扬声设备以及设备定位系统的制作方法

本发明涉及扬声器技术领域，特别是涉及一种扬声设备以及设备定位系统。

背景技术：

如今，诸如耳机等扬声设备因其能够实现电信号和声信号的转换，进而广泛应用于日常工作生活中。扬声设备通常会配备天线进行无线通信，例如蓝牙通信等，尤其是无线耳机，其需要天线实现信号收发等功能。

随着蓝牙技术的发展，推动了蓝牙定位技术的研究与普及。扬声设备所配备的天线基于蓝牙定位技术能够实现扬声设备的定位。而目前基于蓝牙的室内定位方法，或多或少存在精度不高、定位限制条件较多、定位所需设备价格昂贵、不便普及等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明主要解决的技术问题是提供一种扬声设备以及设备定位系统，能够使得扬声设备具有定位功能并且具有较高的定位精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种扬声设备，该扬声设备包括控制电路和天线阵列。天线阵列包括阵列排布且连接至控制电路的至少两个天线。其中，天线阵列中的各天线用于接收来自基站设备的蓝牙定位信号，使得控制电路通过各天线所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线之间的距离确定扬声设备相对于基站设备的相对方位。

在本发明的一实施例中，扬声设备还包括天线切换开关，天线切换开关连接控制电路，并且还和天线阵列中的各天线连接，控制电路用于通过天线切换开关控制天线阵列中的各天线交替工作，使得天线阵列中的各天线交替接收来自基站设备的蓝牙定位信号，并分别传输至控制电路。

在本发明的一实施例中，天线阵列包括第一天线和第二天线，第一天线和第二天线分别连接至同一天线切换开关；天线切换开关的固定端和控制端连接控制电路，天线切换开关的第一选择端连接第一天线，第二选择端连接第二天线，控制电路用于通过控制端控制固定端分别交替和第一选择端、第二选择端导通。

在本发明的一实施例中，天线阵列中天线的数量大于或等于两个，天线阵列中的各天线分别连接一天线切换开关，各天线切换开关的固定端和控制端连接控制电路，并且各天线切换开关的选择端连接对应的天线，控制电路用于通过各天线切换开关的控制端控制各天线切换开关的固定端和选择端交替导通。

在本发明的一实施例中，天线阵列中的天线的数量为n(n≥2)，天线阵列中相邻天线之间的距离相等且小于1/(n-1)的蓝牙定位信号的波长。

在本发明的一实施例中，扬声设备还包括加速度传感器，加速度传感器连接控制电路，用于测量天线阵列中天线的倾斜角度，倾斜角度用于补偿天线所接收的蓝牙定位信号的到达角。天线阵列中天线的倾斜角度定义为当前状态下的天线和水平面法线之间的夹角与目标状态下的天线和水平面法线之间的夹角的矢量差。

在本发明的一实施例中，天线阵列中各天线接收到蓝牙定位信号时的相位为并且各天线之间的距离为di,j(i、j＝1,2,3…n)，天线阵列中天线的倾斜角度为δθ，蓝牙定位信号的波长为λ；

天线阵列中各天线之间接收到蓝牙定位信号时的相位差为：

则，天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的入射角为：

进而得到天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的入射角的余角θi(i＝1,2,3…n)；

则，天线阵列中各天线到基站设备的距离为：

di＝di,i+1*tanθi+1/cosθi*(tanθi-tanθi+1)；

并且，天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的到达角为ψi,j，进而确定扬声设备相对于基站设备的相对方位；

其中，天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的到达角定义为天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的传播方向与水平面法线之间的夹角。

在本发明的一实施例中，扬声设备相对于基站设备的相对方位包括扬声设备相对于基站设备的相对角度和相对距离。其中，扬声设备相对于基站设备的相对角度为天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的到达角的均值，扬声设备相对于基站设备的相对距离为天线阵列中各天线到基站设备的距离的均值。

在本发明的一实施例中，加速度传感器为重力加速度传感器、三轴加速度传感器和陀螺仪中的至少一种。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种设备定位系统，该设备定位系统包括扬声设备和基站设备，扬声设备和基站设备之间建立有蓝牙通讯连接。该扬声设备包括控制电路和天线阵列。天线阵列包括阵列排布且连接至控制电路的至少两个天线。其中，天线阵列中的各天线用于接收来自基站设备的蓝牙定位信号，使得控制电路通过各天线所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线之间的距离确定扬声设备相对于基站设备的相对方位。

本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明提供一种扬声设备以及设备定位系统。该扬声设备通过天线阵列中的至少两个天线接收来自基站设备的蓝牙定位信号，使得控制电路通过各天线所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线之间的距离确定扬声设备相对于基站设备的相对方位，即实现扬声设备的定位。通过上述方式，能够使得扬声设备具有定位功能；并且天线阵列结合蓝牙定位信号的到达角的定位算法，其定位精度较高，能够使得扬声设备具有较高的定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的附图。其中：

图1是本发明扬声设备一实施例的结构示意图；

图2是本发明扬声设备另一实施例的结构示意图；

图3是本发明加速度传感器工作原理一实施例的结构示意图；

图4是本发明扬声设备的定位算法一实施例的原理示意图；

图5是本发明扬声设备的蓝牙定位信号入射角计算方法一实施例的原理示意图；

图6是本发明设备定位系统一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。并且在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为解决现有技术中蓝牙定位技术的定位精度较低的技术问题，本发明的一实施例提供一种扬声设备，该扬声设备包括控制电路和天线阵列。天线阵列包括阵列排布且连接至控制电路的至少两个天线。其中，天线阵列中的各天线用于接收来自基站设备的蓝牙定位信号，使得控制电路通过各天线所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线之间的距离确定扬声设备相对于基站设备的相对方位。以下进行详细阐述。

请参阅图1，图1是本发明扬声设备一实施例的结构示意图。

在一实施例中，扬声设备1可以是诸如耳机等扬声装置，包括入耳式耳机、头戴式耳机、颈戴式耳机等。用户佩戴扬声设备1，而用户所处的位置不是固定的，而是随时在变化的，意味着扬声设备1的位置不是固定的。若要实现扬声设备1的定位，则要搭配一个位置固定的设备，例如基站设备等，以确定扬声设备1的实时方位。因此，扬声设备1的定位，即确定扬声设备1相对于基站设备的相对方位，从而确定扬声设备1的实时位置。

具体地，扬声设备1包括控制电路11和天线阵列12。天线阵列12包括阵列排布且连接至控制电路11的至少两个天线。天线阵列12中的各天线用于接收来自基站设备的蓝牙定位信号。由于天线阵列12中各天线至基站设备的距离不同，因此各天线所接收蓝牙定位信号存在到达时间差，进而存在相位差，因此各天线所接收蓝牙定位信号的到达角(angleofarrival，aoa)存在不同。有鉴于此，本实施例的控制电路11通过各天线所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线之间的距离确定扬声设备1相对于基站设备的相对方位，即实现扬声设备1的定位。并且天线阵列12结合蓝牙定位信号的到达角的定位算法，其定位精度较高，能够使得扬声设备1具有较高的定位精度。

优选地，控制电路11可以是集成有逻辑运算电路的芯片，其作为扬声设备1的主控部分，用于控制扬声设备1的各组成部分协调工作，同时还用于上述扬声设备1定位算法的执行。控制电路11中还集成有蓝牙通讯电路，使得天线阵列12中的天线能够和基站设备之间通过蓝牙通讯，并基于蓝牙定位信号的到达角确定扬声设备1相对于基站设备的相对方位。当然，在本发明的其它实施例中，上述蓝牙通讯电路也可独立于控制电路11，天线阵列12中的天线连接蓝牙通讯电路，而蓝牙通讯电路再与控制电路11连接，实现蓝牙信号的传输，在此不做限定。

可选地，天线阵列12中的天线可以是板载天线，或者是陶瓷天线，或者是弹片天线，或者是lds天线等，在此不做限定。

以上可以看出，本发明所提供的扬声设备，其通过天线阵列中的至少两个天线接收来自基站设备的蓝牙定位信号，使得控制电路通过各天线所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线之间的距离确定扬声设备相对于基站设备的相对方位，即实现扬声设备的定位。通过上述方式，能够使得扬声设备具有定位功能；并且天线阵列结合蓝牙定位信号的到达角的定位算法，其定位精度较高，能够使得扬声设备具有较高的定位精度。

请继续参阅图1。在一实施例中，由于天线阵列12中各天线所接收蓝牙定位信号存在相位差，因此各天线所接收蓝牙定位信号之间会相互干扰。为避免各天线所接收蓝牙定位信号之间的相互干扰，本实施例中天线阵列12的各天线分时交替进行工作，即分时交替用于接收来自基站设备的蓝牙定位信号。

有鉴于此，本实施例中的扬声设备1还可以包括天线切换开关13。天线切换开关13连接控制电路11，并且还和天线阵列12中的各天线连接，控制电路11用于通过天线切换开关13控制天线阵列12中的各天线交替工作，使得天线阵列12中的各天线交替接收来自基站设备的蓝牙定位信号，并分别传输至控制电路11，以供控制电路11进行定位运算。

当然，在本发明的其它实施例中，实现天线阵列12的各天线分时交替进行工作的方式并不局限于上述中天线切换开关13的方式。例如，天线阵列12中的各天线直接连接至控制电路11，由控制电路11交替选择不同天线所接收的蓝牙定位信号用于定位运算，而除控制电路11所选择天线之外的天线被控制电路11设置为不进行工作等，在此不做限定。

当然，在本发明的其它实施例中，若控制电路能够在天线阵列中各天线同时接收蓝牙定位信号的情况下，分辨出各蓝牙定位信号所对应的天线，天线阵列中的各天线也就无需分时交替进行工作，可以同时用于接收来自基站设备的蓝牙定位信号，可以至少减少上述天线切换开关的使用，有利于简化扬声设备的电路结构。

请继续参阅图1。在一实施例中，天线阵列12包括第一天线122和第二天线123。基于天线阵列12结合蓝牙定位信号的到达角的定位算法，要求天线阵列12至少需要包括两个天线。而本实施例中天线阵列12包括两个天线，即第一天线122和第二天线123，使得天线阵列12所用天线最少化，能够简化扬声设备1的结构，降低扬声设备1的成本，同时能够简化定位算法。

具体地，第一天线122和第二天线123分别连接至同一天线切换开关13。天线切换开关13的固定端131和控制端132连接控制电路11，天线切换开关13的第一选择端133连接第一天线122，第二选择端134连接第二天线123。控制电路11用于通过控制端132控制固定端131分别交替和第一选择端133、第二选择端134导通，即固定端131和第一选择端133之间、固定端131和第二选择端134之间是分时交替导通的，进而使得控制电路11分别交替和第一天线122、第二天线123导通，也就意味着第一天线122和第二天线123交替接收来自基站设备的蓝牙定位信号，以避免第一天线122和第二天线123所接收蓝牙定位信号之间相互干扰。

请参阅图2。在替代实施例中，天线阵列12中天线121的数量大于或等于两个，例如3个、4个、5个、6个等。天线阵列12中的各天线121分别连接一天线切换开关13，各天线切换开关13的固定端131和控制端132连接控制电路11，并且各天线切换开关13的选择端135连接对应的天线121，控制电路11用于通过各天线切换开关13的控制端132控制各天线切换开关13的固定端131和选择端135交替导通，即控制各天线切换开关13交替导通，使得各天线切换开关13所连接的天线121之间交替和控制电路11导通，也就意味着天线阵列12中的各天线121交替接收来自基站设备的蓝牙定位信号，以避免不同天线121所接收蓝牙定位信号之间相互干扰。

请继续参阅图1。在一实施例中，由于用户每次佩戴扬声设备1后，扬声设备1会处于不同的状态，即具有不同的倾斜程度；或是由于不同用户之间个体生理结构的差异，导致不同用户佩戴同一扬声设备1，扬声设备1同样会处于不同的状态，具有不同的倾斜程度；亦或是用户佩戴扬声设备1并处于运动状态等，使得扬声设备1处于不同的状态，具有不同的倾斜程度。而扬声设备1的倾斜会导致天线阵列12中的天线倾斜，进而影响天线所接收蓝牙定位信号的到达角，影响定位精度。

有鉴于此，本实施例的扬声设备1还包括加速度传感器14。加速度传感器14连接控制电路11，用于测量天线阵列12中天线的倾斜角度，所测得的倾斜角度用于补偿天线所接收的蓝牙定位信号的到达角，进而提高定位精度。

由于天线阵列12中天线的倾斜是空间上的倾斜，因此天线阵列12中天线的倾斜角度定义为当前状态下的天线和水平面法线之间的夹角与目标状态下的天线和水平面法线之间的夹角的矢量差。加速度传感器14测量出当前状态下的天线和水平面法线之间的夹角，将其与预存的目标状态下的天线和水平面法线之间的夹角(理论值)进行比对，从而得到当前状态下的天线和水平面法线之间的夹角与目标状态下的天线和水平面法线之间的夹角的矢量差，即通过加速度传感器14测量天线在空间上的倾斜，以补偿天线所接收的蓝牙定位信号的到达角。

举例而言，图3中a位置表示天线121处于目标状态，目标状态下的天线121和水平面法线α之间的夹角以0°为例，即目标状态下的天线121和水平面法线α重合。而图3中b位置则表示天线121处于当前状态，当前状态下的天线121和水平面法线α之间的夹角为δθ，也就是当前状态下的天线121和水平面法线α之间的夹角与目标状态下的天线121和水平面法线α之间的夹角的矢量差为δθ。由于δθ是矢量差的关系，δθ可以是正值，也可以是负值，其取决于天线121的倾斜方向。

可选地，加速度传感器14可以是重力加速度传感器、三轴加速度传感器和陀螺仪中的至少一种，在此不做限定。

请参阅图4，图4是本发明扬声设备的定位算法一实施例的原理示意图。以下大致阐述天线阵列结合蓝牙定位信号的到达角的定位算法。

天线阵列结合蓝牙定位信号的到达角的定位算法，其基础原理是：基于蓝牙定位信号的到达角的特性，实现精准定位。其工作过程是：基站设备的单一天线通过蓝牙发送特殊的数据封包(即蓝牙定位信号)，扬声设备借助以阵列排布的多个天线接收蓝牙定位信号。由于天线阵列中各天线之间的间距不同，各天线所接收蓝牙定位信号存在相位差。在天线阵列中的各天线之间切换时，从接收的蓝牙定位信号中获取i&q样本，计算得出各蓝牙定位信号的相对相位，得出各天线相对于基站设备的角度后，再通过三边测量法就可以得到扬声设备相对于基站设备的相对方位。

具体地，天线阵列中的天线的数量为n(n≥2)，天线阵列中各天线接收到蓝牙定位信号时的相位为并且各天线之间的距离为di,j(i、j＝1,2,3…n)，所述天线阵列中天线的倾斜角度为δθ，蓝牙定位信号的波长为λ。

则，天线阵列中各天线之间接收到蓝牙定位信号时的相位差为：

如图5所示，图5以上述实施例中两个天线为例阐述如何通过天线阵列中各天线之间接收到蓝牙定位信号时的相位差，得到天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的入射角。其中，天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的到达角(即入射角)定义为天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的传播方向与水平面法线之间的夹角。

蓝牙定位信号到达第一天线122和第二天线123的距离差为：p＝d*sinψ，d为第一天线122和第二天线123之间的距离，其中蓝牙定位信号的传播方向如图5中箭头s所示。

蓝牙定位信号的波长为：λ＝c/f，c为光速，f为载波频率。

是第一天线122和第二天线123所接收蓝牙定位信号的相位差，则

即所以

即天线所接收蓝牙定位信号的入射角为

因此，计算天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的入射角的通式为：其中，δθ为加速度传感器14所测量到的天线阵列中天线的倾斜角度，式表达了δθ用于补偿天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的入射角，也就补偿了天线所接收的蓝牙定位信号的到达角。

请继续参阅图4。基于上述运算过程，通过三边测量法就可以得到扬声设备相对于基站设备的相对方位，具体包括：

根据式计算得到天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的入射角的余角θi(i＝1,2,3…n)。则，天线阵列中各天线到基站设备的距离为：di＝di,i+1*tanθi+1/cosθi*(tanθi-tanθi+1)，进而通过各天线所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线之间的距离确定扬声设备相对于基站设备的相对方位。

需要说明的是，天线阵列中相邻天线之间的距离可以相等，使得上述中di,j为定值，从而减轻本实施例的定位算法的运算量。并且，天线阵列中相邻天线之间的距离小于1/(n-1)的蓝牙定位信号的波长，使得天线阵列中各天线所接收的蓝牙定位信号的相位在蓝牙定位信号的一个波长内，可以避免发生不同天线所接收蓝牙定位信号的相位相同的情况，影响定位算法的执行。

扬声设备相对于基站设备的相对方位包括扬声设备相对于基站设备的相对角度和相对距离。

进一步地，扬声设备相对于基站设备的相对角度为天线阵列中各天线所接收蓝牙定位信号的到达角的均值。扬声设备相对于基站设备的相对距离为天线阵列中各天线到基站设备的距离的均值。也就是说，根据各天线所对应的到达角以及各天线至基站设备的距离的计算结果，采用平均值描述扬声设备相对于基站设备的相对角度和相对距离，以更准确地描述扬声设备相对于基站设备的相对方位，有利于提高扬声设备的定位精度。

当然，由于天线阵列中各天线之间的距离相对于扬声设备和基站设备之间的距离而言，天线阵列中各天线之间的距离远小于扬声设备和基站设备之间的距离，因此天线阵列中各天线所对应的到达角以及各天线至基站设备的距离相差很小。在本发明的其它实施例中，可以将天线阵列中任一天线所对应的到达角以及该天线至基站设备的距离，用于描述扬声设备相对于基站设备的相对角度和相对距离，在此不做限定。

请继续参阅图1。在一实施例中，扬声设备1还包括麦克风151和扬声器152。麦克风151和扬声器152分别连接控制电路11，用于用户正常使用扬声设备1，包括接听通话、听音乐等。本实施例的扬声设备1在具有定位功能的同时，还能够用于日常使用，满足用户的需求。扬声设备1还包括电池161和接口162，电池161和接口162分别连接控制电路11，电池161用于向扬声设备1供电，而接口162可以是type-c接口等，用于对扬声设备1的电池进行充电。扬声设备1还包括按键组件17和led灯组18，按键组件17和led灯组18分别连接控制电路11。按键组件17可以包括电源键、音量增键、音量减键等，而led灯组18可以用于显示扬声设备1的剩余电量等信息。

综上所述，本发明所提供的扬声设备，其通过天线阵列中的至少两个天线接收来自基站设备的蓝牙定位信号，使得控制电路通过各天线所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线之间的距离确定扬声设备相对于基站设备的相对方位，即实现扬声设备的定位。通过上述方式，能够使得扬声设备具有定位功能；并且天线阵列结合蓝牙定位信号的到达角的定位算法，其定位精度较高，能够使得扬声设备具有较高的定位精度。

请参阅图6，图6是本发明设备定位系统一实施例的结构示意图。

在一实施例中，设备定位系统包括扬声设备1和基站设备2，扬声设备1和基站设备2之间建立有蓝牙通讯连接3。

扬声设备1包括控制电路11和天线阵列12。天线阵列12包括阵列排布且连接至控制电路11的至少两个天线121。其中，天线阵列12中的各天线121用于接收来自基站设备2的蓝牙定位信号，使得控制电路11通过各天线121所接收的蓝牙定位信号的到达角以及各天线121之间的距离确定扬声设备1相对于基站设备2的相对方位。

需要说明的是，扬声设备1已在上述实施例中详细阐述，在此就不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。