一种基于发射角估计的音频定位方法

1.本发明属于室内定位技术领域，更具体地，涉及一种基于发射角估计的音频定位方法。


背景技术：

2.随着室内外定位技术的发展，基于广覆盖、多层次的位置服务需求巨大。目前，在室外场景下基于gnss的定位已成熟发展，但在室内、城市峡谷地区、地下等复杂空间由于gnss难以抵达而无法实现定位，因此已经发展了利用wifi、蓝牙、超宽带等射频信号进行室内定位研究的技术。但是室内场景复杂多变，电磁场环境不稳定，对定位精度影响较大。此外，较为成熟的超宽带定位方案成本和功耗过高，难以形成普及应用，蓝牙定位方案虽然成本低，但作用距离有限，且在室内等gnss拒止环境下难以满足高精度的位置服务需求。


技术实现要素：

3.本发明通过提供一种基于发射角估计的音频定位方法，解决现有技术中室内定位的精度较低的问题。
4.本发明提供一种基于发射角估计的音频定位方法，包括以下步骤：
5.步骤1：布设至少两个已知位置信息和姿态信息的基站，每个所述基站均配置有声源发射器阵列，所述声源发射器阵列包括若干个向不同方向发射声音信号的声源发射器；
6.步骤2：每个所述基站通过所述声源发射器不断发射带有识别码的声音信号，不同的声源发射器发射的声音信号的识别码唯一确定且相互不同；
7.步骤3：接收端接收来自所有基站的所有声音信号；
8.步骤4：所述接收端对声音信号进行解调，得到识别码种类和该种类识别码声音信号的强度，结合识别码和声源发射器的编号之间的映射关系、声源发射器的编号和基站之间的归属关系、声源发射器的编号和声音信号的发射角度之间的映射关系，得到所述接收端和所述基站之间的角度概率分布；
9.步骤5：根据所述角度概率分布得到所述接收端与每个所述基站对应的最佳空间估计角度；
10.步骤6：根据所述基站坐标系下的最佳空间估计角度、所述基站的位置信息和姿态信息解算得到所述接收端的空间位置。
11.优选的，所述步骤2中，所述识别码包含该识别码分别与对应的声源发射器、基站之间的所属关系信息；
12.所述识别码包含该识别码所属声源发射器的编号与该识别码所属声源发射器发射的声音信号的波束方向角度之间的映射关系信息。
13.优选的，所述步骤3中，所述接收端通过麦克风接收所述声音信号。
14.优选的，所述步骤4中，得到所述接收端和所述基站之间的角度概率分布的具体实现方式为：
15.结合已知的识别码和声源发射器的编号之间的映射关系、声源发射器的编号和基站之间的归属关系，对不同的识别码的声音信号强度和基站归属建立的拓扑关系；针对每一个基站，对该基站的所有信号强度分别进行归一化处理，归一化处理后得到的值视为所述接收端位于该基站的角度概率分布。
16.优选的，所述步骤5中，对每个基站对应的所述角度概率分布进行处理，通过加权求和的处理方法得到所述接收端与该基站对应的最佳空间估计角度。
17.优选的，所述步骤5中，对每个基站对应的所述角度概率分布进行处理，将最大角度概率对应的波束方向角度作为所述接收端与该基站对应的最佳空间估计角度。
18.优选的，所述步骤6的具体实现方式为：
19.所述最佳空间估计角度作为相对角度，针对每个所述基站，结合接收端与该基站对应的最佳空间估计角度以及该基站的所述姿态信息，得到所述接收端和该基站之间的绝对角度；得到所有基站与所述接收端之间的绝对角度后，结合所有基站的所述位置信息，解算得到所述接收端的空间位置。
20.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
21.在发明中，首先布设至少两个已知位置信息和姿态信息的基站，每个基站均配置有声源发射器阵列，声源发射器阵列包括若干个向不同方向发射声音信号的声源发射器；然后每个基站通过声源发射器不断发射带有识别码的声音信号，不同的声源发射器发射的声音信号的识别码唯一确定且相互不同；接收端接收来自所有基站的所有声音信号并对声音信号进行解调，得到接收端和基站之间的角度概率分布；之后根据角度概率分布得到接收端与每个基站对应的最佳空间估计角度；最后根据基站坐标系下的最佳空间估计角度、基站的位置信息和姿态信息解算得到接收端的空间位置。本发明基于声音信号进行定位，能够有效避免复杂电磁环境的干扰，具有较高的定位精度；基于声音信号的波长特性，使得信号作用距离比一般射频信号要远，能够实现室内场景的广覆盖。相比于信号接收端的到达角(aoa)估计方法，本发明利用声源发射器能够形成定向信号波束的优势，能够有效减少移动终端安置多天线的成本，广泛适用于能够接收声音信号的移动终端。相比于基于距离估计的方法，本发明对基站的时间同步要求低，能够有效降低基站侧的成本。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的一种基于发射角估计的音频定位方法的流程图；
23.图2为本发明实施例提供的一种基于发射角估计的音频定位方法中声源发射器和基站之间的归属关系、声源发射器和信号发射角度之间的映射关系、声源发射器和识别码之间的映射关系示意图。
具体实施方式
24.由于声音传输速度远低于电磁波信号，易于实现同步，具有低能耗、低成本的优势；声学特征不易受干扰，作用距离可达数十米，能够有效满足室内场景的信号覆盖。此外，基于单声源发射器能够形成定向信号波束，利用该优势，本发明提供一种基于角度估计的音频定位方法，能够实现低成本、高精度、广覆盖的室内定位。
25.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上
述技术方案进行详细的说明。
26.本实施例提供了一种基于发射角估计的音频定位方法，包括以下步骤：
27.步骤1：布设至少两个已知位置信息和姿态信息的基站，每个所述基站均配置有声源发射器阵列，所述声源发射器阵列包括若干个向不同方向发射声音信号的声源发射器；
28.步骤2：每个所述基站通过所述声源发射器不断发射带有识别码的声音信号，不同的声源发射器发射的声音信号的识别码唯一确定且相互不同；
29.步骤3：接收端接收来自所有基站的所有声音信号；
30.步骤4：所述接收端对声音信号进行解调，得到识别码种类和该种类识别码声音信号的强度，结合识别码和声源发射器的编号之间的映射关系、声源发射器的编号和基站之间的归属关系、声源发射器的编号和声音信号的发射角度之间的映射关系，得到所述接收端和所述基站之间的角度概率分布；
31.步骤5：根据所述角度概率分布得到所述接收端与每个所述基站对应的最佳空间估计角度；
32.步骤6：根据所述基站坐标系下的最佳空间估计角度、所述基站的位置信息和姿态信息解算得到所述接收端的空间位置。
33.本发明基于声音(机械波)信号进行定位，能够有效避免复杂电磁环境的干扰，具有较高的定位精度，且基于声音信号的波长特性，使得信号作用距离比一般射频信号要远，能够实现室内场景广覆盖。利用单声源发射器能够形成定向信号波束的优势，本发明是一种基于信号发射角(aod)估计的声音定位方法，相比于信号接收端的到达角(aoa)估计方法，本发明能够有效减少移动终端安置多天线的成本，广泛适用于能够接收声音信号的移动终端。此外，基于角度测量的方法相比于基于距离估计的方法对基站的时间同步要求低，降低基站侧的成本。因此，本发明在有效提高室内定位精度的同时，能够实现低成本和广覆盖。
34.下面对本发明做进一步的说明。
35.本发明提供的一种基于发射角估计的音频定位方法，参见图1，包括以下步骤：
36.步骤1：布设至少两个已知位置信息和姿态信息的基站，每个基站均配置有声源发射器阵列，声源发射器阵列包括若干个向不同方向发射声音信号的声源发射器。
37.其中，声源发射器和基站之间的归属关系已知；声源发射器对应的发射声音信号的方向角度已知；所有的基站位置信息，姿态信息已知并被存储。已知参考信息参见本发明实例，如图1所示，具体描述如下：
38.1)布设两个基站，分别记为基站m和基站n，其中，编号为1至5的声源发射器归属基站m、编号为6至10的声源发射器归属基站n，该归属关系已知并存储与接收端本地或云端数据库；
39.2)编号为1至5的声源发射器对应基站m的θ1至θ5方向，编号为6至10的声源发射器对应基站n的θ6至θ
10
方向，该映射关系已知并存储与接收端本地或云端数据库；
40.3)基站m和基站n的位置信息(x
m
，y
m
，z
m
)和(x
n
，y
n
，z
n
)以及姿态信息(α
m
，β
m
，γ
m
)和(α
n
，β
n
，γ
n
)已知并被存储于接收端本地或云端数据库。
41.步骤2：每个基站通过声源发射器不断发射带有识别码的声音信号，整个系统中不同编号的声源发射器发射的声音信号的识别码唯一确定且相互不同，识别码和声源发射器
的编号之间的映射关系已知。已知参考信息参见本发明实例，参见图1、图2，具体描述如下：
42.1)基站m和基站n上的声源发射器(编号为1至10)发射的声音信号所带识别码均相互不同(识别码a至j)，而识别码a至j归属编号为1至10的声源发射器的映射关系均已知，且被存储于接收端本地或云端数据库。
43.步骤3：接收端接收来自所有基站的所有声音信号。
44.即接收端对声音信号进行接收采集，具体的，接收端通过麦克风即可完成声音信号的接收采集。
45.步骤4：接收端对声音信号进行解调，得到识别码种类和该种类识别码声音信号的强度，结合识别码和声源发射器的编号之间的映射关系、声源发射器的编号和基站之间的归属关系、声源发射器的编号和声音信号的发射角度(即声音信号的波束方向角度)之间的映射关系，经过处理得到接收端和基站之间角度概率分布。
46.即接收端对波束方向信息进行探测。具体包括：
47.(1)对步骤3中获取的声音信号进行解调，得到识别码种类和不同识别码声音信号的强度。
48.(2)结合步骤1和步骤2中已知的识别码和声源发射器的编号之间的映射关系、声源发射器的编号和基站之间的归属关系，对不同的识别码的声音信号强度和基站归属建立的拓扑关系，再对来自同一基站的所有信号强度分别进行归一化处理，处理后的值视为接收端位于该基站的角度概率分布。
49.该步骤可进一步通过发明实例进行说明，如图1所示，具体描述如下：
50.接收端对接收信号解调，得到不同识别码种类(编号从a至j)及其信号强度，再结合步骤1、步骤2中已知的归属和映射关系结合步骤1和步骤2中已知的识别码和声源发射器的编号之间的映射关系、声源发射器的编号和基站之间的归属关系，得到接收端位于基站m的不同方向(θ1至θ5)的概率分布和接收端位于基站n的不同方向(θ6至θ
10
)的信号强度，再对信号强度归一化处理，得到接收端位于该基站的角度概率分布。
51.步骤5：根据角度概率分布得到接收端与每个基站对应的最佳空间估计角度。
52.具体的，将不同波束方向角度对应的角度概率进行处理，通过加权求和、取最大值或插值等方法得到接收端与某个基站对应的最佳估计空间角度。例如，参见图1，分别根据基站m和基站n角度概率分布进行处理,得到接收端位于基站m和基站n的、在基站坐标系下的最佳估计角度θ
m
和θ
n
。
53.步骤6：根据接收端基站坐标系下的最佳空间估计角度、基站的位置信息和姿态信息解算得到接收端的空间位置。
54.在基站坐标系下的最佳估计角度是相对角度，结合已知的基站的姿态信息，可以得到接收端和基站之间的绝对角度，当得到多个基站与接收端的绝对角度信息后，再结合已知的基站的位置信息，解算得到接收端的空间位置。该步骤可进一步通过发明实例进行说明，如图1所示，具体描述如下：
55.角度θ
m
和θ
n
为接收端相对基站坐标系的相对角度，结合步骤1中已知的基站姿态信息(α
m
，β
m
，γ
m
)和(α
n
，β
n
，γ
n
)，可以得到接收端和基站m、基站n之间的绝对角度关系，再结合步骤1中已知的基站位置信息(x
m
，y
m
，z
m
)和(x
n
，y
n
，z
n
)，通过解三角形等办法得到接收端的空间位置。
56.本发明实施例提供的一种基于发射角估计的音频定位方法至少包括如下技术效果：
57.(1)本发明基于声音信号进行定位，能够有效避免复杂电磁环境的干扰，具有较高的定位精度。
58.(2)基于声音信号的波长特性，使得信号作用距离比一般射频信号要远，能够实现室内场景的广覆盖。
59.(3)本发明提供的是一种基于信号发射角(aod)估计的声音定位方法，相比于信号接收端的到达角(aoa)估计方法，本发明利用声源发射器能够形成定向信号波束的优势，能够有效减少移动终端安置多天线的成本，广泛适用于能够接收声音信号的移动终端。
60.(4)相比于基于距离估计的方法，本发明对基站的时间同步要求低，能够降低基站侧的成本。
61.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。