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CN113190638A - 基于声音测距的电子地图绘制方法 - Google Patents

基于声音测距的电子地图绘制方法 Download PDF

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CN113190638A CN202110500554.8A CN202110500554A CN113190638A CN 113190638 A CN113190638 A CN 113190638A CN 202110500554 A CN202110500554 A CN 202110500554A CN 113190638 A CN113190638 A CN 113190638A
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Abstract

本发明公开了一种基于声音测距的电子地图绘制方法，包括：空间轮廓数据收集，在待测绘空间中布置上至少两个固定声音信号端，至少一个活动声音信号端沿空间轮廓运动，采集测算得到空间轮廓数据；空间内物体数据收集，将活动声音信号端移动至物体处，沿物体轮廓运动，采集测算得到此物体的轮廓数据，直至完成空间内所有待测的数据收集；数据统合，将空间轮廓数据转化为具有坐标含义的位置信息，并将物体数据转化为位置信息导入空间轮廓坐标中；数据转化：将带有坐标的空间轮廓及物体数据转化为空间图像，形成电子地图。本发明利用声音信号端完成空间信息的数据收集，并转化形成电子地图，使用方便，采集迅速，且成本极低。

Description

基于声音测距的电子地图绘制方法
技术领域
本发明涉及一种基于声音测距的电子地图绘制方法，属于声音定位技术领域。
背景技术
电子地图储存资讯的方法，一般是使用向量式图像储存，地图比例可放大、缩小或旋转而不影响显示效果，早期使用位图式储存，地图比例不能放大或缩小，现代电子地图软件一般利用地理信息系统来储存和传送地图数据，也有其他的信息系统。
无论是在室内还是室外进行定位或导航，都需要提前绘制好电子地图，通过电子地图导入被定位的位置信息后，即可将用户投影到电子地图上，实现位置的动态模拟和精确导航。
但是，对于大空间中的室内导航，没有公知地图可供参考，内部具体环境未知，需要另行绘制室内空间地图，十分麻烦，且成本高昂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声音测距的电子地图绘制方法，该绘制方法解决了现有技术中室内测绘需要专业测绘工具，测绘效率较低、成本高昂的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于声音测距的电子地图绘制方法，包括：
空间轮廓数据收集，在待测绘空间中布置上至少两个固定声音信号端，至少一个活动声音信号端沿空间轮廓运动，采集测算得到空间轮廓数据；
空间内物体数据收集，将活动声音信号端移动至物体处，沿物体轮廓运动，采集测算得到此物体的轮廓数据，再移动至下一个物体处进行采集，直至完成空间内所有待测的数据收集；
其中，运动过程中，固定声音信号端和活动声音信号端实时收发声波定位信号；
数据统合，将空间轮廓数据转化为具有坐标含义的位置信息，并将物体数据转化为位置信息导入空间轮廓坐标中；
数据转化：将带有坐标的空间轮廓及物体数据转化为空间图像，形成电子地图。
上述技术方案中进一步改进的方案如下：
1.上述方案中，当采集空间轮廓周向信息时，活动的声音信号端以固定高度运动。
2.上述方案中，当采集空间轮廓纵向信息时，使活动的声音信号端的运动轨迹与固定的声音信号端位于同一竖直平面中。
3.上述方案中，所述声波定位信号为超声波定位信号。
4.上述方案中，所述电子地图为二维平面地图。
5.上述方案中，所述电子地图为三维空间地图。
6.上述方案中，将电子地图与外部地图对接，导入经纬度信息。
7.上述方案中，所述活动的声音信号端装载于移动载具上。
8.上述方案中，所述移动载具选用机器小车或无人机。
9.上述方案中，根据空间轮廓或物体轮廓规律及趋势，增加对应的声音信号端组，对应完成采集。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明基于声音测距的电子地图绘制方法，基于最少两个固定声音信号端和一个活动声音信号端，通过收发信号，利用飞行时间(time of flight，TOF)测距技术，解算出声音信号端之间在某一时刻的距离，基于已知的运动高度或位置，活动声音信号端正投影至固定声音信号端所在平面的点与固定声音信号端的距离，或者活动声音信号端与固定声音信号端的距离，以此作为半径，以固定声音信号为圆点做圆或做球找到位置交点，即可绘出活动声音信号端的运动轨迹，并实现数据信息到图像信息的转化，形成平面或三维地图，使用方便，采集迅速，且成本极低。
2、本发明基于声音测距的电子地图绘制方法，可使用的声音信号端体积较小，无固定使用位置，采集方式更为灵活，不受环境和时间的影响。
3、本发明基于声音测距的电子地图绘制方法，将活动声音信号端装在在无人机或机器小车上，进一步简化了采集过程，提高了数据采集的智能化，能够适用于更多的使用场景。
4、本发明基于声音测距的电子地图绘制方法，根据空间轮廓或物体轮廓的规律采集重点部位的数据，在转化为位置坐标后，进行连线即可得到轮廓形状，进一步降低了采集难度，提高了采集效率。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步的详细描述。
实施例1：一种基于声音测距的二维电子地图绘制方法，包括：
S1：空间轮廓数据收集：在待测绘空间的水平地面上布置上两个固定声音信号端，且不变动此固定声音信号端位置，此时，在无人机上安装上另一个活动声音信号端，控制无人机以固定高度沿墙面环绕一周；
其中，固定声音信号端的放置位置优选为空间的中心区域，便于信号接收；
其中，运动过程中，三个声音信号端实时收发声波定位信号，根据声波飞行时间测算得到距离数据；发射声波信号的声音信号端具有扬声器单元，接收声音信号的声音信号端具有麦克风单元；这里，声波定位信号为超声波定位信号；
其中，无人机自身具有飞行高度稳定功能和保持与物体距离的功能，因此，其可以保持在同一高度飞行，且其可控制活动的声音信号端与墙面的距离为d1；
另外，无人机可无需与墙面保持固定距离，此时，只需根据空间轮廓的走向和建筑规律，在重点部位和变化区域采集即可，再补偿无人机当时与墙面的距离即可；
另外，固定高度的选择决定了电子地图成型后平面轮廓形状，因此，根据电子地图的使用需要选择固定高度；同时，固定高度也可以进行变更，适应不同的使用区域要求。
固定声音信号端与活动声音信号端的距离为
Figure BDA0003056025040000031
其中D为固定声音信号端与活动声音信号端的距离，D＝t*c，t为声波定位信号的飞行时间，通过接收时刻减去发射时刻得到，c为声波在空气中的运动速度，H为固定高度数值；
以两个不同的固定声音信号端为圆心，以其分别对应的L为半径在水平面内做圆，即可得到1～2个交点，这里，只有当活动声音信号端与两个固定声音信号端的连线在同一直线上时，交点才为一个，当交点为两个时，结合实际运动情况即可判断出哪个交点为实际运动位置(例如：两个交点必然在两个固定声音信号端的两侧，而活动声音信号端运动时相对固定声音信号端的位置是可以判断的，综合考量，直接就能得出哪个交点为实时位置点)，保留此交点数据信息作为实时位置数据。
S2：空间内物体数据收集：在空间轮廓数据收集完毕后，将活动声音信号端移动至待测物体处，同样的，选择所需的固定高度，绕物体轮廓环绕一周，采集得到此物体的轮廓数据，再移动至下一个物体处，重复上述过程，直至完成空间内所有待采集物体的数据收集。
S3：数据统合：根据相对于两个固定声音信号端的实时位置数据将空间轮廓数据转化为具有坐标含义的位置信息，这里，坐标原点可以在空间轮廓中，也可以选择设定在空间轮廓外，再根据物体相对固定声音信号端的位置数据，将物体数据信息导入空间轮廓中，形成带有基于同个坐标系的坐标含义的位置信息，完成整合。
S4：数据转化：将带有坐标信息的空间数据转化为空间图像，这里，数据的转化借助于软件实现，同时，由于测算时，无人机与墙体和物体均保持有一定距离，在形成轮廓线条时，空间轮廓线条沿其垂线方向向外位移d1，物体外轮廓线条沿其垂线方向向内位移d2，物体内轮廓线条沿其垂线方向向外位移d2，这里的d2为无人机与物体保持的距离，最后形成二维电子地图。
实施例2：一种基于声音测距的三维电子地图绘制方法，包括：
S1：空间横向轮廓数据收集：在待测绘空间的水平地面上布置上两个固定声音信号端，且不变动此固定声音信号端位置，此时，在无人机上安装上另一个活动声音信号端，控制无人机以固定高度沿墙面环绕一周；
其中，固定声音信号端的放置位置优选为空间的中心区域，便于信号接收；
其中，运动过程中，三个声音信号端实时收发声波定位信号，根据声波飞行时间测算得到距离数据；发射声波信号的声音信号端具有扬声器单元，接收声音信号的声音信号端具有麦克风单元；这里，声波定位信号为超声波定位信号；
其中，无人机自身具有飞行高度稳定功能和保持与物体距离的功能，因此，其可以保持在同一高度飞行，且其可控制活动的声音信号端与墙面的距离为d1；
另外，无人机可无需与墙面保持固定距离，此时，只需根据空间轮廓的走向和建筑规律，在重点部位和变化区域采集即可，再补偿无人机当时与墙面的距离即可；
另外，固定高度的选择决定了电子地图成型后平面轮廓形状，因此，根据电子地图的使用需要选择固定高度；同时，固定高度也可以进行变更，适应不同的使用区域要求。
固定声音信号端与活动声音信号端的距离为
Figure BDA0003056025040000041
其中D为固定声音信号端与活动声音信号端的距离，D＝t*c，t为声波定位信号的飞行时间，通过接收时刻减去发射时刻得到，c为声波在空气中的运动速度，H为固定高度数值；
以两个不同的固定声音信号端为圆心，以其分别对应的L为半径在水平面内做圆，即可得到1～2个交点，这里，只有当活动声音信号端与两个固定声音信号端的连线在同一直线上时，交点才为一个，当交点为两个时，结合实际运动情况即可判断出哪个交点为实际运动位置(例如：两个交点必然在两个固定声音信号端的两侧，而活动声音信号端运动时相对固定声音信号端的位置是可以判断的，综合考量，直接就能得出哪个交点为实时位置点)，保留此交点数据信息作为实时位置数据。
S2：空间纵向轮廓数据收集：在横向数据收集完成后，基于平面轮廓，控制活动声音信号端与两个固定声音信号端在同一竖直平面内，并在此平面内沿顶部空间轮廓运动，同理，以固定声音信号端为圆心，以距离为半径做圆找交点即可，采集得到该位置的纵向高度数据；此后，平行移动两个固定声音信号端，直至覆盖整个场地顶部轮廓或重点部位。
这里，难点为如何控制活动声音信号端与两个固定声音信号端位于同一平面中：可以将无人机放在两个固定声音信号端之间，移动无人机，直至以两个固定声音信号端做的圆只有一个交点时，三者处于同一直线上，此时，控制无人机上升，以朝向一个固定声音信号端的方向为前，以朝向另一个固定声音信号端的方向为后，无人机仅有前后上下的位移，即可控制其位于同一平面中。
另外，这里还提供一种更为精确的方法找到纵向运动的活动声音信号端的位置：增加一个固定声音信号端，以3个固定声音信号端为圆心，以其分别到活动声音信号端的位置为半径做球，根据实际方向和三球交会原理，排除不可能位置的交点后，即可得到活动声音信号端位置交点数据信息。
S3：空间内物体横向数据收集：在空间轮廓数据收集完毕后，将活动声音信号端移动至待测物体处，同样的，选择所需的固定高度，绕物体轮廓环绕一周，采集得到此物体的轮廓数据，再移动至下一个物体处，重复上述过程，直至完成空间内所有待采集物体的横向数据收集。
S4：空间内物体纵向数据收集：根据三球交会原理，得到所有待采集物体的纵向数据收集。
S5：数据统合：根据相对于固定声音信号端的实时位置数据将空间轮廓数据转化为具有坐标含义的位置信息，这里，坐标原点可以在空间轮廓中，也可以选择设定在空间轮廓外，再根据物体相对固定声音信号端的位置数据，将物体数据信息导入空间轮廓中，形成带有基于同个坐标系的坐标含义的位置信息，完成整合。
S6：数据转化：将带有坐标信息的空间数据转化为空间图像，这里，数据的转化借助于软件实现，同时，由于测算时，无人机与墙体和物体均保持有一定距离，在形成轮廓线条时，空间轮廓线条沿其垂线方向向外位移d1，物体外轮廓线条沿其垂线方向向内位移d2，物体内轮廓线条沿其垂线方向向外位移d2，这里的d2为无人机与物体保持的距离，最后形成三维电子地图。
实施例3：一种基于声音测距的电子地图绘制方法，基于实施例1或2，基于得到的电子地图，和该建筑外的已有电子地图(百度地图、高德地图等数据信息)，将经纬度和南北朝向导入电子地图中。
采用上述方案，基于最少两个固定声音信号端和一个活动声音信号端，通过收发信号，利用飞行时间(time of flight，TOF)测距技术，解算出声音信号端之间在某一时刻的距离，基于已知的运动高度或位置，活动声音信号端正投影至固定声音信号端所在平面的点与固定声音信号端的距离，或者活动声音信号端与固定声音信号端的距离，以此作为半径，以固定声音信号为圆点做圆或做球找到位置交点，即可绘出活动声音信号端的运动轨迹，并实现数据信息到图像信息的转化，形成平面或三维地图，使用方便，采集迅速，且成本极低。
另外，可使用的声音信号端体积较小，无固定使用位置，采集方式更为灵活，不受环境和时间的影响。
另外，将活动声音信号端装在在无人机或机器小车上，进一步简化了采集过程，提高了数据采集的智能化，能够适用于更多的使用场景。
另外，根据空间轮廓或物体轮廓的规律采集重点部位的数据，在转化为位置坐标后，进行连线即可得到轮廓形状，进一步降低了采集难度，提高了采集效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，包括：
空间轮廓数据收集，在待测绘空间中布置上至少两个固定声音信号端，至少一个活动声音信号端沿空间轮廓运动，采集测算得到空间轮廓数据；
空间内物体数据收集，将活动声音信号端移动至物体处，沿物体轮廓运动，采集测算得到此物体的轮廓数据，再移动至下一个物体处进行采集，直至完成空间内所有待测的数据收集；
其中，运动过程中，固定声音信号端和活动声音信号端实时收发声波定位信号；
数据统合，将空间轮廓数据转化为具有坐标含义的位置信息，并将物体数据转化为位置信息导入空间轮廓坐标中；
数据转化：将带有坐标的空间轮廓及物体数据转化为空间图像，形成电子地图。
2.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，当采集空间轮廓周向信息时，活动的声音信号端以固定高度运动。
3.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，当采集空间轮廓纵向信息时，使活动的声音信号端与2个固定的声音信号端位于同一竖直平面中，或者，使用3个固定声音信号端配合1个活动声音信号端采集得到空间轮廓纵向信息。
4.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，所述声波定位信号为超声波定位信号。
5.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，所述电子地图为二维平面地图。
6.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，所述电子地图为三维空间地图。
7.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，将电子地图与外部地图对接，导入经纬度信息。
8.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，所述活动的声音信号端装载于移动载具上。
9.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，所述移动载具选用机器小车或无人机。
10.根据权利要求1所述的基于声音测距的电子地图绘制方法，其特征在于，根据空间轮廓或物体轮廓规律及趋势，增加对应的声音信号端组，对应完成采集。
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