一种音频定位装置及音频定位方法与流程

本发明涉及一种三维定位技术，特别是室内三维定位中的音频定位装置及音频定位方法。

背景技术：

在本人已申请的专利中公开了一种室内三维定位方法，它通过至少三个音频和无线基站完成空间定位。对于如何提取音频时间信息公开文件中没有具体说明，此外，在原有的公开信息中提取定位信息需要不断的通过无线电获取同步时间量，它给使用带来了一定的困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种使用灵活，定位精度高，响应时间快，能适应移动VR空间定位的音频定位装置及音频定位方法。

本发明的目的是这样实现的，一种音频定位方法，其特征是：至少包括如下步骤：

1)至少三个音频发射源以不同的音频频率连续向空间发送音频信号包；

2)音频接收器，存贮至少三个音频发射源输出的音频信号包；

3)音频接收器4不间断的接收音频信号，并对音频信号进行滤波处理；

4)音频接收器用存贮的三个音频发射源输出的音频信号包与滤波处理的音频信息进行相关检测；

5)依据步骤4)检测的结果，获取三个音频发射源分别距音频接收器的实时距离；

6)通过实时距离计算音频接收器相对于三个音频发射源空间坐标的相对坐标。

所述的不同的音频频率是至少相差100hz。

所述的步骤1)的音频频率是1k以上的音频频率。

所述的步骤1) 连续发送音频信号包与音频信号包之间间隔小于1秒。

所述的步骤3)接收音频信号音至少包括三个音频发射源向空间发送的音频信号和现场声音，或由其它音频调制的混合声音。

所述的步骤4)进行相关检测包括以下步骤：

以存贮的每一个音频发射源的音频信号包与接收的音频信息进行卷积；

对卷积移位数进行计数；

对每一次移位数的卷积结果进行存贮；

卷积结束后，给出最大结果的移位数；

计算移位一次对应的时间；

用移位数*移位一次对应的时间求出对应音频发射源到音频接收器的时间t；

依据速度公式计算音频发射源到音频接收器的距离r＝t*v；

其中，v是在温度环境下的声音速度，t是传送时间，r是距离。

所述的步骤5)求出三个音频发射源到音频接收器距离包括：

依据步骤4）计算r1、r2、r3，其中，r1是音频发射源1到音频接收器4的距离，r2是音频发射源2到音频接收器4的距离，r3是音频发射源3到音频接收器4的距离；

计算r1、r2、r3还包括确定每一个音频发射源的启始时间t01、t02、t03；

其中，t01是第一音频发射源的启始音频发送时间，t02是第二音频发射源的启始音频发送时间，t03是第三音频发射源的启始音频发送时间；

通过音频接收器检测出每一个音频发射源发射的音频信号到音频接收器的实时时间，ti1、ti2、ti3；

其中，ti1是音频发射源1到音频接收器4的时间，ti2是音频发射源2到音频接收器4的时间，ti3是音频发射源3到音频接收器4的时间；

用公式ti1－t01＝t1，t1是得到的第一音频发射源到音频接收器所需要的时间，

用ti2－t02＝t2，t2是得到的第二音频发射源到音频接收器所需要的时间；

用ti3－t03＝t3，t3是得到的第三音频发射源到音频接收器所需要的时间；

t1、t2、t3在0.01-1秒之间，优选值在0.08秒。

依据速度公式计算第一音频发射源、第二音频发射源、第三音频发射源分别到音频接收器的距离r1、r2、r3。

当t01＝t02＝t03时，则表示第一音频发射源和第二音频发射源和第三音频发射源采用同步音频发送；当t01≠t02≠t03时，则表示第一音频发射源和第二音频发射源和第三音频发射源采用异步音频发送。

所述的步骤6）通过实时距离t1、t2、t3计算音频接收器相对于三个音频发射源空间坐标的相对坐标包括：

201）给出第一音频发射源、第二音频发射源、第三音频发射源分别的坐标A（x1,y1,z1）、B（x2,y2,z2）和C（x3,y3,z3）位置；

202）用r1为半径，坐标A（x1,y1,z1）为中心，建立r1半径上球面坐标公式；

203）用r2为半径，坐标B（x2,y2,z2）为中心，建立r2半径上球面坐标公式；

204）用r3为半径，坐标C（x3,y3,z3）为中心，建立r3半径上球面坐标公式；

205）使上述三个公式相等，建立联立方程，计算上述三个球面的相交点坐标，也就是音频接收器相对于三个音频发射源空间坐标的相对坐标。

所述的分别给出第一音频发射源、第二音频发射源、第三音频发射源的坐标A（x1,y1,z1）、B（x2,y2,z2）和C（x3,y3,z3）是以中心点O（0,0,0）为中心坐标点，分别将第一音频发射源坐标A（x1,y1,z1）、第二音频发射源坐标B（x2,y2,z2）、第三音频发射源坐标C（x3,y3,z3）分布在中心点O（0,0,0）为中心点的圆周上。

所述的本发明的优点是：由于声速在25度时，声波速度约为每秒340米，由空间至少三个音频发射源构成一组，向空间发送不同频率的声频标准信号，以0.1秒为周期，音频发射源发送到音频接收器声音传送距离约34米，因此三个音频发射源可实现1000立方米的空间定位。同时用声速测距具有精度高的特点，一般情况下都能达到厘米数量级，因此实现1000平方米的空间定位，其响应时间小于0.1秒，定位精度能达到1个厘米。在VR或其它领域能方便实现高精度、高速度的空间定位。

采用高精度的处理器将咪头接收的音频信号经高精度A/D采样实现数字化，然后通过傅里叶变换进行选频处理，通过建立存贮的音频音标信号与傅里叶变后的信号进行二次相关检测，实现对音频发射源信号的精准时间检测，确保检测信息的可靠真实。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明信进一步说明：

图1是本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例的实施例说明图；

图3是本发明实施例的第一音频发射源、第二音频发射源、第三音频发射源第一种坐标建立图；

图4是本发明实施例的第一音频发射源、第二音频发射源、第三音频发射源第二种坐标建立图；

图5是音频音标信号图；

图6是咪头接收的音频信号波形图；

图7是通过实时距离t1、t2、t3计算音频接收器相对于三个音频发射源空间坐标的相对坐标流程图；

图8是音频定位装置；

图9是激光器。

图中，1、第一音频发射源；2、；第二音频发射源；3、第三音频发射源；4、音频接收器；5、坐标原点；6、校正台；7、LD；8、音频发射源固定架。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种音频定位方法，包括如下步骤：

1)第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3以不同的音频频率间隔向空间发送音频信号包；第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3发送的音频标准信号间隔是80ms，宽度是3ms，频率分别是2.5k、3k、3.5k；见图2所示。

2)音频接收器4是一台手机或一体式移动VR或是具有高精度A/D接口的处理器、咪头和通信电路构成的音频处理器，处理器的A/D精度在12位以上，音频接收器4存贮有3ms宽的2.5k、3k、3.5k音频信号源；见图2所示。

3)音频接收器4不间断的接收音频信号；音频信号采用分段处理，每段大于等于80ms；音频信号连续采集，以便在定位中不形成空区。见图3所示。

4)音频接收器4通过傅里叶变换对音频数据分别进行2.5k、3k、3.5k的选频处理，形成三个文件进行存贮，然后用存贮的3ms宽的2.5k、3k、3.5k音频信号源与存贮的三个文件分别进行同频率信号卷积，得到卷积过程中的最大值位置，或者说检测到第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3发送的信号位置；见图4所示，图4中的上波形是选频处理，形成三个文件进行存贮。图4的下波形为3ms，从左向右与上波形开始卷积，上波形在80ms－100ms之间。

实际的步骤4)可以通过以下步骤：

以存贮的每一个音频发射源的音频信号包与接收的音频信息进行卷积；

对卷积移位数进行计数；

对每一次移位数的卷积结果进行存贮；

卷积结束后，给出最大结果的移位数；

计算移位一次对应的时间；

用移位数*移位一次对应的时间求出对应音频发射源到音频接收器的时间t；

依据速度公式计算音频发射源到音频接收器的距离r＝t*v；

其中，v是在温度环境下的声音速度，t是传送时间，r是距离。

5)获取第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3分别到音频接收器4的接收时间，计算三个音频发射源相对于音频接收器的实时距离；

步骤5)或用如下步骤说明：如图5所示，

依据步骤4）计算r1、r2、r3，其中，r1是音频发射源1到音频接收器4的距离，r2是音频发射源2到音频接收器4的距离，r3是音频发射源3到音频接收器4的距离；

计算r1、r2、r3还包括确定三个音频发射源的启始时间t01、t02、t03；

其中，t01是第一音频发射源的启始音频发送时间，t02是第二音频发射源的启始音频发送时间，t03是第三音频发射源的启始音频发送时间；

通过音频接收器检测出每一个音频发射源发射的音频信号到音频接收器的实时时间，ti1、ti2、ti3；

其中，ti1是音频发射源1到音频接收器4的时间，ti2是音频发射源2到音频接收器4的时间，ti3是音频发射源3到音频接收器4的时间；

用公式ti1－t01＝t1，t1是得到的第一音频发射源到音频接收器所需要的时间，

用ti2－t02＝t2，t2是得到的第二音频发射源到音频接收器所需要的时间；

用ti3－t03＝t3，t3是得到的第三音频发射源到音频接收器所需要的时间；

t1、t2、t3在0.01-1秒之间，优选值在0.08秒。

依据速度公式计算第一音频发射源、第二音频发射源、第三音频发射源分别到音频接收器的距离r1、r2、r3。

当t01＝t02＝t03时，则表示第一音频发射源和第二音频发射源和第三音频发射源采用同步音频发送；当t01≠t02≠t03时，则表示第一音频发射源和第二音频发射源和第三音频发射源采用异步音频发送。

6)用存贮的第一音频发射源、第二音频发射源、第三音频发射源分别的的坐标通过实时距离计算音频接收器相对于三个音频发射源空间坐标的相对坐标。

步骤6)或用如下步骤说明：如图6所示：

201）给出第一音频发射源的坐标A（x1,y1,z1）、第二音频发射源的坐标B（x2,y2,z2）、第三音频发射源的坐标C（x3,y3,z3）；

202）用r1为半径，坐标A（x1,y1,z1）为中心，建立r1半径上球面坐标公式；

203）用r2为半径，坐标B（x2,y2,z2）为中心，建立r2半径上球面坐标公式；

204）用r3为半径，坐标C（x3,y3,z3）为中心，建立r3半径上球面坐标公式；

205）使上述三个公式相等，建立联立方程，计算上述三个球面的相交点坐标，也就是音频接收器相对于三个音频发射源空间坐标的相对坐标。

如图7所示，所述的分别给出第一音频发射源、第二音频发射源、第三音频发射源的坐标A（x1,y1,z1）、B（x2,y2,z2）和C（x3,y3,z3）是以中心点O（0,0,0）为中心坐标点，分别将第一音频发射源坐标A（x1,y1,z1）、第二音频发射源坐标B（x2,y2,z2）、第三音频发射源坐标C（x3,y3,z3）分布在中心点O（0,0,0）为中心点的圆周上。

一种音频定位装置，如图8和图9所示，至少包括三个音频发射源，三个音频发射源分别是第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3，第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3安装在音频发射源固定架8，三个音频发射源以不同的音频频率连续向空间发送音频信号包；音频发射源固定架8的空间尺寸确定第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3的空间坐标。

音频发射源固定架8是一个丁字结构，中间点为坐标原点5，坐标原点5同时安装LD7，丁字结构的三端分别安装第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3，第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3到坐标原点5距离相同。

如果坐标原点5的坐标为O（0，0，0），则第一音频发射源1坐标A（－L,0，0），第二音频发射源2坐标B（0, －L，0），第三音频发射源3坐标C（L,0，0）。L是第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3分别到音频发射源4的距离，其距离相同。

音频发射源固定架8是一个圆形支架，圆形支架中间点为坐标原点5，坐标原点5同时安装LD7，圆周上分别安装第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3，第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3按120度分配在圆周上，第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3到坐标原点5距离相同。

如图9所示，LD7是激光器，LD7垂直向下发射光点，在光点通过的位置放置音频接收器4或校正台6，当放置校正台6时，将音频接收器4放在校正台6上，光点对准音频接收器4，同时使音频接收器4处在初始化状态，当LD7到校正台6距离已知为h情况下，第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3分别发送的音频标准信号到音频接收器4的距离相同，音频接收器4的坐标点是：D（0，0，h），在已知音频接收器4的坐标点D（0，0，h）和第一音频发射源1坐标A（－L,0，0），第二音频发射源2坐标B（0,－L，0），第三音频发射源3坐标C（L,0，0）时，音频接收器4只要测出第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3发送的音频标准信号时间，就能方便计算出启始音频发送时间。

本发明中，音频发射源固定架8可以是一体的，也可以是分体的。音频发射源固定架8采用一体结构，出厂使用时，系统容易自动将第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3的坐标发出到音频接收器4，让使用者方便使用。音频发射源固定架8是分体时，需要测量第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3的坐标，然后将第一音频发射源1、第二音频发射源2、第三音频发射源3的坐标发出到音频接收器4。分体的具有灵活、不影响环境的优点。

音频接收器4通过咪头接收音频信号，音频信号或经过低噪音放大器放大处理后，在由高精度A/D进行模数转换变成数字信号，再经过数字选频处理。或是通过将咪头接收的音频信号直接经高精度A/D采样实现数字化，然后通过傅里叶变进行选频处理，由建立存贮的音频音标信号（音频信号包）与傅里叶变后的信号进行卷积相关检测。

本发明中，使音频接收器4处在初始化状态下，音频接收器4可以获取启始音频发送时间。

本发明的结构和方法不局限在公开的说明书文件中，依照本发明的思想，并没有进行实质技术的改变的情况下所做的改变均属本发明的保护内容。