基于超声波的室内定位系统

  

1.   系统概述 

  移动设备,比如智能手机和平板电脑为基于位置的服务(LBSs, location-based services)提供了无数的可能性,这需要研究和开发定位和跟踪系统。由于全球导航卫星系统(GNSS)提供了可靠的定位,其定度精度可达到几米的范围,室外的LBSs得到了迅猛的发展。但是,这些业务在室内的工作性能很差,并且没有充分成熟的技术来解决移动设备上室内精细的定位。相反地,人们有几乎90%以上的时间花费在室内环境中。相比于其他传统的专用定位硬件设备,使用智能手机或其他移动设备极大的增强了基于位置的服务,包括允许用户互动,增强现实应用,一系列能丰富基于位置用户体验的多媒体业务或社交网络。具体应用包括 

  建筑物导航(比如机场,医院,工厂,大型商场,等),有关文化旅游的增强现实,游戏,及提供目标广告或定制化服务的移动模式等。 

  现有的系统主要使用基于射频(RF)的方法和声波信号用于室内移动设备的定位。一般而言,基于RF的定位系统的定位精度为米级,而基于声波的定位系统可达到厘米级甚至毫米级精度。然而,传统的超声波定位系统需要专用的杨声器,麦克风,和信号获取硬件,与目前的移动设备不兼容。 

  下面给出一种基于超声波的移动设备室内定位方法,移动设备能根据来自室内不同位置的多个杨声器的信号确定自身的3维位置信息,其定位精度可达到厘米级,能满足大多数移动设备室内定位的精度需求。 

2.   室内定位方案描述 

  关于移动终端定位的问题,大多数经典的定位系统依赖于声源与移动终端之间声波传输时差的估计。而且,大多数相关的数学模型归纳到最小二乘(LS)问题,其目的是将未知的变量(比如移动手机的3-D位置)与估计的到达时间(或到达时差)相匹配。 

  针对在已知位置放置若干可控扬声器的室内环境,其中各扬声器周期性地发送特定的伪随机噪声(移动设备已知),移动设备可利用来自各杨声器器的声波信号确定其自身的空间位置。而且,移动设备与扬声器之间不进行同步(除了定位工具在特定的环境中首次开启时将扬声器的位置导入到移动设备中之外)。该方案依赖于到达时间的估计,或到达时差的估计。从移动设备的角度看,由于移动设备无源工作,除了位置计算需要消耗能量外,没有其他能量消耗了。因此,这类定位方案的能量消耗小。而且,在室内定位中,使用额外的扬声器具有如下优点: 

     (1)扬声器能更好地覆盖一个所需的空间区域,且其位置可精确地测量并存储下来; 

     (2) 移动设备可相互独立,故无需相互通信,或最小数量的移动设备; 

     (3) 辐射受控制的信号带来了专用性,既然只有那些知道所有扬声器位置和探测信号的移动设备才能使用该系统; 

     (4) 扬声器位置不随时间而变化。 

 

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