基于声学的移动设备近场测距定位方法

摘要

本发明公开了一种基于声学的移动设备近场测距定位方法，主要解决现有技术测距精度低，测距设备复杂的问题。其技术方案是：1)利用线性调频原理制作发射信号；2)由主节点移动设备开启wifi建立局域网，从节点移动设备连入局域网；3)测量两两移动设备相互之间的距离；4)利用四部移动设备确定相对空间坐标系；5)当新移动设备加入到局域网时，利用新移动设备与局域网中所有已定位移动设备之间的距离信息确定该移动设备的坐标；6)当某部已定位的移动设备移动时，采用5)中的方法不断更新该移动设备的坐标信息，实现移动轨迹跟踪。本发明定位精度高，对噪音的鲁棒性好，同时移动方便，可用于近场环境中需要定位或者跟踪的应用中。

主权项

一种基于声学的移动设备近场测距定位方法，包括：(1)生成移动设备发射信号：(1a)根据线性调频原理，为移动设备构建持续时间均为T，频率范围分别为和的第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b；(1b)在第一调频信号S′_a和第二调频信号S′_b之前均增加一段固定频率的正弦信号，得到移动设备最终的两个发射信号S_a和S_b；(2)建立移动设备局域网：(2a)选定一个移动设备为主节点，其它移动设备设为从节点；由主节点移动设备开启wifi建立局域网，从节点移动设备连接主节点加入到局域网中；(2b)主节点移动设备将所有从节点移动设备的ip地址，通过广播方式发送给所有从节点移动设备，使得局域网中任何两个移动设备都能相互通信；(3)对于任意两个移动设备A和B，各自打开自己的录音模块，使其处于监听状态，测量这两个移动设备之间的距离d：(3a)第一个移动设备A发出第一发射信号S_a，并记录第一发射信号S_a的发射时间t_A0，同时与第二个移动设备B一起开始录制声音；再通过频域信号匹配算法检测录制声音中第一发射信号S_a的位置，第一个移动设备A记录第一发射信号S_a的接收时间t_AA1，第二个移动设备B记录到第一发射信号S_a的接收时间t_AB1；(3b)移动设备B接收到第一发射信号S_a后立即发出第二发射信号S_b，并记录第二发射信号S_b的发射时间t_B0，同时与第一个移动设备A一起开始录制声音；再通过频率信号匹配算法检测录制声音中的信号S_b的位置，第二个移动设备B记录第二发射信号S_b的接收时间t_BB1，第一个移动设备A记录接收到第二发射信号S_b的时间t_BA1；(3c)根据记录时间计算第一移动设备A和第二移动设备B之间的距离d：$d=\frac{1}{2}\times v\times \left(\right(t_{BA1}-t_{AA1})-(t_{BB1}-t_{AB1}\left)\right)+v\times (t_{AA1}-t_{A0})+v\times (t_{B0}-t_{AB1})$其中，v为声音在空气中的传播速度；(4)建立多部移动设备的相对空间坐标系：(4a)对于四部移动设备A、B、C、D，先将第一部移动设备A作为坐标系的原点O；(4b)利用第二部移动设备B确定X轴，设AB方向为X轴正方向；(4c)设定第三部移动设备C在X轴的边侧，用移动设备C确定Y轴经过原点O并垂直于X轴，且C移动设备所在的方向为Y轴的正方向；(4d)设定第四部移动设备D在XOY平面外侧，用移动设备D确定Z轴经过原点O并垂直于平面XOY，且移动设备D所在的方向为Z轴的正方向；(5)对移动设备进行定位：(5a)空间坐标系建立好之后，当后续的新移动设备E要连入到局域网时，设新移动设备E的坐标为X_E＝(x,y,z)^T，设局域网中已定位的移动设备为参考节点，坐标为X_i＝(x_i,y_i,z_i)^T,i＝1,...,m，m为已定位移动设备的个数；(5b)利用步骤(3)中的方法测得新移动设备E与局域网中移动设备i之间的距离d_i，i＝1,...,m，并得到新移动设备坐标X_E相关的函数J(X_E)：$J\left(X_E\right)=\frac{1}{2}\underset{i=2}{\overset{m}{\Sigma }}{[2{(X_i-X_1)}^T·X_E+|\left|X_i\right|{|}_2^2-\left|\right|X_1|{|}_2^2+{d_i}^2-{d_1}^2]}^2$其中，(·)^T为转置，为二范数，X₁为局域网中第一部移动设备的坐标，d₁为新移动设备E到局域网中第一部移动设备之间的距离；(5c)对(5b)中的公式采用梯度下降算法进行最小化，得到新移动设备E的坐标X_E^*，即：${X_E}^{*}=\underset{X_E}{\arg }\left(\min J\right(X_E\left)\right)$(6)对移动设备进行跟踪：在局域网中已定位的任意移动设备P发生位置移动时，将该移动设备P作为新接入到局域网中的移动设备，按照步骤(5)的方法重新求得该移动设备P移动后的新位置坐标，实现对移动设备的移动轨迹跟踪。