CN102980574B - 基于led的室内可见光精确定位接收模型及定位方法 - Google Patents

Abstract

基于LED的室内可见光精确定位接收模型，包括组成六面以上多面体的至少5个等面积光电接收器，所述光电接收器的尺径远小于其相对于LED光源的距离，各个光电接收器接收单元朝外，多面体的底面用于固定模型，其余各个面均为光电接收面，各个光电接收器接收的平均光功率信号均输入至终端处理设备，终端处理设备同时接收来自电子罗盘单元的模型的倾角和方位角当前取值，所述接收模型进入到LED光源照明区域内时，至少有3个光电接收面接收到有效的LED可见光信号，本发明模型构造简单，通信速率不受接收模型限制，定位算法简单，定位精度高，系统成本低，实用性好，具有较好的应用开发前景。

Description

基于LED的室内可见光精确定位接收模型及定位方法

技术领域

本发明属于室内定位导航技术领域，特别涉及一种基于LED的室内可见光精确定位接收模型及定位方法。

背景技术

无论普通的商业活动、科学研究，还是搜救抢险等行业，定位导航服务都有着重要的应用。GPS作为一种成熟的无线定位系统已在户外开阔环境中得到广泛的应用，然而在人们活动最为频繁的室内环境却由于接收信号很差而无法使用。室内定位导航有着广阔的市场前景，比如大型商场和博物馆的自动化导游、大型停车场的车位自动导航、医院的病患追踪、矿井的自动定位导航、建筑物中的应急导向等等。

根据室内环境的复杂性和定位精度、安全性等特殊要求，人们提出了许多可用于室内定位的技术，主要有红外技术、超声波技术、无线局域网、蓝牙技术等，部分技术已经开发形成了较为系统的定位服务解决方案或成形的商业产品，如1993年AT&T Cambridge基于红外感应技术开发的Active Badge室内定位系统，2000年微软研究组基于IEEE802.11无线网络技术开发的室内定位实验系统RADAR。但这些定位系统一直没有得到比较广泛的应用，其中一个主要原因是设备依赖性，定位系统的使用必须安装特定设备（如WIFI接入点、红外发送装置），这些设备或者十分昂贵，或者只能安装在特定建筑，只能用于定位而无其他用途，从而限制了其广泛应用。此外系统稳定性也是一个重要的因素，目前的室内定位系统的抗环境干扰能力、稳定性都存在一定的问题，这也是现有无线室内定位技术需要着重解决的问题。

随着LED半导体照明技术的发展和推广，基于LED半导体照明的室内可见光定位导航系统引起越来越多的关注。基于LED照明的室内定位技术，只需在现有LED照明光源的基础上增加通信模块，架设成本低廉方便，可提供泛在的室内定位导航服务，具有广阔的市场应用前景。采用基于LED照明的室内定位技术来填补室外GPS定位的使用缺陷，两者结合可以提供更全面的高精度室内外定位导航服务。

基于LED照明光源的室内定位技术的关键点在于光电接收模型的选择和设计，这对提高定位精度和系统实用度起着重要作用。目前研究的光电接收模型主要有光电二极管PD、光电二极管PD阵列、摄像机三种：PD接收模型可以实现单个LED可见光信号的接收，通信速率不受PD响应速率限制，定位精度差，实现简单；PD阵列模型需要结合透镜使用，可以实现多个LED可见光信号的分别接收，通信速率不受PD响应速率限制，定位算法复杂，定位精度高，光学系统较复杂，稳定性和实用性欠佳；摄像机模型可以实现多个LED可见光信号的分别接收，通信速率受摄像机帧速率限制，定位算法复杂，定位精度高，系统成本和实用性欠佳。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于LED的室内可见光精确定位接收模型及定位方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于LED的室内可见光精确定位接收模型，包括组成六面以上多面体的至少5个等面积光电接收器，所述光电接收器的尺径远小于其相对于LED光源的距离，各个光电接收器接收单元朝外，多面体的底面用于固定模型，其余各个面均为光电接收面，各个光电接收器接收的平均光功率信号均输入至终端处理设备，终端处理设备同时接收来自电子罗盘单元的模型的倾角和方位角当前取值，所述接收模型进入到LED光源照明区域内时，至少有3个光电接收面接收到有效的LED可见光信号。

其中所述多面体可以为正方体、正五棱柱或者正十二面体。

本发明同时提供了利用所述接收模型进行定位的方法，光电接收器接收到的来自LED可见光照明光源的平均光功率是

$P_r=\frac{g_t\left(\mathrm{\β}\right)A_r\cos \mathrm{\α}}{d^2\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}{2\mathrm{\πg}}_t\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}}{P}_t$

其中，β为光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，g_t(θ)为LED光源光强分布函数，A_r为光电接收器有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，θ_max为LED光源最大的照明半角，P_t为LED光源的发射光功率；

不同方位光电接收器接收到的平均光功率P_r变化仅与接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角α有关：

P_ri=K·cosα_i, $K=P_t\frac{g_t\left(\mathrm{\β}\right)A_r}{d^2\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}{2\mathrm{\πg}}_1\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}}$

因此，接收模型中的光电接收器接收到的平均光功率为：

P_r1=K·cosα₁

P_r2=K·cosα₂

P_r3=K·cosα₃

P_rn=K·cosα_n

根据电子罗盘单元测得的接收模型倾角和方位角Ψ，可将cosα表示为接收模型相对于LED光源的水平距离r与接收模型相对于LED光源的水平方位角φ两个未知变量的表达式，因此当至少3个不同方位光电接收器接收到有效信号时，即可计算得到接收模型当前的精确地理位置。

当接收模型为正方体时，计算公式可参照以下公式：

其中，和分别表示由电子罗盘双轴倾角传感器给出的倾角值（俯仰角和横滚角）。

与现有技术相比，本发明模型构造简单，通信速率不受接收模型限制，定位算法简单，定位精度高，系统成本低，实用性好，具有较好的应用开发前景。

附图说明

图1为本发明实施例场景示意图。

图2为本发明可见光链路模型。

图3为本发明实施例解析几何示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行更详尽的说明。

如图1所示，本发明接收模型包括由5个有效光电接收面组成的正方体接收模型，该模型的底面固定在终端处理设备上，用于将模型固定，同时便于传输信号。其余的五个面均为光电接收面，光电接收器接收单元朝外，可以接收光信号。固定后，在LED光源照明区域内，光电接收面1、接收面2和接收面3均可以接收到来自LED光源的可见光信息。该接收模型还包括一个电子罗盘单元，可采用电子罗盘模组，其体积较小，便于集成，可以提供模型的倾角和方位角。

光电接收器接收到的来自LED可见光照明光源的平均光功率是

$P_r=\frac{g_t\left(\mathrm{\β}\right)A_r\cos \mathrm{\α}}{d^2\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}{2\mathrm{\πg}}_t\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}}{P}_t$

其中，如图2所示，β为光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，g_t(θ)为LED光源光强分布函数，A_r为光电接收器有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，θ_max为LED光源最大的照明半角，P_t为LED光源的发射光功率；

由于光电接收器相对LED光源的距离远大于其尺径大小，因此不同方位的光电接收器与光源之间的距离d，以及光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角β，均基本相同，且光电接收器面积A_r相同，不同方位光电接收器接收到的平均光功率P_r变化仅与接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角α有关。

P_ri=K·cosα_i, $K=P_t\frac{g_t\left(\mathrm{\β}\right)A_r}{d^2\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}{2\mathrm{\πg}}_t\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}}$

光电接收面1、接收面2和接收面3接收到的平均光功率分别可表示为：

P_r1=K·cosα₁          (1)

P_r2=K·cosα₂          (2)

P_r3=K·cosα₃          (3)

$K=P_t\frac{g_t\left(\mathrm{\β}\right)A_r}{d^2\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}{2\mathrm{\πg}}_t\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}}---\left(4\right)$

如图3解析几何示意图所示，光电接收面1、接收面2和接收面3的法线分别为L₁、L₂和L₃。定位接收模型通过附加的电子罗盘可以得到模型当前的倾角和方位角，分别是0°和36°，其中方位角表示为光电接收面1的法线方向为南偏东36°。经过分析可以将cosα_i表示成接收模型与LED光源的水平距离r和接收模型相对于LED光源的水平方位角φ₁的表达式

${\cos \mathrm{\α}}_1=\frac{r\cos {\mathrm{\φ}}_1}{d}=\frac{r\cos {\mathrm{\φ}}_1}{\sqrt{r^2+h^2}}---\left(5\right)$

${\cos \mathrm{\α}}_2=\frac{{r\sin \mathrm{\φ}}_1}{d}=\frac{{r\sin \mathrm{\φ}}_1}{\sqrt{r^2+h^2}}---\left(6\right)$

${\cos \mathrm{\α}}_3=\frac{h}{d}=\frac{h}{\sqrt{r^2+h^2}}---\left(7\right)$

由上述表达式可以推导出，接收模型通过将光电接收面2与光电接收面1的平均光功率作商可以求得接收模型相对于LED光源的水平方位角φ₁，进而将光电接收面3与光电接收面2的平均光功率作商可以求得接收模型与LED光源的水平距离r。

通过解析该LED可见光信号广播的地理位置，最终求得接收模型当前的地理位置为：相对光源LED_A北偏西36°+φ₁方向上距离光源水平半径为r的位置。

本实例中求解地理位置过程中并未涉及光电接收面的绝对平均光功率值，通过采用将光功率值作商间接求解的算法巧妙地避免了其他因素对光功率绝对值的影响，算法实现简单。

Claims (1)

1.基于LED的室内可见光精确定位接收模型的定位方法，所述接收模型包括组成六面以上多面体的至少5个等面积光电接收器，所述光电接收器的尺径远小于其相对于LED光源的距离，各个光电接收器接收单元朝外，多面体的底面用于固定模型，其余各个面均为光电接收面，各个光电接收器接收的平均光功率信号均输入至终端处理设备，终端处理设备同时接收来自电子罗盘单元的模型的倾角和方位角当前取值，所述接收模型进入到LED光源照明区域内时，至少有3个光电接收面接收到有效的LED可见光信号；

光电接收器接收到的来自LED可见光照明光源的平均光功率是

$P_r=\frac{g_t\left(\mathrm{\β}\right)A_r\cos \mathrm{\α}}{d^2\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}2\mathrm{\π}{g}_t\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}}{P}_t$

其中，β为光源中心线与光源-接收面连线之间的夹角，g_t(θ)为LED光源光强分布函数，A_r为光电接收器有效面积，α为接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角，d为光源与接收面之间的距离，θ_max为LED光源最大的照明半角，P_t为LED光源的发射光功率；

不同方位光电接收器接收到的平均光功率P_r变化仅与接收面法线与光源-接收面连线之间的夹角α有关：

$P_{\mathrm{ri}}=K\·\cos {\mathrm{\α}}_i,K=P_t\frac{g_t\left(\mathrm{\β}\right)A_r}{d^2\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}}2\mathrm{\π}{g}_t\left(\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\θd\θ}}$

因此，接收模型中的光电接收器接收到的平均光功率为：

P_r1＝K·cosα₁

P_r2＝K·cosα₂

P_r3＝K·cosα₃

......

P_rn＝K·cosα_n

根据电子罗盘单元测得的接收模型倾角和方位角Ψ，可将cosα表示为接收模型相对于LED光源的水平距离r与接收模型相对于LED光源的水平方位角φ两个未知变量的表达式，因此当至少3个不同方位光电接收器接收到有效信号时，即可计算得到接收模型当前的精确地理位置；

其特征在于，

所述多面体为正方体，电子罗盘得到模型当前的倾角为0°，方位角为36°，其中方位角表示为第一个光电接收面的法线方向为南偏东36°，有3个不同方位光电接收器接收到有效信号，则cosα_i表示为

$\cos {\mathrm{\α}}_1=\frac{r\cos {\mathrm{\φ}}_1}{d}=\frac{r\cos {\mathrm{\φ}}_1}{\sqrt{r^2+h^2}}$

$\cos {\mathrm{\α}}_2=\frac{r\sin {\mathrm{\φ}}_1}{d}=\frac{r\sin {\mathrm{\φ}}_1}{\sqrt{r^2+h^2}}$

$\cos {\mathrm{\α}}_3=\frac{h}{d}=\frac{h}{\sqrt{r^2+h^2}}$

接收模型通过将第一个光电接收面与第二个光电接收面的平均光功率作商求得接收模型相对于LED光源的水平方位角φ₁，进而将第三个光电接收面与第二个光电接收面或第一个光电接收面的平均光功率作商可以求得接收模型与LED光源的水平距离r，得到接收模型当前的精确地理位置。