一種基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法，其利用智能手機(jī)之間聲音傳播延遲測(cè)定距離，利用智能手機(jī)的指南針和羅盤(pán)來(lái)確定移動(dòng)向量，綜合這兩種信息計(jì)算用戶(hù)的實(shí)際位置。本發(fā)明無(wú)需進(jìn)行信號(hào)指紋采集，同時(shí)僅需要一個(gè)參照點(diǎn)就能夠?qū)τ诙鄠€(gè)用戶(hù)進(jìn)行室內(nèi)定位，且精度高，誤差小。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及室內(nèi)定位技術(shù)，尤其涉及一種基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]定位服務(wù)實(shí)時(shí)為用戶(hù)提供其位置信息，是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要內(nèi)容。高精度定位技術(shù)是很多移動(dòng)計(jì)算應(yīng)用的基礎(chǔ)，例如車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)，基于地理位置的信息推送系統(tǒng)等。目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)利用衛(wèi)星進(jìn)行定位，用戶(hù)設(shè)備接收衛(wèi)星信號(hào)并計(jì)算與衛(wèi)星的距離，當(dāng)用戶(hù)能夠接收到三顆以上衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，根據(jù)三邊定位理論能夠計(jì)算出自身所處的經(jīng)緯度坐標(biāo)。GPS設(shè)備成本低，精度高，在軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用都很廣泛，但其目前主要服務(wù)于室外場(chǎng)景，對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用由于建筑墻壁對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的阻隔，GPS無(wú)法正常使用。
[0003]目前已經(jīng)有多種室內(nèi)定位技術(shù)，這些技術(shù)可以分為如下兩大類(lèi)。第一類(lèi)是基于測(cè)距的定位技術(shù)，該類(lèi)定位技術(shù)需要在室內(nèi)部署一些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，用戶(hù)設(shè)備通過(guò)各種方式獲得與三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，再根據(jù)三邊定位理論計(jì)算出用戶(hù)設(shè)備自身的位置。常用的測(cè)距方法有基于聲音傳播時(shí)間來(lái)測(cè)距離，根據(jù)設(shè)備信號(hào)強(qiáng)度的衰減來(lái)測(cè)距離等。第二大類(lèi)是基于信號(hào)指紋的方法，這一類(lèi)方法利用了群智感知。目前我們的室內(nèi)環(huán)境往往都被各種無(wú)線信號(hào)所覆蓋，例如在一些商場(chǎng)和辦公室內(nèi)都能夠觀測(cè)多個(gè)WIFI信號(hào)，由于受到信號(hào)衰減和室內(nèi)結(jié)構(gòu)引起的信號(hào)反射，多徑效應(yīng)等，在不同位置我們觀測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度是不一樣的。因此可以把多個(gè)WIFI接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度構(gòu)成的向量看作是當(dāng)前位置的指紋，即該信號(hào)強(qiáng)度向量是某個(gè)物理位置的特征?；谛盘?hào)指紋的定位方法首先需要構(gòu)建信號(hào)指紋庫(kù)，即采集室內(nèi)各個(gè)位置的信號(hào)指紋，在定位過(guò)程中，將用戶(hù)設(shè)備觀測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度向量和指紋庫(kù)當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，挖掘出最相似的指紋，其對(duì)應(yīng)的位置信息就作為用戶(hù)目前所處的位置。但是，基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位方法需要部署大量信標(biāo)，維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)很大?；谛盘?hào)指紋的方法需要事先進(jìn)行大量的指紋采集，開(kāi)銷(xiāo)較大，同時(shí)當(dāng)室內(nèi)環(huán)境或者指紋信息變化的時(shí)候難以實(shí)時(shí)更新，容易造成定位結(jié)果不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于通過(guò)一種基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法，來(lái)解決以上【背景技術(shù)】部分提到的問(wèn)題。
[0005]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法，其包括如下步驟:
[0007]A、智能手機(jī)之間周期性互相發(fā)送和接受聲音信號(hào)，利用聲音傳播延遲計(jì)算相互之間的相對(duì)距離；
[0008]B、利用智能手機(jī)的指南針和羅盤(pán)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)向量，其中，移動(dòng)向量表示為運(yùn)動(dòng)方向和移動(dòng)距離的二元組；[0009]C、計(jì)算每一對(duì)智能手機(jī)用戶(hù)之間的距離向量，其中，距離向量表示為用戶(hù)之間的距離和他們之間的相對(duì)角度；
[0010]D、起始用戶(hù)定位:選擇一個(gè)起始三角形作為定位起點(diǎn)，將三角形中任意一點(diǎn)作為原點(diǎn)，根據(jù)步驟C進(jìn)行距離向量計(jì)算，根據(jù)原點(diǎn)和它們到原點(diǎn)的距離向量計(jì)算其余兩個(gè)點(diǎn)的位置；
[0011]E、迭代計(jì)算多用戶(hù)位置:將起始三角形中的三個(gè)用戶(hù)位置放入已定位集合，從沒(méi)有定位的用戶(hù)中取一個(gè)，與定位集合中的兩個(gè)點(diǎn)計(jì)算距離向量，然后確定新用戶(hù)的位置，并將新用戶(hù)位置放入已定位集合，該過(guò)程不斷迭代，直至所有用戶(hù)都被定位；
[0012]F、多用戶(hù)實(shí)時(shí)追蹤:確定一個(gè)時(shí)刻所有用戶(hù)位置之后，在連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)用戶(hù)的移動(dòng)向量和之前位置信息計(jì)算新的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)位置實(shí)時(shí)追蹤。
[0013]特別地，所述步驟C具體包括:距離向量表示為用戶(hù)之間的距離和他們之間的相對(duì)角度，其計(jì)算過(guò)程如下:考慮一個(gè)計(jì)算周期，周期內(nèi)兩用戶(hù)移動(dòng)向量的差等于周期前后他們之間距離向量的差，據(jù)此構(gòu)建二次方程組，運(yùn)算得到計(jì)算周期前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)用戶(hù)之間距離向量角度，結(jié)合之前測(cè)得的距離信息，即能得到智能手機(jī)用戶(hù)之間的距離向量。
[0014]特別地，所述步驟C之前后還包括:所述二次方程組可能出現(xiàn)兩組解的情況，利用三角形的特性進(jìn)行歧義消除:兩兩之間能夠測(cè)距的三個(gè)用戶(hù)位置構(gòu)成一個(gè)三角形，根據(jù)三角形的特征，它們之間的距離向量滿(mǎn)足兩邊之差等于第三邊，將步驟C當(dāng)中的解帶入該等式當(dāng)中，滿(mǎn)足等式的解為所需距離向量。
[0015]本發(fā)明提供的基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法利用智能手機(jī)之間聲音傳播延遲測(cè)定距離，利用智能手機(jī)的指南針和羅盤(pán)來(lái)確定移動(dòng)向量，綜合這兩種信息計(jì)算用戶(hù)的實(shí)際位置。本發(fā)明無(wú)需進(jìn)行信號(hào)指紋采集，同時(shí)僅需要一個(gè)參照點(diǎn)就能夠?qū)τ诙鄠€(gè)用戶(hù)進(jìn)行室內(nèi)定位，且精度高，誤差小。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法流程圖；
[0017]圖2a、圖2b、圖2c為本發(fā)明實(shí)施例提供的移動(dòng)向量和距離向量示意圖；
[0018]圖3a、圖3b為本發(fā)明實(shí)施例提供的多用戶(hù)迭代示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的多用戶(hù)移動(dòng)追蹤實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。可以理解的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。
[0021]請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法流程圖。
[0022]本實(shí)施例中基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法具體包括如下步驟:
[0023]步驟S101、智能手機(jī)之間周期性互相發(fā)送和接受聲音信號(hào)，利用聲音傳播延遲計(jì)算相互之間的相對(duì)距離。
[0024]步驟S102、利用智能手機(jī)的指南針和羅盤(pán)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)向量，其中，移動(dòng)向量表示為運(yùn)動(dòng)方向和移動(dòng)距離的二元組。如圖2a所示，Mi(Ut1)是用戶(hù)i在時(shí)刻h至ti之間的移動(dòng)向量。
[0025]步驟S103、計(jì)算每一對(duì)智能手機(jī)用戶(hù)之間的距離向量，其中，距離向量表示為用戶(hù)之間的距離和他們之間的相對(duì)角度。
[0026]如圖2a、圖2b、圖2c所示，在h時(shí)刻，用戶(hù)i和j之間的距離向量表示為Rij (t0)。計(jì)算過(guò)程如下:考慮一個(gè)計(jì)算周期，周期內(nèi)兩用戶(hù)移動(dòng)向量的差I(lǐng)1)-M1 (t0, I1)等于周期前后他們之間距離向量的差Ru U1) -Rij (t0)。據(jù)此構(gòu)建二次方程組，求解方程組得到計(jì)算周期前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)用戶(hù)之間距離向量角度，結(jié)合之前測(cè)得的距離信息，即能夠得到智能手機(jī)用戶(hù)之間的距離向量。
[0027]步驟S104、步驟S103中二次方程組可能出現(xiàn)兩組解的情況，利用三角形的特性進(jìn)行歧義消除:兩兩之間能夠測(cè)距的三個(gè)用戶(hù)位置構(gòu)成一個(gè)三角形，根據(jù)三角形的特征，它們之間的距離向量滿(mǎn)足兩邊之差等于第三邊。如圖3a所示，解方程之后得出j和k點(diǎn)分別有多個(gè)可能的位置，將步驟S103當(dāng)中的解帶入該等式當(dāng)中，滿(mǎn)足等式的解為最終結(jié)果。
[0028]步驟S105、起始用戶(hù)定位:選擇一個(gè)起始三角形作為定位起點(diǎn)，將三角形中任意一點(diǎn)作為原點(diǎn)，根據(jù)步驟S103和S104進(jìn)行距離向量計(jì)算，根據(jù)原點(diǎn)和它們到原點(diǎn)的距離向量計(jì)算其余兩個(gè)點(diǎn)的位置。
[0029]步驟S106、迭代計(jì)算多用戶(hù)位置:將起始三角形中的三個(gè)用戶(hù)位置放入已定位集合，從沒(méi)有定位的用戶(hù)中取一個(gè)，與定位集合中的兩個(gè)點(diǎn)計(jì)算距離向量，然后確定新用戶(hù)的位置，并將新用戶(hù)位置放入已定位集合，該過(guò)程不斷迭代，直至所有用戶(hù)都被定位。如圖3b所示，新用戶(hù)m與已定位的節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離向量分別為Rim和Rjm，可以計(jì)算出m點(diǎn)的坐標(biāo)。事實(shí)上，由于測(cè)距誤差的存在，通過(guò)Rim和Rjm計(jì)算得到的m的位置在去除錯(cuò)誤結(jié)果之后也并不完全重合，如圖3b所示，這里取平均坐標(biāo)作為點(diǎn)m的位置估計(jì)值。
[0030]步驟S107、多用戶(hù)實(shí)時(shí)追蹤:確定一個(gè)時(shí)刻所有用戶(hù)位置之后，在連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)用戶(hù)的移動(dòng)向量和之前位置信息計(jì)算新的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)位置實(shí)時(shí)追蹤。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)中4個(gè)用戶(hù)在室內(nèi)各自連續(xù)行進(jìn)一段時(shí)間，四條曲線展示的是用本發(fā)明的方法追蹤到的用戶(hù)行進(jìn)路線，一側(cè)的深灰色箭頭代表的是用戶(hù)實(shí)際的移動(dòng)路線。由圖4可知，本發(fā)明的定位精度較高，誤差小。
[0031]本發(fā)明的技術(shù)方案利用智能手機(jī)之間聲音傳播延遲測(cè)定距離，利用智能手機(jī)的指南針和羅盤(pán)來(lái)確定移動(dòng)向量，綜合這兩種信息計(jì)算用戶(hù)的實(shí)際位置。本發(fā)明無(wú)需進(jìn)行信號(hào)指紋采集，同時(shí)僅需要一個(gè)參照點(diǎn)就能夠?qū)τ诙鄠€(gè)用戶(hù)進(jìn)行室內(nèi)定位，且精度高，誤差小。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以有各種改動(dòng)和變化。凡在本發(fā)明的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法，其特征在于，包括如下步驟: A、智能手機(jī)之間周期性互相發(fā)送和接受聲音信號(hào)，利用聲音傳播延遲計(jì)算相互之間的相對(duì)距離； B、利用智能手機(jī)的指南針和羅盤(pán)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)向量，其中，移動(dòng)向量表示為運(yùn)動(dòng)方向和移動(dòng)距離的二元組； C、計(jì)算每一對(duì)智能手機(jī)用戶(hù)之間的距離向量，其中，距離向量表示為用戶(hù)之間的距離和他們之間的相對(duì)角度； D、起始用戶(hù)定位:選擇一個(gè)起始三角形作為定位起點(diǎn),將三角形中任意一點(diǎn)作為原點(diǎn)，根據(jù)步驟C進(jìn)行距離向量計(jì)算，根據(jù)原點(diǎn)和它們到原點(diǎn)的距離向量計(jì)算其余兩個(gè)點(diǎn)的位置； E、迭代計(jì)算多用戶(hù)位置:將起始三角形中的三個(gè)用戶(hù)位置放入已定位集合，從沒(méi)有定位的用戶(hù)中取一個(gè)，與定位集合中的兩個(gè)點(diǎn)計(jì)算距離向量，然后確定新用戶(hù)的位置，并將新用戶(hù)位置放入已定位集合，該過(guò)程不斷迭代，直至所有用戶(hù)都被定位； F、多用戶(hù)實(shí)時(shí)追蹤:確定一個(gè)時(shí)刻所有用戶(hù)位置之后，在連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)用戶(hù)的移動(dòng)向量和之前位置信息計(jì)算新的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)位置實(shí)時(shí)追蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述步驟C具體包括:距離向量表示為用戶(hù)之間的距離和他們之間的相對(duì)角度，其計(jì)算過(guò)程如下:考慮一個(gè)計(jì)算周期，周期內(nèi)兩用戶(hù)移動(dòng)向量的差等于周期前后他們之間距離向量的差，據(jù)此構(gòu)建二次方程組，運(yùn)算得到計(jì)算周期前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)用戶(hù)之間距離向量角度，結(jié)合之前測(cè)得的距離信息，即能得到智能手機(jī)用戶(hù)之間的距離向量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲音測(cè)距和移動(dòng)向量的多用戶(hù)室內(nèi)定位方法，其特征在于，所述步驟C之前后還包括:所述二次方程組可能出現(xiàn)兩組解的情況，利用三角形的特性進(jìn)行歧義消除:兩兩之間能夠測(cè)距的三個(gè)用戶(hù)位置構(gòu)成一個(gè)三角形，根據(jù)三角形的特征，它們之間的距離向量滿(mǎn)足兩邊之差等于第三邊，將步驟C當(dāng)中的解帶入該等式當(dāng)中，滿(mǎn)足等式的解為所需距離向量。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK103596265SQ201310585190
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】劉克彬, 張?zhí)m, 姜永航, 劉云浩 申請(qǐng)人:無(wú)錫賽?？萍加邢薰?br>