CN103809157B - 基于接收器方向的动态室内可见光二维定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于接收器方向的动态室内可见光二维定位系统及方法，包括下行接收、发送模块和上行接收、发送模块，其中，下行发送模块包括下行发送FPGA、驱动电路、白光LED；下行接收模块包括光电探测器、传感器、下行接收FPGA；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、上行接收FPGA。下行接收模块通过其光电探测器测量到的接收器接收到的光强度信息以及传感器测量到的接收器的方向信息，采用二维动态室内定位算法获得接收器的二维坐标，实现室内精确定位。本发明所提供的定位系统及相对于现有的定位系统具有低成本，应用环境灵活等优点。

Description

基于接收器方向的动态室内可见光二维定位系统及方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，具体地，涉及一种基于接收器方向的动态室内可见光二维定位系统及方法。

背景技术

当前，基于全球定位系统（Global Position System,GPS）的室外定位导航服务已经应用到我们生活的方方面面。然而由于多径衰落和其他无线电设备的干扰，GPS在室内或者人口密集的地方很难达到理想的效果。因此，对于室内环境下的定位导航服务，需要一种新的定位系统。

目前用于室内定位的技术主要有超声波技术、红外技术、蓝牙技术、射频识别技术等，这些定位系统需要在室内增加新的设备投入，成本比较高，不便于普及。而基于Wi-Fi技术的室内定位方案，由于无线信号具有电磁辐射，所以难以应用到医院、机场等对电磁辐射比较敏感的环境；并且无线信号在室内多径干扰比较严重，定位精度不高。

基于可见光通信（Visible Light Communication,VLC）技术的室内定位方案由于利用半导体发光二极管(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，信噪比比较高，多径干扰比较小，因此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室内VLC网络相兼容，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技术的室内定位系统将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的室内定位算法至少需要三个LED才能工作。所以在一些特殊场合，比如小的房间、楼梯和走廊，其周围LED的数量一般少于三个，或者在比较复杂的室内环境，被测点能接收到的LED灯的数量一般也少于三个。这样的话，以上的精确定位算法就不能实现。邻近算法虽然只用一个LED，但其精度有限，难以实现精确定位。

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。该算法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，即使AOA定位算法失效，系统也可以由邻近算法提供一个粗略的定位。而且AOA算法只需要两个参考点（LED）就可以工作，相对于其他的定位算法，该算法对环境的要求相对比较低。缺点是AOA算法要求接受器必须具备对入射光线的方位角和顶角的感知能力，因此需要成本比较高的传感器。在一些成本受限的应用场景中，该定位系统不太适用。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提出了一种基于接收器方向的动态室内可见光二维定位系统及方法。采用本定位系统和方法，在同样两个参考点的情况下，系统不需要对入射光的角度进行测量，只需采用动态定位算法，接收器就可以获得精确的定位。因此，本发明的定位方案在保持AOA定位算法的环境适应能力强的优点的同时，在成本上具有比较大的优势。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于接收器方向的动态室内可见光二维定位系统，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，该信号帧包含了该白光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：光电探测器、传感器和下行接收FPGA；所述光电探测器测量接收器接收到的光强度信息，所述传感器测量接收器的方向，所述下行接收FPGA根据光电探测器和传感器测量的信息计算出接收器的二维位置坐标；

所述上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路、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保存管理。

所述下行发送FPGA和上行接收FPGA可通过一个FPGA实现。

所述上行发送FPGA和下行接收FPGA可通过一个FPGA实现。

所述下行接收模块中的传感器为可以测量接收器移动方向的任何传感器。

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。

一种基于接收器方向的动态室内可见光二维定位方法，采用上述的定位系统来实现，由所述下行接收FPGA根据所述光电探测器测量到的接收器接收到的光强度信息以及传感器测量到的接收器的方向，通过二维动态室内定位算法进行定位，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。

定位算法中接收器移动的距离由光电探测器的分辨率确定，即移动的距离应满足使光电探测器能够检测出入射光强度的最小变化。

与现有技术相比，本发明具有如下的显著优点：

1）本发明所提供的定位方案算法简单、操作方便，不需要其他定位技术进行辅助。

2）本发明所提供的定位方案相对于传统的三角定位算法，只需两个参考点，因此系统可以获得更好的环境适应能力。

3）本发明所提供的定位方案相对于AOA定位系统，接收器比较简单，没有昂贵的硬件设备，因此成本比较低，便于普及。

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为本发明所公开的定位系统框图；

图2为本发明所公开的定位算法的立体原理图；

图3为本发明所公开的定位算法的房间平面原理图。

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。

本发明的定位系统如图1所示，包括基于VLC（可见光通信系统）的下行发送模块、下行接收模块形成的下行链路、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、驱动电路和白光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：PD（光电探测器）、传感器、下行接收FPGA和显示模块。

PD测量接收器接收到的光强度信息；传感器测量接收器的方向；下行接收FPGA根据PD和传感器测量的信息，计算出接收器的二维位置坐标；显示模块将计算出来的位置坐标进行显示。

上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路和红外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保存管理。

本发明中，发射端LED发射具有调制定位信息的白光，该定位信息指的是白光LED在室内的位置坐标。接收器通过光电探测器（Photoelectric Diode，PD）检测两个白光LED在接收器上的光强度并通过传感器检测接收器的方向。然后由下行接收FPGA计算得到接收器的二维位置坐标。接收器将计算出来的位置坐标通过基于红外的VLC上行链路发送到上行接收FPGA上。该上行接收FPGA对室内接收器的位置进行管理，从而实现对接收器的定位与追踪。

本发明中，下行接收FPGA通过二维动态定位算法计算得到接收器的二维位置坐标，具体如图2和图3所示，两个白光LED在水平面上的投影分别为O₁和O₂，接收器的投影为MU。由接收器接收到的两个白光LED的光强度，根据RSS算法可以计算得到接收器到两个白光LED的距离d。白光LED与接收器的垂直距离为已知条件，设为h。由此可以计算得到水平面上，接收器的投影到两白光LED投影之间的距离r₁与r₂。两白光LED的二维坐标已知，设为O₁(a,b)和O₂(c,d)。因此以O₁和O₂为圆心，以r₁和r₂为半径的两个圆的交点由式（1）给出，标记为P₁点和P₂点。

$\left\{\begin{array}{c}{(x-a)}^2-{(y-b)}^2=r_1^2\\ {(x-c)}^2-{(x-d)}^2=r_2^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

此时，将接收器沿任一方向移动一段距离，即图3中接收器由P₁点移动到了Q₁点。重复以上过程，得到Q₁和Q₂的坐标。根据传感器测得的接收器移动方向，可以确定Q₁点的坐标即为接收器最新的二维位置坐标。

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 (6)

1.一种基于接收器方向的动态室内可见光二维定位方法，其特征在于，采用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构成的系统来执行，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，该信号帧包含了该白光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：光电探测器、传感器和下行接收FPGA；所述光电探测器测量接收器接收到的光强度信息，所述传感器测量接收器的方向，所述下行接收FPGA根据光电探测器和传感器测量的信息计算出接收器的二维位置坐标；

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保存管理；

由下行接收FPGA根据光电探测器测量到的接收器接收到的光强度信息以及传感器测量到的接收器的方向，通过二维动态室内定位算法进行定位，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。

2.根据权利要求1所述的基于接收器方向的动态室内可见光二维定位方法，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所述的基于接收器方向的动态室内可见光二维定位方法，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1所述的基于接收器方向的动态室内可见光二维定位方法，其特征在于，所述下行接收模块中的传感器是能够测量接收器移动方向的任何传感器。

5.根据权利要求1所述的基于接收器方向的动态室内可见光二维定位方法，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。

6.根据权利要求1所述的基于接收器方向的动态室内可见光二维定位方法，其特征在于，接收器移动的距离满足使所述光电探测器能够检测到入射光强度的最小变化。