CN110389343A - 基于声波相位的测距方法、测距***及三维空间定位*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声波相位的测距方法、测距***及三维空间定位***。该测距方法中，首先在移动设备与声源之间实现声波的相位同步；然后测量移动设备与声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。与现有技术相比较，本发明具有测量精度高、测距范围大等优点，能够在存在多径干扰的情况下，计算相位在移动过程中的卷绕次数和接收端接收到的当前相位和初始相位之差，实现高精度的距离测量，在无线通信、虚拟现实/增强现实以及无人机等领域具有广泛的应用前景。

Description

基于声波相位的测距方法、测距***及三维空间定位***

技术领域

本发明涉及一种基于声波相位的测距方法，同时涉及一种基于声波相位的测距***，还涉及一种基于该测距方法实现的三维空间定位***，属于无线定位技术领域。

背景技术

无线定位技术根据定位方式的不同，可以分为基于测距和无需测距两种方法。基于测距的方法主要是通过测量节点之间的距离或者角度，使用三边测量法、三角测量法或最大似然法等定位算法来估算未知节点的位置；无需测距的方法主要利用空间几何关系或者网络多跳路由来完成定位，例如质心算法、凸规划算法等。

现有基于移动设备(包括但不限于智能手机、智能手表、个人电脑等)的测距技术主要可以分为三类：第一类是基于Wi-Fi信号的测距，例如基于Wi-Fi信号的信号强度进行测距，或者基于Wi-Fi信号的信道状态信息(Channel State Information)进行测距等；第二类是基于声波的反射波进行测距，即首先计算发射信号与目标物体的反射信号的时间差或者相位差，然后计算目标物体的距离；第三类是基于声波的多普勒效应进行测距，即利用声源发送频率变化的声波，接收端通过计算每个声源的多普勒效应，并结合接收端内部的传感器，判断接收端的移动方向和距离。

上述的各类测距技术都存在一定的局限性。例如，基于多普勒效应的测距技术受到多普勒效应的分辨率的影响，只有速度较快的移动才能被识别，因此测量的精度有限，并且声源发送频率变化的声波，容易产生噪声。又如，在基于声波的反射波的测距技术中，由于受到音频采集模块的采样频率限制，精确度较低，同时受到音频采集模块的功率限制与多径反射噪声的影响，测距范围也不能满足用户多元化的需求。另外，基于相位同步原理的测距技术要求接收端对发射端有反馈信号，以便构成稳定的闭环链路。然而在生活中，常用的移动设备，例如智能手机，与声源之间并不存在某种反馈。这使得基于相位同步原理的测距技术不能直接应用在使用移动设备进行测距的场景中。

Mao W,He J,Qiu L等在论文《CAT:high-precision acoustic motion tracking》(发表于International Conference on Mobile Computing and NETWORKING.ACM,2016:69-81.)中，提出了利用扬声器阵列实现手机位置测量的技术方案。该论文中利用多普勒效应，接收手机的内部传感器，实现智能手机与扬声器之间位置的相位测量。但是，该论文只是将手机与音响之间进行了粗同步，并且多普勒的分辨率较低，精度受到了明显限制。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于声波相位的测距方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种基于声波相位的测距***。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种基于上述测距方法实现的三维空间定位***。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于声波相位的测距方法，包括如下步骤：

⑴在移动设备与声源之间实现声波的相位同步；

⑵测量所述移动设备与所述声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。

其中较优地，所述步骤⑴中，利用信号传输线直接连接移动设备与声源，实现所述移动设备与所述声源之间的相位同步。

其中较优地，所述步骤⑴中，对移动设备的接收信号v₀进行带通滤波，使v₀中具有ω′频率的信号通过，得到信号v′₀；基于信号v′₀产生正交信号q₁v′₀和q₂v′₀；在相位检测环节中利用自动控制模块的输出ω″作为输入，对q₁v′₀和q₂v′₀中频率为ω″的载波进行相位检测，得到正交的相位信号d₁v′₀和d₂v′₀；解调d₁v′₀和d₂v′₀中的相位信息，得到当前v′₀中ω′频率信号的当前相位θ；利用频率值ω和当前相位θ作为输入，动态调整估计值ω′使θ在0附近趋于稳定，实现移动设备与声源之间的相位同步。

其中较优地，所述正交信号通过信号延时1/4个周期实现；或者，通过希尔伯特变换实现；或者，通过二阶广义积分器实现。

其中较优地，所述相位检测环节中，将输入信号与其正交信号相乘，经过低通滤波后得到信号的相位信息。

其中较优地，所述相位检测环节中，基于旋转坐标变换提取相位信息，实现相位检测。

其中较优地，所述移动设备与所述声源之间的距离R_d通过如下公式获得：

其中，R₀为初始位置的距离，v_s代表当前环境下声波的传播速度，ω′代表声波的角频率，Δθ为声波相位差。

其中较优地，所述声波相位差Δθ通过如下公式获得：

Δθ＝2πk+θ₁，

其中，θ₁是相位在当前周期内的值与初始相位θ₀的差，k为相位卷绕的次数。

其中较优地，所述相位卷绕的次数k通过如下步骤获得：

首先将接收的每一帧的信号送入一个滑动数据窗口；在该滑动数据窗口内，检测是否存在波峰和波谷；如果存在，则记录波峰和波谷的位置，如果滑动数据窗口内同时存在波峰和波谷，并且所述波峰和波谷在之前的滑动数据窗口内未被检测，则根据所述波峰和波谷的位置判断k值是增加1还是减少1，否则K值保持不变；其中，如果波峰在波谷之前，则K值加1；如果波峰在波谷之后，则K值减1，然后标记所述波峰和波谷已经被检测。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于声波相位的测距***，包括移动设备与声源，还包括处理器和存储器；

所述处理器读取存储器中的计算机程序，用于执行以下操作：

在所述移动设备与所述声源之间实现声波的相位同步；

测量所述移动设备与所述声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。

其中较优地，所述处理器中包括带通滤波器、正交信号产生模块、相位检测模块、相位解调模块和自动控制模块；其中，

所述带通滤波器对移动设备的接收信号v₀进行带通滤波，使v₀中具有ω′频率的信号通过，得到信号v′₀；所述正交信号产生模块基于信号v′₀产生正交信号q₁v′₀和q₂v′₀；所述相位检测模块利用所述自动控制模块的输出ω″作为输入，对q₁v′₀和q₂v′₀中频率为ω″的载波进行相位检测，得到正交的相位信号d₁v′₀和d₂v′₀；所述相位解调模块解调d₁v′₀和d₂v′₀中的相位信息，得到当前v′₀中ω′频率信号的当前相位θ；所述自动控制模块利用频率值ω和当前相位θ作为输入，动态调整估计值ω′使θ在0附近趋于稳定，实现移动设备与声源之间的相位同步。

其中较优地，所述正交信号发生模块包括第一SOGI单元和第二SOGI单元；其中，第一SOGI单元的输入端口对应信号v₁和ω′，输出端口对应信号q₁v′₁和q₂v′₁；第二SOGI单元的输入端口对应信号q₂v′₁和ω′，输出端口对应信号q₂′v′₁。

或者，所述正交信号生成模块所生成的正交信号由正弦和余弦信号生成器根据所述自动控制模块输出的参数ω′分别生成。

其中较优地，所述自动控制模块由离散时间积分器和比例-积分-微分器组成。

其中较优地，所述带通滤波器为自适应带通滤波器时，所述相位检测模块基于Park变换实现；所述带通滤波器的工作参数固定时，所述相位检测模块为一对低通滤波器。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种三维空间定位***，包括定位基站和待定位设备，所述定位基站的内部包括至少一个声源，所述待定位设备包括音频采集模块；该***在三维空间定位过程中，通过如下步骤实现测距：

⑴在所述声源与所述音频采集模块之间实现声波的相位同步；

⑵测量所述音频采集模块与所述声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。

与现有技术相比较，本发明具有测量精度高、测距范围大等优点，能够在存在多径干扰的情况下，计算相位在移动过程中的卷绕次数和接收端接收到的当前相位和初始相位之差，实现高精度的距离测量，在无线通信、虚拟现实/增强现实以及无人机等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为实现空口相位同步的***结构图；

图2为基于声波相位的测距方法原理图；

图3为基于滑动数据窗口的解卷绕方法流程图；

图4为本发明的实施例1中，实现空口相位同步的示意图；

图5为测量误差的累积分布函数示意图；

图6为本发明的实施例2中，实现空口相位同步的示意图；

图7为基于声波相位的测距***模块图；

图8为采用上述测距方法的三维空间定位***示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案展开详细具体的说明。

首先需要说明的是，本发明中所说的移动设备可以是常见的智能手机、智能手表、平板电脑等。声源可以是智能手机、智能手表、个人电脑、电视、游戏主机等各种声波发射设备。这里的声波可以是20kHz以上的超声波，也可以是低于20kHz亚超声波，还可以是电磁波等。

在现实生活中，由于不同的移动设备之间在硬件上存在差异，例如***时钟的差异，导致声源与移动设备之间的相位并不是同步的。移动设备与声源之间的相位会随着时间的变化而变化，很难利用传统的方法实现声源与移动设备之间音频相位的同步。在我们大量的观察中，发现移动设备与声源之间的相位差随着时间呈线性的变化趋势，具体说明如下：

为了分析方便，假设声源的相位为固定值，不影响计算结果。相位差的不规则变化来自于移动设备与声源的不同步。于是，在一定范围内，声源发射某一固定频率的声波，移动设备接收该声波，可以将移动设备接收到声波的相位与声源的声波相位之差θ表示为θ＝θ_a(t)-θ_b+φ_a(t)。

其中，θ_a(t)为移动设备侧的声波相位；θ_b为声源侧的声波相位，我们假设为固定值。在大量实验和观察中，发现φ_a(t)是一个随着时间缓慢变化的函数，这个函数变化很缓慢，在一定时间内中近似保持不变，并且θ_a(t)这是一个随着时间线性变化的信号。在一定距离内，在声源与移动设备之间的距离不发生变化的时候，近似认为θ＝at，其中a是常数。通过实验可证明，存在合适的常数a，在20分钟内，这种相位漂移变化可以控制在2π以内。

由于声源与移动设备的相位差随着时间呈线性变化，我们在频域上可以看成，其中f_a为移动设备接收到声波的频率，f_b为声源发射声波的频率。由于a是常数，并且频率差异很小(小于0.05Hz)，传统方法如快速傅里叶变换，需要大量的采样点才能够测量到如此小的频率差异，因此不能满足测距技术实用性的要求。

为此，本发明首先提出了一种基于声波相位的测距方法，旨在解决现有的声波测距方法及设备受噪声影响较大而测量精度低的技术问题。该测距方法首先实现了移动设备与声源之间声波的相位同步，然后计算并测量移动设备与声源之间的声波相位变化(相位差)，获得移动设备与声源的距离。下面对此展开详细具体的说明。

为了实现基于相位差的高精度声波测距，首先需要使移动设备与声源进行相位同步。实现相位同步的具体方式可以是：

1.基于有线连接的同步方式

基于有线连接的同步方式包括如下步骤：利用信号传输线直接连接声源与移动设备，使声源所发出的声波信号与移动设备的音频采集模块之间实现同步。这种同步方式不需要额外的同步算法，可以直接进入后续的相位差检测步骤，但不足之处在于连接范围有限，应用场景受到极大限制。

2.基于自动控制技术的空口相位同步方式

实现空口相位同步的***结构图如图1所示。其中，带通滤波器用于对移动设备的接收信号v₀进行带通滤波，使v₀中具有ω′频率的信号通过，滤除其他频率的信号，得到信号v′₀。该带通滤波器可以是一般的带通滤波器，也可以是根据输入ω′自适应带通频率的带通滤波器。由于单信号(或单声道)相位同步的核心思想是通过一定的途径获得与信号v′₀正交的参考信号，然后通过这两个信号包含的信息提取频率与相位。因此接下来，利用图1中的正交信号产生模块获得正交信号q₁v′₀和q₂v′₀。该正交信号产生模块，可以通过信号延时1/4个周期的方式实现，也可以通过希尔伯特变换的方式实现，还可以通过二阶广义积分器(Second order generalized integrator，SOGI)实现(后续实施例中有进一步的详细说明)。

为了从正交信号q₁v′₀和q₂v′₀中解调出移动设备需要获得的相位，首先需要进行相位检测，这也就是获得正交相位信号d₁v′₀和d₂v′₀的技术环节。该技术环节可以通过不同方法予以实现，具体说明如下：

1.基于静止坐标系的方法

基于静止坐标系的方法是将输入信号与其正交信号相乘，经过低通滤波器后得到信号的相位信息。这种方法所产生的二倍频率的信号需要低通滤波器将其滤除，然后通过相位解调技术，得到当前信号的相位。

在该方法中，低通滤波器的引入将使自动控制过程中产生较大的延时。同时，低通滤波器的截止频率如果设置过低，将会影响自动调节过程，如果设置过高，将不会获得满足要求的滤波效果，整个***将会受到噪声信号的影响。

2.基于旋转坐标变换的方法

基于旋转坐标变换的方法是利用自动控制模块的输出信号ω″作为输入信号，采用Park变换的方法对q₁v′₀和q₂v′₀中频率为ω″的载波进行相位检测，得到正交的相位信号d₁v′₀和d₂v′₀。

相对于基于静止参考坐标的方法，基于旋转坐标变换的方法具有动态性能较好的优点。

在本发明实施例中，相位解调模块实现反正切(arctan)变换，用于解调d₁v′₀和d₂v′₀中的相位信息，得到当前v′₀中ω′频率信号的当前相位θ。因此，该相位解调模块也称为反正切(arctan)模块。

自动控制模块利用由用户提供的频率值ω和相位解调模块输出的相位信号θ作为输入，动态调整估计值ω′使θ在0附近趋于稳定。该自动控制模块可以使用比例-积分-微分(简写为PID)的控制方法，也可以使用基于人工神经网络的控制方法，还可以使用模糊逻辑控制的方法。当ω′≈ω₀后，认为移动设备与声源的音频相位是近似同步的，进入距离测量的步骤。

接下来，设置自动控制模块的PID输出参数ω′为固定值，不再随着PID的输入θ的改变而改变，此时记录相位值为初始相位θ₀。

假设移动设备的初始位置已知，随着移动设备的移动，移动设备的音频采集模块与声源距离也随着移动。这时，接收到的声波相位发生周期性的变化。通过进行相位解卷绕，结合当前周期内的相位的值，可以精确获得移动设备距离声源的距离。

如图2所示，由于距离变化，引起相位θ发生变化，当前位置与初始位置相位差可以表示为

Δθ＝2πk+θ₁，

其中，θ₁是相位在当前周期内的值与初始相位θ₀的差；k为相位卷绕的次数，在测量的过程中自动计算。当相位从0跳变至2π的时候，k值加1，当相位从2π跳变至0时，k值减1。在理想情况下，k值可以通过解卷绕的方式来获得。

移动设备与声源之间的距离R_d与相位差的公式可以表示为：

其中，R₀为初始位置的距离，在实际应用中可以利用参照物求得，v_s代表当前环境下声波的传播速度，ω′代表声波的角频率。

在实际的室内环境中，较远的距离(大于5米)由于受到多径干扰，所提取的相位θ可能会产生误差，这会导致上述基于声波相位的测距方法会丢失一些相位的跳变，造成测量误差。针对多径效应，本发明中进一步提出了一种基于滑动数据窗口局部极值的解卷绕方法，用于代替直接进行相位解卷绕，调整上述的k值。下面对此展开具体说明：

在多次实验观察中，我们发现多径效应在所提取相位θ中的表现是：相位在某些位置不发生从2π至0或者从0至2π的相位跳变，而且产生一个波峰或者波谷。具体地说，从2π至0的相位跳变过程中，会首先产生一个波峰，然后产生一个波谷；从0至2π的相位跳变过程中，会首先产生一个波谷，然后产生一个波峰。如果采用直接进行解卷绕的方法，这个相位跳变的位置将会被认为是移动设备反向移动，而且不是k值的改变。所以，本发明针对这种多径干扰可能带来的测量误差的情况，提出了一种新的解卷绕方法，利用滑动计算局部的波峰和波谷来调整k的值。需要说明的是，在多径效应比较明显的环境中，仍然存在从2π至0或者从0至2π的相位跳变，其中从2π至0的相位跳变，本发明中定义为波峰紧接着一个波谷，从0至2π的跳变，本发明中定义为波谷紧接着一个波峰。

如图3所示，在本发明所提供的解卷绕方法中，首先将接收的每一帧的信号，送入一个滑动数据窗口。在该滑动数据窗口内，检测是否存在符合上述定义的波峰和波谷。如果存在，则记录波峰和波谷的位置，如果滑动数据窗口内同时存在波峰和波谷，并且这些波峰和波谷在之前的滑动数据窗口内未被检测，则根据这些波峰和波谷的位置判断k值是增加1还是减少1，否则K值保持不变。在上述步骤中，如果波峰在波谷之前，则K值加1；如果波峰在波谷之后，则K值减1。然后，标记这些波峰和波谷已经被检测。

最后，利用上述公式Δθ＝2πk+θ₁计算当前位置与初始位置的相位差，并利用公式计算移动设备与声源之间的距离。

需要说明的是：通过设置合适的滑动数据窗口大小，可以区分波峰和波谷是由相位卷绕引起还是人为移动引起。例如，设置50采样点的滑动数据窗口大小，使用18kHz的载波频率，在48kHz的采样频率下，只有移动设备以大约100m/s的速度的在1cm内的来回移动，才会被误判为相位卷绕。

下面，通过两个实施例对本发明所提供的测距方法进行进一步的说明。下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

在实施例1中，通过修改二阶广义积分器锁相环的结构和参数，使其满足本测距方法提出的要求，从而实现移动设备与声源之间的相位高精度同步。下面对此展开具体说明：

在本发明所提供的测距方法中，为了基于旋转坐标变换实现相位检测，Park变换需要一对所求信号的正交信号作为输入端。为了便于实现并提高整个***的动态性能，本实施例采用二次广义积分器(简写为SOGI模块)作为正交信号发生模块。

参见图4所示，该实施例中的SOGI模块包括第一SOGI单元(简写为SOGI-1)和第二SOGI单元(简写为SOGI-2)，其中SOGI-1的输入端口对应图4中的v₁和ω′，输出端口对应q₁v′₁和q₂v′₁。SOGI-2的输入端口对应图4中的q₂v′₁和ω′，输出端口对应q₂′v′₁，SOGI-2的另外一个输出端不使用。

在SOGI-1中，v₁和q₁v′₁表示的是一个中心角频率ω′的带通滤波器的输入和输出，其频带宽与谐振角频率ω′无关；v₁和q₂v′₁表示的是一个截止频率为ω′的低通滤波器的输入与输出，其稳态增益与谐振频率ω′无关。此外，q₁v′₁信号的相位与输入信号v₁中频率为ω′的信号相位一致，输出信号q₂v′₁总是滞后q₁v′₁信号90度。由于q₂v′₁包含低频的噪声信号，通过滤波器级联的SOGI-2生成q₂′v′₁，从而实现q₂′v′₁和q₁v′₁构成一对只包含ω′频率的正交信号，输出信号q′₂v′₁总是滞后q₁v′₁信号90度。v₁可以看成一个中心角频率为ω′的带通滤波器的输入，q′₂v′₁和q₁v′₁可以看成一个中心角频率为ω′的带通滤波器的输出。因此，整个SOGI模块具有2个输入端口和2个输出端口，构成了一个自适应的带通滤波和正交信号生成模块。

在实施例1中，基于旋转坐标变换提取相位信息，实现相位检测。如图4所示，αβ/dq模块表示Park变换，用作相位检测模块。由上文可知，q₁v′₁是v₁中ω′角频率的分量，q′₂v′₁与q₂v′₁的频率一致，q′₂v′₁的相位总是滞后q₂v′₁的相位90度。q₁v′₁和q′₂v′₁是一对正交的信号，作为Park变换的输入。q₁v′₁可以表示为：q₁v′₁(t)＝Acos(ω₀t+θ)，q′₂v′₁可以表示为：q′₂v′₁(t)＝Asin(ω₀t+θ)，ω₀＝2πf_a，其中A表示输入信号的幅度，θ表示输入信号的相位，ω₀表示接收信号的实际角频率，f_a是接收信号的实际频率。

通过如下的Park变换：

其中，ω″是以ω′为角频率的振荡信号，d₁v′₁和d₂v′₁是Park变换的输出。通过对上述观测结构进行信号***分析可知，如果ω′≈ω₀，也就是ω″的振荡频率大约是ω₀，则：

d₁v′₁＝Asin(ω″-ω₀t-θ)≈-Asin(θ)

d₂v′₁＝Acos(ω″-ω₀t-θ)≈Acos(θ)。

在图4中，反正切(arctan)模块的输入为-d₁v′₁和d₂v′₁，然后对其输入进行反正切计算，得到输入信号v₁的当前相位θ，θ的范围是[0,2π]。因此，该反正切(arctan)模块也构成相位解调模块。由于声源与移动设备之间是不同步的，这时的相位是随着时间变化的，不能用来计算距离。

为此，在实施例1中利用比例-积分-微分(简写为PID)控制的方法实现移动设备与声源之间的相位同步过程中的自动控制。参见图4所示，在实施例1中由离散时间积分器(简写为DTI)和PID共同构成自动控制模块。该自动控制模块根据输入信号θ的变化以及角频率的值ω，对角频率估计值ω′进行自动调节，使ω′满足ω′≈ω₀条件，从而实现声源与移动设备之间的相位同步。

等自动控制模块的相位同步工作完成，此时Park变换的输出θ稳定在0附近波动，并且PID的输出ω′也是在一个恒定值附近波动。此时，我们认为这个恒定值约等于输入信号的角频率ω₀，也就是ω′≈ω₀。然后，保持PID的输出不变，一边改变移动设备(例如手机)的位置一边计算Park变换的输出θ，利用基于滑动数据窗口局部极值的解卷绕方法，计算θ在移动过程中的卷绕次数k，以及在一个周期内的当前相位与初始位置的相位差θ₁，可以求得当前位置与初始位置的相位差总和为：Δθ＝2πk+θ₁。假设通过查表得到：在当前环境下，声波的传输速度v_s为340m/s。将上述代入公式，

其中，R_d为移动设备的当前距离。

在图4所示的实施例1中，假设声源位置固定，并放置在卷尺的0mm处。移动设备为一部手机，放置在10mm处，记录该位置作为初始位置，即R₀＝10。声源播放载波频率f_b为18kHz的亚超声波。手机通过话筒接收该声波，将接收到的声波信号v₁输入上述的SOGI模块。同时，将自动控制模块的输入量，即频率值ω设置为2π·18k rad/s。经过计算，得到接收信号的实际频率为18000.0032Hz。

在一定范围内，我们将本测距方法的测量结果与卷尺上实际距离做比较，经过分析，得到数据的累积分布函数(cumulative distribution function，简写为CDF)如图5所示。从图5可以看出，在一定范围内，本测距方法的测量结果误差中值是1.5mm，并且百分之九十的测量结果的误差在2mm以内。该测量结果充分说明本发明所提供的声波相位的测距方法是确实可用的。

实施例2：

在实施例2中，使用固定参数的带通滤波器和基于静止坐标系的相位检测方法实现本测距方法。下面对此展开具体说明：

如图6所示，假设带通滤波器的中心角频率为ω，为用户给定，在整个***运行过程中保持不变，输出v′₂为输入信号v₂中角频率为ω的信号分量，假设v′₂(t)＝Asin(ω₀t+θ)，ω₀＝2πf_a，其中A表示输入信号的幅度，θ表示输入信号的相位，ω₀表示信号的实际角频率，f_a是接收到的实际信号频率。

其中，正弦和余弦信号生成器结合自动控制模块输出的角频率估计值ω′，构成正交信号生成模块，用于生成正弦信号sin(ω′t)与余弦信号cos(ω′t)。通过将v′₂与cos(ω′t)相乘，得到q₁v′₂，通过将v′₂与sin(ω′t)相乘，得到q₂v′₂，计算过程如下所示：

q₁v′₂＝cos(ω′t)·Asin(ω₀t+θ)

＝A·(sin(ω′t+ω₀t+θ)-sin(ω′t-ω₀t-θ))/2

q₂v′₂＝sin(ω′t)·Asin(ω₀t+θ)

＝A·(cos(ω′t-ω₀t-θ)-cos(ω′t+ω₀t+θ))/2。

当ω′≈ω₀时，得到：

q₁v′₂≈A·(sin(2ω₀t+θ)+sinθ)

q₂v′₂≈A·(cosθ+cos(2ω₀t+θ))。

由于q₁v′₂，q₂v′₂均包含2倍ω₀角频率的信号，需要经过低通滤波器滤除。将q₁v′₂，q₂v′₂信号分别经过一个低通滤波器，进行低通滤波，分别得到信号d₁v′₂和d₂v′₂，可以表示成：

d₁v′₂≈A·sinθ

d₂v′₂≈A·cosθ。

故d₁v′₂和d₂v′₂构成一对包含相位信息的正交信号。这里的一对低通滤波器起到了相位检测的作用。

通过反正切(arctan)模块对d₁v′₂和d₂v′₂进行反正切变换，解调信号的当前相位θ，θ的范围是[0,2π]。因此，该反正切(arctan)模块也构成相位解调模块。由于声源与移动设备之间是不同步的，这时的相位是随着时间变化的，并不能用来计算距离。

接下来，在实施例2中利用比例-积分-微分(简写为PID)控制的方法实现移动设备与声源之间的相位同步过程中的自动控制。参见图6所示，在实施例2中由离散时间积分器(简写为DTI)和PID共同构成自动控制模块。该自动控制模块根据输入信号θ的变化以及角频率的值ω，对角频率估计值ω′进行自动调节，使ω′满足ω′≈ω₀条件，从而实现声源与移动设备之间的相位同步。

等自动控制模块的相位同步工作完成，此时Park变换的输出θ稳定在0附近波动，并且PID的输出ω′也是在一个恒定值附近波动。此时，我们认为这个恒定值约等于输入信号的角频率ω₀，也就是ω′≈ω₀。然后，保持PID的输出不变，一边移动移动设备(例如手机)一边计算Park变换的输出θ，利用基于滑动数据窗口局部极值的解卷绕方法，计算θ在移动过程中的卷绕次数k，以及在一个周期内的当前相位与初始位置的相位差θ₁，可以求得当前位置与初始位置的相位差总和为：Δθ＝2πk+θ₁。假设通过查表得到：在当前环境下，声波的传输速度v_s为340m/s。将上述代入公式，

其中，R_d为移动设备的当前距离。

在图6所示的实施例2中，假设声源位置固定，并放置在卷尺的0mm处。移动设备为一部手机，放置在10mm处，记录该位置作为初始位置，即R₀＝10。声源播放载波频率f_b为18kHz的亚超声波。手机通过话筒接收该声波，将接收到的声波信号v₁输入上述的SOGI模块。同时，将自动控制模块的输入量，即频率值ω设置为2π·18k rad/s。

在上述的实施例2中，所采用的带通滤波器的工作参数为固定值，不具有自适应的特点。在接收多个频率的信号的时候，容易受到邻近频率的信号的干扰。而实施例1中采用的是自适应带通滤波器，能够根据用户提供的频率值ω，在ω附近寻找合适的频率进行滤波，具有自适应的特点。而且，实施例2由于是基于静止坐标系的相位检测方法，需要采用多级滤波器，因此***时间延时较大。综合上面两方面的因素，实施例1采用的测距方法优于实施例2。

需要强调的是，虽然上述实施例都是针对声源固定、移动设备移动的场景。但上述实施例所提供的测距方法毫无疑问地可以应用于移动设备作为声源、接收端固定的情景，也可以应用在移动设备与声源同时移动的场景。而且，该测距方法所使用的声波信号也可以改成电磁波信号。这些都是本领域普通技术人员容易实现的常规变换，在此就不具体说明了。

进一步地，本发明还提供一种基于声波相位的测距***。如图7所示，该测距***除了包括移动设备与声源之外，还包括处理器和存储器。此外，还可以根据实际需要进一步包括电源组件、多媒体组件及输入/输出接口等。在本发明的实施例中，该存储器可以是静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、磁存储器、快闪存储器等，处理器可以是中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理(DSP)芯片等。其它电源组件、多媒体组件等均可以采用现有个人电脑中的通用部件实现，在此就不具体说明了。

在上述的测距***中，处理器读取存储器中的计算机程序，用于执行以下操作：在所述移动设备与所述声源之间实现声波的相位同步；测量所述移动设备与所述声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。

作为优选方案之一，处理器中包括带通滤波器、正交信号产生模块、相位检测模块、相位解调模块和自动控制模块；其中，所述带通滤波器对移动设备的接收信号v₀进行带通滤波，使v₀中具有ω′频率的信号通过，得到信号v′₀；所述正交信号产生模块基于信号v′₀产生正交信号q₁v′₀和q₂v′₀；所述相位检测模块利用所述自动控制模块的输出ω″作为输入，对q₁v′₀和q₂v′₀中频率为ω″的载波进行相位检测，得到正交的相位信号d₁v′₀和d₂v′₀；所述相位解调模块解调d₁v′₀和d₂v′₀中的相位信息，得到当前v′₀中ω′频率信号的当前相位θ；所述自动控制模块利用频率值ω和当前相位θ作为输入，动态调整估计值ω′使θ在0附近趋于稳定，实现移动设备与声源之间的相位同步。

作为优选方案之二，正交信号发生模块包括第一SOGI单元和第二SOGI单元；其中，第一SOGI单元的输入端口对应信号v₁和ω′，输出端口对应信号q₁v′₁和q₂v′₁；第二SOGI单元的输入端口对应信号q₂v′₁和ω′，输出端口对应信号q₂′v′₁。或者，正交信号生成模块所生成的正交信号由正弦和余弦信号生成器根据所述自动控制模块输出的参数ω′分别生成。

作为优选方案之三，所述自动控制模块由离散时间积分器和比例-积分-微分器组成。

作为优选方案之四，所述带通滤波器为自适应带通滤波器时，所述相位检测模块基于Park变换实现；所述带通滤波器的工作参数固定时，所述相位检测模块为一对低通滤波器。

上述测距***中的移动设备可以是常见的智能手机、智能手表、平板电脑等。声源可以是智能手机、智能手表、个人电脑、电视、游戏主机等各种声波发射设备。声波可以是20kHz以上的超声波，也可以是低于20kHz亚超声波，还可以是电磁波等。

另一方面，虚拟现实(简写为VR)技术与增强现实(简写为AR)技术在人们生活中的应用得越来越广泛，需要更加经济、更加精确地实现人机交互。在VR/AR(虚拟现实/增强现实)技术中，进行三维空间内高精度的距离测量是实现人机交互中最为基本的，也是最为重要的关键技术之一。

在本发明的一个实施例中，所提供的三维空间定位***包括定位基站和待定位设备两部分，主要用作VR/AR(虚拟现实/增强现实)或者无人机组件。其中，定位基站的内部除了常规的运算模块之外，至少还包括两个相互垂直、不断旋转的电机、激光发射源(优选为面发射型)和至少一个用于测距的声源(优选发射超声波)。待定位设备优选为手柄或者头盔，其内部包括感光模块(例如光电管)、通信模块和音频采集模块等。待定位设备通过通信模块不断与定位基站交换信息，并解算感光模块(例如光电管)和音频采集模块上各个传感器传输的数据，提供实际应用中所需的精确定位服务。

如图8所示，将定位基站内带动两个激光平面旋转的电机所在的旋转轴定义为两个坐标轴(X、Y)，两个坐标轴的交点位置为原点，同时也是声源所在的位置。声源以垂直于两个坐标轴所在平面发射声波信号，假设声波发射的方向为Z轴，则可建立一个三维空间坐标系。在三维空间坐标系中的待定位设备接收激光信号和声波信号，即可以在理论上得到待定位设备的精确位置。其中，在三维空间定位过程中，通过如下步骤可以获得声源和音频采集模块之间的精确距离，进而获得定位基站和待定位设备之间的空间距离：在声源与音频采集模块之间实现声波的相位同步；测量音频采集模块与声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。

在图8所示的三维空间定位***中，横向电机和纵向电机分别绕着转轴O₁O₂和O₃O₄做角匀速旋转运动。两个激光发射源发射的激光束分别照射光学透镜(例如一字透镜)表面，形成两个垂直的激光平面；电机转动带动光学透镜一起做匀速旋转运动，在三维空间内形成不断旋转的激光平面；声源与音频采集模块为定位提供距离约束信息。定位基站与待定位设备在运行过程中，不断通过通信模块进行时间同步对齐，使得整个三维空间定位设备拥有同一个时钟基准。当待定位设备中的光电管与不断旋转的激光平面恰好共面时，待定位设备感知到激光束的光信号并标定当前时刻(称之为时间戳)，因此根据事件触发的时间戳，定位基站/待定位设备可以解算出当前激光平面旋转的角度，即确定待定位设备的方位信息。

需要说明的是，图8中所示的三维空间定位***仅仅是常用的三维空间定位***中的一个示例，本发明所提供的基于声波相位的测距方法显然还可以用在其他种类的三维空间定位***中，用于实现精确的空间距离测量。另外，当三维空间定位***中的声源和音频采集模块部署有多组时，还可以用于实现待定位设备的三维空间行为感知。

与现有技术相比较，本发明具有测量精度高、测距范围大等优点，能够在存在多径干扰的情况下，计算相位在移动过程中的卷绕次数和接收端接收到的当前相位和初始相位之差，实现高精度的距离测量，在无线通信、虚拟现实/增强现实以及无人机等领域具有广泛的应用前景。

上面对本发明所提供的基于声波相位的测距方法、测距***及三维空间定位***进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (18)

1.一种基于声波相位的测距方法，其特征在于包括如下步骤：

⑴在移动设备与声源之间实现声波的相位同步；

⑵测量所述移动设备与所述声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。

2.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于：

所述步骤⑴中，利用信号传输线直接连接移动设备与声源，实现所述移动设备与所述声源之间的相位同步。

3.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于：

所述步骤⑴中，对移动设备的接收信号v₀进行带通滤波，使v₀中具有ω′频率的信号通过，得到信号v₀′；基于信号v₀′产生正交信号q₁v₀′和q₂v₀′；在相位检测环节中利用自动控制模块的输出ω″作为输入，对q₁v₀′和q₂v₀′中频率为ω″的载波进行相位检测，得到正交的相位信号d₁v₀′和d₂v₀′；解调d₁v₀′和d₂v₀′中的相位信息，得到当前v₀′中ω′频率信号的当前相位θ；利用频率值ω和当前相位θ作为输入，动态调整估计值ω′使θ在0附近趋于稳定，实现移动设备与声源之间的相位同步。

4.如权利要求3所述的测距方法，其特征在于：

所述正交信号通过信号延时1/4个周期实现；或者，通过希尔伯特变换实现；或者，通过二阶广义积分器实现。

5.如权利要求3所述的测距方法，其特征在于：

所述相位检测环节中，将输入信号与其正交信号相乘，经过低通滤波后得到信号的相位信息。

6.如权利要求3所述的测距方法，其特征在于：

所述相位检测环节中，基于旋转坐标变换提取相位信息，实现相位检测。

7.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于所述移动设备与所述声源之间的距离R_d通过如下公式获得：

其中，R₀为初始位置的距离，v_s代表当前环境下声波的传播速度，ω′代表声波的角频率，Δθ为声波相位差。

8.如权利要求7所述的测距方法，其特征在于所述声波相位差Δθ通过如下公式获得：

Δθ＝2πk+θ₁，

其中，θ₁是相位在当前周期内的值与初始相位θ₀的差，k为相位卷绕的次数。

9.如权利要求8所述的测距方法，其特征在于所述相位卷绕的次数k通过如下步骤获得：

首先将接收的每一帧的信号送入一个滑动数据窗口；在该滑动数据窗口内，检测是否存在波峰和波谷；如果存在，则记录波峰和波谷的位置，如果滑动数据窗口内同时存在波峰和波谷，并且所述波峰和波谷在之前的滑动数据窗口内未被检测，则根据所述波峰和波谷的位置判断k值是增加1还是减少1，否则K值保持不变；其中，如果波峰在波谷之前，则K值加1；如果波峰在波谷之后，则K值减1，然后标记所述波峰和波谷已经被检测。

10.一种基于声波相位的测距***，包括移动设备与声源，其特征在于还包括处理器和存储器；

所述处理器读取存储器中的计算机程序，用于执行以下操作：

在所述移动设备与所述声源之间实现声波的相位同步；

测量所述移动设备与所述声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。

11.如权利要求10所述的测距***，其特征在于所述处理器中包括带通滤波器、正交信号产生模块、相位检测模块、相位解调模块和自动控制模块；其中，

所述带通滤波器对移动设备的接收信号v₀进行带通滤波，使v₀中具有ω′频率的信号通过，得到信号v₀′；所述正交信号产生模块基于信号v₀′产生正交信号q₁v₀′和q₂v₀′；所述相位检测模块利用所述自动控制模块的输出ω″作为输入，对q₁v₀′和q₂v₀′中频率为ω″的载波进行相位检测，得到正交的相位信号d₁v₀′和d₂v₀′；所述相位解调模块解调d₁v₀′和d₂v₀′中的相位信息，得到当前v₀′中ω′频率信号的当前相位θ；所述自动控制模块利用频率值ω和当前相位θ作为输入，动态调整估计值ω′使θ在0附近趋于稳定，实现移动设备与声源之间的相位同步。

12.如权利要求10所述的测距***，其特征在于所述移动设备与所述声源之间的距离R_d通过如下公式获得：

其中，R₀为初始位置的距离，v_s代表当前环境下声波的传播速度，ω′代表声波的角频率，Δθ为声波相位差。

13.如权利要求12所述的测距***，其特征在于所述声波相位差Δθ通过如下公式获得：

Δθ＝2πk+θ₁，

其中，θ₁是相位在当前周期内的值与初始相位θ₀的差，k为相位卷绕的次数。

14.如权利要求11所述的测距***，其特征在于：

所述正交信号发生模块包括第一SOGI单元和第二SOGI单元；其中，第一SOGI单元的输入端口对应信号v₁和ω′，输出端口对应信号q₁v′₁和q₂v₁′；第二SOGI单元的输入端口对应信号q₂v′₁和ω′，输出端口对应信号q₂′v₁′。

15.如权利要求11所述的测距***，其特征在于：

所述正交信号生成模块所生成的正交信号由正弦和余弦信号生成器根据所述自动控制模块输出的参数ω′分别生成。

16.如权利要求11所述的测距***，其特征在于：

所述自动控制模块由离散时间积分器和比例-积分-微分器组成。

17.如权利要求11所述的测距***，其特征在于：

所述带通滤波器为自适应带通滤波器时，所述相位检测模块基于Park变换实现；所述带通滤波器的工作参数固定时，所述相位检测模块为一对低通滤波器。

18.一种三维空间定位***，包括定位基站和待定位设备，所述定位基站的内部包括至少一个声源，所述待定位设备包括音频采集模块，其特征在于在三维空间定位过程中，通过如下步骤实现测距：

⑴在所述声源与所述音频采集模块之间实现声波的相位同步；

⑵测量所述音频采集模块与所述声源之间的声波相位差，获得两者之间的距离。