本公开涉及室内定位技术领域，尤其涉及一种声波定位系统、用于智能终端的声波定位系统及定位方法。
背景技术：
室内定位是世界上最新的技术之一，人们一生当中80％的时间都待在室内，但是由于墙壁对电磁信号的屏蔽遮挡，gps却不能在室内良好运作。为此本领域技术人员提出了多种技术方案应用于室内定位。例如：无线信号方案、指纹定位方案以及uwb(ultrawideband-超宽带)方案等等。其中，基于无线信号发射设备如wifi、蓝牙(bluetooth)等方案依赖于无线信号距离衰减模型，定位精度可达5m，误差大且信号rssi(receivedsignalstrengthindication-接收信号的强度指示)易受环境因素影响；指纹定位方案需要在室内收集很多的指纹数据，定位时通过智能终端采集无线信号和预先收集的指纹数据库对比，找出最相似的指纹位置作为当前坐标，该方案不适合在较大空间环境应用，且随着时间越来越久，指纹库需要不断更新以提高匹配程度，工作量大定位精度差以至于难以实际应用；uwb需要额外标签确定位置，由多个传感器采用tdoa(timedifferenceofarrival-到达时间差)和aoa(angleofarrival-到达角度测距)定位算法对标签位置进行分析，多径分辨能力强，精度高，定位精度可达厘米级，但是uwb难以实现大范围室内覆盖，且智能手机不支持uwb；基于惯导的室内定位会随着时间误差不断累积，因此常常融合其它方法一起使用；基于地磁的定位技术则在如停车场、车间等复杂磁场环境中无法应用。因此上述方案均无法满足室内定位的要求。
现有技术中提出了一种基于声音的定位方案，声音信号源发射中心频率不一致的线性调频信号来区分不同的声音信号源，接收设备从多个声音信号源采集声音信号，在事先已知初始距离及捕捉到声音信号时刻的前提下确定好时间基准，通过解析其它声源信号，采用toa或者tdoa方法来确定自己的位置。
在实现本公开的过程中，申请人发现上述方案存在如下技术缺陷：
1、定位对时间同步及精度有较高的要求，现有技术中通过事先确定初始距离和捕捉信号时刻作为时间基准，以此来计算到其余声音信号源的距离。在实际场景中知晓初始距离是困难的，因而在陌生的环境中难以实施；同时捕捉信号时刻的确定并没有将智能终端解析声音信号的系统延迟区别开来，这将导致在计算其余声音信号源距离时产生较大的偏差；
2、同一声音信号源发出的声波多径传输到达终端后，并没有很恰当的方法可以区别二者先后，由此可导致较大的定位误差。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种声波定位系统、用于智能终端的声波定位系统及定位方法，以缓解现有技术中的声波定位系统在陌生环境中难以知晓初始距离，且智能终端解析声音信号有系统延迟，同时智能终端无法区别同一声源发出的经多径传输的声波，从而导致定位精度下降的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种声波定位系统，包括：服务器，用于广播同步指令；声源，用于接收所述同步指令，并从室内n个位置广播数据帧，n≥2，该数据帧包括：声源id，用于标记发出该数据帧的声源的id；以及发射时刻，用于记录该声源发出该数据帧的时刻；以及定位模块，用于接收所述同步指令以及接收所述数据帧，并根据所述同步指令、所述声源id以及所述发射时刻解算出当前所在的位置。
在本公开的一些实施例中，其中：所述服务器包括：无线路由器，用于广播同步指令。
在本公开的一些实施例中，所述声源包括：无线信号接收单元，用于接收并解析所述同步指令；处理器单元，与所述无线信号接收单元信号连接，其在所述无线信号接收单元验证通过所述同步指令后生成所述数据帧；以及扬声器单元，与所述处理器单元信号连接，其从室内n个位置广播所述处理器单元生成的数据帧。
在本公开的一些实施例中，所述定位模块包括：无线信号单元，用于接收并解析所述同步指令；麦克风，其在所述无线信号单元验证通过所述同步指令后接收所述扬声器单元广播的所述数据帧；以及信号处理单元，与所述麦克风连接，用于解算所述数据帧，确定所述定位模块的具体方位。
在本公开的一些实施例中，其中：所述服务器还包括：存储器，用于存储室内地图，并通过所述无线路由器传输；所述定位模块中的所述无线信号单元还用于向所述服务器发送地图数据请求指令以及接收所述地图数据。
在本公开的一些实施例中，所述声源中的所述处理器单元包括：dsp处理器，与所述无线信号接收单元连接，用于时序与逻辑控制；dds频率发生器，与所述dsp处理器连接，用于生成所述数据帧；时钟，与所述dsp处理器连接，用于为所述dsp处理器提供时钟信号；以及多路模拟开关，与所述dsp处理器连接，用于控制与其连接的扬声器单元发声。
在本公开的一些实施例中，所述定位模块还包括：定时器，与所述无线信号单元连接，用于在所述无线信号单元接收到所述同步指令后开始计时。
在本公开的一些实施例中，所述数据帧包括m段时长分别介于10ms至20ms之间的正弦信号，m≥6；两段所述数据帧之间的发送间隔介于150ms至300ms之间；所述同步指令的发送周期介于2s至5s之间；其中，每段所述正弦信号的信号频段介于15khz至20khz之间，且每段所述正弦信号根据其对应的信号频段进行编码。
在本公开的一些实施例中，所述数据帧包括8段时长分别为15ms的正弦信号，两段所述数据帧之间的发送间隔为200ms，同步指令的发送周期为3s；每段所述正弦信号的信号频段介于18khz至19khz之间，且每间隔0.1khz将所述正弦信号由0至9进行编码。
在本公开的一些实施例中，其中：所述数据帧还包括：起始位，用于标记所述数据帧的开始；奇偶校验位，用于所述数据帧的校验；以及结束位，用于标记所述数据帧的结束；其中，所述起始位、所述声源id、所述发射时刻、所述奇偶校验位和所述结束位均包含至少一段所述正弦信号。
在本公开的一些实施例中，其中：所述起始位包含两段所述正弦信号；所述声源id包含两段所述正弦信号；所述发射时刻包含两段所述正弦信号；所述奇偶校验位包含一段所述正弦信号；所述结束位包含一段所述正弦信号。
根据本公开的另一个方面，还提供一种用于智能终端的声波定位系统，包括本公开提供的声波定位系统；其中，所述定位模块与智能终端连接或集成。
根据本公开的再一个方面，还提供一种定位方法，包括：
步骤a：服务器广播同步指令；
步骤b：声源接收到所述同步指令后，从室内n个位置广播数据帧，n≥2；
步骤c：定位模块接收到所述同步指令后，开启麦克风采集所述数据帧；
步骤d：定位模块采集所述数据帧并执行如下操作：
记录采集到所述数据帧的时间，并与数据帧中的发射时刻进行比对；根据声音在室内的传播速度以及发射时刻和接受时刻的差值，以及声源id，计算出定位模块与发射该数据帧的声源之间的距离；通过计算与n个声源之间的距离，解算出该定位模块当前所处的具体位置。
在本公开的一些实施例中，所述步骤a中：所述定位模块与所述服务器连接，并检测本地是否存储有地图数据：若本地存储有地图数据，开始侦听所述同步指令；若本地没有地图数据，或本地存储的地图数据与所述服务器中存储的所述地图数据不一致，所述定位模块向所述服务器发送地图数据请求，接收到所述服务器发送的地图数据后，开始侦听所述同步指令。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的声波定位系统、用于智能终端的声波定位系统及定位方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)声源和定位模块由服务器的同步指令触发，声源广播的数据帧中携带发射时刻的信息，因此定位模块解析计算用时长短将不再影响距离的确定，大大提高了定位精度，定位精度可达到2m以内，且空间及环境适应性强；
(2)由于每帧数据包含有声源id和发送时刻，因此当同一帧数据经过不同路径先后被检测到后，可以将重复数据剔除，从而提高信号的多径分辨能力，减小定位误差；
(3)本公开中声波的频段位于18khz～19khz，可直接被智能终端中的麦克风采集，这意味着当前任何一台手机在不需要额外硬件改动下即可实现室内环境下的定位；人耳的听力范围在0～20khz之间，20岁的年轻人却只能够听到17khz，而超声波是否对人体有害的问题尚未定论，因此选择该频段的声音较为有益；
(4)不同于超声波测距定位中波束须有良好指向性的要求，本公开利用声波的扩散式传播，使多个终端设备同时接收到数据帧，因此可完成多个不同位置终端的同时定位。
附图说明
图1为本公开实施例提供的声波定位系统的结构示意图。
图2为本公开实施例提供的数据帧的构成示意图。
图3为图1所示声波定位系统中声源的结构示意图。
图4为本公开实施例提供的定位方法的流程示意图。
图5为真实环境下数据帧带通滤波解析结果示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-服务器；
110-无线路由器；
120-存储器；
200-声源；
210-无线信号接收单元；
220-处理器单元；
221-dsp处理器；222-dds频率发生器；
223-时钟；224-多路模拟开关；
230-扬声器单元；
300-定位模块；
400-智能终端。
具体实施方式
本公开实施例提供的声波定位系统、用于智能终端的声波定位系统及定位方法中，利用声源广播的数据帧中携带的发射时刻信息，解算出定位模块所处的位置，定位模块解析计算用时长短将不再影响距离的确定，大大提高了定位精度，且空间及环境适应性强。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开实施例提供的声波定位系统的结构示意图。图2为本公开实施例提供的数据帧的构成示意图。
根据本公开的一个方面，提供一种声波定位系统，如图1至图2所示，包括：服务器100，用于广播同步指令；声源200，用于接收同步指令，并从室内n个位置广播数据帧，n≥2，该数据帧包括：声源id，用于标记发出该数据帧的声源200的id；以及发射时刻，用于记录该声源200发出该数据帧的时刻；以及定位模块300，用于接收同步指令以及接收数据帧，并根据同步指令、声源id以及发射时刻解算出当前所在的位置，声源200和定位模块300由服务器100的同步指令触发，声源200广播的数据帧中携带发射时刻的信息，因此定位模块300解析计算用时长短将不再影响距离的确定，大大提高了定位精度，定位精度可达到2m以内，且空间及环境适应性强；并且由于每帧数据包含有声源id和发送时刻，因此当同一帧数据经过不同路径先后被检测到后，可以将重复数据剔除，从而提高信号的多径分辨能力，减小定位误差。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，其中：服务器包括：无线路由器110，用于广播同步指令。
图3为图1所示声波定位系统中声源的结构示意图。
在本公开的一些实施例中，如图3所示，声源200包括：无线信号接收单元210，用于接收并解析同步指令；处理器单元220，与无线信号接收单元210信号连接，其在无线信号接收单元210验证通过同步指令后生成数据帧；以及扬声器单元230，与处理器单元220信号连接，其从室内n个位置广播处理器单元220生成的数据帧。
在本公开的一些实施例中，定位模块包括：无线信号单元，用于接收并解析同步指令；麦克风，其在无线信号单元验证通过同步指令后接收扬声器单元230广播的数据帧；以及信号处理单元，与麦克风连接，用于解算数据帧，确定定位模块300的具体方位，声音信号在传播的过程中会受到外界噪声的干扰，因此接收到的声音信号会混有其他的频率，麦克风对声音信号进行采样量化得到数字信号，经带通滤波器筛选出数据帧所在的频段，归一化处理后经短时傅里叶变换(stft)，将大于设定阈值的信号频率还原成对应编码，由此即可根据tdoa方法确定智能终端的坐标。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，其中：服务器100还包括：存储器120，用于存储室内地图，并通过无线路由器110传输；定位模块300中的无线信号单元还用于向服务器100发送地图数据请求指令以及接收所述地图数据。
此外，还可以直接通过外部设备存储室内地图，并在定位模块300进入室内后，从外部设备下载地图数据。
在本公开的一些实施例中，如图3所示，其中：声源200中的处理器单元220包括：dsp处理器221，与无线信号接收单元210连接，用于时序与逻辑控制；dds频率发生器222，与dsp处理器221连接，用于生成数据帧；时钟223，与dsp处理器221连接，用于为dsp处理器221提供时钟信号；以及多路模拟开关224，与dsp处理器221连接，用于控制与其连接的扬声器单元230发声；定位模块300还包括：定时器，与无线信号单元连接，用于在无线信号单元接收到同步指令后开始计时。
处理器单元220中各部件的配合关系为：无线信号接收单元210负责侦听服务器100广播的同步指令，并将解析出的数据包传递给dsp处理器221；dsp处理器221作为主控芯片负责时序与逻辑的控制，当无线信号接收单元210传递的指令通过校验后，dsp处理器221开始计时，并控制dds频率发生器222生成特定格式的数据帧，定位模块300通过接收该数据帧可以解算出自己的位置，dds频率发生器222内部集成有dac，可直接将数字频率信号转换成模拟信号，经多路模拟开关224控制扬声器单元230中对应的扬声器发声。
在本公开的一些实施例中，数据帧包括m段时长分别介于10ms至20ms之间的正弦信号，m≥6；两段数据帧之间的发送间隔介于150ms至300ms之间；同步指令的发送周期介于2s至5s之间；其中，每段正弦信号的信号频段介于15khz至20khz之间，且每段正弦信号根据其对应的信号频段进行编码。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，数据帧包括8段时长分别为15ms的正弦信号，两段数据帧之间的发送间隔为200ms，同步指令的发送周期为3s；每段正弦信号的信号频段介于18khz至19khz之间，且每间隔0.1khz将所述正弦信号由0至9进行编码，例如：18.1khz对应编号0，18.2khz对应编号1……19.0khz对应编码9。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，数据帧还包括：起始位，用于标记数据帧的开始；奇偶校验位，用于数据帧的校验；以及结束位，用于标记数据帧的结束。
在本公开的一些实施例中，其中：起始位、声源id、发射时刻、奇偶校验位和结束位均包含至少一段所述正弦信号。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，其中：起始位包含两段正弦信号；声源id包含两段正弦信号(00～99)；发射时刻包含两段正弦信号(00～99，记录该数据帧的发送时刻，单位为毫秒)；奇偶校验位包含一段正弦信号(0、1，每段数据帧由于自身性质的不同，导致其奇偶性不同，通过奇偶校验位校验该数据帧是否正确，若该奇偶校验位与该数据帧自身的奇偶性不一致，则说明该数据帧在传播过程中出现失真，从而可将该数据帧弃用或另行处理)；结束位包含一段正弦信号。
根据本公开的另一个方面，如图1所示，还提供一种用于智能终端的声波定位系统，包括本公开实施例提供的声波定位系统；其中，定位模块300与智能终端400连接或集成。
图4为本公开实施例提供的定位方法的流程示意图。
根据本公开的再一个方面，还提供一种定位方法，如图4所示，包括：
步骤a：服务器100广播同步指令；
步骤b：声源200接收到同步指令后，从室内n个位置广播数据帧，n≥2；
步骤c：定位模块300接收到同步指令后，开启麦克风采集数据帧；
步骤d：定位模块300采集数据帧并执行如下操作：
定位模块300记录采集到数据帧的时间，并与数据帧中的发射时刻进行比对；根据声音在室内的传播速度以及发射时刻和接受时刻的差值，以及声源id，计算出定位模块300与发射该数据帧的声源200之间的距离；通过计算与n个声源200之间的距离，解算出该定位模块300当前所处的具体位置。
假设在a(-d,0),b(d,0),c(0,d)三点处放有声源，定位模块300位于(x,y)处，则可知：
考虑到实际情形下目标会有移动以及时间上的测量误差，方程解不唯一，此时可取其中心作为定位模块的坐标。
在本公开的一些实施例中，如图4所示，步骤a中：定位模块300与服务器100连接，并检测本地是否存储有地图数据：
若本地存储有地图数据，开始侦听同步指令；
若本地没有地图数据，或本地存储的地图数据与服务器100中存储的地图数据不一致，定位模块300向服务器100发送地图数据请求，接收到服务器发送的地图数据后，开始侦听同步指令。
以下通过一具体实施例，验证本公开实施例提供的定位方法的有效性
本具体实施例中，由于智能终端通常集成有wifi模块，所以选择wifi协议作为同步指令发送的载体。同步信号的目标mac地址固定为ff-ff-ff-ff-ff-ff以进行广播。声波在常温下传播速度近似为340m/s，每一个声源覆盖半径设定为10m，本实例设定同步指令发送周期为t＝3s。
本具体实施例声源200向外广播的数据帧(见图2)由8段时长分别为15ms的正弦信号构成，信号频段位于18khz～19khz，每隔0.1khz做一次编码，规定为0、1、2、···、9；数据帧由2位起始位，2位声源id，2位时间位，1位奇偶校验位和1位结束位构成；各个声源轮流发送数据帧，发送间隔为200ms。
图5为真实环境下数据帧带通滤波解析结果示意图。
智能终端400在接收到同步指令后开启麦克风录制，以44.1khz的采样率保存声音信号为mp3格式文件，每个文件录制时间为3s。由于数据帧频段位于18～19khz，因此将采集的声音信号首先经过通带为17～20khz的带通滤波器，根据短时傅里叶变换的频率分辨率公式fs/l，l为序列长度，本具体实施例所需的频率分辨率至少为0.1khz，因此l至少为441，由于每个频率的正弦信号持续15ms，采样点数n＝44.1k*15ms＝661.5>441满足要求。将3s的声音信号每200ms一段分成15个小段，每个小段的数据各自分别进行能量归一化处理，然后每段按照662个点一组的顺序从头划分出13组，舍弃多余的点，每组进行1024点的fft变换，提取幅度超过0.5的峰值信号频率并进行编码转换与拼接，由此即可得出时间及声源id信息，处理结果如图5所示。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)可采用其它的无线传输协议进行同步或者设置不同格式的数据帧以减少定位时间等；
(2)可以用dtw(动态时间规划)算法来处理采集到的声音数据，使其在复杂噪声环境下仍能进行有效定位。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的声波定位系统、用于智能终端的声波定位系统及定位方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的声波定位系统、用于智能终端的声波定位系统及定位方法利用声源广播的数据帧中携带的发射时刻信息，解算出定位模块所处的位置，定位模块解析计算用时长短将不再影响距离的确定，大大提高了定位精度、空间及环境适应性。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。