一种自同步的声学位置感知系统

1.本发明涉及定位与导航技术领域，尤其涉及一种自同步的声学位置感知系统。


背景技术：

2.位置感知技术按照定位所使用的信号类型，主要分为射频、运动信号、地磁、图像和音频，每种技术都有着自身的特点。基于射频的主要有蓝牙、wifi、uwb等，基于接收信号强度指示的蓝牙和wifi定位技术通常采用信号衰减模型测距或指纹法实现定位，缺点是定位精度低(米级)、指纹离线采集和更新的工作量较大、信号衰减模型极易受环境的干扰。基于天线阵列的信号到达角、基于wifi的往返时间和通道状态信息、基于uwb测距等位置感知技术可提供厘米级至亚米级的高精度定位，但需要无线基站和智能终端支持相关协议，布设复杂度高，且广范围覆盖需要极高的成本。基于运动信号的行人航位推算(pdr)和地磁均具有无需额外基础设施、与手机兼容的优势，但前者存在累积误差，无法实现长时间的精确定位，常需与其它定位技术结合，后者定位精度较低(米级)，且需要离线采集室内地磁场的分布。基于图像的计算机视觉定位方法可实现目标的高精度定位，但需要预先建立图像特征库，硬件成本高且计算复杂，性能易受环境纹理和拍摄条件的影响。
3.基于音频的位置感知技术利用声学器件如麦克风、扬声器实现定位，为支持高并发，通常采用基站发射音频、终端接收处理的架构，上述基于音频的位置感知技术通常采用基于信号到达时间差(time difference of arrival,tdoa)，即各声学基站发射的音频到达目标的时间差，实现目标定位与导航。tdoa的精确检测是保证声学位置感知系统性能的关键，这除了需要目标能精确检测音频到达时刻外，还需要各声学基站之间高精度的同步，现有技术中的声学位置感知系统通常使用无线或有线的方式实现同步，其中无线同步主要利用射频实现基站与基站间或基站与目标间的同步，有线同步主要利用连接线实现基站与基站间的同步，上述同步方式的缺点分别是无线存在射频干扰，有线则存在布设困难的现象，且两者同步的成本都较高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种自同步的声学位置感知系统，该系统是利用声学器件本身实现自同步，与之前的同步方式相比，避免了复杂的连线和射频干扰，且大大降低了同步成本。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种自同步的声学位置感知系统，所述系统包括一个主基站和多个从基站，其中：
7.所述主基站和各从基站的坐标是已知的，在一个定位周期内，所述主基站首先发射定位音频信号；
8.各从基站在检测到主基站发射的定位音频信号后，分别检测该定位音频信号的到达时刻，同时待测目标也检测主基站发射的定位音频信号的到达时刻；
9.各从基站在检测到主基站发射的定位音频信号后，分别延迟设定的时间发射定位
音频信号，由待测目标接收各从基站发射的定位音频信号，并检测出定位音频信号的到达时刻；
10.所述待测目标根据已知的声速、各基站间的距离、设定的延迟时间以及待测目标检测的主基站和各从基站发射定位音频信号的到达时刻，求解得到目标与各基站间的距离差信息，并根据所述距离差信息实时求解自身位置，实现对目标的定位。
11.由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统是利用声学器件本身实现自同步，与之前的同步方式相比，避免了复杂的连线和射频干扰，且大大降低了同步成本。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
13.图1为本发明实施例提供的自同步的声学位置感知系统结构示意图；
14.图2为本发明实施例所述系统实现目标定位的过程示意图；
15.图3为本发明实施例所述系统实现自同步定位的时域图。
具体实施方式
16.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
17.如图1所示为本发明实施例提供的自同步的声学位置感知系统结构示意图，所述系统包括一个主基站和多个从基站，其中：
18.所述主基站和各从基站的坐标是已知的，具体实现中，主基站和从基站的位置关系没有严格要求，各基站的坐标是已经用测绘设备，例如全站仪标定好的，在一个定位周期内，所述主基站首先发射定位音频信号；具体实现中，为便于检测和抑制背景噪声，该定位音频信号是经过调制的；
19.各从基站在检测到主基站发射的定位音频信号后，分别检测该定位音频信号的到达时刻，同时待测目标也检测主基站发射的定位音频信号的到达时刻；
20.各从基站在检测到主基站发射的定位音频信号后，分别延迟设定的时间发射定位音频信号，由待测目标接收各从基站发射的定位音频信号，并检测出定位音频信号的到达时刻；
21.所述待测目标根据已知的声速、各基站间的距离(可根据已知的基站坐标计算得到)、设定的延迟时间以及待测目标检测的主基站和各从基站发射定位音频信号的到达时刻，求解得到目标与各基站间的距离差信息，并根据所述距离差信息实时求解自身位置，实现对目标的定位。
22.基于所述系统，在一个定位周期内，所述待测目标实现定位的过程具体为：
23.本实施例以二维定位为例进行描述，同样适用于三维情形，如图2所示为本发明实
施例所述系统实现目标定位的过程示意图，假设在定位区域内有四个声学基站，分别用a、b、c和d进行表示，基站a为主基站，基站b、c和d为从基站，对应基站的坐标是已知的，每一个基站都包含一个扬声器和一个麦克风，为保证高并发性，待测目标(图2中的target)仅使用自带的麦克风被动的接收音频信号，并通过检测每个声学基站发射音频的到达时刻实现位置解算，如图3所示为本发明实施例所述系统实现自同步定位的时域图，参考图3，具体过程为：
24.1)在一个定位周期内，比如1秒，基站a在ta时刻发射定位音频信号，为便于检测和抑制背景噪声，该定位音频信号是经过调制的，如线性调频信号(chirp signal)、正交码调制的信号等；
25.2)基站b、c和d在接收到基站a发射的定位音频信号后，分别检测该定位音频信号的到达时刻，并分别用rb、rc和rd表示；
26.同时，待测目标也检测基站a发射的定位音频信号的到达时刻，用r
at
表示；在图3中，分别用t
ab
、t
ac
和t
ad
表示基站a发射的音频到达基站b、c和d的用时，则有：
[0027][0028]
3)基站b从时刻rb开始，延迟时间t
delayb
后，即tb时刻，开始发射定位音频信号，待测目标在时刻r
bt
时刻接收到该定位音频信号，用时t
bt
；
[0029]
基站c从时刻rc开始，延迟时间t
delayc
后，即tc时刻，开始发射定位音频信号，待测目标在时刻r
ct
时刻接收到该定位音频，用时t
ct
；
[0030]
基站d从时刻rd开始，延迟时间t
delayd
后，即td时刻，开始发射定位音频信号，待测目标在时刻r
dt
时刻接收到该定位音频，用时t
dt
；
[0031]
4)根据图3列出各时间、时刻之间的关系，如下式(2)所示，并计算出目标与每两个基站间的距离差；
[0032][0033]
根据式(2)进一步推导出式(3)：
[0034][0035]
在式(3)等号的两边同时乘以声速v(单位：m/s)得到式(4)：
[0036][0037]
其中，d
at
、d
bt
、d
ct
和d
dt
分别是待测目标与基站a、b、c和d之间的距离；r
at
、r
bt
、r
ct
和r
dt
是待测目标利用音频检测算法从接收的定位音频信号中提取的时刻信息；d
ab
、d
ac
和d
ad
分别是基站a与基站b、c和d之间的距离；
[0038]
在式(4)中，等式右边的d
ab
、d
ac
、d
ad
、v、t
delayb
、t
delayc
、t
delayd
是已知的，(r
bt-r
at
)、(r
ct-r
at
)和(r
dt-r
at
)是待测目标检测的时间间隔，是测量值，能根据采样点数和采样周期获得；
[0039]
因此，式(4)左边的距离差信息被确定下来，包括待测目标与基站b和a之间的距离差(d
bt-d
at
)、待测目标与基站c和a之间的距离差(d
ct-d
at
)、待测目标与基站d和a之间的距离差(d
dt-d
at
)；
[0040]
5)将利用式(4)得到的距离差信息代入基于到达时间差tdoa(time difference of arrival)定位算法中求解得到待测目标的位置，实现对目标的定位。
[0041]
具体实现中，基于tdoa的定位算法有多种，本实施例以其中一种举例说明：
[0042]
本实施例采用基于tdoa的组合加权定位方法，该方法首先获得所有不同三基站组合的定位结果及其对应的克拉美-罗下界(cramer-rao lower bound,crlb)，然后对这些定位结果进行加权求和，得到最终的位置；其中，权重由crlb决定，crlb越小，权重越大，反之，权重越小。
[0043]
具体实现中，每一个基站都包含一个扬声器和一个麦克风传感器；
[0044]
其中，所述主基站利用扬声器发射定位音频信号；
[0045]
所述从基站利用麦克风接收所述主基站发射的定位音频信号，并检测到达时刻，随后延迟设定的时间利用扬声器发射定位音频信号；
[0046]
所述待测目标利用自带的麦克风传感器被动感知整个定位周期内主基站和从基站发射的定位音频信号，并检测音频到达时刻。
[0047]
另外，所述系统应用于二维定位时，基站总数应大于等于3；所述系统应用于三维定位时，基站总数应大于等于4。
[0048]
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0049]
综上所述，本发明实施例所述系统在目标定位过程中，目标仅接收基站发射的定位音频信号，与基站间没有交互，这使得本系统具有支持高并发的特点，即支持用户数量无限制；本系统通过发射的定位音频实现自同步，基站之间没有连接线，便于安装布设，且避免了传统射频同步存在的射频干扰问题；此外考虑到扬声器、麦克风传感器等声学器件比较廉价，本发明实施例所述声学位置感知系统的同步成本较低。
[0050]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范
围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。