CN104181503A - 一种基于rss的led定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于RSS的LED定位系统及方法，涉及LED光通信和室内定位应用领域，包括至少三个发送端和一个接收端，每个发送端包括T型偏置器和LED，发送端在待传输数据前增加PN码序列，并经过T型偏置器和LED变成可见光发出；接收端光探测器探测可见光信号并转化成电信号，其中一个FFT单元对电信号进行FFT变换，其余FFT单元用于每个PN码的FFT变换，乘法器将结果与每个PN码的FFT运算结果卷积相乘，每个乘积进行IFFT变换，比较电路用于找出时域信号的峰值，功率-距离换算模块估算接收端到每个LED的距离值并输出；本发明发送多个正交PN码区分不同LED信源，降低了发送端的硬件复杂度，节省了LED带宽。

Description

一种基于RSS的LED定位系统及方法

技术领域

本发明涉及LED光通信和室内定位应用领域，具体来讲是一种基于RSS的LED定位系统及方法。

背景技术

LED(Lighting Emitting Diode，发光二极管)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域，势将成为下一代照明技术。LED因为具有节能、安全、可用频谱宽等优点，在提供室内照明的同时还可应用于无线光通信系统中，同时满足室内上网以及一系列扩展应用。基于LED的室内定位就是其中一个潜力巨大的应用方向，由于LED在室内布放位置固定，覆盖范围较广，以各LED为参照可以准确获知位置和距离，在室内实现类似GPS的定位和导航。

LED定位通常采用基于RSS(Received Signal Power，接收信号功率)和三角几何方法进行定位。由于LED通信系统具有光无线通信的特点，在视距通信(LOS)条件和发送接收角对准情况下，接收信号的光功率满足公式：

$\mathrm{Pr}\left(d\right)=\mathrm{Pr}\left(d_0\right)+10*n*\lg \left(\frac{d}{d_0}\right)+X$

其中d为发射节点到接收节点之间的距离，n为路径损耗指数，表示光功率随距离增加衰减的快慢与周围的环境有关，X为平均值为0的高斯分布随机变量，d₀为参考距离，通常取1米，Pr(d₀)表示在参考距离为d₀时测得的光功率。

根据上述公式，光功率随通信距离的增加而线性减小，接收光功率和距离用对数曲线表示将是一条近似直线，确定这种线性关系后，测得接收信号的光功率即可确定发射和接收间的距离。根据三角几何原理，接收端测量出到已知位置的三个独立信源的距离，即可定位得出接收端的位置。

作为参考点的多个信源，必须发送不同信号以示区分并避免信号间干扰。基于频率区分是最常用的方法，即发送端的信号使用不同频率载波发送，接收端使用滤波器滤出不同的频带并计算其功率，基于3个LED定位的可见光定位发送频率如图1所示；这种设置虽然区分了不同信源，但硬件的区别定制增加了发送端和接收端的硬件复杂度，不同的频率划分还增加了LED布放时的难度，实际可用的LED带宽变得有限。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于RSS的LED定位系统及方法，发送多个正交PN码区分不同LED信源，相对于多个LED占用不同频带的做法，降低了发送端的硬件复杂度，节省了LED带宽。

为达到以上目的，本发明提供一种基于RSS的LED定位系统，包括至少三个发送端和一个接收端，每个发送端包括T型偏置器和LED，发送端用于在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，并经过T型偏置器和LED变成可见光发出；所述接收端包括光探测器、乘法器、IFFT单元、多个FFT单元、比较电路、功率-距离换算模块，光探测器用于探测混叠的可见光信号并转化成一个电信号，其中一个FFT单元用于对电信号进行FFT变换，其余FFT单元用于每个PN码的FFT变换，乘法器用于将变换后的结果与每个PN码的FFT运算结果卷积相乘，IFFT模块对于每个乘积进行IFFT变换，比较电路用于找出IFFT变换后时域信号的峰值，并作为接收到来自每个LED的功率，功率-距离换算模块用于估算接收端到每个LED的距离值并输出。

在上述技术方案的基础上，所述功率-距离换算模块的输入为光探测器对各个LED的接收功率，功率-距离换算模块计算后，输出各LED到光探测器的垂直照射距离，即估算的距离值。

在上述技术方案的基础上，所述光探测器输出的电信号进行FFT变换后的结果依次与每个PN码的FFT值卷积相乘，再依次经过IFFT运算和比较电路得到电信号与各PN码的相关峰峰值，该峰值表示接收各LED的功率的相对大小。

在上述技术方案的基础上，所述接收端包括一个三角定位模块，所述三角定位模块接收来自功率-距离换算模块输出的估算的距离值，基于三角定位方法计算输出光探测器的坐标。

在上述技术方案的基础上，每个发送端包括一个放大器，将待传输数据信号放大后，输出至T型偏置器。

在上述技术方案的基础上，所述PN码序列为相同长度伪随机序列，各PN码之间正交不相关，多个发送端分别插入不同的PN码序列以示区分。

本发明还提供一种基于权利要求1所述基于RSS的LED系统的定位方法，包括如下步骤：

步骤1.每个发送端在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，经由T型偏置器和LED后发出可见光信号；

步骤2.接收端的光探测器同时接收来自所有发送端的可见光信号，并完成光电转换，对转换后的电信号进行FFT计算，再分别与各PN码的FFT运算结果卷积相乘，然后通过IFFT运算模块和比较电路找出峰值，该峰值大小作为接收该PN码对应LED的功率；

步骤3.将步骤2中得到的不同LED的功率，根据功率-距离对应关系找出每个LED到接收端的估算的距离值；

步骤4.选取对应的接收功率最大的三个LED，将三个LED到接收端估算的距离值输入三角定位模块，计算接收端坐标；其中所述估算距离需要进行多次角度修正和估算，直至估算距离收敛至稳定值。

在上述技术方案的基础上，步骤3中，功率-距离对应关系采用预先测量，在各个LED发射角和光探测器接收角都为0的条件下，光探测器在不同传输距离下对各个LED的接收功率分别测量，从而确定功率-距离对应关系。

在上述技术方案的基础上，步骤4中，假设估算的光探测器坐标为(x_e，y_e，z_e)，则相对于第i个LED(x_i，y_i，z_i)，LED的发射角为 ${\mathrm{\θ}}_i=a\tan \left(\frac{\sqrt{{(x_e-x_i)}^2+{(y_e-y_i)}^2}}{z_e-z_i}\right),$ 根据LED的配光分布曲线，获得修正系数，再根据修正后的信号光强度比对功率-距离对应关系，取得每个LED到接收端距离的修正值。

在上述技术方案的基础上，所述步骤4中，当迭代前后的估算距离差值小于预设阈值时，认定接收端坐标收敛至稳定值，预设阈值为10cm。

本发明的有益效果在于：发送端通过不同LED发送不同正交PN(Pseudo-Noise)码序列，接收端计算PN码与接收序列(接收序列等于PN序列加上噪声干扰)的相关性，根据相关峰的大小估计接收光功率的相对大小，相对于多个LED占用不同频带的做法，降低了发送端的硬件复杂度，节省了LED带宽，可实现多个LED密集布放。

附图说明

图1为背景技术中探测光功率-距离关系的曲线；

图2为本发明基于RSS的LED定位系统中每个发送端的示意图；

图3为本发明基于RSS的LED定位系统中接收端的示意图；

图4为本发明基于RSS的LED定位方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明所基于的原理为：假设发送端LED发送的信号为S₁(t)，不考虑多径效应因素条件下，接收端的接收信号可表示为S₂(t)＝aS₁(t-D)+n(t)，其中n(t)为噪声，a为信号衰减，D为信号的传输延时。S₁(t)和n(t)为互不相关的随机信号，则接收信号与发送信号的相关函数可表示为：

$R_{s_1{s}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=a{R}_{s_1{s}_1}(\mathrm{\τ}-D)=a{R}_{s_1{s}_1}\left(\mathrm{\τ}\right)*\mathrm{\δ}(\mathrm{\τ}-D)$

其中表示S₁(t)的自相关函数，δ()为冲击函数。由于S₁(t)为非周期非相关信号，R_s1s2(τ)会在τ＝D时取得最大值。对于给定的信号长度，R_s1s2(τ)的峰值仅取决于a，因此可用作标示RSS的变化。通常接收信号强度随探测距离增长呈指数衰减，如图1所示，因此确定了功率-距离的对应关系后，即可根据接收光功率估算传输距离。

本发明基于RSS的LED定位系统，包括至少三个发送端和一个接收端。如图2所示，每个发送端包括放大器、T型偏置器(Bias-T)和LED，每个发送端用于在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，将带有待传输数据的信号经放大器放大后，输出至T型偏置器，经过直流偏置后，送入对应的LED转化成可见光发送出去。其中，所述PN码序列为相同长度伪随机序列，各PN码之间正交不相关，多个发送端分别插入不同的PN码序列以示区分。另外，放大器作为可选原件，可以不用。

如图3所示，接收端包括光探测器、多个FFT(Fast FourierTransformation，快速傅氏变换)单元、乘法器，以及依次连接的IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速复式逆变换)单元、比较电路、功率-距离换算模块和三角定位模块，光探测器用于探测混叠的可见光信号并转化成一个电信号，其中一个FFT单元用于对电信号进行FFT变换，其余的FFT单元用于每个PN码的FFT变换，其余FFT单元与乘法器之间设置一个开关，乘法器与IFFT单元相连，乘法器用于将变换后的结果顺序与每个PN码的运算结果卷积相乘，每个乘积经由IFFT单元的IFFT变换后，通过比较电路得到IFFT变换后时域信号的峰值，并作为接收到来自每个LED的功率。功率-距离换算模块用于估算接收端到每个LED的距离，具体的，功率-距离换算模块的输入为光探测器对各个LED的接收功率，功率-距离换算模块计算后，输出各LED到光探测器的垂直照射距离，即估算的距离值。三角定位模块接收来自功率-距离换算模块输出的估算的距离值，基于三角定位方法，计算输出光探测器的坐标，三角定位模块还将估算的坐标值反馈回到功率—距离换算单元，仅当迭代计算得到的坐标值趋于稳定后作为最终结果输出。

如图4所示，本发明基于RSS的LED系统的定位方法，包括步骤：

步骤1.每个发送端在在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，经由T型偏置器和LED等硬件后，发出可见光信号；其中，多个发送端数据中插入的PN码序列为相同长度伪随机序列，各PN码之间正交不相关，多个发送端分别插入不同的PN码序列以示区分。

步骤2.接收端的光探测器同时接收来自所有发送端的可见光信号，并完成光电转换，FFT模块对转换后的电信号进行FFT计算，再分别与每个PN码的FFT运算结果卷积相乘，每个PN码的FFT值运算结果由其余的FFT模块计算。然后通过IFFT运算模块和比较电路找出峰值，该峰值大小作为接收该PN码对应LED的功率。

步骤3.将步骤2中得到的不同LED的功率，根据功率-距离对应关系找出每个LED到接收端的估算的距离值。功率-距离对应关系可根据预先测量或者经验获得，若采用预先测量，在各个LED发射角和光探测器接收角都为0的条件下，光探测器在不同传输距离下对各个LED的接收功率分别测量，从而确定功率-距离对应关系，并可以绘制出功率-距离对应曲线。

步骤4.根据光探测器对应的接收到功率最大的三个LED，将三个LED到接收端的估算的距离值输入三角定位模块，通过三角定位模块计算接收端坐标。例如，只有三个LED为参考LED，假设3组LED的坐标分别为X＝(x_i，y_i，z_i)，(i＝1，2，3)，光探测器坐标为(x_e，y_e，z_e)，则有：

${(x_e-x_1)}^2+{(y_e-y_1)}^2+{(z_e-z_1)}^2=d_{c1}^2$

${(x_e-x_2)}^2+{(y_e-y_2)}^2+{(z_e-z_2)}^2=d_{c2}^2$

${(x_e-x_3)}^2+{(y_e-y_3)}^2+{(z_e-z_3)}^2=d_{c3}^2$

当z₁＝z₂＝z₃时，我们可以得到AX＝B，其中

$A=\left[\begin{array}{cc}{x}_2-x_1& y_2-y_1\\ x_3-x_1& y_3-y_1\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{c}(d_{c1}^2-d_{c2}^2+x_2^2+y_2^2-x_1^2-y_1^2)/2\\ (d_{c1}^2-d_{c3}^2+x_3^2+y_3^2-x_1^2-y_1^2)/2\end{array}\right],$

则 $X=\left[\begin{array}{c}{x}_e\\ y_e\\ z_e\end{array}\right]={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}B.$

然后，将所述估算的坐标(x_e，y_e，z_e)返回到功率-距离换算模块，当初步测得坐标相对各LED有水平距离时，需考虑发射角和接收角对实际接收功率的影响，根据初步估算坐标进行角度修正，减少对准角误差对距离估计的影响。根据LED的配光分布曲线，获得修正系数，假设估算的光探测器坐标为(x_e，y_e，z_e)，则相对于第i个LED(x_i，y_i，z_i)，LED的发射角满足 ${\mathrm{\θ}}_i=a\tan \left(\frac{\sqrt{{(x_e-x_i)}^2+{(y_e-y_i)}^2}}{z_e-z_i}\right),$ 假设LED为郎伯光源，则修正后的接收光强应该乘以系数1/cos(θ_i)，根据修正后的信号光强度比对功率-距离曲线，可得到每个LED到接收端距离的修正值。

其中，所述估算的距离值需要进行多次角度修正和估算，直至估算距离收敛至稳定值。当迭代前后的估算距离差值小于预设阈值时，认定接收端坐标收敛至稳定值，本实施例中，预设阈值为10cm。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于RSS的LED定位系统，包括至少三个发送端和一个接收端，其特征在于：每个发送端包括T型偏置器和LED，发送端用于在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，并经过T型偏置器和LED变成可见光发出；所述接收端包括光探测器、乘法器、IFFT单元、多个FFT单元、比较电路、功率-距离换算模块，光探测器用于探测混叠的可见光信号并转化成一个电信号，其中一个FFT单元用于对电信号进行FFT变换，其余FFT单元用于每个PN码的FFT变换，乘法器用于将变换后的结果与每个PN码的FFT运算结果卷积相乘，IFFT模块对于每个乘积进行IFFT变换，比较电路用于找出IFFT变换后时域信号的峰值，并作为接收到来自每个LED的功率，功率-距离换算模块用于估算接收端到每个LED的距离值并输出。

2.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在于：所述功率-距离换算模块的输入为光探测器对各个LED的接收功率，功率-距离换算模块计算后，输出各LED到光探测器的垂直照射距离，即估算的距离值。

3.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在于：所述光探测器输出的电信号进行FFT变换后的结果依次与每个PN码的FFT值卷积相乘，再依次经过IFFT运算和比较电路得到电信号与各PN码的相关峰峰值，该峰值表示接收各LED的功率的相对大小。

4.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在于：所述接收端包括一个三角定位模块，所述三角定位模块接收来自功率-距离换算模块输出的估算的距离值，基于三角定位方法计算输出光探测器的坐标。

5.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在于：每个发送端包括一个放大器，将待传输数据信号放大后，输出至T型偏置器。

6.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在于：所述PN码序列为相同长度伪随机序列，各PN码之间正交不相关，多个发送端分别插入不同的PN码序列以示区分。

7.一种基于权利要求1所述基于RSS的LED系统的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.每个发送端在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，经由T型偏置器和LED后发出可见光信号；

步骤2.接收端的光探测器同时接收来自所有发送端的可见光信号，并完成光电转换，对转换后的电信号进行FFT计算，再分别与各PN码的FFT运算结果卷积相乘，然后通过IFFT运算模块和比较电路找出峰值，该峰值大小作为接收该PN码对应LED的功率；

步骤3.将步骤2中得到的不同LED的功率，根据功率-距离对应关系找出每个LED到接收端的估算的距离值；

步骤4.选取对应的接收功率最大的三个LED，将三个LED到接收端估算的距离值输入三角定位模块，计算接收端坐标；其中所述估算距离需要进行多次角度修正和估算，直至估算距离收敛至稳定值。

8.如权利要求7所述的基于RSS的LED系统的定位方法，其特征在于：步骤3中，功率-距离对应关系采用预先测量，在各个LED发射角和光探测器接收角都为0的条件下，光探测器在不同传输距离下对各个LED的接收功率分别测量，从而确定功率-距离对应关系。

9.如权利要求7所述的基于RSS的LED系统的定位方法，其特征在于：步骤4中，假设估算的光探测器坐标为(x_e，y_e，z_e)，则相对于第i个LED(x_i，y_i，z_i)，LED的发射角为 ${\mathrm{\θ}}_i=a\tan \left(\frac{\sqrt{{(x_e-x_i)}^2+{(y_e-y_i)}^2}}{z_e-z_i}\right),$ 根据LED的配光分布曲线，获得修正系数，再根据修正后的信号光强度比对功率-距离对应关系，取得每个LED到接收端距离的修正值。

10.如权利要求7所述的基于RSS的LED系统的定位方法，其特征在于：所述步骤4中，当迭代前后的估算距离差值小于预设阈值时，认定接收端坐标收敛至稳定值，预设阈值为10cm。