CN104020445A - 基于频率标签法的室内激光定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率标签法的室内激光定位系统，频率标签算法模块用于完成对定位光源发射的已调制激光的解调，并根据激光频率和需定位区域位置坐标的对应关系确定定位终端的位置；定位光源调制并发射激光束阵列，在需定位位置形成带有不同频率标签的激光光斑，供定位终端检测和处理；定位终端接收定位光源发射的不同频率的激光，在滤光、光电转换和A/D转换后捕捉其频率信息，并利用频率标签算法实现定位。本发明采用了激光作为信号的载波，有助于提供可靠稳定的定位服务；采用频率标签的方法，根据定位终端接收到的激光调制光的频率确定位置；定位光源产生的光斑尺寸定位精度达到厘米级；易于硬件实现和转化为产品进行推广使用。

Description

基于频率标签法的室内激光定位系统

技术领域

本发明属于导航技术领域，特别涉及频率标签法的室内定位技术，用于进行基于频率标签法的室内激光定位。 

背景技术

相比室外导航定位的蓬勃发展和广泛应用，室内导航定位技术的发展相对迟缓。随着人们对于导航服务的要求越来越高，研究者进行了室内导航定位的一些研究和尝试，提出了一些室内定位技术。常用的室内定位技术有基于超声波的室内定位技术，基于红外线的室内定位技术，基于超宽带的室内定位技术，射频识别定位技术等。例如，芬兰的一些工程师利用非均匀的磁场环境会因其路径不同产生不同的磁场观测结果这一原理，提出IndoorAtlas技术进行室内导航。该技术使用客户端实地记录目标地点不同方位的地磁场，地磁数据上传至云端，其他人利用已经记录过的地磁进行精确室内导航。再如，CSRPlc.在2011年底推出了其SiRFusion定位平台和SiRFstarV架构。SiRFusion定位平台和SiRFstarV架构通过从包括GPS、伽利略、格洛纳斯和北斗卫星在内的导航系统中收集信息并使用多种射频系统，如wifi和蜂窝网以及多种MEMS传感器，如加速计、陀螺仪和指南针。然后，将这些实时信息与星历表数据、绘图、蜂窝基站、wifi接入点未知数据以及其他云服务的辅助信息结合在一起，实现室内导航与室外导航的无缝衔接。除此之外，还有一些论文在进行室内导航的方法上做了一定的探究。主要研究有： 

1、“夏英,王磊,刘兆宏.基于无线局域网接收信号强度分析的混合室内定位方法[J].重庆邮电大学学报,2012(02).”在无线局域网的基础上，将三角定位算法和指纹定位算法这两种传统算法结合起来，进行混合室内定位。 

2、“王琦.基于RSSI测距的室内定位技术[J].电子科技,2012(06).”基于ZigBee技术的室内定位实验平台，在室内场景下进行接收信号长度(RSSI)测 距和定位实验研究。对测距实验采集到的数据使用线性回归分析拟合出当前环境的具体测距模型，并对信标和未知节点进行软件开发，平均定位误差为2.3m。 

3、“汪苑，林锦国，卓晓冬.基于ZigBee与加权质心法的室内定位方案研究[J].机床与液压,2012(01).”采用基于RSSI的测距原理，通过分析数据包信息选取与待测节点距离较近的参考节点连成一块区域，引入加权因子，进行质心坐标计算，从而得出未知节点的位置坐标。 

4、“袁正午,王丹丹.基于射线跟踪和voronoi图的室内定位算法[J].计算机应用研究,2013(01).”在LBS服务的基础上，利用voronoi图势力范围特性和局域动态特性，大大减少了离线阶段中射线与物体的求交次数，同时利用voronoi图一级邻接点的特点，减少了在线阶段的匹配计算量。 

上述研究所涉及的室内定位方法均离不开网络的支持，网络信号的强弱直接影响定位结果，甚至是在网络信号较差的地方系统便无法顺利工作。另外，它们需要极其繁琐复杂的信息采集过程和信息搜索匹配过程，需要建立庞大的数据库，定位的实时性也有待提高。因此，建立能够独立于网络支持,对其他信号依赖性弱且相对简单、稳定的室内定位系统具有重要意义。 

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于频率标签法的室内激光定位系统，以建立能够脱离有线或无线网络条件，同时对其他信号依赖性弱且相对简单、稳定的室内定位系统。 

为实现上述目的，本发明系统包括： 

频率标签算法模块，用于检测定位光源发射的不同调制频率的激光，根据激光频率和需定位区域位置坐标的对应关系确定定位终端的位置,实现定位； 

定位光源，用于产生和发射被调制到不同频率上的激光阵列，通过在已标定坐标的需定位区域上投影大小相同的圆形光斑实现对定位区域添加频率标签，供定位终端检测和处理； 

定位终端，用于接收由定位光源发射的不同频率的激光，在对其进行滤光、光电转换和A/D转换后利用频率标签算法得出定位终端的位置信息并显示。 

所述的频率标签算法：设XOY平面内需定位区域为M，设定位光源激光发射阵列中的激光发射单元为S₁,S₂,...,S_N，N个激光发射单元中每个激光调制信号的频率为f＝f_n；n＝1,2,...,N；发射的N束激光在M上形成N个同样大小的圆光斑。N＝N₁×N₂,N₁为每行圆光斑的数量，N₂为每列圆光斑的数量。设圆光斑的半径为r，第一个圆光斑圆心坐标为(0,0)，则N个圆光斑的圆心坐标写为矩阵形式为： 

${\mathrm{XOY}}_1=\left[\begin{array}{ccccc}\left(\mathrm{0,0}\right),(2r,0),& .& .& .& ,(2(N_1-1)r,0)\\ (r,r),(3r,r),& .& .& .& ,((2N_1-1)r,r)\\ \left(\mathrm{0,2}r\right),(2r,2r),& .& .& .& ,(2(N_1-1)r,2r)\\ (r,3r),(3r,3r),& .& .& .& ,(({2N}_1-1)r,3r)\\ .& & & & \\ .& & & & \\ .& & & & \\ (0,(N_2-2)r),(2r,(N_2-2)r),& .& .& .& ,(2(N_1-1)r,(N_2-2)r)\\ (r,(N_2-1)r),(3r,(N_2-1)r),& .& .& .& ,(({2N}_1-1)r,(N_2-2)r)\end{array}\right]---\left(1\right)$

覆盖到定位区域M中的圆光斑中，相邻的五个光斑有重叠的部分，设重叠部分的面积为M₁，偶数行中的圆光斑除开重叠部分剩下的面积为M₂，已知光斑的半径为r，则有： 

$M_1=[\frac{\mathrm{\π}}{2}-1]r^2,M_2=\mathrm{\π}{r}^2-4\×[\frac{\mathrm{\π}}{2}-1]r^2---\left(2\right)$

则位置分辨率为或最小位置分辨率为重叠部分几何中心的坐标矩阵为： 

${\mathrm{XOY}}_2=\left[\begin{array}{ccccc}(\frac{1}{2}r,\frac{1}{2}r),(\frac{3}{2}r,\frac{1}{2}r),& .& .& .& ,(\frac{(2N_1-1)r}{2},\frac{1}{2}r)\\ (\frac{1}{2}r,\frac{3}{2}r),(\frac{3}{2}r,\frac{3}{2}r),& .& .& .& ,(\frac{(2N_1-1)r}{2},\frac{3}{2}r)\\ .& & & & \\ .& & & & \\ .& & & & \\ (\frac{1}{2}r,\frac{2N_2-1}{2}r),(\frac{3}{2}r,\frac{{2N}_2-1}{2}r),& .& .& .& ,(\frac{({2N}_1-1)r}{2},\frac{({2N}_2-1)r}{2})\end{array}\right]---\left(3\right)$

如上所述，N个激光发射单元中每个激光调制信号的频率为f＝f_n,n＝1,2,...,N；写为矩阵形式为： 

$F=\left[\begin{array}{ccccc}{f}_1,f_2,& .& .& .& ,f_{N_1-1},f_{N_1}\\ f_{N_1+1},f_{N_1+2},& .& .& .& ,f_{{2N}_1-1},f_{{2N}_1}\\ .& & & & \\ .& & & & \\ .& & & & \\ f_{(N_2-1)N_1},f_{(N_2-1)N_1+1},& .& .& .& ,f_{N_2{N}_1-1},f_{N_2{N}_1}\end{array}\right]---\left(4\right)$

式(4)称为频率标签矩阵F。设激光发射阵列中激光调制信号的最低频率为f_L,最高频率为f_H，则发射阵列中激光调制信号的频率间隔为Δf＝f_H-f_L/N，那么区域中定位传感器的频率分辨率最小应为f_H-f_L/(N-1)，才能分辩出定位传感器所处的圆光斑；当定位传感器处于M1中时，会接收到两种不同频率的激光调制光，若定位传感器解调出的频率数为f₁'和f₂'，则有|f₁'-f₂'|＝N₁Δf或|f₁'-f₂'|＝(N₁-1)Δf。由此,根据频率标签矩阵F和坐标矩阵XOY₁、XOY₂的对应关系,确定系统所处的位置。 

所述的定位光源：安装于需定位的室内，最理想的位置是与用户移动面平行的平面上，例如，在大型室内停车场，定位光源应位于天花板上，其投影光束与地面垂直；在该模拟系统中我们使用激光器作为光源，最理想的光源是找到一种既有准直性好，亮度高，相干性好，对人体无伤害的新型光源；该定位光源包括：第一FPGA芯片，用于控制核心实现DDS内核，配合外部DAC电路产生激光调制所需的不同信号的正弦信号，作为激光调制信号使用；DDS内核单元，产生激光调制所需的数字正弦序列；DAC单元，用于将DDS产生的数字正弦序列转变成相应的模拟阶梯波信号；平滑滤波单元，用于将DAC后的模拟阶梯波信号转变为平滑的模拟正弦信号；激光调制发射单元，利用平滑滤波器输出的模拟正弦信号对激光器中激光二极管的光功率进行调节。 

所述的定位终端，包括：前端滤光单元、光电接收转换单元、ADC单元、第二FPGA芯片和显示单元；前端滤波单元，用于减小其他光线对光电接收转换电 路产生的干扰，将滤波后的信号传给光电接收转换单元；光电接收转换单元，用于接收激光调制光，并将光信号转换为相应的电压信号并输出到ADC单元；ADC单元，用于对电压信号进行采集量化；该FPGA芯片，用于控制ADC单元进行采集、量化，并且根据其结果利用频率标签法计算位置坐标；显示单元，用于显示定位终端的位置信息。 

本发明具有如下优点： 

1.本发明采用了激光作为信号的载波，借助于激光准直性高和抗干扰性强的特点，有助于提供可靠稳定的定位服务； 

2.本发明采用了频率标签的方法，仅根据定位终端接收到的激光调制光的频率确定位置，无其他影响因子，使定位结果不易受到其他因素的影响； 

3.本发明所涉及核心技术较为简单，易于硬件实现和转化为产品进行推广使用； 

4.本发明中定位光源产生的光斑尺寸决定了其定位精度，在一定条件下定位精度可以达到厘米级；另外，改变光斑尺寸可以满足不同应用环境的精度需求； 

5.本发明中的频率标签法，既可以独立应用于室内定位服务，也可以与其他导航定位技术相结合，提供更加完善的导航定位服务。 

附图说明

图1是本发明实施例提供的系统原理框图； 

图2是本发明实施例提供的系统中频率标签算法流程图； 

图3是本发明实施例提供的系统中定位光源结构图； 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。 

参照图1，本发明的室内激光定位系统包括频率标签算法、定位光源和定位终端。频率标签算法解调发射激光，根据频率标签矩阵和坐标矩阵的对应关系确定位置坐标。定位光源发射四路不同调制频率的激光，其调制信号的频率分别为750Hz，1KHz，1.25KHz，1.5KHz，在所需定位区域形成四个圆形光斑，供定位中端接收。定位终端接收激光阵列发射的激光，并捕捉其频率信息，利用频率标签法进行定位。 

参照图2，所述的频率标签算法，首先对定位传感器接收到的数据进行DFT运算，找到除直流外功率最大的点n₁和功率次大的点n₂，解算出n₁点的频率f₁和n₂点的频率f₂；若|f₁-f₂|＝N₂Δf或者|f₁-f₂|＝(N₂-1)Δf，则认为存在两个频率点；再在频率矩阵F中搜索f₁和f₂，并返回对应的行列号根据这两个行列号生成新的行列号最后根据新的行列号(r,c)在XOY₂矩阵中找到行列号所对应的元素，即为定位传感器所处位置的坐标；若|f₁-f₂|≠N₂Δf且|f₁-f₂|≠(N₂-1)Δf，则认为只有一个频率点f₁，在频率矩阵F中搜索f₁，并返回对应的行列号在XOY₁矩阵中找到行列号对应的元素，即为定位传感器所处位置的坐标。由此就确定了定位终端的位置坐标，实现了定位。 

参照图3，所述的定位光源包括：型号为XilinxSpartan-3系列XC3S400-4PQ208的第一FPGA芯片、D/A转换芯片、平滑滤波器模块和激光调制发射模块；该FPGA芯片内部逻辑包括DDS内核、D/A控制模块；DDS内核产生数字正弦序列，送至D/A转换芯片；D/A转换芯片将数字正弦序列转变成相应的模拟阶梯波信号，输出到平滑滤波器模块；平滑滤波器模块将模拟阶梯波信号转变为平滑的模拟正弦信号，送入激光调制发射模块；激光调制发射模块，对激光器中激光二极管的光功率进行调节并发射激光；该激光器使用波长633nm、出瞳功率0.4～5mw的红光半导体激光器。 

所述的FPGA最小系统：配置模式可切换为主串、从串、主并、从并模式，配置芯片为XilinxXCF02；时钟电路使用时钟缓冲分发芯片IDT49FCT805作为时钟缓冲，提高时钟稳定性和驱动能力；定位光源中FPGA系统时钟频率为32.768MHz，定位终端中FPGA系统时钟频率为24.576MHz。扩展FPGAUserIO 到外部接口，供扩展板使用。XC3S400FPGA最小系统需要三种供电电压+3.3V(FPGAuserIO)，+2.5V(配置芯片)和+1.2V(FPGA内核供电)。最小系统板输入电压为+5V，分别使用LM1117-3.3、LM1117-2.5和LM1117-1.2LDO(线性稳压电源)实现电压转换。 

所述的定位终端包括：定位传感器模块、A/D转换芯片、型号为Xilinx Spartan-3系列XC3S400-4PQ208的第二FPGA芯片和显示模块；定位传感器模块的滤光单元减小其他光线对后级光电转换单元的干扰；激光光电转换单元将滤光后的激光转换为相应的电压信号并送至A/D转换芯片；A/D转换芯片将其采集、量化并送至第二FPGA芯片；第二FPGA芯片内部逻辑包括FIFO模块，位置计算模块、A/D控制模块和显示控制模块；A/D控制模块控制A/D转换芯片对电压信号进行采集、量化，并将量化后的数据存入FIFO模块；位置计算模块从FIFO模块读取数据并计算位置坐标；在显示控制模块的控制下，显示模块显示位置坐标。 

本发明可以在实验条件下进行室内定位，同时本发明也可以与其它半物理仿真系统结合，用于组合导航系统的研究。 

上述给出了本发明的一个具体实例，FPGA构建的嵌入式处理器也可以使用其它具有类似功能的处理器实现，如DSP；红光激光器可以使用其它波长激光器代替，如绿光激光器；另外，光源的数目可以根据实际环境的需要进行调整；本领域研究人员可以根据实际条件选择合适的器件。 

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (8)

1.一种基于频率标签法的室内激光定位系统，其特征在于，所述基于频率标签法的室内激光定位系统包括:

频率标签算法模块，用于检测定位光源发射的不同调制频率的激光，根据激光频率和需定位区域位置坐标的对应关系确定定位终端的位置,实现定位；

定位光源，用于产生和发射被调制到不同频率上的激光阵列，通过在已标定坐标的需定位区域上投影大小相同的圆形光斑实现对定位区域添加频率标签，供定位终端检测和处理；

定位终端，用于接收由定位光源发射的不同频率的激光，在对进行滤光、光电转换和A/D转换后利用频率标签算法得出定位终端的位置信息并显示。

2.根据权利要求1所述的室内激光定位系统，其特征在于：所述频率标签算法模块采用的频率标签算法为:

XOY平面内需定位区域为M，定位光源激光发射阵列中的激光发射单元为S₁,S₂,...,S_N，N个激光发射单元中每个激光调制信号的频率为f＝f_n；n＝1,2,...,N；发射的N束激光在M上形成N个同样大小的圆光斑，N＝N₁×N₂,N₁为每行圆光斑的数量，N₂为每列圆光斑的数量；圆光斑的半径为r，第一个圆光斑圆心坐标为(0,0)，则N个圆光斑的圆心坐标写为矩阵形式为：

${\mathrm{XOY}}_1=\left[\begin{array}{ccccc}\left(\mathrm{0,0}\right),(2r,0),& .& .& .& ,(2(N_1-1)r,0)\\ (r,r),(3r,r),& .& .& .& ,((2N_1-1)r,r)\\ \left(\mathrm{0,2}r\right),(2r,2r),& .& .& .& ,(2(N_1-1)r,2r)\\ (r,3r),(3r,3r),& .& .& .& ,(({2N}_1-1)r,3r)\\ .& & & & \\ .& & & & \\ .& & & & \\ (0,(N_2-2)r),(2r,(N_2-2)r),& .& .& .& ,(2(N_1-1)r,(N_2-2)r)\\ (r,(N_2-1)r),(3r,(N_2-1)r),& .& .& .& ,(({2N}_1-1)r,(N_2-2)r)\end{array}\right]---\left(1\right)$

覆盖到定位区域M中的圆光斑中，相邻的五个光斑有重叠的部分，重叠部分的面积为M₁，偶数行中的圆光斑除开重叠部分剩下的面积为M₂，已知光斑的半径为r，则有：

$M_1=[\frac{\mathrm{\π}}{2}-1]r^2,M_2=\mathrm{\π}{r}^2-4\×[\frac{\mathrm{\π}}{2}-1]r^2---\left(2\right)$

则位置分辨率为或最小位置分辨率为重叠部分几何中心的坐标矩阵为：

${\mathrm{XOY}}_2=\left[\begin{array}{ccccc}(\frac{1}{2}r,\frac{1}{2}r),(\frac{3}{2}r,\frac{1}{2}r),& .& .& .& ,(\frac{(2N_1-1)r}{2},\frac{1}{2}r)\\ (\frac{1}{2}r,\frac{3}{2}r),(\frac{3}{2}r,\frac{3}{2}r),& .& .& .& ,(\frac{(2N_1-1)r}{2},\frac{3}{2}r)\\ .& & & & \\ .& & & & \\ .& & & & \\ (\frac{1}{2}r,\frac{2N_2-1}{2}r),(\frac{3}{2}r,\frac{{2N}_2-1}{2}r),& .& .& .& ,(\frac{({2N}_1-1)r}{2},\frac{({2N}_2-1)r}{2})\end{array}\right]---\left(3\right)$

如上所述，N个激光发射单元中每个激光调制信号的频率为f＝f_n,n＝1,2,...,N；写为矩阵形式为：

$F=\left[\begin{array}{ccccc}{f}_1,f_2,& .& .& .& ,f_{N_1-1},f_{N_1}\\ f_{N_1+1},f_{N_1+2},& .& .& .& ,f_{{2N}_1-1},f_{{2N}_1}\\ .& & & & \\ .& & & & \\ .& & & & \\ f_{(N_2-1)N_1},f_{(N_2-1)N_1+1},& .& .& .& ,f_{N_2{N}_1-1},f_{N_2{N}_1}\end{array}\right]---\left(4\right)$

式(4)称为频率标签矩阵F，激光发射阵列中激光调制信号的最低频率为f_L,最高频率为f_H，则发射阵列中激光调制信号的频率间隔为Δf＝f_H-f_L/N，那么区域中定位传感器的频率分辨率最小应为Δf＝f_H-f_L/N，分辩出定位传感器所处的圆光斑；当定位传感器处于M1中时，会接收到两种不同频率的激光调制光，定位传感器解调出的频率数为f₁'和f₂'，则有|f₁'-f₂'|＝N₁Δf或|f₁'-f₂'|＝(N₁-1)Δf；

综上所述，当定位传感器接收到激光后，通过频率检测算法解调出激光调制频率，根据频率标签矩阵F和坐标矩阵XOY₁、XOY₂的对应关系，即定位所处的圆光斑位置，进而确定系统所处位置的坐标。

3.根据权利要求1所述的室内激光定位系统，其特征在于：所述的定位光源包括：

第一FPGA芯片，用于实现DDS内核，并配合外部DAC电路产生激光调制所需的不同频率的正弦信号；

DDS内核单元，用于产生激光调制所需的数字正弦序列；

DAC单元，用于将DDS产生的数字正弦序列转变成相应的模拟阶梯波信号；

平滑滤波单元，用于将经DAC产生的模拟阶梯波信号转变为平滑的模拟正弦信号；

激光调制发射单元，利用平滑滤波器输出的模拟正弦信号调整激光发射功率。

4.根据权利要求3所述的室内激光定位系统，其特征在于：第一FPGA芯片内设有：DCM模块、DDS内核模块；该DCM模块接收板载时钟信号，生成DDS内核所需时钟,供DDS内核使用；该DDS内核生成数字正弦序列，送入D/A模块转换成模拟信号，经平滑滤波后送入激光调制发射单元。

5.根据权利要求3所述的室内激光定位系统，其特征在于：激光调制发射单元内部设有：半导体激光器、放大电路、驱动电路、稳压电路和保护电路；该半导体激光器安装于需定位区域的正上方，使投影光束与地面垂直，投影的圆形光斑紧密交错排列，在投影覆盖面积相同的情况下，激光器直径越小定位精度越高；该放大电路将D/A输出的信号放大，再经驱动电路驱动半导体激光器发射激光束。

6.根据权利要求1所述的室内激光定位系统，其特征在于：所述的定位终端，包括：

前端滤光单元，用于减少其他光线对光电接收转换电路产生的干扰，将滤波后的信号传给光电接收转换单元；

光电接收转换单元，用于接收已调制的激光，并将光信号转换为相应的电压信号输出到ADC单元；

ADC单元，用于对电压信号进行采样、量化；

第二FPGA芯片，用于控制ADC单元进行采样、量化，并根据结果计算位置坐标；

显示单元，用于显示定位终端的位置信息。

7.根据权利要求6所述的室内激光定位系统，其特征在于：光电接收转换单元内设有：光电二极管、I-V转换电路、放大电路和隔直电路；该光电二极管接收光信号并将其转换为光电流，同时该I-V转换电路将光电流转换为电压信号，经放大电路放大后送入隔直电路；该隔直电路隔除经放大电路输出的直流信号。

8.根据权利要求6所述的室内激光定位系统，其特征在于:第二FPGA芯片内设有：ADC控制模块、FIFO模块、位置计算模块和显示控制模块；该ADC控制模块控制A/D芯片，将定位传感器输出的信号采集、量化并存入FIFO模块；该位置计算模块利用频率标签法计算出定位结果,发送给显示单元；该显示控制模块控制显示单元显示用户的位置信息。