CN104777475B - 一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，属于可见光通信技术领域。系统包括可见光下行发射模块、可见光接收模块和光强波动因子监测单元。可见光下行发射模块通过LED发送调制编码信号；光强波动因子监测单元根据不同LED光源的强度波动计算出光强波动因子，通过无线通信方式把光强波动因子发送给可见光接收模块，可见光接收模块接收可见光下行发射模块的调制编码信号，通过接收到的调制编码信号和接收到的光强波动因子计算位置。本系统通过增加光强波动因子监测和发射单元获取实时的光强信息，并用实时强度因子取代传统的固定参数进行位置计算，减小了由于光强波动带来的定位误差。

Description

一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统

技术领域

本发明涉及一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，属于可见光通信技术领域。

背景技术

基于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术的室内定位方案由于利用白色半导体发光二极管(Light Emitting Diode,LED)发射的白光作为定位信号的载体，抗电磁辐射能力强，并且VLC的传输信道一般采用直射信道，多径干扰比较小，所以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的VLC通信技术相兼容，因此不需要昂贵的硬件设备投入，成本比较低。目前的室内定位多采用RSS的高精度定位，发射端通过控制LED阵列发射具有定位码型的可见光信号，使位于室内的用户从接收到的光信号解析出其所在的位置。每个LED具有唯一的ID号，设计LED循环发送的定位数据帧结构，加载到LED驱动放大电路上，驱动LED灯阵列发出数据光信号；探测器在识别帧头的同时判决各个ID的强度，然后根据强度分布实现高精度定位。但是该方法有个不足之处，对LED的光源稳定性和一致性要求较高。当光源长时间工作发生衰减后则定位误差增大。因此需要采用更好的方法提高定位精度。

发明内容

本发明的目的是为解决现有基于可见光RSS室内定位误差波动的问题，提出了一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统。

一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统，包括可见光下行发射模块、可见光接收模块和光强波动因子监测单元。

所述可见光下行发射模块包括第三FPGA，多个LED驱动电路和多个LED(每个驱动电路驱动1个LED，第三FPGA的输出IO口和驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端和LED相连)由第三FPGA生成调制编码信号，通过LED驱动电路放大后，驱动LED照明，并将调制编码信号发射出去。

所述光强波动因子监测单元包括第一光电探测器、第一运算放大器、第一模数转换器、第一FPGA及第一蓝牙模块。第一光电探测器和第一运算放大器输入端相连，第一运算放大器和第一模数转换器的模拟输入端相连，第一模数转换器的数字输出端和第一FPGA的输入IO相连，第一FPGA的输出IO和第一蓝牙模块的串口相连。第一光电探测器把探测到可见光信号转化成电信号，电信号通过第一运算放大器放大，放大后的电信号经过第一模数转换器转化成数字信号，FPGA通过公式(1)计算光强波动因子，光强波动因子通过FGPA和第一蓝牙模块的串口通信，发送到第一蓝牙模块，第一蓝牙模块把光强波动因子通过蓝牙无线发送出去。

根据不同光源的强度波动计算出光强波动因子：

S_i＝P_i’/P_i(1)

其中，S_i为第i个LED的光强波动因子，P_i为系统上电工作开始时第i个LED的光强值(作为第i个LED的基准值)，P_i’为实时获取新的光强值。

光强波动因子监测单元固定于多个LED下方，在多个LED的光照射范围内。

所述可见光接收模块安装在被测物体上，包括第二光电探测器、第二运算放大器、第二模数转换器、第二FPGA及第二蓝牙模块。第二光电探测器、第二运算放大器、第二模数转换器、第二FPGA及第二蓝牙模块顺次相连。第二光电探测器把采集到的光信号转成电信号，第二运算放大器将电信号放大，通过第二模数转换器采集到第二FPGA中。

上述组成部分的连接关系为：可见光下行发射模块通过LED发送调制编码信号；光强波动因子监测单元根据不同LED光源的强度波动计算出光强波动因子，通过无线通信方式把光强波动因子发送给可见光接收模块；可见光接收模块接收可见光下行发射模块的调制编码信号，通过接收到的调制编码信号和接收到的光强波动因子计算位置。

基于上述室内可见光强度定位系统的一种室内可见光强度定位的误差校正方法，具体步骤为：

步骤1，可见光LED下行发射模块发送定位编码信息；

所述定位编码信息为LED的位置编码信息(ID编码)，每个LED对应唯一的ID编码或者唯一的频率。第二光电探测器同时接收到多个LED的编码信息时，能识别出不同的LED光信号并获取不同LED的光强；

步骤2，光强波动因子监测单元获取当前不同LED的调制编码信号，并计算出编码信号强度，该信号由于光源幅度波动，信号强度会不同，因此是误差补偿的依据。获取不同LED的编码信号强度，通过公式(1)计算出不同光强波动因子S₁,S₂…，S_i，…S_n(n为LED的数量，n不小于3)；把得到的光强波动因子通过第一蓝牙模块发送到可见光接收模块的第二蓝牙模块；

步骤3，可见光接收模块接收到可见光LED下行发射模块发射模块发送的调制编码信号，并接收到光强波动因子，第二FPGA通过接收信号强度(RSS)测量法计算出定位点；

典型的RSS测量法是基于信号传播损耗模型的定位方法；

根据LED朗勃辐射体模型，光由第i个(i＝1,2,3…，n)LED发出后到达第二光探测器的信道增益为

其中，表示是该LED和第二光探测器之间的辐射角度，d_i是第i个LED与第二光探测器之间的距离，A是第二光探测器的有效面积，θ是光入射到第二光探测器接收面时的角度。为该LED的半功率角，变量

而由于光强随时间的波动，实际的增益H(0)'_LOS为

该LED发出的光经过传输后第二光探测器接收到的光强度P为

其中P₀为该LED发光功率，h为第二光探测器距离该LED的竖直距离，因为只关注目标在某一固定高度的二维定位坐标，因此h为已知。

$d_i=(m+3)\sqrt{\frac{P_0}{P_i}\left(\frac{(m+1)A{h}^{(m+1)}}{2\mathrm{\π}}\right)}---\left(4\right)$

$r_i=\sqrt{{d_i}^2-h^2}---\left(5\right)$

d_i为编号i的LED与光探测器的距离，r_i为光探测器距离编号为i的LED在探测器所在水平面投影中心的距离。

当i＝3时，利用三圆相交的方法即可确定光探测器在水平面上的位置坐标X和Y。当i>3时，任何3个LED即可获得X,Y值。所述三圆相交的方法具体为：以各个LED在水平面上的投影中心为圆心，以公式(5)求得的距离r_i为半径画圆，三个及以上的圆相交的位置为第二光探测器(被测物体)所在位置。

至此，通过实时检测Si，完成包含误差校正的可见光信号强度室内定位。

有益效果

本发明的室内可见光定位系统，针对随着工作时间增加导致了LED光强变化，从而造成定位精度下降的问题，通过增加光强波动因子监测和发射单元获取实时的光强信息，并用实时强度因子取代传统的固定参数进行位置计算。减小了由于光强波动带来的定位误差。

附图说明

图1为本发明的室内可见光定位系统组成图；

图2为具体实施方式中三圆相交得到定位点示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行详细说明。以下实施例对本发明进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

一种包含误差校正的室内可见光强度定位系统，包括可见光下行发射模块、可见光接收模块和光强波动因子监测单元。

可见光下行发射模块由第三FPGA发射编码信号，通过LED驱动电路放大信号，然后驱动通过多个白光LED(本实施例为3个)照明，本系统采用驱动频率为100KHz，由于高于人眼观测频率，所以人无法看到闪烁。驱动电路为白光LED提供合适的直流偏执，并把发送信号调制在白光LED的驱动电流上；白光LED将调制后的信号以可见光形式发射出去。

光强波动因子监测及发射单元由第一光电探测器、第一运算放大器、第一数模转换器、第一FPGA组成及第一蓝牙模块组成。该单元固定在3个LED下方，能接收3个LED的光信号并保持不动。第一光电探测器和第一运算放大器实现光信号转成电信号并放大，然后通过第一数模转换器采集到第一FPGA中。本实施例中采用同步信号，即三个LED的信号同时发射，因此3个LED的通过不同的时隙编码实现互不干扰。在A实时获取当前的3个LED的光强信息。系统上电工作开始的3个光强值记为P₁，P₂，P₃(1,2,3代表LED编号，后面类同)作为基准值，后面每隔0.1s，实时获取新的P_1’,P_2’,P_3’,

S₁＝P_1’/P₁；S₂＝P_2’/P₂；S₃＝P_3’/P₃

由此，获得3个光强波动因子，并通过蓝牙传送出去。

可见光接收模块由第二光电探测器、第二运算放大器、第二数模转换器、第二FPGA、第二蓝牙模块组成。第二光电探测器和第二运算放大器实现光信号转成电信号并放大，然后通过第二数模转换器采集到第二FPGA中。因为光强随着工作时间增加会发生强度变化，先通过蓝牙模块接收到Si(i＝1，2，3)，然后通过RSS三圆相交的方法解算X，Y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 (4)

1.一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，其特征在于：包括可见光下行LED发射模块、可见光接收模块和光强波动因子监测单元；

所述可见光下行发射模块包括第三FPGA，多个LED驱动电路和多个LED，由第三FPGA生成调制编码信号，通过LED驱动电路放大后，驱动LED照明，并将调制编码信号发射出去；

所述光强波动因子监测单元包括第一光电探测器、第一运算放大器、第一模数转换器、第一FPGA及第一蓝牙模块；第一光电探测器和第一运算放大器输入端相连，第一运算放大器和第一模数转换器的模拟输入端相连，第一模数转换器的数字输出端和第一FPGA的输入IO相连，第一FPGA的输出IO和第一蓝牙模块的串口相连；第一光电探测器把探测到可见光信号转化成电信号，电信号通过第一运算放大器放大，放大后的电信号经过第一模数转换器转化成数字信号，FPGA计算光强波动因子，光强波动因子通过FGPA和第一蓝牙模块的串口通信，发送到第一蓝牙模块，第一蓝牙模块把光强波动因子通过蓝牙无线发送出去；

根据不同光源的强度波动计算出光强波动因子：

S_i＝P_i’/P_i (1)

其中，S_i为第i个LED的光强波动因子，P_i为系统上电工作开始时第i个LED的光强值，作为第i个LED的基准值，P_i’为实时获取新的光强值；

光强波动因子监测单元固定于多个LED下方，在多个LED的光照射范围内；

所述可见光接收模块安装在被测物体上，包括第二光电探测器、第二运算放大器、第二模数转换器、第二FPGA及第二蓝牙模块；第二光电探测器、第二运算放大器、第二模数转换器、第二FPGA及第二蓝牙模块顺次相连；第二光电探测器把采集到的光信号转成电信号，第二运算放大器将电信号放大，通过第二模数转换器采集到第二FPGA中；

上述组成部分的连接关系为：可见光下行发射模块通过LED发送调制编码信号；光强波动因子监测单元根据不同LED光源的强度波动计算出光强波动因子，通过无线通信方式把光强波动因子发送给可见光接收模块，可见光接收模块接收可见光下行发射模块的调制编码信号，通过接收到的调制编码信号和接收到的光强波动因子计算位置。

2.根据权利要求1所述的一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，其特征在于：每个驱动电路驱动1个LED，第三FPGA的输出IO口和驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端和LED相连。

3.根据权利要求1所述的一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，其特征在于：其室内可见光强度定位的误差校正方法具体步骤为：

步骤1，可见光LED下行发射模块发送定位编码信息；

所述定位编码信息为LED的位置编码信息，每个LED对应唯一的ID编码或者唯一的频率；第二光电探测器同时接收到多个LED的编码信息时，能识别出不同的LED光信号并获取不同LED的光强；

步骤2，光强波动因子监测单元获取当前不同LED的调制编码信号，并计算出编码信号强度，该信号由于光源幅度波动，信号强度会不同，因此是误差补偿的依据；获取不同LED的编码信号强度，通过计算得出不同光强波动因子S₁,S₂…，S_i，…S_n，n为LED的数量，n不小于3；把得到的光强波动因子通过第一蓝牙模块发送到可见光接收模块的第二蓝牙模块；

步骤3，可见光接收模块接收到可见光LED下行发射模块发送的调制编码信号，并接收到光强波动因子，第二FPGA通过接收信号强度测量法计算出定位点；

由于光强随时间的波动，光由第i个LED发出后到达第二光探测器的实际增益H(0)′_LOS为

其中，表示是该LED和第二光探测器之间的辐射角度，d_i是第i个LED与第二光探测器之间的距离，A是第二光探测器的有效面积，θ是光入射到第二光探测器接收面时的角度；为该LED的半功率角，变量

该LED发出的光经过传输后第二光探测器接收到的光强度P为

其中P₀为该LED发光功率，h为第二光探测器距离该LED的竖直距离；

$d_i=\sqrt[\left(m+3\right)]{\frac{P_0}{P_i}\left(\frac{(m+1){\mathrm{Ah}}^{\left(m+1\right)}}{2\mathrm{\π}}\right)}---\left(4\right)$

$r_i=\sqrt{{d_i}^2-h^2}---\left(5\right)$

d_i为编号i的LED与光探测器的距离，r_i为光探测器距离编号为i的LED在探测器所在水平面投影中心的距离；

当i＝3时，利用三圆相交的方法即可确定光探测器在水平面上的位置坐标X和Y；当i>3时，任何3个LED即可获得X,Y值；至此，通过实时检测Si，完成包含误差校正的可见光信号强度室内定位。

4.根据权利要求3所述的一种包含误差校正的室内可见光信号强度定位系统，其特征在于：所述三圆相交的方法具体为：以各个LED在水平面上的投影中心为圆心，以距离r_i为半径画圆，三个以上的圆相交的位置为被测物体所在位置。