一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法与流程

本发明涉及超宽带通信，尤其是涉及一种基于单基站的uwb无线耳机位姿感知测量方法。

背景技术：

1、无线耳机普遍的存在于大众的生活中，并受到了人们的追捧和热爱，主要原因在于其使用的方法十分便捷，不会像有线耳机一样需要繁杂的连接线，它无需与发声主体连接，用户直接拿起耳机就可以佩戴，无需多余的操作；其次它还有与之匹配的充电盒，在用户不使用的时候放回充电盒，在用户不使用的时候放回充电盒可以进行充电以保证正常的续航。随着人们使用的深入，对耳机的要求也越来越高。例如，要求双耳立体声沉浸式的体验，犹如亲临演唱会现场的感觉。这就要求知道无线耳机的位姿变化，根据位置的变化相应的调整音频音色，达到双耳立体声沉浸式的体验。

2、uwb即超宽带技术，它是一种无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。传统的定位技术是根据信号强弱来判别物体位置，信号强弱受外界影响较大，因此定位出的物体位置与实际位置的误差也较大，定位精度不高，而uwb定位采用的宽带脉冲通讯技术，具备极强的抗干扰能力，使定位误差减小。uwb定位技术的出现填补了高精度定位领域的空白，它具有对信道衰弱不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。

3、基于uwb高精度的定位技术，刚好是无线耳机位姿感知的完美解决方案。人通过佩戴无线耳机，通过uwb技术对左右耳机进行定位，能够实时检测人体头部位置以及姿态的变化。基于此，可以调整音频音色以达到双耳立体声沉浸式的体验。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于单基站的uwb无线耳机位姿感知测量方法，通过左右无线耳机作为测量的矢量，使用充电仓作为单基站，对左右无线耳机进行位置测量，得到左右耳机的二维坐标，再结合左右耳机的测距结果，得到头部的水平姿态和俯仰姿态，该方法极大地降低了系统的复杂度以及成本，提高了该方法应用的普遍性。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于单基站的uwb无线耳机位姿感知测量方法，包括以下步骤：

3、s1、将左右耳机戴在双耳上，充电仓静止放置在与耳机上下20cm处；

4、s2、手机通过ble唤醒充电仓与耳机的uwb功能，左右耳机和充电仓利用uwb进行通信测量；

5、s3、手机使能测量后，左右耳机通过uwb相互通信，并将测量结果回传给手机；

6、s4、手机利用耳机回传测量结果，计算得到左右耳机的测距结果，并通过测距结果检测耳机状态；

7、s5、耳机状态检查通过后触发充电仓与耳机通过uwb进行通信测量，并将测量结果回传给手机；

8、s6、手机利用充电仓与耳机回传的测量结果，经计算得到耳机在充电仓坐标系下左右耳机的坐标值；

9、s7、手机利用充电仓坐标系下的左右耳机的坐标值以及左右耳机的测距结果，计算出头部的位置姿态测量结果。

10、优选的，步骤s1中，左右耳机均包含一个单天线的uwb模组，充电仓包含一个双天线的uwb模组，并具有测角功能。

11、优选的，步骤s2中，通信测量分为两个阶段：第一个阶段为左右耳机进行距离测量，第二个阶段为充电仓对左右耳机进行定位测量。

12、优选的，步骤s3中，左右耳机通过uwb相互通信，并将测量结果回传给手机，此过程分为n1个时隙进行：

13、第一个时隙：手机通过ble进行左右耳机的uwb配置以及时隙分配；

14、第二个时隙：左耳耳机发送uwb信号并记录发送的时间戳tl00，右耳耳机接收到uwb信号并记录接收的时间戳tr00；

15、第三个时隙：右耳耳机发送uwb信号并记录发送的时间戳tr01，左耳耳机接收到uwb信号并记录接收的时间戳tl01；

16、第四个时隙：左耳耳机发送uwb信号并记录发送的时间戳tl02，右耳耳机接收到uwb信号并记录接收的时间戳tr02；

17、第五个时隙：左耳耳机将时间戳tl00、tl01、tl02通过ble方式发送给手机；

18、第六个时隙：右耳耳机将时间戳tr00、tr01、tr02通过ble方式发送给手机；

19、其他时隙，预留。

20、优选的，步骤s4中，手机利用耳机回传测量结果，计算得到左右耳机的测距结果的计算方法如下：

21、

22、其中dmeas为计算的当前左右耳机测距结果，ωmeas为计算测距结果的权重系数，0<ωmeas<1；

23、通过测距结果检测耳机状态的方法如下：

24、当dmeas>dth2||dmeas<dth1，耳机状态异常，即左右耳机未同时戴在双耳上；

25、当dth1≤dmeas≤dth2，耳机状态正常，即左右耳机同时戴在双耳上；

26、其中，dth1～dth2为耳机测距结果正常的范围，并且dth1<dth2，||为逻辑或运算；

27、当耳机状态正常时，对测距结果dmeas进行滤波得到滤波后的测距结果，方法如下：

28、

29、其中，diir为滤波后的测距结果，dlast为上一次滤波后的测距结果，ncnt为当前耳机状态正常的次数；

30、当耳机状态异常时，会重复通过测距结果检测耳机状态的过程，对左右耳机重新进行测距，并且更新异常计数器；

31、当耳机状态异常连续出现sth次，上报系统异常，停止测量；其中，sth为系统异常的阈值。

32、优选的，步骤s5中，耳机状态检查通过后触发充电仓与耳机通过uwb进行通信测量，并将测量结果回传给手机，此过程分为n2个时隙进行：

33、第一个时隙：手机通过ble进行左右耳机以及充电仓的uwb配置以及时隙分配；

34、第二个时隙，充电仓广播发送uwb信号，充电仓记录发送uwb信号的时间戳tc10，左耳耳机与右耳耳机分别接收uwb信号并记录到达时间戳tl10和tr10；

35、第三个时隙，左耳耳机发送uwb信号，左耳耳机记录发送uwb信号的时间戳tl11，充电仓接收uwb信号并记录到达时间戳tc11和左耳耳机在充电仓坐标系下的相位值

36、第四个时隙，右耳耳机发送uwb信号，右耳耳机记录发送uwb信号的时间戳tr12，充电仓接收uwb信号并记录到达时间戳tc12和右耳耳机在充电仓坐标系下的相位值

37、第五个时隙，充电仓广播发送uwb信号，充电仓记录发送uwb信号的时间戳tc13，左耳耳机与右耳耳机分别接收uwb信号并记录到达时间戳tl13和tr13；

38、第六个时隙，充电仓将时间戳tc10、tc11、tc12、tc13和相位信息通过ble方式发送给手机；

39、第七个时隙，左耳耳机将时间戳tl10、tl11、tl13通过ble方式发送给手机；

40、第八个时隙，右耳耳机将时间戳tr10、tr12、tr13通过ble方式发送给手机；

41、其他时隙，预留。

42、优选的，步骤s6中，手机利用充电仓与耳机回传的测量结果，经计算得到耳机在充电仓坐标系下左右耳机的坐标值，方法如下：

43、充电仓与左耳耳机之间距离的计算方法如下：

44、

45、充电仓与右耳耳机之间距离的计算方法如下：

46、

47、其中，dcl为充电仓与左耳耳机之间距离，dcr为充电仓与右耳耳机之间距离；

48、基于dcl和计算出在充电仓坐标系下，左耳耳机的位置坐标(xl，yl)为：

49、

50、基于dcr和以计算出在充电仓坐标系下，右耳耳机的位置坐标(xr,yr)为：

51、

52、其中，cos()为余弦计算，sin()为正弦计算。

53、优选的，步骤s7中，手机利用充电仓坐标系下的左右耳机的坐标值以及左右耳机的测距结果，计算出头部的位置姿态测量结果，方法如下：

54、首先，利用左耳耳机的位置坐标(xl,yl)和右耳耳机的位置坐标(xr，yr)，得到在充电仓坐标系下，左右耳机之间的距离dlr为：

55、

56、然后，计算左右耳机作为一个矢量，与x轴的夹角为：

57、

58、左右耳机作为一个矢量，与z轴的夹角为：

59、

60、其中，cos-1()为反余弦计算，sin-1()为反正弦计算。

61、因此，本发明采用上述一种基于单基站的uwb无线耳机位姿感知测量方法，其技术效果如下：

62、(1)通过具有uwb功能的充电仓与无线耳机给手机进行了赋能，使手机具有位姿感知的功能；

63、(2)仅利用单基站对左右耳机的二维坐标进行测量，并结合左右耳机的测距结果，即可以得到头部的水平姿态和俯仰姿态，极大地降低了系统的复杂度以及成本，提高了该方法应用的普遍性。

64、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。