基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種易于實現(xiàn)并且精度很高的基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法，多媒體設(shè)備具有聲波發(fā)射單元、聲波接收單元以及唯一的ID編碼，多媒體設(shè)備群包括至少兩臺相對位置唯一確定的多媒體設(shè)備并指定一臺主設(shè)備，當新增設(shè)備進入識別范圍時，主設(shè)備控制設(shè)備群中的每臺設(shè)備依序先后與新增設(shè)備之間進行定位，定位時第一方首先通過聲波發(fā)射單元發(fā)送定位信號并記錄時刻 T ′ ，第二方通過信號接收單元接收到定位信號時處理時間 ? T 、并通過 聲波發(fā)射單元將接收到的定位信號發(fā)送至第一方，第一方接收到該定位信號時記錄時刻 T ″，通過 傳播時間( T″- T′-?T)/2計算與設(shè)備群中每個設(shè)備之間的距離信息并在設(shè)備群內(nèi)共享。
【專利說明】基于聲波的多媒體設(shè)備群對新増設(shè)備的免同步定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種設(shè)備聲波定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002]聲波定位的基本原理是通過幾個固定位置的點的發(fā)射或者接受聲波，被定為設(shè)備接收或者發(fā)送聲波。利用飛越時間法(time of flight, T0F)，即檢測聲波往返的時間，所用時間與聲波通過距離成正比，計算出聲波所經(jīng)過的距離，從而得到被定為設(shè)備與幾個固定位置點的距離。再通過三角形測量原理可以實現(xiàn)三維定位，得到三維空間中被定位設(shè)備的位置。聲波技術(shù)由于成本低、結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)而被人們廣泛應(yīng)用。目前市場上的聲波收發(fā)器成熟且價格低廉，多媒體設(shè)備上的麥克風和揚聲器可以作為聲波的接收器和發(fā)送器，無需增加硬件成和修改電路。
[0003]采用該方法定位的一個關(guān)鍵點是:聲波發(fā)生器和聲波接收器需要同步時鐘。時間同步主要是設(shè)置一個計算機的時鐘為標準時間，在系統(tǒng)的工作過程中，其他計算單元通過網(wǎng)絡(luò)或者其他通信方式獲得標準計算機標準時鐘，然后去掉通信延遲，將自己的時鐘設(shè)置為標準時鐘。聲波發(fā)生器和聲波接收器只有在同步時鐘后，才能得出聲波發(fā)出后在空氣中行走的時間，聲波發(fā)生器與接收器之間的距離與該行走時間成正比。
[0004]然而，在現(xiàn)實中不存在絕對精確的時鐘，標稱值同樣是1MHz，發(fā)端和接收端的時鐘總會存在差異，如果接收端不進行時鐘同步，而是使用自己本地的時鐘，則足夠長的時間后接收到的數(shù)據(jù)總會出現(xiàn)不可預知的重復或丟失，導致接收錯誤。因此發(fā)端必須將與數(shù)據(jù)速率相關(guān)的時鐘信號傳輸給接收端，時鐘信號可以走單獨的信號線，也可以用一定的方式隱含在數(shù)據(jù)信號中。接收端對此時鐘信號進行同步，從而能夠“不多也不少”地從接收的數(shù)據(jù)波形中恢復數(shù)據(jù)。另外傳輸過程中，數(shù)據(jù)信號多少會發(fā)生一定的畸變。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種無需時鐘同步信號的聲波精確定位方法，精度最高可以達到半個采樣周期對應(yīng)的聲波傳播距離，電路設(shè)計更加簡單。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本技術(shù)方案是:一種基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法，所述的多媒體設(shè)備具有聲波發(fā)射單元、聲波接收單元以及唯一的ID編碼，所述的多媒體設(shè)備群包括至少兩臺相對位置唯一確定的多媒體設(shè)備，并且指定其中一臺設(shè)備為主設(shè)備，當新增設(shè)備進入多媒體設(shè)備群的識別范圍時，主設(shè)備控制設(shè)備群中的每臺設(shè)備依序先后與新增設(shè)備之間進行定位，定位時第一方首先通過聲波發(fā)射單元發(fā)送帶有該設(shè)備的ID編碼的定位信號并記錄時刻T'，第二方通過信號接收單元接收到該帶有ID編碼的定位信號時處理時間ΔΤ、并通過聲波發(fā)射單元將接收到的定位信號發(fā)送至第一方，第一方接收到該定位信號時記錄時刻T"，通過傳播時間(T" - T' _ΔΤ)/2計算新增設(shè)備與設(shè)備群中每個設(shè)備之間的距離信息，并在設(shè)備群內(nèi)共享該距離信息。由于在整個定位過程中無需對各設(shè)備之間的時鐘進行同步過程，因而無論時鐘是否精確都由于差值而被濾去，因而相對于具有同步過程的定位方式而言定位精度反而更加精確。
[0007]作為本發(fā)明進一步的改進，所述的ID編碼包括地址編碼或者超聲編碼或者設(shè)備用戶名稱。
[0008]作為本發(fā)明進一步的改進，所述的聲波發(fā)射單元包括揚聲器部件，所述的聲波接收單元包括麥克風部件。
[0009]作為本發(fā)明進一步的改進，當新增設(shè)備進入多媒體設(shè)備群的識別范圍時，首先由主設(shè)備與新增設(shè)備之間進行身份驗證。
[0010]作為本發(fā)明進一步的改進，所述的定位信號具有約定的頻率，或者幅度，或者約定的發(fā)送周期個數(shù)，或者約定的發(fā)送時間間隔。
[0011]作為本發(fā)明進一步的改進，多媒體設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。
[0012]本發(fā)明提出一種無需時鐘同步信號的聲波定位方法，具有如下優(yōu)勢:
1、定位精度高，精度最高可帶到半個采樣周期對應(yīng)的聲波傳播距離(96000Hz時小于2mm)；
2、無時鐘同步彳目號可以提尚定位精度；
3、可行性高，實現(xiàn)難度??；
4、多媒體設(shè)備一般帶有聲波接收器(如麥克風)和聲波發(fā)送器(如揚聲器)，無需另外添置元器件，對多媒體設(shè)備的成本影響非常小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖1為一種根據(jù)本發(fā)明的無時鐘同步定位方法；
附圖2所示為第二種無時鐘同步定位方法；
附圖3所示為第二種方法中定位信號的發(fā)射與接收過程；
附圖4所示為第三種無時鐘同步定位方法；
附圖5所示為第三種方法中定位信號的發(fā)射與接收過程。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0015]從較為廣義的涵蓋范圍上講，本發(fā)明涉及一套多媒體裝置，該裝置包含如下器件:三維空間中，至少兩個位置固定的多媒體設(shè)備與一個被定位多媒體設(shè)備。每個多媒體設(shè)備上配有聲波發(fā)生器和聲波接收器，聲波發(fā)生器用于發(fā)生聲波，聲波接收器用于接收聲波，所述的聲波發(fā)射單元包括揚聲器部件，所述的聲波接收單元包括麥克風部件。每個多媒體設(shè)備配有一個或多個處理器或控制器，可以進行數(shù)據(jù)分析和處理。
[0016]實施例一
如圖1所示為基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法的一個簡單模型。每個多媒體設(shè)備都具有聲波發(fā)射單元、聲波接收單元以及唯一的ID編碼，固定設(shè)備K為主設(shè)備，主設(shè)備可以監(jiān)聽其他固定設(shè)備I與被定位設(shè)備(移動設(shè)備)之間的定位過程。主設(shè)備能收到其他所有固定設(shè)備和移動設(shè)備發(fā)送的聲波，聲波信號中包含了指令信號和定位信號，指令信號中又包含了設(shè)備的ID等信息。固定設(shè)備K與固定設(shè)備I之間的距離在定位被定為設(shè)備之前已經(jīng)通過上述免同步時鐘方法計算得出，由于三者位于同一個平面內(nèi)，則移動設(shè)備的位置信息可以被確定下來。
[0017]具體的，當新增設(shè)備進入多媒體設(shè)備群的識別范圍時，固定設(shè)備K與固定設(shè)備I先后與新增設(shè)備之間進行定位，定位時第一方首先通過聲波發(fā)射單元發(fā)送帶有該設(shè)備的ID編碼的定位信號并記錄時刻T'，第二方通過信號接收單元接收到該帶有ID編碼的定位信號時處理時間ΔΤ、并通過聲波發(fā)射單元將接收到的定位信號發(fā)送至第一方，第一方接收到該定位信號時記錄時刻T"，通過傳播時間(T" - T' -ΔΤ)/2計算新增設(shè)備與設(shè)備群中每個設(shè)備之間的距離信息，并在設(shè)備群內(nèi)共享該距離信息。由于在整個定位過程中無需對各設(shè)備之間的時鐘進行同步過程，因而無論時鐘是否精確都由于差值而被濾去，因而相對于具有同步過程的定位方式而言定位精度反而更加精確。
[0018]實施例二
如圖2所示為基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法的另一個模型。三維空間中，室內(nèi)有三個固定多媒體設(shè)備:固定設(shè)備1，固定設(shè)備2，固定設(shè)備3，這些固定多媒體設(shè)備間的距離在檢測被定位設(shè)備之前已經(jīng)通過上述免同步時鐘算法得出，各距離記為已知L12，L13，L23。固定設(shè)備I發(fā)送給被定位設(shè)備特定的定位信號，被定位設(shè)備收到該信號經(jīng)過處理再將該信號發(fā)回給固定設(shè)備1，該時間一定，通過檢測可以得到，記為hold時間，固定設(shè)備I計算時間差(減去Hold的時間)可以得到固定設(shè)備I與被定位設(shè)備之間的距離LI。以此類推，可以得到被定位設(shè)備與固定設(shè)備2以及與固定設(shè)備3之間的距離L2，L3，固定設(shè)備1、固定設(shè)備2和固定設(shè)備3之間的距離關(guān)系已知，則可以精確定位被定位設(shè)備相對其他三臺固定設(shè)備的位置。每個固定設(shè)備發(fā)送信號到移動設(shè)備，hold時間相同。該信號包含指令信號和定位信號，指令信號中包含hold時間。
[0019]具體的，當固定設(shè)備監(jiān)聽到有移動設(shè)備進入該室內(nèi)，發(fā)送包含指令信號和定位信號的聲波，并記錄當前發(fā)送聲波的時間T'，經(jīng)過Tl時間后，被定位多媒體設(shè)備的聲波接收器收到該聲波，控制器或處理器解析后知道這是定位信號，在被定位設(shè)備處理信號時間即hold時間Δ T后，再將該信號通過聲波發(fā)生器發(fā)送出去。固定多媒體設(shè)備I接收到該聲波時，記錄當前的時間T"。由于室內(nèi)，固定設(shè)備與被定位設(shè)備之間的距離較小，Tl很小，故在定位期間，被定位設(shè)備移動的距離非常小，可以忽略不計，認為被定位設(shè)備與固定設(shè)備I間的距離固定。固定設(shè)備I發(fā)送聲波到被定位設(shè)備的時間與被定位設(shè)備發(fā)送聲波到固定設(shè)備I的時間相同。
[0020]則:T"-T,= Τ1+ΔΤ +Tl
Δ T為一個預先約定的時間，為已知時間，利用飛越時間法(T OF )，固定設(shè)備I與被定位設(shè)備之間聲波傳輸?shù)臅r間為:
Tl=( Τ" - Tr -Δ Τ)/2
固定設(shè)備I與被定位之間的距離與傳輸時間成正比。由此可以得出固定設(shè)備I與被定位設(shè)備之間的距離。同理可以計算被定位設(shè)備與固定設(shè)備2，固定設(shè)備3之間的距離。三臺固定設(shè)備之間的距離已知，四臺多媒體設(shè)備組成一個三角錐體，可以得出被定位設(shè)備在室內(nèi)的精確位置。
[0021]如圖3所示為第一種無時鐘同步信號聲波方法中聲波信號傳播的過程，固定設(shè)備發(fā)送的聲波信號經(jīng)過Tl時間后，由被定位設(shè)備收到，再經(jīng)過Δ T時間，被定位設(shè)備發(fā)送聲波信號，再經(jīng)過Tl時間由固定設(shè)備接收。被定位設(shè)備將整個聲波信號接收完畢后處理再發(fā)送出去，所以接收和發(fā)送的聲波中間沒有重疊。
[0022]在本發(fā)明的另一個實施例中，當新增設(shè)備進入多媒體設(shè)備群的識別范圍時，首先由主設(shè)備與新增設(shè)備之間進行身份驗證，可以避免外部未經(jīng)授權(quán)設(shè)備的接入。
[0023]實施例三
和實施例二相類似，不同的是被定位設(shè)備進入室內(nèi)后發(fā)送指令信號和定位信號，固定設(shè)備1、固定設(shè)備2、固定設(shè)備3收到該聲波信號后，固定設(shè)備在一個預先約定的hold時間Δ T后再將信號發(fā)回給移動設(shè)備，固定設(shè)備發(fā)回的信號包含指令信號和定位信號，指令信號包含固定設(shè)備的ID和固定設(shè)備的hold時間。移動設(shè)備計算后得到與各固定設(shè)備之間的距離信息，根據(jù)該距離信息可以計算出移動設(shè)備在房間內(nèi)的精確位置。
[0024]如圖4所示為第三種無時鐘同步的聲波定位方法中聲波信號傳播的過程。定位信號具有約定的頻率，或者幅度，或者約定的發(fā)送周期個數(shù)，或者約定的發(fā)送時間間隔，ID編碼包括地址編碼或者超聲編碼或者設(shè)備用戶名稱。另外，多媒體設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。
[0025]依據(jù)本發(fā)明的聲波精確定位方法可以在有效距離為0-10米內(nèi)精確定位進入該室的多媒體設(shè)備，精度最高可達到半個采樣周期對應(yīng)的聲波傳播距離(96000Hz時小于2mm)。
[0026]以上實施方式只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所做的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法，其特征在于:所述的多媒體設(shè)備具有聲波發(fā)射單元、聲波接收單元以及唯一的ID編碼，所述的多媒體設(shè)備群包括至少兩臺相對位置確定的多媒體設(shè)備，并且指定其中一臺設(shè)備為主設(shè)備，當新增設(shè)備進入多媒體設(shè)備群的識別范圍時，主設(shè)備控制設(shè)備群中的每臺設(shè)備依序先后與新增設(shè)備之間進行定位，定位時第一方首先通過聲波發(fā)射單元發(fā)送帶有該設(shè)備的ID編碼的定位信號并記錄時刻T'，第二方通過信號接收單元接收到該帶有ID編碼的定位信號時處理時間Δ T、并通過聲波發(fā)射單元將接收到的定位信號發(fā)送至第一方，第一方接收到該定位信號時記錄時刻T"，通過傳播時間(T" - T' -ΔΤ)/2計算新增設(shè)備與設(shè)備群中每個設(shè)備之間的距離信息，并在設(shè)備群內(nèi)共享該距離信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法，其特征在于:所述的ID編碼包括地址編碼或者超聲編碼或者設(shè)備用戶名稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法，其特征在于:所述的聲波發(fā)射單元包括揚聲器部件，所述的聲波接收單元包括麥克風部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法，其特征在于:當新增設(shè)備進入多媒體設(shè)備群的識別范圍時，首先由主設(shè)備與新增設(shè)備之間進行身份驗證。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法，其特征在于:所述的定位信號具有約定的頻率，或者幅度，或者約定的發(fā)送周期個數(shù)，或者約定的發(fā)送時間間隔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲波的多媒體設(shè)備群對新增設(shè)備的免同步定位方法，其特征在于:多媒體設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過有限網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。
【文檔編號】G01S5/30GK104515972SQ201410845736
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月31日
【發(fā)明者】竇新玉, 申立琴 申請人:蘇州觸達信息技術(shù)有限公司