基于扩频声波的室内定位方法及定位系统

摘要

本发明公开了一种基于扩频声波的室内定位方法及定位系统，网格化室内空间，并建立相应的坐标系；在室内边缘安装至少两个基站；基站采用伪随机序列对声波信息数据进行扩频调制发送出去；基站接收进行相干解调后，得到混合的伪随机序列；进行自相关分析，识别各个基站的声波信号并且进行到达时间的提取；由时间信息得到两者之间距离，由至少三个距离信息，通过三球相交法确定目标节点的位置，完成定位解算；本发明通过采用可闻声波的定位方法，对于没有播放系统的室内场所，发声装置布置简单且不用对空间环境进行模型的设计，由发声装置和接收装置进行定位，对于实现室内定位导航的高精度、稳定可靠定位和大面积应用具有重要意义。

说明书

技术领域：

本发明涉及室内定位领域，特别是涉及一种基于扩频声波的室内定位方法。

背景技术：

随着城市现代化的不断发展，人们越来越多的活动都在室内进行。室内位置服务的需求在快速增加。比如，人员与物品的管理、室内的停车导航、隧道中人员设备位置的确定、室内场所人员引导与聚集度的判断、商场店铺路线导航等与日常生活相关的位置信息服务，越来越密切需要室内定位导航服务。开发一种能够满足室内高精度、稳定可靠、大规模布设的定位方式，不仅具有重要的科学意义，并且对实现迫切需要的室内定位导航具有社会应用价值。

目前，对于室内定位技术的研究非常热门，也产生了一些较为成熟的方法和理论，比如红外线室内定位技术、超声波定位技术、蓝牙室内定位技术、射频识别（RadioFrequency Identification Devices，RFID)定位技术、超宽带(Ultra Wide-band, UWB)定位技术、WiFi室内定位技术等室内定位技术。对主流的几种室内定位技术进行对比，主要从定位精度、抗干扰性、功耗、传输距离和布设成本进行比较可知，目前的室内定位系统各有优缺点，但要实现室内定位导航的高精度、低成本、易安装、不受室内光线电磁等环境影响还有许多亟待解决的问题。例如，红外线定位易受室内灯光影响；RFID室内定位是依靠接收的信号强度的方式，对不同的室内环境须提前建立不同的位置信息的指纹库，并且易受到室内环境变化的影响；超宽带室内定位技术易受多径效应干扰，定位精度受影响，而且超宽带收发设备造价高，不适合大规模布置等问题。如何实现高精度、稳定、低成本的定位系统将是室内定位研究的主要方向。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，通过采用可闻声波的定位方法，对于已布置有播放系统的室内场所，通过改进发射模块，可快速实现定位，并且对于没有播放系统的室内场所，发声装置布置简单且不用对空间环境进行模型的设计，由发声装置和接收装置进行定位，对于实现室内定位导航的高精度、稳定可靠定位和大面积应用具有重要意义的基于扩频声波的室内定位方法。

本发明的技术方案是：一种基于扩频声波的室内定位方法，其特征是：步骤一、网格化室内空间，并建立相应的坐标系；

步骤二、在室内边缘安装至少两个包括声波信号接收端和声波信号发射端的基站；

步骤三、声波信号发射端采用伪随机序列对声波信息数据进行扩频调制，再经过BPSK载波调制发送出去；

步骤四、声波信号接收端进行相干解调后，得到混合的伪随机序列；

步骤五、用相同本原多项式产生结构相同的伪随机序列与收到的多路声波信号和夹杂的噪声信号进行自相关分析，识别各个声波信号发射端的声波信号并且进行信号到达时间的提取；

步骤六、由声波信号发射端发送信号到达目标节点的时间信息，得到两者之间距离，由三个及三个以上的距离信息，通过三球相交法确定目标节点的位置，完成定位解算。

进一步的，所述伪随机序列为m序列，将同步的m序列作为有效数据，对每一个基站采用不同结构的m序列进行调制和声波信号接收端相关解调，以实现不同基站的识别和到达时间的判定。

进一步的，所述基站包括声波信号接收模块、声波信号发射模块、声波发射器、声波接收器和上位机，所述声波信号接收模块和声波信号发射模块与声波发射器、声波接收器和上位机连接。

一种基于扩频声波的室内定位系统，包括声波信号接收端和声波信号发射端，其特征是：所述声波信号接收端包括声波信号接收模块和声波接收器，所述声波信号发射端包括声波信号发射模块和声波发射器；

声波信号收/发模块：用于产生/接收多路声波信号，并实现扩频解扩和调制解调的编码调制；

声波发射器：用于通过不同的端口输出多路声波；

声波接收器：用于在目标节点接收到发射的声波信号；

上位机：用于显示定位解算位置信息；

声波信号接收端和声波信号发射端与上位机连接。

进一步的，所述声波信号发射模块和声波发射器之间设置有声波驱动电路，声波信号接收模块和声波接收器之间设置有信号整形放大电路。

进一步的，所述声波信号收/发模块为DSP开发平台ADSP-BF533开发板，上位机与声波信号收/发模块通过串口相连。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用可闻声波的定位方法，对于已布置有播放系统的室内场所，通过改进发射模块，可快速实现定位，并且对于没有播放系统的室内场所，发声装置布置简单且不用对空间环境进行模型的设计，由发声装置和接收装置进行定位，对于实现室内定位导航的高精度、稳定可靠定位和大面积应用具有重要意义。

2、本发明采用可闻声波的定位方法，声波的良好特性：声波相对超声波声音信号的频率更低，传播距离远。声波不受环境中电磁干扰，光线干扰，在室内光线灰暗、烟雾浓、灰尘多的情况下仍可可靠传输。

3、本发明采用可闻声波的定位方法，成本低：声波的产生和安装布置，相对于超宽带、红外线、Wi-Fi等室内定位方式的成本低的多，且较容易小型化和集成化。

4、本发明采用可闻声波的定位方法，抗干扰能力强：经扩频调制后，声波信号可以在低信噪比下进行可靠传输。

5、本发明采用可闻声波的定位方法，节点间互不干扰：扩频信号具有良好的自相关性，各个节点发射的信息不会相互干扰，保证了可以布置多个节点且同时发声。

6、本发明采用可闻声波的定位方法，时间信息观察直观且精确：声波在空气中的传播速度（340m/s）是电磁波传播速度的百万分之一（299792458m/s），短距离测量时间更加精确，测距更加准确。

7、本发明采用可闻声波的定位方法，精度高：声波的定位精度为厘米级，可以满足室内定位对高精度的要求。

附图说明：

图1为基于扩频声波的室内定位方法的原理图。

图2为声波对射测距结构图。

图3为测试平台及接收点布置情况。

图4为1号基站(l0Left)—MIC（l1LeftIn）的相关曲线。

图5为2号基站(l0Right)—MIC（l1LeftIn）的相关曲线。

图6为3号基站(l1Left)—MIC（l1LeftIn）的相关曲线。

图7为4号基站(l1Right)—MIC（l1LeftIn）的相关曲线。

图8为实验数据表。

具体实施方式：

实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8。

基于扩频声波的室内定位方法及定位系统，其特征是：一、网格化室内空间，并建立相应的坐标系；二、在室内边缘安装至少两个包括声波信号接收端和声波信号发射端的基站；三、声波信号发射端采用伪随机序列对声波信息数据进行扩频调制，再经过BPSK载波调制发送出去；四、声波信号接收端进行相干解调后，得到混合的伪随机序列；五、用相同本原多项式产生结构相同的伪随机序列与收到的多路声波信号和夹杂的噪声信号进行自相关分析，识别各个声波信号发射端的声波信号并且进行信号到达时间的提取；六、由声波信号发射端发送信号到达目标节点的时间信息，得到两者之间距离，由三个及三个以上的距离信息，通过三球相交法确定目标节点的位置，完成定位解算；本发明通过采用可闻声波的定位方法，对于没有播放系统的室内场所，发声装置布置简单且不用对空间环境进行模型的设计，由发声装置和接收装置进行定位，对于实现室内定位导航的高精度、稳定可靠定位和大面积应用具有重要意义。

下面结合附图和实施例对本申请进行详细描述。

本系统采用的声波测距方法是对射测距法，布置在空间上方的声波发射器只发射声波信号，目标节点的声波接收器只接收声波信号，结构图如图2所示。ADSP-BF533开发板将编码的扩频声波信号通过声波驱动电路由发射器发出声波信号。声波接收器将收到的声波信号转换为电信号，通过信号经过整形放大器对声波进行处理后传输给ADSP-BF533进行解扩解调及距离位置解算等处理。

步骤一、网格化室内空间，并建立相应的坐标系；

步骤二、在室内边缘安装至少两个包括声波信号接收端和声波信号发射端的基站；

步骤三、声波信号发射端采用伪随机序列对声波信息数据进行扩频调制，再经过BPSK载波调制发送出去；

步骤四、声波信号接收端进行相干解调后，得到混合的伪随机序列；

步骤五、用相同本原多项式产生结构相同的伪随机序列与收到的多路声波信号和夹杂的噪声信号进行自相关分析，识别各个声波信号发射端的声波信号并且进行信号到达时间的提取；

步骤六、由声波信号发射端发送信号到达目标节点的时间信息，得到两者之间距离，由三个及三个以上的距离信息，通过三球相交法确定目标节点的位置，完成定位解算。

伪随机序列为m序列，将同步的m序列作为有效数据，对每一个基站采用不同结构的m序列进行调制和声波信号接收端相关解调，以实现不同基站的识别和到达时间的判定。

基站包括声波信号接收模块、声波信号发射模块、声波发射器、声波接收器和上位机，声波信号接收模块和声波信号发射模块与声波发射器、声波接收器和上位机连接。

一种基于扩频声波的室内定位系统，包括声波信号接收端和声波信号发射端，声波信号接收端包括声波信号接收模块和声波接收器，声波信号发射端包括声波信号发射模块和声波发射器；

声波信号收/发模块：用于产生/接收多路声波信号，并实现扩频解扩和调制解调的编码调制；

声波发射器：用于通过不同的端口输出多路声波；

声波接收器：用于在目标节点接收到发射的声波信号；

上位机：用于显示定位解算位置信息；

声波信号接收端和声波信号发射端与上位机连接。

声波信号发射模块和声波发射器之间设置有声波驱动电路，声波信号接收模块和声波接收器之间设置有信号整形放大电路。

声波信号收/发模块为DSP开发平台ADSP-BF533开发板，上位机与声波信号收/发模块通过串口相连。

扩频声波室内定位实验：

由前述的扩频声波调制方式和定位原理的基础上，在实验室内进行扩频声波的室内定位实验，通过声波的发射与接收解算，完成目标节点的定位，测试该系统的性能与定位精度。

当四个基站同时发送声波信号后，会存在多重干扰信号，为保证有效通信，该实验在长3.6m，宽1.8m，高2.2m的矩形区域内进行测试，在矩形四个顶点处分别布置4个位置已知的发射基站如图3所示。将实验空间网格化，如图3所示，以空间左下角为原点O建立直角坐标系，原点的右方向为x轴，垂直x轴上方为y轴，垂直地面向上方向为z轴。四个发射基站布设在矩形区域四个顶点，其中1号基站(l0Left)坐标为(0,0,220)、2号基站(l0Right)坐标为(0,300,220)、3号基站(l1Left)坐标为(180,300,220)、4号基站(l1Right)坐标为(180,0,220)，单位：cm。在四个发射基站通过ADSP-BF533开发板音频输出接口连接四个喇叭，分别发送四路调制后的扩频声波信号，并均指向定位目标。在接收端通过一个制作的麦克风接收器收集发送的信号，并将收到的信号传送给ADSP-BF533开发板进行解扩解调等处理。

如图4-7所示，为（3,5）位置，四个发射基站经解调解扩信号相关运算后图像。通过图像可明显的通过观测到的波峰，计算出信号的传播延时时间，进行位置解算。同理，分别测定其余10目标位置，进行定位解算。

分别对实验场地内标定的点位进行测试，每个测试点进行3次测试，分别记录11个点位的测距值、解算得到的坐标值和定位的误差，经测量计算后数据记录如图8所示。

根据图8，分析11个点位的定位结果，可以看出来定位误差在x轴方向上的误差最大值在点(4,4)位置为9.0cm；在y轴方向上的误差最大值在点(4.8)位置为8.8cm；在z轴方向上的误差最大值在点(2.4)位置为-8.2cm。其中整体的定位误差较大的（4.8）位置，由测试平台布置图可以看出该位置离墙壁较近，且该位置附近其他异物，可能导致声波的多径效应较严重，影响定位精度。由实验结果看出定位误差在各个方向上均小于10cm，可以满足室内定位的精度要求，验证了该扩频声波定位方法具有一定的可行性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。