基于固体传播的声波室内定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及室内定位技术领域，尤其设及一种基于固体传播的声波室内定位方 法。
【背景技术】
[0002] 人类在室内时间远超过室外时间，随着移动互联网的普及，室内定位成为刚需，市 场价值已经超过百亿美元。无数科学家投身室内定位的研究领域。目前室内定位技术很多， 有红外线技术、蓝牙技术、射频识别技术、WIFI技术、ZigBee技术，超宽带技术和超声波技术 等，运些技术普遍利用信号（电磁波或者声波)在空气中的传播进行定位。然而，一旦传播过 程中遇到固体，例如桌椅、墙壁等障碍物，信号的能量将会大大衰减，从而使得室内定位技 术大打折扣。图1和图2举例说明不同室内环境对室内定位精度产生的影响。图1:无墙壁时 定位精度高;有墙壁时定位精度低。图2:在a点，障碍物最少，定位精度最高;在b点，障碍物 较少，定位精度中等;在C点，障碍物很多，定位精度很低。
[0003] 众所周知，电磁波对固定的穿透能力很差，而声波在空气中传播时也受到溫度、湿 度、压力、气流、油雾等影响。终上所述，目前的所有室内定位技术都受到了信号传播介质 (空气）中的墙壁、障碍物等的影响，因此在室内定位时需要铺设大量定位装置来克服障碍 物的影响，提高定位精度。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述技术问题，本发明提供一种基于固体传播的声波室内定位方法，解 决现有技术中定位复杂W及定位精度不高的问题。
[0005] 本发明是通过W下技术方案实现的:设计和制造一种基于固体传播的声波室内定 位方法，包括如下步骤： (51) 在固体四周布置=个或=个W上接收探头； (52) 被定位目标是声波或超声波源，声波通过固体传播信号； (53) 接收探头接收到信号，再根据定位算法求出目标精确位置。
[0006] 作为本发明的进一步改进:所述的声波或超声波源是被定位目标不带装备发生的 振动，或被定位目标携带装备产生的超声波。
[0007] 作为本发明的进一步改进:所述的被定目标为活动物体或带有声波发生器的静 物。
[000引作为本发明的进一步改进:所述接收探头为声波或超声波接收探头。
[0009] 作为本发明的进一步改进:所述的定位算法为TDOA和TOAS点定位算法，或者是其 它利用到达时间或到达角度进行定位的算法。
[0010] 作为本发明的进一步改进:所述的固体为地面或立体空间的墙壁。
[0011] 本发明的有益效果:提出了一种新的室内定位技术，声波是一种弹性介质中传播 着的压力振动，声波不仅可W在固体中传播，传播速度还要比在空气中传播的快;本发明极 大的提高了定位精度W及降低了定位成本;可W解决室内定位的非视距问题，并减少室内 桌椅等障碍物的影响，W及空气溫度湿度压强等的影响。
【附图说明】
[0012] 图1为图1是墙壁对定位精度的影响示意图图； 图2是室内障碍物对定位精度的影响示意图图； 图3是本发明中基于固体传播的声波室内定位的结构框图； 图4是本发明的一实施例示意图； 图5是本发明的又一实施例示意图。
【具体实施方式】
[0013] 为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描 述。
[0014] -种基于固体传播的声波室内定位方法，包括如下步骤： (51) 在固体四周布置=个或=个W上接收探头； (52) 被定位目标是声波或超声波源，声波通过固体传播信号； (53) 接收探头接收到信号，再根据定位算法求出目标精确位置。
[0015] 所述的声波或超声波源是被定位目标不带装备发生的振动，或被定位目标携带装 备产生的超声波。
[0016] 所述的被定目标为活动物体或带有声波发生器的静物;如所述的被定目标主要是 人，也可W是各种动物、机器人、物品等，但静物必须带有超声波发生器;所述的声波源可W 是被定位目标(例如人、动物等）不带装备踩地面发生的振动，也可W是被定位目标(例如 人、动物等)携带装备(例如通过激光激发地面产生超声波）。
[0017] 所述接收探头为声波或超声波接收探头。
[0018] 所述的定位算法为TDOA和TOAS点定位算法，或者是其它利用到达时间或到达角 度进行定位的算法。
[0019] 所述的固体为地面或立体空间的墙壁。
[0020] 在一种实施例中，一种通过固体(例如地板)传播声波的被动室内定位技术(人身 上不携带装置），实现方案包括如下步骤： SI,在固体(例如地板)的四周放置=个或=个W上的声波接收探头， S2，每个声波接收探头做时间同步； 53, 人走路时引起地板振动； 54, 振动源产生机械波(声波），声波通过固体(例如地板)进行机械震动，向四面八方传 播； 55, 声波接收探头接收到声波； S6，记录接收到每个信号的时间； S7,计算每个声波接受探头接收到声波的时间差，用TDOA (Time Difference Of Arr i va I) S角定位法对人进行精确定位。
[0021] 在又一实施例中，一种通过固体(例如地板)传播声波的主动室内定位技术(人身 上携带装置），实现方案包括如下步骤： SI,在固体(运里指地板)的四周放置=个或=个W上的超声波接收探头； S2，每个声波接收探头做时间同步； S3，在人身上或鞋底佩带激光发射器； S4,激光打在固体上(运里指地板)产生超声波，通过固体(运里指地板），向四面八方传 播超声波； S5，超声波接收探头接收到声波； S6，记录接收到每个信号的时间； S7,计算每个声波接受探头接收到声波的时间差，用TDOAS角定位法对人进行精确定 位。也可W做激光发射器和超声波接受探头的时间同步，用TOAS角定位对人进行精确定 位。
[0022] 如图3,本发明的室内定位系统包括声波发射单元、声波接收单元、数据处理单元 =部分。声波发射单元产生声波信号，经过固体(例如地面)传播后由声波接收单元收到，并 将信号进行放大与整形，传递给数据处理单元，在数据处理单元中得到所需时间值和解算 定位算法，确定目标物体的精确位置。
[0023] 如图4,介绍了人不带装置的室内定位方法，在地面四周放置=个或=个W上的声 波接收探头，人走路带动地板振动。振动产生的声波沿着地板四面八方传播。声波接收探头 接收到信号。记录每个声波接受探头接收到信号的同步时间。根据TDOA=角定位法，可W得 到人的具体位置。该步骤连续重复操作，即可得到人的行走轨迹。
[0024] ,TDOA:因为在固定材质（密度）的介质里，声波的传播速度一定。在得到两个声波 接收器^1，71)^2,72)接收到信号的时间后，做差，得到时间差*1-*2。有时间差乘^声波 传播速度，得到距离差c(tl-t2)。根据该公式求出（x，y)可W画出一条弧线。再加入第=个 声波接收器(x3，y3)，可W再画一条弧线。两条弧线的焦点便是目标的坐标位置。
[0025] 如图5,介绍了人带装置的室内定位方法，在地面四周放置=个或=个W上的超声 波接收探头，人的鞋底穿戴激光发射器，激光激发地板振动，振动产生的超声波沿着地板四 面八方传播。超声波接收探头接收到信号。记录每个超声波接受探头接收到信号的同步时 间。根据TDOAS角定位法或DOA定位算法，可W得到人的具体位置，该步骤连续重复操作，即 可得到人的行走轨迹。
[0026] DOA:根据超声波的发射器(X，y )发出时间化和超声波接收探头(X1，y 1)的接收时 间Tl可W得到一个绝对时间差化-Tl,乘W超声波在地面的传播速度C，可W得到距离dl。 潑批一础f牛0-二乎!>求出（x，y)可W画一个圆。那么两个超声波接 收探头可W画两个相交的圆，得到两个点。再加入一个超声波探头即可得到目标的坐标位 置。
[0027] 声波在地板的传播速度，可W根据已知地板的材质求得，也可W在布置声波接收 探头后，根据已知距离和传播时间，求得传播速度。
[0028] W上内容是结合具体实现方式对本发明做的进一步阐述，不应认定本发明的具体 实现只局限于W上说明。对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下， 还可W做出若干简单推演或替换，均应视为有本发明所提交的权利要求确定的保护范围之
【主权项】
1. 一种基于固体传播的声波室内定位方法，其特征在于:包括如下步骤：（S1)在固体四 周布置三个或三个以上接收探头；（S2)被定位目标是声波或超声波源，声波通过固体传播 信号；（S3)接收探头接收到信号，再根据定位算法求出目标精确位置。2. 根据权利要求1所述的基于固体传播的声波室内定位方法，其特征在于：所述的声 波或超声波源是被定位目标不带装备发生的振动，或被定位目标携带装备产生的超声波。3. 根据权利要求1所述的基于固体传播的声波室内定位方法，其特征在于，所述的被定 目标为活动物体或带有声波发生器的静物。4. 根据权利要求1所述的基于固体传播的声波室内定位方法，其特征在于：所述接收 探头为声波或超声波接收探头。5. 根据权利要求1所述的基于固体传播的声波室内定位方法，其特征在于：所述的定 位算法为TDOA和TOA三点定位算法，或者是其它利用到达时间或到达角度进行定位的算法。6. 根据权利要求1所述的基于固体传播的声波室内定位方法，其特征在于，所述的固体 为地面或立体空间的墙壁。
【专利摘要】本发明涉及室内定位技术领域，其公开了一种基于固体传播的声波室内定位方法；包括如下步骤:（S1）在固体四周布置三个或三个以上接收探头；（S2）被定位目标是声波或超声波源，声波通过固体传播信号；（S3）接收探头接收到信号，再根据定位算法求出目标精确位置。本发明的有益效果：提出了一种新的室内定位技术，声波是一种弹性介质中传播着的压力振动，声波不仅可以在固体中传播，传播速度还要比在空气中传播的快；本发明极大的提高了定位精度以及降低了定位成本；可以解决室内定位的非视距问题，并减少室内桌椅等障碍物的影响，以及空气温度湿度压强等的影响。
【IPC分类】G01S5/28
【公开号】CN105527608
【申请号】CN201610036312
【发明人】陈文强, 伍楷舜, 王璐
【申请人】深圳大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年1月20日