CN104270194A - 一种可见光室内定位方法 - Google Patents

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钱晨
韦玮
陈晓红
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Abstract

本发明是一种可见光室内定位方法，该定位方法基于由LED信号源、移动终端和控制端构成的定位系统，定位方法具体包括如下步骤：步骤1.在LED信号源上加载LED-ID信息，通过无线光链路传输到移动终端，移动终端根据接收的LED-ID信息，确定LED照明覆盖区域，实现粗定位；步骤2、移动终端根据获得的“指纹”信息与多参量的位置指纹库进行查询匹配，确定移动终端在该区域下与LED的相对位置，实现精定位。本发明提出的多参量位置指纹库定位法，只需将实时接收到的“指纹”数据(θ,RSSI)与当前LED覆盖区域下的θ方向的指纹库数据进行查询匹配，确定移动终端的位置，大大降低了查询匹配阶段的开销，提高了定位速度和定位精度，降低了定位误差。

Description

一种可见光室内定位方法
技术领域
本发明涉及可见光通信室内定位技术领域，尤其是涉及一种多参量位置指纹库的建立方法。
背景技术
目前在室内定位中大多采用无线定位技术，如利用红外、超声波、无线局域网和蓝牙技术等。这些定位技术在一定程度上能够满足人们的定位需求，但是，由于这些定位系统存在不稳定性、功耗大以及定位精度低等缺点而未能广泛普及。并且，在矿井、加油站和医院等射频技术受限或被禁止的特殊区域，上述室内无线定位技术的使用不同程度上都受到了限制。因此，开发利用新频谱资源迫在眉睫。而基于白光LED的可见光通信因为具有无电磁干扰、频谱宽、绿色环保等显著优势被广泛关注。因此基于室内LED照明设施的可见光定位技术将具有巨大的应用空间。
现阶段常用的室内定位方法可以分为两种：基于辅助设备的和无辅助设备的。基于辅助设备的定位方法，如到达时间(Time ofArrival，TOA)，到达角度(Angle ofArrival，AOA)等，需使用测角度的传感器阵列或高精度的定时器等辅助设备，其定位精度依赖于节点密度，这类方法的定位系统造价昂贵，且定位精度往往不理想。无辅助设备的方法就是直接使用定位节点的信号强度进行定位，主要有两种：传输损耗(Radio Frequency PropagationLoss,RFPL)定位法和位置指纹(Location Fingerprint,LF)定位法。前者将信号传输模型和建筑的地理信息转换成距离测量值，这样做很简单，但是受距离、信号穿透墙壁时的损耗、多径传输等诸多方面的影响，难以建立正确的数学模型，影响定位精度。后者则可以有效避免多径和障碍物等对定位精度的影响，并且降低了定位算法复杂度。
位置指纹定位的实施一般可以分为两个阶段：离线阶段和在线阶段。离线阶段是对所需定位区域各参考节点(Reference Point,RP)位置的信号特征参数进行采集，这种特征参数可称认为是该位置的“指纹”，建立位置指纹库；在线阶段即利用接收机测定接收信号的参数，与位置指纹库所存数据进行匹配，从而确定用户的位置。这种定位方法可以充分利用现有设施，不需要改变移动设备的硬件，升级和维护对用户影响小，因此被广泛的用于各类室内定位系统中。
但是，考虑到室内可见光通信的特殊性，即每个采样点的光强来自不同方向的视距和非视距光路的光功率的叠加，因此室内存在多处光强度相同的采样点，如果仅以光强度作为位置指纹库的采集样本，势必会导致指纹库定位误差增大。因此，如何提高可见光室内定位精度及降低定位误差是目前需要解决的关键问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了解决现有基于位置指纹库的可见光室内定位方法存在的上述问题，提出一种引入移动终端的方向参量θ的一种可见光室内定位方法。
技术方案：本发明的定位系统按系统的总体结构可分为三个部分：LED信号源、移动终端和控制端。
本发明的LED信号源包括驱动电路和LED灯。
本发明的移动终端包括可见光通信接收模块和显示模块。
本发明的控制端可通过Wifi、蓝牙或者USB、网线等通信技术，在不同LED光源上加载与位置相关的LED-ID信息。
该定位方法基于由LED信号源、移动终端和控制端构成的定位系统，定位方法具体包括如下步骤：
步骤1.在LED信号源上加载LED-ID信息，通过无线光链路传输到移动终端，移动终端根据接收的LED-ID信息，确定LED照明覆盖区域，实现粗定位；
步骤2、移动终端根据获得的“指纹”信息与多参量的位置指纹库进行查询匹配，确定移动终端在该区域下与LED的相对位置，实现精定位。
所述步骤1中，LED-ID信息的接收，通过附加的可见光通信模块或利用移动终端的摄像头来实现。
所述步骤2中，移动终端获得的“指纹”包括移动终端接收到的光信号强度RSSI和移动终端方向传感器获得的方向θ。
所述多参量的位置指纹库，其中的“指纹”是通过实际测量或建模计算，获得每个方向参量θ上的RSSI值，记为(θ,RSSI)。
所述的多参量位置指纹库的建立和数据处理可在移动终端或云端进行。
所述的LED信号源包括驱动电路和LED灯。
所述的移动终端包括可见光通信接收模块和显示模块。
所述的控制端可通过Wifi、蓝牙或者USB、网线等通信技术，在不同LED光源上加载与位置相关的LED-ID信息。
有益效果：本发明的室内定位方法首先通过LED-ID信息确定LED照明覆盖区域，在实现粗定位的基础上，利用本发明提出的多参量的位置指纹库法，优选地，通过引入移动终端的方向参量θ来优化位置指纹库，确定用户在该区域下与LED的相对位置实现精定位功能，提高了可见光定位系统的定位精度及降低定位误差。
本发明提出的多参量位置指纹库定位法，只需将实时接收到的“指纹”数据(θ,RSSI)与当前LED覆盖区域下的θ方向的指纹库数据进行查询匹配，确定移动终端的位置，大大降低了查询匹配阶段的开销，提高了定位速度。
附图说明
图1是本发明定位系统总体结构图，其中包括LED信号源、移动终端和控制端三部分。LED信号源由驱动电路和LED灯两部分组成，LED的编号为LED-i，移动终端由接收模块和显示模块两部分组成。
图2是本发明基于多参量位置指纹库的可见光室内定位方法原理图。
图3是本发明定位系统的功能模块图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明实施方式。
图1是本发明定位系统总体结构图，本发明的定位系统可分为三个部分：LED信号源、移动终端和控制端。其中LED信号源包括驱动电路和LED灯；移动终端包括可见光通信接收模块和显示模块；控制端可通过Wifi、蓝牙或者USB、网线等通信技术，在不同LED光源上加载与位置相关的LED-ID信息。
定位过程如下：
(1)本发明提出的多参量位置指纹库定位方法，优选地，通过增加移动终端的方向参量θ来优化指纹库，θ可由移动终端的方向传感器获得。通过实际测量或建模计算，获得每个方向参量θ上的RSSI值，并作为“指纹”建立θ方向的位置指纹库，记为(θ,RSSI)。
(2)LED-ID信息通过无线光链路传输到移动终端，移动终端根据接收的LED-ID信息，确定LED照明覆盖区域，实现粗定位。
(3)定位系统根据接收到的LED-ID信息，将接收到的(θ,RSSI)值与当前LED覆盖区域下θ方向的指纹库数据进行查询匹配，从而确定移动终端的位置，实现精定位。
(4)通过移动终端的显示模块显示用户的位置信息。
图2是本发明基于多参量位置指纹库的可见光室内定位方法原理图。由图2可知，采用位置指纹技术进行定位有两个阶段：离线采集和在线运行阶段。
在离线采集阶段，对每个LED光照覆盖范围内的RSSI值、移动终端的方向参量θ进行采集，生成一系列的IDi-指纹数据库，其中i为LED的编号，ID为LED的位置信息，指纹数据库中的数据以(θ,RSSI)形式记录。
在线运行阶段，移动终端根据当前LED-ID，执行查询匹配操作I，寻找当前IDi-RSSI指纹数据库并下载到移动终端，通过查询匹配操作II，将当前接收到的(θ,RSSI)值与IDi-指纹数据库进行匹配，寻找出最接近的(θ,RSSI)值，从而推测出当前移动终端的位置。最后通过移动终端的显示模块显示出用户位置信息。
图3是本发明定位系统的功能模块图。系统功能包括采集定位和通信功能。
采集定位功能由PC模块和移动终端实现。
PC模块完成LED-ID位置信息的分配以及不同LED光照覆盖区域下的IDi-指纹数据库的存储。该功能可通过PC机实现，但不局限于PC机。
移动终端通过可见光通信接收模块完成位置信息LED-ID和光强度信号RSSI的检测，结合自带的方向传感器检测自身的方向参量θ，获得“指纹”(θ,RSSI)，并与PC模块中存储的该IDi-指纹数据库下的“指纹”查询匹配，最终获得精确位置，实现定位功能。
本发明的通信过程：LED-IDi位置信息通过编码/调制加载至LED发送；接收端通过光电检测器PD检测光信号并进行解调/解码，获得光强信号RSSI以及LED-IDi位置信息；再通过蓝牙或USB等接口传送至移动终端。

Claims (8)

1.一种可见光室内定位方法，其特征在于该定位方法基于由LED信号源、移动终端和控制端构成的定位系统，定位方法具体包括如下步骤：
步骤1.在LED信号源上加载LED-ID信息，通过无线光链路传输到移动终端，移动终端根据接收的LED-ID信息，确定LED照明覆盖区域，实现粗定位；
步骤2、移动终端根据获得的“指纹”信息与多参量的位置指纹库进行查询匹配，确定移动终端在该区域下与LED的相对位置，实现精定位。
2.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位方法，其特征在于，所述步骤1中，LED-ID信息的接收，通过附加的可见光通信模块或利用移动终端的摄像头来实现。
3.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位方法，其特征在于，所述步骤2中，移动终端获得的“指纹”包括移动终端接收到的光信号强度RSSI和移动终端方向传感器获得的方向θ。
4.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位方法，其特征在于所述多参量的位置指纹库，其中的“指纹”是通过实际测量或建模计算，获得每个方向参量θ上的RSSI值，记为(θ,RSSI)。
5.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位方法，其特征在于所述的多参量位置指纹库的建立和数据处理可在移动终端或云端进行。
6.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位方法，其特征在于所述的LED信号源包括驱动电路和LED灯。
7.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位方法，其特征在于所述的移动终端包括可见光通信接收模块和显示模块。
8.根据权利要求1所述的一种可见光室内定位方法，其特征在于所述的控制端可通过Wifi、蓝牙或者USB、网线等通信技术，在不同LED光源上加载与位置相关的LED-ID信息。
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