一种超声定位系统、方法、装置和计算机可读存储介质与流程

[0001]
本发明实施方式涉及定位技术领域，更具体地，涉及一种超声定位系统、方法、装置和计算机可读存储介质。


背景技术：

[0002]
随着不断增长的个人导航和定位服务的需求，室内定位系统已经从最初的定位功能扩展到了很多方面，比如商业服务、安防管理，这对在各种环境下人员的导航定位提出了更高的定位精度和更广的覆盖面积等要求。
[0003]
目前，超声定位系统因其可达厘米级的高定位精度和简单的结构成为主流定位系统之一，但是面对大型室内场景的超声定位系统，往往需要多个超声发射单元协作才能将定位服务在该区域完全覆盖。多个超声发射单元组网的超声定位系统对智能终端进行跟踪定位时，不但要面对单个超声发射单元的多普勒频偏问题，同时也必须考虑多接入干扰mai(multiple address instruction)。
[0004]
在现有技术中，针对定位目标普遍采用相同的定位策略，导致定位精度不高。而且，在现有技术中，在处理超声定位信号时忽略了多普勒频偏的补偿，因而在多个超声定位信号重叠区的定位效果不佳，不具有抗移动性，在大型室内场景的实际推广应用存在局限性。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明实施方式提出一种超声定位系统、方法、装置和计算机可读存储介质。
[0006]
本发明实施方式的技术方案如下：一种超声定位系统，包括：
[0007]
布置在各自固定位置处的多个超声发射单元，分别用于发射各自的超声定位信号；
[0008]
智能终端，用于对从各个超声发射单元接收到超声定位信号的强度进行比较，基于比较结果确定执行下列定位策略中的一个：一个超声发射单元所发射的超声定位信号的强度显著强于其它超声发射单元所发射的超声定位信号的强度的第一定位策略；至少两个超声发射单元发射强超声定位信号的第二定位策略；至少两个超声发射单元所发射的弱超声定位信号相互糅合的第三定位策略。
[0009]
一种超声定位方法，应用于超声定位系统，所述超声定位系统包括：布置在各自固定位置处的多个超声发射单元和智能终端；该方法包括：
[0010]
使能智能终端对从各个超声发射单元接收到超声定位信号的强度进行比较；
[0011]
使能智能终端基于比较结果确定执行下列定位策略中的一个：一个超声发射单元所发射的超声定位信号的强度显著强于其它超声发射单元所发射的超声定位信号的强度的第一定位策略；至少两个超声发射单元发射强超声定位信号的第二定位策略；至少两个超声发射单元所发射的弱超声定位信号相互糅合的第三定位策略。
[0012]
一种超声定位装置，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的超声定位方法的步骤。
[0013]
一种计算机可读存储介质，述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的超声定位方法的步骤。
[0014]
从上述技术方案可以看出，本发明提出了一种超声定位系统、方法、装置和计算机可读存储介质。系统包括：布置在各自固定位置处的多个超声发射单元，分别用于发射各自的超声定位信号；智能终端，用于对从各个超声发射单元接收到超声定位信号的强度进行比较，基于比较结果确定执行下列定位策略中的一个：一个超声发射单元所发射的超声定位信号的强度显著强于其它超声发射单元所发射的超声定位信号的强度的第一定位策略；至少两个超声发射单元发射强超声定位信号的第二定位策略；至少两个超声发射单元所发射的弱超声定位信号相互糅合的第三定位策略。可见，针对不同超声发射单元的超声定位信号的强度对比结果以选择不同的定位策略，可以提高定位精度。而且，加入多普勒频偏的补正，提高定位效果。另外，实现对弱定位信号区的智能终端进行精准定位，提高超声定位系统的广覆盖性。
附图说明
[0015]
图1为根据本发明超声定位系统的示范性结构图。
[0016]
图2为根据本发明超声发射单元的示范性结构图。
[0017]
图3为根据本发明超声定位信号和频率校准信号的示范性频率分布图。
[0018]
图4为根据本发明确定超声定位信号的多普勒频偏的示范性流程图。
[0019]
图5为根据本发明超声发射单元组网的定位信号分布示意图。
[0020]
图6为根据本发明第一定位策略的流程图。
[0021]
图7为根据本发明第二定位策略的流程图。
[0022]
图8为根据本发明第三定位策略的流程图。
具体实施方式
[0023]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0024]
本发明实施方式提出一种基于超声定位信号的强度而自适应定位策略的定位方案。而且，本发明实施方式还提出一种复杂环境下基于多普勒频偏补正的超声定位系统，可以利用频率校准信号的多普勒频偏，对在多个超声定位信号重叠区的各个超声定位信号进行双重验证。而且，在本发明实施方式中，基于多普勒频偏补正，利用超分辨方法创建超声发射组，实现对弱定位信号区的智能终端进行精准定位，进一步提高超声定位系统的广覆盖性。
[0025]
图1为根据本发明超声定位系统的示范性结构图。如图1所示，该系统包括：
[0026]
布置在各自固定位置处的多个超声发射单元，分别用于发射各自的超声定位信号；
[0027]
智能终端，用于对从各个超声发射单元接收到超声定位信号的强度进行比较，基
于比较结果确定执行下列定位策略中的一个：一个超声发射单元所发射的超声定位信号的强度显著强于其它超声发射单元所发射的超声定位信号的强度的第一定位策略；至少两个超声发射单元发射强超声定位信号的第二定位策略；至少两个超声发射单元所发射的弱超声定位信号相互糅合的第三定位策略。
[0028]
在一个实施方式中，超声发射单元的数目为4，且所述4个超声发射单元的布置点构成正方形。在一个实施方式中，超声定位信号包括主超声定位信号、次超声定位信号和频率校准信号(频率校准信号也为超声信号)；超声发射单元包括主发射模块、次发射模块和控制器；其中主发射模块包括主超声发射器和频率校准信号发射器；次发射模块包括至少三个次超声发射器；主超声发射器布置于至少三个次超声发射器的几何中心，频率校准信号发射器布置在所述主超声发射器的周边(比如，附着在所述主超声发射器上)；主超声发射器用于发射主超声定位信号；频率校准信号发射器用于发射频率校准信号；次超声发射器用于发射次超声定位信号；控制器用于控制主超声发射器、频率校准信号发射器和次超声发射器按预设频率同时发射。
[0029]
在一个实施方式中，智能终端，用于：当一个超声发射单元所发射的频率校准信号的幅值与除所述超声发射单元之外的超声发射单元所发射的频率校准信号的幅值的差值都大于预定的第一门限值时，确定执行第一定位策略；或，当两个超声发射单元所发射的频率校准信号的幅值都大于预定的第二门限值且所述两个超声发射单元发射的频率校准信号的差值小于预定的第三门限值时，确定执行第二定位策略；或，当每个超声发射单元所发射的频率校准信号的幅值都小于预定的第四门限时，或任意两个超声发射单元所发射的频率校准信号的幅值的差值都小于预定的第五门限值时，确定执行第三定位策略。其中，第一门限值、第二门限值、第三门限值、第四门限值和第五门限值，都可以基于经验设置、调整或变更。
[0030]
优选地，所述第一定位策略包括：计算显著强于其它超声定位信号强度的超声发射单元所发射的主超声定位信号的多普勒频偏；利用所述多普勒频偏对显著强于其它超声定位信号强度的超声发射单元所发射的主超声定位信号和次超声定位信号执行频偏补正；从频偏补正后的次超声定位信号中，按照信噪比从大到小的顺序，选择三个次超声定位信号；基于频偏补正后的所述主超声定位信号和选中的所述三个次超声定位信号次超声定位信号，计算所述智能终端的坐标。优选地，所述第二定位策略包括：计算发射强超声定位信号的至少两个超声发射单元所发射的频率校准信号的各自的多普勒频偏；利用各自的多普勒频偏对所述至少两个超声发射单元所发射的频率校准信号分别进行频偏补正；对频偏补正后的所述至少两个超声发射单元的主超声定位信号的信噪比进行比较，选择信噪比最大的主超声定位信号对应的超声发射单元为目标超声发射单元；从所述目标超声发射单元的频偏补正后的次超声定位信号中，按照信噪比从大到小的顺序，选择三个次超声定位信号；基于目标超声发射单元的频偏补正后的所述主超声定位信号和所选中的三个次超声定位信号，计算所述智能终端的坐标。优选地，所述第三定位策略包括：计算全部超声发射单元所发射的频率校准信号的各自的多普勒频偏；利用所述各自的多普勒频偏对全部超声发射单元所发射的频率校准信号分别进行频偏补正；基于频偏补正后的、全部超声发射单元所发射的频率校准信号，计算所述智能终端的坐标。
[0031]
图2为根据本发明超声发射单元的示范性结构图。超声发射单元包括：主超声发射
400hz。可以预先为对应于各个超声发射单元的频率校准信号分别设置中心频率，从而可以通过检测频率校准信号的中心频率，确定出检测到的频率校准信号对应于哪个超声发射单元。
[0042]
比如，按照中心频率递增的方式，设置超声发射单元的编号与该超声发射单元发射的频率校准信号的对应关系。举例：s
f,1
的中心频率f
c,1
为20600hz；s
f,2
的中心频率f
c,2
为(20000+600*2)hz；
…
s
f,k
的中心频率f
c,k
为(20000+600*k)hz，其中s
f,k
占用375hz带宽；那么，相邻的s
f,k
发射频段依次相隔600hz，即相邻的两组频率校准信号之间的保护带宽为225hz。
[0043]
在图3中，矩形框60的频度范围为17khz～20khz，为超声定位信号的载波频段。矩形框60右边所示为示范性的四个小矩形框。当按照中心频率递增的方式，设置超声发射单元的编号与该超声发射单元发射的频率校准信号的对应关系之后，四个小矩形框依次为四个频率校准信号s
f,1
、s
f,2
、s
f,3
和s
f,4
。其中，按照从矩形框60远离的方向为序，四个小矩形框对应的频度范围分别为s
f,1
、s
f,2
、s
f,3
和s
f,4
的载波频段。其中，最远离矩形框60的矩形框70的频度范围即为s
f,4
的载波频段；最接近矩形框60的矩形框61的频度范围即为s
f,1
的载波频段。即，基于从矩形框60远离的方向为序，检测到的第n个小矩形框，即为第n个超声发射单元的频率校准信号。以上示范性描述了对应于四个超声发射单元的四个频率校准信号，本领域技术人员可以意识到，随着超声发射单元数目的增多，频率校准信号的数目也会相应增加，本发明实施方式对此并无限定。
[0044]
图4为根据本发明确定超声定位信号的多普勒频偏的示范性流程图。该方法适用于对超声发射单元进行多普勒频偏估计，其中超声发射单元包括主发射模块、次发射模块和控制器；其中主发射模块包括主超声发射器和频率校准信号发射器；次发射模块包括至少三个次超声发射器；主超声发射器布置于所述至少三个次超声发射器的几何中心，频率校准信号发射器布置在所述主超声发射器的周边；主超声发射器用于发射主超声定位信号；频率校准信号发射器用于发射同样为超声信号的频率校准信号；次超声发射器用于发射次超声定位信号；控制器用于控制主超声发射器、频率校准信号发射器和次超声发射器按预设频率同时发射；
[0045]
该方法包括：
[0046]
步骤401：接收该超声发射单元发射的主超声定位信号、次超声定位信号和频率校准信号；其中主超声定位信号和次超声定位信号被调制到具有第一中心频率的第一载波上；频率校准信号被调制到具有第二中心频率的第二载波上，第二中心频率大于第一中心频率，第一载波与第二载波不重叠，所述频率校准信号为窄带信号；
[0047]
步骤402：用锁相环pll方式(phase lock loop)计算频率校准信号的多普勒频偏。
[0048]
步骤403：基于第一中心频率、第二中心频率和频率校准信号的多普勒频偏，计算主超声定位信号和次超声定位信号的多普勒频偏，其中主超声定位信号的多普勒频偏与次超声定位信号的多普勒频偏相等。
[0049]
承接上例，首先用锁相环pll(phase lock loop)计算第k个超声发射单元的频率校准信号s
f,k
的多普勒频偏f
d,k
；然后，计算该第k个超声发射单元的超声定位信号的多普勒频偏f
d,0
，其中：相同超声发射单元的主超声定位信号和次超声定位信号的
多普勒频偏相等，都是f
d,0
；f
c,0
为第一载波的中心频率；f
c,k
为第二载波的中心频率。可见，第一载波的数目为一个，上承载有全部超声发射单元的主超声定位信号和次超声定位信号；第二载波的数目与超声发射单元的数目等同，其中每个第二载波对应于各自的超声发射单元。
[0050]
举例，当k＝1时，基于第1个超声发射单元的频率校准信号s
f,1
计算第1个超声发射单元的超声定位信号的多普勒频偏为f
d,1
。然后，计算第1个超声发射单元的超声定位信号的多普勒频偏f
d,0
，其中f
c,0
为第一载波的中心频率；f
c,1
为从矩形框60远离的方向开始，第一个子载波61的中心频率。
[0051]
举例，当k＝2时，基于第2个超声发射单元的频率校准信号s
f,2
计算第2个超声发射单元的超声定位信号的多普勒频偏为f
d,2
。然后，计算第2个超声发射单元的超声定位信号的多普勒频偏f
d,0
，其中f
c,0
为第一载波的中心频率；f
c,1
为从矩形框60远离的方向开始，第二个子载波62的中心频率。
[0052]
当将上述多普勒频偏计算方法应用到超声定位系统时，可以执行如下步骤：步骤一：超声定位系统中，超声发射器发射超声定位信号，同时频率校准信号发射器发射频率校准信号，所有信号同步发出；步骤二：智能终端接收超声定位信号和频率校准信号；步骤三：智能终端解算频率校准信号的多普勒频偏；步骤四：智能终端基于频率校准信号的多普勒频偏估算超声定位信号的多普勒频偏；步骤五：补正超声定位信号的多普勒频偏，利用cdma技术计算信号到达智能终端的时间；步骤六：利用tdoa算法估算智能终端相对位置；步骤七：获得智能终端在室内环境的坐标，实现对智能终端的精准定位。示范性的，补正过程包括：首先应对该目标信号所在频段进行带通滤波，以排除带外噪声及干扰。再将带通滤波后信号进行乘以其原发送载波并低通滤波后，得到未经频偏矫正的目标基带信号s(n)；针对需补正信号，频偏补正公式为：其中，s(n)为目标信号解调至基带的复数数列的第n个数值，f
d
是估算出的目标信号的频偏，f
s
为音频信号采样频率，为频偏补正后得到的目标信号第n个数值。
[0053]
图5为根据本发明超声发射单元组网的定位信号分布示意图。在图5中，包含四个如图2所示的超声发射单元，分别为超声发射单元10、超声发射单元20、超声发射单元30和超声发射单元40，其中超声发射单元10、超声发射单元20、超声发射单元30和超声发射单元40分别布置在正方形的顶点上。其中，无阴影区域41、无阴影区域42、无阴影区域43和无阴影区域44中，分别有一个最强的超声定位信号，可以近似视为智能终端只接受对应区域上方超声发射单元的超声定位信号服务，实现较好的精准定位效果。比如，在无阴影区域41中，超声发射单元10发射的超声定位信号具有最强的信号，因此漫游到无阴影区域41中的智能终端，可以视为只接受超声发射单元10的超声定位信号服务；在无阴影区域42中，超声发射单元20发射的超声定位信号具有最强的信号，因此漫游到无阴影区域42中的智能终端，可以视为只接受超声发射单元20的超声定位信号服务；在无阴影区域43中，超声发射单元30发射的超声定位信号具有最强的信号，因此漫游到无阴影区域43中的智能终端，可以
视为只接受超声发射单元30的超声定位信号服务；在无阴影区域44中，超声发射单元40发射的超声定位信号具有最强的信号，因此漫游到无阴影区域44中的智能终端，可以视为只接受超声发射单元40的超声定位信号服务。
[0054]
在无阴影区域41、无阴影区域42、无阴影区域43和无阴影区域44中，执行一个超声发射单元所发射的超声定位信号的强度显著强于其它超声发射单元所发射的超声定位信号的强度的第一定位策略。
[0055]
在斜线阴影区域51、斜线阴影区域52、斜线阴影区域53和斜线阴影区域54中，有多个较强的超声定位信号。而且，在正方形阴影区域60中，有多个弱定位信号糅合。在斜线阴影区域51、斜线阴影区域52、斜线阴影区域53、斜线阴影区域54和正方形阴影区域60中，均存在较多干扰，通常定位效果不佳。为此，本发明实施方式在斜线阴影区域51、斜线阴影区域52、斜线阴影区域53、斜线阴影区域54中，执行至少两个超声发射单元发射强超声定位信号的第二定位策略。
[0056]
在正方形阴影区域60中，执行多个超声发射单元所发射的弱超声定位信号相互糅合的第三定位策略。
[0057]
当智能终端漫游到超声发射单元组网环境中，智能终端基于接收到的超声定位信号的强度确定采取第一定位策略、第二定位策略或第三定位策略。由于频率校准信号比主超声定位信号和次超声定位信号具有更好的参考价值和检测范围，优选采用频率校准信号作为确定采取第一定位策略、第二定位策略或第三定位策略的信号依据。
[0058]
假定频率校准信号的采样点为n个，a
f,1
、a
f,2
、......、a
f,k
为各个采样点所采集的频率校准信号的幅值，表示各个采样点所采集的频率校准信号能量的大小，单位是db。
[0059]
区域判断条件：
[0060][0061]
其中，是a
f,i
的平均值，是a
f,j
的平均值；若符合条件则视为两个超声发射单元的信号强度相当；反之，视为一个超声发射单元的信号强度显著大于另一个超声发射单元的信号强度，此时智能终端被判定为更接近于较强频率校准信号的发射器。
[0062]
智能终端解算接收到的频率校准信号的平均幅值并进行比较。当对于任意i信号，没有j信号符合判断条件，即智能终端在无阴影区域41、无阴影区域42、无阴影区域43或无阴影区域44中，因此确定采用第一定位策略；当只有一对i和j符合判断条件，则智能终端在斜线阴影区域51、斜线阴影区域52、斜线阴影区域53和斜线阴影区域54，因此确定采用第二定位策略；当对于任意i信号，存在3个j信号满足上述区域判断条件，即信号强度相当，则智能终端在正方形阴影区域60，因此确定采用第三定位策略。
[0063]
下面分别对第一定位策略、第二定位策略和第三定位策略进行详细说明。
[0064]
1、第一定位策略：
[0065]
在无阴影区域41、无阴影区域42、无阴影区域43和无阴影区域44中，分别满足一个
超声发射单元所发射的超声定位信号的强度显著强于其它超声发射单元所发射的超声定位信号的强度的判断条件，因此在无阴影区域41、无阴影区域42、无阴影区域43和无阴影区域44中执行第一定位策略。
[0066]
在无阴影区域41、无阴影区域42、无阴影区域43和无阴影区域44中，由于超声发射单元的安装高度远大于主超声发射器与次超声发射器之间的距离，因此智能终端运动状态产生的相对于各超声发射单元的多普勒频移非常接近，可以假设智能终端收到的各个超声定位信号多普勒频移相等。
[0067]
步骤一：智能终端解算接收到的频率校准信号的平均幅值并进行比较。当对于任意i信号，没有j信号符合判断条件于任意i信号，没有j信号符合判断条件即为智能终端在无阴影区域41、无阴影区域42、无阴影区域43和无阴影区域44。
[0068]
步骤二：利用锁相环pll(phase lock loop)估算各个主超声定位信号的多普勒频偏f
d,0,k
，即可对原主超声定位信号和次超声定位信号进行频偏补正，其中k代表第k个超声发射单元；
[0069]
步骤三：基于cdma通信原理，获得频偏补正后的超声定位信号到达智能终端的时间；
[0070]
步骤四：基于tdoa定位原理，实现智能终端的精准定位。
[0071]
下面举例对第一定位策略进行说明。
[0072]
假定图5中，左上角的无阴影区域41中，布置有第1个超声发射单元(即超声发射单元10)，右上角的无阴影区域42中，布置有第2个超声发射单元(即超声发射单元20)，左下角的无阴影区域43中，布置有为第3个超声发射单元(即超声发射单元30)，右下角的无阴影区域44中，布置有第4个超声发射单元(即超声发射单元40)。
[0073]
假定智能终端处于左上角的无阴影区域41中，智能终端收到第1个超声发射单元及其周边相邻的超声发射单元的超声定位信号和频率校准信号。
[0074]
步骤一：智能终端解算接收到的各个频率校准信号的平均幅值发现超声发射单元10所发射的频率校准信号的平均幅值远大于其它超声发射单元所发射的频率校准信号的平均幅值，那么，智能终端在左上角无阴影区域41中并决定采用第一定位策略。
[0075]
步骤二：智能终端利用锁相环pll(phase lock loop)估算超声发射单元10(即第1个超声发射单元，k＝1)的主超声定位信号的多普勒频偏f
d,0,1
。
[0076]
步骤三：此时，第1个超声发射单元的主、次超声定位信号的频移相等，即f
d,0,1
≈f
d,1,1
≈f
d,2,1
≈f
d,3,1
≈f
d,4,1
，因此应用f
d,0,1
补正第1个超声发射单元的所有超声定位信号(包括主、次超声定位信号)的频偏。
[0077]
步骤四：智能终端基于cdma技术解析出发射单元id，并计算出频偏补正后的主定位信号到达智能终端的延迟时间t0；
[0078]
步骤五：智能终端基于发射单元id和cdma技术计算出各个频偏补正后的次定位信号的各自信噪比snr，选择snr最大的三个补正后的次定位信号分别
记为第一次定位信号、第二次定位信号和第三次定位信号；
[0079]
步骤六：智能终端基于cdma技术分别计算第一次定位信号到达智能终端的第一延迟时间t1，第二次定位信号到达智能终端的第二延迟时间t2，第三次定位信号到达智能终端的第三延迟时间t3；
[0080]
步骤七：智能终端基于发射单元id向云端获取发射第一次定位信号的第一次超声发射器相对坐标(x1,y1,z1)、发射第二次定位信号的第二次超声发射器相对坐标(x2,y2，z2)、发射第三次定位信号的第三次超声发射器相对坐标(x3,y3,z3)和发射主定位信号的主超声发射器相对坐标(x0，y0,z0)；基于各个延迟时间t0,t1,t2,t3和各个相对坐标(x0，y0,z0)、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)利用tdoa算法计算智能终端的相对坐标(x
c
,y
c
,z
c
)。智能终端将相对坐标(x
c
,y
c
,z
c
)发送到云端，云端将该相对坐标对应到室内地图中，并将该相对地图共享给室内环境中智能终端。
[0081]
2、第二定位策略：
[0082]
在斜线阴影区域51、斜线阴影区域52、斜线阴影区域53、斜线阴影区域54中，分别满足至少两个超声发射单元发射强超声定位信号的判断条件，因此执行第二定位策略。斜线阴影区域51、斜线阴影区域52、斜线阴影区域53、斜线阴影区域54中，存在多个较强定位信号干扰。
[0083]
步骤一：智能终端解算接收到的频率校准信号的平均幅值只有一对i和j符合判断条件则智能终端在斜线阴影区域51、斜线阴影区域52、斜线阴影区域53、斜线阴影区域54中。
[0084]
步骤二：此时用锁相环pll(phase lock loop)计算频率校准信号s
f,k
的多普勒频偏f
d,f,k
，其中k代表第k个超声发射单元；
[0085]
步骤三：基于多普勒频偏f
d,f,k
计算超声定位信号的多普勒频偏f
d,0,k
；
[0086]
其中，f
c,0,k
为超声定位信号s
0,k
、s
1,k
…
s
4,k
的中心频率；f
c,f,k
为频率校准信号s
f,k
的中心频率；
[0087]
步骤四：对相应超声定位信号进行频偏补正；
[0088]
步骤五：智能终端基于cdma技术分别估算各个频偏补正后的主超声定位信号的信噪比，选择信噪比较大的那一组定位信号；
[0089]
步骤六：基于cdma通信原理，获得频偏补正后的超声定位信号到达智能终端的时间，基于tdoa定位原理，实现智能终端的精准定位。
[0090]
下面举例对第二定位策略进行说明。
[0091]
假定智能终端处于斜线阴影区域52中时，会收到周边的超声发射单元的超声定位信号和频率校准信号。
[0092]
步骤一：智能终端解算接收到的频率校准信号的平均幅值其中只有两个频率校准信号s
f,1
、s
f,2
符合条件，则判定智能终端处于斜线阴影区域52并决
定采用第二定位策略。
[0093]
步骤二：第1个和第2个超声发射单元的超声定位信号强度相近，且明显大于其他超声发射单元的超声定位信号，智能终端应用锁相环pll(phase lock loop)计算第1个和第2个超声发射单元的频率校准信号s
f,1
、s
f,2
的各自的多普勒频偏f
d,f,1
、f
d,f,2
。
[0094]
步骤三：基于第1个和第2个超声发射单元的频率校准信号s
f,1
、s
f,2
的各自的多普勒频偏f
d,f,1
、f
d,f,2
，智能终端应用公式分别计算第1个和第2个超声发射单元的主超声定位信号的多普勒频偏f
d,0,1
、f
d,0,2
。
[0095]
步骤四：智能终端基于第1个超声发射单元的主超声定位信号的多普勒频偏f
d,0,1
对第1个超声发射单元的主、次超声定位信号进行频偏补正；智能终端基于第2个超声发射单元的主超声定位信号的多普勒频偏f
d,0,2
对第2个超声发射单元的主、次超声定位信号进行频偏补正。
[0096]
步骤五：智能终端基于cdma技术解析出发射单元id，并计算出各个频偏补正后的主定位信号的各自信噪比snr，选择信噪比较大的那一组定位信号；假定定位信号的信噪比大于的信噪比，选择第1个超声发射单元进行对智能终端的位置解算。
[0097]
步骤六：智能终端基于cdma技术计算出频偏补正后的主定位信号到达智能终端的延迟时间t0。
[0098]
步骤七：智能终端基于发射单元id和cdma技术计算出各个频偏补正后的次定位信号的各自信噪比snr，选择snr最大的三个补正后的次定位信号分别记为第一次定位信号、第二次定位信号和第三次定位信号。
[0099]
步骤八：智能终端基于cdma技术分别计算第一次定位信号到达智能终端的第一延迟时间t1，第二次定位信号到达智能终端的第二延迟时间t2，第三次定位信号到达智能终端的第三延迟时间t3。
[0100]
步骤九：智能终端基于发射单元id向云端获取发射第一次定位信号的第一次超声发射器相对坐标(x1,y1,z1)、发射第二次定位信号的第二次超声发射器相对坐标(x2,y2,z2)、发射第三次定位信号的第三次超声发射器相对坐标(x3,y3,z3)和发射主定位信号的主超声发射器相对坐标(x0,y0,z0)；基于各个延迟时间t0,t1,t2,t3和各个相对坐标(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)利用tdoa算法计算智能终端的相对坐标(x
c
,y
c
,z
c
)。智能终端将相对坐标(x
c
,y
c
,z
c
)发送到云端，云端将该相对坐标对应到室内地图中，并将该相对地图共享给室内环境中智能终端。
[0101]
3、第三定位策略：
[0102]
在正方形阴影区域60中，执行多个超声发射单元所发射的弱超声定位信号相互糅合的第三定位策略。正方形阴影区域60是存在多个弱定位信号干扰的复杂环境，各个超声定位信号的信噪比snr(signal-noise ratio)很低，存在很多错误，且使用cdma技术估算信号到达时间产生误差较大。在本发明实施方式中，通过现有超声定位系统设备，创建超声发射组并利用超分辨法进行定位。
[0103]
步骤一：智能终端解算接收到的频率校准信号的平均幅值并进行比较。当对于任意i信号，存在3个j信号满足上述区域判断条件于任意i信号，存在3个j信号满足上述区域判断条件即信号强度相当，则智能终端在正方形阴影区域60并确定采用第三定位策略。
[0104]
步骤二，此时，用锁相环pll(phase lock loop)计算频率校准信号s
f,k
的多普勒频偏f
d,f,k
，其中k代表第k个超声发射单元；
[0105]
步骤三：对相应频率校准信号s
f,k
进行频偏补正。
[0106]
步骤四：创建超声发射组。超声发射组，由如图1所示的4个超声发射单元的频率校准信号发射器组成，超声发射组的定位信号为频偏补正后的频率校准信号
[0107]
步骤五：使用超分辨方法，比如music-cc方法(多信号分类算法，multiple signal classification-crosscorrelation)，进行超声发射组的定位信号到达智能终端时间的估算；
[0108]
步骤六：基于tdoa定位原理，实现智能终端的精准定位。
[0109]
下面举例对第三定位策略进行说明。
[0110]
假定智能终端处于正方形阴影区域60中。智能终端会收到第1、2、3、4个超声发射单元的所有超声定位信号和频率校准信号，但信号强度都很低。
[0111]
步骤一：智能终端解算接收到的频率校准信号的平均幅值并进行比较。当有四个频率校准信号s
f,1
、s
f,2
、s
f,3
、s
f,4
符合判断条件，符合判断条件，信号强度相当，则智能终端在正方形阴影区域60，并确定采用第三定位策略。
[0112]
步骤二：此时，智能终端应用锁相环pll(phase lock loop)计算频率校准信号s
f,1
、s
f,2
、s
f,3
、s
f,4
的多普勒频偏f
d,f,1
、f
d,f,2
、f
d,f,3
、f
d,f,4
；步骤三：对第1、2、3、4个超声发射单元的频率校准信号进行频偏补正；
[0113]
步骤四：创建超声发射组。超声发射组，由第1、2、3、4个超声发射单元的频率校准信号发射器组成，超声发射组的定位信号为频偏补正后的频率校准信号
[0114]
步骤五：智能终端基于music-cc超分辨算法，分别估算第一定位信号到达智能终端的第一延迟时间t1，第二定位信号到达智能终端的第二延迟时间t2，第三定位信号到达智能终端的第三延迟时间t3，第四定位信号到达智能终端的第三延迟时间t4；
[0115]
步骤六：智能终端向云端获取发射第一定位信号的第一主超声发射器相对坐标(x1,y1,z1)、发射第二定位信号的第二主超声发射器相对坐标(x2,y2,z2)、发射第三定位信号的第三主超声发射器相对坐标(x3,y3,z3)和发射第四定位信号的第四主超声发射器相对
坐标(x4,y4,z4)；基于各个延迟时间t1、t2、t3、t4和各个相对坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，利用tdoa算法计算智能终端的相对坐标(x
c
,y
c
,z
c
)。智能终端将相对坐标(x
c
,y
c
,z
c
)发送到云端，云端将该相对坐标对应到室内地图中，并将该相对地图共享给室内环境中智能终端。
[0116]
基于上述描述，本发明实施方式还提出了一种超声定位方法。该方法应用于超声定位系统，超声定位系统包括：布置在各自固定位置处的多个超声发射单元和智能终端；该方法包括：使能智能终端对从各个超声发射单元接收到超声定位信号的强度进行比较；使能智能终端基于比较结果确定执行下列定位策略中的一个：一个超声发射单元所发射的超声定位信号的强度显著强于其它超声发射单元所发射的超声定位信号的强度的第一定位策略；至少两个超声发射单元发射强超声定位信号的第二定位策略；至少两个超声发射单元所发射的弱超声定位信号相互糅合的第三定位策略。
[0117]
在一个实施方式中，超声发射单元的数目为4，且所述4个超声发射单元的布置点构成正方形。优选的，超声定位信号包括主超声定位信号、次超声定位信号和频率校准信号；超声发射单元包括主发射模块、次发射模块和控制器；其中主发射模块包括主超声发射器和频率校准信号发射器；次发射模块包括至少三个次超声发射器；主超声发射器布置于所述至少三个次超声发射器的几何中心，频率校准信号发射器布置在所述主超声发射器的周边；主超声发射器用于发射所述主超声定位信号；频率校准信号发射器用于发射所述频率校准信号；次超声发射器用于发射所述次超声定位信号；控制器用于控制主超声发射器、频率校准信号发射器和次超声发射器按预设频率同时发射。
[0118]
图6为根据本发明第一定位策略的流程图。如图6所示，该方法包括：
[0119]
步骤601：计算显著强于其它超声定位信号强度的超声发射单元所发射的主超声定位信号的多普勒频偏；
[0120]
步骤602：利用多普勒频偏对显著强于其它超声定位信号强度的超声发射单元所发射的主超声定位信号和次超声定位信号执行频偏补正；
[0121]
步骤603：从频偏补正后的次超声定位信号中，按照信噪比从大到小的顺序，选择三个次超声定位信号；
[0122]
步骤604：基于频偏补正后的所述主超声定位信号和选中的所述三个次超声定位信号次超声定位信号，计算所述智能终端的坐标。
[0123]
图7为根据本发明第二定位策略的流程图。如图7所示，该方法包括：
[0124]
步骤701：计算发射强超声定位信号的至少两个超声发射单元所发射的频率校准信号的各自的多普勒频偏；
[0125]
步骤702：利用各自的多普勒频偏对所述至少两个超声发射单元所发射的主超声定位信号和次超声定位信号分别进行频偏补正；
[0126]
步骤703：对频偏补正后的所述至少两个超声发射单元的主超声定位信号的信噪比进行比较，选择信噪比最大的主超声定位信号对应的超声发射单元为目标超声发射单元；
[0127]
步骤704：从所述目标超声发射单元的频偏补正后的次超声定位信号中，按照信噪比从大到小的顺序，选择三个次超声定位信号；
[0128]
步骤705：基于所述目标超声发射单元的频偏补正后的所述主超声定位信号和所
选中的三个次超声定位信号，计算所述智能终端的坐标。
[0129]
图8为根据本发明第三定位策略的流程图。如图8所示，该方法包括：
[0130]
步骤801：计算全部超声发射单元所发射的频率校准信号的各自的多普勒频偏；；
[0131]
步骤802：利用所述各自的多普勒频偏对全部超声发射单元所发射的频率校准信号分别进行频偏补正；
[0132]
步骤803：基于频偏补正后的、全部超声发射单元所发射的频率校准信号，计算所述智能终端的坐标。
[0133]
本发明实施方式还提出了一种超声定位装置，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的超声定位方法的步骤。
[0134]
需要说明的是，上述各流程和各结构图中不是所有的步骤和模块都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或模块。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行调整。各模块的划分仅仅是为了便于描述采用的功能上的划分，实际实现时，一个模块可以分由多个模块实现，多个模块的功能也可以由同一个模块实现，这些模块可以位于同一个设备中，也可以位于不同的设备中。
[0135]
各实施方式中的硬件模块可以以机械方式或电子方式实现。例如，一个硬件模块可以包括专门设计的永久性电路或逻辑器件(如专用处理器，如fpga或asic)用于完成特定的操作。硬件模块也可以包括由软件临时配置的可编程逻辑器件或电路(如包括通用处理器或其它可编程处理器)用于执行特定操作。至于具体采用机械方式，或是采用专用的永久性电路，或是采用临时配置的电路(如由软件进行配置)来实现硬件模块，可以根据成本和时间上的考虑来决定。
[0136]
本发明还提供了一种机器可读的存储介质，存储用于使一机器执行如本申请所述方法的指令。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施方式的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机(或cpu或mpu)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。此外，还可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作。还可以将从存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的cpu等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施方式中任一实施方式的功能。
[0137]
用于提供程序代码的存储介质实施方式包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如cd-rom、cd-r、cd-rw、dvd-rom、dvd-ram、dvd-rw、dvd+rw)、磁带、非易失性存储卡和rom。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机或云上下载程序代码。
[0138]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0139]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。