CN104101863A

CN104101863A - 基于智能移动设备的定位***和定位方法

Info

Publication number: CN104101863A
Application number: CN201310117989.XA
Authority: CN
Inventors: 李晓林
Original assignee: SUZHOU HONGTING INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU HONGTING INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-04-07
Filing date: 2013-04-07
Publication date: 2014-10-15

Abstract

本发明涉及一种基于智能移动设备的定位***和定位方法，通过设置发送音频信号的若干个***，利用智能移动设备接收所述***发出的音频信号，进而实现智能移动设备的定位；充分利用现有智能移动设备作为信号接收和处理模块，省去了专门的额外的信号接收和处理设备，整个定位***结构简单，造价低；同时，音频信号传输速度低，相对带宽大，能获得较高测距精度，进而更准确地定位出智能移动设备位置。

Description

基于智能移动设备的定位***和定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位技术，具体是一种基于智能移动设备的定位***和定位方法。

背景技术

随着智能手机的发展，人们利用板载GPS模块可以在广域环境上轻松实现对地理坐标的定位。这种定位技术的普及，促使人们去追求更贴近生活的室内精准确定位服务。

现有的定位手段主要有卫星定位（GPS）、激光定位、红外线定位、蓝牙定位、Wifi定位、Zigbee定位、雷达定位、超声波定位等。但是上述定位手段除超声波定位外均不能满足室内精准定位的要求，如卫星定位，只能提供米级或几十米级的室外广域环境的定位，而且由于地面建筑对卫星信号的屏蔽作用，使得卫星定位***不适用于室内定位。而激光定位、红外线定位，往往应用于极高精度要求的测量仪器中，有着高精度的优点，但是激光定位和红外线定位需要较为复杂的硬件模块，且光信号在传输范围内扩散极小，导致普通用户使用需要校准而极为不便，并且用户的使用成本较高。蓝牙定位、Wifi定位、Zigbee定位等RF技术，由于其物理层信号的带宽较低，因此应用在室内定位***上时无法获得很高的定位精度。雷达技术，具有测量距离远、穿透能力强的优点，在测量及定位***中占据着极为重要的地位，但是雷达***成本高、功耗大、辐射强、操作不便，并且室内的杂波干扰严重，因此雷达定位不适合普通用户使用。超声波定位，最为著名的MIT的Cricket技术，使用较为干净的40KHz超声波进行测距，精度较好，但是其需要用户端使用超声波，且使用Zigbee进行同步，这样需要特殊设备才能支持，使得整个超声波定位技术造价高，因此普通用户使用困难，推广较难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中室内精确定位设备造价高的问题，从而提供一种造价低廉的基于智能移动设备的定位***和定位方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于智能移动设备的定位***，所述***包括：

至少三个***，每个所述***用于广播音频信号，所述音频信号中包括***ID；

智能移动设备，包括麦克风和处理器，其中，

所述麦克风，用于被动接收所述***发出的音频信号，并把音频信号发送给处理器；

所述处理器，进一步包括时间计算模块和智能移动设备定位模块；其中，

时间计算模块，接收所述麦克风发送的音频信号，解析音频信号得到***ID，并计算音频信号到达智能移动设备的时间TOA，并将相对应ID号***的TOA及***ID号发送给智能移动设备定位模块和服务器；

智能移动设备定位模块，接收所述时间计算模块发送的至少三个***到智能移动设备的TOA，以及服务器发送的相应ID号***的绝对坐标，计算得出所述智能移动设备的绝对坐标，并将其输出；

服务器，接收所述时间计算模块发送的所述***ID，并在数据库中查询所述***ID对应的***的绝对坐标，将查询出的相应ID号对应的***的绝对坐标发送给所述智能移动设备定位模块；

数据库，用来存储***ID及所述***ID对应的***的绝对坐标。

所述时间计算模块进一步包括，音频信号解析单元、TOA测量单元和TOA估计单元；其中，

所述音频信号解析单元，将接收到的音频信号解析得到***ID，并把***ID发送给TOA估计单元；

所述TOA测量单元接收所述音频信号并将接收到的所述音频信号经过门限检测得到TOA测量值，并将所述TOA测量值发送给TOA估计单元；

所述TOA估计单元，接收所述音频信号解析单元发送的***ID，及所述TOA测量值，对所述TOA测量值进行TOA估计计算，得到最终的TOA，并将所述相应ID号***的TOA发送给智能移动设备定位模块。

所述音频信号的频段为15Khz到24Khz。

所述音频信号的基带宽为1Khz。

所述***采用BPSK或正交编码生成所述音频信号。

多个所述***的ID通过不同的多用户正交码标识。

每个所述***均包括一个时间同步单元，用于同步或协调多个所述***的广播时间。

所述智能移动设备为手机或PDA或Tablet或笔记本电脑。

同时，提供一种基于智能移动设备的定位***实现的定位方法，包括如下步骤：

S1：***将本***的ID信息加载到音频信号上，待发送时间到时，广播音频信号；

S2：智能移动设备中的麦克风接收所述***广播的音频信号，并将所述音频信号发送给时间计算模块；

S3：所述时间计算模块解析音频信号得到***ID，并计算音频信号到达智能移动设备的时间TOA，将相应ID号***的TOA发送给智能移动设备定位模块和服务器；

S4：所述服务器接收所述时间计算模块发送的所述***ID，并在数据库中查询所述***ID对应的***的绝对坐标，将查询出的相应ID号对应的***的绝对坐标发送给所述智能移动设备定位模块；

S5：所述智能移动设备定位模块，接收所述时间计算模块发送的至少三个***到智能移动设备的TOA以及服务器发送的相应ID号***的绝对坐标，计算得出所述智能移动设备的绝对坐标，并将其输出。

所述步骤S3进一步包括如下步骤：

S31：所述音频信号解析单元将接收到的音频信号解析得到***ID，并把***ID发送给TOA估计单元；

S32：所述TOA测量单元接收所述音频信号并将接收到的所述音频信号经过门限检测得到TOA测量值，并将所述TOA测量值发送给TOA估计单元；

S33：所述TOA估计单元，接收所述音频信号解析单元发送的***ID，及所述TOA测量值，对所述TOA测量值进行TOA估计计算，得到最终的TOA，并将所述相应ID号***的TOA发送给智能移动设备定位模块。

步骤S1中，所述***进行BPSK或正交编码生成音频信号。

步骤S1中，通过多用户正交码标识不同的所述***ID。

在所述步骤S1之前，还包括对每个所述***的广播时间进行同步或协调的步骤。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的一种基于智能移动设备的定位***和定位方法，通过设置发送音频信号的若干个***，利用智能移动设备接收所述***广播的音频信号，进而实现智能移动设备的定位；充分利用现有智能移动设备作为信号接收和处理模块，省去了专门的信号接收和处理设备，整个定位***结构简单，造价低；同时，信号源为音频信号，其传输速度低，相对带宽大，能获得较高测距精度，进而更准确地定位出智能移动设备位置。整个定位的过程为用户端智能移动设备被动接收，因此不存在理论上的用户数量限制。

（2）所述TOA估计单元根据TOA测量单元检测到的TOA测量值，进一步对TOA进行精确估计，能够有效的减少由多径效应产生的TOA附加时延误差，进一步提高了定位的精度。并且本发明所述的音频信号采用人耳听不到的15Khz到24Khz频段，即能够满足精准定位的信号要求，又没有噪音污染。所述音频信号采用BPSK或正交编码，并且***ID采用多用户正交码标识，提高了***的抗噪性能，使***更加稳定。定时器的时间同步单元，校准了整个***，使得TOA时间更加精准，定位更加准确。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1是本发明一个实施例的一种基于智能移动设备的定位***的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的一种基于智能移动设备的定位方法的TDOA定位示意图；

图3是本发明一个实施例的一种基于智能移动设备的定位方法的方法流程图。

其中，附图标记为：

1-第一***，2-第二***，3-第三***。

具体实施方式

实施例1

参见图1所示，作为本发明一个实施例的一种基于智能移动设备的定位***，所述***包括：

三个***，每个所述***用于广播一个音频信号，所述音频信号中包括***ID，作为一种具体的实施方式，对所述***采用多用户正交码标识，即通过采用不同的多用户正交码标识不同的***ID，并对所述音频信号进行正交编码（比如BPSK）后广播所述音频信号，采用多用户正交码能够有效提高信号的抗干扰能力，并且BPSK编码简单高效能提高***响应速度；所述***内有简单的参考时间机制，在每次发送音频信号前，由一个或多个分布式主控***发送时间同步信号；简单的时间同步也可以用来增强测距和定位的稳定性。作为一种具体实施方式，在***上通过数字方式直接生成载频在15K到24K的数字窄脉冲，通过2-PAM调制进行发射（有脉冲发射表示1，无脉冲发射表示0），经过调制后的数字脉冲通过低功率喇叭进行信号发射。这种处理使整个***的发射部分仅需一个单片机加一个放大器即可。作为本发明的其他实施例，所述***的个数不小于三个，比如四个、九个等。

手机，包括麦克风和处理器，当然，作为本发明的其它实施例，所述手机可以为其它智能移动设备代替，比如具有信息处理能力和音频接收单元和PAD或Tablet或笔记本电脑等；其中，

所述麦克风，用于接收所述***发出的音频信号，并把音频信号发送给处理器；

所述处理器，进一步包括时间计算模块和手机定位模块；其中，

所述时间计算模块，作为一种具体实施方式，其进一步包括音频信号解析单元、TOA（英文全称为Time of Arrival，意思为到达时间）测量单元和TOA估计单元；其中，所述音频信号解析单元，将接收到的音频信号解析得到***ID，并把***ID发送给TOA估计单元；所述TOA测量单元接收所述音频信号并将接收到的所述音频信号经过门限检测得到TOA测量值，并将所述TOA测量值发送给TOA估计单元；所述TOA估计单元，接收所述音频信号解析单元发送的***ID，及所述TOA测量值，对所述TOA测量值进行TOA估计计算，得到最终的TOA，并将所述相应ID号***的TOA及***ID号发送给手机定位和服务器。

手机定位模块，接收所述时间计算模块发送的三个***到智能移动设备的TOA，以及服务器发送的相应ID号***的绝对坐标，并将其输出。

服务器，接收所述时间计算模块发送的所述***ID，并在数据库中查询所述***ID对应的***的绝对坐标，将查询出的相应ID号对应的***的绝对坐标发送给所述手机定位模块；

数据库，用来存储***ID及所述***ID对应的***的绝对坐标。作为本发明的其他实施例，所述服务器和所述数据库可由不同的服务器分别担当。

作为一种具体的实施方式，本实施例中，所述音频信号的基带宽为1Khz，频段为15Khz-24Khz，通过产生脉冲信号缩短信号上升时间来提升有效带宽，根据CRLB（英文全称为Cramer-Rao Lower Bound，意思为估计方差下界原理）定位精度能够到达厘米级别，采用15Khz-24Khz频段的音频信号不能被人耳听到但是能够被手机的麦克风检测到，不会造成环境噪声污染。所述***ID采用多用户正交码标识，抗干扰能力强，不易造成***ID号被噪声篡改。

作为本发明一个实施例的一种基于智能移动设备的定位方法，包括如下步骤：

S0：设定主控***，主控***以广播的形式发送时间同步信号，其他各个***接收时间同步信号，并校准自身时间；

S1：***将本***的ID号进行多用户正交码标识，将所述***ID号及发送时间加载到音频信号上，并对其进行BPSK编码，待发送时间到时，广播所述音频信号；

S2：手机中的麦克风接收所述***发送的音频信号，并将所述音频信号发送给时间计算模块；

S3：所述时间计算模块解析音频信号，其中

S31：所述音频信号解析单元，将接收到的音频信号解析得到***ID，并把***ID发送给TOA估计单元；

S32：所述TOA测量单元接收所述音频信号并将接收到的所述音频信号经过门限检测得到TOA测量值，并将所述TOA测量值发送给TOA估计单元；作为一种具体实施方式，可以使用边缘门限检测TOA的方法，检测其上升沿的时间以获得距离值。因此，本发明基于智能移动设备的定位方法的实际测距精度取决于接收到信号的上升沿陡峭程度，即有效带宽；而本发明采用的音频信号的传输速度低，相对带宽大，可以获得非常高的测距精度，从而为精确的室内定位提供了非常好的条件。

S33：所述TOA估计单元，接收所述音频信号解析单元发送的***ID，及所述TOA测量值，对所述TOA测量值进行TOA估计计算，现有的很多算法都可用于TOA估计，进而得到最终的TOA，并将所述相应ID号***的TOA发送给手机定位装置；

S4：所述服务器接收所述时间计算模块发送的所述***ID，并在数据库中查询所述***ID对应的***的绝对坐标，将查询出的相应ID号对应的***的绝对坐标发送给所述手机定位模块；

S5：所述手机定位模块，接收所述时间计算模块发送的三个***到手机的TOA以及服务器发送的相应ID号***的绝对坐标。

作为本发明一个实施例的一种具体的手机定位方法，如图2所示，设定三个***分别为第一***1，第二***2，第三***3，所述第一***1到达手机的到达时间为TOA₁，所述第二***2到达手机的到达时间为TOA₂，所述第三***3到达手机的到达时间为TOA₃，TDOA₁为TOA₁与TOA₂的差值，TDOA₂为TOA₂与TOA₃的差值，TDOA₃为TOA₁与TOA₃的差值，L₁为TDOA₁与声速相乘，L₂为TDOA₂与声速相乘，L₃为TDOA₃与声速相乘；以第一***1及第二***2的绝对坐标为焦点，所述L₁为定值构造双曲线H₁，所述双曲线H₁中距离TOA值比较大的***比较远的所述双曲线中的其中一条作为双曲线H₁’，同理可得H₂’,H₃’；任意两个单边的双曲线H₁’、H₂’和H₃’的交点坐标，即为所述手机的绝对坐标，若采用三个单边的双曲线，则定位的准确性更高。作为其它实现定位的方法的具体实施例，现有所有的基于TOA实现定位的方法均可，包括GPS定位***中使用的基于TOA实现定位的方法。

作为一种具体实施例，所述手机的位置计算按照如下方式进行：

首先，TOA估计：通过信号检测获得信号的大致位置估计后进行精确的TOA判决。通过使用回溯前搜的方式（先选择一个默认的起始估计向前搜索；搜索过程中，如果选择错误，就回退一步重新选择，再继续前搜），可以写出如下TOA判决表达式

{\hat{τ}}_{j}^{TOA} = \{\begin{matrix} T_{s} \cdot [\min (k | z_{k} > {\hat{η}}_{TOA}) + {\hat{i}}_{s} N_{k} - J_{b}] - \frac{1}{2} T_{s} & k < M_{k} \\ Re - estimate {\hat{i}}_{s} & k &GreaterEqual; M_{k} \end{matrix} - - - (0.1)

其中为信号的判决矢量，J_b为回退值，M_k为z_k长度，(0.1)式表示，当无法获得TOA首达径时，说明第一级的检测结果有误，进行信号位置的重估计。

通过定义TOA的错误检测概率，可以通过最小化错误检测概率获得我们定义错误概率准则下的最优TOA估计门限

其次，定位问题的最小均方误差求解：通过(0.1)式获得后，选取参考结点f，可以估计锚节点至手机间与参考点的测量差为

{\hat{r}}_{m} = [{\hat{τ}}_{m}^{TOA} - {\hat{τ}}_{f}^{TOA} - (m - f) T_{p}] c + n_{m} - n_{f} - - - (0.2)

其中m为第m个锚节点的编号，T_p是估计出的控制结点Beacon发射的周期，n_m-n_f为结点TOA测量的噪声差。

使用最大似然（可能性）概率的估计准则，结点位置的未知参数可以估计为

{\hat{θ}}_{ML} = \arg ma x_{θ} \log P (\hat{r} | θ) - - - (0.3)

通过简化处理，可以简化为对线性矩阵方程进行最小均方误差（LS）的求解，即

Aθ＝ν+p_n (0.4)

其中

A = [\begin{matrix} x_{m} - x_{f} & y_{m} - y_{f} & {\hat{r}}_{f} - {\hat{r}}_{m} \\ \cdot \cdot \cdot \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \end{matrix}],

θ = [\begin{matrix} x \\ y \\ Δ \end{matrix}],

v = \frac{1}{2} {[(x_{m}^{2} + y_{m}^{2} - {\hat{r}}_{m}^{2}) - (x_{f}^{2} + y_{f}^{2} - {\hat{r}}_{f}^{2})]}_{(M - 1) \times 3} .

在θ中，Δ为测量伪距的未知偏差，xy为待测的手机坐标值。式(0.4)的解可以表示为

θ＝(A^TΣ^-1A)^-1A^TΣ^-1ν (0.5)

Σ为测距的协方差矩阵。

最后，定位问题的半正定规划求解：

通过LS方法求解(0.5)时，需要进行多次的矩阵求逆的运算，这种运算速度慢，且存在不可解以及陷入局部最优解的问题。采用矩阵的半正定规划（SDP）的方法通过将原始的非凸的优化问题通过半正定约束，松弛为凸优化的问题，从而获得全局最优解。

定义待测量位置的目标坐标为

y = {[\begin{matrix} x & y \end{matrix}]}^{T},

锚节点的坐标矩阵为x_m，距离的测量值为r_m，伪距的未知偏差为Δ。则原始的定位优化问题可以描述为最小化通过坐标计算出的距离与测量的距离差，即

min(||y-x_m||₂-(r_m-Δ)²) (0.6)

式(0.6)是一个非凸的优化问题，其求解的目标为

y = {[\begin{matrix} x & y \end{matrix}]}^{T} .

将其转化为SDP问题，可以表示为

\underset{y, Y, Δ, Δ}{\min t}

s.t.-t＜T₁-T₂＜t

T_{1} = Trace ([\begin{matrix} I & y \\ y^{T} & Y \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{m} x_{m}^{T} & - x_{m} \\ - x_{m}^{T} & 1 \end{matrix}]) - - - (0.7)

T_{2} = Trace ([\begin{matrix} I & r_{m} \\ r_{m}^{T} & r_{m} r_{m}^{T} \end{matrix}] [\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{Δ} & - Δ \\ - Δ & 1 \end{matrix}]), &ForAll; m = 1, . . ., M

[\begin{matrix} I & y \\ y^{T} & Y \end{matrix}] &GreaterEqual; 0

[\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{Δ} & - Δ \\ - Δ & 1 \end{matrix}] &GreaterEqual; 0

通过(0.7)式可以估计出待测量位置的目标坐标为y的位置。

本发明利用手机麦克风接收所述***发出的音频信号来定位，充分利用现有智能手机作为信号接收和处理模块，省去了专门的信号接收和处理模块，整个定位***结构简单，造价低的优点。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种基于智能移动设备的定位***，其特征在于，所述***包括：

智能移动设备，包括麦克风和处理器，其中，

数据库，用来存储***ID及所述***ID对应的***的绝对坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能移动设备的定位***，其特征在于，所述时间计算模块进一步包括，音频信号解析单元、TOA测量单元和TOA估计单元；其中，

3.根据权利要求1或2所述的一种基于智能移动设备的定位***，其特征在于，所述音频信号的频段为15Khz到24Khz。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于智能移动设备的定位***，其特征在于，所述音频信号的基带宽为1Khz。

5.根据权利要求1－4任一所述的一种基于智能移动设备的定位***，其特征在于，所述***采用BPSK或正交编码生成所述音频信号。

6.根据权利要求1－5任一所述的一种基于智能移动设备的定位***，其特征在于，多个所述***的ID通过不同的多用户正交码标识。

7.根据权利要求1－6任一所述的一种基于智能移动设备的定位***，其特征在于，每个所述***均包括一个时间同步单元，用于同步或协调多个所述***的广播时间。

8.根据权利要求1－7任一所述的一种基于智能移动设备的定位***，其特征在于，所述智能移动设备为手机或PDA或Tablet或笔记本电脑。

9.一种权利要求1-8任一所述基于智能移动设备的定位***实现的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种基于智能移动设备的定位方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括如下步骤：

11.根据权利要求9或10所述的一种基于智能移动设备的定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述***进行BPSK或正交编码生成音频信号。

12.根据权利要求9-11任一所述的一种基于智能移动设备的定位方法，其特征在于，步骤S1中，通过多用户正交码标识不同的所述***ID。

13.根据权利要求9-12任一所述的一种基于智能移动设备的定位方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，还包括对每个所述***的广播时间进行同步或协调的步骤。