[发明专利]一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位系统及定位方法

权利要求书

1.一种利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，该方法基于室内定位系统来实现，其特征在于，所述系统包括智能移动终端、信标节点、服务器以及局域网，其中：

所述的智能移动终端上安装有用户端定位软件，该软件包括惯性导航模块、声信号定位模块及定位信息融合模块；所述的惯性导航模块通过对用户进行步伐检测、步长估计、运动方向估计及运动速度估计来获得惯性导航定位信息；所述的声信号定位模块通过智能移动终端自带的扬声器，发射调制声信号，并接收来自局域网的声信号定位信息；所述的定位信息融合模块用于对所述的惯性导航定位信息和声信号定位信息进行异步信息融合，获得更加准确的定位信息；

所述的信标节点数量至少为3个，所述的信标节点包括麦克风、微处理器、A/D芯片、SD卡、无线通信模块及电源模块，用于监测和采集所述的智能移动终端发出的调制声信号，对该调制声信号进行到达时刻估计，并将估计结果通过局域网传输至服务器；

所述的局域网用于传输系统运行指令、各信标节点到达时刻估计结果及声信号定位信息；

所述的服务器安装上位机软件，通过发出系统运行指令控制系统运行，并接收来自各信标节点的到达时刻估计结果，进而计算到达时间差，并利用基于最小二乘的到达时间差定位算法，获得声信号定位信息，并通过局域网将所述的声信号定位信息传送至用户智能移动终端；

该方法包括以下步骤：

步骤1：布设各信标节点，并建立室内相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；搭建局域网，将各信标节点、用户智能移动终端和服务器加入局域网；服务器通过局域网向各信标节点广播系统运行指令；

步骤2：用户在静止状态下，打开智能移动终端的用户端定位软件，运行声信号定位模块，进行1次声信号定位，并将该次声信号定位的位置信息，作为用户起始位置；

步骤3：用户端定位软件的惯性导航模块以固定频率采集智能移动终端内置传感器的数据，通过加速度数据检测用户是否开始运动；当检测到用户开始运动时，对用户进行惯性导航定位，同时声信号定位模块开始以固定频率进行声信号定位；

步骤4：用户端定位软件的定位信息融合模块根据声信号定位结果与惯性导航定位结果进行异步信息融合，得到待定位点的最终位置，并将其作为下一次惯性导航定位的初始位置；

所述步骤1中服务器通过局域网向信标节点广播系统运行指令的具体过程如下：

各信标节点在接收到系统运行指令后，进行时钟同步，将本地计时器中的数值置零；打开麦克风开始采集声信号，并开启信号处理流程，对智能移动终端发射的调制声信号进行识别、到达时刻估计；各信标节点将本机ID、到达时刻及本地时间戳封装成数据帧，并把采集到的原始数据存储至本地SD卡；

所述步骤2、步骤3中声信号定位方法如下：

所述的智能移动终端发射调制声信号，并记录调制发射声信号的时刻t₁；各信标节点对智能移动终端发射的调制声信号进行识别、到达时刻估计,将由本机ID、声信号到达时刻及本地时间戳封装成的数据帧通过局域网发送至服务器；

服务器的上位机软件通过接收的各信标节点所得到的目标到达时刻估计及时间戳信息，进而计算到达时间差，并利用基于最小二乘的到达时间差定位算法对智能移动终端进行定位，获得声信号定位信息；服务器通过局域网，将所述的声信号定位信息发送至用户智能移动终端；

智能移动终端通过局域网接收到来自服务器的声信号定位信息；

所述步骤4中异步信息融合方法如下：

声信号定位模块接收到声信号定位信息时，设下一次接收到惯性导航定位信息的时刻为t₂，并将所述的t₁时刻至t₂时刻内用户运动近似为匀速直线运动，其中运动速度、运动方向由惯性导航定位方法估算得到，从而对声信号定位信息进行延时补偿，获得t₂时刻声信号定位信息；将该时刻声信号定位信息与该时刻惯性导航定位信息进行比较，判断声信号定位信息是否由于遮挡而存在严重误差，若存在严重误差则舍弃声信号定位信息，反之则进一步使用粒子滤波算法融合声信号定位信息与惯性导航定位信息，从而获得t₂时刻用户位置信息。

2.如权利要求1所述的利用声信号与惯性导航融合的室内定位方法，其特征在于，所述的智能移动终端为具有惯性测量元件、扬声器模块、无线通信模块和微处理器的通用智能设备。