专利名称：基于声波的空间定位方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及定位领域，特别是涉及一种基于声波的空间定位方法及系统。
背景技术：
目前室内定位技术有很多种，如A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红 外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信 标定位、计算机视觉定位技术等等，各有各的应用优点和缺点。其中，A-GPS、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络等 定位技术定位精度都比较差，一般在米级分辨率；光跟踪定位技术、图像分析、计算机视觉 定位技术虽精度较高，但是系统成本比较高；现行的超声波室内定位技术可以有较高精度， 但是普遍采用的是超声波反射回波测距，然后根据计算距离对被测物体进行定位，但由于 超声波发送端接受回波，这种情况会存在超声波多径效应的影响，从而无法保证测量的灵 敏性和准确性。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明实施例提供一种基于声波的空间定位方 法及系统，可以方便对空间中的被测对象进行准确定位。本发明的目的是通过下述技术方案实现的本发明实施例提供一种基于声波的空间定位方法，包括从所定位空间中多个接收位置接收被测对象所发送的具有一定频谱特征的声波， 并记录被测对象所发送声波的频谱特征；将多个接收位置接收的声波转换为多个电信号；将各个电信号中承载的声波信号的频谱特征与所记录的被测对象所发送声波的 频谱特征进行匹配，利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与各接收位置之 间的距离；通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置。所述从所定位空间中多个接收位置接收被测对象所发送的具有一定频谱特征的 声波包括在所定位空间中的多个接收位置均设置声波接收装置，在被测对象上设置声波发 送装置，所定位空间中的多个声波接收装置接收被测对象上设置的声波发送装置向所定位 空间中发出的一定频谱特征的声波。所述利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与各接收位置之间的 距离包括利用发送声波与接收声波之间的时间差与声波传播速度的乘积来得出接收位置 与发送声波的被测对象之间的距离。所述通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置包括
通过得出的距离利用三角计算法计算得出被测对象在所定位空间中的空间位置。本发明实施例还提供一种基于声波的空间定位系统，包括多个声波接收装置、声波发送装置和处理装置；多个声波接收装置，用于设置在所定位空间中多个接收位置接收被测对象所发送的具有一定频谱特征的声波，并将所接收的声波转换为电信号；声波发送装置，用于设置在被测对象上，向所定位空间中发送具有一定频谱特征 的声波；处理装置，用于记录所述声波发送装置发送声波的频谱特征；并接收所述多个声 波接收装置根据所接收声波转换的多个电信号；将各电信号中承载的声波信号的频谱特征 与所记录的被测对象所发送声波的频谱特征进行匹配，利用接收和发送声波之间的时间差 计算得出被测对象与各接收位置之间的距离，并通过得出的距离计算确定被测对象在所定 位空间中的空间位置。所述处理装置包括记录单元、电信号接收单元、计时单元、计算处理单元和输出装置；记录单元，用于记录声波发送装置所发送声波的频谱特征；电信号接收单元，用于接收所述多个声波接收装置根据所接收声波转换的多个电 信号；计时单元，用于根据所述声波发送装置发送声波的时刻与所述声波接收装置接收 声波的时刻得出接收和发送声波之间的时间差；计算处理单元，用于利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与各接 收位置之间的距离，并通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置；输出装置，用于输出被测对象在所定位空间中的空间位置信息。所述计时单元包括多个接收计时子单元、发送计时单元和计算单元；所述多个接收计时子单元，分别用于记录各声波接收装置接收到声波的时刻；所述发送计时单元，用于记录所述声波发送装置发送声波的时刻；计算单元，用于根据所述各接收计时子单元记录的接收到声波的时刻与所述发送 计时单元记录的发送声波的时刻，计算得出发送声波与各接收位置的声波接收装置接收到 声波之间的时间差。所述输出装置包括语音输出装置和/或显示输出装置。所述声波接收装置包括声波接收器和转换单元；所述声波接收器，用于接收声波；所述转换单元，用于将所述声波接收器接收的声波转换为电信号。从上述本发明实施例提供的技术方案中可以看出，本发明实施例中利用声波信号 传输的速度与发送、接收该声波的时间差来计算所定位的被测对象与多个接收位置之间的 距离，从而利用获得的距离计算得出被测对象在所定位空间中的空间位置。该定位方法可 利用普通声波或超声波，由于声波发送端不接受回波，在这种情况下可以减弱声波多径效应产生的影响，保证测量的灵敏性和准确性，并且，该方法简单，成本低。
图1为本发明实施例一提供的定位方法示意图；图2为本发明实施例二提供的定位系统的结构框图；图3为本发明实施例二提供的定位系统的处理装置的结构框图；
图4为本发明实施例二提供的定位系统的处理装置的计时单元结构框5为本发明实施例二提供的定位系统的声波接收装置的结构框图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。实施例一本实施例提供一种基于声波的空间定位方法，可以利用普通声波或超声波，对被 测对象在空间的位置进行快速、准确的定位，该方法包括从所定位空间中多个接收位置接收被测对象所发送的具有一定频谱特征的声波， 并记录被测对象所发送声波的频谱特征；一般在所定位空间中至少设置四个接收位置，四 个接收位置分布设置在所定位空间中的不同平面上；上述步骤中，具体是在所定位空间中的多个接收位置均设置声波接收装置，在被 测对象上设置声波发送装置，所定位空间中的多个声波接收装置接收被测对象上设置的声 波发送装置向所定位空间中发出的一定频谱特征的声波。将多个接收位置接收的声波转换为多个电信号；将各个电信号中承载的声波信号的频谱特征与所记录的被测对象所发送声波的 频谱特征进行匹配，利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与各接收位置之 间的距离；通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置。一般通过得出的 距离利用三角计算法计算得出被测对象在所定位空间中的空间位置。上述方法中，所述利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与各接收 位置之间的距离具体为利用发送声波与接收声波之间的时间差与声波传播速度的乘积来 得出接收位置与发送声波的被测对象之间的距离。下面结合图1所示的示意图，对上述方法作进一步说明(1)在需要测量场所安放若干声波接收器1、2、3. . . η作为接收位置，各声波接收 器均连接到计算机5，并确定各声波接收器的精确位置，声波接收器数量可由所测量场所空 间大小决定，一般至少设置4个以上声波接收器(即在所测量场所空间中设置多个接收位 置)，并且均不在同一个平面之内；(2)将声波发生装置6安放在被测物体上，该声波发生装置6通过无线的方式与计 算机5连接；(3)声波发生装置6发送一定频谱特征的声波，可以由计算机5控制按照指令来发 送一定频谱特征的声波；(4)设置在接收位置的声波接收器1、2、3. . . η将接收到的声波转换为电信号并发送到计算机5上； (5)计算机5对各声波接收器1、2、3. . . η接收到声波的信号频谱特征(即各声波 接收器1、2、3. . . η将接收到的声波转换成电信号，电信号传送给计算机，电信号中承载对 应声波的频率特征)与声波发生装置发送声波的频谱特征进行匹配，利用接收和发送声波 之间的时间差计算出声波发生装置与各声波接收器之间的距离(即计算得出被测物体与 接收位置之间的距离)；(6)根据计算得出的声波发生装置与各声波接收器之间的距离，利用三角计算法 计算得出声波发生装置的空间位置，即确定声波发生装置所安装的被测物体在测量场所空 间中的位置。本实施例中的定位方法，若定位精度要求低，可以使用普通声波(如音乐)进行 定位，普通声波由于波长较长，可以绕行通过一定的障碍物，适合应用在环境比较复杂的场 所；若定位精度要求较高的场所，则可以使用超声波；由于发送声波的发送端不接受回波， 在这种情况下可以减弱声波多径效应产生的影响，保证测量的灵敏性和准确性；并且，实现 该定位方法的系统结构简单，成本较低。实施例二本实施例提供一种基于声波的空间定位系统，利用该系统可实现上述实施例一中 给出的定位方法，如图2所示，该系统包括多个声波接收装置21、22…2Ν、声波发送装置31和处理装置41 ；多个声波接收装置21、22···2Ν，用于设置在所定位空间中多个接收位置接收被测 对象所发送的具有一定频谱特征的声波，并将所接收的声波转换为电信号；声波发送装置31，用于设置在被测对象上，向所定位空间中发送具有一定频谱特 征的声波；处理装置41，用于记录所述声波发送装置31发送声波的频谱特征；并接收所述多 个声波接收装置21、22…2Ν根据所接收声波转换的多个电信号；将各电信号中承载的声波 信号的频谱特征与所记录的被测对象所发送声波的频谱特征进行匹配，利用接收和发送声 波之间的时间差计算得出被测对象与各接收位置之间的距离，并通过得出的距离计算确定 被测对象在所定位空间中的空间位置。如图3所示，上述定位系统中的处理装置，包括记录单元210、电信号接收单元211、计时单元212、计算处理单元213和输出装置 214 ；记录单元210，用于记录声波发送装置31所发送声波的频谱特征；电信号接收单元211，用于接收所述多个声波接收装置21、22…2Ν根据所接收声 波转换的多个电信号；计时单元212，用于根据所述声波发送装置31发送声波的时刻与所述声波接收装 置21、22…2Ν接收声波的时刻得出接收和发送声波之间的时间差；计算处理单元213，用于利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与 各接收位置之间的距离，并通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位 置；输出装置214，用于输出被测对象在所定位空间中的空间位置信息，输出装置可采用语音输出装置和/或显示输出装置。如图4所示，上述处理装置中的计时单元包括多个接收计时子单元2121、2122. . . 212η、发送计时单元312和计算单元313 ；所述多个接收计时子单元2121、2122. . . 212η，分别用于记录各声波接收装置接收到声波的时刻；所述发送计时单元312，用于记录所述声波发送装置发送声波的时刻；计算单元313，用于根据所述各接收计时子单元2121、2122. . . 212η记录的接收到声波的时刻与所述发送计时单元312记录的发送声波的时刻，计算得出发送声波与各接收 位置的声波接收装置接收到声波之间的时间差。如图5所示，上述定位系统中的声波接收装置包括声波接收器411和转换单元412 ；所述声波接收器411，用于接收声波；所述转换单元412，用于将所述声波接收器接收的声波转换为电信号。该系统结构简单，可以利用声波或超声波，方便的对被测位置在测量空间中的位 置进行定位。可以知道，上述定位系统中的处理装置可以用硬件电路模块的方式实现，也可以 在计算机中设置软件模块的方式实现。综上所述，本发明实施例中利用声波信号传输的速度与发送、接收该声波的时间 差来计算所定位的被测对象与多个接收位置之间的距离，从而利用获得的距离计算得出被 测对象在所定位空间中的空间位置。该定位方法可利用普通声波或超声波，由于声波发送 端不接受回波，在这种情况下可以减弱声波多径效应产生的影响，保证测量的灵敏性和准 确性。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揭露的技术范围内，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。
权利要求
一种基于声波的空间定位方法，其特征在于，包括从所定位空间中多个接收位置接收被测对象所发送的具有一定频谱特征的声波，并记录被测对象所发送声波的频谱特征；将多个接收位置接收的声波转换为多个电信号；将各个电信号中承载的声波信号的频谱特征与所记录的被测对象所发送声波的频谱特征进行匹配，利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与各接收位置之间的距离；通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置。
2.如权利要求1所述的基于声波的空间定位方法，其特征在于，所述多个接收位置为 至少四个接收位置，四个接收位置分布设置在所定位空间中的不同平面上。
3.如权利要求1所述的基于声波的空间定位方法，其特征在于，所述从所定位空间中 多个接收位置接收被测对象所发送的具有一定频谱特征的声波包括在所定位空间中的多个接收位置均设置声波接收装置，在被测对象上设置声波发送装 置，所定位空间中的多个声波接收装置接收被测对象上设置的声波发送装置向所定位空间 中发出的一定频谱特征的声波。
4.如权利要求1所述的基于声波的空间定位方法，其特征在于，所述利用接收和发送 声波之间的时间差计算得出被测对象与各接收位置之间的距离包括利用发送声波与接收声波之间的时间差与声波传播速度的乘积来得出接收位置与发 送声波的被测对象之间的距离。
5.如权利要求1所述的基于声波的空间定位方法，其特征在于，所述通过得出的距离 计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置包括通过得出的距离利用三角计算法计算得出被测对象在所定位空间中的空间位置。
6.一种基于声波的空间定位系统，其特征在于，包括 多个声波接收装置、声波发送装置和处理装置；多个声波接收装置，用于设置在所定位空间中多个接收位置接收被测对象所发送的具 有一定频谱特征的声波，并将所接收的声波转换为电信号；声波发送装置，用于设置在被测对象上，向所定位空间中发送具有一定频谱特征的声波；处理装置，用于记录所述声波发送装置发送声波的频谱特征；并接收所述多个声波接 收装置根据所接收声波转换的多个电信号；将各电信号中承载的声波信号的频谱特征与所 记录的被测对象所发送声波的频谱特征进行匹配，利用接收和发送声波之间的时间差计算 得出被测对象与各接收位置之间的距离，并通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空 间中的空间位置。
7.如权利要求6所述的基于声波的空间定位系统，其特征在于，所述处理装置包括 记录单元、电信号接收单元、计时单元、计算处理单元和输出装置；记录单元，用于记录声波发送装置所发送声波的频谱特征；电信号接收单元，用于接收所述多个声波接收装置根据所接收声波转换的多个电信号；计时单元，用于根据所述声波发送装置发送声波的时刻与所述声波接收装置接收声波的时刻得出接收和发送声波之间的时间差；计算处理单元，用于利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与各接收位 置之间的距离，并通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置； 输出装置，用于输出被测对象在所定位空间中的空间位置信息。
8.如权利要求7所述的基于声波的空间定位系统，其特征在于，所述计时单元包括 多个接收计时子单元、发送计时单元和计算单元；所述多个接收计时子单元，分别用于记录各声波接收装置接收到声波的时刻； 所述发送计时单元，用于记录所述声波发送装置发送声波的时刻； 计算单元，用于根据所述各接收计时子单元记录的接收到声波的时刻与所述发送计时 单元记录的发送声波的时刻，计算得出发送声波与各接收位置的声波接收装置接收到声波 之间的时间差。
9.如权利要求7所述的基于声波的空间定位系统，其特征在于，所述输出装置包括 语音输出装置和/或显示输出装置。
10.如权利要求6所述的基于声波的空间定位系统，其特征在于，所述声波接收装置包括声波接收器和转换单元； 所述声波接收器，用于接收声波；所述转换单元，用于将所述声波接收器接收的声波转换为电信号。
全文摘要
本发明公开一种基于声波的空间定位方法及系统，属测距定位领域。该方法包括从所定位空间中多个接收位置接收被测对象所发送的具有一定频谱特征的声波，并记录被测对象所发送声波的频谱特征；将多个接收位置接收的声波转换为多个电信号；将各个电信号中承载的声波信号的频谱特征与所记录的被测对象所发送产波的频谱特征进行匹配，利用接收和发送声波之间的时间差计算得出被测对象与各接收位置之间的距离；通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置。该定位方法可利用普通声波或超声波，由于声波发送端不接受回波，在这种情况下可以减弱声波多径效应产生的影响，保证测量的灵敏性和准确性，并且，该方法简单，成本低。
文档编号G01S7/56GK101799544SQ20101013480
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者张旭凤, 王玉泉, 米娜, 郑进科, 陈静 申请人:北京物资学院