_Bi，纵坐标为C_i；

S34，将L_c个点连成曲线，将该曲线峰值最大的n个点所对应的T_Bi按时间从小到大顺序分别记为P₁、P₂...P_n；

则：S3中，t₁=P_1-P₀；t₂=P₂-P₀-T1；t_n=P_n-P₀-T1(n-1)；其中，T1为发声设备发声的时间间隔；P₀为手持移动设备开始采样的时间。

S4，对于任意的i、j、k，设：t_i与发声设备i对应、t_j与发声设备j对应...t_k与发声设备k对应；其中，i、j、k∈(1、2...n)；

则：计算时间差：δt_ij=t_i-t_j；δt_jk=t_j-t_k；

计算距离差：δs_ij=V×δt_ij；δs_jk=V×δt_jk；其中，V为声音在空气中传播速度；在标准情况下，V为340m／s。δs_ij指：发声设备i到手持移动设备之间的距离与发声设备j到手持移动设备之间的距离之差。

根据双曲线定义，以发声设备i和发声设备j的位置坐标分别作为双曲线焦点，以δs_ij作为双曲线的半实轴长，根据δt_ij的正负值，建立双曲线分支ω₁；需要说明的是，由于δt_ij非正即负，因此，最终只能得到双曲线的一个分支。

同理，以发声设备j和发声设备k的位置坐标分别作为双曲线焦点，以δs_jk作为双曲线的半实轴长，根据δt_jk的正负值，建立双曲线分支ω₂；

S5，判断双曲线分支ω₁和双曲线分支ω₂是否合理，如果合理，则求解双曲线分支ω₁和双曲线分支ω₂在室内范围内的交点坐标，该交点坐标即为所述手持移动设备的位置坐标；

如果不合理，则改变i、j、k的值，重新计算获得两条双曲线分支，然后重复本步骤。

可以采用以下方法求取两个双曲线分支的交点：将matlab的solve函数进行封装，将两个双曲线分支的相关参数传入，计算后即可得到输出结果。

如图2所示，两条双曲线分支共有三个交点，分别为：交点A、交点B和交点C；由于交点A和交点B位于房间外，为不可行解，舍弃；而交点C位于房间内，为可行解，因此，最终计算得到的交点C坐标即为定位得到的手持移动设备的位置坐标。

可以采用以下方法判断双曲线分支ω₁和双曲线分支ω₂是否合理：

对于双曲线分支ω₁，设发声设备i和发声设备j之间的直线连接距离为L_ij，如果δs_ij>L_ij，则证明双曲线分支ω₁不合理；

对于双曲线分支ω₂，设发声设备j和发声设备k之间的直线连接距离为L_jk，如果δs_jk>L_jk，则证明双曲线分支ω₂不合理。

为了使得至少存在两条合理的双曲线分支，可以布置多于三个扬声器，如果前两组扬声器中有一组不合理，则可以从后面的扬声器组中选择一组合理的进行替代。

S5之后，还包括：

S6，创建一个窗口，显示室内地图；将得到的手持移动设备的位置坐标用有颜色的点显示到室内地图的对应位置上。

综上所述，本发明提供的基于声音信号利用双曲线交叉定位的室内定位方法，利用声音差和两个扬声器的位置建立单支双曲线，通过计算两个单支双曲线的交点得到手持移动设备的坐标，间接定位人的位置；具有定位精度高、无需其他专业设备等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。