CN104965510A - 一种基于可见光定位与导航的物流车控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于可见光定位与导航的物流车控制系统，包括物流车上加装的CCD相机、红外发射器、运动控制模块，LED定位标志物以及系统控制所用的服务器与相关通信网络。所述系统通过物流车上的红外发射器发射红外同步信号获得LED定位标志物的唯一应答数据信号，通过解码获得标志物的信息，通过光强测定与标志物距离，通过RSSI三角形定位方法获取物流车的精确位置信息，并实时将位置信息上传服务器，获得服务器给出的运动控制指令实现智能控制。本案采用可见光定位方式，避免其他室内定位方式的诸多局限，精度较高且结构简单易于实现，有利于工厂、仓库等空间物流车的智能化控制。

Description

一种基于可见光定位与导航的物流车控制系统

技术领域

本发明属于定位与控制的技术领域，具体涉及一种利用可见光进行物流车定位、利用无线控制技术进行导航的控制系统。

背景技术

在工厂、仓库、超市、储藏室等地，物流车已经成为货物仓储运输的重要工具。随着科技的发展，高智能的自动化仓储控制系统逐渐受人关注。高度自动化的物流车及一套控制性能良好的导航系统是实现仓储运输智能与自动化的必须，这其中物流车的准确定位是系统良好控制性的重要保障。考虑到实际应用中多用于室内场合的实际，物流车定位需要使用性能良好的室内定位方法。

现有的室内定位方法主要可以分为两类，一类是基于WiFi、ZigBee等异构无线网络的定位方法，另一类是基于红外、超声等物理手段的定位方法。基于WiFi和蜂窝网络的定位方法由于受到卫星信号低穿透性、信道噪声问题和多径干扰问题的限制，大大影响着室外定位的精度，并不适用于精确的室内定位。ZigBee和RFID定位方式在一定程度上避免了卫星定位在室内信号较弱的问题，但方法技术要求较高，定位效果受到室内布局影响很大，所以此种方法对于仓库、超市等诸多场合并不适用。红外定位方法由于红外线直线视距和低传输距离的两大特点，使得其在室内结构简单、室内面积有限的场合十分奏效，但是现实中房屋的室内结构往往十分复杂，且极易受到人为干扰，故此种方法并不实用。超声定位方式能初期需要大量的底层硬件投资，并且超声波在传播途中会受到散射、反射等影响，并不适用于超市、机场等公共场所。

发明内容

本系统将关注点投入到可见光通信领域，利用可见光信息作为标志物，结合RSSI定位算法，实现物流车的精准室内定位。在无线控制系统的导航下，控制物流车的前进路线，实现物流车的自动化操作。可见光能耗低、成本小、容量大、对人体无害、集照明与通信功能于一体，不受室内具体布局的影响，方便移植，成本低廉，满足绿色环保的科技趋势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案分为四部分。第一部分是可见光发射装置。通过OOK调制、数据组帧技术、时分复用与红外编码的同步技术实现可见光标志的设立，每一标志发射的可将光编码信号唯一。第二部分是可见光接受装置。通过物流车上的红外发射模块发射红外时钟信号，车上的CCD摄像机接收可见光标志物应答的可见光编码信号以获得可见光标志的信息，并通过可见光光强计算发射装置的距离。第三部分是基于RSSI的三角形定位方法，获取物流车的精确位置信息。第四部分是控制系统根据物流车的位置与运输要求，通过无线控制技术实现物流车的路径规划与运动控制。

本发明的有益效果是，利用可见光定位技术，构建出一种能精确获取室内位置的物流车，对物流车的运动进行无线控制，组成一套物流车智能控制系统，实现仓储运输的自动化与智能化。

附图说明

图1：本发明的组成部分示意；

图2：本发明对LED标志的数据组帧示例图；

图3：本发明中基于RSSI的三角形定位算法演示图。

图中标号：1为CCD相机(作为接收红外装置)，2为红外发射器，3为运动控制模块，4为物流车，5为服务器(用于计算运动控制指令)，6为LED可见光定位标志，7为红外时钟同步信号，8为LED数据信号，9为位置反馈与运动控制信号，10为LED标志示例编码位置。

具体实施方式

图1介绍了系统的主要组成部分：CCD相机(1)、红外发射器(2)、运动控制模块(3)作为物流车(4)上的三个主要模块。红外发射器(2)不断发射红外时钟同步信号(7)，当LED可见光定位标志(6)接收到同步信号后，根据确定的唯一编码方式发射带有信号的LED数据信号(8)。当CCD相机接收到LED数据信号(8)之后进行解码，获得该LED定位标志(6)的编号，通过光强计算出距离LED信号发射点的距离。通过RSSI的三角形定位方法，得知三个LED标志的编号及与之距离后即可获取物流车的精确位置信息。物流车获得位置后，与服务器通过无线连接通信，实时报告位置，并由服务器根据每一物流车需求确定行驶路径与运动控制信号(9)，返回物流车实现智能控制。

图2介绍了对LED可见光定位标志的数据组帧。数据组帧的具体方法拟数据链路控制中常用的成帧技术，及采用成帧比特及比特填充技术相结合的数据组帧技术。采用8bit标志符01111110作为信息帧的开始与结束，但凡信息帧中出现五个连续的1则在其后加上一个0以区别标识符。接收端利用锁相环跟踪接受数据的频率并在该频率下找寻信息帧标示符，一旦发现标示符01111110，则认为该帧为有效帧，开始后续解码工作，得到LED灯编号。在某些特殊情况下，可能会存在两个用户同时发送红外同步信号的情况，为公平起见，则同时静默两红外发射器不同的时间间隔，以免重新发送再次发生碰撞。对于数据成帧中的信息帧仅需对LED进行编码，以记录LED的位置信息。假设LED作为信标采用常规的矩形排布，对于其横纵坐标均采用BCD编码。例如，以房间西南角为坐标原点O，如图2所示，则示例点(10)坐标为(2，3)，初始状态其信息帧为0 010 011，整个数据帧为01111110001001101111110。

图3介绍了基于RSSI的三角形定位算法。

基于RSSI的三角形定位技术采用的核心算法如下。可见LED属于郎伯辐射体，辐射强度按照余弦规律变化。对于LED-PD光电传输模型有

$E=\frac{I_0{\cos }^m\left(\mathrm{\φ}\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{D^2}$

其中E是辐射区域内任意位置，I₀为LED中心发光强度，m为朗波辐射阶数，φ为出射角，θ为入射角，D为LED与PD之间的距离，则接收端的平均接收功率p_r＝H₀*p_e，其中p_e为LED的发射功率，H₀为光信道 的直流增益，且有：

$H_0=\left\{\begin{array}{cc}\frac{(m+1)A}{2\mathrm{\&pi;}{D}^2}{\cos }^m\left(\mathrm{\&phi;}\right)T_s\left(\mathrm{\&theta;}\right)g\left(\mathrm{\&theta;}\right)\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)& 0<\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_c\\ 0& \mathrm{\&theta;}>{\mathrm{\&theta;}}_c\end{array}\right.$

其中T_s光滤波器增益，g为光集中器增益，θ_c为光电二极管最大可视角

实际情况下，光电传输模型可以简化为图3所示，则结合上述事实，PD端接收到的信号强度为：

$p_r\left(i\right)=p_e\left(i\right)*\frac{A}{\mathrm{\&pi;}{D}_i^2}\cos \left(\mathrm{\&phi;}\left(i\right)\right)\cos \left(\mathrm{\&theta;}\left(i\right)\right)\mathrm{rect}(\mathrm{\&theta;}\left(i\right)/{\mathrm{\&theta;}}_c)$

其中φ(i)为出射角，θ(i)为入射角，根据图3易得，cos(φ(i))＝cos(θ(i))＝H/D_i，其中在通常情况下，H为房屋高度，则可以从上式推知D_i

$D_i=\sqrt[4]{\frac{p_e\left(i\right)A{H}^2}{\mathrm{\&pi;}{p}_r\left(i\right)}}$

理论上，当待定位物体离天花板的距离一定时，仅需两个信标LED即可确定物体位置。为了使得应用范围更广，使用三信标的三角形定位方式更加准确。即联立求解三个球方程，即可得到待定位物体的空间坐标(x，y，z)，即：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2=D_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2=D_2^2\\ {(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2=D_3^2\end{array}\right.$

通常情况下，求解该方程组将会得到两组解，但是考虑到z的取值区间为[0，H]，则可以舍去其中一组解，得到准确的物体位置信息。

Claims (6)

1.一种基于可见光定位与导航的物流车控制系统，其特征在于运用可见光定位技术获得物流车在室内环境的精确位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是：通过获取LED定位标志物发射的特定编码实现标志物的唯一确定。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是：通过测量LED定位标志物发射编码的强度计算出物流车与标志物的距离。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是：通过RSSI三角形定位方法获取物流车的精确位置信息。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是：物流车实时反馈当前位置，服务器经运算通过无线控制技术发出相应运动控制信号。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是：采用OOK调制、数据组帧技术、时分复用与红外编码的同步技术实现可见光标志的设立。