可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统和方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010441441.0 (22)申请日 2020.05.22 (71)申请人 桂林电子科技大学 地址 541004 广西壮族自治区桂林市七星 区金鸡路1号 (72)发明人 周陬张国立段楠仇洪冰 王玫宋浠瑜罗丽燕 (74)专利代理机构 桂林市华杰专利商标事务所 有限责任公司 45112 代理人 杨雪梅 (51)Int.Cl. G01C 21/20(2006.01) G01S 5/22(2006.01) (54)发明名称 一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室 内定位系统。

2、和方法 (57)摘要 本发明公开了一种可辨识LOS/NLOS声信号 的智能手机室内定位系统和方法。 该系统采用主 动式的定位方案, 包括都具有网络通信能力的智 能手机、 接收器以及服务器; 智能手机与接收器 通过伪超声信号进行连接, 服务器通过网络与智 能手机和接收器进行通信。 本发明定位方法选取 调制方式为线性调频Chirp的伪超声音频信号作 为定位信号, 提高了系统的抗干扰能力, 并使用 SVM与DS证据理论信息融合的分类算法对非视距 NLOS测量数据进行识别以及丢弃, 构造了一套较 精确的室内定位系统及方法。 由于智能手机的扬 声器和普通麦克风可以发送和接收伪超声定位 信号, 从而大大降。

3、低了系统的成本。 权利要求书4页 说明书10页 附图2页 CN 111551180 A 2020.08.18 CN 111551180 A 1.一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统, 包括都具有网络通信能力的 智能手机、 接收器以及服务器, 智能手机作为系统的发射端; 其特征在于: 智能手机与接收器通过伪超声信号进行连接, 服务器通过网络与智能手 机和接收器进行通信; 智能手机用于发射伪超声定位信号, 包括依次连接的Chirp调制模块和音频输出模块; 接收器用于接收伪超声定位信号并进行特征提取, 包括依次连接的WSN同步模块, 信号 采集模块, 信道增益与时延估计模块, 特征。

4、提取模块; 服务器用于估计智能手机位置坐标, 包括依次连接的SVM-DS分类模块和位置解算模 块。 2.根据权利要求1所述的可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统, 其特征在 于: 所述智能手机的Chirp调制模块, 用于产生伪超声Chirp电信号; 音频输出模块, 用于产生周期性的伪超声Chirp音频信号; 所述接收器的WSN同步模块, 用于完成接收器间的时钟同步; 信号采集模块, 用于采集智能手机发送的伪超声定位信号并进行模数转换; 信道增益与时延估计模块, 用于估计接收信号的相对信道增益与时延以及信号的到达 时间; 特征提取模块, 用于对接收到的信号进行特征提取; 所述服务器。

5、的SVM-DS分类模块, 用于筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到达时间; 位置解算模块, 用于估计智能手机的位置坐标。 3.根据权利要求1-2任一项所述的智能手机室内定位系统的定位方法, 其特征在于, 定 位方法包括如下步骤: (1)智能手机将Chirp调制模块产生的伪超声电信号送入音频输出模块, 音频输出模块 产生周期性的伪超声Chirp音频信号; (2)接收器通过WSN同步模块完成时钟同步; 各个接收器通过信号采集模块采集伪超声 定位信号, 并将它们送入信道增益与时延估计模块和特征提取模块, 特征提取模块根据信 道增益与时延估计模块得到的结果, 提取出接收信号的特征向量以及到达时间, 。

6、再将它们 通过网络发送给服务器; (3)服务器接收到接收器发送的数据并将接收到的特征向量送到SVM-DS分类模块, 分 类模块筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到达时间; 位置解算模块根据SVM-DS分类模 块的结果选择LOS环境下的接收器数据估计智能手机的位置坐标, 再通过网络将位置坐标 发送给智能手机。 4.根据权利要求3所述的智能手机室内定位系统的定位方法, 其特征在于: 步骤(1)所述Chirp调制模块利用数模转换器DAC产生伪超声Chirp定位信号, 其步骤包 括: (111)智能手机发射的伪超声Chirp信号幅度为A, 初始频率为f0, 终止频率为f1, 信号长 度为ts, 则伪。

7、超声Chirp信号的公式为: 权利要求书 1/4 页 2 CN 111551180 A 2 (112)根据奈奎斯特采样定理设置采样频率为F,对s(t)进行采样得到离散的数组Num; (113)将数组Num中的数据转换为适用于DAC输入的数据; (114)DAC以采样率F依次采集数组Num中的数据产生伪超声Chirp电信号。 5.根据权利要求3所述的智能手机室内定位系统的定位方法, 其特征在于: 步骤(1)所述音频输出模块用于智能手机发射端产生周期性的伪超声Chirp定位信号, 其步骤包括: (121)以T为周期, 其中Tts+tl+tg,ts为伪超声Chirp定位信号, tl为传输间隔(与定位。

8、 范围有关), tg为保护间隔; (122)将Chirp调制模块产生的长度为ts的Chirp电信号送入发声模块; (123)tl+tg后, 将Chirp调制模块产生的Chirp电信号送入发声模块; (124)重复步骤(122)-(123), 直到定位结束。 6.根据权利要求3所述的智能手机室内定位系统的定位方法, 其特征在于: 步骤(2)所述WSN同步模块的时钟同步方法, 以第一接收器的时钟为基准时钟, 时钟同 步方法步骤包括: (211)第一接收器向接收器i发送同步数据记录时间t1i, 并将t1i发送给接收器i,i2, 3,N; (212)接收器i接收完同步数据后, 记录时间t2i,i2,3。

9、,N; (213)接收器i接收到t1i, 延迟一段时间向第一接收器发送同步数据并记录时间t3i (214)第一接收器接收到同步数据记录时间t4i, 并将t4i发送给接收器i; (215)接收器i接收到ti4, 并计算发送同步数据的路径延迟 (216)接收器i计算与第一接收器的时钟偏移值 (217)接收器i根据偏移值更新时钟; (218)按照上述步骤依次实现接收器2,3,N的时钟同步。 7.根据权利要求3所述的智能手机室内定位系统的定位方法, 其特征在于: 步骤(2)所述信道增益与时延估计模块, 用于估计接收信号的相对路径增益、 相对路径 延迟和信号的到达时间, 其步骤包括: (231)接收器i。

10、读取FIFO缓冲器中的数据xn,并计算FIFO缓冲器中信号的能量和Ei, (232)当Ei的值大于阈值且Ei的值在时间 内变化较小, 此时FIFO缓冲器中接收的信号 为xi(t),记录此时的时间ti0; (233)计算xi(t)与参考信号s(t)的互相关值 权利要求书 2/4 页 3 CN 111551180 A 3 (234)对互相关值的振幅进行归一化并提取峰值包络的极值得到 其中第j个极值的增益为 j,时延为为噪声; (235)计算接收器i的第一到达路径 其中为中的最大值; (236)计算接收器i的信号的到达时间 (237)以第一到达路径作为接收信号的起始时间, 计算接收器i的相对路径增益。

11、估计值 和相对路径延迟估计值 8.根据权利要求3所述的智能手机室内定位系统的定位方法, 其特征在于: 步骤(2)所述特征提取模块, 用于提取接收器i接收信号的九个声学特征, 其步骤包括: (241)根据相对路径增益估计值和相对路径延迟估计值提取接收信号平均超量时 延 med和均方根时延扩展 rms; (242)根据相对路径延迟估计值计算峰度k和偏度s 其中r的为对进行一维插值后的结果,r和 r是r的均值和标准差, E是数学期望 算子; (243)根据相对路径增益估计值计算莱斯K因子KR 其中kd等于 为的标准差; (244)根据相对路径增益估计值在区间的次数f计算相对信道增益频率的 权利要求书。

12、 3/4 页 4 CN 111551180 A 4 平均频率gm和均方根频率grms, 1,2,3,n (245)根据ff, 1,2,n计算频率分布的峰度kf和偏度sf 其中 f和 f为f的均值与标准差; (246)将接收器i的特征向量xi med, rms,k,s,KR,gm,grms,kf,sf与信号的到达时间ti 发送给服务器。 9.根据权利要求3所述的智能手机室内定位系统的定位方法, 其特征在于: 步骤(3)所述SVM-DS分类模块用于筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到达时间, 其 步骤包括: (311)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为rbf的支持向量机SVM1中等到BPA。

13、1; (312)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为poly的支持向量机SVM2中得到BPA2; (313)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为linear的支持向量机SVM3中等到 BPA3; (314)将BPA1, BPA2, BPA3进行DS融合并输出接收器i的判决结果l, l1为LOS环境, l -1为NLOS环境; (315)对位于LOS环境下的接收器重新排序, 得到接收器lj, j1,2,3,m,mN; (316)根据上述过程可以得到位于LOS环境下的接收器lj的到达时间tlj,j1,2,3, m,mn。 10.根据权利要求3所述的智能手机室内定位系统的定位方法, 其特征在。

14、于: 步骤(3)所述位置解算模块用于估计智能手机发射端的位置坐标, 其步骤包括: (321)以到达时间tl1为基准, 计算出到达时间差tljtlj-tl1,j2,3m; (322)根据到达时间差tlj以及对应的接收器lj的位置坐标, 利用TDOA双曲线定位算 法估计智能手机的位置坐标; TDOA双曲线定位算法包括如下公式: j2,3,m,r0为智能手机与接收器l1之间的欧式距离, rj为智能手机与外置声源i之 间的欧式距离, rj为智能手机到接收器l1与到接收器lj之间的距离差, (x,y,z)为智能手 机位置坐标,(x0,y0,z0)为接收器l1的位置坐标, (xj,yj,zj)为接收器lj。

15、的位置坐标, tlj为 接收器lj与接收器l1的到达时间差, c为声音在空气中的传播速度; (323)将估计的智能手机的位置坐标回传给智能手机, 即可准确定位。 权利要求书 4/4 页 5 CN 111551180 A 5 一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统和方法 技术领域 0001 本发明涉及室内定位领域, 具体是一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定 位系统和方法。 背景技术 0002 随着智能手机技术的发展以及智能手机的普及, 人们对于基于智能手机位置服务 的需求日益增加。 目前, 智能手机主要依赖全球卫星导航系统(global navigation sat。

16、ellite system,GNSS)达到亚米级的室外定位精度。 但是由于室内卫星信号弱, 室内定 位很难利用GNSS实现。 0003 目前基于智能手机的室内定位技术主要分为两类: 第一类为基于外置信源的室内 定位技术, 主要包括WiFi、 蓝牙、 超宽带(ultra wide band,UWB)等; 第二类为基于天然信源 的室内定位技术, 这类技术仅依靠手机的内置传感器实现自身位置的感知, 主要包括惯性 导航, 地磁导航等。 0004 基于智能手机的WiFi, 蓝牙室内定位技术, 是根据接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)实现定位, 由于室内环境复杂, 很。

17、容易受到其它信号的干扰, 影响定 位精度。 0005 基于智能手机的超宽带室内定位技术, 定位精度高。 但是由于目前很少的智能手 机内置超宽带芯片, 且超宽带室内定位设备成本高, 不具有普适性。 0006 基于智能手机的惯性导航技术, 只依靠自身惯性传感器, 由于存在累积漂移误差, 定位精度难以满足用户需求。 发明内容 0007 本发明目的在于解决基于智能手机的室内定位技术成本高, 精度低的问题, 提出 了一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统和方法。 0008 伪超声是频率介于超声波与人耳可闻声音频率之间的音频。 伪超声具有波长短, 干扰小等优势。 本发明选取调制方式为线性调。

18、频(Chirp)的伪超声音频信号作为定位信号, 提高了系统的抗干扰能力, 并使用SVM与DS证据理论信息融合的分类算法对非视距(NLOS) 测量数据进行识别以及丢弃, 构造了一套较精确的室内定位系统。 由于手机扬声器和普通 麦克风可以发送和接收伪超声定位信号, 大大降低了系统的成本。 0009 实现本发明目的的技术方案是: 0010 一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统, 采用主动式的定位方案, 系统包括都具有网络通信能力的智能手机、 接收器以及服务器, 智能手机作为系统的发射 端; 0011 智能手机与接收器通过伪超声信号进行连接, 服务器通过网络与智能手机和接收 器进行通。

19、信; 0012 智能手机用于发射伪超声定位信号, 包括依次连接的Chirp调制模块和音频输出 说明书 1/10 页 6 CN 111551180 A 6 模块; 0013 接收器用于接收伪超声定位信号并进行特征提取, 包括依次连接的WSN同步模块, 信号采集模块, 信道增益与时延估计模块, 特征提取模块; 0014 服务器用于估计智能手机位置坐标, 包括依次连接的SVM-DS分类模块和位置解算 模块。 0015 智能手机的Chirp调制模块, 用于产生伪超声Chirp电信号; 0016 音频输出模块, 用于产生周期性的伪超声Chirp音频信号。 0017 接收器的WSN同步模块, 用于完成接收。

20、器间的时钟同步; 0018 信号采集模块, 用于采集智能手机发送的伪超声定位信号并进行模数转换; 0019 信道增益与时延估计模块, 用于估计接收信号的相对信道增益与时延以及信号的 到达时间; 0020 特征提取模块, 用于对接收到的信号进行特征提取。 0021 服务器的SVM-DS分类模块, 用于筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到达时间; 0022 位置解算模块, 用于估计智能手机的位置坐标。 0023 一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统的定位方法, 包括如下步 骤: 0024 (1)智能手机将Chirp调制模块产生的伪超声电信号送入音频输出模块, 音频输出 模块产生。

21、周期性的伪超声Chirp音频信号; 0025 (2)接收器通过WSN同步模块完成时钟同步; 各个接收器通过信号采集模块采集伪 超声定位信号, 并将它们送入信道增益与时延估计模块和特征提取模块, 特征提取模块根 据信道增益与时延估计模块得到的结果, 提取出接收信号的特征向量以及到达时间, 再将 它们通过网络发送给服务器; 0026 (3)服务器接收到接收器发送的数据并将接收到的特征向量送到SVM-DS分类模 块, 分类模块筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到达时间; 位置解算模块根据SVM-DS分 类模块的结果选择LOS环境下的接收器数据估计智能手机的位置坐标, 再通过网络将位置 坐标发送给智。

22、能手机。 0027 进一步地, 步骤(1)所述Chirp调制模块利用数模转换器DAC产生伪超声Chirp电信 号, 其步骤包括: 0028 (111)智能手机发射的伪超声Chirp信号幅度为A, 初始频率为f0, 终止频率为f1, 信 号长度为ts, 则伪超声Chirp信号的公式为: 0029 0030 (112)根据奈奎斯特采样定理设置采样频率为F,对s(t)进行采样得到离散的数组 Num; 0031 (113)将数组Num中的数据转换为适用于DAC输入的数据; 0032 (114)DAC以采样率F依次采集数组Num中的数据产生伪超声Chirp电信号。 0033 进一步地, 步骤(1)所述音。

23、频输出模块用于智能手机发射端产生周期性的伪超声 Chirp音频信号, 其步骤包括: 0034 (121)以T为周期, 其中Tts+tl+tg,ts为伪超声Chirp音频信号, tl为传输间隔(与 说明书 2/10 页 7 CN 111551180 A 7 定位范围有关), tg为保护间隔; 0035 (122)将Chirp调制模块产生的长度为ts的Chirp电信号送入发声模块; (123)tl+tg 后, 将Chirp调制模块产生的Chirp电信号送入发声模块; 0036 (124)重复步骤(122)-(123), 直到定位结束。 0037 进一步地, 步骤(2)所述WSN同步模块的时钟同步是。

24、参照TPSN时钟同步协议, 设计 出的一种基于WSN同步的时钟同步方法。 其目的用于实现接收器间的时钟同步, 以第一接收 器的时钟为基准时钟, 时钟同步方法步骤包括: 0038 (211)第一接收器向接收器i发送同步数据记录时间t1i, 并将t1i发送给接收器i,i 2,3,N; 0039 (212)接收器i接收完同步数据后, 记录时间t2i,i2,3,N; 0040 (213)接收器i接收到t1i, 延迟一段时间向第一接收器发送同步数据并记录时间 t3i 0041 (214)第一接收器接收到同步数据记录时间t4i, 并将t4i发送给接收器i; 0042 (215)接收器i接收到ti4, 并计。

25、算发送同步数据的路径延迟 0043(216)接收器i计算与第一接收器的时钟偏移值 0044(217)接收器i根据偏移值更新时钟; 0045 (218)按照上述步骤依次实现接收器2,3,N的时钟同步。 0046 进一步地, 步骤(2)所述信号采集模块采集智能手机发送的伪超声定位信号, 其步 骤包括: 0047 (221)信号采集模块使用MEMS麦克风搭建的电路模块, 将声信号转化为电信号; 0048 (222)将电信号送入音频放大模块; 0049 (223)将放大后的电信号送入带通滤波器; 0050 (224)将滤波后的信号送入ADC模块, 依据奈奎斯特采样定理对信号进行采样; 0051 (22。

26、5)将采集到的信号送入长度为M的FIFO缓冲器。 0052 进一步地, 步骤(2)所述信道增益与时延估计模块, 用于估计接收信号的相对路径 增益、 相对路径延迟和信号的到达时间, 其步骤包括: 0053 (231)接收器i读取FIFO缓冲器中的数据xn,并计算FIFO缓冲器中信号的能量和Ei, 0054 0055 (232)当Ei的值大于阈值且Ei的值在时间 内变化较小, 此时FIFO缓冲器中接收的 信号为xi(t),记录此时的时间ti0; 0056(233)计算xi(t)与参考信号s(t)的互相关值 0057(234)对互相关值的振幅进行归一化并提取峰值包络的极值得到 说明书 3/10 页 。

27、8 CN 111551180 A 8 0058 0059其中第j个极值的增益为 ij,时延为为噪声; 0060(235)计算接收器i的第一到达路径 0061 0062其中为中的最大值; 0063(236)计算接收器i的信号到达时间 0064 (237)以第一到达路径作为接收信号的起始时间, 计算接收器i的相对路径增益估 计值和相对路径延迟估计值 0065 0066 进一步地, 步骤(2)所述特征提取模块, 用于提取接收器i接收信号的九个声学特 征, 其步骤包括: 0067(241)根据相对路径增益估计值和相对路径延迟估计值提取接收信号平均 超量时延 med和均方根时延扩展 rms; 0068 。

28、0069(242)根据相对路径延迟估计值计算峰度k和偏度s 0070 0071其中r的为对进行一维插值后的结果,r和 r是r的均值和标准差, E是数学 期望算子; 0072(243)根据相对路径增益估计值计算莱斯K因子KR 0073 0074其中kd等于 为的标准差; 0075(244)根据相对路径增益估计值在区间的次数f计算相对信道增益频 率的平均频率gm和均方根频率grms, 1,2,3,n 说明书 4/10 页 9 CN 111551180 A 9 0076 0077 (245)根据ff+, 1,2,n计算频率分布的峰度kf和偏度sf 0078 0079 其中 f和 f为f的均值与标准差。

29、; 0080 (246)将接收器i的特征向量xi med, rms,k,s,KR,gm,grms,kf,sf与信号的到达时 间ti发送给服务器。 0081 进一步地, 步骤(3)所述SVM-DS分类模块用于筛选出处于LOS环境下的接收器的信 号到达时间, 其步骤包括: 0082 (311)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为rbf的支持向量机SVM1中得到 BPA1; 0083 (312)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为poly的支持向量机SVM2中得到 BPA2; 0084 (313)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为linear的支持向量机SVM3中等 到BPA3; 00。

30、85 (314)将BPA1, BPA2, BPA3进行DS融合并输出接收器i的判决结果l, l1为LOS环 境, l-1为NLOS环境; 0086 (315)对位于LOS环境下的接收器重新排序, 得到接收器lj, j1,2,3,m,mN; 0087 (316)根据上述过程可以得到位于LOS环境下的接收器lj的到达时间tlj,j1,2, 3,m,mN。 0088 进一步地, 步骤(3)所述位置解算模块用于估计智能手机发射端的位置坐标, 其步 骤包括: 0089 (321)以接收器l1的到达时间tl1为基准, 计算出到达时间差tljtlj-tl1,j2, 3m; 0090 (322)根据到达时间差。

31、tlj以及对应的接收器lj的位置坐标, 利用TDOA双曲线定 位算法估计智能手机的位置坐标; 0091 TDOA双曲线定位算法包括如下公式: 0092 0093 j2,3,m,r0为智能手机与接收器l1之间的欧式距离, rj为智能手机与外置声 源i之间的欧式距离, rj为智能手机到接收器l1与到接收器lj之间的距离差, (x,y,z)为 智能手机位置坐标,(x0,y0,z0)为接收器l1的位置坐标, (xj,yj,zj)为接收器lj的位置坐标, tlj为接收器lj与接收器l1的到达时间差, c为声音在空气中的传播速度; 说明书 5/10 页 10 CN 111551180 A 10 0094 。

32、(323)将估计的智能手机的位置坐标回传给智能手机, 即可准确定位。 0095 本发明的有益效果: 本发明一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系 统, 可满足中小型室内场景下的定位需求。 本发明采用伪超声Chirp信号作为定位信号, 定 位精度高, 成本低。 系统采用SVM结合DS证据理论的分类算法对NLOS数据进行识别和丢弃, 仅采用LOS数据进行定位, 提高了系统的定位性能。 附图说明 0096 图1是本发明一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统的结构框图; 0097 图2是本发明系统中智能手机的内部模块框图; 0098 图3是本发明系统中智能手机发送伪超声定。

33、位信号的时序图; 0099 图4是本发明系统中接收器的内部模块框图; 0100 图5是本发明系统中接收器WSN同步模块时钟同步示意图; 0101 图6是本发明系统中服务器的内部模块框图; 0102 图7是本发明系统中服务器的SVM-DS分类模块的分类步骤示意图。 0103 图中, 1智能手机, 11 Chirp调制模块, 12音频输出模块 0104 2接收器, 21 WSN同步模块, 22信号采集模块, 23信道增益与时延估计模块, 24特征 提取模块, 2-1第一接收器, 2-2第二接收器, 2-3第三接收器, 2-4第四接收器; 0105 3服务器, 31SVM-DS分类模块, 32位置解。

34、算模块。 具体实施方式 0106 下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的说明, 但不是对本发明的限定。 0107 实施例 0108 参照图1, 一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统, 采用主动式的定 位方案, 系统包括都具有网络通信能力的智能手机1、 接收器2以及服务器3, 智能手机1作为 系统的发射端; 0109 智能手机1与接收器2通过伪超声信号进行连接, 服务器3通过网络与智能手机1和 接收器2进行通信。 0110 参照图2, 智能手机1用于发射伪超声定位信号, 包括依次连接的Chirp调制模块11 和音频输出模块12; 0111 智能手机1的Chirp调制模块11。

35、, 用于产生伪超声Chirp电信号; 0112 音频输出模块12, 用于产生周期性的伪超声Chirp音频信号。 0113 参照图4, 接收器2用于接收伪超声定位信号并进行特征提取, 包括依次连接的WSN 同步模块21, 信号采集模块22, 信道增益与时延估计模块23, 特征提取模块24; 0114 接收器2的WSN同步模块21, 用于完成接收器间的时钟同步; 0115 信号采集模块22, 用于采集智能手机1发送的伪超声定位信号并进行模数转换; 0116 信道增益与时延估计模块23, 用于估计接收信号的相对信道增益与时延以及信号 的到达时间; 0117 特征提取模块24, 用于对接收到的信号进行。

36、特征提取; 0118 本实施例接收器2有四个, 包括第一接收器2-1、 第二接收器2-2、 第三接收器2-3、 说明书 6/10 页 11 CN 111551180 A 11 第四接收器2-4。 0119 参照图6, 服务器3用于估计智能手机1位置坐标, 包括依次连接的SVM-DS分类模块 31和位置解算模块32; 0120 服务器3的SVM-DS分类模块31, 用于筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到达时 间; 0121 位置解算模块32, 用于估计智能手机11的位置坐标。 0122 参照图1-7, 一种可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统的定位方法, 包 括如下步骤: 01。

37、23 (1)智能手机1将Chirp调制模块11产生的伪超声电信号送入音频输出模块12, 音 频输出模块12产生周期性的伪超声Chirp音频信号; 0124 (2)接收器2通过WSN同步模块21完成时钟同步; 接收器2的四个接收器2-1、 2-2、 2- 3、 2-4通过信号采集模块22采集伪超声定位信号, 并将它们送入信道增益与时延估计模块 23和特征提取模块24, 特征提取模块24根据信道增益与时延估计模块23得到的结果, 提取 出接收信号的特征向量以及到达时间, 再将它们通过网络发送给服务器3; 0125 (3)服务器3接收到接收器2发送的数据并将接收到的特征向量送到SVM-DS分类模 块。

38、31, 分类模块31筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到达时间; 位置解算模块32根据 SVM-DS分类模块31的结果选择LOS环境下的接收器2数据估计智能手机1的位置坐标, 再通 过网络将位置坐标发送给智能手机1。 0126 参照图1-3, Chirp调制模块11利用数模转换器DAC产生伪超声Chirp电信号, 其步 骤包括: 0127 (111)智能手机1发射的伪超声Chirp信号幅度为A1, 初始频率为f016kHz, 终 止频率为f120kHz, 信号长度为ts02s, 则伪超声Chirp信号的公式为: 0128 0129 (112)根据奈奎斯特采样定理设置采样频率为F44.1kHz。

39、,对s(t)进行采样得到 离散的数组Num; 0130 (113)将数组Num中的数据转换为适用于DAC输入的数据; 0131 (114)DAC以采样率F44.1kHz依次采集数组Num中的数据产生伪超声Chirp电信 号。 0132 参照图2-3, 音频输出模块12用于智能手机1发射端产生周期性的伪超声Chirp音 频信号, 其步骤包括: 0133 (121)以T为周期, 其中Tts+tl+tg,ts0.2s为伪超声Chirp定位信号, tl0.05s 为传输间隔(与定位范围有关), tg0.15s为保护间隔; 0134 (122)将Chirp调制模块产生的长度为0.2s的Chirp电信号送。

40、入发声模块; 0135 (123)0.2s后, 将Chirp调制模块产生的Chirp电信号送入发声模块; 0136 (124)重复步骤(122)-(1233), 直到定位结束。 0137 参照图1、 图4-5, WSN同步模块21的时钟同步是参照TPSN时钟同步协议, 以四个接 收器为例, 第一接收器2-1的时钟为基准时钟, 以第二接收器2-2时钟同步为例, 其步骤包 括: 说明书 7/10 页 12 CN 111551180 A 12 0138 (211)第一接收器2-1向第二接收器2-2发送同步数据记录时间t12并将t12发送给 第二接收器2-2; 0139 (212)第二接收器2-2接收。

41、完同步数据后, 记录时间t22; 0140 (213)第二接收器2-2接收到t12, 延迟一段时间向第一接收器2-1发送同步数据并 记录时间t32 0141 (214)第一接收器2-1接收到同步数据记录时间t42, 并将t42发送给第二接收器2- 2; 0142 (215)第二接收器2-2接收到t42, 并计算发送同步数据的路径延迟 0143(216)第二接收器2-2计算与第一接收器2-1的时钟偏移值 0144(217)第二接收器2-2根据偏移值更新时钟。 0145 (218)按照上述步骤依次实现接收器2-3,2-4的时钟同步。 0146 参照图4, 信号采集模块22用于采集智能手机1发射端发。

42、送的伪超声Chirp定位信 号, 其步骤包括: 0147 (221)信号采集模块22使用MEMS麦克风搭建的电路模块, 将声信号转化为电信号; 0148 (222)将电信号送入音频放大模块; 0149 (223)将放大后的电信号送入带通滤波器; 0150 (224)将滤波后的信号送入ADC模块, 依据奈奎斯特采样定理对信号进行采样; 0151 (225)将采集到的信号送入长度为M的FIFO缓冲器。 0152 参照图4, 信道增益与时延估计模块23, 用于估计接收信号的相对路径增益、 相对 路径延迟和信号的到达时间, 其步骤包括: 0153 (231)接收器i读取FIFO缓冲器中的数据xn,并计。

43、算FIFO缓冲器中信号的能量和Ei, 0154 0155 (232)当Ei的值大于阈值且Ei的值在时间 内变化较小, 此时FIFO缓冲器中接收的 信号为xi(t),记录此时的时间ti0; 0156(233)计算xi(t)与参考信号s(t)的互相关值 0157(234)对互相关值的振幅进行归一化并提取峰值包络的极值得到 0158 0159其中第j个极值的增益为 j,时延为为噪声; 0160(235)计算接收器i的第一到达路径 0161 说明书 8/10 页 13 CN 111551180 A 13 0162其中为中的最大值; 0163(236)计算接收器i的信号的到达时间 0164 (237)以。

44、第一到达路径作为接收信号的起始时间, 计算接收器i的相对路径增益估 计值和相对路径延迟估计值 0165 0166 参照图4, 特征提取模块24, 用于提取接收器i接收信号的九个声学特征, 其步骤包 括: 0167(241)根据相对路径增益估计值和相对路径延迟估计值提取接收信号平均 超量时延 med和均方根时延扩展 rms; 0168 0169(242)根据相对路径延迟估计值计算峰度k和偏度s 0170 0171其中r的为对进行一维插值后的结果,r和 r是r的均值和标准差, E是数学 期望算子; 0172(243)根据相对路径增益估计值计算莱斯K因子KR 0173 0174其中kd等于 为的标准。

45、差; 0175(244)根据相对路径增益估计值在区间的次数f计算相对信道增益频 率的平均频率gm和均方根频率grms, 1,2,3,n 0176 0177 (245)根据ff, 1,2,n计算频率分布的峰度kf和偏度sf 说明书 9/10 页 14 CN 111551180 A 14 0178 0179 其中 f和 f为f的均值与标准差; 0180 (246)将接收器i的特征向量xi med, rms,k,s,KR,gm,grms,kf,sf与信号的到达时 间ti发送给服务器。 0181 参照图1, 图6-7, SVM-DS分类模块31用于筛选出处于LOS环境下的接收器的信号到 达时间(以四个。

46、接收器为例, 第三接收器处于NLOS环境), 其步骤包括: 0182 (311)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为rbf的支持向量机SVM1中得到 BPA1,i1,2,3,4; 0183 (312)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为poly的支持向量机SVM2中得到 BPA2,i1,2,3,4; 0184 (313)将接收器i发送的特征向量xi送入核函数为linear的支持向量机SVM3中等 到BPA3,i1,2,3,4; 0185 (314)将BPA1, BPA2, BPA3进行DS融合并输出接收器i的判决结果l(l1为LOS环 境, l-1为NLOS环境); 0186 (315。

47、)对位于LOS环境下的接收器重新排序, 得到接收器lj, j1,2,3; 0187 (316)根据上述过程可以得到位于LOS环境下的接收器lj的到达时间tlj,j1,2,3 其中tl1t1, tl2t2,tl3t4。 0188 参照图1, 图6, 位置解算模块32用于估计智能手机1发射端的位置坐标, 其步骤包 括: 0189 (321)以到达时间tl1为基准, 计算出到达时间差tljtlj-tl1,j2,3,4; 0190 (322)根据到达时间差tlj以及对应的接收器lj的位置坐标, 利用TDOA双曲线定 位算法估计智能手机1的位置坐标; 0191 TDOA双曲线定位算法包括如下公式: 01。

48、92 0193 j2,3,4,r0为智能手机1与接收器l1之间的欧式距离, rj为智能手机1与外置 声源i之间的欧式距离, rj为智能手机1到接收器l1与到接收器lj之间的距离差, (x,y,z) 为智能手机1位置坐标,(x0,y0,z0)为接收器l1的位置坐标, (xj,yj,zj)为接收器lj的位置坐 标, tlj为接收器lj与接收器l1的到达时间差, c为声音在空气中的传播速度; 0194 (323)将估计的智能手机1的位置坐标回传给智能手机1, 即可准确定位。 0195 本实施例室内定位系统的定位方法, 采用智能手机1主动发声的技术方案, 实时性 较好, 开发成本低且增加系统的普适性。 说明书 10/10 页 15 CN 111551180 A 15 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 16 CN 111551180 A 16 图4 图5 图6 图7 说明书附图 2/2 页 17 CN 111551180 A 17 。

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内容关键字: 辨识 LOS NLOS 信号 智能手机 室内 定位 系统 方法
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本文标题:可辨识LOS/NLOS声信号的智能手机室内定位系统和方法.pdf
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