一种基于声音测距的智能移动终端的室内定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于声音测距的智能移动终端室内定位方法，本发明专利技术利用声技术实现高精度时钟同步，同步节点发射调制声信号，各节点通过该声信号的到达时刻及各节点的坐标信息实现时钟同步；通过用户智能移动终端自主发起定位请求，服务器仅负责指令响应及分发，通过用户和信标节点之间的声信号交互实现室内定位，所有定位计算过程均在节点端及用户智能移动终端进行，具有较好的用户隐私保护性。本发明专利技术无需依靠在室内失效的GPS信号和额外的硬件设备，仅仅依靠智能移动终端自带的麦克风、扬声器和处理器，通过用户和信标之间的线性调频声音信号的交互，就可实现高精度的室内定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于基于位置的服务(Location Based Service)领域，尤其涉及一种基于声音测距的智能移动终端的室内定位方法。
技术介绍
定位技术是日常生活中不可或缺的重要组成部分，基于位置的定位服务(LBS)成为人们日常出行、旅游、购物、美食、住宿等生活各方面的重要保障。由于GPS定位技术的成熟，其较高的精度和适用范围推动了地图应用及相关服务的迅速发展，为日常的出行导航及生活的方方面面起了决定性作用。随着人们活动的室内空间越来越庞大和复杂，室内定位技术的需求越来越明显，如精准营销、医疗救护、移动机器人定位、智能会议、商场定位导航、医院定位、智能仓储和地下车库定位等，然而GPS技术的应用限制使得室内定位成为虚幻泡影，高精度室内定位的需求使得不依赖于GPS的高精度室内定位技术及服务成为研究热点。另一方面，近年来智能移动终端强大的信息处理能力、完善的硬件配置及低成本特征使其成为了生活中必备的智能机器，功能逐渐呈多元化发展，如餐饮服务、路况导航、人脸识别和人际互联等。如何最大限度的利用手机本身为生活带来便利成为了重要的研究方向。现有的基于智能移动终端平台的位置服务主要依靠GPS信息进行获取，室内定位技术研究依然处于瓶颈，强大的室内定位需求使得如何充分利用用户终端实现室内高精度定位成为急需解决的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于声音测距的智能手机室内定位方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于声音测距的智能移动终端室内定位方法，该方法包括以下步骤：(1)布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；搭建局域网，将信标节点、用户智能移动终端和服务器加入局域网，用户通过用户智能移动终端向服务器发起定位请求；所述信标节点主要由麦克风、扬声器、微处理器组成，麦克风和扬声器均与微处理器相连；其中一个信标节点作为同步节点；(2)服务器响应步骤(1)中用户定位请求，向用户智能移动终端和同步节点分发控制指令；在每一次定位估计过程中，同步节点和用户智能移动终端依次发射调制声信号，同步节点的声信号用于建立全局时钟以实现时钟同步，用户智能移动终端的声信号用于进行距离测量；(3)用户智能终端及所有信标节点实时采集步骤(2)的声信号，并在本地对其分别进行数据预处理、滤波及时延估计，获得本地所记录的信号中步骤(2)的同步节点和用户移动智能终端所发射的声信号的本地到达时间；(4)各信标节点通过步骤(1)所搭建的局域网，将步骤(3)中得到的到达时间和各信标节点的坐标数据发送到用户智能移动终端；(5)用户智能移动终端接收步骤(4)中的各信标节点坐标及所记录的同步声信号与用户声信号的到达时间，通过时钟同步算法及定位算法，估计出自身在相对位置坐标系中的位置坐标；(6)将步骤(5)中得到的估计位置显示在用户手机上，从而实现智能移动终端的室内定位。进一步地，所述步骤(1)中，所述局域网由路由器建立，为用户智能移动终端所支持的无线通信协议；用户智能移动终端包括麦克风和扬声器，所述麦克风用于收录线性调频信号，所述扬声器用于发送线性调频信号；所述服务器用于协调多用户之间的定位请求，分配各个用户的用户智能移动终端和同步节点的声信号广播控制指令。进一步地，所述用户智能移动终端所支持的无线通信协议可以为WiFi无线网络或蓝牙短距离局域网络。进一步地，所述步骤(2)中，在每次定位过程中，服务器先控制同步节点广播同步声信号，再控制用户智能移动终端发射声信号。进一步地，所述步骤(5)具体为：用户智能移动终端所记录的同步节点发射的声信号的到达时刻tu1和用户智能移动终端发射的声信号到达时刻tu2；各信标节点所记录的同步节点发射的声信号的到达时刻ti1和用户智能移动终端发射的声信号到达时刻ti2，各信标节点与同步节点的距离为di，可由信标节点的坐标位置计算得出；用户智能移动终端与各信标节点的距离为ri，其中i＝1为同步节点，i＝2,3,...为其它信标节点，故d1＝0；利用时钟同步算法，计算同步节点和其它任一信标节点至用户智能移动终端的距离差：其中v0为环境声速；根据TPSN原理，用户和同步节点的距离为用户智能移动终端与各信标节点之间的距离为：ri＝rus+Δris；利用基于距离的定位算法，估计出用户的位置。本专利技术的有益效果是，本专利技术无需依靠在室内失效的GPS信号和额外的硬件设备，仅仅依靠智能移动终端自带的麦克风、扬声器和处理器，通过用户和信标之间的线性调频声音信号的交互，就可实现高精度的室内定位。通过实际系统实验验证，在10m*8.36m*2.67m的室内空间内，定位误差90％概率到达20cm以下。本专利技术所用的用户移动终端可以是智能手机、iPad、智能手环、Google glass等其它具有计算和语音功能的通用智能设备，不需要用户额外购置专业设备，有很好的扩展性。附图说明图1为本专利技术的系统工作流程图；图2为本专利技术的系统架构图；图3为本专利技术的节点布局示意图；图4为本专利技术的实际定位误差分析结果图。具体实施方式本专利技术基于声音测距的智能移动终端室内定位方法，具体工作流程如图1所示，由用户移动终端首先发起定位请求，服务器响应其请求，分发指令控制信标节点和用户移动终端声信号的广播。信标节点分别对声信号的时延估计，并和信标位置坐标一起发送给用户移动终端。用户移动终端根据时延估计结果和信标位置计算到各个信标的距离，再根据定位算法得到用户位置估计，并显示在界面上。本专利技术基于声音测距的智能移动终端室内定位方法，该方法包括以下步骤：1、如图2所示，布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；搭建局域网，将信标节点、用户智能移动终端和服务器加入局域网，用户通过用户智能移动终端向服务器发起定位请求；所述信标节点主要由麦克风、扬声器、微处理器组成，麦克风和扬声器均与微处理器相连；其中一个信标节点作为同步节点；所述用户智能移动终端包括麦克风和扬声器，安装在用户智能移动终端的软件分为控制层和信息处理层，控制层负责向服务器发起定位请求，接收服务器的指令控制其声环境信息采集、声信号广播状态以及数据传输过程，信息处理层负责处理各信标节点和用户智能移动终端所采集到的声信号数据，估计声信号时延并采用相应的定位算法估计自身位置，同时显示自身位置坐标；所述服务器用于协调多用户之间的定位请求，分配各个用户和同步节点的声信号广播控制指令；所述局域网由路由器建立，可以为WiFi无线网络或蓝牙短距离局域网络等用户智能移动终端所支持的无线通信协议；所述服务器用于协调多用户之间的定位请求，分配各个用户的用户智能移动终端和同步节点的声信号广播控制指令。2、服务器响应步骤1中用户定位请求，向用户智能移动终端和同步节点分发控制指令；在每一次定位估计过程中，同步节点和用户智能移动终端依次发射调制声信号，同步节点的声信号用于建立全局时钟以实现时钟同步，用户智能移动终端的声信号用于进行距离测量。如图3所示为信标节点数为5的布局。所示的定位示例中，有1-5号五个信标节点(其中1号为同步节点)，用户移动终端表示为6号，节点布局形状或位置以实际场景需求而定，同步节点也可以布设在图中其它任意信标位置，在每一次定位过程中信标节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声音测距的智能移动终端室内定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；搭建局域网，将信标节点、用户智能移动终端和服务器加入局域网，用户通过用户智能移动终端向服务器发起定位请求；所述信标节点主要由麦克风、扬声器、微处理器组成，麦克风和扬声器均与微处理器相连；其中一个信标节点作为同步节点。(2)服务器响应步骤(1)中用户定位请求，向用户智能移动终端和同步节点分发控制指令；在每一次定位估计过程中，同步节点和用户智能移动终端依次发射调制声信号，同步节点的声信号用于建立全局时钟以实现时钟同步，用户智能移动终端的声信号用于进行距离测量。(3)用户智能终端及所有信标节点实时采集步骤(2)的声信号，并在本地对其分别进行数据预处理、滤波及时延估计，获得本地所记录的信号中步骤(2)的同步节点和用户移动智能终端所发射的声信号的本地到达时间。(4)各信标节点通过步骤(1)所搭建的局域网，将步骤(3)中得到的到达时间和各信标节点的坐标数据发送到用户智能移动终端。(5)用户智能移动终端接收步骤(4)中的各信标节点坐标及所记录的同步声信号与用户声信号的到达时间，通过时钟同步算法及定位算法，估计出自身在相对位置坐标系中的位置坐标。(6)将步骤(5)中得到的估计位置显示在用户手机上，从而实现智能移动终端的室内定位。...

【技术特征摘要】
1.一种基于声音测距的智能移动终端室内定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；搭建局域网，将信标节点、用户智能移动终端和服务器加入局域网，用户通过用户智能移动终端向服务器发起定位请求；所述信标节点主要由麦克风、扬声器、微处理器组成，麦克风和扬声器均与微处理器相连；其中一个信标节点作为同步节点。(2)服务器响应步骤(1)中用户定位请求，向用户智能移动终端和同步节点分发控制指令；在每一次定位估计过程中，同步节点和用户智能移动终端依次发射调制声信号，同步节点的声信号用于建立全局时钟以实现时钟同步，用户智能移动终端的声信号用于进行距离测量。(3)用户智能终端及所有信标节点实时采集步骤(2)的声信号，并在本地对其分别进行数据预处理、滤波及时延估计，获得本地所记录的信号中步骤(2)的同步节点和用户移动智能终端所发射的声信号的本地到达时间。(4)各信标节点通过步骤(1)所搭建的局域网，将步骤(3)中得到的到达时间和各信标节点的坐标数据发送到用户智能移动终端。(5)用户智能移动终端接收步骤(4)中的各信标节点坐标及所记录的同步声信号与用户声信号的到达时间，通过时钟同步算法及定位算法，估计出自身在相对位置坐标系中的位置坐标。(6)将步骤(5)中得到的估计位置显示在用户手机上，从而实现智能移动终端的室内定位。2.根据权利要求1所述的基于声音测距的智能手机室内定位方法，其特征在于，所述步骤1中，所述局域网由路由器建立，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智，黄丹洁，张磊，文祥计，林峰，黄逸帆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33