本發明涉及無線定位，特別涉及一種基于聲波信號的室內空間定位系統及方法。

背景技術：

1、隨著全球定位系統和北斗衛星導航系統的廣泛應用，室外定位導航技術在精度和時效性方面已取得顯著進展，然而，室內空間由于受到建筑物結構的遮擋，衛星信號無法有效穿透，導致傳統的衛星定位手段在室內環境中難以發揮其應有的作用。因此，開發一種高效、可靠的室內空間定位技術成為了當前研究的熱點。

2、現有的室內定位技術中，5g+北斗定位技術是一種較為先進的技術方案。該技術通過在室內空間部署5g基站和室內模擬衛星，利用終端和基站之間精確的時間同步，相互發送定位信號，并通過時間差計算位置。然而，這種技術存在一些明顯的不足之處。首先，5g基站和模擬衛星的部署過程較為復雜，需要大量的基礎設施建設和設備安裝，系統的建設成本和維護難度較高。其次，用戶定位終端需要在精確時間同步的前提下兼容5g和北斗定位信號，這對其性能提出了較高的要求，限制了其在普通消費級設備上的應用。

3、此外，現有的室內定位技術大多依賴于高頻信號的傳輸，如wi-fi、藍牙或超聲波等。這些技術雖然在一定程度上能夠實現室內定位，但存在覆蓋范圍有限、信號干擾嚴重、定位精度不高等問題。例如，超聲波定位系統雖然能夠實現較高的定位精度，但其覆蓋范圍較小，且容易受到環境噪聲的干擾，難以在大型室內空間中廣泛應用。針對現有技術的不足，本技術提出了一種基于聲波信號的室內空間定位系統及方法。

技術實現思路

1、技術目的

2、為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種基于聲波信號的室內空間定位系統及方法。該系統及方法利用近超聲頻段的聲波信號進行定位，避免了傳統室內定位技術中需要精確時間同步的問題，同時降低了對終端設備性能的要求。此外，本發明的聲波基站覆蓋范圍大，能夠實現更廣泛的室內空間定位，且支持智能手機等泛用性通信設備，具有較高的經濟性。通過本發明，能夠在室內環境中實現高效、準確的定位，為室內導航、智能物流、人員管理等領域提供一種全新的解決方案。

3、技術方案

4、為了實現上述目的，本發明提供一種基于聲波信號的室內空間定位系統及方法，旨在解決現有室內定位技術部署復雜、需要時間同步以及對終端設備要求高的問題。該系統及方法通過在室內空間布置聲波基站陣列，以等距陣列的形式分布并發射固定強度的聲波信號，移動設備在接收聲波信號后通過時間差定位方法計算自身位置，無需與基站進行時間同步，最后將計算結果上傳以實現實時定位和地圖展示，具有簡化部署、降低終端要求和高精度定位等優點。

5、第一方面，本發明提供了一種基于聲波信號的室內空間定位系統，包括：

6、移動設備，用于發起定位請求，并呈現空間定位地圖；

7、發聲模塊，用于發射固定定位周期的近超聲聲波，由用于生成固定頻率區間與固定強度聲波的聲波基站陣列組成；

8、聲波分析模塊，用于接收聲波信號，并將所述聲波信號通過tdma、fdma和cdma編碼方式轉化為能夠被管理平臺識別的碼字，所述碼字包含移動設備信息，聲波信號的頻率、強度和接收時間；

9、管理平臺，用于根據所述移動設備發起的定位請求控制所述發聲模塊發射聲波信號，并接收和處理定位數據。

10、進一步的，所述聲波基站陣列以其中一個聲波基站為坐標原點，其他基站按照等距陣列的形式分布在坐標系中，每個聲波基站的固定頻率唯一且發射的聲波信號強度相同。

11、進一步的，所述聲波信號的頻率區間為19khz-23khz。

12、進一步的，根據聲波頻率及強度篩選確定頻段點所在正方形區域內的聲波基站發出聲波信號。

13、進一步的，所述移動設備部署有配套的定位軟件，用于處理接收到的聲波信號并根據處理結果輸出所述移動設備的位置坐標。

14、進一步的，所述定位軟件通過以下公式計算所述移動設備的位置坐標：

15、

16、

17、式中，和分別為移動設備的橫縱坐標；和分別為聲波基站a的橫縱坐標；和分別為聲波基站b的橫縱坐標；和分別為聲波基站c的橫縱坐標；為移動設備與聲波基站a、b的距離差；為移動設備與聲波基站a、c的距離差。

18、進一步的，通過迭代法、牛頓法或最小二乘法對移動設備位置坐標的計算公式進行解析。

19、進一步的，所述管理平臺根據移動設備的位置坐標在空間定位地圖上進行轉碼定位。

20、該方法無需復雜的基礎設施建設，顯著降低了系統的部署難度和成本；無需移動端與基站進行時間同步，大幅降低了對終端設備的性能要求，使得泛用性通信設備能夠直接支持定位功能，提高了系統的通用性和適用性。

21、進一步的，所述移動設備配備有慣性傳感器，用于在聲波信號短暫丟失的情況下通過慣性導航保持定位精度，根據接收到的聲波信號進行坐標定位，通過卡爾曼濾波器對經過去噪、濾波等預處理操作后的慣性傳感器數據進行融合，估計移動設備的位移和姿態變化，所述卡爾曼濾波器的計算公式為：

22、

23、

24、式中，為基于第時刻測量值更新的位置向量；為基于第時刻信息預測的位置向量；為第時刻的卡爾曼增益矩陣；為第時刻的測量向量；為測量矩陣；為基于第時刻測量值更新的位置協方差矩陣；為基于第時刻信息預測的位置協方差矩陣；為與位置向量維度一致的單位矩陣。

25、慣性傳感器提供的連續的運動信息，可以有效減少聲波信號的誤差，提高定位精度；慣性傳感器不受聲波信號干擾的影響，即使在聲波信號丟失或嚴重干擾的情況下，仍然可以提供相對準確的位置信息，提高系統在復雜環境中的抗干擾能力。

26、進一步的，所述系統還包括多層感知機模塊，用于通過學習聲波信號與空間位置之間的關系進行預測性空間定位，具體包括：接受來自多個已知未知的聲波基站的聲波信號，對聲波信號進行標注，作為訓練數據集；對聲波信號的特征進行提取，與聲波基站坐標進行結合，作為訓練多層感知機模型的輸入數據；構建多層感知機模型，將輸入數據輸入至多層感知機模型中，輸出預測位置信息。

27、通過學習聲波信號特征與位置坐標之間的復雜非線性關系，從而提高定位精度，且能夠處理包含噪聲的聲波信號，使得系統具備一定的魯棒性，即使處于信號質量較差的情況下，也能通過多層感知機的非線性擬合能力，提供相對準確的定位結果。

28、第二方面，本發明還提供一種基于聲波信號的室內空間定位方法，所述方法基于前述第一方面所述系統，包括：

29、移動設備發起定位請求；

30、管理平臺根據移動設備發起的定位請求控制發聲模塊發射固定定位周期的近超聲聲波；

31、聲波分析模塊將近超聲聲波通過編碼方式轉化為能夠被管理平臺識別的碼字；

32、移動設備根據接收到的聲波信號時間差計算自身位置坐標；

33、管理平臺接收并處理移動設備上傳的定位數據，并輸出定位結果。

34、第三方面，本發明還提供了一種計算機設備，包括管理平臺和存儲器，所述管理平臺與所述存儲器相連，所述存儲器用于存儲計算機程序，所述管理平臺用于執行所述存儲器中存儲的計算機程序，以使得所述計算機設備執行實現前述所述基于聲波信號的室內空間定位方法中的至少一個步驟。

35、第四方面，本發明還提供了一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質中存儲有計算機程序，所述計算機程序被管理平臺執行時實現前述所述基于聲波信號的室內空間定位方法中的至少一個步驟。

36、本發明通過在室內空間布置聲波基站陣列，以等距陣列的形式分布并發射固定強度的聲波信號，移動設備在接收聲波信號后通過時間差定位方法計算自身位置，最后將計算結果上傳以實現實時定位和地圖展示。該系統及方法的應用場景廣泛，能夠在室內環境中實現高效、準確的定位，為室內導航、智能物流、人員管理等領域提供一種全新的解決方案。

37、有益效果

38、通過實施上述本發明提供的一種基于聲波信號的室內空間定位系統及方法，具有以下技術效果：

39、(1)本發明通過在室內空間布置聲波基站陣列，以等距陣列的形式分布并發射固定強度的聲波信號，移動設備在接收聲波信號后通過時間差定位方法計算自身位置。無需復雜的基礎設施建設，顯著降低了系統的部署難度和成本；無需移動端與基站進行時間同步，大幅降低了對終端設備的性能要求，使得泛用性通信設備能夠直接支持定位功能，提高了系統的通用性和適用性；由于聲波信號的傳播速度相對穩定，且每個基站的頻率和位置已知，該方法能夠實現較高的定位精度，滿足室內導航、人員定位等應用場景的需求。

40、(2)配備有慣性傳感器，用于在聲波信號短暫丟失的情況下通過慣性導航保持定位精度，通過卡爾曼濾波器將聲波定位信息與慣性傳感器數據相結合。慣性傳感器提供的連續的運動信息，可以有效減少聲波信號的誤差，提高定位精度；慣性傳感器不受聲波信號干擾的影響，即使在聲波信號丟失或嚴重干擾的情況下，仍然可以提供相對準確的位置信息，提高系統在復雜環境中的抗干擾能力。

41、(3)通過學習聲波信號與空間位置之間的關系進行預測性空間定位。通過學習聲波信號特征與位置坐標之間的復雜非線性關系，從而提高定位精度，且能夠處理包含噪聲的聲波信號，使得系統具備一定的魯棒性，即使處于信號質量較差的情況下，也能通過多層感知機的非線性擬合能力，提供相對準確的定位結果。