CN104820203A - 基于可转动的led发射端的室内三维定位系统及方法 - Google Patents

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王永进
郭燕青
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    • G01S1/70—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using electromagnetic waves other than radio waves

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Abstract

本发明公开了一种基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统及方法，包括发射端与接收端；发射端包括一个单倾斜多转动三维的白光LED光源；接收端包括一个光电检测器和信号处理单元用于提取功率信号。所述基于可见光通信室内定位系统，发射端可以调节LED发出光的角度改变接收端接收到的信号功率，从而进行多组数据的测量，通过计算接收得到的功率之间的差值提取定位信息。本发明解决现有的室内定位系统以及方法定位精度不够，硬件成本高等问题，具有硬件成本低、定位精度高、测量方法简便等优点。

Description

基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统及方法
技术领域
本发明属于室内定位领域，涉及一种基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统的LED发送端的改进。
背景技术
可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，具有传统无线通信技术不具备的优势，如：没有电磁污染、不占用频带资源、保密性好等等。
将可见光通信应用到室内定位当中，可以很好的弥补了传统室内定位系统的缺陷，可见光室内定位技术可以大幅度提高定位精度、简化定位装置、降低成本等等。
现有的基于可转动的倾斜LED发射端的室内三维定位系统都是通过多LED发射端或者多PD接收端进行几组数据的测量，从中提取定位信息，相对传统室内定位系统，本发明简化了系统的结构，采用的单LED发射端和单PD接收端；在定位的精度方面能够通过多次测量接收功率差获取更为精确的定位信息。
发明内容
技术问题：本发明旨在提供一种精确度高、系统架构灵活多变的基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统及方法。
技术方案：本发明基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统，包括发射端与接收端，发射端由一个可转动的倾斜白光LED光源构成，由正弦波信号与直流信号耦合进行驱动；所述接收端用以接收光信号、转换成电信号并从电信号中测量信号功率，得到位置信息。
本发明系统的优选方案中，倾斜白光LED光源由一个LED灯构成，所述LED灯末端连接精密角度测量器件，用以测量入射角的角度。
本发明系统的优选方案中，接收端包括：
光电转换器，用以接收所述光信号并转换成电信号；
信号处理单元，用以对电信号进行频谱分析得出信号功率，结合角度增益算法，比较不同旋转角度时PD的接收光功率差值，得到定位信息。
本发明系统的优选方案中，信号处理单元包括一个用于测量电信号功率的频谱分析仪。
本发明的基于可见光室内定位方法，基于上室内三维定位系统，包括以下步骤：
光信号发射步骤：多次旋转发射端的倾斜白光LED光源，改变入射角的角度，每次旋转定位后，LED发射端的LED光源将正弦波信号以光信号的形式向外输出，精密角度测量器件测量并记录角度偏转值；
光信号接收步骤：接收端的光电转换器接收光信号并转换成电信号传输至信号处理单元，信号处理单元提取电信号功率，结合角度偏转值计算位置信息。
本发明的光信号接收步骤中，采用角度增益算法计算位置信息。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
在已有的基于可转动的倾斜LED发射端的室内三维定位系统中，发射端和接收端的设备较为复杂，并且在驱动LED灯时驱动信号需携带信息，使得在传输过程中由于噪声的干扰，得到的定位信息会有明显的误差。本发明相对其他基于可转动的倾斜LED发射端的室内三维定位系统，又做了简化与创新，使用单LED发射端和单PD接收端，本发明驱动LED光源的是一定功率的正弦波信号，不带有信息，无需调制解调电路，大大简化了定位系统的硬件设备。同时，现有的基于可转动的倾斜LED发射端的室内三维定位系统的发射端和接收端通常有多个LED光源或者多个PD接收器，本发明只有一个LED光源和一个PD大大降低了定位系统的硬件成本，并且在发射端，设计了一个多转动白光LED光源，可以测量转动任意角度时接收端接收到的功率，即理论上可以进行任意组数据的测量，提高定位的精度和效率。
附图说明
图1 是基于可见光通信的多转动三维LED发射端的室内定位系统的框架示意图
图2 是基于可见光通信的多转动三维LED发射端的室内定位系统的发射端示意图
图3 是基于可见光通信的多转动三维LED发射端的室内定位系统的实物示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明：
如图1所示，基于可见光通信的多转动三维LED发射端的室内定位系统的框架示意图，包括发送端和接收端，所述发送端包括一个多转动LED光源、接收端包括一个光电检测器和信号处理模块。
在该系统中，用一正弦信号与直流信号耦合在一起来驱动LED，使电信号转换为光信号并向外发射，由此实现定位区域的覆盖，接收端的光电转换器接收到光信号转换成电信号并传送至信号处理模块，由信号处理模块提取位置信息。
如图2所示，在发射端，是一个可在三维空间自由转动的LED光源，发射端的LED可以通过精确到0.1毫米的机械转盘调节发射信号的方向角度，实现在接收端在同一个测试点，可测得多组功率数据，利用测得数据之间的差值结合角度增益算法，将得到精准的定位信息。
在进行具体测量时，对LED光源的角度进行调节，以记录三组数据为例，分别记录角度在0°、135°、270°时的功率，通过信号处理模块得到对应的功率分别为 ，进一步得到差值功率                                                 。根据角度增益算法，可以得到较为精确的定位信息，如果需要进一步精确位置信息，只需调节LED发射角度再次测量和计算即可。
如图3所示，将所述基于可见光通信的室内系统运用到应用场景当中，在一个90*90*100 （cm）的空间中，运用本发明进行基于可转动的倾斜LED发射端的室内三维定位。在具体使用过程中，LED光源以高速明暗闪烁的信号向外输出光信号，而LED光源普遍应用于办公和生活的场所，接收端可以是带有光电接收模块的手机或者平板电脑或者个人数字助理等常见的移动设备，故本应用场景所述的基于可转动的倾斜LED发射端的室内三维定位系统具有定位精度高，无电磁污染，实施简单等优点。
以上应用场景实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统，包括发射端与接收端，其特征在于，所述发射端由一个可转动的倾斜白光LED光源构成，由正弦波信号与直流信号耦合进行驱动；所述接收端用以接收光信号、转换成电信号并从电信号中测量信号功率，得到位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统，其特征在于，所述倾斜白光LED光源由一个LED灯构成，所述LED灯末端连接精密角度测量器件，用以测量入射角的角度。
3.根据权利要求1所述的基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统，其特征在于，所述接收端包括：
光电转换器，用以接收所述光信号并转换成电信号；
信号处理单元，用以对电信号进行频谱分析得出信号功率，结合角度增益算法，比较不同旋转角度时PD的接收光功率差值，得到定位信息。
4.根据权利要求书3所述的基于可转动的LED发射端的室内三维定位系统，其特征在于，所述信号处理单元包括一个用于测量电信号功率的频谱分析仪。
5.一种基于可转动的LED发射端的室内三维定位方法，其特征在于，该方法基于权利要求1、2、3或4所述室内三维定位系统，包括以下步骤：
光信号发射步骤：多次旋转发射端的倾斜白光LED光源，改变入射角的角度，每次旋转定位后，LED发射端的LED光源将正弦波信号以光信号的形式向外输出，精密角度测量器件测量并记录角度偏转值；
光信号接收步骤：接收端的光电转换器接收光信号并转换成电信号传输至信号处理单元，信号处理单元提取电信号功率，结合角度偏转值计算位置信息。
6.根据权利要求书5所述的基于可转动的LED发射端的室内三维定位方法，其特征在于，所述光信号接收步骤中，采用角度增益算法计算位置信息。
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