CN105301561A - 一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,属于可见光通信技术领域。本发明首先对不同LED施加不同频率的信号；然后在接收端接收到LED信号的强度和频率，利用快速傅里叶变换区分不同的LED及其强度，最终使用RSS方法实现高精度定位。方法简单易行，便于实现，相对于LED同步发送信号的定位方法减少了设备冗余度，大大提高了可拓展性，并且能够消除背景光造成的定位误差，相对于通常的LED异步发送信号的定位方法则大大提高了定位的精度。

Description

一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,属于可见光通信技术领域。

背景技术

基于可见光通信(VisibleLightCommunication,VLC)技术的室内定位方案由于利用白色半导体发光二极管(LightEmittingDiode,LED)发射的白光作为定位信号的载体，所以没有电磁辐射，不受应用环境的限制；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。目前已有较多的室内定位方法，但目前绝大部分是通过每个LED发送编码，接收器接收到LED编码，然后恢复出LED位置，这种定位方法只能粗略定位到某个LED附近。该定位方法，各个LED独立，无需同步发射信号，实施简单，但是定位精度低，无法满足高精度场合的要求。高精度室内则通过多个LED同步发送信号，接收到同时接收到多个LED的编码，再算出各自编码的强度，根据接收信号强度(RSS)的算法，恢复出精确的位置信息。这种方式在具体实施中信号需要同步连接，否则接收端信号叠加，无法解调信号，需要各个LED彼此互连，对线路进行改造，线路复杂且可拓展性差。

发明内容

本发明的目的是为解决现有室内定位中,同步信号定位可拓展性差，线路复杂，而非同步连接的定位系统信号定位精度低的问题，提出一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,LED无需同步发送信号，利用接收器接收到LED信号的强度和频率，通过频率区分不同的LED，利用内置的LED数据库得到LED的位置信息，通过不同LED的位置信息和强度信息来确定位置。

本发明所采用的技术方案具体包括以下步骤：

步骤1：构建一个可见光定位系统；该系统包括多个LED发射模块(不少于3个)和可见光接收模块；所述LED发射模块包括驱动电路和LED；所述可见光接收模块包括光电探测器、放大电路、模数转换器及处理器，光电探测器、放大电路、模数转换器和处理器顺次连接；

步骤2：对不同LED发射模块中的驱动电路加载不同频率的周期信号对发送信号进行调制，调制后的周期可见光信号速率满足条件为人眼看不到闪烁；相邻LED加载的信号频率有间隔并在频谱上不相互干扰，每个LED经驱动后发送周期可见光信号。所述周期可见光信号是正弦波周期信号或者是方波周期信号，不同LED之间独立发送信号，互不影响。所述多个LED发射模块之间互不连接，各个LED之间互不通信。

步骤3：根据实际场地及频率加载情况，在光接收模块的处理器中预先记录每个频率所对应的LED位置信息，建立数据库。所述位置信息是指LED在场地中的坐标，以边缘位置为坐标原点，然后根据各个LED距离边缘的距离，确定每个LED的x，y坐标。

步骤4：光电探测器接收光信号完成光电转换，经放大和模数转换后，将采样到的信号传输至处理器。

步骤5：在处理器中对采集到的数据采用FFT变换，得到不同频率对应强度，其中强度与LED到达安装光电探测器的被测物体的光照度成正比，即强度能够表征光照度的大小。

步骤6：在多个LED发射模块组成的照射区域内，按照强度从大到小顺序查找前n个强度所对应的频率值(n≥3，n小于等于LED个数)，并与步骤3中所建立的数据库进行比对，提取到这n个强度值所对应的LED位置信息。n代表选取参与后续定位的LED个数，取值根据系统要求的定位精度确定，n越大，定位精度越高。

步骤7：利用步骤6得到的LED位置信息及步骤5得到的强度，通过接收信号强度(RSS)测量法计算出定位点，具体方法为：根据朗勃辐射体模型，光由一个编号a的LED发出经传输后到达光电探测器,光电探测器接收到的光强度P为

其中，P₀为该LED发光功率，表示是该LED和光电探测器之间的辐射角度，d_a是编号a的LED与光电探测器之间的距离，A是光电探测器的有效面积，θ是光入射到光电探测器接收面时的角度。为该LED的半功率角，变量h_a为光电探测器距离该LED的竖直距离。

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

其中h_a由公式(3)求得；

h_a＝H_A-Z(3)

其中H_a是编号a的LED距地面的高度。Z是光电探测器到地面的距离，在二维定位环境下是已知且固定的。

同理，按照公式(2)(3)求得光电探测器距离各个LED的距离d_a、d_b、d_C……(d_b、d_C分别为编号b、c的LED与光电探测器的距离)。由几何知识可知：

$r_a=\sqrt{d_a^2-h_a^2}---\left(4\right)$

从而求得光电探测器距离各个LED在光电探测器所在水平面投影中心的距离为r_a、r_b、r_c……。

用步骤6得到的LED位置信息，当n＝3时，利用三圆相交的方法确定光电探测器在水平面上的位置坐标X和Y；当n>3时，将三圆相交的方法和排列组合方法相结合进行定位位置优化，具体方法为：排列组合多组LED(每组三个LED)进行三圆相交方法，将得到的多个定位位置取平均，得到最终光电探测器的定位位置。

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(4)求得的各个LED在光电探测器所在水平面投影中心的距离为半径画圆，三个圆相交的位置即为定位位置。

至此，完成非同步发送信号的可见光高精度室内定位。

有益效果

本发明首先对不同LED施加不同频率的信号；然后在接收端利用快速傅里叶变换区分不同的LED及其强度，最终使用RSS方法实现高精度定位。方法简单易行，便于实现，并且能够忽略背景光噪声的影响，相对于LED同步发送信号的定位方法减少了设备冗余度，大大提高了可拓展性，并且能够消除背景光造成的定位误差，相对于通常的LED异步发送信号的定位方法则大大提高了定位的精度。

附图说明

图1为本发明中三圆相交得到定位点示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为具体实施方式中的定位系统框图；

图4为具体实施方式中接收端接收信号波形。

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。

采用本发明所属方法实现室内定位，首先如附图3所示构建系统。本发明系统包括可见光下行发射模块；VLC定位模块；

可见光下行发送模块包括：下行发送处理器，驱动电路和多个白光LED(本实施例为3个)；

下行发送处理器采用单片机或FPGA，用来产生白光LED发送的信号，该信号分别为不同频率的周期信号，且不同单片机或者FPGA之间没有联系，互为独立的发送信号；

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。

VLC定位模块包括：VLC定位接收器和处理器，其中，VLC定位接收器由光电探测器、放大电路、模数转换器组成，处理器由上位机实现；

VLC定位接收器通过光电探测器把接收到可见光信息转换成电信号，通过AD采集到FPGA，将数据转换格式后发送至上位机，上位机接收到的信号如附图4所示，上位机可以是电脑或者手机，然后根据不同LED的信号强度及频率，通过发明内容所述定位方法计算出光电探测器的坐标，并实时显示坐标和图像信息；

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 (6)

1.一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：构建一个可见光定位系统；该系统包括多个LED发射模块和可见光接收模块；所述LED发射模块包括驱动电路和LED；所述可见光接收模块包括光电探测器、放大电路、模数转换器及处理器，光电探测器、放大电路、模数转换器和处理器顺次连接；

步骤2：对不同LED发射模块中的驱动电路加载不同频率的周期信号对发送信号进行调制，相邻LED加载的信号频率有间隔并在频谱上不相互干扰，每个LED经驱动后发送周期可见光信号；所述周期可见光信号是正弦波周期信号或者是方波周期信号，不同LED之间独立发送信号，互不影响；所述多个LED发射模块之间互不连接，各个LED之间互不通信；

步骤3：根据实际场地及频率加载情况，在光接收模块的处理器中预先记录每个频率所对应的LED位置信息，建立数据库；

步骤4：光电探测器接收光信号完成光电转换，经放大和模数转换后，将采样到的信号传输至处理器；

步骤5：在处理器中对采集到的数据采用FFT变换，得到不同频率对应强度，其中强度与LED到达安装光电探测器的被测物体的光照度成正比，即强度能够表征光照度的大小；

步骤6：在多个LED发射模块组成的照射区域内，按照强度从大到小顺序查找前n个强度所对应的频率值，并与步骤3中所建立的数据库进行比对，提取到这n个强度值所对应的LED位置信息；n代表选取参与后续定位的LED个数，取值根据系统要求的定位精度确定，n越大，定位精度越高；

步骤7：利用步骤6得到的LED位置信息及步骤5得到的强度，通过接收信号强度测量法计算出定位点，具体方法为：根据朗勃辐射体模型，光由一个编号a的LED发出经传输后到达光电探测器,光电探测器接收到的光强度P为

其中，P₀为该LED发光功率，表示是该LED和光电探测器之间的辐射角度，d_a是编号a的LED与光电探测器之间的距离，A是光电探测器的有效面积，θ是光入射到光电探测器接收面时的角度；为该LED的半功率角，变量h_a为光电探测器距离该LED的竖直距离；

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

其中h_a由公式(3)求得；

h_a＝H_A-Z(3)

其中H_a是编号a的LED距地面的高度；Z是光电探测器到地面的距离，在二维定位环境下是已知且固定的；

同理，按照公式(2)(3)求得光电探测器距离各个LED的距离d_a、d_b、d_C……，d_b、d_C分别为编号b、c的LED与光电探测器的距离；由几何知识可知：

$r_a=\sqrt{d_a^2-h_a^2}---\left(4\right)$

从而求得光电探测器距离各个LED在光电探测器所在水平面投影中心的距离为r_a、r_b、r_c……；

用步骤6得到的LED位置信息，当n＝3时，利用三圆相交的方法确定光电探测器在水平面上的位置坐标X和Y；当n>3时，将三圆相交的方法和排列组合方法相结合进行定位位置优化，具体方法为：排列组合多组LED进行三圆相交方法，每组三个LED，将得到的多个定位位置取平均，得到最终光电探测器的定位位置；

至此，完成非同步发送信号的可见光高精度室内定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,其特征在于：LED发射模块不少于3个。

3.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,其特征在于：调制后的周期可见光信号速率满足条件为人眼看不到闪烁。

4.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,其特征在于：步骤3所述位置信息是指LED在场地中的坐标，以边缘位置为坐标原点，然后根据各个LED距离边缘的距离，确定每个LED的x，y坐标。

5.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,其特征在于：n≥3，n小于等于LED个数。

6.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的可见光高精度室内定位方法,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，以公式(4)求得的各个LED在光电探测器所在水平面投影中心的距离为半径画圆，三个圆相交的位置即为定位位置。