基于单一信号源的音频定位系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于单一信号源的音频定位系统，其包括：多个信号源发射微基站，多个信号源发射微基站逐一在规定的时间区域内定位场景内发射音频信号；定位终端，所述定位终端包括音频信号接收模块及定位算法处理模块，所述定位终端计算定位终端的位置；时间同步模块，所述时间同步模块用于实现多个信号源发射微基站之间以及定位终端与信号源发射微基站之间的时间同步。跟目前的室内定位技术相比，本专利具有成本低，定位精度高，有效工作范围大，易安装维护和支持大众手机等优点。

Audio positioning system and method based on single signal source

【技术实现步骤摘要】
基于单一信号源的音频定位系统及方法
本专利技术涉及定位系统
，特别涉及一种采用音频信号进行定位的系统及方法。
技术介绍
尽管全球导航卫星定位系统（GlobalNavigationSatelliteSystem）如美国的GPS系统，中国的北斗系统和欧洲的Galileo系统能在室外开阔空间提供高精度的定位方案，但由于其信号从两万多公里的高空传到地球表面，信号强度很弱，无法穿透至室内空间，因而无法为室内空间提供可靠的定位方案。而人们的活动有80%的时间在室内空间度过，人工智能应用对高精度室内定位的需求越来越强烈。目前用于室内定位技术主要依赖射频信号包括Wi-Fi信号，蓝牙信号（如苹果的iBeacon），超宽带信号（UltraWideBand）和蜂窝网无线通信信号(如LTE等)。这些射频（RF）信号的主要用途是无线通信，不是定位。因而在定位领域有时把他们称为机会信号（SignalofOpportunity）。在人工智能应用的驱动下，利用无线信号进行室内定位越来越受到业界的关注，新的无线通信协约也慢慢加进定位的元素，包括Wi-FiRoundTripTime（RTT）测距技术（Wi-Fi802.11mc协议），5G定位技术和蓝牙5.1的信号到达角（AoA）和信号发射角（DoA）定位技术。电磁波的传播速度很快（30万公里/秒），为了精准测量射频信号从微基站发射器到接收机（如智能手机）的传播距离，我们需要非常精准同步微基站的时间至纳秒甚至亚纳秒级（1纳秒的同步精度等价与0.3米的距离测量误差）。时间同步费用昂贵，且系统不易安装。这是基于射频信号的定位技术难以落地原因之一。目前市场上常见的定位技术是超宽带和低功耗蓝牙BLEBeacon。这两种定位技术不能同时满足低成本、高精度、易安装、支持大众手机和用户体验好等要求，因此不能满足市场的需求。UWB定位精度高，但是成本也很高，低功耗蓝牙BLEBeacon成本低但有着定位精度低、单基站有效覆盖范围小、难维护等缺点。而新的定位技术在短期内还难以大众普及。基于音频测距（AcousticRanging）的定位技术也开始受到学术届的关注。跟射频信号比，音频信号最大的优点是：1）声音传播速度慢（340米/秒），对信号发射基站的时间同步要求低，因而大大降低定位系统的成本。2）音频信号的有效距离测量值长，是蓝牙Beacon的10倍，可以大大减少基站的布设密度，从而降低定位系统的硬件成本和维护成本。3）音频信号的接收设备简单，如智能手机的麦克风，这一技术的大众推广没有任何门槛。音频测距将是支撑室内外无缝定位系统的核心技术之一。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种具有成本低，定位精度高，有效工作范围大，易安装维护、只基于单一音频信号进行定位的系统及方法。一种基于单一信号源的音频定位系统，其包括：多个信号源发射微基站，所述音频信号发射基站用于向定位场景内发射音频信号，所述多个信号源发射微基站逐一在规定的时间区域内定位场景内发射音频信号；定位终端，所述定位终端包括音频信号接收模块及定位算法处理模块，所述音频信号接收模块用于采集所述信号源发射微基站发射的音频信号，所述定位算法处理模块用于提取音频信号中的定位信号，计算各定位信号从各自信号源发射微基站到接收终端的传播时间进而计算出各信号源发射微基站到定位终端的几何距离，并利用已知的各信号源发射微基站坐标和各个信号源发射微基站与定位终端距离测量值计算定位终端的位置；时间同步模块，所述时间同步模块用于实现多个信号源发射微基站之间以及定位终端与信号源发射微基站之间的时间同步。优选的，所述信号源发射微基站发射的音频信号包括超声频段的调制声音信号。优选的，所述所述信号源发射微基站发射的音频信号还包括可被识别的在听觉范围声音信号，当音频信号为可被识别的在听觉范围声音信号时需叠加超声频段的调制声音信号，当音频信号没有可被识别的在听觉范围声音信号时，则只发射超声频段的调制声音信号。优选的，所述时间同步模块集成在一个信号源发射微基站内，该信号源发射微基站为核心微基站，所述时间同步模块上设有无线通信单元，除核心微基站之外的其他信号源发射微基站及定位终端内均设有无线通信单元，所述时间同步模块通过无线通信单元与其他信号源发射微基站及定位终端进行通信连接，实现时间同步。优选的，所述信号源发射微基站包括控制器、扬声器及功率电路。优选的，所述定位终端包括麦克风、音频处理电路及处理器。优选的，所述定位终端内还设有一回声滤波模块，所述回声滤波模块用于将接收到的音频信号中的回声进行滤除。本专利还公开一种基于单一信号源的音频定位方法，其特征在于，其包括如下步骤：1）设置多个能够向定位场景内发射音频信号的信号源发射微基站；2）通过时间同步模块实现多个信号源发射微基站之间及定位终端与信号源发射微基站之间的时间同步；3）在定位场景内多个信号源发射微基站轮流切换，在不同的时间区间内发射音频信号；4）定位终端接收各信号源发射微基站发送的音频信号，提取定位信号源，计算各定位信号从各自信号源发射微基站到接收终端的传播时间进而计算出各信号源发射微基站到定位终端的几何距离，并利用已知的各信号源发射微基站坐标和各个信号源发射微基站与定位终端距离测量值计算定位终端的位置。优选的，所述信号源发射微基站发射的音频信号包括超声频段的调制声音信号和可被识别的在听觉范围声音信号，当音频信号为可被识别的在听觉范围声音信号时需叠加超声频段的调制声音信号，当音频信号没有可被识别的在听觉范围声音信号时，则只发射超声频段的调制声音信号。优选的，当定位终端采集到未在规定时间区间内出现的音频信号或采集到的音频信号与规定信号不符合时，则该定位终端采集到的信号为回声干扰信号，定位终端将该干扰信号进行滤除。如上所述，本专利技术具有以下有益效果：跟目前的室内定位技术相比，本专利技术具有成本低，定位精度高，有效工作范围大，易安装维护和支持大众手机等优点。它具有超宽带定位技术的高精度，有效距离长，BLEBeacon的成本低和支持大众手机等优点。由于声音传播速度较电磁波更慢，且其传播衰减特性比电磁波信号更容易理解，本专利基于音频的调制识别测量技术稳定，精度高。同时由于声音信号无处不在，其产生和处理设备通用性强，声音传播距离可控，一般应用时可控制其传播范围超过50米，本专利声音信号源各方面参数采用可配置的设计，同时基于时间同步后的ToA观测，在大部分室内建筑结构安装选点容易，灵活适配不同类型拓扑空间。该定位系统可基于高性价比的器件实现，生产成熟，成本低廉，对处理器性能要求适中，定位终端支持手机，满足大众使用的需求。跟目前的室内定位技术相比，具有成本低，定位精度高，有效工作范围大，易安装维护和支持大众手机等优点。附图说明图1为本专利技术实施例的系统框图。图2为本专利技术实施例时间同步的工作原理图。图3为本专利技术实施例的定位方法原理图。图4为本专利技术实施例定位方法的流程图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单一信号源的音频定位系统，其特征在于，其包括：/n多个信号源发射微基站，所述音频信号发射基站用于向定位场景内发射音频信号，所述多个信号源发射微基站逐一在规定的时间区域内定位场景内发射音频信号；/n定位终端，所述定位终端包括音频信号接收模块及定位算法处理模块，所述音频信号接收模块用于采集所述信号源发射微基站发射的音频信号，所述定位算法处理模块用于提取音频信号中的定位信号，计算各定位信号从各自信号源发射微基站到接收终端的传播时间进而计算出各信号源发射微基站到定位终端的几何距离，并利用已知的各信号源发射微基站坐标和各个信号源发射微基站与定位终端距离测量值计算定位终端的位置；/n时间同步模块，所述时间同步模块用于实现多个信号源发射微基站之间以及定位终端与信号源发射微基站之间的时间同步。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于单一信号源的音频定位系统，其特征在于，其包括：
多个信号源发射微基站，所述音频信号发射基站用于向定位场景内发射音频信号，所述多个信号源发射微基站逐一在规定的时间区域内定位场景内发射音频信号；
定位终端，所述定位终端包括音频信号接收模块及定位算法处理模块，所述音频信号接收模块用于采集所述信号源发射微基站发射的音频信号，所述定位算法处理模块用于提取音频信号中的定位信号，计算各定位信号从各自信号源发射微基站到接收终端的传播时间进而计算出各信号源发射微基站到定位终端的几何距离，并利用已知的各信号源发射微基站坐标和各个信号源发射微基站与定位终端距离测量值计算定位终端的位置；
时间同步模块，所述时间同步模块用于实现多个信号源发射微基站之间以及定位终端与信号源发射微基站之间的时间同步。


2.根据权利要求1所述的基于单一信号源的音频定位系统，其特征在于：所述信号源发射微基站发射的音频信号包括超声频段的调制声音信号。


3.根据权利要求1所述的基于单一信号源的音频定位系统，其特征在于：所述所述信号源发射微基站发射的音频信号还包括可被识别的在听觉范围声音信号，当音频信号为可被识别的在听觉范围声音信号时需叠加超声频段的调制声音信号，当音频信号没有可被识别的在听觉范围声音信号时，则只发射超声频段的调制声音信号。


4.根据权利要求1所述基于单一信号源的音频定位系统，其特征在于：所述时间同步模块集成在一个信号源发射微基站内，该信号源发射微基站为核心微基站，所述时间同步模块上设有无线通信单元，除核心微基站之外的其他信号源发射微基站及定位终端内均设有无线通信单元，所述时间同步模块通过无线通信单元与其他信号源发射微基站及定位终端进行通信连接，实现时间同步。


5.根据权利要求1所述基于单一信号源...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈锐志，叶锋，
申请(专利权)人：苏州普息导航技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32