[發明專利]一種利用聲信號與慣性導航融合的室內定位系統及定位方法

有效

• 申請號: 201711449557.3
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN108151747B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 王智;黃逸帆;張磊;李貴楠;林峰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/18;G01C21/16;G01S5/22;G01C21/08;G01C21/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種利用聲信號與慣性導航融合的室內定位方法，該方法基于室內定位系統來實現，其特征在于，所述系統包括智能移動終端、信標節點、服務器以及局域網，其中：

所述的智能移動終端上安裝有用戶端定位軟件，該軟件包括慣性導航模塊、聲信號定位模塊及定位信息融合模塊；所述的慣性導航模塊通過對用戶進行步伐檢測、步長估計、運動方向估計及運動速度估計來獲得慣性導航定位信息；所述的聲信號定位模塊通過智能移動終端自帶的揚聲器，發射調制聲信號，并接收來自局域網的聲信號定位信息；所述的定位信息融合模塊用于對所述的慣性導航定位信息和聲信號定位信息進行異步信息融合，獲得更加準確的定位信息；

所述的信標節點數量至少為3個，所述的信標節點包括麥克風、微處理器、A/D芯片、SD卡、無線通信模塊及電源模塊，用于監測和采集所述的智能移動終端發出的調制聲信號，對該調制聲信號進行到達時刻估計，并將估計結果通過局域網傳輸至服務器；

所述的局域網用于傳輸系統運行指令、各信標節點到達時刻估計結果及聲信號定位信息；

所述的服務器安裝上位機軟件，通過發出系統運行指令控制系統運行，并接收來自各信標節點的到達時刻估計結果，進而計算到達時間差，并利用基于最小二乘的到達時間差定位算法，獲得聲信號定位信息，并通過局域網將所述的聲信號定位信息傳送至用戶智能移動終端；

該方法包括以下步驟：

步驟1：布設各信標節點，并建立室內相對位置坐標系，測量并記錄各信標節點的坐標值；搭建局域網，將各信標節點、用戶智能移動終端和服務器加入局域網；服務器通過局域網向各信標節點廣播系統運行指令；

步驟2：用戶在靜止狀態下，打開智能移動終端的用戶端定位軟件，運行聲信號定位模塊，進行1次聲信號定位，并將該次聲信號定位的位置信息，作為用戶起始位置；

步驟3：用戶端定位軟件的慣性導航模塊以固定頻率采集智能移動終端內置傳感器的數據，通過加速度數據檢測用戶是否開始運動；當檢測到用戶開始運動時，對用戶進行慣性導航定位，同時聲信號定位模塊開始以固定頻率進行聲信號定位；

步驟4：用戶端定位軟件的定位信息融合模塊根據聲信號定位結果與慣性導航定位結果進行異步信息融合，得到待定位點的最終位置，并將其作為下一次慣性導航定位的初始位置；

所述步驟1中服務器通過局域網向信標節點廣播系統運行指令的具體過程如下：

各信標節點在接收到系統運行指令后，進行時鐘同步，將本地計時器中的數值置零；打開麥克風開始采集聲信號，并開啟信號處理流程，對智能移動終端發射的調制聲信號進行識別、到達時刻估計；各信標節點將本機ID、到達時刻及本地時間戳封裝成數據幀，并把采集到的原始數據存儲至本地SD卡；

所述步驟2、步驟3中聲信號定位方法如下：

所述的智能移動終端發射調制聲信號，并記錄調制發射聲信號的時刻t₁；各信標節點對智能移動終端發射的調制聲信號進行識別、到達時刻估計,將由本機ID、聲信號到達時刻及本地時間戳封裝成的數據幀通過局域網發送至服務器；

服務器的上位機軟件通過接收的各信標節點所得到的目標到達時刻估計及時間戳信息，進而計算到達時間差，并利用基于最小二乘的到達時間差定位算法對智能移動終端進行定位，獲得聲信號定位信息；服務器通過局域網，將所述的聲信號定位信息發送至用戶智能移動終端；

智能移動終端通過局域網接收到來自服務器的聲信號定位信息；

所述步驟4中異步信息融合方法如下：

聲信號定位模塊接收到聲信號定位信息時，設下一次接收到慣性導航定位信息的時刻為t₂，并將所述的t₁時刻至t₂時刻內用戶運動近似為勻速直線運動，其中運動速度、運動方向由慣性導航定位方法估算得到，從而對聲信號定位信息進行延時補償，獲得t₂時刻聲信號定位信息；將該時刻聲信號定位信息與該時刻慣性導航定位信息進行比較，判斷聲信號定位信息是否由于遮擋而存在嚴重誤差，若存在嚴重誤差則舍棄聲信號定位信息，反之則進一步使用粒子濾波算法融合聲信號定位信息與慣性導航定位信息，從而獲得t₂時刻用戶位置信息。

2.如權利要求1所述的利用聲信號與慣性導航融合的室內定位方法，其特征在于，所述的智能移動終端為具有慣性測量元件、揚聲器模塊、無線通信模塊和微處理器的通用智能設備。