[论文解读] Rebooting Ultrasonic Positioning Systems for Ultrasound-incapable Smart Devices

Qiongzheng Lin, Zhenlin An+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 46被引用 4

一句话总结

本文提出UPS+，一种新颖的超声波定位系统，通过利用设备麦克风的非线性失真，将高频超声信号混频下变频至可听频率，使不具备超声波功能的智能设备也能实现厘米级室内定位。该系统采用两种信标——用于三边测量的uBeacon和用于频率混频的cBeacon，无需对现有设备进行硬件修改，即可实现亚厘米级精度。

ABSTRACT

An ultrasonic Positioning System (UPS) has outperformed RF-based systems in terms of its accuracy for years. However, few of the developed solutions have been deployed in practice to satisfy the localization demand of today's smart devices, which lack ultrasonic sensors and were considered as being `deaf' to ultrasound. A recent finding demonstrates that ultrasound may be audible to the smart devices under certain conditions due to their microphone's nonlinearity. Inspired by this insight, this work revisits the ultrasonic positioning technique and builds a practical UPS, called UPS+ for ultrasound-incapable smart devices. The core concept is to deploy two types of indoor beacon devices, which will advertise ultrasonic beacons at two different ultrasonic frequencies respectively. Their superimposed beacons are shifted to a low-frequency by virtue of the nonlinearity effect at the receiver's microphone. This underlying property functions as an implicit ultrasonic downconverter without throwing harm to the hearing system of humans. We demonstrate UPS+, a fully functional UPS prototype, with centimeter-level localization accuracy using custom-made beacon hardware and well-designed algorithms.

研究动机与目标

• 解决现有超声波定位系统（UPS）依赖专用超声波传感器的问题，而这类传感器在大多数现代智能设备中均不存在。
• 克服在无超声波硬件的设备上实现基于超声波定位的挑战，这些设备可被视为对超声波‘失聪’。
• 利用智能手机麦克风的非线性响应，将高频超声信号转换为可被标准设备处理的可听频率。
• 设计一种实用、低功耗且可部署的室内定位系统，仅使用现成组件和极少设备修改，实现亚厘米级精度。
• 通过定位AirPods、配对iPad以及用Apple Watch追踪手部运动等实际应用场景，验证系统的实际可用性。

提出的方法

• 部署两种定制信标设备：uBeacon（电池供电，用于三边测量）和cBeacon（电缆供电，用于下变频）。
• 从uBeacon发射两个不同频率的超声信标（例如f₁和f₂），而cBeacon则发射另一个不同频率的超声波音调。
• 利用智能手机麦克风中的非线性混频效应，在|f₁ - f₂|处生成差频分量，从而将超声信号有效下变频至可听频段。
• 确保下变频后的信号落在2–15 kHz范围内，以兼容常见智能手机麦克风和音频格式的采样与滤波特性。
• 通过PTP（精确时间协议）实现精确的时间同步，以支持往返飞行时间的高精度测量。
• 采用低占空比工作模式以最小化功耗，在理想设置下可将uBeacon的电池寿命延长至8个月。

实验结果

研究问题

• RQ1 智能手机麦克风的非线性失真是否可被有效利用，以在不修改硬件的前提下接收超声信号？
• RQ2 异构信标架构（uBeacon与cBeacon）在无超声波功能设备上实现厘米级定位精度的潜力有多大？
• RQ3 系统如何在完全工作于超声波频段的前提下，保持高精度并避免对人类和宠物听觉的干扰？
• RQ4 系统的实际功耗效率如何？占空比机制如何延长电池供电uBeacon的使用寿命？
• RQ5 系统能否在真实应用场景中有效部署，如定位小型设备（如AirPods）、设备配对以及人体肢体运动追踪？

主要发现

• UPS+仅使用现成的超声波换能器和标准智能手机麦克风，无需硬件修改，即可实现厘米级定位精度。
• 系统成功利用麦克风非线性特性，将超声信号（如20–22 kHz）下变频至可听频段（2–15 kHz），使标准设备能够接收。
• cBeacon与uBeacon的架构在受控环境和真实场景中均实现了亚厘米级精度的稳健三边测量。
• 通过采用低占空比，显著降低了功耗：将PTP同步间隔从1秒延长至64秒，可使uBeacon的电池寿命从5个月延长至8个月。
• 系统已在真实应用中得到验证，包括定位AirPods、在10 cm内配对iPad，以及使用Apple Watch追踪手部-前臂运动，充分展示了其实际应用价值。
• 下变频后的信号频谱被精确调谐至5–15 kHz，以确保与常见音频格式（如M4A）的兼容性，这些格式会滤除高于16 kHz的频率。