CN103808319B - 基于惯性定位和vlc技术的室内混合定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统及方法，基于VLC技术的室内定位系统包括下行收发模块和上行收发模块，下行发送模块包括：下行发送FPGA、驱动电路、白光LED；下行接收模块包括：VLC定位传感器、下行接收FPGA和显示模块；上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路、红外LED；上行接收模块包括：红外接收模块和上行接收FPGA；基于惯性定位的系统包括：陀螺仪，加速度传感器和FPGA。本发明将惯性定位系统用于室内定位领域，并与基于VLC技术的室内定位系统结合组成室内混合定位系统，不仅提高了定位系统的可靠性，而且使本定位系统可以应用在各种室内环境，因此本定位系统具有比较高的实用价值。

Description

基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统及方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，具体地，涉及一种基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统及方法。

背景技术

基于可见光通信（Visible Light Communication,VLC）技术的室内定位方案由于利用白色半导体发光二极管(Light Emitting Diode,LED)发射的白光作为定位信号的载体，因此没有电磁辐射，不受应用环境的限制；并且VLC的传输信道一般采用直射信道，因此信噪比比较高，多径干扰比较小，所以该定位方案可以达到比较高的精度；另外，基于VLC技术的室内定位系统与未来的VLC通信技术相兼容，因此不需要昂贵的硬件设备投入，成本比较低廉。综合以上各方面，基于VLC技术的室内定位技术将会是满足未来室内低成本、高精度、无处不在的定位方案。

目前，基于VLC技术的室内定位算法主要有三角定位算法、场景分析算法和邻近算法。在复杂的室内环境下，由于各种固定和移动的物体干扰，单一的定位算法很难获得比较高的可靠性。因此，对VLC定位技术的研究，逐渐趋向于混合定位算法上。混合定位算法是将两个或者两个以上的定位算法集成在一起，充分发挥各自的优点，以提高定位系统的精度以及可靠性。

经文献检索发现，G.B.Prince,T.D.C.Little等人于2012年在《GlobalCommunications Conference(GLOBECOM)》上发表了“A Two Phase Hybrid RSS/AOA Algorithmfor Indoor Device Localization Using Visible Light”的文章，文章提出了一种由基于RSS（Received Signal Strength）的邻近定位算法和基于AOA（Angle of Arrival）的三角定位算法组成的混合定位算法。该混合算法是将三角定位算法中的AOA算法作为精确定位算法，而基于RSS算法的邻近算法作为辅助定位算法。该算法的操作过程如下：首先由邻近算法根据接收的光强度来粗略的判断接收器的位置，即接收最大的光强所来自的LED的位置为接收器的位置；然后利用接收器测量的入射光线的方位角和顶角，根据AOA算法进行精确的定位。该定位方案的优点是定位系统的可靠性高。在复杂的室内环境下，当其中一个LED的光线被遮挡，AOA定位算法失效，系统也可以由一个LED，根据邻近算法提供一个粗略的定位。缺点是辅助定位算法的定位误差太大，而且对于室内一些LED直射光线不能到达的地方，该混合定位算法将不能使用。

因此，对于VLC室内定位技术，要满足实际应用的需要，就需要发展一种新的室内辅助定位方案。该辅助定位方案可以不依赖VLC技术，以满足室内各种环境的应用需求，而且还要有比较高的定位精度以及便携性、低成本的优点。

惯性定位系统在基于GPS的室外定位环境下，作为一种辅助定位方案，已经得到了比较广泛的应用。该定位系统的原理是利用陀螺仪和加速度传感器，测得物体移动的方向和距离，由物体初始位置求得其移动后的位置坐标。该定位算法简单且便于实现，但缺点是算法存在累计误差，定位精度不高。惯性定位虽然在室外环境得到广泛的应用，但在室内定位领域，还未见有报道。因此将惯性定位技术引入到的VLC室内定位系统中，将对VLC室内定位技术的使用化起到比较大的推动作用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统及方法。采用本发明所提供的定位系统及方法，使用者在室内的任何环境下都可以获得精确的、可靠性高的定位服务。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于，

所述基于VLC技术的室内定位系统包括主要由下行发送模块和下行接收模块形成的可见光下行链路以及主要由上行发送模块和上行接收模块形成的可见光上行链路；其中：

所述下行发送模块包括：下行发送FPGA、驱动电路和白光LED；所述下行发送FPGA用来产生白光LED发送的信号帧，该信号帧包含了白光LED在室内的位置信息，所述驱动电路为白光LED提供合适的直流偏置，并把发送信号调制在白光LED的驱动电流上，所述白光LED将调制后的信号以白光形式发射出去；

所述下行接收模块包括：VLC定位传感器、下行接收FPGA和显示模块；所述VLC定位传感器将光强度信号或者角度信号转变为电信号，发送给所述下行接收FPGA，由所述下行接收FPGA计算出接收器的位置信息；

所述上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路和红外LED；所述上行发送FPGA用于产生上行发送的信号帧，该信号帧包含了接收器的位置信息，所述驱动电路与所述红外LED将信号调制到红外LED驱动电流上并以红外线的形式发送出去；

所述上行接收模块包括：红外接收模块和上行接收FPGA；所述红外接收模块从接收到的红外线中提取出接收器的位置信息，所述上行接收FPGA将接收器的位置信息进行管理保存；

所述基于惯性定位的系统包括：陀螺仪、加速度传感器、FPGA；所述陀螺仪用于测量接收器的移动方向；所述加速度传感器用于测量接收器的移动距离，所述FPGA负责惯性定位算法的软件实现以及两定位系统定位结果的选择。

所述下行发送FPGA和上行接收FPGA通过一个FPGA实现。

所述上行发送FPGA和下行接收FPGA通过一个FPGA实现。

所述下行接收FPGA和惯性定位系统中的FPGA通过一个FPGA实现。

所述下行接收模块中的VLC定位传感器为可以测量接收器入射光线光强度或者方位角和顶角的任何传感器。

所述下行接收模块还包括显示模块，所述显示模块将计算出来的位置坐标进行显示。

一种基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位方法，采用上述的定位系统来实现，在接收器可以接收到LED直射光线的室内环境下，定位结果由VLC室内定位系统提供；当接收器进入到室内没有直射光线的阴影区域时，定位结果由惯性定位系统提供，其中惯性定位系统所需的初始位置，由VLC室内定位系统提供。

所述基于VLC技术的室内定位系统，通过三维动态室内定位算法进行定位计算，具体是：首先，接收器通过VLC定位传感器接收到某个白光LED发射的光信号，由RSS算法计算出在水平面上接收器的投影到该白光LED投影之间的距离，由此可以求得以该白光LED投影为圆心，以接收器投影到该白光LED投影之间的距离为半径的圆方程，同时，由VLC定位传感器测得的入射光线的方位角，可以计算得到接收器投影与该白光LED投影所在直线的方程，由该两个方程可以求得交点坐标，然后，将接收器沿任一方向移动一段距离，该方向由VLC定位传感器测得，接收器在新的位置上重复以上算法过程，由所得到的方程组计算出接收器的三维位置坐标。

所述基于VLC技术的室内定位系统，通过二维动态室内定位算法进行定位计算，具体是：首先，接收器根据接收到的两个不同位置白光LED发射的光强度，由RSS算法计算出在水平面上接收器的投影到两个白光LED投影之间的距离，由几何关系可知，接收器在水平面上的投影为以白光LED投影为圆心，以接收器投影与白光LED投影之间距离为半径的两个圆的交点，该交点坐标可由两个圆方程求得，然后，将接收器沿某一方向移动一段距离，到达新的位置，重复以上过程，获得新的交点坐标，最后通过VLC定位传感器测得接收器的移动方向，获得接收器的二维位置坐标。

所述基于惯性定位系统的具体算法如下：假设接收器的初始位置为（a,b），由接收器的移动方向可得该方向所在直线在参考坐标系中的斜率，假设为K，由加速度传感器测得接收器移动距离为D，则由下列方程求得接收器新的位置坐标：

$\left\{\begin{array}{c}y-b=k(x-a)\\ {(x-a)}^2+{(y-b)}^2=D^2\end{array}.\right.$

与现有技术相比，本发明具有如下的显著优点：

1.本发明所采用的定位方案相对于其他基于VLC的室内定位方案，具有定位精度高、成本低的优点；

2.本发明所采用的惯性定位算法相对于传统的惯性定位算法，由于其初始位置不断由VLC定位系统进行矫正，因此累计误差比较小；

3.本发明所采用的混合定位方案所需硬件设备，在现有的移动终端都已集成，因此本定位系统便于普及；

4.本发明所提供的混合定位系统可以适用于各种室内环境，因此具有可靠性高，应用范围广泛等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所提供的室内混合定位系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的混合定位系统如图1所示，包括基于VLC技术的室内定位系统和基于惯性定位的室内辅助定位系统。

基于VLC技术的室内定位系统，包括由VLC系统的下行发送模块和下行接收模块形成的下行链路，还包括由上行发送模块和上行接收模块形成的上行链路。

下行发送模块包括：下行发送FPGA、驱动电路、白光LED；

下行发送FPGA用来产生LED发送的信号帧，该信号帧包含了该LED在室内的位置信息。驱动电路为LED提供合适的直流偏置，并把发送信号调制在LED的驱动电流上。白光LED将调制后的信号以白光形式发射出去。

下行接收模块包括：VLC定位传感器、下行接收FPGA和显示模块；

VLC定位传感器将定位算法所需的光强度信号或者角度信号转变为电信号，以便定位算法处理。下行接收FPGA负责定位算法的软件实现。显示模块将定位算法计算出的位置结果进行显示。

上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路、红外LED；

上行发送FPGA用于产生上行发送的信号帧，该信号帧包含了接收器的位置信息。驱动电路与红外LED将信号调制到红外LED驱动电流上并以红外线的形式发送出去。

上行接收模块包括：红外接收模块和上行接收FPGA；

红外接收模块从接收到的红外线中提取出接收器的位置信息。上行接收FPGA将接收器的位置信息进行管理保存。

基于惯性定位的室内辅助定位系统包括：陀螺仪、加速度传感器、FPGA；

陀螺仪用于测量接收器的移动方向；加速度传感器用于接收器的移动距离，FPGA负责惯性定位算法的软件实现以及两定位系统定位结果的选择。

基于VLC技术的室内定位方法，可通过二维/三维动态室内定位算法进行定位计算。也可以由各种传统的基于VLC技术的室内定位系统来实现。

惯性定位算法描述如下：假设接收器的初始位置为（a,b）；由接收器的移动方向可得该方向所在直线在参考坐标系中的斜率，假设为K；由加速度传感器测得接收器移动距离为D。则由下列方程求得接收器新的位置坐标：

$\left\{\begin{array}{c}y-b=k(x-a)\\ {(x-a)}^2+{(y-b)}^2=D^2\end{array}.\right.$

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于，

基于VLC技术的室内定位系统包括主要由下行发送模块和下行接收模块形成的可见光下行链路以及主要由上行发送模块和上行接收模块形成的可见光上行链路；其中：

所述下行发送模块包括：下行发送FPGA、驱动电路和白光LED；所述下行发送FPGA用来产生白光LED发送的信号帧，该信号帧包含了白光LED在室内的位置信息，所述驱动电路为白光LED提供合适的直流偏置，并把发送信号调制在白光LED的驱动电流上，所述白光LED将调制后的信号以白光形式发射出去；

所述下行接收模块包括：VLC定位传感器、下行接收FPGA和显示模块；所述VLC定位传感器将光强度信号或者光角度信号转变为电信号，发送给所述下行接收FPGA，由所述下行接收FPGA计算出接收器的位置信息；

所述上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路和红外LED；所述上行发送FPGA用于产生上行发送的信号帧，该信号帧包含了接收器的位置信息，所述驱动电路与所述红外LED将信号调制到红外LED驱动电流上并以红外线的形式发送出去；

所述上行接收模块包括：红外接收模块和上行接收FPGA；所述红外接收模块从接收到的红外线中提取出接收器的位置信息，所述上行接收FPGA将接收器的位置信息进行管理保存；

基于惯性定位的系统包括：陀螺仪、加速度传感器、FPGA；所述陀螺仪用于测量接收器的移动方向；所述加速度传感器用于测量接收器的移动距离，所述FPGA负责惯性定位算法的软件实现以及两定位系统定位结果的选择。

2.根据权利要求1所述的基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于，所述下行发送FPGA和上行接收FPGA通过一个FPGA实现。

3.根据权利要求1所述的基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于，所述上行发送FPGA和下行接收FPGA通过一个FPGA实现。

4.根据权利要求3所述的基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于，所述下行接收FPGA和惯性定位系统中的FPGA通过一个FPGA实现。

5.根据权利要求1所述的基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于，所述下行接收模块中的VLC定位传感器是能够测量接收器入射光线光强度或者方位角和顶角的任何传感器。

6.根据权利要求1所述的基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，其特征在于，所述下行接收模块还包括显示模块，所述显示模块将计算出来的位置坐标进行显示。

7.一种基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任一所述的定位系统来实现，在接收器可以接收到LED直射光线的室内环境下，定位结果由VLC室内定位系统提供；当接收器进入到室内没有直射光线的阴影区域时，定位结果由惯性定位系统提供，其中惯性定位系统所需的初始位置，由VLC室内定位系统提供。

8.根据权利要求7所述的基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位方法，其特征在于，基于VLC技术的室内定位系统，通过三维动态室内定位算法进行定位计算，具体是：首先，接收器通过VLC定位传感器接收到某个白光LED发射的光信号，由RSS算法计算出在水平面上接收器的投影到该白光LED投影之间的距离，由此可以求得以该白光LED投影为圆心，以接收器投影到该白光LED投影之间的距离为半径的圆方程，同时，由VLC定位传感器测得的入射光线的方位角，可以计算得到接收器投影与该白光LED投影所在直线的方程，由该两个方程可以求得交点坐标，然后，将接收器沿任一方向移动一段距离，该方向由VLC定位传感器测得，接收器在新的位置上重复以上算法过程，由所得到的方程组计算出接收器的三维位置坐标。

9.根据权利要求7所述的基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位方法，其特征在于，基于VLC技术的室内定位系统，通过二维动态室内定位算法进行定位计算，具体是：首先，接收器根据接收到的两个不同位置白光LED发射的光强度，由RSS算法计算出在水平面上接收器的投影到两个白光LED投影之间的距离，由几何关系可知，接收器在水平面上的投影为以白光LED投影为圆心，以接收器投影与白光LED投影之间距离为半径的两个圆的交点，该交点坐标可由两个圆方程求得，然后，将接收器沿某一方向移动一段距离，到达新的位置，重复以上过程，获得新的交点坐标，最后通过VLC定位传感器测得接收器的移动方向，获得接收器的二维位置坐标。

10.根据权利要求7所述的基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位方法，其特征在于，基于惯性定位系统的具体算法如下：假设接收器的初始位置为(a,b)，由接收器的移动方向可得该方向所在直线在参考坐标系中的斜率，假设为K，由加速度传感器测得接收器移动距离为D，则由下列方程求得接收器新的位置坐标：

$\left\{\begin{array}{c}y-b=k(x-a)\\ {(x-a)}^2+{(y-b)}^2=D^2\end{array}\right..$