一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法

技术领域

本发明涉及超宽带通信技术领域，尤其是涉及一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法。

背景技术

无线耳机普遍的存在于大众的生活中，并受到了人们的追捧和热爱，主要原因在于其使用的方法十分便捷，不会像有线耳机一样需要繁杂的连接线，它无需与发声主体连接，用户直接拿起耳机就可以佩戴，无需多余的操作；其次它还有与之匹配的充电盒，在用户不使用的时候放回充电盒，在用户不使用的时候放回充电盒可以进行充电以保证正常的续航。随着人们使用的深入，对耳机的要求也越来越高。例如，要求双耳立体声沉浸式的体验，犹如亲临演唱会现场的感觉。这就要求知道无线耳机的位姿变化，根据位置的变化相应的调整音频音色，达到双耳立体声沉浸式的体验。

UWB即超宽带技术，它是一种无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。传统的定位技术是根据信号强弱来判别物体位置，信号强弱受外界影响较大，因此定位出的物体位置与实际位置的误差也较大，定位精度不高，而UWB定位采用的宽带脉冲通讯技术，具备极强的抗干扰能力，使定位误差减小。UWB定位技术的出现填补了高精度定位领域的空白，它具有对信道衰弱不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。

基于UWB高精度的定位技术，刚好是无线耳机位姿感知的完美解决方案。人通过佩戴无线耳机，通过UWB技术对左右耳机进行定位，能够实时检测人体头部位置以及姿态的变化。基于此，可以调整音频音色以达到双耳立体声沉浸式的体验。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法，通过左右无线耳机作为测量的矢量，使用充电仓作为单基站，对左右无线耳机进行位置测量，得到左右耳机的二维坐标，再结合左右耳机的测距结果，得到头部的水平姿态和俯仰姿态，该方法极大地降低了系统的复杂度以及成本，提高了该方法应用的普遍性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法，包括以下步骤：

S1、将左右耳机戴在双耳上，充电仓静止放置在与耳机上下20cm处；

S2、手机通过BLE唤醒充电仓与耳机的UWB功能，左右耳机和充电仓利用UWB进行通信测量；

S3、手机使能测量后，左右耳机通过UWB相互通信，并将测量结果回传给手机；

S4、手机利用耳机回传测量结果，计算得到左右耳机的测距结果，并通过测距结果检测耳机状态；

S5、耳机状态检查通过后触发充电仓与耳机通过UWB进行通信测量，并将测量结果回传给手机；

S6、手机利用充电仓与耳机回传的测量结果，经计算得到耳机在充电仓坐标系下左右耳机的坐标值；

S7、手机利用充电仓坐标系下的左右耳机的坐标值以及左右耳机的测距结果，计算出头部的位置姿态测量结果。

优选的，步骤S1中，左右耳机均包含一个单天线的UWB模组，充电仓包含一个双天线的UWB模组，并具有测角功能。

优选的，步骤S2中，通信测量分为两个阶段：第一个阶段为左右耳机进行距离测量，第二个阶段为充电仓对左右耳机进行定位测量。

优选的，步骤S3中，左右耳机通过UWB相互通信，并将测量结果回传给手机，此过程分为N

第一个时隙：手机通过BLE进行左右耳机的UWB配置以及时隙分配；

第二个时隙：左耳耳机发送UWB信号并记录发送的时间戳t

第三个时隙：右耳耳机发送UWB信号并记录发送的时间戳t

第四个时隙：左耳耳机发送UWB信号并记录发送的时间戳t

第五个时隙：左耳耳机将时间戳t

第六个时隙：右耳耳机将时间戳t

其他时隙，预留。

优选的，步骤S4中，手机利用耳机回传测量结果，计算得到左右耳机的测距结果的计算方法如下：

其中d

通过测距结果检测耳机状态的方法如下：

当d

当d

其中，d

当耳机状态正常时，对测距结果d

其中，d

当耳机状态异常时，会重复通过测距结果检测耳机状态的过程，对左右耳机重新进行测距，并且更新异常计数器；

当耳机状态异常连续出现S

优选的，步骤S5中，耳机状态检查通过后触发充电仓与耳机通过UWB进行通信测量，并将测量结果回传给手机，此过程分为N

第一个时隙：手机通过BLE进行左右耳机以及充电仓的UWB配置以及时隙分配；

第二个时隙，充电仓广播发送UWB信号，充电仓记录发送UWB信号的时间戳t

第三个时隙，左耳耳机发送UWB信号，左耳耳机记录发送UWB信号的时间戳t

第四个时隙，右耳耳机发送UWB信号，右耳耳机记录发送UWB信号的时间戳t

第五个时隙，充电仓广播发送UWB信号，充电仓记录发送UWB信号的时间戳t

第六个时隙，充电仓将时间戳t

第七个时隙，左耳耳机将时间戳t

第八个时隙，右耳耳机将时间戳t

其他时隙，预留。

优选的，步骤S6中，手机利用充电仓与耳机回传的测量结果，经计算得到耳机在充电仓坐标系下左右耳机的坐标值，方法如下：

充电仓与左耳耳机之间距离的计算方法如下：

充电仓与右耳耳机之间距离的计算方法如下：

其中，d

基于d

基于d

其中，cos()为余弦计算，sin()为正弦计算。

优选的，步骤S7中，手机利用充电仓坐标系下的左右耳机的坐标值以及左右耳机的测距结果，计算出头部的位置姿态测量结果，方法如下：

首先，利用左耳耳机的位置坐标(x

然后，计算左右耳机作为一个矢量，与x轴的夹角为：

左右耳机作为一个矢量，与z轴的夹角为：

其中，cos

因此，本发明采用上述一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法，其技术效果如下：

(1)通过具有UWB功能的充电仓与无线耳机给手机进行了赋能，使手机具有位姿感知的功能；

(2)仅利用单基站对左右耳机的二维坐标进行测量，并结合左右耳机的测距结果，即可以得到头部的水平姿态和俯仰姿态，极大地降低了系统的复杂度以及成本，提高了该方法应用的普遍性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法的系统示意图。

图2是本发明一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法的处理流程图。

图3是本发明一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法的左右耳机测距过程示意图。

图4是本发明一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法的定位过程示意图。

附图标记：

101、手机；102、充电仓；103、左耳耳机；104、右耳耳机。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

如图1所示，本实施例以手机101作为服务端，充电仓102作为基站，左耳耳机103和右耳耳机104作为测量矢量，通过充电仓102对左耳耳机103和右耳耳机104定位测量，并将测量数据上传给手机101，得到左耳耳机103和右耳耳机104的位姿以及位姿变化。

手机101不包含UWB功能，充电仓102包含一个双天线的UWB模组，并具有测角功能，左耳耳机103和右耳耳机104各包含一个单天线的UWB模组。

图2为一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法的处理流程图，该处理流程共包含7个步骤：1)将左右耳机戴在双耳上，充电仓静止放置在与耳机上下20cm处；2)手机通过BLE唤醒充电仓与耳机的UWB功能，左右耳机和充电仓利用UWB进行通信测量；3)手机使能测量后，左右耳机通过UWB相互通信，并将测量结果回传给手机；4)手机利用耳机回传测量结果，经计算得到两个耳机的测距结果，并通过测距结果检测耳机状态；5)耳机状态检查通过后触发充电仓与耳机通过UWB进行通信测量，并将测量结果回传给手机；6)手机利用充电仓与耳机回传的测量结果，经计算得到耳机在充电仓坐标系下左右耳机的坐标值；7)手机利用充电仓坐标系下的左右耳机的坐标值以及左右耳机的测距结果，计算出头部的位置姿态测量结果。

下面结合图2具体介绍每一步的处理过程：

S201：将左右耳机戴在双耳上，充电仓静止放置在与耳机近似高度处。

此步骤为测量前的准备工作：开始测量时，需要保证充电仓102保持静止，并且在测量过程中，不能移动充电仓102。

S202：手机通过BLE唤醒充电仓与耳机的UWB功能，左右耳机和充电仓利用UWB进行通信测量。

在测量过程中，充电仓102、左耳耳机103和右耳耳机104之间通过UWB进行通信测量。

通信测量分为两个阶段：第一个阶段为左耳耳机103和右耳耳机104进行距离测量，第二个阶段为，充电仓102对作为左耳耳机103和右耳耳机104进行定位测量。

S203：手机使能测量后，左右耳机通过UWB相互通信，并将测量结果回传给手机。

如图3所示，该过程分为N

第一个时隙：手机101通过BLE进行左耳耳机103和右耳耳机104的UWB配置以及时隙分配。

第二个时隙：左耳耳机103发送UWB信号并记录发送的时间戳t

第三个时隙：右耳耳机104发送UWB信号并记录发送的时间戳t

第四个时隙：左耳耳机103发送UWB信号并记录发送的时间戳t

第五个时隙：左耳耳机103将时间戳t

第六个时隙：右耳耳机将104时间戳t

第七八时隙：预留。

S204：手机利用耳机回传测量结果，经计算得到两个耳机的测距结果，并通过测距结果检测耳机状态。

手机101利用左耳耳机103和右耳耳机104回传的时间戳t

两个耳机的测距结果的计算方法如下：

其中d

根据两个耳机测距结果检查当前耳机的状态，方法如下：

当d

当d

其中d

当耳机状态正常时，会清空耳机状态异常计数器C

同时，会对测距结果d

其中，d

滤波后的结果d

当耳机状态异常时，会重复该步骤，对左右耳机重新进行测距，并且更新异常计数器的值C

当C

S205：耳机状态检查通过后触发充电仓与耳机通过UWB进行通信测量，并将测量结果回传给手机。

如图4所示，该过程分为N

第一个时隙：手机101通过BLE进行左耳耳机103和右耳耳机104以及充电仓102的UWB配置以及时隙分配。

第二个时隙，充电仓102广播发送UWB信号，充电仓102记录发送UWB信号的时间戳t

第三个时隙，左耳耳机103发送UWB信号，左耳耳机103记录发送UWB信号的时间戳t

第四个时隙，右耳耳机104发送UWB信号，右耳耳机104记录发送UWB信号的时间戳t

第五个时隙，充电仓102广播发送UWB信号，充电仓102记录发送UWB信号的时间戳t

第六个时隙，充电仓102将时间戳t

第七个时隙，左耳耳机103将时间戳t

第八个时隙，右耳耳机104将时间戳t

S206：手机利用充电仓与耳机回传的测量结果，经计算得到耳机在充电仓坐标系下左右耳机的坐标值。

手机101使用回传的时间戳信息，分别计算出充电仓102与左耳耳机103和右耳耳机104之间的距离。

充电仓102与左耳耳机103之间距离的计算方法如下：

充电仓102与右耳耳机104之间距离的计算方法如下：

其中，d

基于充电仓102与左耳耳机103之间距离值d

同样，基于充电仓102与右耳耳机104之间距离值d

其中，cos()为余弦计算，sin()为正弦计算。

S207：手机利用充电仓坐标系下的左右耳机的坐标值以及左右耳机的测距结果，计算出头部的位置姿态测量结果。

首先，利用左耳耳机103的位置坐标(x

然后，可以计算出左右耳机作为一个矢量，与x轴的夹角为：

左右耳机作为一个矢量，与z轴的夹角为：

其中，cos

根据左耳耳机103的位置坐标(x

根据左右耳机与x轴的夹角θ

因此，本发明采用上述一种基于单基站的UWB无线耳机位姿感知测量方法，通过具有UWB功能的充电仓与无线耳机给手机进行了赋能，使手机具有位姿感知的功能；提出了使用单基站对无线耳机位姿的测量方法及处理流程；仅利用单基站对左右耳机的二维坐标进行测量，并结合左右耳机的测距结果，即可以得到头部的水平姿态和俯仰姿态，极大地降低了系统的复杂度以及成本，提高了该方法应用的普遍性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。