專利名稱：無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著無線移動(dòng)設(shè)備的普及，很多以情境感知(context-aware)為基礎(chǔ)的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。在這些應(yīng)用所依據(jù)的情境中，位置往往是最重要的因素之一，例如在環(huán)境監(jiān)測(cè)中需要知道采集環(huán)境信息的具體位置；在戰(zhàn)場(chǎng)上需要知道敵方人員和裝備移動(dòng)的區(qū)域；在煤礦管理中需要知道事故發(fā)生的確切地點(diǎn)等等。在這些應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)者常常使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測(cè)事件。在這種情況下，要想得到監(jiān)測(cè)事件發(fā)生的位置，首先要知道傳感器節(jié)點(diǎn)自身的地理位置。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)往往布置在受限制或較危險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)，如核輻射區(qū)域，戰(zhàn)場(chǎng)或深山等，因此人們通常隨機(jī)布放傳感器節(jié)點(diǎn)，并讓這些節(jié)點(diǎn)以自組織的方式協(xié)調(diào)工作。常見的例子是用飛機(jī)將傳感器節(jié)點(diǎn)撒播到指定區(qū)域中。隨機(jī)播放的節(jié)點(diǎn)無法事先得知自己的位置，因此必須實(shí)現(xiàn)在布放后自行定位。傳感器網(wǎng)絡(luò)中最初有少量節(jié)點(diǎn)是已知自身位置的，這種節(jié)點(diǎn)被稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(beacon)，它們往往攜帶有某些特殊設(shè)備，如GPS等，用于得知自身位置。對(duì)于一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的定位，就是根據(jù)這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，按照某種定位機(jī)制實(shí)現(xiàn)。迄今為止，研究者們已提出了多種定位方法，這些方法大致可以分為基于距離的和距離無關(guān)的兩類。前者需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的絕對(duì)距離或方位，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置；后者無需得到節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或方位，而是使用估計(jì)值。這兩類方法中，基于距離的方法能達(dá)到更高的精度，具有廣泛的應(yīng)用?；诰嚯x的方法包括基于到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival, T0A)的定位，基于到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival,TD0A)的定位和基于接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength, RSS)的定位。這些方法運(yùn)用不同的測(cè)距手段，其中TOA和TDOA具有更好的精度。 但這兩種方法都需要對(duì)兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)上的時(shí)間戳(time stamp)進(jìn)行相互運(yùn)算，因此要求網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘保持高度一致通過某種機(jī)制使各節(jié)點(diǎn)原本異步的本地時(shí)鐘趨向一致的過程，被稱為時(shí)間同步(time synchronization)，這是TOA和TDOA方法中不可缺少的一個(gè)步驟。為使時(shí)間同步的誤差更小，開銷更低，研究者們從簡單的方法開始， 不斷改進(jìn)時(shí)間同步的算法。現(xiàn)在常用的同步方法有參考廣播同步(Reference BroadcastSynchronization, RBS)，傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議(Timing-sync Protocol forSensor Networks, TPSN), ^ g |1]同& 十辦議(the Flooding Time SynchronizationProtocol, FTSP)和梯度時(shí)間同步協(xié)議(the Gradient Time Synchronization Protocol,GTSP)等。一般來說，時(shí)間同步是通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間一系列的信息交換來完成的。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生出自己的時(shí)間戳并將其發(fā)送到另一節(jié)點(diǎn)以尋求同步時(shí)，攜帶時(shí)間戳的發(fā)送包往往會(huì)在到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)前遭遇延遲。這種延遲使得兩個(gè)節(jié)點(diǎn)難以精確地對(duì)準(zhǔn)它們的時(shí)鐘。Fikret等人曾經(jīng)將這種延遲大致分為以下幾個(gè)部分
(1)發(fā)送時(shí)間。即在發(fā)送端產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送包的時(shí)間。(2)進(jìn)入時(shí)間。發(fā)送包被傳輸前，在介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control,MAC) 子層停留的時(shí)間。(3)傳播時(shí)間。發(fā)送包從離開發(fā)送端到抵達(dá)接收端的時(shí)間。(4)接收時(shí)間。接收到包后，接收端還需要經(jīng)過一個(gè)解碼的過程，并將解碼后的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)的更上層。一些同步算法可以去掉其中的一或兩項(xiàng)延遲，但不能將所有延遲都消除。即使有一種方法能消除所有的延遲，由于時(shí)鐘漂移(clock skew and drifting)的存在，時(shí)間同步仍然需要被多次執(zhí)行，這樣就大大增加了系統(tǒng)的開銷?？梢姡瑫r(shí)間同步引進(jìn)了額外的通信開銷，耗費(fèi)了傳感器節(jié)點(diǎn)原本有限的能量，并且留下的時(shí)間誤差足以給使用高速信號(hào)(如射頻信號(hào))的定位系統(tǒng)帶來很大的距離誤差，從而使定位精度顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)已有的定位系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步存在依賴，而時(shí)間同步本身會(huì)帶來誤差和額外開銷的問題，本發(fā)明提出了一種基于TD0A，但無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)和方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)，包括待定位節(jié)點(diǎn)，對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)；兩個(gè)以上的接收器，分為基準(zhǔn)接收器和信標(biāo)接收器兩種，錄制所述待定位節(jié)點(diǎn)發(fā)出的聲源信號(hào)以及所述基準(zhǔn)接收器對(duì)外發(fā)出的后繼聲源信號(hào)，并將錄制結(jié)束后的錄音數(shù)據(jù)輸出給服務(wù)器；服務(wù)器，接收各接收器輸出的錄音數(shù)據(jù)，并依據(jù)該錄音數(shù)據(jù)計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的位置并將其顯示在服務(wù)器界面上；以及，無線AP，構(gòu)建所述待定位節(jié)點(diǎn)，接收器和服務(wù)器組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)。特別地，所述接收器由喇叭，麥克風(fēng)和無線連接器構(gòu)成。特別地，所述的服務(wù)器包括通信和收發(fā)數(shù)據(jù)模塊以及數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模塊；其中，所述通信和收發(fā)數(shù)據(jù)模塊，用于向接收器發(fā)送控制指令，以及接收各接收器輸出的錄音數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模塊，用于分析傳送到服務(wù)器的錄音數(shù)據(jù)，通過相關(guān)計(jì)算和取峰值的計(jì)算得到TDOA和最終定位結(jié)果。本發(fā)明所述無需時(shí)間同步的聲音定位方法，包括以下步驟(1)接收器錄音開始，待定位節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)；(2)基準(zhǔn)接收器t’時(shí)刻對(duì)外發(fā)出后繼聲源信號(hào)；(3)錄音結(jié)束后，接收器將錄制的聲源信號(hào)和后繼聲源信號(hào)組成的錄音數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器；(4)服務(wù)器接收到錄音數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)^ ο其中，步驟(4)包括以下幾個(gè)步驟4. 1服務(wù)器接收到錄音數(shù)據(jù)后，基于采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)的方法查找出聲源信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)i，以及后續(xù)聲源信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)j，并計(jì)算出此接收器的TD2S值；4. 2基于多數(shù)決定的方法，去除異常地TD2S值；4. 3依據(jù)TD2S值計(jì)算TDOA值；4. 4由TDOA值計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果。進(jìn)一步地，步驟4. 2中所述的多數(shù)決定的方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下4. 2. 1設(shè)接收器A與接收器B均錄制了待定位節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)和基準(zhǔn)接收器t’時(shí)刻對(duì)外發(fā)出后繼聲源信號(hào)；4. 2. 2分別計(jì)算出接收器A和接收器B的TD2S值，并建立接收器A和接收器B的 TD2S值關(guān)系式I Δ TDI = I TD2Sa-TD2Sb | 彡 2dAB/V ；4. 2. 3設(shè)各接收器之間的最大距離為D，則有| ΔΤΙ)|彡2D/V ；4. 2. 4將所有接收器的TD2S值組成一個(gè)集合S ；4. 2. 5假設(shè)大部分接收器的TD2S值均是正確的，將集合S中的元素分為以下三類一類該類中任意兩個(gè)元素a，b，均有I a-b | < 2D/V。二類該類中任意一元素c和(1)類中的任意一元素d，均有|c-d| >2D/V。三類其他元素；4. 2. 6設(shè)二類元素均為異常值。進(jìn)一步地，步驟4. 3具體實(shí)現(xiàn)如下4. 3. 1若C為基準(zhǔn)接收器，D為信標(biāo)接收器，則聲源信號(hào)S分別于ta和tD1到達(dá)C 和D，C在t。3時(shí)刻從喇叭發(fā)出后繼聲源信號(hào)S’，然后S’分別在、4和tD3時(shí)刻到達(dá)C和D， 得出TD2SC = tc4-tcl, TD2Sd = tD3_tD1對(duì)C和D之間的TDOA值有TDOAcd = tcl_tD1 = dCD/V-TD2SD+TD2Sc-dcc/V其中，dm和分別代表C的喇叭到D的麥克風(fēng)之間的距離和C的喇叭到C的麥克風(fēng)之間的距離，V為該場(chǎng)景下聲音在空氣中的傳播速度V = 331. 3+0. 6*theta，其中theta 是該場(chǎng)景下的溫度；4. 3. 2若C，D均不是基準(zhǔn)接收器，則C和D之間的TDOA值有TD0Am = TD0AeE-TD0ADE，其中，TDOAce為C與基準(zhǔn)接收器E之間TDOA值，其計(jì)算方法同步驟4. 3. 1， TDOAde為D與基準(zhǔn)接收器E之間TDOA值，其計(jì)算方法同步驟4. 3. 1。本發(fā)明所述無需時(shí)間的聲音定位系統(tǒng)及方法具有如下幾點(diǎn)有益效果一、無需時(shí)間同步。本發(fā)明通過去除這一在其他TDOA方法中所必須的步驟，從根本上改變了 TDOA方案，而且避免了很多由時(shí)間同步引起的誤差。二、高定位精度。在采用44. IkHz采樣頻率的前提下，本發(fā)明能夠獲得0. 023ms的時(shí)間精度，在這種時(shí)間精度下能獲得很高的定位精度。根據(jù)在一個(gè)9m*9m*^i的3D區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)能夠獲得10 20cm的精度，這能夠滿足大量應(yīng)用的需求。三、本發(fā)明可以部署在商用的現(xiàn)成(Commercial off-the-shelf，COTS)設(shè)備上，如手機(jī)，PDA, MP3播放器等。這使得本發(fā)明的系統(tǒng)更加易用，部署成本更低，易于推廣。


圖1為本發(fā)明所述無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和B的典型時(shí)間序列示意圖；圖3為一典型的信號(hào)求相關(guān)的結(jié)果示意圖；圖4為本發(fā)明多環(huán)境實(shí)驗(yàn)2D場(chǎng)景各節(jié)點(diǎn)的布放圖；圖5為本發(fā)明多環(huán)境實(shí)驗(yàn)3D場(chǎng)景各節(jié)點(diǎn)的布放圖；圖6為3D場(chǎng)景各節(jié)點(diǎn)在xy平面上的投影圖；圖7為3D場(chǎng)景各節(jié)點(diǎn)在yz平面上的投影圖；圖8為本發(fā)明2D場(chǎng)景中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的異常點(diǎn)數(shù)量示意圖；圖9為本發(fā)明3D場(chǎng)景中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的異常點(diǎn)數(shù)量示意圖；圖10為本發(fā)明2D場(chǎng)景中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定位誤差的累計(jì)分布圖；圖11為本發(fā)明3D場(chǎng)景中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定位誤差的累計(jì)分布圖；。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)描述。本發(fā)明的基本系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包含的硬件有一個(gè)待定位節(jié)點(diǎn)，無線AP 2，一臺(tái)作為服務(wù)器的筆記本3和幾個(gè)接收器1。其中，所述的幾個(gè)接收器1分為信標(biāo)接收器和基準(zhǔn)接收器。所述基準(zhǔn)接收器和所述信標(biāo)接收器，被部署在已知的確定位置。所述待定位節(jié)點(diǎn)的位置待求。本發(fā)明所述無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)各部件的工作原理如下待定位節(jié)點(diǎn)，對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)；接收器，分為基準(zhǔn)接收器和信標(biāo)接收器兩種，錄制所述待定位節(jié)點(diǎn)發(fā)出的聲源信號(hào)以及所述基準(zhǔn)接收器對(duì)外發(fā)出的后繼聲源信號(hào)，并將錄制結(jié)束后的錄音數(shù)據(jù)輸出給服務(wù)器；服務(wù)器，接收所述信標(biāo)接收器輸出的錄音數(shù)據(jù)，并依據(jù)該錄音數(shù)據(jù)計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的位置并將其顯示在服務(wù)器界面上；無線AP，構(gòu)建所述待定位節(jié)點(diǎn)，基準(zhǔn)接收器，信標(biāo)接收器和服務(wù)器構(gòu)成的無線局域網(wǎng)絡(luò)。其中，所述的接收器都有一套基本的硬件，包括喇叭，麥克風(fēng)，無線連接器(如藍(lán)牙或WiFi)。這些接收器通過無線AP與所述服務(wù)器構(gòu)成了一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)工作的流程大致為接收器錄音開始= >待定位節(jié)點(diǎn)發(fā)聲=>基準(zhǔn)接收器發(fā)聲=>接收器錄音結(jié)束= >接收器將錄音文件發(fā)送給服務(wù)器=>服務(wù)器處理數(shù)據(jù)，得出待定位節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果。本發(fā)明所述無需時(shí)間同步的聲音定位方法的具體步驟如下步驟1、接收器錄音開始，待定位節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)；步驟2、基準(zhǔn)接收器t’時(shí)刻對(duì)外發(fā)出后繼聲源信號(hào)；步驟3、錄音結(jié)束后，接收器將錄音數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器；步驟4、服務(wù)器接收到錄音文件后，對(duì)其進(jìn)行處理并計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)
4. 1服務(wù)器接收到錄音數(shù)據(jù)后，基于采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)的方法查找出聲源信號(hào)到達(dá)信標(biāo)接收器時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)i，以及后續(xù)聲源信號(hào)到達(dá)信標(biāo)接收器時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)j，并計(jì)算出此信標(biāo)接收器的TD2S值。圖2是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和B的典型時(shí)間序列(節(jié)點(diǎn)指的是基準(zhǔn)接收器或信標(biāo)接收器， 下同)。圖中，分別用tA1和tB1代表聲源S到達(dá)A和B的麥克風(fēng)的時(shí)間。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘完全一致，那么tB1-tA1就是A和B的TDOA值。但如果只做這種簡單的運(yùn)算，必然需要經(jīng)過時(shí)鐘同步的步驟。本發(fā)明采用TD2S來表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)從接收S起到接收S’為止經(jīng)過的時(shí)間。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，計(jì)算這個(gè)值都只牽涉到自身的時(shí)鐘，而不需要和其他的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的TD2S值和錨節(jié)點(diǎn)(即信標(biāo)接收器)的坐標(biāo)，即可計(jì)算出任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的TD0A。但是，聲音信號(hào)從到達(dá)麥克風(fēng)到被節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到仍然需要一段時(shí)間。這種情況下， tB2-tA2才是系統(tǒng)所計(jì)算的TDOA值，而、2-tA2和^1Iai通常是不相等的。為了消除這種不確定性，本發(fā)明使用了采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)的方法。因?yàn)楫?dāng)S和S’到達(dá)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)始終處于錄音狀態(tài)，并以一個(gè)確定的錄音頻率f對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采樣，所以，如果能夠找到這一段采樣數(shù)據(jù)中S到達(dá)節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)i，以及S’到達(dá)節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)j，就可以得出此節(jié)點(diǎn)的 TD2S值，即TD2S= (j_i)/f。顯然，設(shè)備的采樣頻率會(huì)影響到TD2S的精度，采樣頻率越高， 時(shí)間精度就越高。本發(fā)明采用的聲音采樣頻率是44. 1kHz，大多數(shù)COTS的設(shè)備都能達(dá)到這個(gè)頻率。那么，如何準(zhǔn)確地找出S和S’分別對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)呢？在這里，本發(fā)明采用了傳統(tǒng)的求相關(guān)(correlating)方法。這種方法只對(duì)可以預(yù)先進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的信號(hào)有效。因此， 在實(shí)驗(yàn)過程中，考慮到信號(hào)的自相關(guān)特性要求，采用了頻率范圍為2 6kHz，長度為50ms的 Linear chirp信號(hào)作為S，并將S’設(shè)定為與之相同。在理想情況下，相關(guān)結(jié)果如圖3所示， 前一個(gè)峰對(duì)應(yīng)的是S到達(dá)的時(shí)刻，后一個(gè)峰對(duì)應(yīng)S’的到達(dá)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于反射引起的多徑效應(yīng)(multi-path)和其他因素，兩個(gè)最高峰并不能分別代表S和S’。因此，本發(fā)明把取最高峰改為取最高峰前長為Qci的滑動(dòng)窗口內(nèi)最早的峰，Coci為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。可從高度和平均斜率上設(shè)定閾值，來判定一個(gè)點(diǎn)是否可以被算作峰。4. 2基于多數(shù)決定的方法，去除異常地TD2S值；經(jīng)步驟4. 1，得出了 TD2S值，但節(jié)點(diǎn)的錄音經(jīng)常是不穩(wěn)定的，聲源和節(jié)點(diǎn)間的障礙或背景噪音都可能導(dǎo)致有缺陷的錄音結(jié)果。由這種錄音文件得到的TD2S值就是一個(gè)異常值(outlier)。由于S的發(fā)出時(shí)間和發(fā)出地點(diǎn)都是未知的，因此很難預(yù)先給出一個(gè)TD2S應(yīng)在的范圍。本發(fā)明給出了一個(gè)多數(shù)決定的方法，來判定哪些值是異常值。假設(shè)聲源M在t時(shí)刻發(fā)出了 S信號(hào)，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)N在t’時(shí)刻發(fā)出了 S’信號(hào)，節(jié)點(diǎn)A 和B都記錄了這兩次發(fā)聲。那么A和B的TD2S滿足如下關(guān)系I Δ TDI = I TD2SA-TD2SB= ((t，+dM/v) - (t+dAM/v)) - ((t，+dBN/v) - (t+dBM/v))= I (dAN-dBN)-(dM-dBM) |/v彡|dAN-dBN|/v+|dM-dBM|/v
^ 2dAB/v假設(shè)D是所有節(jié)點(diǎn)之間的最大距離，那么對(duì)任意一對(duì)節(jié)點(diǎn)，都有I ΔΤΙ)| ^ 2D/V。所以，如果將所有節(jié)點(diǎn)的TD2S組成一個(gè)集合S，而集合中不存在異常值的話，集合中的最大元素和最小元素的差值將不大于2D/V。如果大部分節(jié)點(diǎn)的TD2S值都正確而少量節(jié)點(diǎn)的值錯(cuò)誤，那么S中的元素可以分為以下三類(1)該類中任意兩個(gè)元素a，b，均有I a-b | < 2D/V。(2)該類中任意一元素c和(1)類中的任意一元素d，均有I a-b | > 2D/V。(3)其他元素。這種情況下，可以認(rèn)為( 類元素都是異常值，并僅使用(1)類元素進(jìn)行下一步運(yùn)算。這種分類方式基于大部分TD2S都不是異常值的假設(shè)，這個(gè)假設(shè)十分接近事實(shí)。在實(shí)驗(yàn)中，這種分類和除去異常值的方法表現(xiàn)十分良好。4. 3依據(jù)TD2S值計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)的TDOA值；基于步驟4. 2得出正常的TD2S值(即誤差不足以使其成為異常值的各節(jié)點(diǎn)TD2S 值)進(jìn)一步得出任意兩節(jié)點(diǎn)的TDOA值。圖2是系統(tǒng)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和B的典型時(shí)間序列，其中A為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。在圖中，S分別于tA1和tB1到達(dá)A和B，A在tA3時(shí)刻從喇叭發(fā)出S，，然后 S，分別在tA4和tB3時(shí)刻到達(dá)A和B的麥克風(fēng)處。明顯地，TD2Sa = tA4-tA1,TD2SB = tB3-tB10 對(duì)A和B之間的TDOA值，使用以下方法求得TDOAab = tB1-tA1= (tB3-tA3)-(tB3-tB1) + (tA3-tA1) — (tB3_tA3) _ (tB3_tBi) + (tA4~tA1) _ (tA4_tA3)= dAB/V" (tB3"tB1) + (tA4"tA1) -dAA/V= dAB/V-TD2SB+TD2SA-dM/V其中，dAB和CIaa分別代表A的喇叭到B的麥克風(fēng)之間的距離和A的喇叭到A的麥克風(fēng)之間的距離。由于A和B的位置都是固定可測(cè)量的，所以這兩個(gè)值都是不變的；兩個(gè) TD2S值可以用前面提到的方法得出；V為該場(chǎng)景下聲音在空氣中的傳播速度，可通過公式V =331. 3+0. 6*theta來計(jì)算它，其中theta是該場(chǎng)景下的溫度。這樣就在異步的各節(jié)點(diǎn)上得出了 TDOA值。如果A和B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都不是基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，它們的TDOA值可以通過簡單的運(yùn)算得出， 公式為TD0Aab = TDOAac-TDOAbc,其中，TDOAac為A與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)C之間的TDOA值，TDOAbc為B 與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)C之間的TDOA值。4. 4由TDOA值計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果；運(yùn)用TDOA值得出位置，總的來說是一個(gè)解非線性方程組的過程。對(duì)應(yīng)的的方法有許多種，如直接解方程的方法，運(yùn)用Taylor公式的方法，分治的方法等。本發(fā)明經(jīng)過對(duì)這些算法的分析，選取了 Chan提出的一種算法，它在精確度和計(jì)算復(fù)雜性上取得了較好的平衡。這些算法一般要求節(jié)點(diǎn)至少有4個(gè)。Chan的算法首先用類似于Taylor展開的方法得出一個(gè)初始解，然后求誤差向量的協(xié)方差矩陣，并用此矩陣對(duì)初始解作進(jìn)一步的修正，得出最終結(jié)果，經(jīng)過理論分析，這種方法雖然只進(jìn)行了一次修正，但具有和多次迭代的Taylor展開方法相當(dāng)?shù)木取６?，它還可以根據(jù)聲源所處區(qū)域的不同，在靠近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域和遠(yuǎn)離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域分別采取不同的修正方法，使結(jié)果更加準(zhǔn)確，應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。經(jīng)過以上的步驟，本發(fā)明就由幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的錄音數(shù)據(jù)出發(fā)，最終計(jì)算出了聲源的位置，即待定位節(jié)點(diǎn)的位置。綜上所述，本發(fā)明所述無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)及方法主要使用了以下技術(shù)(1)雙信號(hào)感知。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，幾個(gè)時(shí)鐘不同的接收器對(duì)聲源信號(hào)S和基準(zhǔn)接收器發(fā)出的后繼信號(hào)S’進(jìn)行錄制。( 采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)。錄制結(jié)束后，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)每個(gè)接收器上這兩個(gè)信號(hào)之間的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，從而得出這兩個(gè)信號(hào)在每個(gè)接收器上的接收時(shí)間差。通過進(jìn)一步的分析和計(jì)算，可以得到源信號(hào)在不同接收器上的接收時(shí)間差，然后就可以用TDOA的原理計(jì)算位置。由于信號(hào)采樣一般能達(dá)到較高的頻率，因此時(shí)間差的計(jì)算能夠達(dá)到較高的精度。再加上系統(tǒng)避開了時(shí)間同步的誤差，因此本系統(tǒng)的定位能夠比較精準(zhǔn)。下面結(jié)合一具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)和方法進(jìn)行進(jìn)一步地說明。一、搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本實(shí)施例使用了 8個(gè)手機(jī)，其中6個(gè)Dopod手機(jī)是信標(biāo)接收器，用于錄音；一個(gè) SonyEricsson手機(jī)當(dāng)作待定位節(jié)點(diǎn)；一個(gè)02 XDA手機(jī)用作基準(zhǔn)接收器。將這8個(gè)手機(jī)，一臺(tái)PC和一個(gè)AP(Access Point)連接到一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)中，AP作為網(wǎng)絡(luò)的中心，將手機(jī)所記錄的錄音數(shù)據(jù)全部發(fā)送到PC上，并由PC作處理和計(jì)算，最終得出位置結(jié)果。在本實(shí)施例構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，之所以使用了多于4個(gè)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，一是因?yàn)檫@樣能保證在異常點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，可用的TD2S值仍然超過4個(gè)；二是因?yàn)楦嗟墓?jié)點(diǎn)也可以提高定位的精度。二、運(yùn)行定位程序軟件本實(shí)施例的系統(tǒng)軟件分為部署在服務(wù)器上的軟件和部署在接收器上的軟件兩部分。部署在服務(wù)器上的軟件主要起系統(tǒng)控制和處理數(shù)據(jù)的作用，部署在接收器上的軟件主要起控制錄音和發(fā)聲的作用。兩者都包含通訊模塊用于相互之間發(fā)送和接收指令。服務(wù)器上的軟件又分為兩個(gè)相互獨(dú)立的模塊通信和收發(fā)數(shù)據(jù)模塊以及數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模塊。所述通信和收發(fā)數(shù)據(jù)模塊，用于向各接收器發(fā)送控制指令，以及接收各接收器的錄音數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模塊，用于分析傳送到服務(wù)器的錄音數(shù)據(jù)，通過相關(guān)，取峰值的計(jì)算，得到TDOA和最終結(jié)果。部署在手機(jī)上的軟件和服務(wù)器的通信模塊均由Visual C++編程實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器器的計(jì)算模塊則由Matlab實(shí)現(xiàn)，并生成了可由通信模塊調(diào)用的COM組件。在一次完整的定位過程中，首先要將各接收器，AP和服務(wù)器PC都連接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，保證設(shè)備之間的互通；接著由服務(wù)器的使用者發(fā)布定位命令，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行所有接收器的錄音，聲源的發(fā)聲和錄音數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?，直至所有錄音?shù)據(jù)都被傳送到服務(wù)器；最后， 服務(wù)器調(diào)用計(jì)算模塊，結(jié)合各接收器的坐標(biāo)信息，對(duì)所有的錄音文件進(jìn)行分析，最終計(jì)算出聲源位置并將其顯示在服務(wù)器界面上。接下來，就可以開始下一次定位了。三、多環(huán)境實(shí)驗(yàn)
在上面介紹的具體步驟中，除了一些可以忽略的因素，如聲速的波動(dòng)等，仍然有一些因素能夠影響定位的精度。這主要包括(1)信號(hào)的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)在實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境噪聲總是會(huì)被記錄下來。如果傳輸信號(hào)的能量太弱，或者噪聲的頻率接近于傳輸信號(hào)的頻率，就會(huì)使系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)傳輸信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻。(2)多徑效應(yīng)由于聲音反射的存在，同一個(gè)聲音信號(hào)可能通過不同路徑幾次到達(dá)同一接收器。 雖然實(shí)驗(yàn)中采用了比較合理的選取第一個(gè)峰作為到達(dá)時(shí)間的方法，但是仍然可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。(3)解方程當(dāng)TDOA的誤差較小時(shí)，Chan的方法能夠獲得較高的精度。但是隨著誤差的增大， 這種方法的表現(xiàn)也越來越差。實(shí)驗(yàn)中，大多數(shù)TDOA的誤差都能保持在Ojms以下，Chan的方法在這種情況下能獲得較好的結(jié)果。但仍然有小一部分誤差是更大的，因此這時(shí)該方法就會(huì)帶來較大的誤差。根據(jù)上面對(duì)誤差來源的分析，在運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的2D和3D場(chǎng)景中，又將本實(shí)施例構(gòu)建的系統(tǒng)處于三種不同的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這三種環(huán)境分別為(1)戶外的安靜環(huán)境。(2)戶外的嘈雜環(huán)境。設(shè)置的位置與(1) 一樣，只是在旁邊放置了一個(gè)播放音樂的喇叭。(3)室內(nèi)的安靜環(huán)境。一個(gè)開闊的大廳，大小約為9m*9m*^i，環(huán)境較為安靜。此處為了表示簡單起見，分別使用“Normal”，“Noisy”和“Inside”指代(1)、(2) 和(3)這三種環(huán)境。設(shè)置這三種實(shí)驗(yàn)環(huán)境的目的是試圖揭示單個(gè)干擾因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在每種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，將聲源布放在16個(gè)不同的點(diǎn)上，并且在每個(gè)點(diǎn)上重復(fù)做10次采樣。因此，2個(gè)場(chǎng)景，3種環(huán)境中就共有960組錄音結(jié)果。2D和3D場(chǎng)景中，在各種環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)布放都是完全一樣的。2D場(chǎng)景的節(jié)點(diǎn)布放如圖4所示，3D場(chǎng)景的各節(jié)點(diǎn)的布放如圖5，6和7所示。其中，■代表不同的待定位節(jié)點(diǎn)發(fā)出聲源的位置， 代表接收器的位置。由于接收器的布放是對(duì)稱的，聲源位置只需占滿1/4的空間即可。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、異常點(diǎn)個(gè)數(shù)如果出現(xiàn)異常值的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在3D場(chǎng)景下超過2個(gè)，在2D場(chǎng)景下超過3個(gè)，就會(huì)得出一個(gè)誤差極大的定位結(jié)果。這樣的結(jié)果極大地增加了定位結(jié)果的平均誤差，基本無價(jià)值，而且很容易和其他結(jié)果區(qū)分開來的。因此，在計(jì)算定位的平均誤差時(shí)，會(huì)先將這些異常結(jié)果去除，然后計(jì)算剩余結(jié)果的均值。但是，為研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本實(shí)施例會(huì)記錄出現(xiàn)異常定位結(jié)果的個(gè)數(shù)。圖8，9分別顯示了 2D場(chǎng)景下和3D場(chǎng)景下異常的定位結(jié)果在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)量。 從圖中可以看出，2D場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)所得的異常結(jié)果比3D場(chǎng)景下要少得多，這說明更多的冗余節(jié)點(diǎn)能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、定位誤差
圖10，11分別描繪了在2D和3D場(chǎng)景下定位誤差的累計(jì)密度分布圖(cumulative density function)。其中，4 為“Normal ” 環(huán)境，5 為“Noisy” 環(huán)境，6 為“ Inside” 環(huán)境。表 1，表2記錄了定位誤差的均值和一些閾值。從圖表中可以看出，3D場(chǎng)景中定位的平均誤差為10 20cm，而2D的平均誤差為10 21cm。這說明本發(fā)明所述的系統(tǒng)在各種環(huán)境下都能獲得較好的精度。表1 2D定位誤差
權(quán)利要求
1.一種無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)，其特征在于，包括待定位節(jié)點(diǎn)，對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)；兩個(gè)以上的接收器，分為基準(zhǔn)接收器和信標(biāo)接收器兩種，錄制所述待定位節(jié)點(diǎn)發(fā)出的聲源信號(hào)以及所述基準(zhǔn)接收器對(duì)外發(fā)出的后繼聲源信號(hào)，并將錄制結(jié)束后的錄音數(shù)據(jù)輸出給服務(wù)器；服務(wù)器，接收各接收器輸出的錄音數(shù)據(jù)，并依據(jù)該錄音數(shù)據(jù)計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的位置并將其顯示在服務(wù)器界面上；以及，無線AP，構(gòu)建所述待定位節(jié)點(diǎn)，接收器和服務(wù)器組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)，其特征在于，所述接收器由喇口Λ，麥克風(fēng)和無線連接器構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的服務(wù)器包括通信和收發(fā)數(shù)據(jù)模塊以及數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模塊；其中，所述通信和收發(fā)數(shù)據(jù)模塊，用于向接收器發(fā)送控制指令，以及接收各接收器輸出的錄音數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模塊，用于分析傳送到服務(wù)器的錄音數(shù)據(jù)，通過相關(guān)計(jì)算和取峰值的計(jì)算得到TDOA和最終定位結(jié)果。
4.一種無需時(shí)間同步的聲音定位方法，其特征在于，包括以下步驟(1)接收器錄音開始，待定位節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)；(2)基準(zhǔn)接收器t’時(shí)刻對(duì)外發(fā)出后繼聲源信號(hào)；(3)錄音結(jié)束后，接收器將錄制的聲源信號(hào)和后繼聲源信號(hào)組成的錄音數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器；(4)服務(wù)器接收到錄音數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述無需時(shí)間同步的聲音定位方法，其特征在于，其中，步驟(4)包括以下幾個(gè)步驟·4. 1服務(wù)器接收到錄音數(shù)據(jù)后，基于采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)的方法查找出聲源信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)i，以及后續(xù)聲源信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)j，并計(jì)算出此接收器的 TD2S 值；·4. 2基于多數(shù)決定的方法，去除異常地TD2S值；·4. 3依據(jù)TD2S值計(jì)算TDOA值；·4. 4由TDOA值計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述無需時(shí)間同步的聲音定位方法，其特征在于，步驟4.2中所述的多數(shù)決定的方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下·4. 2. 1設(shè)接收器A與接收器B均錄制了待定位節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)和基準(zhǔn)接收器t’時(shí)刻對(duì)外發(fā)出后繼聲源信號(hào)；·4. 2. 2分別計(jì)算出接收器A和接收器B的TD2S值，并建立接收器A和接收器B的TD2S 值關(guān)系式Atd = TD2Sa-TD2Sb ( 2CU/V;·4. 2. 3假設(shè)各個(gè)接收器之間的最大距離為D，則有I ΔΤΙ)| ( 2D/V ；·4. 2. 4將所有接收器的TD2S值組成一個(gè)集合S ；·4. 2. 5假設(shè)大部分接收器的TD2S值均是正確的，將集合S中的元素分為以下三類一類該類中任意兩個(gè)元素a，b，均有|a_b| < 2D/V ；二類該類中任意一元素c和(1)類中的任意一元素d，均有|c-d| > 2D/V ；三類其他元素；·4. 2. 6設(shè)二類元素均為異常值。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述無需時(shí)間同步的聲音定位方法，其特征在于，步驟4. 3具體實(shí)現(xiàn)如下·4. 3. 1若C為基準(zhǔn)接收器，D為信標(biāo)接收器，則聲源信號(hào)S分別于ta和tD1到達(dá)C和D， C在tC3時(shí)刻從喇叭發(fā)出后繼聲源信號(hào)S’，然后S’分別在、4和tD3時(shí)刻到達(dá)C和D，得出 TD2SC — tc4~tcl j TD2Sd — tD3_tD1 對(duì)C和D之間的TDOA值有 TDOAcd = tcl-tD1 = dCD/V-TD2SD+TD2Sc-dcc/V其中，dCD和d。。分別代表C的喇叭到D的麥克風(fēng)之間的距離和C的喇叭到C的麥克風(fēng)之間的距離，V為該場(chǎng)景下聲音在空氣中的傳播速度V = 331. 3+0. 6*theta，其中theta是該場(chǎng)景下的溫度；·4. 3. 2若C，D均不是基準(zhǔn)接收器，則C和D之間的TDOA值有TD0Am = TDOAce-TDOAde, 其中，TDOAce為C與基準(zhǔn)接收器E之間TDOA值，其計(jì)算方法同步驟4. 3. 1，TDOAde為D與基準(zhǔn)接收器E之間TDOA值，其計(jì)算方法同步驟4. 3. 1。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無需時(shí)間同步的聲音定位系統(tǒng)及方法，主要是為了解決已有定位系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的依賴，且時(shí)間同步本身帶來的誤差和額外開銷的問題而設(shè)計(jì)。本發(fā)明包括待定位節(jié)點(diǎn)，對(duì)外發(fā)出聲源信號(hào)；兩個(gè)以上的接收器，分為基準(zhǔn)接收器和信標(biāo)接收器兩種，錄制所述待定位節(jié)點(diǎn)發(fā)出的聲源信號(hào)以及所述基準(zhǔn)接收器對(duì)外發(fā)出的后繼聲源信號(hào)，并將錄制結(jié)束后的錄音數(shù)據(jù)輸出給服務(wù)器；服務(wù)器，接收各接收器輸出的錄音數(shù)據(jù)，并依據(jù)該錄音數(shù)據(jù)計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的位置并將其顯示在服務(wù)器界面上；以及，無線AP，構(gòu)建所述待定位節(jié)點(diǎn)，接收器和服務(wù)器組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明去除了定位系統(tǒng)中的時(shí)間同步，并獲得了較好的定位精度。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102455421SQ20101052120
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者余冉, 孫國棟, 許斌 申請(qǐng)人:清華大學(xué)