CN104375119B - 一种基于时序标记的可见光定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时序标记的可见光定位系统和方法，涉及LED光通信和室内定位应用领域，发送端通过多个LED按不同延时发送相同内容的伪随机序列；接收端的光探测器同时探测多个信号光，并转换为电信号，将电信号与发送端的伪随机序列进行自相关运算，确定来自不同LED信号光对应的时序和相关峰峰值；将来自任意三个不同LED的信号的相关峰峰值及对应的LED坐标分别带入公式I(θ)＝F(θ)*I₀并联立，得到光探测器坐标(x，y，z）。本发明有效简化发送和接收端硬件，同时减少光源布放的限制。

Description

一种基于时序标记的可见光定位系统和方法

技术领域

本发明涉及LED光通信和室内定位应用领域，具体涉及一种基于时序标记的可见光定位系统和方法。

背景技术

LED(LightingEmittingDiode，发光二极管)被称为第四代照明光源或绿色光源，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为参照可准确获知位置和距离，在室内实现类似GPS的定位和导航。

由于LED通信系统具有光无线通信的特点，LED定位通常采用基于RSS(ReceivedSignal Power，接收信号强度)、AOA(Angle of arrival，接收信号角度)、TOA(Time ofArrival，到达时间)等方法。基于RSS方法进行定位是最常用最简单的方案，在光线直射和发送接收角对准情况下，接收信号光功率随距离增加呈对数衰减，因此定量确定这种对应关系后，测得接收信号功率即可确定发射端和接收端之间的距离。再根据三角几何原理，接收端测量出到位置已知的三个独立LED光源的距离，即可定位确定接收端的位置。

由于基于RSS的测量方案中，不同的LED需要通过不同的频率或发送序列进行区分和标识，为每个LED使用不同的频率或者发送序列都会带来硬件的复杂化，增加成本。由于接收光功率通常会受到光源的亮度、信号光的散射和反射、光发送接收角、背景光干扰等因素影响，接收光功率的波动和各种测量误差会影响距离估算以及最后的定位结果。当探测距离近时，微小的距离变化导致显著的接收功率变化，因此通常选取探测距离最近、接收功率最大的三个LED进行三点定位，对光源布放有一定的限制。

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时序标记的可见光定位系统和方法，有效简化发送和接收端硬件，同时减少光源布放的限制。

为达到以上目的，本发明提供一种基于时序标记的可见光定位系统，发送端，包括第一存储器和串联设置的至少三个延时电路，每个延时电路对应连接一个偏置电路，每个偏置电路连接一个LED，每个偏置电路还连接一个直流电源，第一存储器用于提供伪随机序列给延时电路，偏置电路用于驱动LED发出信号光；接收端，包括光探测器和第二存储器，二者分别连接一个FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)模块后，再连接至一个乘法器，乘法器通过IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换)模块连接峰值电路，峰值电路还连接一个DSP模块，且第二存储器与第一存储器存储内容相同。

本发明还提供一种基于时序标记的可见光定位方法，S1.发送端通过多个LED按不同延时发送相同内容的伪随机序列在信号光中；S2.接收端的光探测器同时探测来自多个LED的信号光，并转换为电信号，将电信号与发送端的伪随机序列进行自相关运算，确定来自不同LED的信号光对应的时序和相关峰峰值；S3.将来自任意三个不同LED的信号对应的相关峰峰值及对应的LED坐标分别带入公式：

$\begin{array}{c}I\left(\mathrm{\θ}\right)=F\left(\mathrm{\θ}\right)*I_0\\ =F\left(a\tan (\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}/(z_i-z))\right)\\ *f\left(\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z_i-z)}^2}\right)\end{array}$

并联立方程组，得到光探测器坐标(x，y，z)；其中I(θ)为接收信号强度，F(θ)为功率增益，I₀为发送角和接收角都为0的条件下测得的接收信号功率，已知每个LED的坐标为(x_i,y_i,z_i,)(i＝1,2,3)。

在上述技术方案的基础上，所述S1中，发送端从存储器中读取并循环发送伪随机序列，经过串联的多个延时电路后分别送入每个偏置电路中，偏置电路由直流电源供电，将延时电路发来的信号输出给对应的LED，并驱动LED发出信号光。

在上述技术方案的基础上，所述S1中，每个发送周期的长度n满足n>N*τ，且τ>m，其中N为LED的个数，N≥3，τ为每个延时电路产生的延时bit长度，m为伪随机序列的数据长度。

在上述技术方案的基础上，各LED发送的数据序列延时bit长度τ_i为τ_i＝i*τ，(i＝0，1,2…N-1)。

在上述技术方案的基础上，光探测器将信号光转化成电信号，第二存储器中提供的与第一存储器相同的伪随机序列，两路信号均通过FFT模块进行变换后再通过乘法器卷积相乘，经过IFFT模块进行变换后，在不同延时处出现多个相关峰值，通过峰值电路区分各LED发出的信号及其对应的相关峰值。

在上述技术方案的基础上，光探测器位于所述LED下方，各LED垂直向下照射。

在上述技术方案的基础上，所述S3中，功率增益F(θ)是随自变量递减的非线性函数，根据LED的配光分布曲线测得。

在上述技术方案的基础上，所述S3中，接收信号功率I₀是传输距离d的函数，即f(d)，是随自变量递减的非线性函数，在发送角和接收角都为0的条件下，根据接收功率-距离曲线测得。

本发明的有益效果在于：

发送端通过单一信源可驱动多个LED，接收端通过一个光探测器探测信号光，测量多个LED的发送信号功率，最终实现光探测器的定位；在多个LED基于时序标记布置的条件下，可使用少量硬件，实现较大范围内的定位，系统结构简单，降低成本。

通过DSP模块通过任意三个LED光源计算光探测器坐标，在多个LED光源时，通过对不同三个LED的多次测距结果，可降低单次测量偏差的影响，减小位置估算的误差；并且在多个LED中，有部分LED不可用时，仍能实现定位，提高体统健壮性。

附图说明

图1为本发明基于时序标记的可见光定位系统发送端示意图；

图2为本发明基于时序标记的可见光定位系统接收端示意图；

图3为本发明实施例三个LED进行定位的示意图；

图4为实施例中接收信号强度的增益为发送角函数的示意图；

图5为实施例中光探测器接收到的信号序列示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明基于时序标记的可见光定位系统，包括发送端和接收端，发送端包括第一存储器和串联设置的多个延时电路，延时电路的个数至少为三个。每个延时电路对应连接一个偏置电路，每个偏置电路连接一个LED，每个偏置电路还连接一个直流电源，第一存储器用于提供伪随机序列给延时电路，每个延时电路将接收电信号延时一定时间发送，偏置电路用于驱动LED发出信号光。接收端包括光探测器和第二存储器，包括二者分别通过一个FFT模块后，连接至一个乘法器，乘法器通过IFFT模块连接峰值电路，峰值电路还连接一个DSP模块，第二存储器与第一存储器存储内容相同。

如图3所示，以发送端具有三个LED为例，LED的坐标为(x_i,y_i,z_i,)(i＝1,2,3)，分别为LED₁、LED₂和LED₃；接收端光探测器坐标(x，y，z)，光探测器位于三个LED下方，同时接收到三个LED发射的信号光。

本发明基于时序标记的可见光定位方法，包括步骤：

S1.发送端通过多个LED按不同延时发送相同内容的伪随机序列在信号光中。具体为：发送端从存储器中读取并循环发送数据长度为m的伪随机序列，经过串联的多个延时电路后分别送入每个偏置电路中，偏置电路由直流电源供电，将延时电路发来的信号输出给对应的LED，并驱动LED发出信号光。各LED发送的数据序列延时bit长度τ_i为τ_i＝i*τ，(i＝0，1,2…N-1)，τ为每个延时电路产生的数据序列延时bit长度，每个发送周期的长度n满足n>N*τ，且τ>m，其中N为LED的个数，N≥3。

S2.接收端的光探测器同时探测如图5所示的来自多个LED的信号光，并转换为一个电信号，经过一个FFT模块进行变换；第二存储器中提供与第一存储器相同的伪随机序列，也经过一个FFT模块变换，两个FFT模块输出的信号再通过乘法器在频域卷积相乘，然后经过IFFT模块进行变换转换到时域，完成电信号与发送端的伪随机序列的自相关运算。根据信号的互相关性原理，在不同延时处出现多个相关峰值，对应发送端LED发送信号光的先后顺序，从而区分出自不同LED的信号，通过峰值电路找出各LED对应的相关峰值，相关峰值代表了接收信号功率的相对大小。

S3.DSP模块将来自任意三个不同LED的信号对应的相关峰峰值及对应的LED坐标分别带入公式(1)：

$\begin{array}{c}I\left(\mathrm{\θ}\right)=F\left(\mathrm{\θ}\right)*I_0\\ =F\left(a\tan (\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}/(z_i-z))\right)\\ *f\left(\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z_i-z)}^2}\right)\end{array}---\left(1\right)$

并将三个公式(1)联立方程组，得到光探测器坐标(x，y，z)；其中，I(θ)为接收信号强度，F(θ)为功率增益，I₀为发送角和接收角都为0的条件下测得的接收信号功率，每个LED的坐标为(x_i,y_i,z_i,)(i＝1,2,3)。根据相关性测得多个LED的相关峰值，联立多个方程能获得最优解，且坐标(x,y,z)存在为负等显然不合理的情况，可直接剔除。

通过实施例说明上述公式(1)的原理，如图3所示，由于三个LED垂直向下照射，各LED到光探测器的发送角 ${\mathrm{\θ}}_i=a\tan (\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}/(z_i-z)),$ (i＝1,2,3)。由于接收端的探测光功率受LED发送角、光探测器接收角、光传输距离等多个因素影响，当发送角与接收角相等时，将探测信号强度进行归一化得到功率增益(I(θ)/I₀)，如图4所示，功率增益F(θ)可表示为发送/接收角的函数：

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=I\left(\mathrm{\θ}\right)/I_0=F\left(a\tan (\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}/(z_i-z))\right)$

其中，I₀为发送角和接收角都为0的条件下测得的接收信号功率，是传输距离d的函数，可以表达为：

$I_0=f\left(d\right)=f\left(\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z_i-z)}^2}\right)$

因此接收信号强度I(θ)的表达式如公式(1)所示。所述F(θ)和f(d)都是随自变量递减的非线性函数，F(θ)可以根据LED的配光分布曲线测得，f(d)是在发送角和接收角都为0的条件下，根据接收功率-距离曲线测得。在保证LED的一致性以及布放整齐时，可认为各LED的F(θ)和f(d)函数一致。

当发送端具有多个LED时，可以将更多的LED列为参照点被光探测器探测，联立更多方程，以求得最优近似解。

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 (9)

1.一种基于时序标记的可见光定位系统，其特征在于：

发送端，包括第一存储器和串联设置的至少三个延时电路，每个延时电路对应连接一个偏置电路，每个偏置电路连接一个LED，每个偏置电路还连接一个直流电源，第一存储器用于提供伪随机序列给延时电路，偏置电路用于驱动LED发出信号光；发送端通过多个LED按不同延时发送相同内容的伪随机序列在信号光中；

接收端，包括光探测器和第二存储器，二者分别连接一个FFT模块后，再连接至一个乘法器，乘法器通过IFFT模块连接峰值电路，峰值电路还连接一个DSP模块，且第二存储器与第一存储器存储内容相同；接收端的光探测器同时探测来自多个LED的信号光，并转换为电信号，将电信号与发送端的伪随机序列进行自相关运算，确定来自不同LED的信号光对应的时序和相关峰峰值。

2.一种基于权利要求1所述系统的基于时序标记的可见光定位方法，其特征在于：

S1.发送端通过多个LED按不同延时发送相同内容的伪随机序列在信号光中；

S2.接收端的光探测器同时探测来自多个LED的信号光，并转换为电信号，将电信号与发送端的伪随机序列进行自相关运算，确定来自不同LED的信号光对应的时序和相关峰峰值；

S3.将来自任意三个不同LED的信号对应的相关峰峰值及对应的LED坐标分别带入公式：

$\begin{array}{c}I\left(\mathrm{\θ}\right)=F\left(\mathrm{\θ}\right)*I_0\\ =F\left(a\tan \right(\sqrt{{\left(x-x_i\right)}^2+{\left(y-y_i\right)}^2}/\left(z_i-z\right)\left)\right)\\ *f\left(\sqrt{{\left(x-x_i\right)}^2+{\left(y-y_i\right)}^2+{\left(z_i-z\right)}^2}\right)\end{array}$

并联立方程组，得到光探测器坐标(x,y,z)；其中I(θ)为接收信号强度，F(θ)为功率增益，I₀为发送角和接收角都为0的条件下测得的接收信号功率，已知每个LED的坐标为(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3。

3.如权利要求2所述基于时序标记的可见光定位方法，其特征在于：所述S1中，发送端从存储器中读取并循环发送伪随机序列，经过串联的多个延时电路后分别送入每个偏置电路中，偏置电路由直流电源供电，将延时电路发来的信号输出给对应的LED，并驱动LED发出信号光。

4.如权利要求3所述基于时序标记的可见光定位方法，其特征在于：所述S1中，每个发送周期的长度n满足n>N*τ，且τ>m，其中N为LED的个数，N≥3，τ为每个延时电路产生的延时bit长度，m为伪随机序列的数据长度。

5.如权利要求4所述基于时序标记的可见光定位方法，其特征在于：各LED发送的数据序列延时bit长度τ_i为τ_i＝i*τ，i＝0，1,2…N-1。

6.如权利要求2所述基于时序标记的可见光定位方法，其特征在于：光探测器将信号光转化成电信号，第二存储器中提供的与第一存储器相同的伪随机序列，两路信号均通过FFT模块进行变换后再通过乘法器卷积相乘，经过IFFT模块进行变换后，在不同延时处出现多个相关峰值，通过峰值电路区分各LED发出的信号及其对应的相关峰值。

7.如权利要求2所述基于时序标记的可见光定位方法，其特征在于：光探测器位于所述LED下方，各LED垂直向下照射。

8.如权利要求2所述基于时序标记的可见光定位方法，其特征在于：所述S3中，功率增益F(θ)是随自变量递减的非线性函数，根据LED的配光分布曲线测得。

9.如权利要求2所述基于时序标记的可见光定位方法，其特征在于：所述S3中，接收信号功率I₀是传输距离d的函数，即f(d)，是随自变量递减的非线性函数，在发送角和接收角都为0的条件下，根据接收功率-距离曲线测得。